PEMBUATAN DIODA DARI BA
TUMBUHKAN MELALUI METODE P
HAN LAPIS TIPIS CdTe YANG
DI
ENGUAPAN (
VACUUM DEPOSITION)
Ahmad Mulia Rambe
Abstrak: Telah dilakukan pembuatan Dioda Schottky yang berstruktur kontak logam-semikonduktor. Bahan
yang digunakan sebagai substrat adalah grafit. Semikonduktor yang digunakan sebagai source adalah CdTe. Dan sebagai dopant adalah logam In dan Al sedangkan sebagai kontak pembentukan dioda digunakan Al. Alat yang digunakan untuk menumbuhkan lapisan tipis semikonduktor CdTe dan penguapan logam In dan Al adalah
vacuum tinggi Edward coating System E306 A yang kevakumannya dapat mencapai sekitar 10-5Torr.
Karakteristik deviasi yang dipabrikasi dilakukan dengan pengukuran arus tegangan (I-V) dan pengukuran kapasitansi tegangan (C-V). Dari pengukuran arus- tegangan (I-V) diperoleh harga arus nstursdi (Is) sebesar 4.73 x 10-5A, harga ketinggian penghalang (φ
BN) adalah 0,91eV, faktor idealitas dioda jauh lebih besar dari
harga ideal yaitu n > 20. Dari pengukuran kapasitansi tegangan (C-V) diperoleh harga tegangan difusi (Vbi) adalah 0,89V, harga konsentrasi donor (ND) adalah 2.82 x 1016cm-3, dan harga ketebalan lapisan deplesi (W)
adalah 0,18μm.
PENDAHULUAN
Perkembangan elektronika saat ini maju sangat pesat dan menjadi tulang punggung dalam dunia modernisasi. Kemajuan yang sangat cepat terjadi setelah ditemukannya komponen semikonduktor (zat padat) yang memberikan banyak sifat-sifat listrik yang unik yang hampir dapat memecahkan semua persoalan elektronika. Dengan ditemukannya semikonduktor maka komponen menjadi sangat ringan, sangat kompak, dan persatuan luas mempunyai kepadatan rangkaian yang sangat tinggi, misalnya pada rangkaian terpadu (IC) yang terdapat dalam perangkat komputer.
Pada saat ini telah dikenal banyak semikonduktor, diantaranya adalah Silikon, Germanium, GaAs, CdS, CdTe, dan lain sebagainya. Cadmium Telluride (CdTe) merupakan suatu semikonduktor paduan (compound semiconcutor) dari golongan IIB (Cd) dan VIA (Te) dalam tabel unsur-unsur periodik yang menurut teori dapat dibuat dalam bentuk konduktivitas tipe-n dan tipe-p. Semikonduktor CdTe mempunyai sejumlah besar penggunaan dalam alat optoelektronika, foto detektor, laser CO2 daya tinggi dan solar sell.
Dalam penelitian ini semikonduktor yang digunakan adalah CdTe. Hal ini karena penggunaan CdTe lebih menguntungkan dibandingkan bahan semikonduktor lainnya. Dan juga biaya memproduksi lapisan tipis CdTe jauh lebih murah CdTe mempunyai harga celah energi yang cukup ideal, dan juga mempunyai koefisien absorbsi yang tinggi sehingga sangat tepat bila digunakan sebagai bahan untuk solar sell. Pembuatan dioda dari lapisan tipis CdTe yang berstruktur
loga-semikonduktor, kontak logam-semikonduktor adalah merupakan divais yang memiliki satu jenis pembawa dominan yang terjadi dalam proses konduksi.
Dalam teknologi pembuatan lapisan tipis semikonduktor dikenal berbagai metode penumbuhan antara lain: metode Chemical Vapour Deposition (CVD), metode Penguapan (Vacuum Deposition), metode Plasma Deposition, metode Molecular Beam Epitaxy (MBE), dan lain sebagainya.
