Efek Elektron Tertransfer
(Transferred Electron Effect (TEDs) )
Berbeda dengan transistor yang berbasis sambungan p–n atau gerbang kontrol, TEDs tidak memiliki sambungan internal dan beroperasi berdasarkan fenomena transport elektron dalam bahan bulk. Material yang digunakan umumnya adalah senyawa semikonduktor seperti GaAs, InP, atau CdTe yang memungkinkan terbentuknya kondisi elektron panas (hot electrons).
Dioda Efek Gunn (Gunn-Effect Diodes)
Efek Gunn ditemukan oleh J. B. Seorang peneliti IBM. Gunn pada tahun
1963 ketika meneliti bahan n-type GaAs, menemukan keanehan ketika medan
listrik melampaui nilai (sekitar 3000 V/cm), arus yang mengalir tidak
lagi stabil, melainkan berosilasi secara periodik. Fenomena ini
menunjukkan bahwa bahan tersebut memiliki resistansi negatif
diferensial.
Fenomena ini mengahasilkan Osilasi yang tercatat bisa mencapai frekuensi 4,5 GHz dengan daya sekitar 0,5 watt, dengan hubungan antara panjang bahan dan frekuensi osilasi diberikan oleh waktu transit elektron. Efek ini kemudian menjadi dasar pengembangan dioda Gunn sebagai sumber dan penguat sinyal gelombang mikro.
Teori Ridley–Watkins–Hilsum (RWH)
Sebelum Gunn dengan penemuannya, tiga ilmuwan Ridley, Watkins, dan Hilsum telah memprediksi fenomena ini melalui teori yang kini dikenal sebagai Ridley–Watkins–Hilsum (RWH) Theory.
Mereka menjelaskan efek Gunn melalui teori yang menyatakan bahwa di kondisi elektron dalam semikonduktor menerima energi tinggi yang berasal dari medan listrik, sebagian elektron berpindah dari pita energi bermobilitas tinggi ke pita energi bermobilitas rendah.
Perpindahan ini menyebabkan penurunan kecepatan drift rata-rata dan menghasilkan resistansi negatif diferensial (DNR). Kondisi DNR ini memicu terbentuknya domain medan tinggi di dalam bahan, yang bergerak melintasi perangkat dan menghasilkan osilasi arus dengan frekuensi tinggi.
Resistansi Negatif Diferensial
Konsep fundamental dari teori RWH adalah pengembangan resistansi negatif diferensial (differential negative resistance) pada bahan semikonduktor majemuk III-V "bulk" (curah) ketika tegangan atau arus tinggi diterapkan padanya.
Efek utama dari munculnya wilayah resistansi negatif diferensial ini adalah membuat sampel material menjadi tidak stabil secara elektrik. Untuk mencapai stabilitas, sampel yang awalnya homogen (seragam) akan berusaha menjadi heterogen (tidak seragam).
Secara matematis, resistansi negatif sampel pada daerah tertentu adalah:
Bentuk ketidak stabilan ini bergantung pada modenya:
- Pada mode terkendali tegangan (yang relevan dengan Efek Gunn), ketidakstabilan ini mengarah pada pembentukan domain medan tinggi (high-field domains). Ini adalah sebuah lapisan tipis di dalam perangkat di mana medan listrik sangat tinggi, sementara medan di wilayah lain menjadi rendah. Lapisan ini terletak tegak lurus terhadap arah aliran arus
- Pada mode terkendali arus, ketidakstabilan ini bermanifestasi sebagai filamen arus tinggi (high-current filaments) yang sejajar dengan arah medan
dengan J adalah E rapat arus dan
Model Dua-Lembah pada n -type GaAs
Berdasarkan pada Model Dua-Lembah, yang menggambarkan energi elektron versus bilangan gelombang (K) pada n-type Galium Arsenida (GaAs). Pita konduksi material ini terdiri dari Lembah Bawah (Lower Valley) dan Lembah Atas (Upper Valley), yang dipisahkan oleh energi △E = 0.36 eV. Kedua lembah ini memiliki karakteristik yang sangat berbeda:
- Lembah Bawah: Memiliki massa efektif (Mel) sebesar 0.068 dan mobilitas μl sebesar 8000 cm2/v. detik (Massa efektif kecil, mobilitas tinggi).
