TERMISTOR

A. Sejarah Termistor

Nama termistor berasal dari Thermally Sensitive Resistor. Termistor

biasanya termasuk material-material semikonduktor yang dibagi dua golongan:

oksida logam dan semikonduktor kristal tunggal. Negative Temperature

Coefficient (NTC) pertama kali ditemukan oleh Faraday pada perak sulfid pada

tahun 1833. Pemahaman tentang termistor oksida ini mengalami perkembangan

yang sangat pesat oleh becker, Vervey dkk pada akhir tahun 1940-an. Termistor

kristal germanium dipelajari oleh Lark-Horovitz dkk pada tahun 1946, dan oleh

estermann (meneliti Si), Hung dan Gliessman pada tahun 1950, Friedberg pada

tahun 1951, dan kemudian Fritzsche dan Kunzler dkk. Silikon pada suhu rendah

dipelajari oleh Morin, Maita dan Cralson pada tahun 1954-1955. Broom juga

mempelajari termometer GaAs pada tahun 1958.

B. Struktur Termistor

Termistor atau thermal resistor adalah suatu jenis resistor yang sensitive

terhadap perubahan suhu. Prinsipnya adalah memberikan perubahan resistansi

yang sebanding dengan perubahan suhu. Perubahan resistansi yang besar terhadap

perubahan suhu yang relatif kecil menjadikan termistor banyak dipakai sebagai

sensor suhu yang memiliki ketelitian dan ketepatan yang tinggi.

Termistor yang dibentuk dari bahan oksida logam campuran (sintering

mixture), kromium, kobalt, tembaga, besi, atau nikel, berpengaruh terhadap

karakteristik termistor, sehingga Pemilihan bahan oksida tersebut harus dengan

perbandingan tertentu.

Dimana termistor merupakan salah satu jenis sensor suhu yang mempunyai

koefisien temperatur yang tinggi. Komponen dalam termistor ini dapat mengubah

nilai resistansi karena adanya perubahan temperatur. Dengan demikian dapat

memudahkan kita untuk mengubah energi panas menjadi energi listrik. Termistor

dapat dibentuk dalam bentuk yang berbeda-beda, bergantung pada lingkungan

yang akan dicatat suhunya. Lingkungan ini termasuk kelembaban udara, cairan,

permukaan padatan, dan radiasi dari gambar dua dimensi. Maka, termistor bisa

Page 1

berada dalam alat–alat seperti disket, mesin cuci, tasbih (manik-manik), balok,

dan satelit. Ukurannya kecil dibandingikan dengan termometer lain, ukurannya

dalam range 0.2mm sampai 2mm. Pengambaran struktur dan sambungannya

diperlihatkan pada gambar 2.1.

Gambar 2.1

Termistor dibedakan dalam 2 jenis, yaitu termistor yang mempunyai

koefisien negatif, yang disebut NTC (Negative Temperature Coefisient), temistor

yang mempunyai koefisien positif yang disebut PTC (Positive Temperature

Coefisient). kedua jenis termistor ini mempunyai fungsinya masing masing, tetapi

di pasaran, yang lebih banyak digunakan adalah termistor NTC. Karena termistor

NTC material penyusunnya yaitu metal oksida, dimana harganya lebih murah dari

material penyusun PTC yaitu Kristal tunggal.

1. NTC

NTC merupakan termistor yang mempunyai koefisient negatif. Dimana

bahannya terbuat dari logam oksida yaitu dari serbuk yang halus kemudian

dikompress dan disinter pada temperatur yang tinggi. Kebanyakan pada

material penyusun termistor biasa mengandung unsur – unsur seperti Mn2O3,

NiO,CO2O3, Cu2O, Fe2O3, TiO2, dan U2O3. Oksida-oksida ini sebenarnya

mempunyai resistansi yang sangat tinggi, tetapi dapat diubah menjadi bahan

semikonduktor dengan menambahkan beberapa unsur lain yang mempunyai

valensi yang berbeda disebut dengan doping dan pengaruh dari resistansinya

dipengaruhi perubahan temperatur yang diberikan. Thermistor logam oksida

Page 2

digunakan dalam daerah 200K sampai 700K. Untuk digunakan pada

temperatur yang sangat tinggi, thermistor dibuat dari Al2O3, BeO,MgO,Y2O3

dan Dy2O3. Struktur termistor NTC secara umum dapat dilihat pada gambar

2.2.

