Tugas Akhir

Metode Desain Devais Mikroelektronika

Dapat digambarkan dalam bentuk flowchart :

 

 

 

 

 

Tahapan Desain

  1. DIODA

  1. Tentukan spesifikasi dari dioda yang meliputi:

  1. Perhitungan analitik, dengan informasi yang harus diperoleh:

  1. Buat karakteristik dioda secara analitik yang meliputi:

  1. Simulasikan karakteristik dioda dengan memasukan nilai doping profile dioda ke dalam program PISCES2B. Karakteristik dioda yang disimulasikan adalah:

  1. TRANSISTOR BIPOLAR

  1. Tentukan spesifikasi transistor bipolar yang akan dirancang.

  1. Lakukan perhitungan analitik untuk memperoleh transistor bipolar sesuai dengan spesifikasi. Informasi yang harus diperoleh melalui perhitungan adalah:

  1. NDE, konsentrasi doping emitter.
  2. NA, konsentrasi base.
  3. NDC, konsentrasi doping collector.

Untuk memperoleh performa maksimum devais pada frekuensi tinggi, digunakan kontak berbentuk sisir.

  1. Buat karakteristik transistor bipolar secara analitik, misalnya dengan simulasi MathCAD, Microsoft Excel, dan lain-lain, yang meliputi:

  1. Simulasikan karakteristik tersebut dengan memasukkan doping profile ke dalam program PISCES2B sehingga didapat:

  1. MOSFET

  1. Tentukan spesifikasi MOSFET yang dibutuhkan. meliputi:

  1. Lakukan perhitungan analitik untuk memperoleh parameter yang dibutuhkan sesuai dengan spesifikasi. Informasi yang diperoleh :

NA = konsentrasi substrat

ND = konsentrasi drain dan source

Asumsi yang dipergunakan dalam perhitungan ini adalah jenis junction dan frekwensi cut-off.

  1. Buat karakteristik MOSFET secara analitik yaitu :

  1. Simulasikan karakteristik tersebut dengan PISCES2B sehingga didapat

 

Metodologi Eksraksi Parameter SPICE

Ekstraksi parameter SPICE dari hasil simulasi PISCES yang telah dilakukan dalam tahapan desain. Tujuan dari ekstraksi ini adalah agar kita dapat melakukan simulasi devais yang kita buat pada rangkaian dengan SPICE, dengan terlebih dahulu mendefinisikan parameter-parameter.

  1. DIODA

  1. Parameter Is
  2. Untuk memperoleh Is dari grafik karakteristik I-V, maka kita plot grafik hingga VD = 0 volt. Besarnya arus saat ini adalah Is

  3. Parameter n
  4. Mula-mula dicari harga VT yaitu dari daerah linear pada grafik dianggap n = 1, kemudian dicari gradien kurva karakteristik I-V

    Gradien = n x V / VT

    Dari daerah grafik yang tidak linear diambil harga arus untuk tegangan tertentu dan dimasukkan dalam rumus di bawah :

    log I = log Is + 2,3 n.V / VT

  5. Parameter Rs

Parameter ini didapat dari karakteristik I-V pada daerah saturasi dengan pendekatan :

  1. Potensial built-in y
  2. Potensial built in (y ) didapatkan dari persamaan:

    y = 2/3 x KT / q x [a2EsK/T / 8.q.ni3]

  3. Parameter IBV
  4. Parameter ini ditentukan pada saat dioda mulai breakdown. IBV = Is x Bv/VT

  5. Parameter Bv
  6. Parameter ini ditentukan dari grafik I-V untuk tegangan reverse.

  7. Parameter CJO

Parameter ini diperoleh dari grafik hasil simulasi kapasitansi terhadap bias dc pada saat tegangan bernilai 0 volt.

Semua parameter yang telah didapatkan dimasukkan ke dalam parameter SPICE untuk mendapatkan perbandingan karakteristik dioda, dengan menggunakan simulasi SPICE.

B. TRANSISTOR BIPOLAR

  1. Parameter Is

Grafik Ic-Vbe diekstrapolasi hingga mencapai titik Vbe = 0. Ekstrapolasi dimulai dari kurva Ic yang kemiringannya lurus. Harga Ie saat Vbe = 0 merupakan harga Is.

