bab ii tinjauan pustaka 2.1 bahan ferroelektrik · teknologi kapasitor bst multi-layer dengan...
Post on 02-Mar-2019
218 Views
Preview:
TRANSCRIPT
4
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Bahan Ferroelektrik
Film tipis ferroelektrik banyak digunakan dalam aplikasi untuk piranti
elektrooptik dan elektronik. Bahan pyroelektrik dan piezoelektrik merupakan sub
kelompok dari bahan ferroelektrik. Bahan ferroelektrik (tercakup di dalamnya
pyroelektrik) seperti LiTaO3, BaxSr1-xTiO3 dan turunannya (BaxSr1-xTiO3 didadah
dengan Indium).
Ferroelektrik adalah gejala terjadinya perubahan polarisasi listrik secara
spontan pada material tanpa gangguan medan listrik dari luar. Ferroelektrifitas
merupakan fenomena yang ditunjukkan oleh kristal dengan suatu polarisasi spontan
dan efek histerisis yang berkaitan dengan perubahan dielektrik dalam menanggapi
penerapan medan listrik. Sifat histeresis dan konstanta dielektrik yang tinggi dapat
diterapkan pada sel memori Dynamic Random Acsess Memory (DRAM) dengan
kapasitas penyimpanan melampaui 1 Gbit, pada lapisan dielektrik semikonduktor
diharuskan ukuran sel direduksi besar-besaran, sehingga dianggap tidak praktis lagi,
sifat piezoelektrik dapat digunakan sebagai mikroaktuator dan sensor, sifat
pyroelektrik dapat diterapkan pada switch termal infra merah, sifat polaryzability
dapat diterapkan sebagai Non Volatile Ferroelektrik Random Acsess Memory
(NVFRAM) (Azizahwati, 2002). Sedangkan daerah operasi sensor ferreoelektrik
(yang juga pyroelektrik) di sekitar suhu kamar selama di bawah suhu Curie (Tc =
4900C).
Dalam penelitian ini dipilih bahan ferroelektrik (yang juga pyroelektrik)
sebagai bahan untuk sensor cahaya dengan alasan cara pembuatan bahan
ferroelektrik ini lebih mudah dan dapat dibuat dalam lingkungan yang tidak
memerlukan pendinginan, berarti pembuatannya mudah dilakukan di laboratorium
kampus Indonesia.
Ferroelektrik menunjukkan bahwa kelompok material dielektrik yang dapat
terpolarisasi listrik secara internal pada rentang temperatur tertentu. Polarisasi terjadi
di dalam dielektrik sebagai akibat adanya medan listrik dari luar dan simetri pada
struktur kristalografi di dalam sel satuan. Jika pada material ferroelektrik dikenakan
5
medan listrik, maka atom-atom tertentu mengalami pergeseran dan menimbulkan
momen dipol listrik. Momen dipol ini yang menyebabkan polarisasi. Momen dipol
per-satuan volume disebut sebagai polarisai dielektrik (J. Y. Seo, 2004).
Kurva hubungan antara polarisasi listrik (P) dan kuat medan listrik (E)
ditunjukkan pada Gambar 1. Ketika kuat medan listrik ditingkatkan maka polarisasi
meningkat cepat (OA) hingga material akan mengalami kondisi saturasi (AB). Jika
kuat medan diturunkan, polarisasinya tidak kembali lagi ke titik O, melainkan
mengikuti garis BC. Ketika medan listrik tereduksi menjadi nol, material akan
memiliki polarisasi remanan (Pr) (OC). Untuk menghapus nilai polarisasi dari
material akan memiliki polarisasi dari material dapat dilakukan dengan
menggunakan sejumlah medan listrik pada arah yang berlawanan (negatif). Harga
dari medan listrik untuk mereduksi nilai polarisasi menjadi nol disebut medan koersif
(Ec). Jika medan listrik kemudian dinaikkan kembali, maka material akan kembali
mengalami saturasi, hanya saja bernilai negatif (EF). Putaran kurva akan lengkap jika
medan listrik dinaikkan lagi dan pada akhirnya akan didapatkan kurva hubungan
polarisasi (P) dengan medan koersif (Ec) yang ditunjukan loop histerisis (A.
Marwan, 2007).
