## OSILATOR BERBASIS GALLIUM ARSENIDE (GaAs)
Chandra, Andreas Ardian Febrianto
Program Studi Teknik Elektro
Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer – UKSW Jalan Diponegoro 52-60, Salatiga 50711

## INTISARI
Gallium  Arsenide  (GaAs)  merupakan  bahan  semikonduktor  majemuk Penggunaan  GaAs  sebagai  salahsatu  bahan  untuk  semikonduktor  sudah  diteliti sejak  lama,  hanya  saja  penggunaan  dan  produksi  semikonduktor  berbahan  GaAs yang  ada saat  ini masih  sangat terbatas. Beberapa keuntungan penggunaan GaAs dibandingkan  dengan  Silikon  (Si)  adalah  semikonduktor  berbahan  GaAs mempunyai  kecepatan  yang  lebih  cepat  dibandingkan  dengan  Si,semikonduktor berbahan  GaAs  bisa  beroperasi  untuk  frekuensi microwave sedangkan semikonduktor  berbahan  Si  tidak  bisa  secara  efektif  berfungsi,semikonduktor berbahan GaAs mempunyai jangkauan temperatur kerja yang lebih lebar. Peranti - peranti  dengan  bahan  GaAs  dapat  menoleransi  jangkauan  temperatur  antara  – 200 0 C hingga 200 0 C,dan hambatan jenis ( resistivity ) intrinsik yang lebih tinggi sehingga  dapat  memudahkan  isolasi  dari  bermacam-macam  peranti  dalam  satu landasan.  Komponen  elektronika  dioda Gunn dan  dioda IMPATT yang  berbasis GaAs digunakan dalam perancangan osilator berbasis GaAs. Osilator dioda Gunn dan  dioda IMPATT mampu  bekerja  pada  fekuensi microwave dengan  konsumsi daya yang rendah.
Kata kunci : osilator, gallium arsenide

## 1.   PERANCANGAN OSILATOR BERBASIS GAAS
Dalam    merancang  osilator,  beberapa  hal  yang  perlu  diperhatikan  adalah sebagai berikut.
 Stabilitas  frekuensi  pada  berbagai  variasi  tegangan,  temperatur,  dan pembebanan osilator ( load pulling ).
 Keluaran daya yang cukup untuk berbagai keperluan.
 Derau yang rendah pada amplitudo, phase, dan modulasi frekuensi.
 Variable  tuning ,  termasuk  didalamnya  kontrol  tegangan  dan  penalaan mekanis.
 Kapabilitas  untuk  melakukan  modulasi  pada  amplitudo  (AM),  frekuensi (FM), atau phase (PM).
 Membutuhkan untai yang sederhana.
Stabilitas  frekuensi  yang  baik  dan  derau  yang  rendah  sangat  diperlukan untuk  menghasilkan high-Q  resonator pada  untai  osilator.  Resonator  harus mempunyai frekuensi resonansi yang tidak sensitif terhadap variasi temperatur.
Tegangan  osilator  bervariasi  tergantung  pada  tegangan  bias dc yang digunakan.  Efek  ini  dikenal  dengan oscillator  pushing dan  terkadang  dapat digunakan  sebagai  salah  satu  keuntungan  suatu  osilator dalam  melakukan fine- tune pada frekuensi pada celah yang sempit.
Frekuensi  osilasi  juga  ditentukan  oleh  frekuensi  resonansi  masukan  dan keluaran  dalam  suatu  jaringan.  Konsekuensinya,  perubahan  yang  terjadi  pada impendansi    beban  yang  dihubungkan  dengan  osilator  akan  menghasilkan perubahan frekuensi osilator. Efek ini, yang dikenal dengan oscillator load pulling atau pembebanan osilator, biasanya tidak diharapkan. Efek ini bisa diminimalkan dengan  melakukan loose  coupling antara  osilator  dengan  beban.  Kekurangan penggunaan loose  coupling adalah  daya  keluaran  yang  dihasilkan  akan  menjadi lebih  kecil  dan  efisiensi  osilator  akan  berkurang. Oscillator  pulling dapat ditentukan  dengan  melakukan  pengukuran  perubahan  frekuensi  osilator  sebagai fungsi sudut fase  koefisien beban refleksi ( load reflection coefficient ).

