B. Teori Dasar 1. Light Emitting Dioda (LED)
Salah satu komponen elektronika yang terbuat dari bahan semikonduktor dan dapat menghasilkan cahaya adalah LED. LED merupakan kepanjangan dari kata Light Emitting Diode. Komponen ini bekerja atas dasar operasi persambungan pn (positif-negatif).
.
Gambar 1. Bentuk fisik LED
LED memiliki dua kaki yang terbuat dari sejenis kawat. Kawat yang panjang adalah anoda, sedangkan kawat yang pendek adalah katoda. Coba perhatikan bagian dalam LED, akan terlihat berbeda antara kiri dan kanannya. Yang ukurannya lebih besar adalah katoda, atau yang mempunyai panjang sisi atas yang lebih besar adalah katoda. Anoda adalah elektroda, bisa berupa logam maupun penghantar listrik lainnya pada sel elektrokimia yang terpolarisasi jika arus mengalir ke dalamnya. Arus listrik mengalir berlawanan dengan arah pergerakan elektron. Katoda merupakan kebalikan dari anoda. Katoda adalah elektroda dalam sel elektrokimia yang terpolarisasi jika arus listrik mengalir keluar darinya. LED mempunyai kelebihan dan kelemahan antara lain : Kelebihan LED :
LED memiliki efisiensi energi yang lebih tinggi dibandingkan dengan lampu lain, dimana LED lebih hemat energi 80 % sampai 90% dibandingkan lampu lain.
LED memilki waktu penggunaan yang lebih lama hingga mencapai 100 ribu jam.
LED memiliki tegangan operasi DC yang rendah.
Cahaya keluaran dari LED bersifat dingin atau cool (tidak ada sinar UV atau energi panas).
Ukurannya yang mini dan praktis
Tersedia dalam berbagai warna
Harga murah
Kelemahan LED antara lain :
Suhu lingkungan yang terlalu tinggi dapat menyebabkan gangguan elektrik pada LED.
Harga LED per lumen lebih tinggi dibandingkan dengan lampu lain.
Intensitas cahaya (Lumen) yang dihasilkannya tergolong kecil.
2. Proses LED Memancarkan cahaya
Dioda merupakan komponen semikonduktor yang sangat sederhana. Semikonduktor adalah bahan dengan kemampuan menghantarkan arus
listrik. Kebanyakan semikonduktor
dibuat dari konduktor miskin yang memiliki ketidakmurnian dengan penambahan atom dari bahan lain. Proses penambahan ketidakmurian disebut doping. Dalam kasus LED, bahan konduktor yang digunakan berjenis Alumunium-GalliumArsenide (AlGaAs). Dalam Alumunium-Gallium-Arsenide (AlGaAs) murni, semua atom berikatan dengan atom tetangganya untuk menghantarkan arus. Bahan yang telah di doping menyebabkan penambahan atom sehingga mengubah keseimbangannya, selain itu terbentuk penambahan elektron bebas. Selain itu perubahan ini membuat bahan menjadi lebih konduktif. Sebuah semikonduktor dengan elektron banyak disebut bahan jenis-N, karena elektron memiliki muatan negatif berlebih. Dalam bahan jenis-N, elektron bebas bergerak dari daerah muatan negatif menuju daerah bermuatan positif. Sebuah semikonduktor dengan lubang berlebih disebut bahan jenis-P. karena memiliki muatan positif berlebih. Elektron dapat melompat dari lubang ke lubang, dan bergerak dari daerah muatan negatif ke daerah yang bermuatan positif. Sebagai hasilnya lubang tadi terlihat bergerak dari daerah muatan positif ke daerah muatan negatif. Sebuah dioda terdiri atas bagian bahan jenis-N yang berpindah ke bagian bahan jenis-P, dengan electrode disetiap ujungnya. Susunan ini menghantarkan listrik hanya pada satu arah. Ketika tidak ada tegangan terpasang pada dioda, Elektron dari bahan jenis-N mengisi lubang dari bahan jenis-P. Akibatnya disepanjang sambungan diantara lapisan dari bahan jenis-N dan bahan jenis-P terbentuk daerah pengosongan. Pada daerah pengosongan terbentuk daerah tanpa muatan bebas.
