spontan pada material akibat penerapan medan listrik yang mengakibatkan adanya ketidaksimetrisan struktur kristal pada suatu material ferroelektrik. 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 histerisis dan konstanta dielektrik yang tinggi dapat diaplikasikan pada sel memori Dynamic Random Acess Memory (DRAM) dengan kapasitas penyimpanan melebihi 1 Gbit seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Sifat piezoelektrik dapat digunakan sebagai mikroaktuator dan sensor, sifat polaryzability dapat digunakan sebagai Non Volatile Ferroelectric Random Acsess Memory (NVRAM), sifat pyroelektrik dapat diterapkan pada sensor inframerah dan sifat elektrooptik dapat diaplikasikan pada switch termal infra merah (Syafutra, 2008).
Film tipis ferroelektrik merupakan material elektronik yang memiliki sebuah polarisasi listrik dengan adanya medan listrik eksternal, polarisasi ini dapat dihilangkan dengan memberikan medan eksternal yang arahnya berlawanan. Sifat listrik yang ditunjukkan material ini berkaitan dengan sifat listrik mikroskopiknya. Muatan positif dan negatif pada material ini tidak selalu terdistribusi secara simetris. Jika jumlah muatan dikali jarak untuk semua elemen dari sel satuan tidak nol maka sel akan memiliki momen dipol listrik. Momen dipol persatuan volume disebut sebagai polarisasi dielektrik (Syafutra, 2008). Contoh bahan ferroelektrik adalah LiTaO3, BaxSr1-xTiO3, dan turunannya.
Gambar 3. Kurva histerisis
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, 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 ditunjukkan loop histerisis (Marwan, 2007). Bahan Barium Stronsium Titanat (BST)
Gambar 4. Chip kapasitor BST
Berikut Persamaan reaksi barium stronsium titanat (BST):
0,5Ba(CH3COO)2+ 0,5Sr(CH3COO)2+ Ti(C12H28O4) + 22O2→ Ba0,5Sr0,5TiO3+
17H2O + 16CO2
Film tipis BaxSr1-xTiO3 ( BST ) merupakan material ferroelektrik yang
banyak digunakan sebagai FRAM karena memiliki konstanta dielektrik tinggi (εr>> εSiO2) dan kapasitas penyimpanan muatan yang tinggi (high charge storage capacity) sehingga dapat diaplikasikan sebagai kapasitor (Syafutra, 2008). Beberapa penelitian juga berpendapat kalau 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. Film tipis BST dapat dibuat dengan berbagai teknik di antaranya CSD, sputtering, laser ablasi, MOCVD dan proses sol gel.
Bahan Pendadah Tantalum Pentaoksida (Ta2O5)
material ferroelektrik menjadi lebih hardness, sifat medan koersif yang lebih tinggi, faktor kualitas mekanik dan listrik yang lebih tinggi. Hard dopant disebut juga acceptor dopant karena menerima struktur berlebih dalam struktur Kristal BST ( Utami, 2007).
Tantalum merupakan logam yang memiliki kemiripan sifat-sifat kimia dengan unsur non logam, tantalum lebih banyak ditemui dalam bentuk anion dibandingkan kation. Beberapa persenyawaan yang penting dari tantalum adalah halida dan oksida halida yang bersifat volatil dan mudah terhidrolisis. Beberapa sifat dari tantalum adalah logam mengkilat, titik lelehnya tinggi 2468oC, 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
Gambar 5. Struktur Ba0.5Sr0.5TiO3didadah Tantalum Pentaoksida
Fotodetektor
Fotodetektor terdiri dari beberapa jenis diantaranya devais tabung vakum, fotodioda semikonduktor, devais fotokonduktif semikonduktor dan termokopel. Aplikasi Film tipis BST sebagai fotodetektor dapat berupa devais fotodioda dan fotokonduktiv. Dioda adalah sambungan p-n yang berfungsi terutama sebagai penyearah. Bahan tipe-p akan menjadi sisi katoda sedangkan bahan tipe-n akan menjadi anoda. Bergantung pada polaritas tegangan yang diberikan kepadanya, diode bisa berlaku sebagai sebuah saklar tertutup (apabila bagian anode mendapatkan tegangan positif sedangkan katodenya mendapatkan tegangan negatif) dan berlaku sebagai saklar terbuka (apabila bagian anode mendapatkan tegangan negative sedangkan katode mendapatkan tegangan positif). Kondisi tersebut terjadi hanya pada diode ideal. Pada diode faktual (riil), perlu tegangan lebih besar dari 0,7V (untuk diode yang terbuat dari bahan silikon). Tegangan sebesar 0,7V ini disebut sebagai tegangan halang (barrier voltage). Diode yang terbuat dari bahan Germanium memiliki tegangan halang kira-kira 0,3V (Syafutra, 2007)
ketebalan 1μm 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(Syafutra, 2008).