Gambar 2.2

2. PTC

PTC merupakan termistor dengan koefisien yang positif. Termistor PTC

memiliki perbedaan dengan NTC antara lain:

1. Koefisien temperatur dari thermistor PTC bernilai positif hanya dalam

interfal temperatur tertentu, sehingga diluar interval tersebut akan

bernilai nol atau negatif

2. Harga mutlak dan koefisien temperatur dari termistor PTC jauh lebih

besar dari pada termistor NTC

Jenis – jenis PTC

Jenis pertama terdiri dari thermally sensitif silicon resistors, kadang-

kadang disebut sebagai "Silistors". Device ini menunjukkan nilai koefisien

suhu positif yang cukup seragam (sekitar 0,77% /°C) kebanyakan dari silistor

melalui berbagai wilayah/rentang operasional, tetapi dapat juga menujukkan

koefisien suhu negatif di wilayah temperatur yang melebihi 150° C. Device

Page 3

ini paling sering digunakan untuk kompensasi terhadap device

semiconducting silicon dalam kisaran temperature antara -60° C ke 150°.

Jenis kedua merupakan polycrystalline bahan keramik yang biasanya

resistivitasnya tinggi tetapi terbuat dari semiconduktor dengan penambahan

dopants. Umumnya dibuat dari campuran barium, timah dan strontium titanates

dengan tambahan seperti yttrium, manganese, tantalum dan silika. Device ini

memiliki daya tahan-suhu karakteristik negatif yang sangat kecil. Koefisien suhu

device ini hingga mencapai suhu yang kritis, yang disebut sebagai "Curie",

perubahan atau transisi suhu. Suhu kritis ini merupakan pendekatan, device ini

mulai menunjukkan peningkatan, resistansi suhu coefficient positif seperti

peningkatan resistansi yang besar.

C. Karakteristik Termistor

Termistor pada dasarnya adalah resistor, maka konduktivitasnya dapat

diberikan pada persamaan :

σ=1ρ=nq μn+ pq μp

Kebanyakan termistor digunakan pada daerah temperatur dalam konsentrasi

inonisasi (n atau p) yang berpengaruh terhadap fungsi temperatur, diberikan

dalam bentuk persamaan sebagai berikut :

CONCENTRATION∝ exp(−Ea

kT )Dimana energy aktivasi Ea adalah hubungan pada energy gap dan tingkat

impuritas. Dimana nilai hambatan semakin kecil ketika temperaturnya dinaikkan,

ini yang biasa disebut termistor NTC. Secara empiris dapat dideskripsikan

sebagai:

R=R0 exp[B ( 1T

− 1T0 ) ]…(3.1)

Dimana R adalah hambatan pada suhu T, R0 adalah hambatan awal ketika T0

(pada temperatur ruang), B adalah Konstanta termistor dimana besarnya

bergantung dari jenis bahan dan memiliki dimensi yang sama dengan suhu. Harga

konstanta termistor yang memenuhi pasar biasanya antara rentang 2000-5000 K.

Page 4

untuk menentukan harga konstanta termistor (B) ini, maka persamaan (3.1) dapat

dinyatakan dalam bentuk:

ρ=ρ0 exp[B ( 1T

− 1T0 )]

Dengan ρ=RAl

merupakan resistivitas listrik termistor.

Selain konstanta termistor (B), sensitivitas (α) juga menentukan

karakteristik dari termistor. Nilai sensitivitas menentukan sejauhmana termistor

yang dibuat dapat dengan cepat mendeteksi perubahan temperatur lingkunagn

termistor. Termistor yang baik sensitifitasnya lebih besar dari -2,2%/K. nilai

sensitifitas termistor (α) ini, dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan

sebagai berikut:

α= 1R

dRdT

=−B

T 2

Tanda negative menandakan NTC, Perubahan resistansi yang timbul dari

perubahan temperatur

∆ R=R∝∆T

Ciri khas harga dari adalah sekitar yang mana 10 kali lebih

sensitive dari pada detector temperatur resistansi metal. Karakteristik kualitatif

dari termistor ditunjukkan pada gambar 3.1. Resistansi dari thermistor berada

pada daerah 1k sampai 10M .