Gambar 2. Pada sambungan, elektron bebas bahan jenis-N mengisi lubang dari bahan jenis-P. ini menciptakan lapisan penyekatan ditengah dioda yang disebut dengan daerah pengosongan (depletion).
\Untuk mendapatkanmenghilangkan daerah pengosongan, haruslah didapatkan elektron dari daerah jenis-N ke daerah jenis-P sehingga lubang bergerak berlawanan arah.
Hal ini
dilakukan dengan menghubungkan sisi jenis-N dioda ke kutub negatif rangkaian dan jenis-P ke kutub positif. Elektron bebas dalam bahan jenis-N ditolak oleh electrode negatif dan ditarik ke electrode positif. Lubang dalam bahan jenis-P bergerak kearah lain. Ketika beda tegangan cukup tinggi, elektron dalam daerah pengosongan dipaksa keluar dari lubang dan mulai bergerak secara bebas kembali. Daerah pengosongan menghilang, dan muatan mengalir melewati dioda.
Gambar 3. Ketika ujung negatif rangkaian dihubungkan ke lapisan jenis-N dan ujung positifnya dihubungkan ke lapisan jenis-P, elektron dan lubang mulai bergerak dan daerah pengosongan menghilang
Jika arusnya bergerak ke arah lain, dengan sisi jenis-P dihubungkan ke kutub negatif rangkaian dan sisi jenis-N dihubungkan ke kutub positif, maka arus tidak akan mengalir. Elektron yang bermuatan negatif dalam bahan jenis-N tertarik ke electrode positif. Lubang bermuatan positif positif dalam bahan jenis-P tertarik ke elektroda negatif. Akibatnya tidak ada arus mengalir
bergerak
melewati sambungan karena lubang dan elektron masing-masing
bergerak kearah yang salah. Akibatnya daerah pengosongan meningkat. Interaksi antara elektron dan lubang ini menimbulkan efek timbulnya cahaya.
Gambar 4. Ketika kutub positif rangkaian dihubungkan ke lapisan jenis-N dan kutub negatif dihubungkan ke lapisan jenis-P, elektron bebas mengumpul di salah satu kutub dioda dan lubang mengumpul disisi kutub yang lain dioda. Daerah pengosongan menjadi lebih besar. 3. Kerja cahaya LED
Cahaya adalah salah satu bentuk energi yang dihasilkan oleh atom. Atom terdiri atas banyak partikel kecil seperti paket yang memiliki energi dan momentum tetapi tidak memiliki massa. Partikel-partikel ini disebut foton, yang merupakan bentuk paling dasar dari satuan cahaya. Foton dilepaskan sebagai akibat dari pergerakan elektron. Di dalam atom, elektron bergerak dalam orbital yang mengelilingi inti. Elektron yang berada di orbital yang berbeda memiliki sejumlah besar energi. Dengan kata lain, elektron yang memiliki energi yang lebih besar bergerak dalam orbital-orbital jauh dari inti. Sebuah elektron melepaskan energi ketika elektron berpindah dari orbital yang lebih tinggi ke salah satu orbital yang lebih rendah. Energi yang dilepaskan ini dalam bentuk foton. Sebagaimana yang telah kita ketahui, elektron bebas yang bergerak melintasi diode dapat jatuh kedalam lobang yang kosong dari lapisan jenis-P. Hal ini berpengaruh pada pita konduksi menuju orbital terendah. Akibatnya elektron melepaskan energi dalam bentuk foton. 4. Warna cahaya LED