Jika cahaya mengenai fotodioda, elektron dalam struktur kristalnya akan terstimulus. Jika energi cahaya lebih besar dari pada energy bandgap (Eg), elektron akan pindah ke pita konduksi, dan meninggalkan hole pada pita valensi. Pada Gambar 6 terlihat pasangan elektron-hole terjadi pada 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. 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 seperti pada Gambar 7 .
Gambar 6. Penampang melintang Fotodioda.
Gambar 8. Grafik karakteristik
Grafik karakteristik diode ideal silikon ditunjukkan pada Gambar 8. Karakteristik diode menggambarkan perilaku diode ketika diberi panjar maju dan panjar mundur. Grafik ini digambarkan dengan sumbu
tegangan dan sumbu-Y sebagai arus listrik yang muncul. Pada saat tegangan panjar maju (
listrik yang dihasilkan cukup kecil. Hal ini disebabkan karena adanya lapisan penghalang (depletion layer)
pajar maju lebih dari 0,6 V, arus yang mengalir bertambah besar. Hal itu terjadi karena hambatan pada diode sambungan menjadi kecil.
tegangan potensial sisi P lebih besar dari sisi N, bergerak mengisi hole di sisi P.
terbentuk hole pada sisi N karena ditinggal elektron. Ini disebut aliran menuju N. Jika mengunakan terminologi arus listrik, maka di
listrik dari sisi P ke sisi N.
Pada saat diberi panjar mundur (
kecil dan dapat diabaikan. Pada saat terjadi panjar mundur, lapisan penghalang bertambah lebar. Dengan bertambah lebarnya lap
akan sukar mengalir. Hanya arus listrik yang nilainya kecil yang disebabkan oleh ikatan yang putus pada masing
listrik ini disebut arus bocor.
semakin banyak arus bocor yang akhirnya dapat merusak sambungan p Tegangan ini disebut breakdown voltage
diode yang terbuat dari silikon memiliki nilai I
pada orde 10-10A . Nilai ini tidak bisa dibaca pada alat ukur yang biasa dipakai Gambar 8. Grafik karakteristik diode ideal silikon
Grafik karakteristik diode ideal silikon ditunjukkan pada Gambar 8. Karakteristik diode menggambarkan perilaku diode ketika diberi panjar maju dan panjar mundur. Grafik ini digambarkan dengan sumbu –X sebagai fungsi
Y sebagai arus listrik yang muncul.
Pada saat tegangan panjar maju (forward bias) kurang dari 0,6 V, maka arus listrik yang dihasilkan cukup kecil. Hal ini disebabkan karena adanya lapisan depletion layer) sehingga hambatan cukup besar. Saat tegangan pajar maju lebih dari 0,6 V, arus yang mengalir bertambah besar. Hal itu terjadi karena hambatan pada diode sambungan menjadi kecil. Pada saat panjar maju,
P lebih besar dari sisi N, sehingga elektron dari sisi N di sisi P. Jika elektron mengisi hole disisi P, maka akan pada sisi N karena ditinggal elektron. Ini disebut aliran
mengunakan terminologi arus listrik, maka dikatakan terjadi aliran listrik dari sisi P ke sisi N.