Gambar 3.1

Karakteristik kualitatif dari termistor NTC

Page 5

0 2 4 6 8 100

2

4

6

8

10I

V0 2 4 6 8 10

0

2

4

6

8

10I

V

Pada temperatur yang lebih tinggi atau dalam device doped yang penuh,

dopant sepenuhnya terionisasi, dan penurunan dari mobilitas ketika mulai terjadi

hamburan phonon untuk mendominasi ketergantungan pada temperatur. Hal ini

memberikan kenaikan untuk PTC. Secara umum PTC tidak lebih sensitive dari

NTC sehingga jarang digunakan.

Perlu diperhatikan untuk menghindari pemanasan sendiri dari termistor

akibat pemberian arus yang terlalu tinggi. Dengan kata lain pemanasan sendiri ini

dapat berubah menjadi suatu keuntungan untuk aplikasi spesifik yang mana akan

didiskusikan nanti. Karakteristik I-V hasil dari pemanasan sendiri yang berbeda

dengan NTC dan PTC. Dalam termistor NTC, induksi pemanasan sendiri

menurun dalam hambatan dan mulai memberikan sesuatu yang positif untuk

sumber tegangan gambar 3.2(a), lebih mudah untuk arus yang lebih tinggi. Dalam

termistor PTC, resistansi pemanasan sendiri meningkat dan hasil nya memberikan

nilai yang negatif untuk sumber arus gambar 3.2(b). Dibawah ini merupakan 2

kurva yang serupa untuk resistansi diferensial negative dengan S dan N bentuk

karakteristik.

Termistor PTC jenis pertama

Untuk termistor PTC jenis pertama sama dengan profil untuk

Semikonduktor intrinsik. Hal ini berhubungan dengan bahan pembentuk termistor

Gambar 3.2.bKarakteristik I-V akibat pemanasan

sendiri untuk PTC

Gambar 3.2.aKarakteristik I-V akibat pemanasan

sendiriuntuk NTC

Page 6

Pita valensi

Pita Konduksi

Energi fermi

Pita valensi

Pita Konduksi

Energi fermi

PTC yaitu kristal tunggal silikon, dimana tidak ada doping yang ditambahkan

pada kristal tersebut. Sehingga memiliki konsentrasi hole dan elektron yang sama.

Termistor NTC dan PTC jenis kedua

Untuk termistor NTC dan PTC jenis kedua, sama dengan profil untuk

Semikonduktor ekstrinsik. Hal ini berhubungan dengan bahan pembentuk dari

termistor NTC Yaitu dibuat dari oksida logam yang terdapat dari golongan

transisi, seperti ZrO2 - Y2P3 NiAI2O3 Mg(Al, Cr,Fe) yang dapat dirubah menjadi

semikonduktor jika didoping dengan unsur lain yang memiliki valensi yang

berbeda. Termistor PTC jenis kedua termasuk semikonduktor ekstrinsik hal ini

dikarenakan PTC dibuat dari bahan polycrystalline bahan keramik yang biasanya

resistivitasnya tinggi tetapi terbuat dari semiconduktor dengan penambahan

dopants. Sehingga memiliki konsentarsi hole dan electron yang berbeda. Maka

diperoleh profil pita energy seperti gambar 3.4 dibawah ini:

Untuk semikonduktor tipe P Untuk semikonduktor tipe n

= Eakseptor = Edonor

Gambar 3.4

konduksi model

Termistor NTC banyak yang dibuat dari disk atau chip semikonduktor

seperti sintered metal oksida. yang bertujuan untuk meningkatkan suhu

semikonduktor sehingga meningkatkan jumlah elektron yang dapat bergerak dan

loncat ke pita konduksi. Semakin banyak electron yang loncat, semakin besar

arus yang dihasilkan. Hal ini dijelaskan dalam rumus:

Page 7

I = arus listrik (Ampere)

n = rapat muatan (count / m³)

A = luas penampang lintang (m²)

v = kecepatan pembawa muatan (m / s)

e = muatan elektron ( e = 1.602 x 10-19 coulomb)

Jika terjadi perubahan suhu yang besar, maka diperlukan kalibrasi. Tapi

jika perubahan suhunya kecil, maka resistivitas bahan linear sebanding dengan

suhu. Ada berbagai termistor semiconduktor dengan berbagai rentang dari sekitar

0,01 kelvin ke 2000 kelvins (-273,14 ° C to 1700 ° C).