- Lembah Atas: Memiliki massa efektif sebesar (Meu) sebesar 1.2 dan mobilitas μu yang jauh lebih rendah, yaitu 180 cm2/v.detik Pada kondisi keseimbangan (equilibrium condition), kerapatan elektron di lembah bawah (nl) dan atas (nu) tetap sama (Massa efektif besar, mobilitas rendah)cm2
Pada medan listrik E rendah, elektron mayoritas terdapat di lembah bawah. Ketika E melebihi nilai ambang Eth elektron mulai berpindah ke lembah atas dengan mobilitas lebih rendah, menyebabkan penurunan kecepatan drift dan resistansi negatif.
Konduktivitas listrik semikonduktor dinyatakan oleh:
dengan:
- e = muatan elektron (1.6 × 10-19C)
- μe, μu = mobilitas elektron di lembah bawah dan atas
- ne, nu = kerapatan elektron di lembah bawah dan atas
Perubahan konduktivitas menurut medan listrik:
Arus listrik terkait:
Dimana J adalah densitas arus konduksi, σ adalah konduktiftas, dan E adalah medan listrik pada arah X
Kerapatan arus dalam semi konduktor:
Syarat resistansi negatif:
Kriteria Material Semikonduktor untuk Resistansi Negatif
- Perbedaan energi antara lembah bawah dan atas harus lebih besar dari energi panas termal (sekitar 0.026 eV pada suhu kamar) ΔE > kT:
- Energi pemisah lembah harus lebih kecil dari celah pita (gap energi) semikonduktor:ΔE < Eg agar tidak terjadi breakdown karena pembentukan pasangan elektron-lubang.
- Elektron di lembah bawah memiliki mobilitas tinggi, massa efektif kecil, dan densitas keadaan rendah, sementara elektron di lembah atas memiliki mobilitas rendah, massa efektif besar, dan densitas keadaan tinggi.
Fenomena Fisik Domain Medan Tinggi (High Field Domain)
Domain ini bergerak menuju anoda dan menghilang, kemudian siklus berulang membentuk osilasi gelombang mikro. Terbentuk lapisan akumulasi muatan negatif yang memicu resistansi negatif serta fenomena osilasi microwave.
- Sebuah domain akan mulai terbentuk setiap kali medan Listrik di suatu wilayah sampel melebihi ambang batas medan Listrik dan akan bergerak Bersama aliran pembawa muatan melalui perangkat. Ketika medan Listrik meningkat, kecepatam dari elektrom berkurang dan diode GaAs menunjukkan resistansi negative
- Jika tegangan tambahan diterapkan pada perangkat yang mengandung domain, domain tersebut akan bertambah besar dan menyerap teganganlebih besar daripada yang ditambahkan, sementara arus akan berkurang
- Sebuah domain tidak akan menghilang sebelum mencapai anoda kecuali tegangan diturunkan secara signifikan di bawah ambang batas (untuk diode dengan doping dan area yang seragam)
- Pembentukan domain baru dapat dicegah dengan menurunkan tegangan sedikit di bawah ambang batas (dalam rangkaian non-resonansi).
- Suatu domain akan memodulasi arus yang melalui suatu perangkat saat domain tersebut melewati daerah dengan doping dan luas penampang yang berbeda, atau domain tersebut dapat menghilang. Doping efektif dapat divariasikan di daerah sepanjang jalur drift dengan kontak tambahan.
- Panjang domain umumnya berbanding terbalik dengan doping; dengan demikianperangkat dengan hasil perkalian doping yang sama dengan panjang akan berperilaku serupa dalam hal frekuensi dikalikan dengan panjang, tegangan/panjang, dan efisiensi.