2.2 Bahan Barium Stronsium Titanat (BST)
Barium Stronsium Titanat (BST) adalah film tipis yang berpotensi untuk
DRAM dan NVRAM karena memiliki konstanta dielektrik tinggi, kebocoran arus
rendah dan tahan terhadap tegangan breakdown yang tinggi pada temperatur Curie.
Temperatur Curie pada Barium Titanat adalah 1300C dan dengan adanya doping
Stronsium temperatur Curie menurun menjadi suhu kamar dan dapat digunakan pada
device yang memerlukan temperatur kamar. Film tipis BST telah difabrikasi dengan
beberapa teknik seperti sputtering, laser ablation dan sol-gel process (N. V.
Giridharan et al, 2001).
Kenaikan temperatur annealing akan menaikkan ukuran grain dalam kristal
film tipis BST. Pada suhu annealing 7000C struktur BST yang teramati adalah
struktur kubik dengan konstanta kisi a = 3,97 Å untuk 30% mol Stronsium.
Konstanta dielektriknya diukur dari kurva C-V kira-kira 120 dengan faktor disipasi
6
0,0236. Kebocoran rapat arus dari film adalah 4x10-8 A/cm dari perhitungan I-V
menggunakan device peralatan fabrikasi (N. V. Giridharan et al, 2001).
Teknologi kapasitor BST multi-layer dengan kerapatan tinggi menawarkan
keuntungan yang jelas untuk mendapatkan variasi modul dan paket elektronik.
Kapasitor BST memiliki keuntungan yaitu memiliki range 0.5 pF sampai 500 nF,
kapasitor bypass dan berbagai macam kapasitansi yang bisa dihubungkan dengan
sebuah chip pasife singel film tipis. Chip kecil kapasitor multi fungsi bisa
meningkatkan performa dan mereduksi ukuran Multi-chip module (MCM) dan
Systems-in-Package (Si P), lihat Gambar 2. (Thomas et al, 2004)
Gambar 1 Kurva histerisis.
Gambar 2 Chip kapasitor BST.
Gambar 3 Struktur Ba0,5Sr0,5TiO3
(a) Polarisasi ke atas (b) Polarisasi kebawah
7
Berikut Persamaan reaksi Barium Stronsium Titanate (BST) : (x)Ba(CH3COO)2 + (1-X)Sr(CH3COO)2 + yTi(C12H23O4) + zO2 → aBa(X)Sr(1X)TiO3 +
bCO2 + cH2O (2.1)
0,5Ba(CH3COO)2 + 0,5Sr(CH3COO)2 + Ti(C12H28O4) + 22O2 → Ba0,5Sr0,5TiO3 +
17H2O + 16CO2 (2.2)
0.25Ba(CH3COO)2+0.75Sr(CH3COO)2+Ti(C12O4H28)+22O2→Ba0.25Sr0.75TiO3+
17H2O+16CO2 (2.3)
Film tipis BaxSr1-xTiO3 (BST) merupakan material ferroelektrik yang banyak
digunakan sebagai FRAM karena memiliki konstanta dielektrik yang tinggi (εr >>
ε 2SiO ) dan kapasitas penyimpanan muatan yang tinggi (high charge storage capacity)
yang dapat diaplikasikan sebagai kapasitor (A. Marwan. 2007). Beberapa penelitian
juga berpendapat bahwasana BST memiliki potensi untuk mengganti lapisan tipis
SiO2 pada sirkuit MOS di masa depan. Dari penelitian yang telah dilakukan sampai
saat ini, lapisan tipis BST biasanya memiliki konstanta dielektrik yang jauh lebih
rendah dibandingkan dengan bentuk bulknya. Struktur mikro butir yang baik, tingkat
tekanan yang tinggi, kekosongan oksigen, formasi lapisan interfacial dan oksidasi
pada bottom electrode atau Si dipercaya menjadi faktor yang menyebabkan
penurunan sifat listrik ini (A. Marwan. 2007).
