SISTEM FABRIKASI MIKROELEKTRONIK
N-MOS dan P-MOS
Fakultas : FTI
Program studi : TEKNIK ELEKTRO
E-Learning
Kode Matakuliah : 53273421
Disusun oleh : Dr. Yohanes Galih Adhiyoga, S.Pd., M.T.
13
ABSTRAK
Mata kuliah ini membahas tentang prinsip kerja berbagai komponen elektronika, fabrikasi divais semikonduktor, serta proses perancangan rangkaian elektronika dengan teknologi CMOS (complementary metal-oxide semiconductor). Bagian pertama mata kuliah ini memperkenalkan teori dan prinsip kerja berbagai divais semikonduktor untuk berbagai jenis aplikasi, serta proses fabrikasinya. Bagian kedua mata kuliah ini menekankan pada aspek perancangan integrated circuit (IC), meliputi tahap rancangan skematik, simulasi, hingga layout untuk IC menggunakan CAD (computer aided design) tools untuk perancangan IC.
TUJUAN
Setelah mempelajari materi pada modul ini mahasiswa diharapkan dapat
• Mengetahui perbedaan komponen diskrit dan komponen terpadu.
• Mengetahui karakteristik NMOS dan PMOS sebagai komponen.
• Mengetahui pengaruh W/L pada karakteristik komponen
MODUL 11 N-MOS DAN P-MOS
1. Rangkaian Diskrit dan Rangkaian Terpadu/Terintregasi
Berdasarkan cara analisisnya rangkaian elektronika dapat dibagi menjadi dua jenis yaitu:
rangkaian elektronika sebagai peranti diskrit dan rangkaian elektronika sebagai rangkaian terpadu/terintregrasi. Analisis rangkaian ketika rangkaian elektronika dilihat sebagai peranti diskrit ialah menentukan fungsi rangkaian berdasarkan cara perilaku rangkaian keseluruhan (karakteristik tampak). Akan tetapi ketika rangkaian elektronika dilihat sebagai rangkaian terpadu/terintregasi analisis dilakukan berdasarkan karakteristik tingkat komponen, akibatnya karakteristik rangkaian akan berubah saat karakteristik komponen berubah. Pada modul ini dibicarakan perubahan karakteristik rangkaian yang dipengaruhi oleh perubahan karakteristik komponen sehingga rangkaian tidak hanya dipandang berdasarkan fungsinya saja.
1.1 Rangkaian MOS dan Rangkaian Bipolar
Dalam proses pabrikasi rangkaian terpadu digital skala-kecil yang menggunakan substrat aktif terdapat dua jenis teknologi fabrikasi yang digunakan yaitu Bipolar dan MOS. Salah satu contoh rangkaian terpadu jenis Bipolar adalah TTL, ECL, I2L dan lain-lain. Sedangkan yang termasuk rangkaian terpadu jenis MOS adalah NMOS, PMOS, dan CMOS. Selain itu terdapat juga rangakian terpadu hybrid yang memadukan Bipolar dan MOS yaitu Bi-MOS.
Masing-masing teknologi fabrikasi memiliki kelebihan dan kekurangannya masing- masing. Kelebihan rangkaian terpadu jenis Bipolar diantaranya dapat beroperasi pada frekuensi yang tinggi dan memiliki transkonduktansi yang besar. Namun, rangkaian terpadu jenis ini memiliki disipasi daya yang cukup besar sehingga penelitian pada rangkaian jenis bipolar ini tidak sepopuler jenis MOS.
Untuk rangkaian terpadu skala-besar rangkaian MOS dianggap lebih menguntungkan daripada rangkaian bipolar. Hal itu dikarenakan lebih banyak transistor dan lebih banyak fungsi rangkaian yang dapat sukses difabrikasi pada sekeping wafer menggunakan teknologi MOS.