- Saat suatu domain melewati suatu titik dalam perangkat, domain tersebut dapat dideteksi oleh kontak kapasitif, karena tegangan berubah secara tiba-tiba saat domain tersebut lewat. Keberadaan suatu domain di mana pun dalam suatu perangkat dapat dideteksi oleh penurunan arus atau oleh perubahan impedansi diferensial
Perangkat Elektron Berpindah dan Mode Operasi Dioda Efek Gunn
Perangkat elektron berpindah (Transferred Electron Devices atau TEDs) merupakan jenis perangkat semikonduktor yang memanfaatkan mekanisme efek Gunn untuk menghasilkan osilasi dan amplifikasi sinyal frekuensi tinggi, khususnya dalam rentang gelombang mikro hingga milimeter. Perangkat ini banyak dibuat dari Gallium Arsenide (GaAs) tipe-n dengan konsentrasi elektron bebas yang bervariasi dari 1014 hingga 1011 per cm3 pada suhu kamar. Umumnya perangkat ini adalah 150 x 150 μm2 dengan panjang berkisar 30 μm
Sejak penemuan fenomena osilasi microwave oleh J.B. Gunn pada tahun 1963, perkembangan teknologi TED terus bertambah, memungkinkan munculnya berbagai mode operasi yang berbeda sesuai parameter material dan kondisi pengoperasian.
Pembentukan Muatan Ruang dalam TEDs :
Prinsip kerja TED tergantung pada pembentukan lapisan ketidakstabilan muatan ruang (space-charge instability) yang kuat. Untuk akumulasi muatan ruang ini terjadi secara efektif, terdapat dua syarat utama :
- Ketersediaan muatan yang cukup dalam kristal
- Panjang perangkat cukup untuk memungkinkan pembentukan muatan ruang selaa masa transit elektron
Secara matematis, pertumbuhan lapisan muatan ruang mengikuti hubungan :
Faktor pertumbuhan muatan ruang maksimum (growth factor) selama masa
transit dihitung dari produk konsentrasi doping no dan
panjang perangkat L
Ini menjadi kriteria utama untuk klasifikasi mode-mode operasi TED
Mode-Mode Operasi Dioda Efek Gunn
Penelitian oleh Copeland mengidentifikasi empat mode operasi
dasar pada dioda efek Gunn berbasis n-type GaAs dengan kontak
resistansi rendah, yang bisa digambarkan dalam diagram hubungan
produk frekuensi kali panjang
- Mode Osilasi Gunn (Gunn Oscillation Mode)
- Mode Amplifikasi Stabil (Stable Amplification Mode)
- Mode Osilasi LSA (Local Space Charge Amplification Oscillation Mode)
- Mode Osilasi Rangkaian Bias (Bias-Circuit Oscillation Mode)
Karakteristik dan Sub-mode Osilasi Gunn
Pada mode osilasi Gunn, pembentukan domain tegangan tinggi dapat
dijelaskan melalui tiga sub-mode berdasarkan kecepatan drift
elektron Vd dan keadaan domain :
- Transit-time Domain Mode
- Delayed Domain Mode
- Quenched domain mode
Deteksi Domain dan Efeknya
Domain muatan tinggi yang bergerak dalam perangkat dapat dideteksi dengan beberapa cara:
- Kontak kapasitif yang dapat mendeteksi perubahan tegangan mendadak saat domain melewati titik tertentu,
- Penurunan arus total dioda,
- Perubahan impedansi diferensial dioda.
Panjang domain tegangan utama berbanding terbalik dengan
tingkat doping; doping yang tinggi menghasilkan domain lebih
pendek dan sebaliknya. Panjang domain selalu lebih panjang dari
panjang difusi termal pembawa muatan, yang sekitar 1
μm untuk doping 1016/cm3 dan
sekitar 10 μm untuk doping 1014/cm3
Mode LSA (Limited Space-Charge Accumulation)
(f′ > 2 × 10⁷ cm/s)
Pada frekuensi tinggi, domain tidak sempat terbentuk saat medan melebihi ambang batas, sehingga perangkat beroperasi pada kondisi konduktansi negatif selama sebagian besar siklus. Akumulasi elektron di dekat katoda segera hilang ketika medan turun di bawah ambang. Mode ini merupakan yang paling sederhana karena menggunakan semikonduktor berdoping seragam tanpa muatan ruang internal. Medan listrik bersifat seragam dan arus sebanding dengan kecepatan hanyut elektron. Efisiensinya dapat mencapai sekitar 20%.