Pada saat diberi panjar mundur ( reverse bias), arus yang mengalir sangat kecil dan dapat diabaikan. Pada saat terjadi panjar mundur, lapisan penghalang bertambah lebar. Dengan bertambah lebarnya lapisan penghalang ini, arus listrik akan sukar mengalir. Hanya arus listrik yang nilainya kecil yang disebabkan oleh ikatan yang putus pada masing-masing semikonduktor saja yang muncul. Arus listrik ini disebut arus bocor. Apabila tegangan panjar mundur diperbesar akan semakin banyak arus bocor yang akhirnya dapat merusak sambungan p
breakdown voltage atau tegangan rusak. Kenyataannya, diode yang terbuat dari silikon memiliki nilai Isat yang sangat kecil yaitu berada
seperti osiloskop, volt meter digital dan lain sebagainya. Alat ukur yang bisa dipakai salah satunya disebut
Persamaan teoretis untuk arus diode atau sering disebut persa ideal Shockley adalah:
Dimana IS adalah arus saturasi, n adalah koefisien emisi, dan V
termal. iD dan vD adalah nilai arus listrik dan tegangan yang diplotkan pada
Gambar 8. Koefisien emisi menunjukkan jumlah rekombinasi elektron dan hole di daerah deplesi, yang cenderung menurunkan arus listrik. Untuk diode yang diskrit, nilai n 2. Untuk diode sirkuit teri
berbeda dikarenakan pada diode sirkuit terintegrasi dibuat sebagai transistor bipolar yang kolektornya terhubung ke basis.
ditunjukkan oleh Persamaan Dimana k adalah konstanta B muatan elektron. Nilai V berdasarkan persamaan iD.
Pada saat terjadi tegangan panjar mundur ( terlihat pada Gambar 8,
Arus listrik yang muncul adalah konstanta ( Sedangkan daerah breakdown reverse
Shockley.
Pada saat terjadi panjar maju (
besar karena tegangan termal sangat kecil, sehingga pengurangan 1 pada persamaan 1 dapat diabaikan dan arus listrik diode
Persamaan 3.
Kapasitansi dan Dielektrik Bahan
Kapasitansi adalah kemampuan penyimpanan muatan untuk suatu perbedaan potensial tertentu. Satuan dari kapsitansi adalah coulomb per volt, yang disebut seperti osiloskop, volt meter digital dan lain sebagainya. Alat ukur yang bisa dipakai salah satunya disebut curve tracer.
Persamaan teoretis untuk arus diode atau sering disebut persamaan diode
adalah arus saturasi, n adalah koefisien emisi, dan VTadalah tegangan
adalah nilai arus listrik dan tegangan yang diplotkan pada Gambar 8. Koefisien emisi menunjukkan jumlah rekombinasi elektron dan hole di daerah deplesi, yang cenderung menurunkan arus listrik. Untuk diode yang
2. Untuk diode sirkuit terintegrasi, nilai n 1. Nilai n ya berbeda dikarenakan pada diode sirkuit terintegrasi dibuat sebagai transistor bipolar yang kolektornya terhubung ke basis. Sedangkan tegangan termal
ersamaan 2 :
Dimana k adalah konstanta Boltzmann, T adalah temperatur Kelvin, dan q adalah muatan elektron. Nilai VT meningkat seiring dengan meningkatnya T, sehingga
berdasarkan persamaan 1 , meningkatnya T akan menyebabkan menurunnya nilai Pada saat terjadi tegangan panjar mundur ( reverse bias) seperti yang terlihat pada Gambar 8, nilai eksponensial pada persamaan diode dapat diabaikan.
rus listrik yang muncul adalah konstanta (negatif) arus listrik reverse breakdown reverse tidak dimodelkan oleh persamaan saat terjadi panjar maju (forward bias ), nilai eksponesial sangat besar karena tegangan termal sangat kecil, sehingga pengurangan 1 pada dapat diabaikan dan arus listrik diode panjar maju mendekati
Kapasitansi dan Dielektrik Bahan
Kapasitansi adalah kemampuan penyimpanan muatan untuk suatu perbedaan potensial tertentu. Satuan dari kapsitansi adalah coulomb per volt, yang disebut seperti osiloskop, volt meter digital dan lain sebagainya. Alat ukur yang bisa maan diode (1) adalah tegangan adalah nilai arus listrik dan tegangan yang diplotkan pada Gambar 8. Koefisien emisi menunjukkan jumlah rekombinasi elektron dan hole di daerah deplesi, yang cenderung menurunkan arus listrik. Untuk diode yang 1. Nilai n yang berbeda dikarenakan pada diode sirkuit terintegrasi dibuat sebagai transistor egangan termal (2) oltzmann, T adalah temperatur Kelvin, dan q adalah meningkat seiring dengan meningkatnya T, sehingga , meningkatnya T akan menyebabkan menurunnya nilai seperti yang samaan diode dapat diabaikan. reverse -IS.