2.3 Bahan Pendadah Tantalum Pentoksida (Ta2O5)
Penambahan sedikit pendadah dapat menyebabkan perubahan parameter kisi,
konstanta dielektrik, sifat elektrokimia, sifat elektrooptik dan sifat pyroelektrik dari
keramik ataupun film tipis (A. C. W. Utami. 2007). Bahan pendadah material
ferroelektrik dibedakan menjadi dua jenis, yaitu soft dopan dan hard dopan. Ion soft
dopan dapat menghasilkan material ferroelektrik menjadi lebih soften, yaitu
koefisien elastis lebih tinggi, sifat medan koersif yang lebih rendah, faktor kualitas
mekanik yang lebih rendah dan kualitas listrik yang lebih rendah. Soft dopan disebut
juga dengan istilah donor dopan karena menyumbang valensi yang berlebih pada
struktur kristal BST. Ion hard dopan dapat menghasilkan material ferroelektrik
menjadi lebih hardness, seperti loss dielectric yang rendah, bulk resistivitas lebih
rendah, sifat medan koersif lebih tinggi, faktor kualitas mekanik lebih tinggi dan
8
faktor kualitas listrik lebih tinggi. Hard dopan disebut juga dengan istilah acceptor
dopan karena menerima valensi yang berlebih di dalam struktur kristal BST (A. C.
W. Utami. 2007).
Tantalum merupakan logam yang memiliki kemiripan sifat-sifat kimia
dengan unsur non logam, Tantalum jarang sekali didapati dalam bentuk kation tetapi
lebih sering didapati sebagai anion. Beberapa persenyawaan yang penting dari
Tantalum adalah halida dan oksida halida yang bersifat volatil dan cepat terhidrolisis.
Beberapa sifat dari Tantalum adalah logam mengkilat, titik lelehnya tinggi 24680C,
tahan terhadap asam, dapat larut dalam campuran HNO3-HF, bereaksi lambat dengan
leburan NaOH. Ta2O5 merupakan persenyawaan dengan oksigen yang berbentuk
serbuk putih dan bersifat inert, tidak larut dengan semua asam kecuali dengan HF
pekat serta dapat larut dalam leburan NaOH dan NaHSO4. Persenyawaan halida
Tantalum adalah pentafluorida, dibuat dari reaksi fluorinasi dari logamnya,
merupakan padatan putih volatil, dalam keadaan cair tidak berwarna dan volatil.
Persenyawaan halida tantalum yang lain adalah pentaklorida dibuat melalui reaksi
klorinasi dari logamnya, merupakan padatan kuning, terhidrolisis menjadi hidrat
oksida (Darjito, 1996). Penambahan Tantalum pentaoksida akan mendapatkan bahan
pyroelektrik bersifat menyerupai semikonduktor tipe-n (donor doping) (A. C. W.
Utami, 2007). Gambar 4 dan 5 menjelaskan keadaan tersebut. Soft dopan berperan
penting dalam pembentukan ruang kosong pada posisi A struktur perovskite akibat
ion Ba tidak dapat dengan mudah melompat ke ruang kosong A karena terhalang
ikatan ionik oksigen (Darjito. 1996). Penambahan presentase bahan pendadah
mengakibatkan nilai karakterisasi I-V sel surya mengalami perubahan (A. C. W.
Utami, 2007).
Pada annealing dengan temperatur tinggi dapat mengakibatkan film tipis
BTST yang telah dideposisi menguap sehingga mengurangi kualitas kristal film tipis
BTST. Dengan adanya penambahan Tantalum pentaoksida sebesar 10%, bahan
pendadah yang tidak mengalami penguapan, maka lapisan film tipis BTST
(semikonduktor tipe-p) akan lebih banyak terisi Tantalum pentaoksida, sehingga
akan meningkatkan sifat listriknya. Penambahan Tantalum pentaoksida
meningkatkan efisiensi sel surya fotoelektrokimia, ditunjukkan pada penelitian yang
telah dilakukan (A. C. W. Utami, 2007).
9
Gambar 4 Struktur Ba0.5Sr0.5TiO3 didadah Tantalum pentaoksida.
Gambar 5 Donor dopan.
2.4 Fotodioda
Dioda adalah sambungan p-n yang berfungsi terutama sebagai penyearah.
Bahan tipe-p akan menjadi sisi anoda sedangkan bahan tipe-n akan menjadi katoda.
