Prosiding Pel1emuanIlmiah Sains Matel; 196E
FABRIKASI DAN PENGUKURAN W AKTU BANGKIT ("RISE TIME") DAN PENYEARAHAN ("RECTIFICATION") DIODA LOGAM-ORGANICSEMIKONDUKTOR (kOr-S)l Adiantl
AB.IiTRAK FABRIKASI DAN PENGUKURAN WAKTU BANGKIT ("RISE TIME") DAN PENYEAB:AHAN ("RECfIFICATION") DIODA LOGAM-ORGANIC-SEMIKONDUKTOR (L-Or-S). Dioda lapisan tipis Logam-ClrganikSemikonduktor (L-Or-S) yang dibuat dengan bahan polimer organik (toluene) sebagai komponen aktiftelah berhasil dibuat dengan baik. Dioda Logam-Organik-Semikonduktor (L-Or-M) dibuat pada silikon tipe n-
dengan resistivitas 250-500 Ocm dan pada silikon tipe p dengan resisitivitas 10-20 Ocm, dimana toluene yang terpolimerisasi digunakan sebagai bahan isolator. Sistem depososi ion plasma telah dibuat dan digunakan untuk mendeposisikan bahan monomer organik (toluene) di antara semikonduktor dan elektroda uap logam yang berfungsi sebagaiisolator. Pengukuran penyearahandilakukan dengan menggunakan geiombaJ1gsinus dalam jangkau 0 -I Mhz dari sebuah sumber generator gelombang yang dihubungkan secara seri pada perangkat ell:ktronik Au/toluene/Si n-/Ni dengan ketebalan lapisan tipis 100 om. Pada pengukuran waktu bangkit, gelombang kotak dari sumber gelombang yang sarna dihubungkan secara seri pada tahanan beban. Keluaran tersebut kemudian dihubungkan pada dioda L-Or-M dan osiloskop untuk diukur waktu bangkitnya. Pengukuran penyearahan dilakukan pada tiga kondisi yang berbeda, yaiwi pada: kondisi cahaya normal, dibawah penerangan lampu 60 W, dan kondisi gelap. Dari basil pengukuran dapat disimpulkan bah\lra dioda L-Qr-M menunjukkan unjuk kerja yang stabil sarnpai pada frekuensi I Mhz, tetapi harus pada kondisi gelap karena bersifat sangat peka terhadap cahaya, sedangkan dioda L-Or-S menunjukkan mempunyai sifat waktu bangkit yang relatif cepat, yaitu seJ.jtar 2,5
lIS. ABSTRACT FABRICATION AND MEASUREMENTS FOR RECTIFICATION AND RISE TIME OF ME:TAL ORGANIC -SEMICONDUCTOR (M-Or-S) DIODE. The Metal-Organic-Semiconductor (M-Or-S) thin film diodes, COlIstrocted with an organic polymer (polymerized toluene) as an active component had been successfullyfabricated. The thin film M-Or-:~ diodes were fabricated on an n-type silicon <100> with resistivity of 250-500 Qcm and p type silicon <111> with resistivity of 10-20 Qcm asa substrate with polymerized toluene used as insulator. When deposited on silicon wafers with electrode of evaporated Ni on the ntype silicon and evaporated Au as the electrode on the polymerized toluene film, the electronic devices of Metal-()rganicSemiconductor (M-Or-S) type can be produced. A plasma ion deposition system was constnlcted and used to deposit organic monomeric substance (toluene) for isolator between semiconductor and the evaporated metal electrodes. Sinusoidal waves in the frequency range of 0 -1 Mhz from a waveform generator were applied to the M-Or-S device, where the film thickness was 100 nm. The output signal of the diode was appl;ed to a load resistance. The diode output voltage accrossthis resistance was connected to an oscilloscope for examination. For rise-time measurements,a square wave from the same generator was applied to a load resistance. The output was connectedto the diode and oscilloscope. The rise time was calculated from the waveforms shown on the oscilloscope. Rectification measurements were investigated under three different conditions: in a dark condition, in day light, and unm~r 60 W illumination. From the results of these measurements,it was concluded that the device showed a stable working performance up to I Mhz but that it has to be in a dark condition since the device was photosensitive. Furthermore, the organic diode showed a rl~latively fast rise time behaviour which was calculated and found to be equal 2.5 fis.
