BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Karakterisasi Arus ... · 25 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Karakterisasi Arus-Tegangan Film Tipis Pengukuran Arus dan Tegangan film tipis menggunakan

25

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Karakterisasi Arus-Tegangan Film Tipis

Pengukuran Arus dan Tegangan film tipis menggunakan alat I-Vmeter pada

kondisi gelap dan disinari lampu bohlam 40 Watt (578 Lux). Pengukuran arus dan

tegangan dilakukan untuk semua kombinasi kontak yang ada pada film tipis. Dari

hasil karakterisasi film tipis yang dilakukan, diperoleh kurva hubungan arus-tegangan

yang mirip dengan karakteristik kurva dioda untuk keseluruhan film tipis dan seluruh

kombinasi kontak pada film tipis. Film tipis yang dibuat merupakan persambungan

antara dua buah semikonduktor. Silikon yang digunakan merupakan semikonduktor

tipe-p, sedangkan lapisan tipis BST, BNST dan BSTT merupakan semikonduktor

tipe-n (K. Krane, 1992). Persambungan semikonduktor tipe-p dan tipe-n dikenal

dengan nama p-n junction (J. A. Blackburn, 2001). Dengan adanya p-n junction,

maka karakteristik dari film tipis yang dibuat sama dengan karakteristik dari dioda

yang merupakan gabungan antara dua elektroda yaitu anoda dan katoda (P.A.

Tippler, 1991).

Karakterisasi yang dilakukan pada film tipis dilakukan dengan bias maju dan

bias mundur. Nilai tegangan yang menyebabkan arusnya naik (tegangan knee)

bervariasi untuk semua film dan juga untuk variasi kombinasi kaki kontak yang ada

pada satu film tipis yang sama. Pada bahan semikonduktor mempunyai keterbatasan

dalam menampung tegangan, sehingga mencapai tegangan breakdown (Cari, A.

Supriyanto, 2004). Dari data tegangan knee yang terdapat pada tabel 1 terlihat bahwa

suhu anneling yang berbeda pada film tipis dengan persentase dan jenis doping yang

sama memberikan nilai tegangan knee yang berbeda pula. Suhu annealing

berpengaruh terhadap pembentukan kristal film tipis, sehingga strukturnya bisa

berbeda. Struktur film tipis tersebut, berpengaruh terhadap sifat kelistrikannya.

Pengaruh doping menyebabkan tegangan knee menjadi turun. Adanya

pengaruh doping menyebabkan semakin banyaknya elektron bebas dan hole pada

kristal (P.A. Tippler, 1991). Dengan banyaknya elektron bebas pada film tipis, maka

menyebabkan film tipis menjadi konduktif.

26

Dari kurva yang diperoleh dari pengukuran pada kondisi gelap dan disinari

lampu bohlam 40 Watt (578 Lux), keduanya menunjukan karakteristik yang sama

yaitu kurva karakteristik dioda, tetapi terjadi pergeseran antara kurva yang diperoleh

pada kondisi disinari dan pada kondisi gelap. Pada kondisi disinari lampu diperoleh

kurva yang lebih cepat mencapai tegangan knee dan memiliki nilai arus yang lebih

besar. Pemberian cahaya pada film tipis menyebabkan film tersebut menjadi lebih

konduktif. Terjadinya sifat konduktif pada film tipis karena adanya energi foton dari

luar yang diserap oleh elektron. Pada kondisi ini, energi foton memiliki

kencenderungan untuk memberikan energi cukup bagi difusi elektron, sehingga

peningkatan difusi ini mengakibatkan terjadinya rekombinasi elektron hole lebih

banyak. Pada pita valensi sebagian elektron yang tidak berekombinasi dapat pindah

(eksitasi) menuju pita konduksi dan kemudian dapat menghasilkan arus listrik serta

dapat mempersempit celah antara pita valensi dan pita konduksi akibat difusi

elektron tersebut, sehingga pada saat disinari lampu menjadi lebih cepat mencapai

tegangan knee dan memiliki nilai arus yang lebih besar. Dengan adanya pergeseran

kurva arus-tegangan film tipis BST, BNST dan BSTT saat diberi cahaya maka film

tipis memiliki respon terhadap cahaya dan bisa disebut sebagai device fotodioda.