## 1.1.   Perancangan Osilator Dioda Gunn
Osilator dioda Gunn banyak digunakan sebagai lokal osilator pada radar dan sebagai  alat  transmisi  untuk  radar  daya  rendah  seperti  radar  polisi  dan  alarm pendeteksi  ( instrussion  alarm ).  Peralatan  ini  biasanya  berbobot  ringan,  kompak, dan mempunyai struktur resonator yang mechanically tuned waveguide .
Gunn Diode
Gambar 1. Gambar Gunn-Diode Oscillator [3] .
Impendansi dioda dalam melakukan suatu perancangan  osilator dioda Gunn dihitung dengan menggunakan persamaan berikut.
Z d = R d + jX d (1)
Sedangkan impedansi beban untai diekspresikan sebagai berikut.
Z l = R l + jX l (2)
Agar  terjadi  osilasi,  impedansi  beban  untai  dan  impedansi  dioda  harus  sama  dan reaktansi diantara kedua bagian ini harus sama. Ini berarti
R d =  R l (3)
X l = - X d (4)
Sedangkan tinggi resonant post h adalah kurang dari 4 0  dan h dapat  dicari dengan rumus:
h ≈ 4 0  - ) / 2 ln( 2 r d r d  (5)
dengan:
λ 0 = free-space wavelength;
d = jarak antara post surface dengan side wall cavity ; dan
r = 0,254 cm yaitu  radius post untuk 10 GHz.
Reaktansi  untai  ( short-circuit  reactance )    dihitung  dengan  menggunakan persamaan berikut.
Z sh = jZ 0 tan ( β g l ) (6)
dengan:
Z 0 = 2 ) / ( 1 377 f f W H c r   (7)
ε r = konstanta dielektris relatif untuk medium;
β g = konstanta phase di dalam pandu gelombang;
l = λ g /2 = jarak antara plane resonant post dan plane short-circuit;
λ g = panjang gelombang di dalam pandu gelombang;
H   = tinggi pandu gelombang;
W   = lebar pandu gelombang;
f = frekuensi resonansi;dan
f c = frekuensi cutoff.
Dikarenakan  β g l  kur ang lebih sama dengan π radian, maka tan (β g l) = - tan ( π - β g l ) (8)
≈ β g l - π
Sehingga akhirnya didapatkan persamaan sebagai berikut.
Z sh = jZ 0 ( β g l – π ) (9)

## 1.2.   Perancangan Waveguide-Cavity IMPATT Oscillator
W aveguide-Cavity IMPATT Oscillator dapat dibuat dengan menggunakan beberapa konfigurasi yang berbeda, sebagai berikut.
1. Waveguide-Cavity Oscillator
Untuk  menghasilkan  keluaran  waveguide  pada  osilator IMPATT ,  dapat digunakan waveguide cavity seperti tampak pada Gambar 2 di bawah ini. Jendela yang  terbuka  berfungsi  sebagai  beban.  Frekuensi  osilasi  dapat  ditambah  dengan memasukkan  batang  dielektrik  atau  batang  logam  ke  dalam  rongga  ( cavity ).
Penggunaan  batang  dielektrik  lebih  dianjurkan  karena  efek waveguide  cutoff batang  dielektrik  itu  sendiri  dapat  digunakan  untuk  menjaga  kemungkinan kebocoran RF ( RF leakage ).
Gambar 2. Untai Waveguide-Cavity Oscillator [3] .

## 2. Single-Tuned Single-Device Oscillator
Osilator dengan karateristik yang lebih baik dapat dibuat dengan melakukan penambahan untai elektronika sederhana seperti tampak pada Gambar 3 di bawah ini.
Gambar 3. Single-Tuned Single-Device Oscillator [3] .

## 3. Single-Tuned Multiple-Device Oscillator
Pada  osilator  dengan  sumber  tegangan  tidak  dapat  dilakukan  oleh  satu peralatan,  maka  dapat  digunakan  kombinasi    beberapa  sumber  tegangan  dengan melakukan  kombinasi  untai  seperti  tampak  pada  Gambar  4. Coaxial  line terhubung  dengan waveguide  cavity yang  memiliki  intensitas  medan  magnet maksimum.
Gambar 4. Untai Single-Tuned Multiple-Device Oscillator [3] .

## 2.   UNTAI OSILATOR BERBASIS GAAS

## 2.1.   Untai Osilator Dioda Gunn
Osilator  berbasis  dioda Gunn dapat  dibuat  dengan  menggunakan coaxial line , waveguide, micro strips pada kisaran frekuensi 8 – 94 GHz. Pada Gambar 5 di  bawah  ini  dapat  dilihat  beberapa  teknik  yang  secara  umum  digunakan  untuk menghubungkan dioda dengan untai waveguide .
Gambar 5. Untai Waveguide untuk Peralatan Berbasis Transfer Elektron [7].
Analisis  teoritis  dan  eksperimen  tentang waveguide  mounted  Gunn  diode dilakukan  oleh  Eisenhart  (1971).  Untai  sederhana  untuk  osilator  berbasis  dioda Gunn ditunjukkan oleh Gambar 6 di bawah ini.
Gambar 6. Untai Sederhana Osilator Berbasis Dioda Gunn [7] .

