SISTEM ELEKTROMETER BERBASIS MIKROKONTROLER UNTUK KARAKTERISASI ARUS TEROBOSAN PADA MOSFET TESIS

13 

Teks penuh

(1)

SISTEM ELEKTROMETER BERBASIS MIKROKONTROLER

UNTUK KARAKTERISASI ARUS TEROBOSAN PADA MOSFET

TESIS

Karya tulis sebagai salah satu syarat Untuk memperoleh gelar Magister dari

Institut Teknologi Bandung

Oleh

MUHAMMAD MIFTAHUL MUNIR

NIM: 20203018

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

(2)

SISTEM ELEKTROMETER BERBASIS MIKROKONTROLER

UNTUK KARAKTERISASI ARUS TEROBOSAN PADA MOSFET

Oleh

Muhammad Miftahul Munir

NIM: 20203018

Menyetujui Pembimbing

(3)

ABSTRAK

SISTEM ELEKTROMETER BERBASIS MIKROKONTROLER UNTUK KARAKTERISASI ARUS TEROBOSAN PADA MOSFET

Oleh

Muhammad Miftahul Munir NIM: 20203018

(4)

ii

ABSTRACT

MICROCONTROLLER BASED ELECTROMETER SYSTEM FOR CHARACTERIZING TUNNELING CURRENT IN MOSFET

By

Muhammad Miftahul Munir NIM: 20203018

(5)

PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS

Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya.

Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung.

(6)

iv

KATA PENGANTAR

Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, karena dengan kuasa, kehendak serta karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan tesis ini.

Tesis ini ditulis sebagai persyaratan kelulusan program Magister pada Departemen Fisika Institut Teknologi Bandung dan merupakan laporan atas diselesaikannya penelitian dengan judul “Sistem Elektrometer Berbasis Mikrokontroler untuk Karakterisasi Arus Terobosan pada MOSFET”.

Penulis menyadari bahwa dalam penulisan tesis ini masih banyak terdapat kekurangan. Oleh karena itu saran dan kritik yang membangun akan penulis terima dengan senang hati. Akhir kata penulis berharap agar tesis ini bermanfaat, khususnya bagi penulis maupun pihak-pihak yang berkepentingan.

Bandung, Juni 2005

(7)

UCAPAN TERIMA KASIH

Dengan mengucap puji dan syukur ke hadirat Allah Yang Maha Agung, tidak lupa penulis juga mengucapkan terima kasih kepada pihak-pihak yang membantu terselesaikannya tesis ini :

x Bapak Dr. Eng. Khairurrijal, M.Si., selaku dosen pembimbing yang senantiasa

mengarahkan, memotivasi dan membimbing selama penulis menyelesaikan S1 dan S2, serta atas segala bantuannya yang sangat banyak baik materi maupun non materi. Mudah-mudahan Allah SWT memberikan balasan yang berlipat ganda, memberikan rahmat dan keberkahan kepada beliau dan keluargnya.

x Bapak Dr. Sukirno, atas motivasi, pengajaran-pengajarannya, bantuan, serta kesediannya

menjadi dosen penguji.

x Bapak Dr. Abdul Waris selaku dosen penguji dan atas ilmu-ilmu yang telah disampaikannya.

x Bapak Dr. Ing. Mitra Djamal, Bapak Dr. Zaki Su’ud, Bapak Dr. Maman Budiman beserta seluruh staf pengajar Departemen Fisika khususnya yang tergabung dalam KBK instrumentasi.

x Institut Teknologi Bandung atas segala fasilitas dan beasiswa voucher yang diberikan

sehingga penulis dapat menyelesaikan S2 dengan baik dan lancar.

x Ibu, adik dan saudara-saudara tercinta yang senantiasa tidak henti-hentinya memberi

support, do’a, kasih sayang kepada penyusun sejak kecil.

x Almarhum Ayah, mudah-mudahan diampuni segala dosanya dan diterima disisi-Nya. x Teman-teman Pink House Amrih atas semua bantuannya yang sangat banyak, DSM

teman baik penulis sejak kecil, doni, widi dan rudi.

x Rekan tim ELKAHFI yang sangat berkesan, Asep Suhendi dan Hendrayana Thaha atas

semua bantuannya yang sangat banyak.

x Teman-teman Lab Elka Indra Chandra, Suryadi, Rijal Asshidiqi, Cahyo, Ismadi, Ivan,

Sandi, Aris, Maria, Emil, Rahmat, Arif, Johan, Marshandy dan teman-teman satu lab lainnya.