METODOLOGI PENELITIAN
Metodologi ini menjelaskan prosedur penelitian yang dilakukan secara bertahap yang dimulai dari pemotongan substrat, pemolesan substrat, pembersihan/pengeringan substrat, pembuatan masker holder (tempat dudukan substrat), pembuatan masker pembentuk dioda, proses penguapan, dan diakhiri dengan karakterisasi dioda yang terbentuk, yaitu karakterisasi C – V.
HASIL PENGUKURAN DAN ANALISIS
Dari semua cuplikan yang dihasilkan, hanya dua cuplikan yang memenuhi sebagai sebuah dioda, yaitu cuplikan I dan cuplikan II yang terdiri dari 3 buah dioda dengan masing-masing diameter dioda 3 mm, 2 mm, dan 1 mm. Pada tabel 1 ditampilkan hasil cuplikan I dan cuplikan II, sedangkan hasil dari cuplikan lainnya ditampilkan pada lembar lampiran.
Tabel 1. Dioda hasil dari cuplikan I dan cuplikan II
Tahap Nama Dopant Pemb. dioda Temperatur Lama Perlakuan Ket
(menit) I I – DALING - 1 I – DALING - 2 I – DALING - 3 I – DALING - 4 100 200 250 120 120 30 10 ya x ya x In A1 150 II II – DALING - 1 400 60 x II – DALING - 2 II – DALING – 3 II – DALING - 4 A1 A1 450 400 - 31 10 - ya x x Keterangan Tabel : ya = karakteristik dapat diukur
x = karakteristik belum dapat diukur
I. Pengukuran Arus-Tegangan (I – V) Dioda Schottky
Pengukuran arus-tegangan (I – V) Dioda Schottky pada
Tabel 1. Data hasil pengukuran arus-tegangan (I-V) dengan diameter 3 mm
temperatur kamar dilakukan untuk encari arus saturasi pada bias balik (reserve turation current, I0), harga ketinggian penghalang
rrier height, φBn), dan faktor keidealan dioda
tor, n). at bahwa kurva akteri daerah mikon V (volt) I (mA) m 5.0 75.30 sa 4.5 35.30 (ba
(Diode’s ideality fac
Data dari hasil pengukuran arus-tegangan untuk dioda I-DAILING-1 diameter 3 mm dapat dilihat pada Tabel 2, sedangkan data untuk dioda yang lain masing-masing diameter 3 mm, 2 mm, dan 1 mm dapat dilihat pada lembar lampiran.
Dengan menggunakan hasil pengukuran pada Tabel 2, maka dapat dibuat kurva I-V. Dari kurva tersebut dapat ditentukan besar arus saturasi I0.
I0 didapat dengan mengektrapolasi kurva antara In I
dengan V pada V = 0 sehingga sesuai dengan rumus I = I0 pada V = 0.
Pada Gambar 1 dapat dilih
kar stik I-V dioda Schottky hampir sesuai
dengan teori pada karakteristik dioda Schottky. Bila dioda Schottky diberi bias maju, hampir tidak ada arus mengalir sampai tegangan 0,5 volt, lewat harga ini, arus naik dengan cepat. Untuk harga V yang kecil harga arus hampir nol, ini disebabkan perkalian n dan p dalam CdTe kecil sehingga kadar pembawa minoritas sangat kecil. Akibatnya aras-aras tak murnian di daerah logam belum terisi penuh. Aras-aras ini berfungsi sebagai penangkap elektron. Jadi setelah elektron-elektron menyeberang dari
se duktor tipe – n ke logam, segera terjadi
penangkapan dan tidak ada lagi elektron-elektron bebas untuk membawa arus. Aras-aras tersebut hanya menjadi terisi penuh bila jumlah elektron di pita konduksi daerah logam cukup banyak, dan ini akan terjadi pada harga V sekitar 0,6 volt. Baru pada harga tegangan ini ada persediaan elektron untuk hantaran. 4.0 15.20 3.5 5.80 3.0 3.20 2.5 2.20 2.0 1.80 1.5 0.60 1.0 0.10 0.5 0.00 -0.0 0.00 -0.5 0.00 -1.0 0.00 -1.5 0.00 -2.0 0.00 -2.5 0.00 -3.0 0.00 -3.5 0.00 -4.0 0.00 -4.5 0.00 -5.0 0.00 Dari Tabel 1. dapat dilihat bahwa dioda Schottky yang dhasilkan belumlah dioda ideal, karena terlihat dari gambar besar arus baru sebesar 1,8 mA pada tegangan 2 volt, yang diperkirakan diakibatkan oleh besarnya hambatan seri dioda tersebut. Sehingga
arga n juga jauh lebih besar dari harga ideal n-1. h
elain hal itu yang menyebabkan harga n sangat esar, antara lain adalah adanya lapisan oksida ipermukaan sampel.