PENDAHULUAN Usahapembuatanperangkatelek1ronik dengansusunanLogam-Isolator-Semikonduktor (L-I-S) telah dilakukan se.iak lama, demikian .iugaanalisis sifat-sifat listrik dari perangkat tersebut sudah banyak dilakukan, tetapi hanya sedikit analisis yang melibatkan penggunaan polimer organik plasma sebagai isolator pada perangkatL-Or-S [1].
Pada model dioda yang ideal, kontak ~.ang "abrupt" diandaikan antara daerah yang berdoping n- clan daerah yang berdoping p-. Bahkan, satu dari beberapa penyederhanaan asumsi adalah bahwa alllS yang mengalir melewati suatudioda adalahbersifat satu dimensi clan satu arab. Dari asumsi ini berarti baLhwa tidak adaaruslewat melaluidioda ketika ber bias balik (reverse biased) clan dioda mulai segera
1Dipresentasikan pada Seminar Ilmiah PPSM 1996 2PusatPengkajian Teknologi Nuklir -BATAN
341
mengalirkanalllS setelalldioda tersebuther bias maiu (forward biased). Pada kenyataannya denganmenggwlakandioda yang ada di pasaran, beberapakebocoranarusbagain-.anapun kecilnya akan selalu tel:iadipada kondisi bias ma.iu,dan se,iumlah tegangan spesifik yang kecil halllS dialirkan pada kondisi bias ma,iu untuk memungkinkan arus bisa mengalir [2], Maka berdasarkan pertimbangan ini, sifat-sifat penyearahandari dioda (L-Or-S) akan diamati, Disamping mengamati sifat-sifat penyearahan, waktu bangkit, atau waktu yang diperlukan untuk mencapainilai 90 % dari nilai akhir suatupulsa juga dihiumg [3]. Maksud dari pengukuran ini adalah untuk meilgamati kemungkinan penggunaanperangkatelektronik yang telahdibuat ini pada pemakaian ~ebagaj ",vwitching
Gambar I Gambaranskema Logam-Organik -Semikonduktor
",
Untuk perangkat eleku"onik dioda dengansu..'\Unan Logam-Organik-Semikonduktor (L-Or-S), waktu bangkit tergantung pada ketebalan lapisan tipis polimer organik plasma yang digunakannya [4]. lika ketebalan lapisan tipisnya cukup, maka "caITier transport" yang melewati lapisan tip is adalah dapat diabaikan clan dioda L-Or-S men.iadi bersifat kapasitor konvensional L-I-S, Sebaliknya, jika lapisan polimer organiknya adalall sangattipis, sedikit halangan akan diberikan kepada "carrier transport" diantara logam clan semikonduktor sehingga susunan perangkat tersebut menyerupai dioda "Schottky-barrier" [5], SehubUllgan dengan sifatnya yang sangat peka terhadap cahaya, pengukuran penyearahan dilakukan pada tiga kondisi yang berbeda, yaitu pada: kondisi cahaya nonnal, dibawah peneranganlampu 60 W, clankondisi gelap,
CARA KERJA Diagram diagram plasma
skema
ditunjukkan T eknik
r,emercepat sistem
pada
silikon pembawa).
342
sistem
adalah
deposisi
bawa Gas
I
berikut:
argon
akan
yang
Gambar
2. yang
kombinasi plasma Sistem
gas
ion
alat
monomer
dideposisikan argon
dari
keIja clan dari
bahan
(sebagai
ffie;tga..dung
Gambar 2 Gambaranskema Sistem deposisiberkas ion plasma
organik
polimer
berdasarkan
oleh
clan
berkas
clan
plasma
yang
L-Or-S
polimer
lecutan [6-8].