(8)

vi

x P’Ohin, P’Dadang, P’Yeye, P’Daryat, P’ Dede dan seluruh karyawan Departemen Fisika

ITB.

(9)

DAFTAR ISI

ABSTRAK ··· i

ABSTRACT··· ii

PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS ··· iii

KATA PENGANTAR··· iv

UCAPAN TERIMAKASIH ··· v

DAFTAR ISI ··· vii

DAFTAR GAMBAR ··· ix

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang dan Rumusan Masalah ··· 1

1.1.1 Latar belakang ··· 1

1.1.2 Rumusan masalah ··· 2

1.2 Ruang Lingkup Kajian ··· 3

1.3 Tujuan Penulisan··· 3

1.4 Metodologi Penelitian ··· 3

1.5 Sistematika Pembahasan ··· 3

BAB II TEORI DASAR SISTEM ELEKTROMETER PENGUKUR KARAKTERISTIK ARUS-TEGANGAN 2.1 Elektrometer ··· 6

2.1.1 Dasar penguat logaritkmik ··· 6

2.1.2 Penguat logaritmik dengan pengkompensasi suhu ··· 8

2.1.3 Penguat logaritmik menggunakan dua buah transistor identik ··· 9

2.2 Mikrokontroler··· 11

2.3 ADC (Analog to Digital Converter)··· 11

2.4 Prinsip Kerja DAC (Digital to Analog Converter) ··· 11

(10)

viii

BAB III PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI ELEKTROMETER BERBASIS MIKROKONTROLER

3.1 Perancangan dan Implementasi Perangkat Keras ··· 15

3.1.1 Perancangan dan implementasi elektrometer ··· 16

3.1.2 Error pada penguat logaritmik··· 17

3.1.3 Memperluas range pengukuran arus··· 19

3.1.4 Pemilihan dan implementasi mikrokontroler··· 21

3.1.5 Implementasi sumber tegangan terprogram (programmable voltage source) ··· 22

3.1.6 Implementasi ADC (analog to digital converter) dan pengkondisi sinyal··· 24

3.1.7 Sistem antarmuka··· 25

3.2 Perancangan dan Implementasi Perangkat Lunak ··· 26

BAB IV PENGUJIAN ALAT DAN ANALISIS DATA 4.1 Kalibrasi Sistem Elektrometer ··· 28

4.1.1 Kalibrasi DAC (digital to analog converter)··· 28

4.1.2 Kalibrasi ADC (analog to digital converter)··· 31

4.1.3 Kalibrasi elektrometer ··· 34

4.2 Pengujian Sistem Elektrometer ··· 37

4.2.1 Pengujian DAC (digital to analog converter) ··· 37

4.2.2 Pengujian ADC (analog to digital converter) ··· 38

4.2.3 Pengujian sistem ADC dan DAC ··· 39

4.2.4 Pengujian sistem pengukuran arus dengan elektrometer ··· 40

4.3 Hasil Pengukuran Karakteristik Arus-Tegangan Arus Terobosan pada MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Efect Transistor)···· 42

4.3.1 Karakteristik arus-tegangan arus terobosan pada MOSFET tipe-p··· 44

4.3.2 Karakteristik arus-tegangan arus terobosan pada MOSFET tipe-n··· 45

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ··· 47

5.2 Saran ··· 47

(11)

DAFTAR GAMBAR

Gambar II.1. Diagram blok sistem elektrometer pengukur karakteristik arus-tegangan ···· 5

Gambar II.2. Rangkaian dasar penguat logaritmik ··· 7

Gambar II.3. Rangkaian penguat logaritmik dengan pengkompensasi suhu··· 8

Gambar II.4. Rangkaian penguat logaritmik menggunakan dua buah transistor identik···· 10

Gambar II.5. DAC 4 bit··· 12

Gambar II.6. Diagram struktur dari MOS n+ poly-Si pada kondisi flat-band ··· 13

Gambar II.7. Arus terobosan terukur dan berdasarkan perhitungan menggunakan hubungan dispersi non-parabolicE-k ··· 14

