Upload
voquynh
View
348
Download
9
Embed Size (px)
Citation preview
1
MODUL 5
KARAKTERISASI LED OLEH I-V METER
Muhammad Ilham, Rizki, Moch. Arif Nurdin,Septia Eka Marsha Putra, Hanani,
Robbi Hidayat.
10211078, 10210023, 10211003, 10211022, 10211051, 10211063.
Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia
E-mail: [email protected]
Asisten: (CH. A. Andre Mailoa /10210026)
Tanggal Praktikum: (31-10-2013)
Abstrak
LED (Light Emiting Diode) adalah suatu komponen elektronika yang tersusun dari gabungan bahan
semikonduktor yang dapat memancarkan cahaya. LED memiliki karakteristik yang dapat diamati oleh I-V
meter. Karakteristik LED yang dapat diamati dengan I-V meter diantaranya perubahan arus terhadap
tegangan, energi Band Gap, tegangan Threshold, maupun panjang gelombang cahaya yang dipancarkan.
Alat yang digunakan untuk karakterisasi LED yaitu I-V meter ELKAHFI 100. I-V meter ELKAHFI 100 dapat
menentukan hubungan karakteristik antara arus dan tegangan dari suatu LED. Pada hasil data yang telah diolah dengan membandingkan hasil perhitungan dengan data referensi yang ada, maka dapat dibandingkan
jenis warna dan energi band gap LED hasil pengamatan dengan hasil perhitungan. Karakteristik dari LED
dapat diketahui melalui pengukuran karakteristik hubunganarus dan tegangan LED menggunakan I-V meter.
Kata Kunci : Band gap, IV meter, LED, Panjar Maju, Tegangan threshold
I. Pendahuluan
1.1 Tujuan
Tujuan dari praktikum ini adalah
menentukan karateristik LED dan
menentukan jenis warna LED yang
digunakan melalui hasil data yang
didapatkan.
1.2 Teori Dasar
Light Emitting Diode (LED)
adalah salah satu komponen elektronika
yang terbuat dari bahan semi konduktor
jenis dioda yang mempu mengeluarkan
cahaya. Strukturnya juga sama dengan
dioda, tetapi pada LED elektron
menerjang sambungan P-N (Positif-
Negatif). Untuk mendapatkan emisi
cahaya pada semikonduktor, doping yang
pakai adalah galium, arsenic dan
phosporus. Jenis doping yang berbeda
menghasilkan warna cahaya yang
berbeda pula. LED memiliki bentuk fisik
seperti gambar berikut,
Gambar 1. Light Emitting Diode (LED)
LED menghasilkan cahaya
monokromatik . Prinsip kerjanya ketika
LED diberi tegangan panjar maju maka
LED akan mengalami medan
elekromagnetik sehingga elektron akan
mengalami rekombinasi dengan hole,
rekombinasi ini melepaskan energi
berupa foton, foton ini lah yang
menyebabkan cahaya terpancar dari LED.
Pada saat bahan semikonduktor
jenis p dan n digabungkan maka elektron
bebas dari bahan jenis n akan berdifusi
menuju bahan p dan berekombinasi
dengan hole pada bahan jenis p,
Sebaliknya juga hole pada bahan pakan
berdifusi ke bahan n dan berekomendasi
2
dengan elektron. Proses rekombinasi ini
akan saling meniadakan muatan ,
akibatnya akan ada daerah disekitar
sambungan p-n yang muatan yang netral,
daerah ini yang disebut daerah deplesi.
Cahaya yang dipancarkan oleh dioda ini
adalah hasil dari pelepasan energi oleh
elektron saat berpindah dari pita konduksi
kepita valensi. Pada dioda/LED, energi
yangdipancarkan oleh elektron ini setara
dengan perbedaan energi antara pita
valensi dan pita konduksi, yaitu besar
energi gap yang ada pada sambungan p-n.