  1. Parameter BF
  2. Parameter ini diperoleh dengan membuat garis lurus memotong kedua grafik Ic dan Ib. Didapatkan dua buah titik pada sumbu y ( Ic dan Ib) sehingga BF = Ic / Ib

  3. Parameter RB

Prosedur untuk memperoleh parameter ini adalah

  1. Parameter Rc

Ditentukan berdasarkan grafik Ic – Vce dengan cara

  1. Parameter VAF

Diperoleh dari grafik Ic-Vce dengan cara :

  1. Parameter CJE dan Cjc
  2. Diperoleh dengan cara ekstrapolasi grafik saat V2 = 0 volt. Nilainya merupakan kapasitansi saat V2 = 0 volt.

  3. Paramater VJE dan VJC

  1. Parameter NE

Ditentukan dari grafik Ic – Vbe , yaitu dengan :

Maka Ne = (slope 1) / (slope 2)

  1. Parameter Eg
  2. Nilai Eg tergantung bahan yang digunakan merupakan nilai energi gap dari bahan tersebut.

  3. Parameter MJE dan MJC

Merupakan konstanta untuk daerah deplesi pada persambungan antara basis dan emiter. Nilainya tergantung dari asumsi junction yang dipakai. MJC merupakan konstanta untuk daerah deplesi basis dan kolektor dan tergantung dari pendekatan yang digunakan.

C. TRANSISTOR MOS

  1. Parameter VTO
  2. Ditentukan melalui kurva ID – VGS dengan menentukan letak nilai Id = 0 Ampere. Parameter ini adalah nilai pada sumbu-x saat ID = 0.

  3. Parameter KP

Dicari dengan menggunakan kurva ID – VGS. Untuk memudahkan sumbu-x (VGS) di-logaritma-kan, karena untuk hasil simulasi SPICE tidak menghasilkan kurva Ö ID – VGS. Kemudian dilakukan prosedur seperti berikut:

  1. Parameter l .

Ditentukan dengan cara:

l = 1 / VAF

  1. Parameter IS
  2. Ditentukan dengan grafik ISUB – VGS dengan cara ekstrapolasi sehingga memotong sumbu-y (ISUB). Titik perpotongannya merupakan nilai IS.

  3. Parameter JS
  4. Dari harga-harga yang ditentukan di atas maka JS = IS / (L .W)

  5. Parameter CJ
  6. Ditentukan dari grafik CI2 – VI dengan cara ekstrapolasi grafik saat VD = 0 Volt. Kapasitansi saat tersebut sama dengan nilai parameter ini.

  7. Parameter RD
  8. Parameter ini ditentukan melalui grafik IDS – VDS dengan cara menarik garis lurus yang menyinggung kurva. Kemiringannya sama dengan 1/RD.

  9. Parameter g
  10. Dihitung dengan persamaan g = Ö (2.e S.q.NA / COX).

  11. ParameterTOX
  12. Merupakan nilai ketebalan oksida. Pada tugas dipilih ketebalan lapisan oksida 1000 Angstrom.

  13. Parameter PHI
  14. Ditentukan dari persamaan: PHI = 2.(kT/q).ln(NSUB / ni) dengan:

    k : konstanta Boltzman = 1.28 x 10-23 J/K

    T : temperatur (300K)

    q : muatan carrier (1.6 x 10-19 C)

    NSUB = NA

    ni = 1.45 x 1010 cm-3

  15. Parameter VO
  16. Parameter ini merupakan mobilitas dari carrier pada lapisan inversi yang terbentuk. Ditentukan dalam perhitungan.

  17. Parameter MJ
  18. Parameter ini merupakan konstanta untuk memperoleh daerah deplesi pada persambungan antara bulk dengan drain atau source. Parameter ini disesuaikan dengan asumsi yang digunakan dengan pendekatan abrupt junction (pada tugas) maka MJ = 0,5.

  19. Parameter NSUB

Merupakan konsentrasi doping substrat, yang ditentukan pada saat perhitungan analitik.

 

Perbandingan

Untuk lebih meyakinkan bahwa devais yang dirancang sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan, dilakukan evaluasi sebagai berikut:

 

Kesimpulan

Untuk merancang suatu devais diperlukan beberapa tahap, yang masing-masing tahap saling berkaitan satu sama lain. Jika salah satu tahap terjadi kesalahan, maka devais yang dihasilkan dari rancangan tidak akan sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan.