2
oksigen. Sebagian besar unsur bebas silikon tidak ditemukan di alam. Oleh karena itu, silikon dihasilkan dengan mereduksi kuarsa dan pasir dengan karbon yang berkualitas tinggi. Silikon untuk pengunaan semikonduktor dimurnikan lebih lanjut dengan metode pelelehan berzona kristal czochralski. Kristal silikon ini memiliki kilap logam dan mengkristal dengan struktur intan [3]. Silikon oksida (SiO2) digunakan sebagai gate dielektrik karena bentuk non kristal (amorphous) yang sesuai dengan insulator, dengan daya tahan terhadap medan listrik yang tinggi (sekitar 10 MV/cm), kestabilan terhadap panas, dan lebih lagi karena kualitas interlayer Si/SiO2 yang tinggi (jumlah muatan yang terjebak dalam interlayer <1011/cm). Kualitas interlayer Si/SiO2 ini penting karena merupakan bagian utama channel dimana carrier (baik hole atau elektron) melintas. Sampai saat ini belum ada yang bisa menandingi SiO2 [4]. Struktur atom kristal silikon, satu inti atom (nucleus) masing-masing memiliki 4 elektron valensi. Ikatan inti atom yang stabil adalah jika dikelilingi oleh 8 elektron, sehingga 4 buah elektron atom kristal tersebut membentuk ikatan kovalen dengan ion-ion atom tetangganya. Pada suhu yang sangat rendah (0oK), struktur atom silikon divisualisasikan seperti pada Gambar 2.1. Ikatan kovalen menyebabkan elektron tidak dapat berpindah dari satu inti atom ke inti atom yang lain. Pada kondisi demikian, bahan semikonduktor bersifat isolator karena tidak ada elektron yang dapat berpindah untuk menghantarkan listrik. Pada suhu kamar, ada beberapa ikatan kovalen yang lepas karena energi panas, sehingga memungkinkan elektron terlepas dari ikatannya namun hanya beberapa jumlah kecil yang dapat terlepas, sehingga tidak memungkinkan untuk menjadi konduktor yang baik [5].
Gambar 2.1. Struktur dua dimensi kristal silikon
Bahan Pendadah Pendadah adalah bahan yang digunakan untuk menambah jumlah elektron atau hole pada suatu material semikonduktor. Penambahan bahan pendadah dapat menyebabkan perubahan parameter kisi, konstanta dielektrik, sifat elektrokimia, sifat elektro-optik, dan sifat pyroelektrik dari keramik film tipis [6]. Untuk menaikkan konsentrasi elektron atau hole, diperlukan impuritas dalam kristal semikonduktor. Dopan-dopan tersebut memiliki energi sedikit lebih besar diatas pita valensi (akseptor) atau sedikit lebih rendah dibawah pita konduksi (donor). Akseptor menerima penambahan elektron dari pita valensi dan termuati ion-ion negatif sehingga membentuk sebuah hole (dopingp). Donor melepaskan sebuah elektron ke dalam pita konduksi dan termuati ion-ion positif (doping-n). Konsentrasi pembawa minoritas menjadi jauh lebih kecil dibandingkan konsentrasi pembawa mayoritas [7]. Tabel 2.1 menunjukkan jari-jari ion pendadah yang dapat digunakan sebagai Soft doping dan Hard doping dimana bahan pendadah material ferroelektrik dibedakan menjadi dua jenis, yaitu soft dopant dan hard dopant. Ion soft dopant dapat menghasilkan material ferroelektrik menjadi soften, seperti koefisien elastis menjadi lebih tinggi, sifat medan koersif yang lebih rendah. Soft dopant disebut juga dengan istilah donor dopant karena penyumbang valensi yang berlebih pada struktur kristal LT [8]. Tabel 2.1 Jari-jari ion pendadah yang dapat digunakan sebagai Soft doping dan Hard doping Soft doping Ion
Hard doping r (Å)
Ion
r (Å)
Ti4+
0,68
Ti4+
0,68
Zr4+
0,79
Zr4+
0,79
Nb5+
0,69
Fe3+
0,67
Ta5+
0,68
Al3+
0,57
Sb5+
0,63
Ga3+
0,62
W6+
0,65
In3+
0,85
3
