Transistor Gelombang Mikro dan Dioda Terowongan

Pendahuluan

Perkembangan teknologi elektronik modern tidak dapat dilepaskan dari kemajuan perangkat semikonduktor, terutama perangkat yang beroperasi pada frekuensi tinggi atau gelombang mikro (microwave). Aplikasi seperti radar, telekomunikasi nirkabel, sistem navigasi, hingga perangkat industri dan medis membutuhkan komponen yang mampu bekerja secara stabil pada frekuensi gigahertz dengan efisiensi tinggi.

Dalam konteks ini, perangkat seperti Microwave Bipolar Transistors (BJT), Heterojunction Bipolar Transistor (HBT), dan Tunnel Diode menjadi sangat penting. Setiap perangkat memiliki karakteristik unik yang mempengaruhi performanya dalam penguatan sinyal, osilasi, maupun proses switching.

Semikonduktor seperti Silikon (Si), Germanium (Ge), dan Galium Arsenida (GaAs) menjadi material utama karena sifat kelistrikannya yang dapat diatur melalui doping, temperatur, dan eksitasi optik. Kemampuan ini memungkinkan pembuatan perangkat microwave yang lebih cepat, efisien, dan tahan terhadap efek panas serta radiasi.

Artikel ini bertujuan menjelaskan secara komprehensif—namun mudah dipahami—mengenai prinsip kerja, struktur, karakteristik, serta fenomena unik dari transistor dan dioda gelombang mikro.

TABEL 5.0.1 PERANGKAT SOLID STATE-MICRO

Gelombang Mikro perangkat solid-state	Transistor gelombang Mikro	BJT Gelombang Mikro
		HBT
		Dioda Terowongan

	Transistor Efek Medan	JFET
		MESFET,HEMT
		MOSFET
		NMOS, PMOS,CMOS
		Memories
		CCD

	Perangkat elektron yang ditransfer	Dioda Gunn
		Dioda LSA
		Dioda InP
		Dioda CdTe

	Waktu Transit Longsor Perangkat	Dioda Read
		Dioda IMPATT
		Dioda TRAPATT
		Dioda BARITT

Semikonduktor menjadi pilihan ideal untuk perangkat elektronik karena sifat listriknya dapat berubah akibat temperatur, cahaya, dan doping. Perilaku kelistrikannya ditentukan oleh struktur pita energi. Di dalam semikonduktor terdapat daerah terlarang (bandgap) yang tidak memiliki keadaan energi. Pita di atas bandgap disebut pita konduksi (Ec), sedangkan pita di bawahnya adalah pita valensi (Ev).

Elektron dapat berpindah dari pita valensi ke pita konduksi jika mendapat energi tambahan, dan perpindahan ini menghasilkan pasangan elektron–hole yang berperan dalam konduksi listrik. Besarnya bandgap tiap material memengaruhi kemampuan dan aplikasi semikonduktor tersebut dalam perangkat elektronik.

TABEL 5.0.2 SIFAT SIFAT SEMIKONDUKTOR PENTING

Semikonduktor	Energi Celah Pita (eV)		Mobilitas pada 300° K (cm2/V•s)		Konstanta dielektrik relatif
Semikonduktor	0° K	300° K	Lubang	Elektron	Konstanta dielektrik relatif
C	5.51	5.47	1600	1800	5.5
Ge	0.89	0.803	1900	3900	16
Si	1.16	1.12	450	1600	11.8
AlSb	1.75	1.63	420	200	11
GaSb	0.80	0.67	1400	4000	15
GaAs	1.52	1.43	400	8500	13.1
GaP	2.40	2.26	75	110	10
InSb	0.26	1.80	750	78,000	17
InAs	0.46	0.33	460	33,000	14.5
InP	1.34	1.29	150	4600	14
CdS	2.56	2.42	50	300	10
CdSe	1.85	1.70		800	10
ZnO		3.20		200	9
ZnS	3.70	3.60		165	8

Pita valensi pada semikonduktor dilambangkan sebagai Ev, dan jarak antara tepi bawah pita konduksi dan tepi atas pita valensi disebut energi celah pita (Eg), yaitu parameter terpenting dalam menentukan sifat kelistrikan semikonduktor. Secara konvensional, energi elektron dianggap positif ke arah atas, sedangkan energi hole positif ke arah bawah. Hubungan ini biasanya digambarkan dalam diagram pita energi seperti pada Gambar 5-0-1.