Sehingga energi gap yang ada pada
daerah pengosongan sama dengan energi
yang dipancarkan oleh elektron dalam
bentuk cahaya saat berpindah dari
pitakonduksi ke pita valensi. LED
memiliki kurva karakteristik sebaga
berikut,
Gambar 2. Kurva Karakteristik LED
Dari kurva karakteristik pada
gambar [2], persamaan LED yang
menyatakan hubungan tegangan dengan
arus adalah :
Keterangan
Eg = Energi Band Gap (eV)
k = Konstanta Boltzman =1.38 x 10-
23kgm
2s
-2K
-1
q = Muatan Elektron = 1.6x10-19
Coulumb
T = Suhu ruangan (Kelvin)
I-V Meter adalah alat yang dapat
mengukur kuantitas atau intensitas listrik,
dimana I-Vmeter dapat membangkitkan
tegangan yang sebanding dengan rasio
arus masukkan dan referensi. Dengan
menggunakan I-V meter ini kita dapat
mengukur kondisi arus dalam dioda
terhadap tegangan yang diberikan,
dengan demikian kita dapat melihat
karakteristik dioda yang dipakai.Dengan
menggunanakan persamaan (1), kitadapat
menentukan persamaan regresi yang
digunakan yaitu,
maka nilai band gap (Eg) dapat diperoleh
dipersamaan (3) dan (4)
Eg =
(5) dan Eg =
(6)
h = 6,626 x 10-34
J.s
c = 299792458 m/s
II. Metode Percobaan
Pada percobaan modul ini akan
diukur besar arus yang mengalir dalam
LED terhadap tegangan yang dimasukkan
melalui I-V meter. I-V meter yang
digunakan dalam modul ini adalah I-
V Meter ELKAHFI 100, Langkah
pertama yaitu mempersiapkan perangkat
I-V meter, mulai dari pemasangan kabel-
kabel jumper sampai koneksi ke
komputer. Setelah perangkat I-V meter
dipasangd engan benar, jumper voltage
outputdihubungkan dengan kutub positif
LEDdan jumper current input dengan
kutub negatif LED. Kemudian
3
dibuka software ELKAHFI 100 dan run
untuk memulai pengambilan
data.Software ELKAHFI 100 ini akan
mengambil data arus dalam dioda
terhadap tegangan. Kemudian setelah
data diperoleh, datadisimpan dalam file
..xls , kemudian dilakukan lagi
pengambilan data untuk LED dengan
warna pendar yang berbeda-beda.
III. Data dan Pengolahan
Data warna LED
No Warna Tegangan
I (V)
Tegangan
II (V)
1 Putih 2,64 2,52
2 Hijau 1,85 1,77
3 Biru 2,44 2,41
4 Orange 1,59 1,58
5 Merah 1,54 1,5
6 Pelapis
merah
besar
3,84 3,83
7 Pelapis merah
kecil
2,49 1,41
8 Pelapis kunig
1,54 1,56
9 Pelapis
hijau
1,64 1,65
Tabel 1. Data hasil tegangan LED
percobaan I dan II
Data Karakterisasi IV (Kurva)
Gambar 3. Karakteristik 1 LED biru
(bening).
LED Hijau (bening)
Gambar 4. Karakteristik 1 LED hijau
(bening).
Gambar 5. Karakteristik 1 LED merah
(bening)
Gambar 6. Karakteristik 1 LED orange
(bening).
4
Gambar 7. Karakteristik 1 LED putih
(bening).
Gambar 8. Karakteristik 1 LED selubung
hijau.
Gambar 9. Karakteristik 1 LED selubung
kuning
Gambar 10. Karakteristik 1 LED
selubung merah kecil.
Gambar 11. Karakteristik 1 LED
selubung merah besar.
Gambar grafik di sekitar VTH
Gambar 12. Grafik pengamatan sekitar
Vth LED biru bening.
Dari hasil pengamatan, diperoleh nilai
VTH = 2.41 V
5
Gambar 13. Grafik pengamatan sekitar
Vth LED hijau bening.
Dari hasil pengamatan, diperoleh nilai
VTH = 1.77 V
Gambar 14. Grafik pengamatan sekitar
Vth LED merah bening.
Dari hasil pengamatan, diperoleh nilai
VTH = 1.5 V
Gambar 15. Grafik pengamatan sekitar
Vth LED orange bening.
Dari hasil pengamatan, diperoleh nilai
VTH = 1.58 V
Gambar 16. Grafik pengamatan sekitar
Vth LED putih bening.
Dari hasil pengamatan, diperoleh nilai
VTH = 2.52 V
Gambar 17. Grafik pengamatan sekitar
Vth LED selubung hijau.