Kebanyakan termistor PTC, resistansi tiba-tiba meningkat pada suhu kritis

tertentu. Perangkat yang dibuat dari doped keramik polycrystalline yang

mengandung barium titanate (BaTiO3) dan lainnya. Konstanta dielektrik

merupakan bahan ferroelektrik yang bervariasi terhadap suhu. Di bawah titik

suhu Curie, tingginya konstanta dielectric mencegah pembentukan potensi

hambatan antara butir kristal, sehingga resistensi rendah. Pada saat ini perangkat

memiliki koefisien suhu negatif yang kecil. Pada titik suhu Curie, konstanta

dielectric relatif menurun yang memungkinkan pembentukan potensi hambatan di

batas butiran, dan resistivitas meningkat tajam. Pada suhu lebih tinggi, sifatnya

seperti sifat NTC.

D. Aplikasi Termistor

Termistor sangat menguntungkan untuk mengukur temperatur, karena

disamping harganya yang murah, termistor memiliki resolusi tinggi dan memiliki

ukuran dan bentuk yang fleksibel. Nilai mutlak dari hambatannya sangat tinggi

jadi untuk kabel yang panjang dan hambatan konstan bisa ditoleransi. Tanggapan

yang lambat (1 ms sampai 10s) bukan hal yang merugikan untuk aplikasi umum.

1. Pendeteksi dan pengontrol temperatur

Termistor-termistor disediakan sangat murah dan dapat diandalkan sebagai

sensor temperatur yang memiliki rentang yang lebar. Contoh-contoh

sederhana jarak dari alarm-alarm api pada pendeteksi tumor. Kadang-

Page 8

kadang termistor merupakan bagian dari osilator dan frekwensi keluarannya

menjadi fungsi temperatur.

2. Compensasi

Sebagian besar resistor dan penghubung pada PTC. Termistor dihubungkan

pararel dengan NTC yang komponen-komponennya bisa di nonaktifkan

dengan bantuan temperatur.

3. Seperti pada relay temperatur dan saklar

Kegunaan pada efek-efek terhadap pemanasan ditunjukan pada gambar

3.2. Sebagai contoh, pengkarakteristikan dengan NTC (gambar 3.2a)) bisa

digunakan untuk mengatur tegangan dan pada penundaan dan waktu

sirkuit. Pengkarakterisasian dengan PTC digunakan untuk memproteksi

gelombang.

4. Pengukuran yang tidak langsung pada parameter-parameter lain

Ketika termistor mengalami pemanasan atau ketika termistor berada dekat

dengan sumber kalor, termistor akan menilai perubahan yang bergantung

pada temperatur yang dilingkiupinya. Disini bisa dipakai untuk mengatur

tingkat pencairan, aliran gas, tingkat pemvakuman dan lain sebagainya.

5. Detektor gelombang yang memiliki panjang gelombang yang lebar

Aplikasi termistor pada fhoto detektor panjang gelombang dihasilkan

pada salah satu detektor suhu yang disebut dengan termistor balometer.

E. Hubungan Devices

1. Resistance Temperatur Detector (RTD)

Resistance Temperatur Detector (RTD) hampir mirip dengan termistor

bedanya RTD dibuat dari logam-logam. Karena dalam hal ini RTD selalu

memiliki PTC dan α yang lebih kecil sekitar 0,5%/K. biasanya logam yang

dipakai adalah platinum, nikel dan tembaga, yang mana platinum paling

banyak digunakan. Rentang dari temperatur masing-masing material misal

tembaga; Pt,-200oC sampai 630oC dan diatas 9000C tingkat akurasi

berkurang; Ni,-80oC sampai 300oC dan Cu, -200oC sampai 200oC. Setiap

Page 9

RTD memiliki bentuk seperti kertas timah, dan memiliki hambatan sekitar

100 ohm.