Transistor gelombang mikro pada tahun 1970-an mampu menghasilkan daya hingga sekitar 5 GHz, sementara dioda avalanche sudah dapat menghasilkan lebih dari 4 W daya gelombang kontinu pada frekuensi yang sama. Dioda Gunn, yang awalnya hanya untuk aplikasi berdaya rendah, kemudian terbukti mampu menghasilkan sekitar 1 W pada pita X. Pada frekuensi lebih tinggi hingga gelombang milimeter, dioda LSAS mampu memberikan daya puncak sangat besar: 250 W (pita C), 100 W (pita X), dan 50 W (pita Ku).

Dioda Gunn dan TRAPATT bekerja sebagai perangkat waktu transit, sehingga frekuensi operasinya terutama ditentukan oleh ketebalan lapisan aktif. Untuk mencapai 10 GHz, diperlukan lapisan aktif sekitar 10 µm, tetapi lapisan setipis ini hanya dapat menahan tegangan terbatas sebelum terjadi breakdown.

Daya puncak dioda Gunn berdenyut dan dioda TRAPATT menurun pada frekuensi tinggi karena keterbatasan mekanisme waktu transit. Sebaliknya, dioda LSA mampu menghasilkan daya puncak jauh lebih besar karena daya maksimumnya meningkat sebanding dengan kuadrat ketebalan lapisan aktif, sementara frekuensi kerjanya tidak bergantung pada ketebalan tersebut.

Akibatnya, dioda LSA dapat melampaui performa puncak dioda Gunn maupun TRAPATT pada frekuensi gelombang mikro. Grafik pada Gambar 5-0-2 memperlihatkan perbandingan daya puncak ketiga perangkat tersebut terhadap frekuensi.

Perangkat solid-state gelombang mikro banyak digunakan dalam radar, komunikasi, navigasi elektronik, industri, serta peralatan medis dan biologi, dengan aplikasi-aplikasi representatif tercantum dalam Tabel 5-0-3.

TABEL 5.0.3 SIFAT - SIFAT SEMIKONDUKTOR PENTING

PERANGKAT APLIKASI KEUNTUNGAN

Transistor L-band transmitters for telemetry low cost,low power

systems and phased array radar

systemsL- and S-band transmitters for

communications systems

TED C-, X-, and Ku-band ECM amplifiers low power(12v),cost

for wideband systems

X- and Ku-band transmitters for radar

systems, such as traffic control

IMPATT Transmitters for millimeter-wave low power,cost,weight

communications systems

TRAPATT S-band pulsed transmitters for high peak average powr

phased array radar systems

BARITT Local oscillators in communications low cost,power,noise

and radar receivers

5-1 TRANSISTOR BIPOLAR GELOMBANG MIKROGELOMBANG

Penemuan transistor pada tahun 1948 oleh William Shockley dan tim Bell Labs merevolusi teknologi elektronik, menggantikan tabung vakum pada perangkat berdaya rendah. Dalam tiga dekade terakhir, teknologi transistor gelombang mikro berkembang pesat. Meskipun bekerja dengan prinsip yang sama seperti transistor frekuensi rendah, transistor gelombang mikro membutuhkan kontrol dimensi, proses fabrikasi, pembuangan panas, dan pengemasan yang jauh lebih presisi.

Untuk aplikasi microwave, transistor bipolar silikon (Si) mendominasi frekuensi dari UHF hingga sekitar 3 GHz, dan perkembangan teknologi telah memperluas batas frekuensi operasinya hingga 22 GHz. Walaupun GaAs menawarkan kinerja lebih baik pada suhu tinggi, frekuensi tinggi, dan ketahanan radiasi, transistor bipolar Si tetap lebih populer karena murah, tahan lama, mudah diintegrasikan, serta memberikan penguatan tinggi dan angka derau unggul.

Karena karakteristik inilah, transistor bipolar Si menjadi pilihan utama untuk penguat frekuensi rendah–menengah dan sering digunakan sebagai perangkat osilator lokal.

5-1-1 Struktur Fisik

Semua transistor gelombang mikro modern menggunakan struktur planar dan umumnya bertipe silikon n-p-n. Terdapat tiga geometri utama—interdigitasi, overlay, dan matriks (mesh/emitter grid)—seperti pada Gambar 5-1-1. Geometri interdigitasi digunakan untuk sinyal dan daya kecil, sedangkan overlay dan matriks terutama untuk aplikasi daya kecil. Perbandingan karakteristik ketiga struktur ini disajikan dalam Tabel 5-1-1.

Gambar 5-1-1 Geometri permukaan transistor daya gelombang mikro. (Dari H. Sobol dan F. Sterzer [ 1]: dicetak ulang dengan izin IEEE. Inc.)