Dari hasil pengamatan, diperoleh nilai
VTH = 1.65 V
Gambar 18. Grafik pengamatan sekitar
Vth LED selubung kuning.
Dari hasil pengamatan, diperoleh nilai
VTH = 1.56 V
6
Gambar 19. Grafik pengamatan sekitar
Vth LED selubung merah kecil.
Dari hasil pengamatan, diperoleh nilai
VTH = 1.41 V
Gambar 20. Grafik pengamatan sekitar
Vth LED selubung merah besar.
Dari hasil pengamatan, diperoleh nilai
VTH = 3.83 V
LED a b c d r2
Biru 0.54
69
34
.0
5
10
.3
2
-
5.40
E-06
0.
99
5
Hijau 0.27
85
21
.9
2
8.
79
2
-
3.24
E-05
0.
93
3
Merah 0.91
72
41
.4
9
19
.6
4
-
6.59
E-06
0.
99
6
Orange 0.05
393
39
.1
9
19
.1
4
7.61
E-06
0.
99
4
Pelapis
hijau
0.55
11
36
.8
4
16
.6
3
-
3.36
E-06
0.
99
9
Pelapis
kuning
0.00
05
41
.5
3
23
.4
2
3.22
E-06
0.
99
9
Pelapis
merah
besar
5.00
E-05
67
.2
2
16
.3
5
1.72
E-06
0.
14
Pelapis
merah
kecil
0.95
72
22
.7
9.
83
1
-
2.51
E-05
0.
88
7
Putih 0.18
11
33
.3
5
9.
83
7
-
4.31
E-06
0.
99
7
Tabel 2. Data Karakterisasi LED
Dengan
dan
Upper - Lower
LED a b
biru 0 inf -inf
i
n
f
hijau 0 inf -inf
i
n
f
merah 0 inf 0
i
n
f
orange 0 1000
000 -inf
i
n
f
pelapis hijau 0 1000
000 -inf
i
n
f
pelapis
kuning 0
1.00E
-03 -inf
i
n
7
f
pelapis
merah besar 0
1.00E
-04
-
10000
00
i
n
f
pelapis
merah kecil 0 inf -inf
i
n
f
Putih 0 1000
0 -inf
i
n
f
LED c d
biru -inf inf -inf
i
n
f
hijau -inf inf -inf
i
n
f
merah
-
1E+
07
inf
-
1E+0
7
i
n
f
orange -inf inf -inf
i
n
f
pelapis hijau -inf inf -inf
i
n
f
pelapis
kuning -inf inf -inf
i
n
f
pelapis
merah besar -inf inf
-
10000
i
n
f
pelapis
merah kecil -inf inf -inf
i
n
f
Putih -inf inf -inf
i
n
f
Tabel 3. Data Upper-Lower LED
Tegangan Threshold
LED
Vth
penga-
matan
Vth Perhi-
tungan
Vth
referensi
Biru 2.553 3.299418605 2.48-3.7
Hijau 1.773 2.493175614 1.9-4.0
Merah 1.667 2.112525458 1.63-
2.03
Orange 1.684 2.04754441 2.03-2.1
Pelapis
hijau 1.727 2.215273602 1.9-4.0
Pelapis
kuning 1.615 1.773270709 2.1-2.18
Pelapis
merah
besar
3.793 4.111314985 1.63-
2.03
Pelapis
merah
kecil
1.583 2.30902248 1.63-
2.03
Putih 2.631 3.390261259 3.5
Tabel 4. Data Tegangan Threshold
Tegangan threshold pengamatan didapat
dari regresi nilai I dan V masing-masing
LED sehingga didapat gradiennya.