LED terdiri dari banyak warna yaitu merah, kuning, biru, hijau, putih dan putih (infra red) yang masing-masing warna memiliki karakteristiknya masing-masing, dan digunakan sesuai kebutuhan. LED terbuat dari bahan semikonduktor jenis-N di pita valensinya dan jenis-P di pita konduksinya, yang dibatasi oleh daerah pengosongan muatan (daerah deplesi). Pada bagian pita konduksi lebih banyak mengandung lubang, dan pita valensi banyak mengandung elektron. Saat dialiri tegangan panjar maju ( forward bias), muncul arus difusi yang menyebabkan lubang pada
P berpindah ke N, dan elektron pada N berpindah ke P sehingga arus mengalir. Ketika arus rekombinasi terjadi (arus difusi dan arus drift muncul), sebagian elektron akan bersatu dengan sebagian hole dan menghasilkan energi dalam bentuk cahaya foton (pancaran warna LED) dan sisanya akan menghasilkan energi panas. Energi foton akan sebanding dengan beda energi antara pita konduksi dan pita valensi (band-gap energi). Panjang gelombang foton yang dipancarkan adalah
c
c
f E g h
hc
E g
…………………………………… (1)
Tidak seperti dioda signal biasa yang dibuat untuk penyearah dan terbuat dari germanium ataupun silikon, LED terbuat dari senyawa semikonduktor eksotik seperti Gallium (GaAs), Gallium fosfida (GaP), Gallium fosfida (GaAsP), Silicon Carbide (SiC) atau Indium Gallium Nitrida (GaInN) yang dicampur pada rasio yang berbeda. Pencampuran yang tepat dari bahan semikonduktor yang digunakan akan menyebabkan energi gap pita antara pita konduksi dan pita valensi berbeda-beda . Sehingga menghasilkan panjang gelombang warna yang berbeda. Panjang gelombang ini menentukan warna yang dipancarkan LED. Sebagai contoh
LED yang ada dipasaran didesain untuk daerah tampak lebih umum digunakan gallium, karena bersesuaian dengan atom arsenik dan atom phosphorus. Dalam penyusunan komposisinya ialah 60 % non-gallium dimana dtempati oleh
arsenik dan 40 % oleh ditempati ion phosphorus
sehingga menghasilkan lebar celah E g sebesar 1,8 eV. Energi dengan lebar celah ini menghasilkan cahaya warna merah. Doping yang lain dan penyusunan tingkat transisi secara umum agar diinginkan spektrum daerah cahaya tampak dan spektrum dekat cahaya tampak. C. Analisa Data
Jika ditinjau dari konsep fisika modern, penyebab timbulnya elektron pada LED tidak disebabkan oleh adanya efek fotolistrik. Hal ini karena pada efek fotolistrik, elektron dihasilkan jika logam disinari oleh foton atau cahaya. Kemampuan elektron keluar dari logam bergantung pada fungsi kerja logam . Agar elektron dapat keluar dari logam maka foton harus mempunyai energi yang lebih besar dari fungsi kerja kerja . Elektron yang timbul selanjutnya akan mengalir melalui rangkaian tertutup. Jadi dapat dikatakan bahwa pada peristiwa efek fotolistrik, cahaya menghasilkan elektron. . Prinsip efek fotolistrik ini diaplikasikan pada sel surya.
Sedangkan pada LED terjadinya elektron hanya dapat dijelaskan melalui konsep fisika modern, tetapi dapat dijelaskan melalui konsep fisika semikonduktor. Dalam konsep fisika semikonduktor, LED dibentuk dari sambungan dua jenis bahan yaitu bahan jenis-N dan bahan jenis-P. Pada bahan jenis-N memiliki jumlah elektron
bermuatan negatif yang berlebih.