Untuk aplikasi frekuensi tinggi, transistor n-p-n lebih dipilih karena mobilitas elektron (µₙ = 1500 cm²/V·s) jauh lebih tinggi dibandingkan mobilitas hole (µₚ = 450 cm²/V·s). Contoh distribusi dopingan untuk transistor n-p-n ditunjukkan pada Gambar 5-1-2.

Transistor gelombang mikro dapat dibuat dengan berbagai metode, tetapi difusi dan implantasi ion adalah teknik yang paling umum. Proses fabrikasi biasanya dimulai dengan lapisan epitaksial tipe-n berdoping ringan sebagai kolektor. Selanjutnya, basis tipe-p dibentuk melalui proses difusi balik, dan kemudian emitor dibuat di atasnya melalui doping tinggi.

Perangkat-perangkat ini dapat dikelompokkan menjadi empat kelompok utama. Kelompok pertama mencakup transistor bipolar junction mikrowave (BJT), transistor heterojunction bipolar (HBT), dan dioda tunnel, yang akan dibahas secara mendalam dalam bab ini. Kelompok kedua meliputi field-effect transistor (FET) mikrowave seperti junction field-effect transistor (JFET), metal-semiconductor field-effect transistor (MESFET), high electron mobility transistor (HEMT), dan metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET). Kelompok ketiga ditandai dengan efek bulk semiconductor dan mencakup transferred electron device (TED) seperti dioda Gunn, limited space-charge-accumulation diode (LSA), dioda indium phosphide (InP), dan dioda cadmium telluride (CdTe). Kelompok keempat dioperasikan berdasarkan efek avalanche semiconductor dan terdiri dari avalanche diode, impact ionization avalanche transit-time diode (IMPATT), trapped plasma avalanche triggered transit-time diode (TRAPATT), dan barrier injected transit-time diode (BARITT). Dalam mempelajari perangkat solid-state mikrowave, perilaku elektrik dari zat padat menjadi item pertama yang harus diselidiki, karena transportasi muatan melalui semiconductor bergantung tidak hanya pada sifat elektron tetapi juga pada pengaturan atom dalam zat padat.

Sifat-Sifat Semikonductor dan Pita Energi

Semikonductor adalah kelompok zat yang memiliki konduktivitas elektrik berada di antara logam dan isolator. Keunggulan semikonductor adalah konduktivitasnya dapat divariasikan dalam rentang lebar melalui perubahan temperatur, eksitasi optik, dan isi impuritas, menjadikannya pilihan alami untuk perangkat elektronik. Properti semiconductor penting seperti silikon (Si), germanium (Ge), gallium arsenide (GaAs), dan lainnya ditampilkan dalam tabel yang merincikan energy bandgap, mobilitas muatan, dan konstanta dielektrik. Pita energi semiconductor memainkan peran besar dalam menentukan perilaku elektriknya. Untuk setiap semiconductor terdapat daerah energi terlarang di mana tidak ada keadaan yang diperbolehkan. Pita energi di atas daerah terlarang disebut pita konduksi dengan batas bawah ditandai Ec, sedangkan pita energi di bawah daerah terlarang disebut pita valensi dengan batas atas ditandai Ev. Pemisahan antara energi pita konduksi terendah dan pita valensi tertinggi disebut energy bandgap Eg, yang merupakan parameter paling penting dalam semiconductor. Energi elektron secara konvensional didefinisikan sebagai positif ketika diukur ke atas, sedangkan energi lubang positif ketika diukur ke bawah. Diagram pita energi yang disederhanakan menunjukkan hubungan antara berbagai tingkat energi ini.

Perkembangan Transistor Mikrowave

Pada tahun 1970-an, tampak bahwa transistor mikrowave akan berguna untuk menghasilkan daya hingga sekitar 5 GHz. Sejak awal penemuannya, dioda avalanche telah menghasilkan lebih dari 4 W continuous wave (CW) pada 5 GHz, dan dioda Gunn yang sebelumnya hanya dianggap untuk aplikasi local oscillator atau low-power transmitter, kini hasil terbaru menunjukkan bahwa sebuah dioda Gunn tunggal dapat menghasilkan daya output 1 W pada X band. Pada frekuensi mikrowave yang lebih tinggi dan bahkan melampaui rentang millimeter, limited space-charge-accumulation diode (LSA) dapat memberikan puncak daya tertinggi dari perangkat solid-state apapun, hingga 250 W pada C band, 100 W pada X band, dan 50 W pada Ku band. Karena dioda Gunn dan TRAPATT berdenyut pada dasarnya adalah perangkat transit-time, frekuensi operasional mereka kurang lebih ditentukan oleh ketebalan lapisan aktif dalam dioda. Frekuensi operasional 10 GHz memerlukan ketebalan lapisan aktif dalam urutan 10 mikron. Dengan demikian hanya tegangan terbatas yang dapat diterapkan pada lapisan setipis itu karena keterbatasan breakdown. Oleh karena itu, kemampuan daya puncak baik dioda Gunn berdenyut maupun dioda TRAPATT sangat terbatas pada frekuensi yang lebih tinggi.

