Post on 15-Oct-2021
MIKRO ELEKTRONIKA
LABORATORIUM ELEKTRONIKA
Praktikum Dasar Komputer dan Pemrograman
- iii -
DAFTAR ISI
PENGANTAR i
PERATURAN DAN TATA TERTIB PRAKTIKUM ii
DAFTAR ISI iii
KARTU PESERTA PRAKTIKUM (KPP) iv
PERCOBAAN I : TEKNOLOGI FILM TEBAL 1
1.1. Tujuan 1
1.2. Dasar Teori 1
1.2.1. Pengenalan Teknologi Film Tebal 1
1.2.2. Bahan Teknologi Film Tebal 2
1.2.3. Proses pada Teknologi Film Tebal 4
1.2.4. Resistor Hibrida Film Tebal 5
1.2.4.1. Karasteristik Resistor 5
1.2.4.2. Perancangan Resistansi 6
1.2.4.3. Aspect Ratio 8
1.3. Alat dan Bahan yang Digunakan 9
1.4. Prosedur Percobaan 9
1.5. Kesimpulan 14
Praktikum Dasar Komputer dan Pemrograman
- iv -
PERCOBAAN II : NMOS DAN PMOS 15
2.1. Tujuan 15
2.2. Dasar Teori 15
2.2.1. Rangkaian Diskrit dan Rangkaian Terpadu/Terintregasi 15
2.2.2. Rangkaian MOS dan Rangkaian Bipolar 15
2.2.3. Struktur Transistor MOS 16
2.3. Alat dan Bahan yang Digunakan 20
2.4. Prosedur Percobaan 20
2.5. Lembar Analisis 21
2.5.1. Analisis Grafik untuk NMOS 21
2.5.2. Analisis Grafik untuk PMOS 24
2.6. Kesimpulan 26
UNIVERSITAS BRAWIJAYA FAKULTAS TEKNIK
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
KARTU PESERTA PRAKTIKUM
(K P P)
NAMA : ……………………………………………………………….
NIM : ………………………………………………………………
KELOMPOK : ………………………………………………………………
PRAKTIKUM : MIKROELEKTRONIKA
NO PERCOBAAN TANGGAL/TANDA TANGAN
KETERANGAN PRAKTIKUM KONSEP TINTA
1 Teknologi Film Tebal
2 VLSI (NMOS)
3 VLSI (PMOS)
DISETUJUI KOORD. ASISTEN
:
Malang, …………………………… Mengetahui, Koordinator Asisten,
Dr.Ir. Ponco Siwindarto, M.Eng.Sc. Nama : …………..………………………………… NIP 19590304 198903 1 001 NIM : ..………………………………..…………
FOTO 3 X 4
PRAKTIKUM MIKROELEKTRONIKA
PERCOBAAN 1
TEKNOLOGI FILM TEBAL
ASISTEN PERCOBAAN :
NAMA :
…………………………………………………………………………..
NIM :
……………………………………………………………………………
Pembuatan Resistor Teknologi Film Tebal
Praktikum Mikroelektronika
- 1 -
BAB 1
TEKNOLOGI FILM TEBAL
PEMBUATAN RESISTOR
1.1 Tujuan
Mengetahui ilmu mikroelektronika di bidang teknologi hibrida
Mengetahui alat dan jenis bahan beserta fungsinya yang digunakan
dalam pembuatan resistor dengan teknologi film tebal
Mengetahui proses pembuatan resistor dengan teknologi film tebal
1.2 Dasar Teori
1.2.1 Pengenalan Teknologi Film Tebal
Mikroelektronika terdiri atas beberapa teknologi penting yang dapat
dibagi menjadi tiga, yaitu teknologi peralatan diskrit yang berhubungan dengan
teknologi Printed Circuit Board (PCB), teknologi film yang terbagi menjadi
teknologi film tebal (thick film) dan teknologi film tipis (thin film), teknologi
rangkaian terpadu atau Integrated Circuit (IC) monolitik, yang terbagi menjadi
bipolar dan Metal Oxide Semiconductor (MOS). Gabungan teknologi film
dengan teknologi IC monolitik menghasilkan teknologi hibrida.