Gambar III.1. Diagram blok sistem elektrometer berbasis mikrokontroler··· 16

Gambar III.2. Rangkaian penguat logaritmik dalam LOG112 ··· 17

Gambar III.3. Persen error terhadap keluaran skala penuh dalam range pengukuran 5 dekade··· 19

Gambar III.4 Persen error terhadap keluaran skala penuh dalam range pengukuran 7,5 dekade ··· 19

Gambar III.5. Rangkaian pembagi arus untuk memperluas daerah pengukuran ··· 20

Gambar III.6. Arsitektur mikrokontroler C8051F006 ··· 22

Gambar III.7. Diagram blok DAC 12 bit dalam mikrokontroler C8051F006 ··· 23

Gambar III.8. Rangkaian pengali (multiplier) dan penyangga ( buffer) ··· 24

Gambar III.9. Diagram blok ADC 12 bit dalam mikrokontroler C8051F006 ··· 24

Gambar III.10. Rangkaian pengkondisi sinyal yang menghubungkan elektrometer dan ADC··· 25

Gambar III.11. Diagram alir program mikrokontroler ··· 26

Gambar III.12. Diagram alir program komputer··· 27

Gambar IV.1. Diagram blok proses kalibrasi DAC ··· 28

Gambar IV.2. Grafik fungsi transfer konversi digital ke analog pada kalibrasi DAC ··· 29

Gambar IV.3. Grafik selisih antara fungsi transfer ideal dengan fungsi transfer terukur pada kalibrasi DAC··· 30

Gambar IV.4. Grafik koreksi fungsi transfer DAC ··· 31

(12)

x

Gambar IV.6. Grafik fungsi transfer konversi analog ke digital pada kalibrasi ADC ··· 32

Gambar IV.7. Grafik selisih antara fungsi transfer ideal dengan fungsi transfer terukur pada kalibrasi ADC··· 33

Gambar IV.8. Grafik koreksi fungsi transfer ADC ··· 33

Gambar IV.9. Diagram blok proses kalibrasi elektrometer untuk arus 10 ȝA sampai dengan 3,5 mA··· 34

Gambar IV.10. Diagram blok proses kalibrasi elektrometer untuk arus 100 pA sampai dengan 10 ȝA··· 35

Gambar IV.11. Grafik fungsi transfer konversi digital ke analog pada kalibrasi elektrometer ··· 35

Gambar IV.12. Grafik selisih antara fungsi transfer ideal dengan fungsi transfer terukur pada kalibrasi elektrometer ··· 36

Gambar IV.13. Grafik koreksi fungsi transfer elektrometer··· 37

Gambar IV.14. Grafik kesalahan pengukuran DAC ··· 38

Gambar IV.15. Grafik kesalahan pengukuran ADC ··· 38

Gambar IV.16. Digram blok proses pengujian sistem DAC dan ADC ··· 39

Gambar IV.17. Grafik kesalahan total pengukuran sistem DAC dan ADC··· 40

Gambar IV.18. Diagram blok proses pengujian sistem pengukuran arus dengan elektrometer ··· 40

Gambar IV.19. Grafik kesalahan sistem pengukuran arus untuk range pengukuran 7,5 dekade ··· 41

Gambar IV.20. Grafik kesalahan sistem pengukuran arus untuk range pengukuran 5 dekade··· 42

Gambar IV.21. Grafik konfigurasi pengukuran karakteristik arus-tegangan arus terobosan pada MOSFET tipe-p panjar maju dan MOSFET tipe-n panjar mundur ··· 43

Gambar IV.22. Grafik konfigurasi pengukuran karakteristik arus-tegangan arus terobosan pada MOSFET tipe-p panjar mundur dan MOSFET tipe-n panjar maju ··· 44

Gambar IV.23. Grafik arus-tegangan arus terobosan pada MOSFET tipe BS250 panjar maju ··· 45

(13)

Gambar IV.25. Grafik arus-tegangan arus terobosan pada MOSFET tipe BS170 panjar

maju ··· 46 Gambar IV.26. Grafik arus-tegangan arus terobosan pada MOSFET tipe BS170 panjar

Figur

Memperbarui...

Referensi

Memperbarui...

Related subjects : arus terobosan