TINJAUAN PUSTAKA - repository.ipb.ac.id · dapat dideteksi oleh diode foto ini mulai dari cahaya infra merah, cahaya tampak, ultra ungu sampai dengan sinar-X. Pada Gambar 6 memperlihatkan

23

TINJAUAN PUSTAKA

Bahan Ferroelektrik

Ferroelektrik adalah gejala terjadinya perubahan polarisasi listrik secara

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.

Kurva hubungan antara polarisasi listrik (P) dan kuat medan listrik (E)

ditunjukkan pada Gambar 3, ketika kuat medan listrik ditingkatkan maka

polarisasi meningkat cepat (OA) hingga material akan mengalami kondisi saturasi

(AB). Jika kuat medan diturunkan, polarisasinya tidak kembali lagi ke titik O,

melainkan mengikuti garis BC. Ketika medan listrik tereduksi menjadi nol,

material akan memiliki polarisasi remanan (Pr) (OC). Untuk menghapus nilai

24

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)

Barium stronsium titanat (BST) adalah film tipis yang berpotensi untuk

DRAM dan NVRAM karena memiliki konstanta dielektrik tinggi, kebocoran arus

rendah dan tahan terhadap tegangan breakdown yang tinggi pada temperatur

Curie. Temperatur Curie pada barium titanat adalah 130oC dan dengan adanya

doping stronsium temperatur Curie menurun menjadi suhu kamar dan dapat

digunakan pada devais yang memerlukan temperatur kamar. Film tipis BST telah

difabrikasi dengan beberapa teknik seperti sputtering, laser ablation, dan sol-gel

process. Kenaikan temperatur annealing akan menaikkan ukuran grain dalam

kristal film tipis BST. Pada suhu annealing 700oC struktur BST yang teramati

adalah struktur kubik dengan konstanta kisi a= 3,97Å untuk 30% mol stronsium.

Konstanta dielektriknya diukur dari kurva C-V kira-kira 120 dengan faktor

disipasi 0,0236. Kebocoran rapat arus dari film adalah 4x10-8A/cm dari

perhitungan I-V menggunakan divais peralatan fabrikasi (Giridharan et al. 2001).

Kapasitor BST memiliki keuntungan yaitu punya range 0,5 pF sampai 500 nF.

Gambar 4 adalah contoh chip kapasitor BST.

25

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)

Pendadah memiliki fungsi untuk merubah parameter kisi, konstanta

dielektrik, sifat elektrokimia, sifat elektrooptik dan sifat pyroelektrik dari film

tipis. Bahan pendadah material ferroelektrik terbagi menjadi dua jenis yaitu soft

dopant dan hard dopant. Ion soft dopant dapat menghasilkan material

ferroelektrik memiliki koefisien elastisitas yang lebih tinggi, sifat medan koersif

yang lebih rendah, faktor kualitas mekanik dan listrik yang lebih rendah. Soft

dopant disebut juga donor dopant karena menyumbang valensi yang berlebih

pada struktur Kristal BST. Sedangkan ion hard dopant dapat menghasilkan

26

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

tantalum adalah pentafluorida, dibuat dari reaksi fluorinasi dari logamnya,

merupakan padatan putih volatil, dalam keadaan cair tidak berwarna dan volatil.

Persenyawaan halida tantalum yang lain adalah pentaklorida dibuat melalui reaksi

klorinasi dari logamnya, merupakan padatan kuning, terhidrolisis menjadi hidrat

oksida (Darjito, 2002). Penambahan sedikit pendadah dapat menjadikan

perubahan parameter kisi, konstanta dielektrik, sifat elektro-kimia, sifat elektro-

optik dan sifat pyroelektrik dari keramik pada film tipis. Penambahan tantalum

pentaoksida akan mendapatkan bahan pyroelektrik bersifat menyerupai

semikonduktor tipe-n (Darjito, 2002). Gambar 5 menunjukkan atom tantalum

menggantikan atom titanium pada struktur BST (Darjito, 2002). Berat molekul

tantalum pentaoksida lebih besar dibandingkan BST (barium stronsium titanat)

besarnya berat bahan pendadah memungkinkan ketika proses annealing dilakukan

pada temperatur tinggi bahan pendadah tidak mengalami penguapan. Pada

annealing dengan temperatur tinggi dapat mengakibatkan film tipis BST yang

telah dideposisi menguap sehingga mengurangi kualitas kristal film tipis BST.

Dengan adanya penambahan tantalum pentaoksida 2,5%, 5%, 7,5% dan 10 %,

bahan pendadah yang tidak mengalami penguapan, maka lapisan film tipis BSTT

(semikonduktor tipe-p) akan lebih banyak terisi tantalum, sehingga akan

meningkatkan sifat listriknya.