## Kondisi osilasi dirumuskan dengan
| Re ( Z D )| > Re ( Z C ) dan | I m (Z D ) | > Re ( Z C ) (10)
dengan Z D dan Z C adalah impedansi peralatan dan impedansi untai.
Untai coaxial cavity osilator berbasis dioda Gunn dapat diilustrasikan secara skematis seperti tampak pada Gambar 7 di bawah ini.
Gunn Device Z D
Z C R L Load Matching Circuit
Gambar 7. Osilator Dioda Gunn dengan Coaxial Cavity [7] .
Dioda Gunn dihubungkan  pada  salah  satu  ujung  rongga  yang  langsung terhubung    dengan  konduktor  tengah coaxial  line .  Keluaran  diambil  melalui hubungan probe secara  induktif  atau  kapasitif  dan  posisinya  dalam  resonator menentukan  besar  impedansi  beban  untai.  Panjang cavity dan  impedansi menentukan  frekuensi  osilasi  yang  terjadi.  Untai  setara  osilator coaxial berbasis dioda Gunn ditunjukkan pada Gambar 8.
Gambar 8. Untai Setara Osilator Coaxial Berbasis Dioda Gunn [7] .
Didefinisikan  B  dan  G  adalah susceptance dan conductance dari  peralatan  dan rongga sirkuit. Kondisi osilasi diberikan dengan persamaan berikut.
B device + B circuit = 0 (11); 50 Ω l : n Y sc Y cavity Y load C 1 C - G
G device + G circuit = 0 (12)
Dari untai setara dapat dituliskan
0 1      l sc Y Y c j G c j   (13)
dimana
j Y sc   cot       0 2   L (14)
dengan L merupakan panjang rongga ( cavity ).
Dimana terdapat dua kondisi osilasi, yaitu:
  1 c c   cot   0 Im 2 0         L Y L   (15)
dan
-G + Re (Y L ) =0 (16)

## 2.2.   Untai Waveguide-Cavity IMPATT Oscillator
Dioda IMPATT dihubungkan  pada  salah  satu  ujung coaxial  line yang terhubung dengan waveguide cavity . Cavity kemudian dihubungkan dengan beban melalui rotary  point .  Sementara  itu, quarterwave  transformer terhubung  antara dioda dan coaxial line . Ujung coaxial line terhubung dengan RF dan tegangan dc terhubung  melalui  konduktor  yang  ada  di  tengah.  Untai  sederhana  untuk  osilator berbasis dioda IMPATT tampak pada Gambar 9 di bawah ini.
Gambar 9. Untai Setara Single-Tuned Single-Device Oscillator [3] .
Dari untai setara di atas diperoleh impedansi resonan untai yaitu:
L i L i r R R R R R R    0 (17)
di mana, R 0 = terminal Coaxial;
R i = rugi-rugi rongga dalam; dan
R L = perubahan resistansi beban antara rongga dan rotary joint.

## 3.   KARATERISTIK OSILATOR BERBASIS GAAS
Karateristik  suatu  osilator  dapat    diketahui  dengan  melakukan  suatu pengujian terhadap kinerja osilator tersebut. Pengujian  yang dilakukan antara lain sebagai berikut.
1. Pengujian kondisi osilasi.
Merupakan  pengujian  standar  yang  dilakukan  terhadap  semua  jenis osilator.
2. Pengujian frekuensi osilasi.
Merupakan  pengujian  yang  dilakukan  pada  osilator  yang  dirancang khusus untuk beroperasi pada frekuensi tertentu.
3. Pengujian frekuensi bandpass
Merupakan  pengujian  yang  dilakukan  pada  osilator  yang  dirancang untuk beroperasi pada frekuensi broadband .
Ditinjau dari penggunaan dioda dalam osilator, osilator berbasis dioda Gunn mempunyai  kelebihan  yaitu  derau  pada  frekuensi  modulasi (FM) yang  lebih rendah  dibandingkan  osilator  berbasis  dioda IMPATT .  Di  lain  pihak,  osilator berbasis  dioda IMPATT memiliki  efisiensi  yang  lebih  tinggi  dan  daya  keluaran yang dihasilkan juga lebih tinggi bila dibandingkan dengan osilator berbasis dioda Gunn .  Selain  itu,  dikarenakan  kedua  jenis  osilator  ini  merupakan  peralatan  yang bersifat negative-resistance, maka baik osilator yang berbasis dioda Gunn maupun yang  menggunakan  dioda IMPATT membutuhkan  tegangan dc yang  kecil  untuk menghasilkan resistansi negatif.
Kisaran  frekuensi  kerja    suatu  osilator  ditentukan  oleh  mekanisme  yang terjadi  pada  peralatan  yang  digunakan.  Untuk  osilator  berbasis  dioda Gunn atau IMPATT ,   daya  keluaran  yang  dihasilkan  bisa  mencapai  100  mW pada  frekuensi 100  GHz.  Pada  mode limited-space-charge  (LSA) ,  osilator  berbasis  dioda Gunn dapat menghasilkan efisiensi sekitar 20% atau lebih.
Terabeam  melaporkan  bahwa  untuk  osilator  berbasis  dioda Gunn produksi mereka dapat beroperasi pada kisaran 7 – 110 GHz dengan daya keluaran berkisar antara  30  mW  –  400  mW.  Sementara  itu,  Millitech  melaporkan  bahwa  osilator Gunn produksi  mereka  beroperasi  pada  kisaran  frekuensi  18  –  170  GHz  dengan daya  keluaran  berkisar  dari  beberapa  miliwatt  sampai  400  mW  pada  frekuensi rendah. Sedangkan efisiensi yang dilakukan bisa sampai 40%. Pada Gambar 10 di bawah  ini  dapat  dilihat  beberapa  hasil  pengujian  untuk  melihat  unjuk  kerja osilator berbasis dioda Gunn .
Gambar 10. Karateristik Osilator Berbasis Dioda Gunn [3].