Ion hard dopant dapat menghasilkan material ferroelektrik menjadi lebih hardness, loss dielektrik yang rendah, bulk resistivitas yang rendah, sifat medan koersif yang lebih tinggi, faktor kualitas mekanik lebih tinggi, dan faktor kualitas listrik lebih tinggi [9]. Hard dopant sering juga disebut dengan istilah acceptor dopant karena menerima valensi yang berlebih di dalam struktur Kristal LT. Bahan pendadah jenis hard dopant merupakan bahan pendadah yang dapat menghasilkan film tipis yang pembawa mayoritasnya adalah hole atau membuat film tipis cenderung bertipe –p. Niobium Penta Oksida (Nb2O5) Niobium Pentoksida merupakan material kimia yang paling banyak diproduksi untuk keperluan kapasitor, lithium niobate, dan gelas optik. Niobium Pentoksida mempunyai berbagai bentuk polymorphic berdasarkan koordinat oktahedral. Berbagai bentuk tersebut diidentifikasi dengan melakukan variasi ikatan. Paling banyak dijumpai dalam bentuk monoklinik H-Nb2O5 yang mana mempunyai struktur yang kompleks dimana sebuah unit sel terdiri dari 28 atom niobium (27 atomnya berbentuk oktahedral dan satu atom berbentuk tetrahedral) dan 70 atom oksigen. Niobium Pentoksida dapat dihasilkan dari hidrat padat (Nb2O5.nH2O) atau disebut juga asam niobik dengan menggunakan hidrolisis berdasarkan pengenceran niobium pentaklorida. Pada kapasitor elektrolit padat film tipis Nb2O5 berbentuk lapisan dielektrik dan lapisan ini dapat ditumbuhkan melalui electrolytically diatas lelehan niobium monoksida[10].
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 [11]. Pada saat dioda tidak diberikan panjar tegangan (unbiased) seperti ditunjukkan Gambar 2.2, terjadi difusi elektron ke segala arah pada setiap tepi-tepi semikonduktor. Beberapa difusi melewati junction, sehingga akan tercipta ion positif pada daerah n dan ion negatif pada daerah p. Jika ion-ion ini bertambah banyak, maka daerah di sekitar junction akan terjadi kekosongan dari elektron bebas dan hole. Daerah ini disebut dengan depletion region. Pada suatu saat, depletion region akan berlaku sebagai penghalang bagi elektron untuk berdifusi lanjut melalui junction. Diperlukan tegangan tertentu agar elektron dapat menembus penghalang tersebut, yang dikenal dengan istilah tegangan offset. Jika dioda diberi tegangan seperti pada Gambar 2.3, dimana kutub positif baterai dihubungkan dengan bahan tipe-p dan kutub negatifnya dihubungkan dengan bahan tipe-n, maka rangkaian ini disebut dengan forward biased atau prategangan maju. Bila tegangan ini melebihi tegangan yang diakibatkan oleh daerah pengosongan maka forward biased dapat menghasilkan arus yang besar.
Dioda 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
Gambar 2.2. Struktur pasangan elektron – hole dioda (a) kondisi awal, (b) kondisi setelah terjadi difusi elektron, (c) daerah pengosongan
4
Gambar 2.3. Forward bias dan Reversed bias Kutub negatif dari sumber dapat mendorong elektron pada bahan tipe-n menuju junction. Elektron ini dapat melewati junction dan jatuh ke dalam hole. Bila ini terjadi, elektron akan dapat terus bergerak melalui hole pada bahan tipe-p yang ada menuju kutub positif baterai. Sebaliknya, jika sumber tegangan tersebut dibalik polaritasnya, maka rangkaian yang tampak pada Gambar 2.3. itu disebut dengan reverse biased. Hubungan ini memaksa elektron bebas di dalam daerah n berpindah dari junction ke arah terminal positif sumber, sedangkan hole di dalam daerah p juga bergerak menjauhi junction ke arah terminal negatif. Gerakan ini akan membuat lapisan pengosongan semakin besar sehingga beda potensialnya mendekati harga sumber tegangan. Namun pada situasi ini, masih terdapat arus kecil, arus pembawa minoritas, atau disebut arus balik (reverse current), IS. Disamping itu juga terdapat arus bocor permukaan, ISL. Jika keadaan ini terus berlanjut, akan tercapai titik pendobrakan, yang disebut dengan breakdown voltage. Jika sebuah dioda dihubungkan dengan sumber tegangan Vin, dimana tegangan Vin dapat diubah-ubah besarnya, maka akan didapat tegangan (Vd) dan arus (Id) pada dioda yang berbeda-beda pula. Dengan menghubungkan titik-titik tegangan dan arus dioda (Begitu halnya jika jika dibalik tegangan panjarnya), maka akan didapat grafik dioda seperti pada Gambar 2.4. Gambar ini menjelaskan karakteristik dioda, yaitu sebagai komponen non-linear. Bila diberikan forward biased dioda menjadi sangat tidak konduk sebelum tegangannya melampaui potensial barier, sehingga arusnya sangat kecil sekali.
