@io!s @unn

PendahuluanBerikut ini akan dibahas piranti gelombang mikro kelompok kedua. yang dicirikan dengan efek bulkdari semikondultor yang disebut dengan Transfered Electron Device (TED).Pemakaian komponen semi konduktor dua terminal pa

Tidak sampai tahun 1963, J.B. Gunn menemukan apa yang disebut dengan efek Gunn darispesimen piringan tipis GaAs tipe-n dan InP tipe-n -r"*ut to mempet[ari sifat nois darisemikonduktor. Gunn tidak menghubungkan temuannya dengan teori dari {iatuy, Watkins danHilsum. Dalam tahun 1963 Ridley memperkirakan bahwa dJmain medan listrik secara kontinubergerak kebawah melalui kristal, menghilang pada anoda dan kemudian muncul lagi menyerupaipusat inti dan memulai keseluruhan siklus sekali lagi. Aichirnya, Kroemer menyatakai bahwa asal-usul perbedaan mobilitas yang negatif adalah

-"tunir-" {idley-u/attins-Hils'm dari elek*onyang berpindah kedalam lembah yang terjadi dalam pita konduksi dari kedua ttpe- n GaAs dan tipe-n InP dan yang merupakan sifat dari pengaruh Gunn yaitu osilasi arus yang menyebabkan inti yangperiodik dan hilangnya daerah perambatan muatan-ruang yang tioar iauit.'Dengan demikianhub'ngan prediksi teoritis dan temuan eksperimen melengkali teori dari rED.Dioda efek Gunn diambil dari nama J'8. Gunn yang pada tahun i963 menemukan fluktuasi yangperiodik dari arus yang melervati suatu bahan n.loUu* (sample) dari bahan GaAs tipe n brlategangan diberikan melebihi harga kritis tertentu. Dua tahun kemudian paela tahun i965

" B.C. DeLoactr, R'c' Johnston dan B-G. Cohen menemukan mekanisme waktu-lintas longsoran ionisasitubrukan (Impact Ionizstion Avalsnche Transit-Time - IL,IPAT'[) dalam silikon y*f*"ogguoukuo

sifat-sifat longsoran dan waku-lintas dari dioda untuk membangicitkan rremensi g"i.*u*g mikro.setelah itu dioda LSA (Limited space-charge Acatmulation I dan dioda Inp jiga serara suksesdikembangkan. Dioda ini merupakan komponen bagian terbesar dalam pengertian bahwa penguarangelombang mikru dan osilasi diperoleh dari sifat tahanan-negatif bulk dari semikonduktor homogenyang merupakan sifat tahanan-negatif sambungan antara dua semikonduklor y*g u"iu"aa sepertidioda tunnel.Diagram skema dari dioda GaAs tioe- n yengh-omogen dengan kontak ohmic pada kedua ujungnyadapat dilihat pada Gbr.l. Tahun 1963 J.B. Gu* melakrikan analisa efek Grrnn daram bagianterbesar GaAs tipe-n dioda yang hasilnya adatah sebagai berikut.

Daerah medan tinggi

noda(+)

Gbr. 1. Skema diagram untuk dioda Ga As tipe_n.

Diatas tegangan kritis dengan medan listrik 2.000 -

4.000 volt/cm, arus dalam setiap bahanpercobaan menjadi berfluktuasi sesuai dengan waktu (fungsi wakru). Dalam bahan percobaan GaAs,flukfuasi yang terjadi ini membentuk suatu osilasi yang periodik diatas arus pulsa. frekuensi osilasaiterutama ditentukan oleh jenis bahan, tidak oleh rangkaian luar. Periode osilasi biasanya berbandingterbalik dengan panjang bahan percobaan dan hampir sama dengan waktu transit dari eleknondiantara elektroda dan dihitung dari kecepatan yang diperkirakan sedikit diatas i07 cm/dt. Dayapuncak pulsa gelombang mikro yang diberikan oleh bahan percobaan GaAs pada beban yang cocoktelah diukur, yaitu mencapai 0,5 watt pada frekuensi I GHz, dan 0,15 wai pada frekuensi 3 GHzsudah didapat, yang menunjukan I s/dZo/o daya masukan pulsa.Dari pengamatan Gunn, kecepatan pergerakan pembawa secara linier bertambah dari nol menujumaksimum jika medan listrik divariasikan dari nol sampai harga threshold. Sewaktu medan listrikmendekati harga threshold sekitar 3.000 r,olt/me unfirk GaAs tipe-n, maka kecepatan gerakberkurang dan dioda menunjukan fenomena tahanan negatif se.pe.ti i-*g diperfihatkan ot"1Ct .Z .Fluktuasi ams yang terjadi ditunjukan oleh Gbr.3. Bcntuk gelombang *r y*g dihasilkan yaitu

Brfian 9bmsb ' lp 6 frt -

@ioDs 6unn "

dengan memberikan tegangan pulsa dengan amplitudo 16 volt dan durasi waktu l0 zs pada bahanpercobaan GaAs tipe- n dengan panjang 2,5x10'3 crn. Frekuensi osilasinya adalah 4,5 GHz.