Dari kurva pada karakterisasi I-V yang dihasilkan tampak bahwa film tipis BNST

dengan doping 5% dan suhu annealing 8500C memiliki respon yang paling baik

terhadap cahaya dibandingkan film tipis lain, sehingga dapat diaplikasikan untuk

sensor cahaya dalam rangkaian saklar otomatis fotodioda.

Tabel 1 Tegangan Knee Film Tipis

Film Tipis Suhu Annelling (0C)

Tegangan Knee (Volt)

BST 0% 850 2.1 900 1.8 950 0.5

BNST 5% 850 0.4 900 1.5 950 0.3

BNST 2.5% 900 2 BSTT 5% 900 1.5 BSTT 2.5% 900 0.9

27

Kurva I-V 0 % 950oC

-0,00001

-0,000005

0

0,000005

0,00001

0,000015

0,00002

-6 -4 -2 0 2 4 6

Tegangan (V)

Aru

s (A

)TerangGelap

Kurva I-V 0% 850oC

-0,0000014-0,0000012-0,000001

-0,0000008-0,0000006-0,0000004-0,0000002

00,00000020,0000004

-6 -4 -2 0 2 4 6

Tegangan (V)

Aru

s (A

)

TerangGelap

Kurva I-V 0% 900oC

-0,00006

-0,00004

-0,00002

0

0,00002

0,00004

-6 -4 -2 0 2 4 6

Tegangan (V)

Aru

s (A

)

TerangGelap

(a)

(b)

(c)

Gambar 19 (a) Kurva I-V untuk film tipis tanpa doping dengan suhu annealing

9500C. (b) Kurva I-V untuk film tipis tanpa doping dengan suhu annealing 8500C.

(c) Kurva I-V untuk film tipis tanpa doping dengan suhu annealing 9000C.

28

Kurva I-V 5% 850oC

-0,000010

0,000010,000020,000030,000040,000050,000060,00007

-6 -4 -2 0 2 4 6

Tegangan (V)

Arus

(A)

TerangGelap

Kurva I-V 5% 900oC

-0,00000004

-0,00000002

0

0,00000002

0,00000004

0,00000006

-6 -4 -2 0 2 4 6

Tegangan (V)

Arus

(A)

TerangGelap

Kurva I-V 5% 950oC

-0,000002

0

0,000002

0,000004

0,000006

0,000008

0,00001

-6 -4 -2 0 2 4 6

Tegangan (V)

Arus

(A)

TerangGelap

(a)

(b)

(c)

Gambar 20 Kurva I-V untuk film tipis dengan doping Niobium 5% dan suhu

annealing 850 0C. (b) Kurva I-V untuk film tipis dengan doping Niobium 5% dan

suhu annealing 900 0C. (c) Kurva I-V untuk film tipis dengan doping Niobium 5%

dan suhu annealing 950 0C.

29

Kurva I-V BSTT 5% 9000C

-0.0000005-0.0000004-0.0000003-0.0000002-0.0000001

0.00000010.00000020.00000030.00000040.0000005

-16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16

Tegangan (V)

Terang Gelap

Kurva I-V BNST 2,5% 9000C

-0.0002-0.0001

0.00010.00020.00030.00040.00050.00060.0007

-9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 15

Tegangan (V)

Terang

Gelap

(a)

(c)

Gambar 21 (a) Kurva I-V untuk film tipis dengan doping Tantalum 2,5% dan suhu annealing 9000C. (b) Kurva I-V untuk film tipis dengan doping Tantalum 5% dan

suhu annealing 9000C. (c) Kurva I-V untuk film tipis dengan doping Niobium 2,5% dan suhu annealing 9000C.

Kurva I-V BSTT 2,5% 9000C

-0.00000025-0.0000002

-0.00000015-0.0000001

-0.00000005

0

0.00000005

0.00000010.00000015

0.00000020.000000250.0000003

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

Tegangan (V)

Terang Gelap

Arus (A)

Arus (A)

Arus (A)

(b)

30

4.2 Karakterisasi Sifat Optik Film Tipis

Energi gap adalah suatu celah energi minimal yang harus dimiliki oleh

elektron agar dapat berpindah dari pita valensi ke pita konduksi. Elektron pada pita

valensi ini dapat berpindah ke pita konduksi dengan penambahan energi eksternal

yang dapat berasal dari medan listrik eksternal, energi termal, dan energi energi

foton.