27

Gambar 5. Struktur Ba0.5Sr0.5TiO3 didadah 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)

Fotodioda adalah semikonduktor sensor cahaya yang menghasilkan arus

atau tegangan ketika sambungan semikonduktor p-n dikenakan cahaya. Fotodioda

biasanya mengacu pada sensor untuk mendeteksi intensitas cahaya. Cahaya yang

dapat dideteksi oleh diode foto ini mulai dari cahaya infra merah, cahaya tampak,

ultra ungu sampai dengan sinar-X. Pada Gambar 6 memperlihatkan penampang

bagian dari fotodioda. Fotodioda memiliki daerah permukaan aktif yang

ditumbuhkan di atas permukaan substrat, yang pada akhirnya akan menghasilkan

persambungan p-n. Ketebalan lapisan yang ditumbuhkan biasanya memiliki

28

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 lapisan-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 7. Keadaan fotodioda persambungan p-n.

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



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


depletion layer) sehingga hambatan cukup besar. Saat tegangan


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


bertambah lebar. Dengan bertambah lebarnya lapisan penghalang ini, arus listrik


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

A . Nilai ini tidak bisa dibaca pada alat ukur yang biasa dipakai

29



X sebagai fungsi

kurang dari 0,6 V, maka arus


sehingga hambatan cukup besar. Saat tegangan


Pada saat panjar maju,

elektron dari sisi N akan

disisi P, maka akan

pada sisi N karena ditinggal elektron. Ini disebut aliran hole dari P

katakan terjadi aliran

arus yang mengalir sangat


isan penghalang ini, arus listrik


masing semikonduktor saja yang muncul. Arus

erbesar akan

semakin banyak arus bocor yang akhirnya dapat merusak sambungan p-n.

Kenyataannya,

yang sangat kecil yaitu berada

A . Nilai ini tidak bisa dibaca pada alat ukur yang biasa dipakai

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


dipakai salah satunya disebut curve tracer.

Persamaan teoretis untuk arus diode atau sering disebut persamaan diode

adalah arus saturasi, n adalah koefisien emisi, dan VT adalah tegangan

adalah nilai arus listrik dan tegangan yang diplotkan pada



2. Untuk diode sirkuit terintegrasi, nilai n 1. Nilai n ya


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


dapat diabaikan dan arus listrik diode panjar maju mendekati

Kapasitansi dan Dielektrik Bahan



30


maan diode

(1)

adalah tegangan

adalah nilai arus listrik dan tegangan yang diplotkan pada



1. Nilai n yang


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


panjar maju mendekati

(3)



31

farad (F). Besarnya kapasitansi kapasitor tidak bergantung dari V dan Q, tetapi

bergantung pada bentuk geometri dan dielektrik bahan kapasitor. Seperti pada

Persamaan 4 :

= (4)

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 :

= + (7)

32

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

Pengukuran sifat optik merupakan hal yang sangat penting dalam penentuan

energi bandgap material semikonduktor. Transisi elektronik yang terjadi akibat

foton bergantung pada energi bandgap (Bishop, 2009). Besarnya energi bandgap

ini berpengaruh pada proses absorpsi dan transmisi foton. Ketika material

semikonduktor disinari maka foton diserap dan menimbulkan pasangan elektron-

hole seperti yang terlihat pada Gambar 10. Jika energi foton sama dengan energi

33

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 :

(ℎ ) = ℎ − (14)

34

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)

= √ =

√ + √ = − 11 + √ = − √

= 1+ √1− √ (15)

Difraksi Sinar-X

Zat 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.

Salah satu cara yang digunakan untuk mengetahui keteraturan atom atau

molekul adalah dengan menggunakan difraksi sinar-x. Sinar-x merupakan

gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang yang pendek. Akibat

adanya radiasi elektromagnet yang diarahkan pada kristal akan memberikan efek

interferensi. Interferensi pada kondisi tertentu yaitu jika arah bidang kristal

terhadap berkas sinar-x (θ) memenuhi persamaan Bragg, akan mengalami

penguatan. Prinsip ini digunakan untuk mengetahui struktur dari kristal.

35

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

Scanning Electron Microscope (SEM) adalah salah satu tipe mikroskop

elektron yang mampu menghasilkan resolusi tinggi dari gambaran suatu

permukaan sampel. Oleh karena itu gambar yang dihasilkan oleh SEM

mempunyai karakteristik secara kualitatif dalam 3 dimensi karena menggunakan

elektron sebagai pengganti gelombang cahaya serta berguna untuk menentukan

struktur permukaan sampel. Diagram skema SEM dapat dilihat pada Gambar 12.

36

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.

Gambar 12. Skema Scanning Electron Microscopy

Documents

TINJAUAN PUSTAKA - repository.ipb.ac.id · dapat dideteksi oleh diode foto ini mulai dari cahaya infra merah, cahaya tampak, ultra ungu sampai dengan sinar-X. Pada Gambar 6 memperlihatkan