Alasan tersebut disebabkan oleh tiga hal. Pertama, setiap keping transistor MOS memiliki luasan yang kecil. Kedua, proses fabrikasi MOS membutuhkan lebih sedikit langkah sehingga dicapai lebih sedikit cacat kritis per keping wafer dibanding fabrikasi rangkaian bipolar. Hal ini memungkinkan tingkat kesuksesan yang lebih tinggi dalam teknologi MOS. Ketiga, teknik rangkaian dinamik yang memerlukan lebih sedikit transistor untuk realisasi fungsi rangkaian yang diberikan, praktis dalam teknologi MOS tetapi tidak dalam teknologi bipolar. Akibat perbedaan ini, jauh lebih murah untuk memproduksi rangkaian MOS skala-besar dibanding rangkaian bipolar untuk fungsi yang ekuivalen.
Perbedaan lain dari kedua jenis transistor tersebut adalah bahwa dalam transistor bipolar arus output (IC) dikendalikan oleh arus input (IB). Sedangkan dalam MOS arus output (ID) dikendalikan oleh tegangan input (VGS), karena arus input adalah nol. Sehingga resistansi input MOS sangat besar.
1.2 Struktur Transistor MOS
Transistor dapat diilustrasikan sebagai sebuah saklar yang dikontrol dengan menggunakan listrik (arus dan tegangan). Transistor memiliki tiga buah terminal. Keadaan tersambung atau terputus pada dua terminal ditentukan oleh keadaan dari kontrol terminalnya.
Terdapat dua jenis utama transistor MOSFET, yaitu MOSFET tipe peningkatan (E-MOSFET / Enhancement MOSFET) dan MOSFET tipe pengosongan (D-MOSFET / Depletion MOSFET). Pada E-MOSFET, kanal akan terbentuk ketika VGS diberikan tegangan positif. Pada D-MOSFET, kanal akan menipis ketika VGS diberikan tegangan positif. Terdapat dua tipe transistor MOS yaitu n- type MOS (NMOS) dan p-type MOS (PMOS). Rangkaian MOS yang menggunakan kedua tipe transistor tersebut disebut complementary MOS (CMOS). MOS memiliki tiga terminal: gate, source, dan drain. Ketika teminal gate dari transistor NMOS dalam kondisi high, maka bisa dikatakan bahwa transistor dalam keadaan aktif sehingga terdapat jalur penghantar dari source ke drain. Ketika terminal gate dalam kondisi low, maka transistor mati dan tidak terdapat jalur penghantar dari source ke drain. Sebaliknya, PMOS aktif ketika terminal gate dalam kondisi low dan mati ketika terminal gate dalam kondisi high. Struktur dari transistor MOS dapat diketahui dari potongan melintang dari transistor MOS tersebut. Dua bagian yang didoping lebih berat dengan silicon type-n (n+) (atau type-p (p+) untuk PMOS) akan membentuk source dan drain.
Source dan drain dipisahkan oleh sebuah substrat type-p (atau type-n untuk PMOS). Hantaran dari terminal gate menuju substrat (body) dipisahkan oleh sebuah lapisan isolasi tipis (lebih sering dikenal sebagai lapisan kaca). Nama transistor MOS diperoleh dari tumpukan struktur gateisolator-substrat dari transistor itu sendiri, yaitu Metal-Oxide-Semiconductor. Mula-mula gate dibuat dari bahan metal, akan tetapi sejak tahun 70an gate dibuat dari polysilicon.
Gambar 1. Penampang samping NMOS dan PMOS
Perilaku transistor PMOS berkebalikan dari transistor NMOS. Terminal source dan substrat normalnya dalam kondisi high. Ketika gate juga berada pada kondisi high, maka pada gate kapasitor tidak terdapat tegangan yang melintasinya dan transistor dalam kondisi mati.
Ketika gate berada pada kondisi low, pembawa positif akan tertarik dari subtrat menuju tepat dibawah lapisan oxide dan transistor akan aktif.