Sebagai contoh untuk dioda I – DALING-1 engan diameter 3 mm, harga n dapat diperoleh sebagai berikut:
S b d d
Dari Gambar 2 dapat dilihat persamaan garis kurva I – V yaitu:
In I = 1,466 V – 9,9594
jika V ka ,9594, maka 94
jadi diperoleh harga
I = I0 4,7
Perhitungan di atas adalah untuk dioda I=DALING-1
dengan diameter untuk dioda yang
lain m ng-mas a I0 dapat dilihat
pada Tabel 4.3. gan m sebuah
dioda yang ada d ipe 1N4006 juga
telah diukur di m a arus saturasi I0
9,70 x 10-4 A. Dan secara jelas dapat dilihat pada
u ada tegangan 2 volt besa
mpere. Sedangkan pada dioda Schottly lapisan tipis T
Sehingga dengan jelas dapat dilihat dari gambar rva k
In
= 0 ma ln I = -9 I = e-9,95
3 x 10 A. -5
3 mm sedangkan
asi ing diameter, harg
Sebagai perbandin aka
i pasaran dengan t ana diperoleh harg =
lampiran 13, bahwa unt k dioda 1N4006 terlihat
p r arus adalah sebesar 2,36
a
Cd e ini pada tegangan 2 volt besar arus 1,80 mA.
ku atrakteristiknya, di mana untuk dioda 1
N4006 arus naik dengan cepat mulai tegangan 1 volt sedangkan pada dioda Schottky lapisan tipis CdTe yang dibuat baru pada tegangan 5 volt arus naik dengan cepat.
Tabel 3. Harga arus saturasi untuk masing-masing dioda
Dioda Diameter (mm) I0 (A)
I- NG-1 3 2 1 4,73x10-5 2,88x10-5 1,33x10-5 DALI I-DALING-3 3 2 5,29x10-5 4,47x10-6 -7 1 8,32x10 II-DALING-2 3 2 1 1,60 x10-5 1,80x10-6 1,84x10-9
Untuk mencari harga faktor keidealan dioda (n) maka dipakai cara sebagai berikut. Untuk dioda I-DALING-1 diameter 3 mm pada harga V = 5 volt diperoleh
I = 75, 30 10-3 A
Maka persamaan ditulis: In (I/I0) = (qV/nkT)
In (75,30x10-3/4,73 x 10-5) = {n (1,38 x 10-23) (300 K)) }
In 4706,25 = { (8,01 x 10-19)/(414 x 10-23n)}
(8,46) (n) (414 x 10-23) = 8,01 x 10-19
n = { (8,01 x 10-19)/(3501,05 x 10-23)}
n = 22, 85
Untuk dioda 1N4006 diperoleh harga n ang sangat ideal yaitu 1,01. Sedangkan harga n ntuk dioda yang lain dapat dilihat pada Tabel 4. ari sini jelas bahwa dioda yang dibuat ini masih uh dari kesempurnaan khususnya untuk
menurunkan harga resistansi yang besar di mana hal ini terutama disebabkan oleh adanya lapisan oksida
lapisan dioda.
el 4 tuk diper dari
perhitun y u D ja pada
Tab harga n un dioda yang oleh
gan
Dioda Diameter (mm) N
I-DAL 1 3 2 1 22 5 28 29 ING- ,85 ,71 ,01 I-DAL G-3 3 2 1 30 25,26 34,60 IN ,18 II-DALING-2 3 2 39,42 34,36 1 16,68 D
dari harga n yang diperoleh untuk semua dioda yang sangatlah jauh ga n yang ideal
y Dioda yang d n hanya dapat
d akan untuk divais de aya tinggi (high
p diode).