Transistor Bipolar Mikrowave: Struktur Fisik

Semua transistor mikrowave saat ini adalah planar dan hampir semua adalah jenis silicon n-p-n. Geometri dapat dikarakterisasi menjadi tiga tipe: interdigitated untuk small signal dan power applications, overlay dan matrix (mesh atau emitter grid) yang digunakan untuk small power applications saja. Untuk aplikasi frekuensi tinggi, struktur n-p-n lebih disukai karena mobilitas elektron μn sebesar 1500 cm²/Vs jauh lebih tinggi dibandingkan mobilitas lubang μp sebesar 450 cm²/Vs. Struktur transistor biasanya dimulai dengan lapisan epitaxial n-type yang lightly doped sebagai kolektor. Daerah base dibentuk dengan counter-doping region p-type melalui difusi. Emitter dibentuk dengan difusi n-type yang heavily doped atau melalui ion implantation. Kontak emitter dan base umumnya terletak pada permukaan semiconductor dalam susunan planar interdigital. Geometri interdigital selalu menyediakan n+1 jari base, di mana n adalah jumlah jari emitter. Jumlah jari bervariasi tergantung aplikasi, dengan lebih banyak jari yang diperlukan ketika kemampuan daya output transistor meningkat. Jari tambahan, bagaimanapun, meningkatkan parasitik perangkat dan menurunkan noise dan kemampuan frekuensi atas dari perangkat.

Konfigurasi Transistor Bipolar

Secara umum terdapat dua jenis transistor bipolar yaitu p-n-p dan n-p-n. Dalam aplikasi praktis, transistor dapat dihubungkan dalam tiga konfigurasi berbeda: common base (CB), common emitter (CE), dan common collector (CC), tergantung polaritas tegangan bias yang terhubung ke terminalnya. Konfigurasi common-base merujuk pada konfigurasi di mana sirkuit input emitter dan sirkuit output kolektor mempunyai base yang sama. Konfigurasi CB juga disebut grounded-base configuration. Untuk transistor p-n-p, komponen arus terbesar disebabkan oleh lubang yang mengalir dari emitter ke kolektor dan turun menuju ground keluar dari terminal base. Dalam transistor n-p-n semua polaritas arus dan tegangan negatif terhadap yang ada di transistor p-n-p. Konfigurasi CB dari transistor biasanya digunakan dalam aplikasi amplifier. Sebagian besar transistor memiliki emitter, bukan base mereka, sebagai terminal untuk kedua jaringan input dan output. Konfigurasi semacam ini dikenal sebagai common-emitter (CE) atau grounded-emitter configuration. Dalam konfigurasi CE, arus input IB dan tegangan output VCE adalah variabel independen. Konfigurasi transistor-sirkuit ketiga disebut common-collector atau grounded-collector configuration. Dalam konfigurasi CC, tegangan output beban diambil dari terminal emitter daripada dari kolektor seperti dalam konfigurasi common-base dan common-emitter.

Model Equivalent Hybrid-Pi dan Karakteristik Sinyal Kecil

Model equivalent hybrid-pi secara umum digunakan dalam mode active normal dari konfigurasi common-emitter untuk operasi sinyal kecil. Parameter hybrid-pi yang nonlinear atau ac dapat diekspresikan melalui persamaan hybrid-pi standar yang menghubungkan tegangan dan arus pada port input dan output transistor. Ketika dimensi transistor bipolar junction menjadi sangat kecil, parameter Z, Y, atau H tidak dapat diukur karena terminal input dan output tidak dapat direalisasikan secara openly dan shortly. Oleh karena itu, parameter S secara umum diukur. Dalam desain transistor, diperlukan untuk mengkonversi parameter S menjadi parameter Y untuk komputasi komponen jaringan. Perubahan inkremental pada tegangan emitter akan menginduksi perubahan inkremental pada arus kolektor output. Mutual conductance atau transconductance dari transistor sinyal kecil didefinisikan dari teori junction dioda, di mana kepadatan kesetimbangan termal pada junction sama dengan kepadatan minoritas dikalikan faktor tegangan forward-bias. Kapasitansi difusi di base charge-storage diberikan oleh persamaan khusus yang menggambarkan penyimpanan muatan dalam transistor. Konduktansi input sinyal kecil pada emitter junction didefinisikan sebagai rasio perubahan arus input terhadap perubahan tegangan input.