Mode Amplifikasi Stabil (Stable Amplification Mode) (noL < 10¹²/cm²)
Pada mode ini, perangkat menghasilkan penguatan sinyal tanpa osilasi spontan karena konduktansi negatif dimanfaatkan tanpa pembentukan domain. Jumlah pembawa muatan yang sedikit menyebabkan domain tidak sempat terbentuk selama waktu transit, sehingga penguatan terjadi pada frekuensi mendekati frekuensi waktu transit. Mode ini pertama kali diamati oleh Thim dan Barber serta dikembangkan lebih lanjut oleh Uenohara, yang menemukan adanya variasi tipe amplifikasi bergantung pada nilai produk fL
Dioda LSA (Limited Space-Charge Accumulation Diodes)
Mode LSA pada dioda Gunn bekerja dengan membatasi pembentukan muatan ruang agar osilasi tetap stabil. Ketika tegangan RF berada di bawah ambang batas, muatan ruang hilang, dan saat di atas ambang batas hanya terjadi sesaat sehingga tidak sempat menimbulkan domain. Dengan demikian, dioda berperilaku seperti resistansi negatif yang menentukan frekuensi osilasi bersama rangkaian resonansi eksternal.
Mode frekuensi ini tidak bergantung pada waktu pembentukan domain, melainkan pada resonator eksternal dengan
Mode LSA memungkinkan daya keluaran lebih besar
dibandingkan mode lainnya, namun sangat sensitif terhadap
suhu, doping, dan kestabilan arus RF yang harus cukup
besar untuk mencegah terbentuknya domain penuh.
Rumus Daya Keluaran (LSA Mode)
Dengan:
- η : Efisiensi konversi DC ke RF
- V0 : Tegangan Operasi
- I0 : Arus operasi
- M : faktor penggandaan tegangan
- Eth : medan ambang (~3400 V/cm)
- L : panjang perangkat (10–200 μm)
- e : konsentrasi donor (~10¹⁵ e/cm³)
- v0: kecepatan hanyut rata-rata (~107 cm/s)
- A : luas area perangkat (3 × 10-4 – 20 × 10-4 cm2)
lnP DIODES
Dioda InP bekerja berdasarkan prinsip efek Gunn seperti halnya
dioda GaAs, namun memiliki karakteristik yang berbeda karena
struktur pita energinya terdiri dari tiga lembah energi: lembah
bawah, lembah tengah, dan lembah atas. Kopling antara lembah bawah
dan lembah tengah pada InP tergolong lemah, sedangkan antara
lembah tengah dan lembah atas cukup kuat. Hal ini menyebabkan
elektron cenderung terkonsentrasi di lembah tengah pada kondisi
operasi normal, sehingga mengurangi efek degradasi termal dan
menurunkan rasio arus puncak-ke-lembah menjadi sekitar empat kali
lebih kecil dibanding GaAs.
Berbeda dengan dioda Gunn konvensional, dioda InP beroperasi
dalam mode tanpa pembentukan domain muatan yang jelas. Arus
keluarannya bergantung pada fenomena *transit-time*, yaitu
pergerakan elektron melalui daerah aktif dengan kecepatan
sekitar 10⁷ cm/s. Mode ini memang menurunkan efisiensi karena
rasio arus puncak-ke-lembah lebih kecil, namun di sisi lain
menghasilkan kestabilan yang lebih baik pada frekuensi
tinggi.
Model tiga-lembah pada InP juga memperkuat kopling elektron dan
meningkatkan difusi, sehingga mencegah terbentuknya domain
muatan seperti pada dioda GaAs. Hasil penelitian menunjukkan
bahwa osilasi pada dioda InP terjadi murni akibat fenomena
“transit-time”, bukan akibat pembentukan domain. Frekuensi
osilasi dioda InP juga bergantung pada ketebalan lapisan
aktif—semakin tipis lapisan aktifnya, semakin tinggi
frekuensinya. Dengan demikian, dioda InP lebih cocok digunakan
untuk aplikasi frekuensi tinggi, meskipun efisiensinya sedikit
lebih rendah dibanding perangkat berbasis GaAs.
CdTe DIODES
Efek Gunn, yang melibatkan transfer elektron antar pita energi konduksi akibat medan listrik tinggi, telah diamati pada berbagai semikonduktor tipe-n selain GaAs, termasuk Kadmium Telurida (n-CdTe). Mekanisme ini identik pada kedua material, di mana minimum energi (000) adalah yang terendah.
