Komputasi Simulasi Divais Elektronik pada Transistor MOSFET

Transistor, komponen vital dalam dunia elektronik, mengalami evolusi yang pesat sejak pertama kali ditemukan pada tahun 1920-an. "Hampir di semua perangkat elektronik menggunakan transistor. Transistor seperti layaknya sel saraf yang mengatur aliran energi untuk menjalankan berbagai macam fungsinya," ujar Prof. Fatimah.

Dahulu, komputer pertama di dunia, ENIAC, menggunakan 18.000 vacuum tubes yang memerlukan ruangan besar dan konsumsi listrik yang tinggi. Kini, microchip seukuran jari manusia hadir menggantikan vacuum tubes dengan miliaran transistor di dalamnya, menawarkan ketahanan, stabilitas, dan biaya yang lebih murah.

Dalam paparannya, fokus utama dari penelitian adalah jenis transistor Field Effect Transistor (FET), khususnya Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET).

"Salah satu tipe transistor FET adalah MOSFET, yang memiliki ciri khas yaitu adanya lapisan dielektrik berbahan material oksida yang berfungsi untuk mencegah terjadinya arus bocor pada transistor,” katanya.

Transistor ini beroperasi dengan mengontrol aliran arus dari source ke drain melalui gate yang berbahan metal. Namun, semakin kecilnya ukuran transistor, membuat lapisan silikon dioksida menjadi semakin tipis dan meningkatkan risiko arus bocor yang mengganggu kinerja perangkat.

Untuk mengantisipasi masalah tersebut, digunakan material dielektrik dengan konstanta tinggi, seperti Hf-Silikat yang memiliki stabilitas termal yang baik dan degradasi mobilitas elektron yang rendah.

"Komputasi divais digunakan untuk mengoptimasi kinerja MOSFET melalui studi transmitansi dan arus bocor," ujarnya.

Hasil menunjukkan bahwa memperkecil kecepatan elektron di gate dan meningkatkan lapisan oksida dapat menekan arus bocor. Karena penskalaan MOSFET mendekati batasnya, struktur geometri planar diubah menjadi silindris untuk mengontrol gate lebih baik dan mengurangi arus bocor. Penggunaan galium nitrit sebagai semikonduktor dan simulasi dengan pendekatan Landauer-Buttiker menunjukkan bahwa lapisan oksida dapat merekayasa karakteristik device secara efektif.

Komputasi Penumbuhan Grafena untuk Aplikasi Sel Surya

Prof. Fatimah melanjutkan paparannya mengenai grafena, material dua dimensi yang tersusun dari atom karbon yang menjadi sorotan dalam simulasi material elektronik. Grafena memiliki karakteristik transparan, konduktif, dan fleksibel, sehingga ideal sebagai transparent conductive electrode (TCE) dalam berbagai aplikasi seperti LED, sel surya, dan layar sentuh.

"Grafena sangat cocok untuk diaplikasikan sebagai TCE karena menawarkan fabrikasi yang murah, dapat disintesis di suhu rendah, dan lebih fleksibel,” kata Prof. Fatimah.

Penelitian Prof. Fatimah menggunakan metode Chemical Vapor Deposition (CVD) untuk menumbuhkan grafena dengan kualitas tinggi. Namun, tantangan dalam mengontrol pertumbuhan grafena adalah membutuhkan katalis yang tepat.

"Kami mempelajari logam transisi apa yang cocok untuk dipadukan dengan Cu sebagai katalis dalam penumbuhan grafena," tuturnya. Hasil komputasi menunjukkan bahwa katalis Cu dan Ni menghasilkan grafena few-layer optimal, dengan fraksi optimum Ni sebesar 18,75%, dan jumlah lapisan few-layer grafena lebih dari tiga lapis untuk performa terbaik untuk pengaplikasian pada TCE dan sel surya.

Urgensi simulasi perangkat dan material elektronik tidak bisa dipandang sebelah mata. "Transistor, sel surya, dioda, dan perangkat elektronik lainnya adalah jantung dari perangkat modern," katanya.

Merancang, mengoptimalkan, dan menyimulasikan kinerja perangkat tersebut penting untuk mencapai efisiensi dan kualitas yang tinggi. Di sisi lain, komputasi material memungkinkan ilmuwan untuk memprediksi sifat-sifat dasar suatu material dan mempelajari proses material dalam kondisi ekstrem yang tidak mungkin dilakukan di laboratorium.

Reporter: Muh. Umar Thoriq (Teknik Pangan, 2019)