Gambar 2.4. Karakteristik diode. Ketika tegangannya mendekali potensial barier, pasangan elektron-hole mulai melintasi junction. Di atas 0,7 volt, biasa disebut tegangan lutut (knee voltage), Vg, atau tegangan offset, dioda menjadi sangat konduk dan mengalirkan arus yang besar. Semakin besar tegangannya, arus bertambah dengan sangat cepat pula. Hal ini menunjukkan, bahwa dioda memiliki tahanan tertentu, disebut tahanan bulk (bulk resistance). Sebaliknya, pada saat dioda direverse biased, terdapat arus balik yang sangat kecil. Jika tegangan ini ditambah, akan dicapai tegangan breakdown, dimana terjadi peningkatan arus yang sangat besar, yang dapat merusakkan dioda. Sehingga diperlukan kehati-hatian untuk memberikan tegangan dioda, jangan sampai jatuh ke daerah breakdown. Fotodioda 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 violet sampai dengan sinar-X. Pada Gambar 2.7 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 ditumbuhkan bisanya memiliki ketebalan 1 µm atau lebih kecil lagi dan pada daerah persambungan lapisan-p dan lapisan-n tedapat daerah deplesi. Daerah spektral dan frekuensi aktif
5
dari fotodioda bergantung pada ketebalan lapisan atau doping [12]. 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 2.5 menunjukkan keadaan fotodioda persambungan p-n, 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 negatif pada lapisan-n. Jika lapisan-p dan lapisan-n dihubungkan dengan rangkaian luar, elektron akan mengalir dari lapisan-n dan hole akan mengalir dari lapisan-p [12].
Gambar 2.5. Penampang melintang Fotodioda.[12]
Gambar
2.6. Keadaan fotodioda persambungan p-n. [12]
Gambar 2.7. Alat XRD X-Ray Diffraction XRD atau X-Ray Diffraction merupakan salah satu alat yang digunakan untuk mengidentifikasi fasa kristalin dalam material dengan cara menentukan parameter struktur kisi serta untuk mendapatkan ukuran partikel. Disamping itu, sinar X dapat juga digunakan untuk menghasilkan pola difraksi tertentu yang dapat digunakan dalam analisis kualitatif dan kuantitatif material. Pada saat material dikenai sinar X, maka intensitas sinar yang ditransmisikan lebih rendah dari intensitas sinar datang. Hal ini disebabkan adanya penyerapan oleh material dan juga penghamburan oleh atomatom dalam material tersebut.Berkas sinar X yang dihamburkan tersebut ada yang saling menghilangkan karena fasanya berbeda dan ada juga yang saling menguatkan karena fasanya sama. Berkas sinar X yang saling menguatkan itulah yang disebut sebagai berkas difraksi[13]. Sinar X dihasilkan dari tumbukan antara elektron kecepatan tinggi dengan logam target. Dari prinsip dasar, maka dibuatlah berbagai jenis alat. Konduktivitas Listrik Material alami maupun buatan yang terdapat di alam dapat diklasifisikan menjadi tiga yaitu konduktor, isolator dan semikonduktor. Nilai dari konduktivitas listrik ketiga material tersebut berbeda seperti pada Gambar 2.8. yang menunjukkan spektrum konduktivitas listrik. Material semikonduktor sendiri mempunyai nilai konduktivitas pada selang antara (10-8 –103)S/cm. Resistansi suatu material bergantung pada panjang, luas penampang lintang, tipe material dan temperatur. Pada material ohmik resistansinya tidak bergantung pada arus dan hubungan empiris ini disebut dengan hukum Ohm yang dinyatakan dengan persamaan (2.1):
6
Gambar 2.8. Spektrum konduktivitas listrik dan resistivitas V = IR
(2.1)
Untuk material nonohmik, arus tidak sebanding dengan tegangan. Resistansinya bergantung pada arus, didefinisikan dengan persamaan (2.2) : (2.2) Kurva hubungan arus dan tegangan pada material Ohmik adalah linear sedangkan material nonohmik kurva hubungannya tidak linear. Resistansi suatu kawat penghantar sebanding dengan panjang kawat dan berbanding terbalik dengan luas penampang lintang seperti dilihat pada persamaan (2.3) : (2.3) Dimana ρ disebut resistivitas material penghantar. Satuan resistivitas adalah ohm meter (Ωm). Kebalikan dari resistivitas disebut konduktivitas . Adapun nilai konduktivitas suatu material bergantung dari sifat material tersebut.. Konduktivitas listrik adalah kemampuan suatu bahan untuk menghantarkan arus listrik. Persamaan (2.4)dan (2.5) berikut merupakan rumus konduktivitas listrik: (2.4)