Gbr. 2. Kecepatan aliran elerfon daram GaAs tipe-n terhadapmedan listrik.

Jejak terbawah pada sumbu datar 2 ns/cm dan pada sumbu tegak e,23 A/cm. Jejak teratas adalahpengembangan dari bentuk jejak terbawah. Gunn menemukan bahwa periode iari osilasi sarnadengan waktu transit darielehron yang melewati spesimen yang dihitung i*i *u, threshold.Gunn juga menemukan bahwa medan listrik threshold Ea birvariasi dengan panjang dan jenismaterial' Dia juga mengembangkan suatu penyelidikan kapasitif yang rumit irntul menggambarkandistribusi medan listrik dengan spesimen GaAS tipe-n^dengan panjang L = 2r0 1tm da, luaspenampang melintang 3,5x10-' cm' dengan tahanan medan y*g."nduh-yuito te c.

Ketidakstabilanthreshold adalah

Gbr. 3. Bentuk gelombang arus dari GaAs tipe-n yangdihasilkan oleh Gunn.

anrs terjadi pada tegangan spesimen diatas 59 volt. rrtt berarti besarnya medan

, -v-DtL---,,' L

59210x10-6 x102

,lr0 !_I Lr,r 'tl 5 l0ru ,15 20

Medan Lisrnklkv/ ) .-\ /cm/

-i

lrfisil 9brnsn " lp @ SI -

DfoLs Gunn "

=2810 V /cm (1)

Prinsip KerjaBeberapa penjelasan sudah diberikan untuk efek Gunn. Dalam tahun 1964 Kroemer mengusulkanbahwa pengamatan Gunn sudah melengkapkan persetujuannya dengan model duaJembah dari teoriRidley-Watkins-Hilsum.

Teori Model Dua-Lembah,Mengikuti teori pita-energl dari GaAs tipe-n, suatu mobilitas-tinggi iembah terendah dipisahkanoleh energi sebesar 0,36 eV dafi mobilitas-rendah iembah tertinggiieperri yang diperlihatkan padaGbr.4.

Lembah Bawahnt,t =0'468

s, =$Q$Q cmz,/.., .s\./\./\/

kmbahAtasm- =1,2"

,/, =180 "m-/,, -r / t 'J\/

'\-i _-,'

LE: O,36 el'Pita Konduksi

Pita Forbiddeni

E, =1,43 et'

.*-_-

' Pita Valensi

Gbr. 4. Model dua lembah energi elektron terhadapjumlah gelombang untu,k Ga-As tipe n.

Tabel l. Data dua lembah dalam GaAsMnbilitas

p7:8000 cm2/volt.dt

p7:180 cml/volt.dt

Pada Gbr. 4, K menunjukan jumlah gelombang yang searti dengan konstanta p dan E sama denganhot dalam mekanika kuantum, dimana h adalahkonstanta Plank ft dibagi dengan 2n . Olehkarenaitu diagam E - K ekivalen dengan diagram a - p dari strukfur gelombang-lambat yang sudahdibahas pada bagian terdahulu. Jika kerapatan elektron daiam lembah terbawah dan teratas adalah nrdan nu, maka konduktivitas dari GaAs tipe- n adalah

o = elp,n, * liuft,) fZlDimana e : muatam elelrron, p : mobilitas elektron 1cm2/v.dt1,n : kerapatan elektron.Bila medan listrik E yang cukup tinggi diberikan pada spesimen, maka elekfon dipercepat dantemperatur efektif naik diatas temperatur atom-atom. Selanjutnya temperatur atom-atom jugabertambah. Dengan demikian kereapatan elekhon n dan mobilitas p merupakan fungsi medan listrikE. Dengan mendiferensialkan pers. (2) terhadap mediur listrik E menghasiiican

do(-=el

U,dE \,, k)."(,,#.".k)dn,a;* p.