Salah satu teknologi mikroelektronika adalah teknologi hibrida. Teknologi
hibrida ada dua macam, yaitu teknologi hibrida film tipis dan teknologi hibrida
film tebal. Dalam proses pembuatannya yang paling murah dan mudah adalah
teknologi hibrida film tebal.
Teknologi film tebal adalah suatu teknologi penyambungan komponen
elektronika menggunakan bahan pasta konduktif, resistif atau induktif yang
dikerjakan pada substrat keramik. Pengerjaan dilakukan melalui suatu proses
berulang-ulang mulai dari cetak sablon, pengeringan, dan pembakaran pada
suhu tinggi. Proses pembakaran dengan suhu tinggi menghasilkan struktur
yang stabil dan kuat dengan daya kerja elektris dan termis yang sempurna.
Pembuatan Resistor Teknologi Film Tebal
Praktikum Mikroelektronika
- 2 -
Rangkaian elektronika yang menggunakan teknologi hibrida film tebal
banyak digunakan pada rangkaian frekuensi tinggi dan rangkaian khusus yang
dibuat dalam jumlah sedikit. Keunggulan utama teknologi ini adalah
kemungkinan dapat dibuat resistor dengan nilai resistansi dalam jangkauan
yang sangat lebar, mulai kurang dari satu ohm sampai beberapa megaohm
dalam substrat yang sama. Penggabungan proses film tebal dengan
pembuatan resistor dan kapasitor dengan transistor atau IC sebagai komponen
aktif pada satu substrat akan menghasilkan sistem elektronika dengan
kehandalan yang tinggi dan harga yang relatif rendah.
Teknologi film tebal merupakan pembuatan rangkaian terintegrasi
dengan menggunakan metode screen dan printing yang terdiri atas sejumlah
langkah yang dapat diulang beberapa kali, yaitu pembuatan screen,
pencetakan, dan pemanggangan. Proses ini hampir sama dengan proses
sablon untuk kain. Rangkaian film tebal memerlukan substrat sebagai tempat
untuk rangkaian film tebal, proses pelapisan untuk melapiskan bahan konduktor
dan komponen pasif (khususnya resistor dan kapasitor), serta memerlukan
proses fotolitografi untuk menghasilkan bentuk pola dari rangkaian yang
diinginkan.
1.2.2 Bahan Teknologi Film Tebal
Bahan-bahan yang diperlukan dalam teknologi hibrida film tebal adalah
screen, substrat, pasta, dan rakel.
1. Screen
Screen merupakan tenunan berlubang-lubang yang terbuat dari serat
yang fungsinya adalah untuk menentukan pola yang akan dicetak dan
menentukan ketebalan pasta yang akan ditempelkan pada substrat. Serat
yang digunakan untuk membentuk kasa suatu screen terbuat dari berbagai
macam bahan. Tiga jenis bahan yang umum digunakan adalah polyester,
nylon, dan stainless steel. Ketiga bahan tersebut mempunyai karakteristik
yang berbeda. Umumnya bahan screen yang digunakan dalam proses
teknologi ini adalah stainless steel.
Pembuatan Resistor Teknologi Film Tebal
Praktikum Mikroelektronika
- 3 -
2. Substrat
Subtrat merupakan tempat jalur interkoneksi rangkaian serta tempat
interkoneksi antara devais aktif maupun pasif. Fungsi substrat dalam
rangkaian film tebal, yaitu :
a. Sebagai penunjang interkoneksi dan perakitan devais,
b. Sebagai isolator dan tempat pelapisan serta pembentukan pola jalur
konduktor dan komponen pasif,
c. Media penyalur panas dari rangkaian,
d. Sebagai lapisan dielektrik untuk rangkaian-rangkaian frekuensi tinggi.
Secara umum substrat harus mempunyai sifat :
a. Kestabilan dimensi (tidak mudah berubah)
b. Tahan terhadap gesekan
c. Konstanta dielektrik yang rendah
d. Permukaan rata dan halus
e. Stabilitas kimia yang baik dan kecocokan dengan pasta
f. Penghantar panas yang baik
g. Daya serapnya rendah
h. Jenis isolator yang baik
Bahan substrat yang banyak digunakan untuk rangkaian film tebal adalah
alumina, berylia, gelas, quarz, dan sapphire, atau kombinasi dari bahan-
bahan tersebut.