Vth LED biru : 2.553 V
Vth LED hijau : 1.773 V
Vth LED merah : 1.667 V
8
Vth LED orange : 1.684 V
Vth LED pelapis hijau : 1.727 V
Vth LED pelapis kuning : 1.615 V
Vth LED pelapis merah besar : 3.793 V
Vth LED pelapis merah kecil : 1.583 V
Vth LED putih : 2.631 V
Tegangan threshold perhitungan didapat
dari rumus eVth = Eg
Panjang Gelombang
LED
λ
Penga-
matan
(nm)
λ
perhitungan
(nm)
Warna
(berdasar-
kan perhi-
tungan)
Biru 430- 376.0735204 biru-putih
9
505
Hijau 550-
570 497.6881544 hijau-biru
Merah 630-
660 587.365215 kuning
Orange 605-
620 606.0058889
merah-
orange
Pelapis
hijau
550-
570 560.122221 hijau
Pelapis
kuning
585-
595 699.737476 merah
Pelapis
merah
besar
630-
660 301.8070799 putih
Pelapis
merah
kecil
630-
660 537.3806365 hijau
Putih 450 365.9965635 putih
Tabel 5. Data Panjang Gelombang LED
Panjang gelombang pengamatan
merupakan panjang gelombang dari
cahaya yang terlihat saat pengamatan.
Panjang gelombang perhitungan dihitung
dari rumus E = hc/λ. Dengan E adalah
energy foton yang dalam perhitungan
LED sama dengan energy gap.
Energi Gap
LED
E perhi-
tungan
(eV)
E penga-
matan
(eV)
Biru 3.298 2.6
Hijau 2.492 2.3
Merah 2.112 1.8
Orange 2.047 2
Pelapis hijau 2.214 2.3
Pelapis kuning 1.773 2.1
Pelapis merah
besar 4.11 1.8
Pelapis merah
kecil 2.308 1.8
Putih 3.389 2.756
Tabel 6. Data Energi Gap LED
E pengamatan merupakan energy
yang terlihat dari cahaya yang teramati. E
perhitungan merupakan energy yang
dihitung dari konstanta b di tabel fitting
sebelumnya dengan mencari nilai T
terlebih dahulu dengan menggunakan
konstanta c.
Hambatan Dalam
LED hambatan dalam
(ohm)
Biru 5.00E+02
Hijau 5.30E+02
Merah 5.00E+02
Orange 9.10E+02
Pelapis hijau 2.00E+02
Pelapis kuning 8.30E+02
Pelapis merah
besar 3.30E+03
Pelapis merah
kecil 1.20E+02
Putih 4.20E+02
Tabel 7. Data Hambatan Dalam LED
Hambatan dalam didapat dari persamaan
7, dengan meregresi nilai I dan I dV/dI
dari masing-masing LED setelah
menyala. Nilai Rs merupakan gradient
dari hasil plotnya.
Nilai dI/dV (gradien):
Gradien LED biru : 0.002
Gradien LED hijau : 0.0019
10
Gradien LED merah : 0.002
Gradien LED orange : 0.0011
Gradien LED pelapis hijau : 0.0051
Gradien LED pelapis kuning : 0.0012
Gradien LED pelapis merah besar :
0.00029
Gradien LED pelapis merah kecil :
0.0083
11
Gradien LED putih : 0.0024
- Nilai Rs (gradient)
Rs LED biru : 500 ohm
Rs LED hijau : 530 ohm
Rs LED merah : 500 ohm
RS LES orange : 910 ohm
Rs LED pelapis merah besar : 3300
ohm
12
Rs LED pelapis merah kecil : 120
ohm
Rs LED pelapis hijau : 200 ohm
Rs LED pelapis kuning : 300 ohm
Rs LEDputih : 420 ohm
IV. Pembahasan
Pada percobaan ini digunakan
asumsi Eg = eVth , yaitu saat suatu
semikonduktor tersebut membawa
muatan (elektron/hole) yang sangat besar
sehingga band gap energy nya jauh lebih
besar dibanding selisih antara ujung pita
(konduksi/valensi) dengan energi
ferminya. Tegangan threshold adalah
tegangan minimum yangdiperlukan
supaya LED dapat bekerja. Secara fisis
tegangan threshold menyatakan besarnya
tegangan yang diperlukan untuk
membebaskan elektron melewati band
gap. Secara singkat jika tegangan
threshold semakin tinggi maka energi
band gap dari LED tersebut juga tinggi
faktor yang berpengaruh terhadap
band gap energy adalah jumlah
konsentrasi pembawa, muatan elektron,
lebaar band gap dimana bergantung pada
13
resistifistik bahan semikonduktor
tersebut, serta band gap energy juga
dipegaruhi oleh temperatur , dimana
agitasi terhadap suhu dapat
mempengaruhi aktifitas elektron yang ada
dalam bahan semikonduktornya. Suhu
akan mempengaruhi kelengkungan dari
kurva karakteristik LED. Jika suhu
dinaikkan, maka tegangan threshold
berkurang tetapi arus penjenuhan
bertambah dan kelengkungan kurva
karakteristik pun bertambah. Selain itu
kenaikan suhu menaikkan juga
esitasitermik, sehingga rapat elektron
intrinsik juga bertambah.