tidak dimodelkan oleh persamaan diode ), nilai eksponesial sangat besar karena tegangan termal sangat kecil, sehingga pengurangan 1 pada panjar maju mendekati (3)
Dengan C kapasitansi kapasitor, ε konstanta dielektrik bahan, εo permitivitas ruang hampa (8,85 x 10-12 C2 m-2 N-1), d jarak antara dua plat (m), A luas penampang plat (m2).
Suatu material isolator, seperti kaca, kertas atau kayu disebut dielektrik. Ketika ruang di antara dua konduktor pada suatu kapasitor diisi dielektrik, kapasitansi naik sebanding dengan faktor k yang merupakan karaktristik dielektrik dan disebut konstanta dielektrik. Kenaikan kapasitansi ini disebabkan oleh melemahnya medan listrik di antara keping kapasitor akibat adanya bahan dielektrik. Dengan demikian, untuk jumlah muatan tertentu pada keping kapasitor, perbedaan potensial menjadi lebih kecil dan rasio Q/V bertambah besar (Tippler, 1991). Ketika suatu dielektrik diletakkan antara keping-keping kapasitor, medan listrik dari kapasitor mempolarisasikan molekul-molekul dielektrik. Hasilnya adalah terdapat suatu muatan terikat pada permukaan dielektrik yang menghasilkan medan listrik yang berlawanan dengan medan listrik luar. Dengan demikian, medan listrik antara keping-keping kapasitor akan menjadi lemah (Tippler, 1991). Proses pengisian kapasitor pada Gambar 9 dapat dijelaskan sebagai berikut. Pada saat saklar ditutup pada saat t = 0. Muatan mulai mengalir melalui resistor dan menuju plat positip kapasitor. Jika muatan pada kapasitor pada beberapa saat adalah Q dan arus rangkaian adalah I, aturan simpal Kirchoff memberikan
− − = 0 (5) atau
− − = 0 (6) Dalam rangkaian ini, arus sama dengan laju di mana muatan pada kapasitor meningkat :
Gambar 9. Rangkaian pengisi muatan pada kapasitor
Subtitusikan persamaan 6 ke 7 :
= + (8) Pada saat t = 0, muatan pada kapsitor nol dan arusnya I0= / R . Muatan akan bertambah sedangkan arus berkurang, seperti tampak pada Persamaan 6. Muatan mencapai maksimum Qf= C ketika arus I sama dengan nol. Persamaan 8 diubah menjadi bentuk :
= - Q (9) Time konstan atau konstanta waktu merupakan waktu yang dibutuhkan untuk berkurang menjadi 1/e dari nilai awalnya dan disimbolkan τ dan dirumuskan sebagai τ = RC . Pada kapasitor, muatan disimpan dalam material dielektrik yang mudah terpolarisasi dan mempunyai tahanan listrik yang tinggi (sekitar 1011) untuk mencegah aliran muatan diantara plat kapasitor. Gambar memperlihatkan rangkaian RC untuk pengisian muatan dan tegangan yang ada pada kapasitor diperoleh :
( )= ( ) = 1 − / (10)
Sifat Optik
Gambar 10. Absorpsi Optik
bandgap maka terjadi proses (a), jika energi foton lebih besar dari pada energi bandgap maka terjadi proses (b) di mana pada peristiwa ini terdapat tambahan energi panas sebesar (hv =Eg), jika material semikonduktor terdapat ketidakmurnian maka akan terdapat pita donor dan dapat terjadi transisi seperti pada proses (c). Pada proses (a) dan (b) dinamakan transisi intrinsik (transisi band to band) (Sze et al., 2007).