3. Pasta
Tata-letak suatu rangkaian hibrida film tebal terdiri atas beberapa
lapis yang bergantung pada fungsinya, sehingga dalam suatu rangkaian
elektronika diperlukan beberapa jenis screen dengan pola yang berbeda
dan pasta yang berbeda pula. Macam pasta yang diperlukan dalam
pembuatan rangkaian elektronika teknologi hibrida film tebal adalah :
Pembuatan Resistor Teknologi Film Tebal
Praktikum Mikroelektronika
- 4 -
a. Pasta konduktor, mempunyai sifat yang berguna untuk solder
(bonding),
b. Pasta resistor dengan berbagai nilai resistansi,
c. Pasta dielektrik yang mempunyai berbagai konstanta dielektrik dan
karakteristik frekuensi,
d. Pasta pelindung (coating), digunakan untuk melindungi rangkaian
akhir,
e. Pasta solder.
4. Rakel
Rakel (squeege) berfungsi untuk mengalihkan pasta ke substrat dengan
cara menekan pasta ke dalam screen. Tegangan permukaan akan menahan
pasta pada substrat saat posisi screen kembali ke keadaan semula. Bahan
yang digunakan sebagai rakel adalah neoprine, polyrethana, dan viton
dengan kekerasan bahan antara 50 - 60 durometer. Posisi rakel harus
menjadikan sisi tajam membentuk sudut 45 sampai 60 derajat terhadap
permukaan screen. Tekanan rakel terhadap screen akan berpengaruh
terhadap hasil cetakan. Bila tekanan teralu ringan maka pasta yang akan
dilewatkan screen sangat sedikit.
1.2.3 Proses pada Teknologi Film Tebal
Dalam pemrosesan, pasta konduktor film tebal terlebih dulu dilapiskan di
atas substrat dengan proses screen printing kemudian dikeringkan. Selanjutnya
bahan resistor dilapiskan dengan proses screen printing yang kemudian
dikeringkan. Kemudian substrat yang telah dilapisi pasta konduktor dan resistor
yang sudah dikeringkan selanjutnya dibakar. Dalam proses pembuatan ini,
sebagai bahan resistor digunakan pasta resistor berbahan dasar palladium dan
pasta paladium-perak (Pd-Ag) sebagai lapisan konduktor.
1. Proses Screen Printing
Screen printing bahan konduktor dan bahan resistor dilakukan
dengan menggunakan sistem snap-off.
Pembuatan Resistor Teknologi Film Tebal
Praktikum Mikroelektronika
- 5 -
2. Proses Print Drying
Pengeringan cetakan dilakukan setelah proses printing. Terdiri atas
dua tahap, yaitu :
Tahap pertama dibiarkan pada suhu ruangan 25,6ºC selama 10
menit
Tahap kedua pada suhu 150ºC selama 10 menit
3. Proses Pembakaran (Firing)
Pembakaran dilakukan dengan menggunakan peralatan pembakaran
VULCAN A-550. Waktu yang digunakan dalam proses pembakaran
konduktor dan resistor adalah 10 menit pada suhu sebesar 700ºC.
1.2.4 Resistor Hibrida Film Tebal
1.2.4.1 Karakteristik Resistor
Resistor merupakan komponen yang sangat berperan dalam
rangkaian hibrida film tebal. Resistor hibrida film tebal mempunyai
karakteristik yang terdiri atas TCR (Temperature Coeficient of Resistance)
dan VCR (Voltage Coeficient of Resistance), disipasi daya, tegangan
maksimum, tanggapan frekuensi, dan noise. Bahan resistor film tebal dapat
dibagi menjadi dua, yaitu resin dan cermet. Cermet terbagi menjadi
beberapa campuran, yaitu berbahan dasar palladium, berbahan dasar
ruthenium, berbahan dasar platina, emas, dan iridium, serta macam-macam
campuran.