sebagai (toluene) di
dioda
Gambar
deposisi
reaktor partikel
adalah
dari
mendeposisikan
dari
digunakan
ini
dari
untuk
organik
skema
ke zat bahan
organik tersebutkemudian diiomsasi oleh medan radio frekuensiyang dikopelkan secara induktif melaluikumparanpipa tembagadiameter 0,5 cm yang berpendingin air yang ditempatkan melingkari tabung reaktor plasma. Ele~:troda pemercepatdengantegangannegatip digunakan dalam sistem im untuk menarik berkas ion positip clanjuga sebagaipenambahtenagaberkas ion positip. Lensa Einzel pada sistern ini digunakan untuk memfokuskan berka:1 ion
~
positip yang ditarik oleh elektroda pemercepat untuk dideposisikan pada silikon. Untuk memperbaiki kerataan permukaan lapisan, sebuah pemanas yang dihubungkan dengan sebuah sistem kontrol dipasang dibawah temp at dudukan substl-at, sehingga pada waktu proses deposisi sedang berlangsung, suhusubstrat dapat diatur pada berbagai temperatur sesuai dengan kebutuhan. Dengan mengatur la.iu alir monomer, waktu deposisi., clan besar tegangan p~mercepat elektroda, maka ketebalan lapisan organik polimer dapat dit~!1tukan ~esuai der.gan yang diinginkan seperti dijelaskan pada ref. 6.
raJa Wakttl pemgukurrn1 waktu bangkit, gelombang kotak dari sumber gelombang yang sarna dihubungkan sec£ra seri raJa tahanan beban sepelii ditun.iukkan raJa diagram skema 4. Keluaran tersebut kemudian dihubungkan raJa dioda L-Or-M clan osiloskop untuk diukur "Taktu bangkitnya, yaitu waktu yang dibutuhkan untuk mencapai nilai 90 % dali nilai akhir sinyal tersebut.
HASIL DAN PEMBAHASAN Pada kondisi gelap, seperti ditul1.iukkan pada gambar Sa, dioda I~-Or-M menun.iukkan un.iuk kelja yang sangat bagus dan mempunyai stabilitas yang tinggi seperti halnya dengan dioda yang berada di pasaran.
L
0.02
V/di,
Gambar3 Diagram skema pengukUloan penyearahan Diagram skema untuk pegukuran penyearahan digambarkan pada gambar 3. Gelombangdengan.;angkaufrekuensi 0 -I Mhz yang berasal dari generator gelombang dihubungkan pada perangkat dioda Aultoluene/Si n-/Ni yang mempunyaiket;:;balan lapisantipis 100 llffi. Sinyal keluaran dari dioda dihubungkan ke tahanan beban. Tegangan keluaran dioda yang terhubung dengantahanan beban kemudian dihubungkan ke osiloskop untuk diamati bentuk sinyalnya.
I
R
--CJ T~~t D~..ics:
oample~
Gambar 4 Diagram skemapengukuranwaktu bangkit
Gambar Sa I pengukuranpenyearahanpada kondisi gel~p Tegangan jatuh {"voltage drop'} pada dioda yang dibuat adalah sangat kecil, clan .juga pada kondisi tegangan balik ("reverse biased") dioda menun.iukkan kondisi seperti pada rangkaian terbuka ('open circuit')- Selan.jutnya, dari basil perhitungan yang diperoleh dengan menggunakan gambar 6, diOda organik menunjukkan sifatnya yang mempunyai waktu bangkit relatif cepat yaitu 2,5 ~dt. Pada gambar 5b, ditUlljukkan basil pengtik-uran penyearahan diOda organik pada kondisi cahaya normal di dalam lingkungan ruangan dan tidak di dalam kotak hitam. Pada gambar tersebut dapat dilihat bahwa sinyal yang disearahkan tidak hanya melewatkan arus pada kondisi tegangan maju ("forward bias ") tetapi juga melewatkan arus pada kondisi tegarlgan balik ('reverse bias 'j. Arus yang lewat pada kondisi tegangan batik menjadi semakin besar .iika diOda organik disinari dengan cahaya yang
343
... "> '0
L
L
20 us/d1v
Gambar6 Pengukuranwaktu bangkit dioda Au/toluene/Si n-/Ni
Gambar 5b ,gukuranpenyearahanpada klmdisi caha)!anonnal
isolator polirner terhadap cahaya atau rnedan radiasi elcktrornagI1ctik akan rnenaikkan tirnbulnya 'p'ee carrier" di daJarnlapisan tipis. Hasil yang sarna ditU11jukkanoll:h Adianto dan Srnitl1 [10] ketika rnereka rncngarnati rclasi antara kapasitan dan tegangandari lapisan tipis bahan organik yang tel1Jolirnerisasi d(.-ngan pla:irnapactakondisi diberi cahaya.