Absorbansi merupakan kebalikan dari transmitansi, yaitu fraksi radiasi datang yang diserap oleh medium, dinyatakan oleh:
= log = log = − ln (11) Koefisien absorpsi α adalah fraksi radiasi yang diserap dalam satuan jarak yang dilalui dan merupakan karakteristik medium tertentu dan panjang gelombang tertentu. Absorpsi foton bergantung pada sifat bahan semikonduktor dan panjang gelombang cahaya yang datang. Arus yang dihasilkan oleh sebuah sel surya bergantung pada panjang gelombang cahaya yang datang. Hal ini merupakan karakteristik dari bahan semikonduktor dan dinyatakan pada persamaan:
= (12) Absorpsi A merupakan karakteristik bahan. Berdasarkan Persamaan 8 dan Persamaan 9, hubungan transmitansi dan koefisien absorpsi sebagai panjang gelombang dapat dinyatakan sebagai berikut :
= ln (%) (13) Absorpsi material semikonduktor menyebabkan terjadinya eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Transisi pada material semikonduktor dapat dituliskan dengan persamaan :
dengan : α = koefisien absorpsi, C = konstanta, hυ = energi foton, Eg = energi gap, n = ½ untuk transisi langsung, n = 2 untuk transisi tidak langsung.
Selain itu, pengukuran sifat optik sangat penting untuk penentuan indeks bias film tipis. Sumber cahaya yang melewati film tipis, sebagian akan ditransmisikan dan sebagian lagi akan direfleksikan oleh film tipis tersebut. Pengukuran transmisi dan refleksi dapat digunakan untuk memperoleh data band edge, koefisien serapan optik, energi gap, indeks bias dan sebagainya. Hubungan antara reflektivitas dan indeks bias film tipis sesuai dengan persamaan 15. (Nussbaum et al. 1976) =
√ =
√ + √ =− 1
1 + √ =−
√ = 1+ 1− √√ (15) Difraksi Sinar-XZat padat dibedakan menjadi 2 kategori yaitu kristal dan amorf. Kristal dibentuk oleh ion-ion, atom-atom dan molekul-molekul yang kemudian tersusun menjadi pola tiga dimensional yang teratur dan terulang. Jenis kristal mempunyai keteraturan dengan jangkauan yang panjang dalam susunan partikel pembangunnya. Sedangkan amorf strukturnya memiliki keteraturan dengan jangkauan yang pendek.
Gambar 11. Prinsip dasar analisis struktur kristal menggunakan difraksi sinar-X Sinar-X merupakan radiasi elektromagnet energi tinggi. Sinar-X mempunyai panjang gelombang antara 0.01 nm sampai 1.15 pm. Panjang gelombang tersebut berada pada range jarak antar atom dalam sistem kristal. Oleh karena itu sinar-X dapat digunakan untuk memahami struktur dari bahan (Beiser,1987).
Berdasarkan hukum braggs difraksi sinar-X terjadi pada dengan ketentuan:
2 = (16)
dengan d = jarak antar atom, λ = Panjang gelombang sinar- X, θ = Sudut difraksi.
Hasil difraksi maksimum dan minimum dari sinar-X selanjutnya ditangkap oleh detektor dalam bentuk cps ( counter per second ). Puncak puncak terdeteksi untuk sudut tertentu berkaitan dengan indek Miler (hkl). Jarak bidang dan hkl pada kristal kubik dirumuskan:
= (17)
Prinsip kerja penentuan karakteristik bahan khususnya struktur kristal menggunakan sinar-X diperlihatkan pada Gambar 11.
Morfologi Lapisan Tipis
Mikroskop elektron ini memfokuskan sinar elektron (electron beam) di permukaan obyek dan mengambil gambar dengan mendeteksi elektron yang muncul pada permukaan obyek. Perbedaan tipe dari SEM memungkinkan penggunaan yang berbeda-beda antara lain untuk studi morfologi, analisis komposisi dengan kecepatan tinggi, kekasaran permukaan, porositas, distribusi ukuran partikel, homogenitas material atau untuk studi lingkungan tentang masalah sensitifitas material.
Teknik SEM dapat digabungkan dengan teknik EDX (Energy Dispersive X-ray Spectrometry). Teknik EDX digunakan untuk mengetahui berbagai kandungan unsur kimia dalam sampel dengan cara menangkap dan mengolah sinyal fluoresensi sinar-X yang dipancarkan untuk suatu volume kecil di permukaan sampel.