Resistansi berkaitan dengan jatuh tegangan (voltage drop) dalam
volt (V) antara dua terminal resistor dan arus yang melewati resistor dalam
satuan ampere (A) yang berkaitan dengan Hukum Ohm yang dijelaskan
dalam persamaan :
I
VR
Di mana :
V = tegangan resistor (V)
I = arus resistor (A)
R = resistansi (Ω)
Pembuatan Resistor Teknologi Film Tebal
Praktikum Mikroelektronika
- 6 -
1. Koefisien Suhu Resistansi (TCR)
Koefisien suhu resistansi (Temperature Coefficient of Resistance)
adalah koefisien perubahan nilai resistansi sebuah resistor setiap
adanya perubahan suhu. Nilai TCR didapat dari pengukuran resistansi
dalam dua kondisi suhu. Persamaan untuk TCR dapat dinyatakan
dengan rumus :
Di mana :
TCR = koefisien suhu resitansi (ppm/ºC)
T1 = suhu referensi (ºC)
T2 = suhu saat pengukuran R2 (ºC)
R1 = resistansi dengan suhu referensi T1 (Ω)
2. Koefisien Tegangan Resistansi (VCR)
Resistansi untuk resistor film tebal tidak selalu tetap nilainya
pada saat diberi tegangan. Koefisien tegangan resistansi (Voltage
Coefficient of Resistance) adalah perubahan resistansi sebuah resistor
setiap adanya perubahan tegangan. Nilai VCR didapat dari pengukuran
resistansi dalam dua tegangan yang berbeda. Persamaan untuk VCR
dapat dinyatakan dengan rumus :
Di mana :
VCR = koefisien tegangan resistansi (%/V)
V1 = tegangan referensi (V)
V2 = tegangan pengukuran R2 (V)
R1 = resistansi dengan tegangan referensi V1 (Ω)
R2 = resistansi dengan tegangan V2 (Ω)
1.2.4.2 Perancangan Resistansi
Pembuatan Resistor Teknologi Film Tebal
Praktikum Mikroelektronika
- 7 -
Komponen-komponen yang dapat diproduksi dengan sangat baik
oleh thick film hybrid adalah resistor. Hal ini disebabkan karena pasta
resistor memiliki sheet resistance yang bervariasi sehingga dapat dipilih
potensiometer yang sesuai untuk mencetak resistor dengan ukuran
minimum. Resistansi sebuah resistor berbanding lurus terhadap resistivitas
bahan dan panjang resistor, dan berbanding terbalik dengan daerah luasan
yang tegak lurus arah aliran arus. Resistansi sebuah resistor digambarkan
dalam Gambar 1.
Gambar 1. Resistansi resistor bentuk empat persegi panjang dengan luasan A dan panjang
L
Resistansi R sebuah resistor diberikan dengan rumus :
Di mana :
p = resistivitas (Ω.cm)
l = panjang resistor (cm)
A = luasan yang tegak lurus arah aliran arus (cm2)
R = resistansi (Ω)
Daerah luasan yang tegak lurus arah aliran arus A resistor merupakan
perkalian ketebalan film t dengan lebar w.
Di mana :
A = luasan yang tegak lurus arah aliran arus (cm2)
t = tebal resistor (cm)
Pembuatan Resistor Teknologi Film Tebal
Praktikum Mikroelektronika
- 8 -
w = lebar resistor (cm)
Dari kedua persamaan di atas didapat :
Di mana :
p = resistivitas (Ω.cm)
l = panjang resistor (cm)
t = tebal resistor (cm)
w = lebar resistor (cm)
R = resistansi (Ω)
Ketebalan lapisan film tebal hasil proses di atas substrat dianggap konstan,
sehingga untuk mendapatkan nilai resistor :
Di mana :
p = resistivitas (Ω.cm)
t = tebal resistor (cm)
RS = resistivitas lembaran (W/a)
1.2.4.3 Aspect Ratio
Bentuk resistor teknologi hibrida film tebal dapat berbentuk empat
persegi panjang atau bentuk topi (hat-shaped). Bentuk lengkung, zigzag,
atau bentuk lain yang tidak umum tidak digunakan karena sukar dalam
pembuatan screen dan pengaturan. Panjang l dibagi lebar w menghasilkan
jumlah luasan resistor. Perbandingan panjang dan lebar resistor
didefinisikan sebagai aspect ratio. Nilai aspect ratio sama dengan jumlah
Pembuatan Resistor Teknologi Film Tebal
Praktikum Mikroelektronika
- 9 -
luasan resistor. Perkalian jumlah luasan dengan resistivitas lembaran
adalah besarnya resistansi yang dapat ditulis dalam persamaan berikut :
w
l
R
R
S
Di mana :
RS = resistivitas lembaran (W/a)
l = panjang resistor (cm)
w = lebar resistor (cm)
R = resistansi (Ω)
1.3 Alat dan Bahan yang Digunakan
Substrat keramik / substrat alumina
Screen (untuk membentuk pola)
Screen-holder
Rakel
Series-strip (untuk membersihkan solvent dari screen)
Solvent
Sensitizer
Pasta konduktif
Pasta resistif
M3 (untuk membersihkan pasta)
Air (untuk membersihkan screen)
Lampu mercury 120W (untuk proses fotolitografi)
Oven kecil (suhu 150ºC)
Oven besar (suhu 700ºC)
