INSTRUMENTASI…, apa yang anda bayangkan bila mendengar kata itu? Umumnya anda akan mem-bayangkan segala jenis alat yang menggunakan komponen-komponen listrik, mulai dari peralatan rumah tangga hingga alat yang digunakan sebagai pengendali pesawat terbang. Biasanya sistem instrumentasi terdiri dari beberapa bagian, namun pada tulisan ini khusus akan dibahas mengenai jantung instrumentasi yaitu komponen elektronikanya.
Pada umumnya komponen elektronika yang ada kini dibuat dari kristal silikon atau germanium. Tapi kristal germanium sangat jarang digunakan karena sangat sukar dijumpai di alam dan, mahal lagi. Karena itu dipilihlah kristal silikon sebagai pembuat komponen elektronika. Harganya murah, dan mudah didapat di alam. Sampai saat ini, silikon masih merajai dunia, karena digunakan di segala bidang instrumentasi, bahkan superkomputer pun masih meng-gunakan kristal ini.
Kini dengan berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi, serta kebutuhan akan informasi yang cepat, maka dibutuhkan komponen pembangun instrumentasi berkecepatan tinggi. Untuk itulah para ahli Fisika semikonduktor berusaha mencari alternatif baru untuk membuat komponen elektronika yang cepat dan murah.
ADVERTISEMENT
SCROLL TO RESUME CONTENT
Di dalam bidang semikonduktor, kecepatan operasi komponen merupakan hal yang utama. Komponen yang paling cepat dan banyak digunakan saat ini pada komputer dapat mengirim sinyal sebanyak satu milyar per detik. Namun, masih juga dibutuhkan komponen yang memiliki kecepatan yang lebih besar.
Lho, untuk apa kecepatan yang sedemikian besar itu?
Dengan besamya kecepatan pengiriman sinyal, akan diperoleh komputer dengan kemampuan yang sangat canggih dan dapat didesain jenis radar baru serta alat telekomunikasi satelit yang nanti dapat beroperasi pada daerah pita gelombang mikro seperti halnya jika kita menggunakan gelombang berfrekuensi tinggi. Untuk kebutuhan ini telah dikembangkan teknologi semikonduktor terbaru yang dapat menghasilkan komponen berkecepatan tinggi. Satu cara adalah dengan immbuat komponen yang kecil sehingga memperpendek jarak elektron sewaktu membawa sinyal listrik. Cara lain untuk menaikkan kecepatan itu adalah dengan menaikkan kecepatan elektron yang lewat pada komponen itu. Teknologi ini tidak bisa hanya dengan mengandalkan kristal silikon tetapi dengan mengembangkart kristal baru gallium arsenid (GaAs).
Para pakar semikonduktor juga tidak bisa bersandar pada teori yang biasa digunakan pada kristal silikon saja, karena atom dalam kristal GaAs memiliki muatan nuklir, distribusi elektronnya pun sangat berbeda dengan distribusi elektron yang terdapat pada kristal silikon. Ahli fisika semikonduktor kemudian mencoba mengembangkan teori baru berdasarkan perbedaan ini dengan menganggap elektron yang bergerak dalam kristal GaAs sebagai gelombang dengan menggunakan persamaan Mekanika Kuantum yang menggambarkan gerakan elektron. Artinya, dengan menggunakan teori yang lahir pada awal abad ke-20 ini, para pakar bisa memanipulasi elektron sehingga dapat diatur sekehendak hati. Hal yang utama menunjukkan bahwa elektron yang bergerak di dalam kristal GaAs seakan-akan memiliki massa yang lebih dari elektron yang bergerak di dalam kristal silikon. Artinya, jika medan listrik diberikan pada kristal, elektron akan memilih bergerak lebih cepat di kristal GaAs daripada di dalam kristal silikon. Efek inilah yang dipakai untuk menghasilkan komponen yang memiliki kecepatan sangat tinggi itu, serta tidak akan mungkin ditandingi oleh komponen yang dibuat dari bahan kristal silikon Selain itu teori Mekanika Kuantum yang sangat disegani oleh mahasiswa jurusan Fisika serta merupakan teori yang aneh itu memegang peranan yang sangat menentukan.
Apa sih Semikonduktor itu?
SEMIKONDUKTOR adalah suatu bahan yang konduktivitas (daya hantar) listriknya terletak antara logam dan isolator. Daya hantar listrik ini sangat sensitif terhadap kehadiran ketakmurnian (impurerities), atau sebagai pengotor pada bahan penghantar tersebut. Ketakmurnian ini dapat menaikkan daya hantar jika temperatur bahan semikonduktor naik, demikian juga sebaliknya. Ini berarti bahan semikonduktor dapat digunakan sebagai penyearah gelombang, detektor, dan gerbang-gerbang rangkaian komputer. Tahanan listrik bahan semikonduktor memiliki rentang dari 10-2 sampai 109 ohm-cm pada suhu kamar (27°C), terletak di antara tahanan listrik konduktor yang 10-6 ohm-cm dan isolator dengan rentang 1014 ohm-cm sampai 1022 ohm-cm.