Prinsip Operasi dan Mode Operasi BJT

Transistor bipolar junction (BJT) adalah perangkat aktif tiga-terminal yang secara umum digunakan sebagai amplifier atau switch. Mode operasi transistor bergantung pada polaritas tegangan yang diterapkan pada kedua junction, menghasilkan empat mode berbeda: normal active mode, saturation mode, cutoff mode, dan inverse atau inverted mode. Dalam normal mode, jika junction emitter dari transistor n-p-n adalah forward-biased dan kolektor adalah reverse-biased, transistor beroperasi dalam normal mode. Sebagian besar amplifier transistor beroperasi dalam normal mode, dan common-base current gain alpha-nya dikenal sebagai normal alpha (aN). Ketika kedua junction transistor adalah forward-biased, transistor berada dalam saturation mode dengan resistansi sangat rendah dan bertindak seperti short circuit. Jika kedua junction transistor adalah reverse-biased transistor beroperasi dalam cutoff mode. Kedua mode cutoff dan saturation digunakan sebagai switching devices untuk keadaan OFF dan ON. Ketika emitter adalah reverse-biased dan kolektor adalah forward-biased, transistor beroperasi dalam inverse atau inverted mode dengan current gain didesignasikan sebagai inverse alpha (aI). Jika transistor simetrik, normal alpha hampir sama dengan inverse alpha, meskipun keduanya tidak benar-benar sama karena doping yang tidak sama.

Aliran Arus dan Analisis Difusi

Ketika transistor dipolarisasi dengan benar, lubang dan elektron dalam transistor akan mengikuti arah medan dalam gerakan. Analisis arus dalam transistor bipolar junction ideal n-p-n dilakukan di bawah asumsi bahwa resistivitas daerah semiconductor rendah, kepadatan arus terinjeksi rendah, efek perlahan space-charge layer dapat diabaikan, dan arus serta tegangan junction dioda n-p mengikuti persamaan dasar. Untuk transistor common-base n-p-n, junction emitter adalah forward-biased dan junction kolektor adalah reverse-biased. Akibatnya, arus emitter terdiri dari arus elektron InE yang melintas dari emitter ke base dan arus lubang IpE yang melintas dari base ke emitter. Karena doping emitter jauh lebih besar daripada doping base, arus lubang diabaikan. Tidak semua elektron yang melintas junction emitter mencapai junction kolektor karena beberapa mengalami rekombinasi dengan lubang di base p-type. Jika Inc adalah arus elektron pada junction kolektor, maka harus ada arus rekombinasi InE - Inc yang meninggalkan base. Persamaan difusi steady-state untuk transistor n-p-n pada low-level injection memberikan solusi umum yang menghasilkan distribusi minority carrier dalam base. Kondisi batas pada tepi depletion layer emitter di sisi base dengan junction emitter yang forward-biased diberikan oleh hubungan exponential. Kondisi batas pada tepi depletion layer reverse-biased kolektor biasanya diasumsikan nol.

Batasan Daya-Frekuensi dan Keterbatasan Operasi

Dalam mempelajari transistor mikrowave, pertanyaan muncul mengenai apakah transistor power mikrowave memiliki keterbatasan pada frekuensi dan daya output mereka. Jawabannya adalah ya. Johnson telah mendiskusikan subjek ini secara detail dan mengajukan tiga asumsi fundamental. Pertama, terdapat kecepatan maksimum yang mungkin dari carrier dalam semiconductor, yaitu saturated drift velocity pada urutan 6×10⁶ cm/s untuk elektron dan lubang dalam silicon dan germanium. Kedua, terdapat medan listrik maksimum yang dapat dipertahankan dalam semiconductor tanpa onset avalanche multiplication, sekitar 10⁵ V/cm pada germanium dan 2×10⁵ V/cm pada silicon. Ketiga, arus maksimum yang dapat dibawa oleh transistor power mikrowave terbatas oleh lebar base. Dengan postulat ketiga ini Johnson menurunkan empat persamaan dasar untuk keterbatasan daya-frekuensi pada transistor power mikrowave.