Bergantung pada polaritas tegangan yang diberikan kepadanya, dioda bisa berlaku
sebagai sebuah saklar tertutup (apabila bagian anoda mendapatkan tegangan positif,
sedangkan katodanya mendapatkan tegangan negatif) dan berlaku sebagai saklar
terbuka (apabila bagian anoda mendapatkan tegangan negatif sedangkan katoda
mendapatkan tegangan positif). Kondisi tersebut terjadi hanya pada dioda ideal. Pada
dioda faktual (riil), perlu tegangan lebih besar dari 0,7 V (untuk dioda yang terbuat
dari bahan silikon). Tegangan sebesar 0,7 V ini disebut sebagai tegangan halang
(barrier voltage). Dioda yang terbuat dari bahan Germanium memiliki tegangan
halang kira-kira 0,3 V (http://id.wikipedia.org/wiki/Dioda).
Fotodioda adalah semikonduktor sensor cahaya yang menghasilkan arus atau
tegangan ketika sambungan semikonduktor p-n dikenai cahaya. Fotodioda dapat
dianggap sebagai baterai solar, tetapi biasanya mengacu pada sensor untuk
mendeteksi intensitas cahaya . Cahaya yang dapat dideteksi oleh dioda foto ini mulai
dari cahaya infra merah, cahaya tampak, ultra ungu sampai dengan sinar-X. Pada
Gambar 6 memperlihatkan penampang bagian dari fotodioda. Fotodioda memiliki
daerah permukaan aktif yang ditumbuhkan di atas permukaan substrat, yang pada
akhirnya akan menghasilkan persambungan p-n. Ketebalan lapisan yang
10
ditumbuhkan biasanya memiliki ketebalan 1 µm atau lebih kecil lagi dan pada daerah
persambungan lapisan-p dan lapisan-n terdapat daerah deplesi. Daerah spektral dan
frekuensi aktif dari fotodioda bergantung pada ketebalan lapisan atau doping
(www.sales.hamamatsu.com/assets/applications/SSD).
Jika cahaya mengenai fotodioda, elektron dalam struktur kristalnya akan
terstimulus. Jika energi cahaya lebih besar dari pada energi band gap Eg, elektron
akan pindah ke pita konduksi, dan meninggalkan hole pada pita valensi. Pada
Gambar 7 terlihat pasangan elektron-hole terjadi pada lapisan-p dan lapisan-n. Di
dalam lapisan deplesi medan listrik mempercepat elektron-elektron ini menuju
lapisan-n dan hole menuju lapisan-p. Pasangan elektron-hole dihasilkan di dalam
lapisan-n, bersamaan dengan elektron yang datang dari lapisan-p sama-sama akan
menuju pita konduksi di sebelah kiri (pita konduksi). Pada saat itu juga hole
didifusikan melewati lapisan deplesi dan akan dipercepat, kemudian hole ini akan
dikumpulkan pada pita valensi lapisan-p. Pasangan elektron-hole yang dihasilkan
sebanding dengan cahaya yang diterima oleh lapisan-p dan lapisan-n. Muatan positif
dihasilkan pada lapisan-p dan muatan negatip pada lapisan-n.
(www.sales.hamamatsu.com/assets/applications/SSD).
Gambar 6 Penampang melintang Fotodioda.
Gambar 7 Keadaan fotodioda persambungan p-n.
11
Gambar 8 Konsep fotokonduktivitas.
2.5 Fotokonduktivitas
Devices fotokonduktivitas dibuat dengan tujuan menghasilkan perubahan
resistansi atau tegangan ketika disinari cahaya. Dengan demikian devices banyak
digunakan sebagai ON-OFF devices (saklar), measuring devices, atau limited power
sources (M. A. Omar. 1993). Fenomena fotokonduktivitas terjadi ketika sinar cahaya
jatuh pada sebuah semikonduktor dan menyebabkan meningkatnya konduktivitas
listrik.
Ini berhubungan dengan eksitasi elektron melalui energi bandgap, yang
menyebabkan peningkatan pasangan elektron-hole dan meningkatkan konduktivitas
listrik. Eksitasi hanya dapat terjadi jika gE>νh (M. A. Omar. 1993). Konsep
fotokonduktivitas diilustrasikan pada Gambar 7. Sebelum ada cahaya yang
menyinari, konduktivitasnya diberikan oleh Persamaan 1.