Pengukuran sifat optik film tipis ini menggunakan serat optik dengan metode

refleksi dan suatu program Oceanoptic. Panjang gelombang yang digunakan dalam

penelitian ini adalah panjang gelombang pada rentang panjang gelombang 339 nm

sampai 1022 nm. Rentang panjang gelombang tersebut mencakup cahaya ultraviolet

visibel dan infrared (Douglas et al, 1998).

Dari kurva yang dihasilkan menunjukan bahwa daerah serapan dari film tipis

mulai dari panjang gelombang 400 nm seterusnya atau pada rentang cahaya

ultraviolet visibel sampai infrared. Hal tersebut menjelaskan bahwa film tipis dapat

diaplikasikan juga sebagai sensor suhu. Dari hasil pengukuran diperoleh data persen

absorbansi dan persen reflektansi. Pada gambar 22(a) terlihat bahwa pada suhu

anneling yang sama film tipis dengan jenis dan persentase pendadah yang berbeda

memiliki persen absorbansi yang berbeda pula. Semakin besar persentase pendadah

semakin besar pula nilai persen absorbansi dari film tipis. Sedangkan dari gambar

22(b) diperoleh juga persen reflektansi dengan analisis sebaliknya. Pada penelitian

ini diperoleh bahwa film tipis dengan doping Niobium 5% memliki persentase

absorbsi terbesar dan selanjutnya film tipis dengan doping Tantalum 5%, sedangkan

film tipis tanpa doping memiliki persentase absorbsi paling kecil. Data sebaliknya

dapat dilihat pada persentase refleksi film tipis. Berarti data absorbansi dan

reflektansi saling mendukung, karena absorbsi adalah kebalikan dari reflektansi. Hal

tersebut disebabkan oleh pengaruh persentase doping yang dapat menurunkan energi

bandgap masing-masing film tipis yang diannealing pada 900oC. Apabila atom donor

ditambahkan pada suatu semikonduktor, tingkat energi yang diperkenankan akan

berada sedikit di bawah pita konduksi (Cari, A. Supriyanto, 2004).

Dari Gambar 23(a), 24(a), dan 25(a) terlihat bahwa dengan peningkatan suhu

annelling pada persentase dan jenis doping yang sama mengakibatkan penurunan

nilai persen absorbansi dari film tipis. Data sebaliknya dapat dilihat pada gambar

31

23(a), 24(a), dan 25(a) yang memberikan nilai persen reflektansi. Suhu annealing

berpengaruh terhadap pembentukan kristal film tipis, sehingga strukturnya bisa

berbeda. Struktur film tipis tersebut, berpengaruh terhadap sifat optik dari film tipis.

Dari karakterisasi yang telah dilakukan, suhu annelling 8500C merupakan suhu

annelling yang paling baik.

(a)

(a)

(b) Gambar 22 (a) Kurva absorbansi film tipis pada suhu annellling 9000C. (b) Kurva

reflektansi film tipis pada suhu annellling 9000C.

Kurva Absorbansi Film Tipis pada Suhu Annelling 900C

-0.25

0

0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5

350 450 550 650 750 850 950 1050

Panjang Gelombang (nm)

Abs

orba

nsi (

%) 0%

Nb 2.5%Nb 5%Ta 5%Ta 2.5%

Kurva Reflektansi Film Tipis pada Suhu Annelling 9000C

-40-35-30-25-20-15-10

-505

101520253035404550

350 450 550 650 750 850 950 1050

Panjang Gelombang (nm)

Ref

lekt

ansi

(%) 0%

Nb 2.5%Nb 5%Ta 2.5%Ta 5%

32

(a)

(b)

Gambar 23 (a) Kurva absorbansi BST dengan variasi suhu annellling 8500C, 9000C,

dan 9500C. (b) Kurva reflektansi BST dengan variasi suhu annellling 8500C, 9000C,

dan 9500C.