Hair-dryer
1.4 Prosedur Percobaan
1. Menyiapkan alat dan bahan.
Pembuatan Resistor Teknologi Film Tebal
Praktikum Mikroelektronika
- 10 -
Gambar 2. Substrat keramik / substrat alumina
1 1 6
72
534
Gambar 3. Alat dan bahan yang digunakan pada proses penyablonan substrat
Keterangan :
1. Screen
2. Rakel
3. Series-strip
4. Solvent
5. Sensitizer
6. M3 (untuk membersihkan pasta)
7. Hair-dryer
2. Menyalakan oven besar pada suhu awal ....... ºC untuk mempercepat
kenaikan suhu.
Pembuatan Resistor Teknologi Film Tebal
Praktikum Mikroelektronika
- 11 -
Gambar 4. Tungku yang digunakan pada proses firing
3. Membuat campuran solvent dan sensitizer dengan perbandingan ..... :
..... .
4. Membentuk pola dengan menggunakan campuran solvent-sensitizer
yang dioleskan pada screen dan kemudian diratakan dengan rakel.
5. Mengeringkan screen dengan menggunakan hair-dryer.
6. Meletakkan screen pada screen-holder yang di bawahnya telah
diletakkan substrat keramik.
Gambar 5. Film untuk jalur konduktif
7. Meletakkan film untuk jalur konduktif di atas screen, lalu menutupnya
dengan kaca, kemudian memanaskannya di bawah lampu ultraviolet
untuk proses fotolitografi.
Pembuatan Resistor Teknologi Film Tebal
Praktikum Mikroelektronika
- 12 -
Gambar 6. Lampu ultraviolet sebagai pengganti sinar matahari
8. Membersihkan screen dengan air dan kemudian mengeringkan dengan
hair-dryer.
Gambar 7. Pasta konduktif
Resistivity : ........ Ω/
Gambar 8. Pasta resistif
9. Mengoleskan pasta konduktif di atas pola, kemudian meratakannya
dengan rakel.
10. Panaskan dalam oven kecil selama ..... menit untuk proses drying pada
suhu ..... ºC.
Pembuatan Resistor Teknologi Film Tebal
Praktikum Mikroelektronika
- 13 -
Gambar 9. Tungku yang digunakan pada proses drying
11. Panaskan dalam oven besar selama ..... menit untuk proses firing pada
suhu ..... ºC.
12. Melakukan langkah 1 - 8 sekali lagi, tetapi kali ini film untuk jalur resistif
yang dipakai.
Gambar 10. Film untuk jalur resistif
Ukuran resistor teori : - Panjang (L) : ..... mm
- Lebar (W) : ..... mm
13. Meletakkan keramik yang terpola jalur konduktif ke screen yang
diletakkan pada screen-holder, lalu meletakkan pasta resistif di atas
pola, dan meratakannya dengan rakel.
14. Mengeringkan lapisan tersebut dengan menggunakan oven kecil selama
..... menit pada suhu ..... ºC.
15. Membakar pola konduktif dan resistif dengan menggunakan oven besar
selama ..... menit pada suhu ..... ºC.
Pembuatan Resistor Teknologi Film Tebal
Praktikum Mikroelektronika
- 14 -
1.5 Kesimpulan
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
........................................................................................................................
PRAKTIKUM MIKROELEKTRONIKA
PERCOBAAN 2
VLSI (NMOS DAN PMOS)
ASISTEN PERCOBAAN :
NAMA :
…………………………………………………………………………..