dipreparasi dengan coating pada kecepatan putar tertentu biasanya digunakan kecepatan putar 3000 rpm[14]. Spin coating adalah cara yang mudah dan efektif dalam pelapisan film tipis diatas substrat datar. Spin Coating pelapisan bahan dengan cara menyebarkan larutan keatas substrat kemudian diputar dengan kecepatan konstan untuk memperoleh lapisan baru yang homogen. Spin Coating melibatkan akselerasi dari genangan cairan diatas substrat yang berputar. Material pelapis dideposisi di tengah substrat. Ilmu fisika yang melatarbelakanginya melibatkan keseimbangan antara gaya sentrifugal yang diatur oleh kecepatan putar dan viskositas[15]. Beberapa parameter yang terlibat dalam coating adalah: a. Viskositas larutan b. Kandungan padatan c. Kecepatan angular d. Waktu putar Pada Gambar 2.9. diperlihatkan contoh dari alat Spin Coating yang digunakan. Proses pembentukan film dipengaruhi oleh dua parameter bebas yaitu kecepatan putar dan viskositas. Rentang ketebalan film yang dihasilkan oleh spin coating adalah 1-200µm[15]. Untuk film yang lebih tebal dibutuhkan material berviskositas tinggi, kecepatan putar yang lebih rendah dan waktu putar yang lebih pendek. Dalam prakteknya, Spin Coating memiliki beberapa kelebihan, yaitu : a. Ketebalan lapisan dapat diatur b. Biaya relatif murah c. Mudah dalam pembuatan d. Menggunakan material dan peralatan yang sederhana
(2.5)
Metode Chemical Solution Deposition (CSD) Metode Chemical Solution Deposition (CSD) merupakan cara pembuatan film dengan pendeposisian larutan bahan kimia di atas substrat, yang
Gambar 2.9. Simple Variable Spin Coat[15]
7
Metode Volumetrik Metode ini dapat dipakai dengan tepat jika film tipis yang ditumbuhkan diatas substrat terdeposisi secara merata. Metode ini dilakukan dengan cara menimbang massa substrat sebelum dilapisi film tipis dan menimbang substrat setelah diannealing dan terdapat film tipis di atasnya, sehingga akan didapatkan massa film tipis yang terdeposisi pada permukaan substrat. Ketebalan film tipis dari metode ini menggunakan rumus (2.6) : (2.6) keterangan : = Massa substrat sebelum ditumbuhkan film tipis = Massa substrat setelah diannealing dan terdapat film tipis diatasnya A = Luas permukaan film tipis yang terdeposisi pada permukaan substrat = Massa jenis film tipis yang terdeposisi Kapasitor dan Konstanta Dielektrik Kapasitor adalah piranti yang berfungsi untuk menyimpan muatan dan energi listrik. Kapasitor terdiri dari dua konduktor yang berdekatan tetapi terisolasi satu dengan lainnya dan membawa muatan yang sama besar namun berlawanan. Struktur sebuah kapasitor terbuat dari dua buah plat metal yang dipisahkan oleh suatu bahan dielektrik seperti terlihat pada Gambar 2.11. Bahan-bahan dielektrik yang umum dikenal misalnya udara, vakum, keramik, gelas dan lain-lain. Jika kedua ujung plat metal diberi tegangan listrik, maka muatan-muatan positif akan mengumpul pada salah satu kaki (elektroda) metalnya dan pada saat yang sama muatanmuatan negatif terkumpul pada ujung metal yang satu lagi. Muatan positif tidak dapat mengalir menuju ujung kutup negatif dan sebaliknya muatan negatif tidak bisa menuju ke ujung kutup positif, karena terpisah oleh bahan dielektrik yang nonkonduktif. Muatan elektrik ini "tersimpan" selama tidak ada konduksi pada ujung-ujung kakinya. Di alam bebas, fenomena kapasitor ini terjadi pada saat terkumpulnya muatanmuatan positif dan negatif di awan [16].