Kurva Absorbansi BST dengan Variasai Suhu Annelling

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

350 450 550 650 750 850 950 1050

Panjang Gelombang (nm)

Abs

oban

si (%

)0% 850C

0% 900C

0% 950C

Kurva Reflektansi BST dengan Variasi Suhu Annelling

-20

-10

0

10

20

30

40

50

350 450 550 650 750 850 950 1050

Panjang Gelombang (nm)

Ref

lekt

ansi

(%)

0% 850C0% 900C0% 950C

33

(a)

(b)

Gambar 24 (a) Kurva absorbansi BNST 5% dengan variasi suhu annellling 8500C,

9000C, dan 9500C. (b) Kurva reflektansi BNST 5% dengan variasi suhu annellling

8500C, 9000C, dan 9500C.

Kurva Absorbansi BNST dengan Variasi Suhu Anneling

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

350 450 550 650 750 850 950 1050

Panjang Gelombang (nm)

Abs

orba

nsi (

%)

Nb 5% 850CNb 5% 900CNb 5% 950C

Kurva Reflektansi BNST dengan Variasi Suhu Annelling

-20

-10

0

10

20

30

40

50

350 450 550 650 750 850 950 1050

Panjang Gelombang (nm)

Ref

lekt

ansi

(%)

Nb 5% 850CNb 5% 900CNb 5% 950C

34

(a)

(b)

Gambar 25 (a) Kurva absorbansi BTST 5% dengan variasi suhu annellling 8500C,

9000C, dan 9500C. (b) Kurva reflektansi BTST 5% dengan variasi suhu annellling

8500C, 9000C, dan 9500C.

Kurva Absorbansi BSTT dengan Variasai Suhu Annelling

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

350 450 550 650 750 850 950 1050

Panjang Gelombang (nm)

Abs

orba

nsi (

%)

Ta 5% 850CTa 5% 900CTa 5% 950C

Kurva Reflektansi BSTT dengan Variasi Suhu Anneling

-20

-10

0

10

20

30

40

50

350 450 550 650 750 850 950 1050

Panjang Gelombang (nm)

Ref

lekt

ansi

(%)

Ta 5% 850CTa 5% 900CTa 5% 950C

35

4.3 Uji Sensor Pada Rangkaian Elektronik

Pada penelitian ini rangkaian aplikasi Op-Amp yang digunakan adalah

rangkaian pembanding (komparator) dan IC yang digunakan LM358N sebagai

penguat operasional. Di dalam IC LM358N terdapat dua paket op-amp, hambatan

input yang digunakan pada rangkaian ini sebesar 1MΩ dan menggunakan dua buah

potensiometer VR1 100KΩ dan VR2 200KΩ untuk mengatur tingkat kepekaan

cahaya dan sinyal tegangan output (http://www.national.com). Rangkaian elektronika

dari saklar otomatis fotodioda dapat dilihat pada gambar 26.

Prinsip kerja dari rangkaian saklar otomatis fotodioda dalam penelitian ini

adalah memanfaatkan perubahan tegangan akibat dari perubahan intensitas cahaya

yang mengenai sensor. Dengan adanya pertambahan intensitas cahaya yang

mengenai sensor, maka nilai tegangan output sensor bertambah pula. Dengan sumber

cahaya yang berupa lampu bohlam 40 Watt (19630 Lux) orde perubahan tegangan

mencapai 140 mV, sedangkan jika sumber cahaya adalah sinar matahari langsung

diproleh perubahan tegangan mencapai 185 mV. Dari tegangan output yang

dihasilkan tidak mampu untuk menyalakan saklar, sehingga pada rangkaian

digunakan penguat non-inverting (A. P. Malvino, 1990).