Karakteristik CdTe memiliki Massa Efektif meff= 0.11 m dan dengan Mobilitas Intrinsik μ = 1100 cm2/V · s (pada suhu kamar)
Perbedaan Kritis: Ambang Batas Medan (Threshold Field)
Perbedaan utama CdTe dari GaAs adalah ambang batas medan pemicu Efek Gunn yang jauh lebih tinggi:
- CdTe : ≈ 13 kV/cm
- GaAs : ≈ 3 kV/cm
Tingginya ambang batas ini disebabkan oleh kopling kuat antara elektron dengan fonon optik longitudinal (getaran kisi). Kopling ini membatasi mobilitas dan secara efisien mentransfer energi elektron ke kisi.
Dalam hal kinerja, CdTe menunjukkan efisiensi maksimum yang
mirip dengan GaAs. Rasio arus puncak-ke-lembahnya dapat mencapai
50% dari total arus maksimum, dan kecepatan domain yang serupa
memungkinkan kedua material beroperasi pada frekuensi yang sama
dalam mode waktu-transit. Namun, ambang batas medan yang tinggi
dan konduktivitas termal CdTe yang buruk menimbulkan masalah
pemanasan yang signifikan. Solusinya adalah penggunaan pulsa
tegangan yang sangat pendek. Dengan cara ini, panas dapat
hilang, dan medan operasi yang tinggi pada sampel CdTe justru
dapat dimanfaatkan sebagai keuntungan dalam aplikasi frekuensi
tinggi.
PEMBANGKITAN DAN PENGUATAN GELOMBANG MIKRO
Pembangkitan Gelombang Mikro
Pada pembentukan awal lapisan akumulasi, medan di belakang lapisan berkurang dan medan di depannya meningkat. Proses ini berlanjut saat lapisan bergerak dari katoda menuju anoda. Saat lapisan mendekati anoda, medan di belakangnya mulai meningkat lagi; dan setelah lapisan dikumpulkan oleh anoda, medan di seluruh sampel lebih tinggi daripada ambang batas. Ketika domain medan tinggi menghilang di anoda, medan dipol baru mulai terbentuk lagi di katoda dan proses berulang. Karena kerapatan arus sebanding dengan kecepatan apung elektron, keluaran arus berdenyut diperoleh. Frekuensi osilasi arus berdenyut diberikan oleh
Dioda GaAs tipe-n telah menunjukkan performa daya pulsa hingga 200W pada 3.05GHz dan daya Continuous Wave (CW) hingga 780mW pada 8.7GHz, dengan efisiensi puncak 29% (pulsa) dan 9.2% (CW).
Meskipun perangkat solid-state ini memiliki keunggulan atas
tabung vakum, kelemahan utamanya meliputi:
- Efisiensi rendah pada frekuensi di atas 10 GHz
- Rentang penyetelan kecil
- Ketergantungan frekuensi yang besar pada suhu
- Derau (noise) tinggi (meskipun osilator Gunn memiliki kinerja derau yang lebih baik daripada dioda IMPATT)
- Penguat Stabil:
- Kondisi : n0L < 1012/cm2
- Hasil : Pembentukan domain dihalangi, dan perangkat mempertahankan distribusi medan yang stabil. Dioda ini menguatkan sinyal di dekat frekuensi waktu-transit tanpa berosilasi, namun daya keluarannya rendah.
- Penguat Domain Berjalan (Traveling Domain Amplifier/TDA):
- Kondisi : n0L > 1012/cm2
- Hasil : Dioda berosilasi pada frekuensi waktu-transit sambil menguatkan pada frekuensi sinyal RF. Adanya osilasi domain berjalan memungkinkan daya keluaran yang jauh lebih besar.
Politeknik Negeri Malang
Jurusan Teknik Elektro
Program Studi Teknik Telekomunikasi
AUTHOR
Alvaro Mangampu Tua Sinaga
NIM : 243101030055
Denis Aualya Nisa Savira
NIM : 243101030038
Nova Adyamecca Azzahra
NIM : 243101030030
Rendy Satriya Putra
NIM : 243101030021
Tio Rizal Aditama
NIM : 2331130058