Massa efektif (Me

M"t:0,068

M"u:I,2

0,036 eV

0,036 eV

9rfiun 9!meb " lF @ frt -

Diolu 6unn '

(3)

Jika total kerapatan elektron diberikan oleh persamaa n : flr * 17, dan dianggap bahwa k dan pusebanding dengan Ep, drmanap adalah konstantq maka

ftA, +n.)=fi=oatau

, atau

dfr, =-dn,dE dE

in tI dJ =rn-7arodE o//E

(4)

(s)

(6)

dan

4*%= pfi,e-t = pyn rL= rr!dE dE ' 'E -rE *EDengan mengsubsitusikan persamaan (4) ke persamaan (6) menghasilkan

# =, (tr, - tr,)# - e tn, p, * n, /r,)#Dengan mendiferensialkan Huku ohm J: oE terhadap E menghasilkan

dI do_-=

o'+ -LdE dE

(7)

(8)

(e)

Terlihat bahwa untuk tahanan negatif rapat arus J harus berkurang dengan kenaikan medan listrikE atau perbandingan dan dJ/dE harus negatif. Keadaan demikian atan te4aai hanya jika ruas-kanandari persamaan (9) lebih kecil dari nol. Dengan lain perkataan, kondisi uniuk tahanarrnegatif adalah

do//dE ,,o.1,/tr

(10)

Dengan mengsubsitusikan persam nn (2) dan (7) ke persamaan ( 10) dengan f: n /nt menghasilftp

(t i)Sebaiknya diperhatikan bahwa pangkat dari medan listrik p adalah fungsi rnekanis penghamburanpola geometris atom-atom (lattice) dan seharusnya negatif dan besar. Penghamburan ini membuatketidak-murnian hamburan yang tidak diinginkan, karena jika ini dominan maka mobilitas naikdengan kenaikan medan listrik dan dengan demikian p menjadi positif. Bagaimanapun, jikapenghamburan ini dominan, p negatif, dan bergantung pada pola geometris atom-atom dantemperatur pembawa. Suku perlama ruas kiri pada persamann (11) hanu positif untuk memenuhiketidak-samzum persamaan tersebut. Ini mempunyai arti bahwa Ft> ltu. blektron-elekfon harusmulai dalam lembah masa-rendah dan bergerak ke lembah masa-tinggi dimana mereka dipanaskanoleh medan listrik. Harga maksimurn dari bagian ini adalah satq iaitu j*a pr>> Fu maka faktora\{aa ddam kurung suku kedua harus negatif. Besaran ini memperlilatkan kecefatan dimanaelektron berpidah ke lembah yang lebih tinggi karena medan listrik dan kecepatan ini bergantungpada perbedaan kerapatan elektron, temperatur elektron dan celah energi diantara kedua lembah.

Pada dasarny4 teori Ridley-Watkins-Hilsum yang telah diuraikan di atas, strultur pita darisemikonduktor harus memenuhi tiga kriteria dalam menghzrsilkan tahanan negatif ;

l( ,, - o,,)(- ZA\_ ,l, rl\u,+ a, 11 n, dE ) ' l

J=Qwdengan q:muatanlistrik, z: kerapatan elekhon, u: kecepatan rata-rataelektron_Diferensiasi dari persamaan (12) terhadap medan listrik E menghasilkan

dE= qnTE

Kemudian kondisi untuk diferensial konduktansi negatif dapat ditulis

dvdE= lt'

l. Perbedaan energi diantara dasar lembah terendah dan dasar lembah teratas harus beberapakali lebih besar dari energi thermal ( sekitar A,026 eV) pada temperatur *arg. Ioimempunyai arti bahwa LE> KT atau AE > 0,026 eV. Dengan kata lain, dalam ketiadaanmedan listrik yang membias, elektron-elektron akan tetap pada lembah terbawah.2- Perbedaan energi diantara lembah harus lebih kecil dari perbedaan energt diantara pitakonduksi dan pita valensi. Ini mempunyai ani bahwan AE < AEs. Dengan kata lain bahwasemikonduklor akan tembus dan menjadi terlalu kon

Medan threshold: E*:3 kV/cm, gledq yang digunakan: E:3,4 kV/cnu panjang piranti: L:12 pm,. konsentrasi pengayaan: ns:1*1rta cm-3 , fiekt ensi kerjr : f: 12 GHz.

I{itunglah: a. kecepatan pergerakan elektron,b. rapat arus,c. mobilitas elektron negatif.

Jawabana. Kecepatan pergerakan elekhon

va = .fL = 12xl0e xl2xl0-6 =l,Mrl}t /drb. Dari persarnaan (12) kerapatan arus adalah

J - qnv = 1.6x1O-re x1020 xl,44x10s = 2,3x106 /*, =nO%mzc. Mobilitas elektron negatif

o, = *+= -t'%F = -4235 "^'/.0, = -0423-7{.0,

9rtisn 9bma! '1p @ ffl -

Dtota 6unn " 8