Dari harga I0 dapa ung ketinggian
penghalang (φBn). dapat dic inggian penghalang
( er height, φBn) yaitu: φ (kT/q) In {(A* T2)/I 0} φ {(1,38 x 10-23) (300 10-19} In {(1,2 x 106) (300)2/(4,73 x10 φ 0,0258 In 2,2832 x 1 φ 0,91 eV
Perhitungan di atas adalah untuk dioda
I-D G-1 diameter 3 mm s n untuk dioda yang
lain dapat dilihat pada Tabel 3.5. Dari pengukuran
t p dioda 1N4006
Tabel 5 Nilai ketinggian pe ang yang diperoleh dari perhitungan
ihasilkan
aitu 1. dari harihasilka
igun ngan d ower t juga ari ket dihit barri Bn = Bn = )/1,6 x -5)} Bn = 015 eV Bn = ALIN edangka erhada nghal
Dioda Diameter (mm) φBn
I-DALING-1 3 2 1 0,91 0,92 0,94 I-DALING-3 3 2 1 0,91 0,96 1,01 II-DALING-2 3 2 1 0,94 1,00 1,17
tegangan dilakukan tr
arga tegangan difusi (built-in
voltage, aerah deplesi (region
depletion
ahwa perpotongan antara kurva a diinterpolasikan, menunjukkan harga tegangan difusi (Vbi).
Misalnya ALING-1
d 3 mm akan te gan difusi
0 ntu yang lain dapat dilihat
pada Tabel 6.
oda Schottky
Pengukuran Kapasitansi-Tegangan (C – V) Dioda Schottky
Pengukuran
kapasitansi-untuk mencari besarnya konsen asi donor (donor concentration, ND), h
Vbi), dan lebar d
width, W).
Hasil pengukuran kapasitansi-tegangan untuk dioda I-DALING-1 dengan diameter 3 mm dapat dilihat pada Tabel 4.6, sedangkan data untuk dioda yang lain dapat dilihat pada lembar lampiran.
Dengan menggunakan data dari Tabel 4.6 dapat dibuat kurva hubungan antara 1/C2 dengan V,
Tabel 6. Data hasil pengukuran Kapasitansi-Tegangan di
seperti yang diperlihatkan pada Gambar 3.3 untuk dioda I-DALING-1 diameter 3 mm. Dari kurva 1/C2
dengan V terlihat b
dengan sumbu tegangan (V) terlihat bahwa perpotongan antara kurva dengan sumbu tegangan (V) jika kurv
untuk dioda diperoleh harga ganI-D iameter
,89 volt dan u k dioda
V (Volt) C (nF) 5.0 1.2893 4.5 1.3317 4.0 1.3909 3.5 1.4755 3.0 1.5962 2.5 1.7381 V (volt) 1/C x 102 18 2.0 1.8731 5.0 0.602 1.5 1.9862 4.5 0.564 1.0 2.0758 4.0 0.517 0.5 2.1460 3.5 0.459 0.0 2.197 6 3.0 0.392 -0.5 2.2050 2.5 0.331 -1.0 2.3421 2.0 0.285 -1.5 2.4750 1 5 . 0.253 -2.0 2.2050 1.0 0.232 -2.5 2.1909 0.5 0.217 -3.0 2.1422 0.0 0.207 -3.5 2.0860 -4.0 1.9236 - 4.5 1.7562 -5.0 1.5223 Sedangkan untuk dioda 1N4006 diperoleh harga tegangan
g-difusi Vbi 0,75 volt.