Dari hasil karakterisasi yang telah dilakukan film tipis BNST dengan doping

5% dan suhu annealing 8500C memilki respon yang paling baik terhadap intensitas

cahaya yang mengenainya, sehingga diaplikasikan sebagai sensor cahaya dalam

rangkaian. Sensor cahaya saat terhalang oleh suatu bidang atau asap, maka sensor

akan mendeteksi berkas cahaya yang diterima dan akan mempengaruhi tegangan

output dari sensor. Pada rangkaian ini diset untuk sensor kebakaran atau sebagai

saklar otomatis pada lampu jalan dan taman. Sensor cahaya yang berhasil dirancang

dengan berbantuan rangkaian elektronika mempunyai kekurangan dan kelebihan.

Kekurangan dari sensor cahaya ini diantaranya adalah penyolderan pada kontak

sensor kurang bagus dan mudah lepas, pada saat penyolderan tidak boleh terlalu lama

akan menyebabkan panas sehingga sensor dapat menjadi rusak, pada bagian titik

kontak alumunium sensor yang disolder mudah tergores timah dan solder,

penyolderan pada sensor harus menggunakan timah Indum dan pasta perak sehingga

biayanya mahal. Sedangkan kelebihannya sebagai berikut sensor sangat sensitif pada

cahaya, ukurannya lebih kecil dari sensor cahaya BST pada penelitian sebelumnya,

36

biaya produksinya murah, dapat dilakukan di laboratorium dengan suhu ruang yang

berada di Indonesia, kekuatan produk, dapat diaplikasikan pada rangkaian

elektronika sesuaikebutuhan, mampu bersaing dengan sensor LDR dan fotodioda.

4.4 Uji Respon Sensor Terhadap Intensitas Cahaya

Dari uji respon sensor cahaya terhadap intensitas cahaya yang mengenainya

diperoleh bahwa saklar otomatis dari rangkaian dalam penelitian ini dapat mulai

menyalakan lampu dan alarm pada intensitas antara 38 dan 43 Lux sampai 0 Lux.

Pada kurva hubungan antara intensitas cahaya yang mengenai sensor dan tegangan

output yang dihasilkan oleh sensor cahaya terlihat bahwa tegangan output yang

dihasilkan sensor cahaya meningkat seiring dengan peningkatan intensitas cahaya

(lihat gambar 29). Hal tersebut terjadi karena adanya pengaruh energi foton yang

semakin bertambah seiring peningkatan intensitas cahaya. Energi foton tersebut

memiliki kencenderungan untuk memberikan energi cukup bagi difusi elektron,

sehingga dengan peningkatan intensitas cahaya berarti energi foton semakin besar,

maka terjadi peningkatan difusi elektron yang mengakibatkan terjadinya rekombinasi

elektron hole lebih banyak. Sedangkan pada pita valensi sebagian elektron yang tidak

berekombinasi dapat pindah (eksitasi) menuju pita konduksi. Akibatnya timbul hole

di pita valensi dan terjadi peningkatan elektron di pita konduksi, sehingga terjadi

peningkatan tegangan pada persambungan kedua semikonduktor pada film tipis

(sensor cahaya).

Pada kurva terlihat bahwa respon sensor terhadap cahaya meningkat ekstrim

atau peka pada intensitas cahaya 400 sampai 580 Lux dan pada intensitas cahaya

lebih besar dari 600 Lux respon tidak terlalu ekstrim. Hal tersebut menunjukan

bahwa sensor cahaya BNST 5% dengan suhu annelling 8500C mulai mengalami

saturasi. Untuk setiap bahan ataupun material memiliki titik jenuh yang berbeda-beda

dan sifat tersebut merupakan karakteristik dari setiap bahan ataupun material (R. E.

Smallman, 1991).

37

Gambar 26 Rangkaian Saklar Otomatis Fotodioda.

Gambar 27 Sensor cahaya BNST 5% dengan suhu annealling 8500C.

(a) (b)

Gambar 28 (a) Rangkaian saklar otomatis fotodioda dalam keadaan terang (b) Rangkaian saklar otomatis fotodioda dalam keadaan gelap.

Substrat Si tipe p

BST/BSTT/BNST

Aluminium

Indium/pasta perak

38

Kurva Hubungan Intensitas Cahaya dan Tegangan

0123456789

10

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

Intensitas Cahaya (Lux)

Tega

ngan

(mV

)

Gambar 29 Kurva hubungan antara intensitas cahaya yang mengenai sensor dan tegangan output sensor.