NIM :
……………………………………………………………………………
VLSI – NMOS DAN PMOS
Praktikum Mikroelektronika
- 15 -
BAB 2
N-MOS DAN P-MOS
2.1. Tujuan percobaan
Mengetahui perbedaan komponen diskrit dan komponen terpadu.
Mengetahui karakteristik NMOS dan PMOS sebagai komponen.
Mengetahui pengaruh W/L pada karakteristik komponen.
2.2. Dasar Teori
2.2.1. 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
mulai dari karakteristik tingkat komponen, akibatnya, karakteristik rangkaian
akan berubah saat karakteristik komponen berubah.
Pada praktikum ini dibicarakan mengetahui perubahan karakteristik
rangkaian yang dipengaruhi oleh perubahan karakteristik komponen,
rangkaian tidak hanya dipandang berdasarkan fungsinya saja.
2.2.2. 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
VLSI – NMOS DAN PMOS
Praktikum Mikroelektronika
- 16 -
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.
2.2.3. 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
VLSI – NMOS DAN PMOS
Praktikum Mikroelektronika
- 17 -
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 gate-
isolator-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
VLSI – NMOS DAN PMOS
Praktikum Mikroelektronika
- 18 -
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:
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.
VLSI – NMOS DAN PMOS
Praktikum Mikroelektronika
- 19 -
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:
Akan tetapi dalam proses fabrikasi, parameter-parameter tersebut sudah
ditentukan sehingga persamaan di atas dapat disederhanakan menjadi:
jika
Pada frekuensi tinggi, karakteristik komponen akan berubah karena faktor
kapasitif dan induktif ikut diperhitungkan.
VLSI – NMOS DAN PMOS
Praktikum Mikroelektronika
- 20 -
2.3. Peralatan yang digunakan 1. Seperangkat PC.
2. Program Microwind2.
2.4. Prosedur percobaan
1. Jalankan program microwind2.
2. Atur zoom level hingga menunjukkan skala 5 lamda.
3. Susunlah layout NMOS sesuai dengan gambar (a) dengan
ketentuan perbandingan W dan L seperti pada tabel 1.1.
4. Dapatkan karateristik MOS dengan menekan tombol Simulate MOS
Characteristics, dapatkan grafik vs dengan membiarkan
parameter yang lain tetap.
5. Amati perubahan grafik yang dihasilkan pada setiap percobaan lalu
simpan setiap grafik dan tempel pada lembar analisis.
6. Ulangi langkah 3-5 di atas dengan menggunakan layout PMOS
sesuai dengan gambar (b)
No 1
10
5
2 10
3 20
4 5
10 5 10
6 20
Tabel 1.1 Perbandingan W/L
Gambar a NMOS Gambar b PMOS
VLSI – NMOS DAN PMOS
Praktikum Mikroelektronika
- 21 -
2.5. Lembar Analisis
2.5.1 Analisis Grafik untuk NMOS
Grafik 1 ..........
V
Grafik 2 ..........
V
VLSI – NMOS DAN PMOS
Praktikum Mikroelektronika
- 22 -
Grafik 3 ..........
V
Grafik 4 ..........
V
VLSI – NMOS DAN PMOS
Praktikum Mikroelektronika
- 23 -
Grafik 5 ..........
V
Grafik 6 ..........
V
VLSI – NMOS DAN PMOS
Praktikum Mikroelektronika
- 24 -
2.5.2. Analisis Grafik untuk PMOS
Grafik 1 ..........
V
Grafik 2 ..........
V
Grafik 3 ..........
V
VLSI – NMOS DAN PMOS
Praktikum Mikroelektronika
- 25 -
Grafik 4 ..........
V
Grafik 5 ..........
V
Grafik 6 ..........
V
VLSI – NMOS DAN PMOS
Praktikum Mikroelektronika
- 26 -
2.6 Kesimpulan
1) Buatlah analisis tentang transkonduktansi pada NMOS dan PMOS saat:
a) Nilai W berubah-ubah dengan L tetap
b) Nilai L berubah-ubah dengan W tetap
2) Buatlah analisis tentang kemampuan hantar arus pada NMOS dan PMOS
saat:
a) Nilai W berubah-ubah dengan L tetap
b) Nilai L berubah-ubah dengan W tetap
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................