Tabel 7 Harga tegangan difusi untuk masin masing dioda
Dioda Diameter (mm) V (volt) bi
I-DALING-1 3 0,89 0,92 2 1 0,95 I-DALING-3 3 3,36 3,52 2 1 3,09 II-DALING-2 3 2 1 8,35 16,19 33,51
Secara teor ioda yang baik
(mempunyai tahanan seri yang renda gga
d ), tin nghalang seh a tidak
akan berbeda lebih d beberapa elektr ngan
nilai tegangan difusi, laupun tidak pe ma, hal
i kti da 1N400 mana
diperoleh harga te gan difusi yan ding
dengan tinggi peng ng. Sedangkan dioda
y m h jauh dari k n
khususnya untuk di -DALING-3 rutama
sekali untuk dioda I ALING-2 di ma peroleh
ga tahanan seri dari dioda tersebut. Hal lain yang enyebabkan kurva 1/C2 – V terjadi penyimpangan
dalah konsentrasi doping yang belum merata pada i bahwa untuk d
h sehin
apat diabaikan ggi pe arusny
ari o volt de
ka rsis sa
ni juga terbu dari dio 6 di
gan g seban
hala untuk
ang dihasilkan asi esempurnaa
oda I dan te
I-D na di
har m a
semikonduktor dan adanya celah (ruang kosong) di dalam lapisan tipis tersebut.
Selanjutnya lebar lapisan deplesi (W) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
W =
(
2
ε
s/
q
N
D)( )
V
biS an untuk mencari harga konsentrasi donor
(ND) dapat diperoleh dengan mengambil slope kurva
1/C2 dengan V, sbb : edangk ND = 2/(εs q ND = 2/{(9, 10 02 x 10 9) (0.104 018) (49,91 ND = 2,82 x cm-3
Dalam Tabel erlihat harg uk
masing-masing dioda. uk dio 06 diperoleh
harga konsentr mbawa adalah 6,59 x 1010 cm .
Tabel 8. Har ari ND u asing-mas g dioda
Slope = 2/(εs q ND A2)
Untuk dioda 1 – DALING –1 dengan diameter 3 mm
18
diperoleh harga slope (S) adalah 0,1045 x 10 (1/F2.V), sehingga N D dapat dihitung. SA2) 8.85 x 6) ( 5 x 1 -14) (1.6 x10-4) -1 1016 3.8. t a ND unt Dan unt da 1N40 asi pe -3 ga d ntuk m in Dioda Diameter (mm) ND(cm-3) I-DALING-1 82 x 1016 14 x 1016 95 x 1016 3 2 1 2, 1, 1, I-DALING-3 91 x 1015 22 x 1015 18 x 1015 3 2 1 4, 2, 3, II-DALING-2 75 x 1015 16 x 1015 17 x 1015 3 2 1 0, 0, 0,
Sehingga harga deplesi (W leh:
)
lebar ) dipero(
) (
{
151
10
14/
4
,
518
x
10
3}
W
=
,
739
x
− −cm
10
x
588
,
33
W
=
−11m
18
,
0
W
=
μ
Perhitungan di atas adalah untuk dioda I-DALING-1 dengan diameter 3 mm, sedangkan untuk dioda yang lain dan untuk masing-masing diameter dapat dilihat
p .9. Di ro W
s .
ada Tabel 3 oda 1N4006 dipe leh harga
ebesar 0,12 μm
Tabel 9 Harga lebar lapisan deplesi untuk masing-masing dioda Dioda Diameter (mm) W (μm) I-DALING-1 3 2 0,18 0,25 1 0,21 I-DALING-3 3 2 0,85 1,30 1 1,02 II-DALING-2 3 2 1 3.42 3.19 4.50
Harga ketinggian penghalang (φBn) yang diperoleh
ri pengukuran I dengan harga tegangan difusi ng diperoleh da pengukuran C-V untuk dioda I-AILING-1 tidak h berbeda tetapi untuk dioda
ng lain jauh be eda. Hal ini disebabkan antara in oleh adanya lapisan oksida pada permukaan mpel, adanya celah (ruang kosong) pada lapisan
juga do idak berdifusi secara
ada sem CdTe yang diketahui
arga resistan r.