Gambar 2.10. Rangkaian penentu konstanta dielektrik film tipis [17] Kemampuan material untuk polarisasi dinyatakan sebagai permisivitas (ε), dan permitivitas relative (κ) adalah rasio antara permitivitas material (ε) dengan permitivitas vakum (ε0). Nilai konstanta dielektrik merupakan gambaran dimana material tersebut dapat menyimpan muatan listrik seiring dengan salah satu fungsi kapasitor sebagai penyimpan muatan [17]. Contoh perhitungan konstanta dielektrik dapat dilakukan dengan persamaan (2.7) sebagai berikut : (2.7) Nilai maksimum dterlihat pada persamaan (2.8) dan (2.9) yaitu terjadi pada saat : ,
(2.8) (2.9)
Sehingga didapat hubungan melalui persamaan (2.10) dan (2.11) yaitu: t = RC atau (2.10)
Gambar 2.11. Kapasitor Keping
Sejajar
8
Dari hubungan
(2.11)
keterangan : εo = permitivitas relative dalam ruang hampa = 8.85 x 10-12 C2/N m2 A = luas kontak aluminium d = ketebalan film tipis sehingga didapatkan konstanta dielektrik film tipis seperti pada persamaan (2.12) : (2.12) Time Constant Time konstan atau yang biasa disebut sebagai konstanta waktu merupakan waktu yang dibutuhkan muatan untuk berkurang menjadi 1/e dari nilai awalnya yang biasanya disimbolkan dengan τ dan dirumuskan sebagai τ = RC [18]. Pada kapasitor, muatan disimpan dalam material dielektrik yang mudah terpolarisasi dan mempunyai tahanan litrik yang tinggi sekitar 1011 ohm untuk mencegah aliran muatan di antara pelat kapasitor. Kapasitor dapat digunakan untuk pengisian dan pengosongan muatan. Proses pengisian muatan pada kapasitor dapat Kita asumsikan mula-mula kapasitor tidak bermuatan. Saklar, terbuka pada awalnya, ditutup pada saat t = 0. Muatan mulai mengalir melalui resistor dan menuju plat positif kapasitor. Jika muatan pada kapasitor pada beberapa saat adalah Q dan arus rangkaian adalah I, aturan simpal kirchoff memberikan hubungan : atau
sama dengan nol.Persamaan (2.16) diubah menjadi bentuk persamaan : RCdQ/dt=Cε-Q (2.17) Lalu pisahkan variable-variabel Q dan t dengan mengalikan tiap sisi dengan dt/RC dan membaginya dengan Cε – Q seperti persamaan : (2.18) Dengan mengintegralkan tiap sisi diperoleh persamaan : -ln (Cε-Q)= t/RC+ A (2.19) Dimana A adalah konstanta sembarang dengan mengeksponensialkan persamaan (2.19) didapat persamaan : (2.20) Dimana B = eA adalah konstanta lainnya. Nilai B ditentukan oleh kondisi awal Q = 0 pada t = 0, dengan membuat t = 0 dan Q = 0 dalam persamaan (2.20) memberikan persamaan yaitu : 0 = Cε – B (2.21) atau B = Cε (2.22) Dengan mensubstitusikan persamaan (2.20) ke persamaan (2.22) maka didapatkan persamaan yaitu : (2.23) Dimana Qf = Cε adalah muatan akhir. Arus diperoleh dengan mendifferensialkan persamaan (2.23) sehingga didapatkan persamaan : (2.24) atau
Dalam rangkaian ini, arus sama dengan laju di mana muatan pada kapasitor meningkat seperti pada persamaan : (2.15)
)=
(2.25)
dimana τ = konstanta waktu BAHAN DAN METODE
Substitusikan persaman (2.15) ke (2.14) sehinggadidapatkan persamaan : (2.16) Pada saat t=0, muatan pada kapasitor nol dan arusnya I0 = ε/R. Muatan lalu bertambah dan arus berkurang, seperti tampak pada persamaan (2.16). Muatan mencapai maksimum Qf = Cε ketika arus I
Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian dilakukan di Laboratorium Material, Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor dari bulan Desember 2009 sampai dengan bulan Juni 2010.