MOSFET adalah divais yang simetris, artinya source dan drain dapat ditukar-tukar. Source dan drain hanya dapat diketahui setelah polaritas tegangan diberikan. Penampang tiga dimensi dari sebuah transistor MOS ditunjukkan pada gambar berikut:
Gambar 2. Transistor NMOS
Kemampuan transistor untuk menghantarkan arus, sangat ditentukan oleh besarnya luas kanal yang didapat dari pertemuan Drain dan Source dengan polysilicon. Besarnya luas kanal ini ditentukan oleh besarnya length(L) dan width(W). Length adalah jarak antara source dan drain.
Sedangkan width adalah lebar dari gate.
Gambar 3. Perbandingan W dan L pada MOS
Kanal (length) yang lebih pendek jaraknya akan memberikan kinerja yang lebih cepat pada transistor, karena arus akan mengalir dalam jarak yang lebih pendek. Transistor yang lebih lebar menyediakan arus yang lebih besar, tapi juga memiliki nilai kapasitansi yang lebih besar, oleh karena itu pilihan terbaik dari width/length ini tergantung aplikasinya.
Nilai transkonduktansi dari kanal ini ditentukan oleh perbandingan W/L yang didapat dari persamaan:
𝑅 =𝜌. 𝐿 𝐴 = 𝜌. 𝐿
𝑊. ℎ≈ 𝐿 𝑊
Dimana A adalah luas penampang penghantar, dalam hal ini kanal, yang berupa hasil perkalian dari width ( ) dan tebalnya kanal ( ). Kita dapat mengabaikan nilai ( ) karena nilai ini ditentukan oleh kemampuan fabrikasi dari pabrik. Sementara nilai ditentukan oleh jenis bahan yang digunakan.
Gambar 4. Ilustrasi Kanal
Arus akan mengalir dari drain ke source melalui kanal. Pada umumnya kanal ini mempunyai panjang (L), antara , dan lebar (W), antara . Divais dengan , biasanya dipakai pada rangkaian terintegrasi digital yang mempunyai kecepatan sangat tinggi.
Kemampuan hantar arus berkaitan erat dengan besarnya lebar kanal. Namun sebenarnya dalam rangkaian terpadu MOS, ada faktor-faktor lain yang mempengaruhi kemampuan hantar arus. Faktor tersebut antara lain mobilitas rata-rata elektron (µ), kapasitansi oksida gerbang (Cox), ketebalan dielektrik gerbang (tox) dan sebagainya. Besarnya arus yang mengalir dalam sebuah MOS dapat diketahui dengan menggunakan persamaan berikut:
𝐼𝐷= (𝜇𝑛𝐶𝑂𝑋) (𝑊
𝐿) [(𝑉𝐺𝑆− 𝑉𝑡)𝑉𝐷𝑆−1 2𝑉𝐷𝑆2]
Akan tetapi dalam proses fabrikasi, parameter-parameter tersebut sudah ditentukan sehingga persamaan di atas dapat disederhanakan menjadi:
𝐼𝐷≈ (𝑊
𝐿) (𝑉𝐺𝑆− 𝑉𝑡)𝐾 𝐼𝐷≈ (𝑊
𝐿) 𝑉𝐺𝑆. 𝐾 𝑗𝑖𝑘𝑎 𝑉𝐺𝑆 ≫ 𝑉𝑇
Pada frekuensi tinggi, karakteristik komponen akan berubah karena faktor kapasitif dan induktif ikut diperhitungkan.
DAFTAR PUSTAKA
1. Modul Mikroelektronika. Universitas Brawijaya. http://elektronika.elektro.ub.ac.id/wp- content/uploads/2020/09/Mikro-Elka-All.pdf Diakses pada 7 November 2022.
2. Sedra, Adel S., et al. Microelectronic circuits. Vol. 4. New York: Oxford university press, 2004.