Persamaan pertama adalah voltage-frequency limitation yang menunjukkan hubungan antara tegangan maksimum yang diizinkan dan frekuensi cutoff. Dengan carrier bergerak pada kecepatan 6×10⁶ cm/s, transit time dapat dikurangi lebih lanjut dengan mengurangi jarak emitter-collector. Batas bawah pada transit time tercapai ketika medan listrik sama dengan dielectric breakdown field. Namun, keadaan seni saat ini dalam fabrikasi transistor mikrowave membatasi panjang emitter-collector ke sekitar 25 μm untuk perangkat overlay dan matrix dan hampir 250 μm untuk perangkat interdigitated. Akibatnya ada batas atas pada frekuensi cutoff. Dalam praktik, frekuensi cutoff yang dapat dicapai jauh lebih rendah daripada frekuensi maksimum yang mungkin karena saturated velocity dan intensity medan listrik tidak akan uniform

Ringkasan Microwave Bipolar Transistors dan Tunnel Diodes

Halaman ini merangkum Bab 5, khususnya bagian Microwave Bipolar Transistors serta pengenalan awal Tunnel Diodes. Materi ini digunakan dalam bidang elektronika dan telekomunikasi pada frekuensi mikro (microwave).

1. Microwave Bipolar Transistors (BJT)

Transistor bipolar (BJT) di frekuensi mikro digunakan dalam radar, komunikasi, dan sistem RF lainnya. BJT silikon (Si) n-p-n umum digunakan pada UHF sampai S-band (sekitar 3 GHz), bahkan bisa mencapai 22 GHz.

Keunggulan BJT Microwave

Supply rendah
Biaya murah
Reliabilitas tinggi
Noise rendah
Gain tinggi

1.1 Struktur Fisik dan Geometri

Transistor microwave dibuat dengan teknologi planar dan biasanya bertipe n-p-n.

Tiga bentuk geometri utama:

Interdigitated – cocok untuk sinyal kecil & daya
Overlay – daya kecil
Matrix / Mesh – daya kecil

Catatan: semakin banyak emitter fingers, semakin besar daya, tetapi kapasitansi parasit ikut naik.

1.2 Material n-p-n

Tipe n-p-n lebih unggul karena mobilitas elektron lebih tinggi daripada hole.
Struktur dasar terdiri dari:

Kolektor (n)
Basis (p)
Emitter (n+)

2. Konfigurasi Transistor

Transistor BJT pada rangkaian microwave memakai tiga konfigurasi:

2.1 Common-Base (CB)

Input: emitter
Output: collector
Base jadi ground
Digunakan sebagai amplifier dengan impedansi input rendah

2.2 Common-Emitter (CE)

Konfigurasi paling populer
Input: base
Output: collector
Digunakan sebagai amplifier & switch
Gain arus = beta

2.3 Common-Collector (CC) / Emitter Follower

Output di emitter
Gain tegangan ≈ 1
Impedansi input tinggi, output rendah
Dipakai sebagai buffer

3. Model Hybrid-π

Model ini digunakan untuk analisis sinyal kecil pada frekuensi tinggi.

Parameter penting:

Resistansi input: rπ
Transkonduktansi: gm
Kapasitansi parasit: Cbe dan Cbc

Rumus dasar:
gm = Ic / VT

4. Mode Operasi Transistor

Empat mode utama:

Normal / Active – Emitter forward, collector reverse
Saturasi – Dua junction forward
Cutoff – Dua junction reverse
Inverse – Kolektor forward, emitter reverse

5. Aliran Arus dan Karakteristik I–V

Elektron dari emitter masuk ke basis
Sebagian recombine, sisanya ditarik collector
Ie = Ib + Ic

Karakteristik I–V memiliki tiga region:

Active
Saturation
Cutoff

6. Microwave Tunnel Diodes

Tunnel diode berbeda dari dioda biasa karena doping super tinggi (10¹⁹–10²⁰ cm⁻³). Hal ini membuat junction sangat tipis dan memungkinkan quantum tunneling.

Kunci utama:

Memiliki negative resistance region
Digunakan untuk:
- Osilator microwave
- Penguat
- Rangkaian switching sangat cepat
- Bistable (elemen memori)

Pada kurva I–V terdapat:

Peak current (Ip)
Valley current (Iv)

Di antara dua titik itu, arus menurun ketika tegangan naik (negative resistance).

Gambar 5-1-13 (P_mX_c)^1/2melawan (Setelah B. C. De Loach [6]: dicetak ulang atas izin dari Academic Press.)