Untuk mengerti gerakan elektron dalam suatu bahan semikonduktor, kita harus mengetahui bagaimana elektron bergerak di dalam struktur kristal. Jika suatu bahan digunakan untuk membuat bahan semikonduktor maka tingkat energi elektron-elektron yang mengelilingi inti atom bahan tersebut akan melebar hingga membentuk suatu rentang daerah energi yang disebut pita (bands). Tingkat energi elektron terluar disebut pita valensi. Elektron pada pita valensi bahan semikonduktor yang biasanya terisi penuh membentuk kisi-kisi dari suatu ikatan kimia yang menahan kristal. Sementara itu terdapat suatu daerah yang disebut daerah energi terlarang yang tidak boleh ada tingkat energi elektron yang memisahkan pita valensi dengan pita konduksi. Pada pita konduksi yang tidak ditempati oleh tingkat energi itu, elektron-elektronnya tidak ikut ambil bagian dalam ikatan kimia sehingga elektron-elektron itu bebas bergerak di dalam kristal. Pada teori Mekanika Kuantum, partikel yang bergerak, misalnya elektron, dapat digambarkan sebagai gelombang. Dengan kata lain elektron yang bergerak di dalam kristal dapat diasumsikan sebagai gelombang yang merambat di dalam kristal. Gerakan-gerakan elektron inilah yang menghantarkan arus listrik. Bahan semi-konduktor murni memiliki apa yang disebut Konduktivitas Intrinsik, hal ini untuk membedakannya dengan bahan semikonduktor yang tidak terlalu murni.
Beberapa contoh bahan yang sering digunakan adalah Silikon, Germanium, Cupri Oksida, Selenium, PbTe, PbS, SiC, InSb, GaAs, dan Grafit. Silikon dan Germanium dapat juga dikatakan sebagai Kristal Intan karena struktur kristalnya adalah struktur kristal intan.
Komponen Semikonduktor
DARI hasil penelitian diketahui bahwa puncak pita konduksi terendah GaAs berbeda dengan silikon, sebagai akibat perbedaan interaksi antara elektron dengan muatan nuklir di dalam campuran. Energi minimum jatuh tepat di daerah Brillouin. Artinya, hanya terdapat satu nilai minimum dan lengkungan pada daerah minimum itu agak sempit berimpit menunjukkan massa elektron yang kecil, atau 0,7 kali massa elektron bebas. Kecilnya massa ini merupakan salah satu sebab mengapa elektron di dalam kristal GaAs dapat bergerak dengan kecepatan yang tinggi.
Ternyata bukan hanya massa saja yang mempengaruhi, kecepatan hanyut elektron pun meme-gang peranan penting. Dengan memberikan medan listrik yang lemah saja, kecepatan hanyut elektron di dalam kristal GaAs akan bergerak lebih cepat dibandingkan dengan gerakannya di dalam kristal silikon. Dengan kata lain, GaAS memiliki mobilitas elektron yang lebih unggul. Kecepatan elektron di dalam GaAs dapat mencapai 200 km per detik, namun bila medan listrik dinaikkan, maka kecepatan elektron akan menurun setengahnya. Jika hal yang sama dilakukan pada kristal silikon, GaAs kelihatannya lebih unggul. Jika dipaksakan kecepatan elektron ini akan dapat mencapai 500 km per detik untuk jarak kira-kira sepersepuluh mikrometer.
Jadi, sangatlah beralasan jika semua komponen semikonduktor menggunakan kristal GaAs ini. Sebagai contoh telah diterapkan penggunaan GaAS untuk komponen transistor. Dari hasil penelitian yang dilakukan terlihat keunggulan transistor tersebut. Dengan bahan GaAS ini, NEC, sebuah perusahaan penghasil komputer di Jepang, telah berhasil membuat sebuah superkomputer yang dilakukan terlihat keunggulan transistor tersebut.
Dengan bahan GaAS ini, NEC, sebuah perusahaan penghasil komputer di Jepang, telah berhasil membuat sebuah superkomputer yang mengalahkan superkomputer yang dibuat oleh pakar superkomputer, Cray. Namun sayangnya, superkomputer NEC itu tidak dilengkapi dengan software yang memadai sehingga penggunaannya menjadi terbatas.
Untung rugi GaAs
WLAUPUN kristal GaAs merniliki kecepatan elektron yang lebih tinggi dibandingkan dengan komponen semikonduktor yang menggunakan silikon, namun GaAs bukanlah komponen yang murah, sehingga menyulitkan penggunaannya dalam komputer dan alat-alat lainnya. Tetapi untuk beberapa instrumentasi digital, misalnya untuk keperluan militer, atau komunikasi yang beroperasi pada daerah frekuensi tinggi, komponen ini sangat dibutuhkan.
Dalam rangkaian analog, GaAs menimbulkan pengaruh yang sangat besar. Seperti diketahui, transistor yang menggunakan silikon bekerja sangat lambat pada frekuensi kira-kira 3 Giga Hertz (3 x 109 Hz). Transistor GaAs-lah yang dapat bekerja dengan baik di atas frekuensi 30 Giga Hertz (30 x 109 Hz). Jika panjang gerbang transitor dapat diperpendek menjadi kira-kira 0,25 mikrometer atau lebih, maka diperkirakan, transistor ini dapat bekerja pada daerah pita milimeter dengan rentang frekuensi dari 30 sampai 300 Giga Hertz. Daerah operasi gelombang pendek yang dipancarkan atau diterima oleh GaAs dapat digunakan untuk mengembangkan senjata yang dilengkapi dengan radar yang kecil, sehingga apabila telah dilepaskan dari tank, akan dapat kembali pulang. Tentu, jenis antena radar yang digunakan itu haruslah sangat kecil sehingga dapat dimasukkan ke dalam meriam tank.
Komponen GaAs akan membuka era baru penerapan spektrum elektromagnetik dalam industri, walaupun penerapan yang sudah jelas terlihat adalah dalam bidang militer. Untuk bidang-bidang lain? Siapa bilang tidak mungkin?
Sumber: Majalah AKU TAHU AGUSTUS 1989