( )hoeoo pne μμσ += (2.4)
di mana no dan po adalah konsentrasi pada kesetimbangan, dan oσ adalah
konduktivitas dalam ruang gelap. Ketika cahaya jatuh pada semikondutor akan ada
peningkatan konsentrasi pembawa bebas sebesar ∆n dan ∆p dan arus meningkat
dengan tiba-tiba. Jika elektron dan hole selalu tercipta secara berpasangan maka akan
didapatkan ∆n = ∆p. konduktivitas sekarang menjadi ( )( )bne
ne
hoo
heoo
+Δ+=+Δ+=
1μσσμμσσ (2.5)
di mana hob μμ= , adalah perbandingan mobilitas. Peningkatan relatif konduktivitas
adalah ( )o
h
o
bneσμ
σσ +Δ
=Δ 1 (2.6)
12
Faktor yang mempengaruhi variasi n terhadap waktu yaitu; carrier (pembawa)
bebas yang terus tercipta secara kontinu saat disinari cahaya dan hilangnya carrier
secara kontinu juga akibat rekomedasi. Adanya rekomedasi menyebabkan terjadinya
kondisi tidak seimbang. Variasi konsentrasi terhadap waktu diberikan oleh
persamaan;
'τonng
dtdn −
−= (2.7)
di mana g adalah laju generasi elektron per-satuan volume terhadap penyerapan
cahaya. τ disebut waktu rekomendasi.
2.6 Penguat Operasional
2.6.1 Pengenalan Penguat Operasional
Operational Amplifier atau disingkat op-amp merupakan salah satu
komponen analog yang popular digunakan dalam berbagai aplikasi rangkaian
elektronika. Aplikasi op-amp popular yang paling sering dibuat antara lain adalah
rangkaian inverter, non-inverter, integrator dan differensiator. Pada pokok bahasan
kali ini akan dipaparkan beberapa aplikasi op-amp yang paling dasar, dimana
rangkaian feedback (umpan balik) negatif memegang peranan penting. Secara
umum, umpan balik positif akan menghasilkan osilasi sedangkan umpan balik
negatif menghasilkan penguatan yang dapat terukur.
2.6.2 Op-Amp Ideal
Op-amp pada dasarnya adalah sebuah differential amplifier (penguat
diferensial) yang memiliki dua masukan. Input (masukan) op-amp seperti yang telah
dimaklumi ada yang dinamakan input inverting dan non-inverting. Op-amp ideal
memiliki open loop gain (penguatan loop terbuka) yang tak terhingga besarnya.
Seperti misalnya op-amp LM741 dan LM358 yang sering digunakan oleh banyak
praktisi elektronika, memiliki karakteristik tipikal open loop gain sebesar 104 ~ 105.
Penguatan yang sebesar ini membuat op-amp menjadi tidak stabil dan penguatannya
menjadi tidak terukur (infinite). Di sinilah peran rangkaian negative feedback (umpan
balik negatif) diperlukan, sehingga op-amp dapat dirangkai menjadi aplikasi dengan
nilai penguatan yang terukur (finite). Impedansi input op-amp ideal mestinya adalah
tak terhingga, sehingga mestinya arus input pada tiap masukannya adalah nol.
13
Sebagai perbandingan praktis, op-amp LM741 memiliki impedansi input Zin = 106
Ohm. Nilai impedansi ini masih relatif sangat besar sehingga arus input op-amp
LM741 mestinya sangat kecil.
Ada dua aturan penting dalam melakukan analisa rangkaian op-amp
berdasarkan karakteristik op-amp ideal. Aturan ini dalam beberapa literatur
dinamakan golden rule, yaitu :
Aturan 1 : Perbedaan tegangan antara input v+ dan v- adalah nol (v+ - v- = 0 atau v+
= v- )
Aturan 2 : Arus pada input Op-amp adalah nol (i+ = i- = 0)
Inilah dua aturan penting op-amp ideal yang digunakan untuk menganalisa
rangkaian op-amp.
2.6.3 Inverting Amplifier
Rangkaian dasar penguat inverting adalah seperti yang ditunjukkan pada
gambar 9, dimana sinyal masukannya dibuat melalui input inverting. Seperti tersirat
pada namanya, pembaca tentu sudah menduga bahwa fase keluaran dari penguat
inverting ini akan selalu berbalikan dengan masukannya. Pada rangkaian ini, umpan
balik negatif dibangun melalui resistor R2.