T = suhu mutlak (absolut) dalam derajat Kelvin

e = muatan elektron (1.60 x 10^-19 C)
Penguatan daya maksimum yang tersedia diturunkan oleh Johnson [5] sebagai
(5-1-62)
yang dimana Z_outdan Z_inadalah impedansi output dan input, secara berurutan. Jika resistansi seri elektroda diasumsikan sebagai nol (0), maka rasio dari impedansi output ke impedansi input dapat ditulis dengan

(5-1-63)

dimana C_in adalah kapasitansi input dan C_out adalah kapasitansi output (base-collector). Ketika total pembawa maksimum memuat Q_m bergerak ke collector dalam waktu transit carrier-base 𝝉_b dan dengan sebuah tegangan termal V_th, kapasitansi input C_in dan kapasitansi emitter diffusion C_d terkait dengan
(5-1-64)
Kapasitansi output diberikan oleh

(5-1-65)

Substitusi dari persamaan (5-1-58), (5-1-64), dan (5-1-65) di dalam persamaan (5-1-62) menghasilkan persamaan (5-1-61). Performa sebenarnya dari transistor gelombang mikro akan jauh dari yang diprediksikan oleh persamaan (5-1-61). Saat ini, batas frekuensi tinggi dari sebuah transistor n-p-n silikon 28-V yang beroperasi pada level 1-W adalah sekitar 10 GHz. Penguatan daya tipikal dari transistor gelombang mikro berada di kisaran 6 hingga 10 dB.

Contoh 5-1-4: Power-Frequency Limitation
Sebuah silikon transistor gelombang mikro tertentu mempunyai beberapa parameter berikut:
      Reaktansi                                  : X_c = 1 Ω
      Frekuensi cutoff Transit-time : fr = 4 GHz
      Medan listrik maksimum          : E_m = 1.6 x 10⁵ V/cm
      Kecepatan pergeseran saturasi : v_s = 4 x 10⁵ cm/s

Menentukan daya maksimum yang diizinkan untuk dibawa oleh sebuah transistor.
Solusi Dari persamaan (5-1-60) daya maksimum yang diizinkan adalah

5-2 HETEROJUNCTION BIPOLAR TRANSISTORS (HBTs)

Transistor bipolar dapat dibangun sebagai transistor dengan tipe heterojunction atau homojunction. Ketika sambungan transistor disambung dengan dua bahan yang sama seperti silikon dengan silikon atau germanium dengan germanium, maka transistor tersebut merupakan tipe homojunction. Sambungan transistor yang dibentuk oleh dua bahan yang berbeda seperti Ge dengan GaAs, maka transistor tersebut merupakan tipe heterojunction. Sejauh ini hanya transistor homojunction biasa yang sudah dibahas. Pada bagian ini, kita akan mempelajari transistor heterojunction.

5-2-1 Struktur Fisik

Ketika konstanta kisi dari dua bahan semikonduktornya sama, mereka dapat dibentuk bersama sebagai transistor heterojunction. Kondisi kisi ini sangat penting karena ketidakcocokan kisi dapat menyebabkan status antarmuka dalam jumlah besar dan menurunkan operasi heterojunction. Saat ini, Ge dan GaAs adalah dua bahan yang sering digunakan sebagai struktur heterojunction karena konstanta kisinya (a = 5.646 Å for Ge and a = 5.653 Å for GaAs) cocok hingga 1%. Semenjak masing-masing material antara itu tipe p atau tipe n, terdapat empat kemungkinan kombinasi heterojunction :

1. p-Ge to p-GaAs junction

2. p-Ge to n-GaAs junction

3. n-Ge to p-GaAs junction

4. n-Ge to n-GaAs junction

Gambar 5-2-1 menunjukkan model diagram sebuah transistor heterojunction dibentuk oleh material n-Ge, p-GaAs, dan n-GaAs.

Gambar 5-2-1 Model diagram dari sebuah transistor heterojunction.

5-2-2 Cara Kerja Operasional

Ketika sebuah n-Ge dan sebuah p-GaAs terisolasi, tingkat energi Ferminya tidak terarah, seperti digambarkan pada gambar 5-2-2 [7].

Dalam gambar 5-2-2, tingkat vakum digunakan sebagai referensi, fungsi kerjanya dilambangkan sebagai Φ, n-Ge ditunjuk sebagai 1, dan p-GaAs merujuk sebagai 2. Energi-energi yang berbeda dari tepi pita-konduksi dan tepi pita-valensi dapat diberikan dengan persamaan

∆E_c = X₁ - X₂ (5-2-1)

dan

∆E_v = E_g2– E_g1- ∆E_c(5-2-2)

dimana X = afinitas elektron dalam eV

E_g = energi celah pita dalam eV

Gambar 5-2-2 Diagram pita-energi untuk n-Ge dan p-GaAs terisolasi

Contoh 5-2-1: Heterojunction Bipolar Transistor (HBT)

Sebuah transistor heterojunction Ge-GaAs mempunyai parameter sebagai berikut:

Kisi konstant: Ge a₁ = 5.646 Å

GaAs a₂ = 5.653 Å

Afinitas elektron: Ge X₁ = 4.0 eV

GaAs X₂ = 4.07 eV

Gap energi: Ge E_g1 = 0.80 eV

GaAs E_g2 = 1.43 eV

Tentukan:

a. Kecocokan kisi dalam persen

b. Diferensial pita-konduksi antara Ge dan GaAs

c. Diferensial pita-valensi antara Ge dan GaAs

Solusi

a. The lattice match is within 1%

b. The conduction-band differential is

c. The valance-band differential is

= 0.70 eV

Ketika dua bahan semikonduktor digabungkan bersama, tingkat energi Ferminya selaras dan pita energinya habis di persimpangan, seperti yang ditunjukkan pada gambar 5-2-3 [7].

Gambar 5-2-3 Diagram pita-energi untuk sebuah persimpangan n-Ge-p-GaAs

Ketika dua material digabungkan bersama, elektron di dalam n-Ge dimasukkan ke dalam p-GaAs, dan lubang di dalam p-GaAs dipindahkan ke n-Ge sampai tingkat energi Ferminya sejajar. Hasilnya, pita-pita energi pada persimpangan terkuras atau bengkok. Energi yang bengkok kemudian membuat sebuah tegangan bawaan di kedua sisi persimpangan. Jumlah tegangan bawaan dapat digambarkan dengan persamaan

Ψ_o = Ψ_o1 + Ψ_o2 (5-2-3)

Dimana Ψ_o1 = potensi penghalang atau sebagai dari tegangan bawaan di dalam n-Ge

Ψ_o2= potensi penghalang atau sebagai dari tegangan bawaan di dalam p-GaAs

Di persimpangan, fluks listrik D adalah kontinyu. Itu adalah,

D = ϵ₀ ϵ_r1 ℰ₁ = ϵ₀ ϵ_r2 ℰ₂ (5-2-4)

= ϵ₁ℰ₁ = ϵ_r2 ℰ₂

dimana   ϵ₀ = permitivitas ruang bebas

              ϵ   = permitivitas

              ϵ_r = permitivitas relatif atau dielektrik konstant

               ℰ = medan listrik

Muatan ruang yang berada di kedua sisi dari persimpangan adalah sama dan itu diberikan oleh persamaan

x₁N_d = x₂ N_a (5-2-5)

dimana   x₁  = lebar penipisan di dalam n-Ge

            x₂ = lebar penipisan di dalam p-GaAs

            N_d = kepadatan donor

N_a = akepadatan akseptor

Medan listrik di kedua sisi dapat ditulis sebagai

ℰ₁ = (5-2-6)

dan

ℰ₂ = (5-2-7)

dimana V₁ = sebagian dari tegangan bias di dalam n-Ge

V₂ = sebagian dari tegangan bias di dalam p-GaAs

Substitusi dari persamaan (5-2-4) ke persamaan (5-2-6) dan (5-2-7) hasilnya di dalam

(Ψ_o1– V₁) ϵ_r1N_d₁ = (Ψ_o2– V₂) ϵ_r2N_a₂(5-2-8)

Untuk heterojunction ditunjukkan pada gambar 5-2-3, arus elektron dari n-Ge ke p-GaAs sangat kecil dikarenakan potensi penghalang dari (Ψ_o1 + Ψ_o2 + ∆E_c/q) melintasi persimpangan untuk injeksi elektronnya sangat tinggi. Sebaliknya, lubang arus dari sisi p-GaAs ke sisi n-Ge adalah dominan karena potensi penghalang Ψ_o2 yang rendah untuk lubang injeksi. Maka dari itu, arus persimpangan dapat dikirakan sebagaimana digambarkan dalam persamaan (5-1-42) menjadi

(5-2-9)

dimana   A   = cross section

              q     = electron charge

               D_p   = hole diffusion constant

               P_no = minority or equilibrium hole density in n-Ge

              L_p    = hole diffusion length

              V     = bias voltage

              V_T   = voltage equivalent of temperature

PENUTUP

Bagian halaman 35–43 fokus pada:

Cara kerja BJT pada microwave
Struktur fisik dan model sinyal kecil
Konfigurasi rangkaian
Mode operasi dan karakteristik I–V
Pengenalan tunnel diode dengan efek negative resistance

Keduanya sangat penting pada desain rangkaian RF, penguat mikro, dan osilator.

Transistor Gelombang Mikro dan Dioda Terowongan

Transistor Gelombang Mikro dan Dioda Terowongan

Ringkasan Microwave Bipolar Transistors dan Tunnel Diodes