Timbulny n oksida ini kemungkinan
muncul sew lat sistem pelapisan lama
um lapisan b a dilakukan, juga sewaktu
s perlakuan ang dilakukan pada ruang
an 1 atm yan erikan peluang besar untuk
lnya lapisan da permukaan sampel.
IMPULAN
Setelah penelitian tentang pembuatan dioda
lapisan tipis yang ditumbuhkan dengan
de Penguap ka hal-hal yang dapat
utarakan sebagai kesimpulan dari penelitian rsebut adalah seb berikut:
Harga n yang iperoleh dari pengukuran arus-tegangan (I-V uh dari harga n ideal, di mana harga ideal adalah 1 sedangkan dalam penelitian ntara 16-40. Hal ini disebabkan harga resistansi seri dioda tersebut.
2. Tingi penghalang (φ ) untuk dioda I-DALING – 1 da -V ya ri D ya jaurb la sa tipis dan ta p ping yang t tor mera
dari h ikonduksi yang besa a lapisa besar sebel aktu a erikutny prose panas y tekan g memb timbu oksida pa KES dari CdTe meto an, ma di te agai 1. d ) ja ini diperoleh n a oleh besarnya Bn
diperoleh 0,91 eV tidak jauh berbeda dengan harga tegangan difusi (Vbi) yang besarnya 0,89
volt. Hal ini bersesuaian dengan harga yang diperoleh untuk dioda 1N4006 di mana φBn
diperoleh 0,89 eV dan harga Vbi adalah 0,75
volt. Tetapi untuk dioda 1-DALING-3 dan II-DALING-2 diperoleh harga Vbi yang jauh lebih
besar dari harga φBn. Di mana harga φBn untuk
dioda 1-DALING-3 diperoleh 0,91 eV sedangkan harga Vbi sebesar 3,36 volt dan untuk
dioda II-DALING –2 harga φBn diperoleh 0,94
eV sedangkan harga Vbi diperoleh 8,35 volt. Hal
ini juga disebabkan oleh harga resistansi seri dioda tersebut yang terlalu besar, menyebabkan
3. Tem
oda yang baik. Dioda yang baik maksudnya mempunyai ri yang rendah sehingga dapat diabaikan.
State Physics, fifth
n isika Terapan.
eka Rio,S. dan Masamori, Iida. 1980. Fisika dan
t
ilsum. 1972. Handbook on Semiconductors, Device Physics Volume 4. Oxford.
Richard Dalven. I p State
ew ork and London ess.
Physics Journal of the Indonesian P ety,
Vol. I, Nuber 6.
M . 0. Thin Film ical Vapour Deposition. Vol. 7 Elsev
terjadinya penyimpangan pengukuran kapasitansi.
peratur dan lamanya perlakuan panas sangat mempengaruhi untuk memperoleh di
tahanan se
DAFTAR PUSTAKA
Kitel C. Introduction to Solid
edition. New Delhi: Wiley Eastern Limited. Fonash, J. Stephen. 1981. Solar Cell Device Physics.
Academic Press, Inc.
Ginting, Masno. 1996. Laporan Pengembangan
Lapisan Tipis CdTe untuk Bahan Solar Cell dan
Puslitbang F
Se sor Infra Merah. R
Teknologi Semikonduktor. Jakarta: Pradnya Paramita.
hoderich, E.H. 1980. Metal-Semiconduc or
R
Contacs. Oxford : Claredon Press. Cyril H
ntroduction to Ap lied Solid Physics. N Y : Plenium Pr
hysical Soci
I, 199
orosanu, C.E 199 s by Chem