Input non-inverting pada rangkaian ini dihubungkan ke ground atau v+ = 0.
Dengan mengingat dan menimbang aturan 1, maka akan dipenuhi v- = v+ = 0. Karena
nilainya = 0, namun tidak terhubung langsung ke ground, input op-amp v- Pada
rangkaian ini dinamakan virtual ground. Dengan fakta ini, dapat dihitung tegangan
jepit pada R1 adalah vin – v- = vin dan tegangan jepit pada resistor R2 adalah vout – v-
= vout. Kemudian dengan menggunakan aturan 2, diketahui bahwa :
iin + iout = i- = 0, karena menurut aturan 2, arus masukan op-amp adalah nol.
iin + iout = vin/R1 + vout/R2 = 0
Selanjutnya
vout/R2 = - vin/R1 .... atau
vout/vin = - R2/R1
Jika penguatan G didefenisikan sebagai perbandingan tegangan keluaran
terhadap tegangan masukan, maka dapat ditulis :
14
, Vout RfGain AvVin Rin
= = − (2.8)
Impedansi rangkaian inverting didefenisikan sebagai impedansi input dari
sinyal masukan terhadap ground. Karena input inverting (-) pada rangkaian ini
diketahui adalah nol (virtual ground), maka impedansi rangkaian ini tentu saja
adalah Zin = R1.
2.6.4 Non Inverting Amplifier
Prinsip utama rangkaian penguat non-inverting adalah seperti yang
diperlihatkan pada gambar 10 berikut ini. Seperti namanya, penguat ini memiliki
masukan yang dibuat melalui input non-inverting. Dengan demikian tegangan
keluaran rangkaian ini akan satu fasa dengan tegangan inputnya. Untuk menganalisa
rangkaian penguat op-amp non inverting, caranya sama seperti menganalisa
rangkaian inverting.
Dengan menggunakan aturan 1 dan aturan 2, kita uraikan dulu beberapa fakta
yang ada, antara lain :
vin = v+
v+ = v- = vin ..... lihat aturan 1.
Dari sini ketahui tegangan jepit pada R2 adalah vout – v- = vout – vin, atau iout =
(vout-vin)/R2. Lalu tegangan jepit pada R1 adalah
v- = vin, yang berarti arus iR1 = vin/R1.
Gambar 9 Rangkaian Inverting.
15
Hukum kirchkof pada titik input inverting merupakan fakta yang mengatakan
bahwa :
iout + i(-) = iR1
Aturan 2 mengatakan bahwa i(-) = 0 dan jika disubtitusi ke rumus yang
sebelumnya, maka diperoleh
iout = iR1 dan Jika ditulis dengan tegangan jepit masing-masing maka diperoleh (vout –
vin)/R2 = vin/R1 yang kemudian dapat disederhanakan menjadi :
vout = vin (1 + R2/R1)
Jika penguatan G adalah perbandingan tegangan keluaran terhadap tegangan
masukan, maka didapat penguatan op-amp non-inverting :
1, 12
Vout RGain AvVin R
⎛ ⎞= = +⎜ ⎟⎝ ⎠
(2.9)
Impedansi untuk rangkaian Op-amp non inverting adalah impedansi dari
input non-inverting op-amp tersebut. Dari data sheet, LM741 diketahui memiliki
impedansi input Zin = 108 to 1012 Ohm.
2.6.5 Pengikut Tegangan (Voltage Follower)
Dari gambar yang ditunjukan dibawah ini dapat dijelaskan tentang tegangan
pengikut sebagai berikut :
Dimana Vin mempunyai masukan tegangan DC
Vout Vin= (2.10)
, 1VoutGain AvVin
= = (2.11)
Ciri-cirinya:
• Memiliki impedansi masukan yang sangat tinggi (lebih dari 100 KΩ)
• Memiliki impedansi keluaran yang sangat rendah (lebih kecil dari 75 Ω)
Ada banyak IC op-amp dengan harga yang bervariasi. Berikut ini adalah
contoh IC LM358 dan LM741 yang digunakan sebagai op-amp dan komparator
berbagai macam aplikasi.
16
Gambar 10 Rangkaian Non Inverting.
Gambar 11 Rangkaian Voltage Follower.
Gambar 12 LM358 (a) op-amp dan LM741 (b) op-amp.
top related