2. Termistor Bolometer

Bolometer adalah detektor suhu yang bertentangan dengan detektor

kuantum tentang radiasi. Pada bolometer, radiasi diserap oleh material,

temperaturnya meningat dan hambatan berubah dan di amati. Termistor

bolometer adalah temistor sederhana dengan sebuah mantel khusus untuk

lebih efisien dalam menyerap cahaya terutama pada spektrum inframerah.

Sering kali film dengan ketebalan 200Ǻ dari bismut sering dipakai untuk

keperluan ini. Respon terhadap Gelombang yang memiliki panjang

gelombang yang panjang diatas 1000μm masih mungkin terdeteksi. Oksida

logam pertama kali muncul pada tahun 1940. dan memakai kristal tunggal

Ge dan Si. Termistor bolometer dimulai pada tahun 1960. Sekarang ini

dengan penambahan doping Ge pada device lebih mudah.

Pada pengoprasian sebenarnya, termistor bolometer lebih cocok untuk

panjang gelombang yang pendek sekitar beberapa μm , dan sering kali

suhunya menurun sampai 4K. Persamaan Arus pemanasannya adalah;

η=H

dΔTdt

+GΔT

Dimana n adalah efisiensi penyerapan, P adalah daya radiasi, H adalah

kapasitas panas, G adalah konduktifitas kalor, dan ΔT perubahan

temperatur pendinginan dengan lingkungan. Kekurangan utama dari

detektor termal apapun adalah pengaturan respon yang lambat pada waktu

temperaturnya konstan,

τ=H

G

Untuk respon yang cepat, kapasitas panas akan minimal dan suhu

konduktivitas akan maksimal. Waktu respon yang sederhana serupa dengan

termistor (1 ms sampai 10 s), dengan kuat arus detektor konstan, variabel

tegangan diberikan oleh

Page 10

Conductive electtrodes

RLPYROELEKTIKMATERIAL

CIRL

(a) (b)

ΔV =IΔR=Iα RAT=IαR ( ηP

G )

Dalam keadaan steady state. Ukuran ketelitian dapat diperbaiki dengan

menggabungkan bolometer termistor dengan jembatan weatston. Contoh

dari aplikasi ini adalah alarm anti maling dan alarm kebakaran, dan

mendeteksi terresial radiasi.

3. Detektor Pyroelektrik

Detektor pyroelektrik merupakan perkembangan terbaru dari kelas detektor

panjang gelombang yang panjang. Susunanya dapat dilihat pada gambar

4.1. Potongan meterial pyroelektrik berada diantara dua konduktivitas

elektroda. Material pyroelektrik ini merupakan insulator yang baik.

Biasanya sebagian besar materianya adalah triglycine sulfate, lithium

tantalate dan lead zironate titanate. Detektor pyroelektrik mempercayakan

beberapa perubahan ferroelektrik dengan mengubah momen dipol internal

dengan temperatur dibawah temperatur currie. Perubahan induksi polarisasi

mengubah permukaan dua elektroda yang saling berhadapan. Rangkain

serupa dapat ditunjukkan seperti gambar 4.1 (b).

Pembangkit dari perubahan kapasitor oleh kuat arus yang diberikan oleh

persamaan

I=ACp

dTdt …(4.1)

Gambar 4.1 (a) detektor pyroelektrik dihubungkan dengan resistor eksternal, (b)

Rangkaian yang ekuivalen dengan (a)

Page 11

Dimana cp adalah koefisien pyroelektrik. Harga Cp adalah Cp~ 3 x 10-8

c/cm2-k. Persamaan 4.1 mengindikasikan perubahan temperatur. Oleh

karena itu, modulasi cahaya dengan memotong atau dengan memberikan

yang lainnya. Arus Fed untuk berat resistor yang besar RL harganya berkisar

pada rentang 109-1011 ohm. RL optimasi tegangan, tetapi mengurangi

kecepatan trade-off. Sesuai untuk waktu Rc konstan, tegangan ini Fed untuk

FET mempunyai input impedansi tinggi dari pada RL tidak untuk tegangan

berat.

Page 12