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 bCO2
+ (1-X)Sr(CH3COO)2 + yTi(C12H23O4) +
zO2
→ aBa(X)Sr(1X)TiO3 +
+ cH2O
0,5Ba(CH3COO)2
+
0,5Sr(CH3COO)2 +
(2.1) 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 SiO2 ) 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
(www.sales.hamamatsu.com/assets/applications/SSD).
Gambar 6 Penampang melintang Fotodioda.
Gambar 7 Keadaan fotodioda persambungan p-n.
lapisan-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 hν > Eg (M. A. Omar. 1993). Konsep fotokonduktivitas diilustrasikan pada Gambar 7. Sebelum ada cahaya yang menyinari, konduktivitasnya diberikan oleh Persamaan 1. σ o = e(noμe + poμh )
(2.4)
di mana no dan po adalah konsentrasi pada kesetimbangan, dan σ o 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 σ o = σ o + e Δ n (μ e + μ h ) σ o = σ o + e Δ n μ h (1 + b )
(2.5)
di mana b = μo μ h , adalah perbandingan mobilitas. Peningkatan relatif konduktivitas adalah Δσ
σo
=
e Δ n μ h (1 + b )
σo
(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; dn n − no = g− dt τ'
(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
Gain, Av =
Vout Rf =− Vin 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 :
Gain, Av =
Vout ⎛ R1 ⎞ =⎜ ⎟ +1 Vin ⎝ R 2 ⎠
(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
Gain, Av =
Vout =1 Vin
(2.10) (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.