KESIMPULAN Dari disirnpulkan
hasil
ballwa
pengukuran
dioda L-Or-M
un.iuk kelja yang stabil sl!mpai
Gambar Sc Pengtlkuran penyearahan pada k(mdisi disimlri lampu
Mhz,
dioda tersebut. Ke.iadian ini sehubungan dengan tel:i adinya eksitasi dari elektron yang melewati gap tenaga ("energy gap ") dioda organik, sehingga akan menaikkan.iumlah "free carrier", elektron, "hole" dan mengakibatkan kenaikan konduktivitas listrik dioda organik tersebut. Sifat photosensitif dari lapisan tipis organik polimer .juga disebutkan oleh Gutmann [9]. Dia men.ielaskan bahwa membuka lapisan tipis
344
dari
cahaya
luar
bersifat sangat peka terhadap dioda
bcrasal dari lampu sepel1i ditun.iukkan pada ganlbm' 5c. Dari kondisi yang ditun.iukkan pada gamb~II' 5b dan gambar 5c dapat disimpulkan bahwa kar~lkteristik tegangan balik dioda Au/toluene/Si n-/Ni adalah sensitif terhadap cahaya ('photo.\"ensitive "). Hal ill dapat di.ielaskan sebagai berikut: ,iika dioda organik disinali dengan lampu, maka akan menyebabkan bel1ambah besamya konduktivitas listrik dari
pada frek-uensi
tetapi hams pada kondisi
pengaruh
L-Or-S
menun.iukkan
dapat
menunjukkan I
gelap tanpa ada karena
dioda
ini
cahaya, sedangkan mempunyai
sirat
\\al..1l1 bangkit yang relatif cepat, yaitu sekitar 2,5
Jdt.
U CAP AN TERIMAKASm Penulis mengucapkanterimakasih kepada Saudara V.D. Larsen, mahasiswa tingkat akhir dari Department of Electronics and Electrical Engineering,Univgsity of Saltord, Manchester, England alas bantuannya dalam menyiapkan sampel, clanjuga kepada Dr. C.W. Smith alas diskusi-diskusinya yang sangatberharga.
DAFTARPUSTAKA I.
S.R FORREST,L.Y. LEU, F.F. SO, W.Y. YOON, J. Applied Physics, 66, (1989) 5908.
2. M.S.TYAGI, 'Introduction to Semicon ductal Materials and Devices', Wiley,
DISKUSI L
Rill I Saris
T : Sesuaidenganjudul makalah ini, sudlah berapa jurnlah dioda yang dibuat Clan menjalani pengujian karakteristik? Apakah data yang dikemukakan suc[ah memenuhi secara statisik? DimanaJcah penempatan aplikasi dioda ini sesuai dengantujuanpenelitiannya? J : Jurnlah dioda yang telah dibuat sudah banyak sekali dan telah dilakukan berbagaikarakterisasi,analisis, pengu:jian dan lain sebagainya. Spesifi\c.asite]cnis dari basil-basil pengujian dioda organik ini telah dipublikasikan di journal lain dan hasilnya kompetitif dengan diloda yang ada di pasaran. Aplikasi dioda ini sudah dikembangkan dalam pembu:atan Solar Cell, Field Effect Transistor(FET) dan Photodioda. Penelitian ini ~Ikan dikembangkanlebih lanjut karena sudah mendapat persetujuan oleh k~llltor RISTEK untuk dibiayai melalui probrram RUT V mulai tahunanggaran1997/1~)98.
345