Pada semikonduktor dikenal dua
macam arus, yaitu arus drift dan arus
difusi. Arus drif adalah arus yang
ditimbulkan oleh mengalirnya muatan-
muatan yang disebabkan oleh perbedaan
potensial. Contohnya adalah arus yang
terjadi pada bahan resistif yang
dipasang pada suatu tegangan listrik.
Arus difusi adalah arus yang tidak
disebabkan oleh adanya perbedaan
tegangan, melainkan akibat gerak random
dari pertikel-partikel bermuatan yang
disebabkan oleh energi panas. Contohnya
adalah elektron mengalir dari
Pendahuluan Fisika Zat Padat (Kristal
Semikonduktor) suatu tempat yang padat
ke tempat yang sedikit sampai dicapainya
suatu keseimbangan.
Untuk melakukan regresi linier,
cukup mengambil beberapa data saja
ketika kurva telah linier, karena pada saat
linier telah terjadi batas minimum
tegangan untuk LED dan telah menjadi
konstan. Pada percobaan kali ini
digunakan hambatan seri . asumsi yang
digunakan saat arus mulai linier adalah
pada saat linier telah terjadi batas
minimum tegangan untuk LED dan telah
menjadi konstan.
LED putih dapat dengan
menggabungkan warna merah, biru,dan
hijau (multi-color LED) dan
menggunakan senyawa fosfor. Cara lain
dengan memerlukan suatu perangkat
elektronik untuk mengatur proses
pencampuran dan difusi dari berbagai
warna. Metode ini juga dapat digunakan
untuk mendapatkan warna-warna lain.
Selain itu, metode ini memiliki efisiensi
kuantum yang lebih baik dalam
menghasilkan cahaya putih.cara lain
adalah dengan melapisi LED dengan
fosfor (biasnya LED dengan cahaya biru).
Prinsipnya adalah memperpanjang
panjang gelombang cahaya biru. Jenis
atau warna fosfor yang digunakan
bergantung pada LED yang digunakan
dan penggunaan bebrapalapis fosfor yang
berbeda warna dapat memperluas
spectrum sehingg amempermudah
mendapatkan cahaya putih.
LED infra merah merupakan LED
yangmemancarkan sperktum cahaya infra
merah. LED infrared biasanya berbahan
dasar indirect band gap material sehingga
tidak menghasilkan cahaya tampak.
Disebut indirect karena photon tidak
dapat diemisikan. Hal ini disebabkan oleh
elektron harus melewati keadaan
intermediet dan mentransfer momentum
kepada suatu struktur kristal.Untuk
mendapatkan spektrum cahaya
inframerah bahan penyusun yang
digunakan untuk membuat LED yaitu
Galium Arsenide (GaAs) atau aluminium
Galium Arsenide (AlGaAs). Karakteristik
dari LED infra merah ini yaitu lifetime
yang lama, memerlukan daya yang kecil,
tidak mudah over heat , dan bisa
digunakan dalam jarak yang cukup jauh
karena pemancarannya yang menyempit.
Penggunaan dari LED infra merah ini
biasa dipakai sebagai remote
control jarak jauh.
V. Simpulan
Sifat dan Karakteristik dari LED
dapat diidentifikasi menggunakan I-V
meter dengan melihat arus dan tegangan
LED .
14
Setiap LED memiliki tegangan
threshold yang berbanding terbalik
dengan panjang gelombang yang
dihasilkan LED
Nilai tegangan threshold akan
bergantung pada energi band gap LED
nya.
VI. Pustaka
[1] Sutrisno. Elektronika Teori
danPenerapannya. Bandung: Penerbit
ITB.1986. H. 81-85
[2] Hartono, Sabda. Merancang Lampu
LED. Available : http://www.gemar-
elektronika.com/merancang-lampu-
led.html?showall=1,
[3]http://lionel08upi.files.wordpress.com/
2010/12/makalah-padat-kristal-
semikonduktor-kelompok-3.pdf