Sedangkan bahan jenis-P terdapat lubang yang bermuatan positif. Jika ujung bahan jenis-P dihubungkan dengan kutub positif rangkaian dan bahan jenis-N dihubungkan dengan kutub negatif rangkaian, maka elektron dari bahan jenis-N bergerak ke arah bahan jenis-P. Elektron yang bergerak ke bahan jenis-N sebagian akan terjatuh ke lubang dari bahan jenis-N sehingga lubang tertutup. Persitiwa ini disebut sebagai peristiwa rekombinasi. Peristiwa rekombinasi ini membebaskan energi elektron yang dapat berubah menjadi cahaya. Dalam konsep fisika modern terjadinya pemancaran foton ditinjau berdasarkan energi elektron hanya berhubungan dengan atom bebas elektron yang mempunyai nilai energi tertentu. Timbulnya energi foton pada dalam atom disebabkan adanya proses eksitasi elektron dari orbital tertinggi ke orbital terendah. Ketika elektron bereksitasi dari orbital tertinggi ke orbital terendah, maka akan disertai dengan pelepasan energi berupa foton. Hal ini karena elektron yang berada di orbital yang dekat dengan inti memiliki energi yang lebih besar daripada elektron yang berada pada obital yang jauh dari inti. Namun lain halnya dengan semikonduktor, dalam konsep fisika semikonduktor proses pemancaran foton harus disertakan konsep pita energi, buka hanya tingkat energi tersendiri pada sebuah atom tunggal. Jika sebuah elektron tereksitasi oleh listrik dari pita valensi ke pita konduksi, maka elektron tersebut dapat dengan mudah bergabung dengan sebuah lubang (elektron masuk dalam daerah bahan jenis-P). Saat penggabungan ini terjadi, suatu foton berenergi Eg (energi gap) dipancarkan.
lubang
Pita konduksi
elektron Eg
E g Pita valensi
Gambar 5. Emisi dai sebuah semikonduktor
hf h
c
Panjang gelombang foton yang dipancarkan dapat diketahui melalui persamaan :
hc
…………………………………… (2)
E g
Sebaliknya pada efek fotolistrik, sebuah elektron pada pita valensi dapat menyerap sebuah foton cahaya yang datang dan masuk ke pita konduksi kemudian meninggalkan sebuah lubang. Energi yang diserap dapat digunakan untuk menjalankan sebuah rangkaian listrik tertutup.
lubang
Pita konduksi
elektron Eg
Foton yang diserap
Pita valensi
Gambar 6. Absorpsi cahaya
Dari persamaan (1) tersebut dapat pula diketahui bahwa panjang gelombang yang dipancarkan oleh foton bergantung pada energi celah antara pita valensi dengan pita konduksi. Panjang gelombang yang berbeda menyebabkan timbulnya beragam warna cahaya. JIka sebuah LED dibuat menggunakan sambungan p-n based on a certain Ga-As-P bahan semiconducting , maka memiliki energi celah 1,9 eV. Panjang gelombang foton/cahaya yang dipancarkan adalah :
hc
E g
(6.63 x10
6,5 x10
34
J . s).(3.00 x 108 m / s)
(1,9eV )(1,60 x10 7
19
J / eV )
m 650 nm
Dari nilai panjang gelombang ini dapat diketahui warna cahaya yang dipancarkan adalah warna merah.
D. Kesimpulan
1. Jika ditinjau dari konsep fisika modern prinsip kerja LED berbeda dengan prinsip kerja efek fotolistrik dimana pada efek fotolistrik cahaya/foton meghasilkan elektron, sedangkan LED mengubah energi listrik menjadi energi cahaya. 2. Spektrum panjang gelombang yang dihasilkan oleh LED berada pada spektrum cahaya tampak sehingga dapat dilihat pola warna yang hasilkan dari cahaya LED. 3. Proses terjadi eksitasi elektron pada led hingga menghasilkan cahaya pada semiknduktor dapat dijelaskan melalui perpaduan konsep pita energi dan konsep eksitasi pada atom elektron bebas.
Daftar Pustaka
[2] http://electronics.howstuffworks.com/led.htm [3] Halliday, Resnick, Walker. 1997. Fundamentals Of Physics Extended. Fifth Edition Penerbit : John Wiley & Sons. [4] Sutrisno, 1986. Elektronika Teori dan Penerapannya. Jilid 1. Penerbit : ITB [5] Searwey, 2010. Fisika Untuk Sains dan Teknik. Jilid 3. Penerbit : Salemba Teknika [6] William S.,Ronald G. 2006, Schaums Outlines Fisika Modern. Penerbit : Erlangga [7] Barmawi, Tjia. 1986. Aproksimasi rangkaian semikonduktor. Penerbit : Erlangga