## 4.   KESIMPULAN
Bahan  semikonduktor  yang  memanfaatkan  GaAs  sebagai  salah  satu  unsur penyusunnya  adalah  dioda Gunn dan  dioda IMPATT. Dioda Gunn digunakan sebagai Transferred  Electron  Oscillators (TED) dengan  menggunakan  resistansi negatif  yang  dimiliki  oleh  Gallium  Arsenide.  Sedangkan  dioda IMPATT menggunakan  pasangan  elektron- hole yang  dibentuk  pada  daerah  dengan
berenergi  tinggi  sebagai  dampak  proses  ionisasi  yang  terjadi.  Dalam    melakukan perancangan  osilator,  beberapa  hal  yang  perlu  diperhatikan  adalah:  kestabilan frekuensi pada berbagai variasi tegangan, temperatur, dan oscilator loading ( load pulling );keluaran  daya  yang  cukup  untuk  berbagai  keperluan;amplitudo, phase dan derau frekuensi modulasi  yang rendah; variable tuning , termasuk didalamnya kontrol  tegangan  dan  penalaan    mekanis;kapabilitas  untuk  melakukan  modulasi pada amplitudo (AM), frekuensi (FM) , atau phase (PM) ;dan untai yang sederhana. Stabilitas  suatu  osilator  tergantung  pada  material  yang  digunakan  dalam  rongga ( cavity ),  yaitu  stabilitas  reaktansi  dioda Gunn dan  varaktor  (jika  digunakan).
Stabilitas frekuensi dapat ditingkatkan dengan cara: pemilihan material yang tepat untuk  bahan  dalam  rongga;penekanan  temperatur  mekanis;dan  pemilihan  dioda Gunn yang tepat. Osilator berbasis dioda Gunn mempunyai kelebihan  yaitu derau pada  frekuensi  modulasi (FM) lebih  rendah  dibandingkan  osilator  berbasis  dioda IMPATT .  Osilator  berbasis  dioda IMPATT memiliki  efisiensi  yang  lebih  tinggi dan  daya  keluaran  yang  dihasilkan  juga  lebih  tinggi  bila  dibandingkan  dengan osilator berbasis dioda Gunn . Osilator berbasis GaAs, baik osilator  yang berbasis dioda Gunn maupun  berbasis  dioda IMPATT ,  membutuhkan  tegangan dc yang kecil untuk menghasilkan resistansi negatif.

## DAFTAR PUSTAKA
1. Collin,  Robert  E., Foundations  for  Microwave  Engineering ,  Mac  Graw-Hill, New York, 1992
2. Harrold, S.J., An Introduction to GaAs IC Design , Prentice Hall International, 1993
3. Liao,  Samuel  Y, Microwave  Circuit  Analysis  and  Amplifier  Design ,  Prentice Hall Inc, New Jersey, 1987
4. Liao,  Samuel  Y, Microwave  Device  and  Circuit ,  Prentice  Hall  Inc,  New Jersey, 1980
5. Long,  Stephen  I  dan  Steven  E.  Butner, Gallium  Arsenide  Digital Integrated Circuit Design , Mc Graw Hill Book Company, 1990
6. Roy, Sitesh K. & Mitra, Monojit, Microwave Semiconductor Devices , Prentice Hall of India, New Delhi, 2003
7. Soares, Robert, GaAs MESFET Circuit Design , Artech House, Norwood, 1988
8. Williams,  Ralph, Modern  GaAs  Processing  Methods ,  Artech  House, Norwood, 1990