Teknologi Sensor Berbasis Transistor

Barangkali dari sebagian pembaca sudah familiar dengan komponen elektronik yang bernama transistor. Komponen ini merupakan penyusun inti dari prosesor komputer, yang berjumlah milyaran buah, yang bekerja selayaknya saklar, mengalirkan dan memutus arus listrik. Tidak hanya itu, komponen elektronik ini digunakan pada perangkat-perangkat elektronik lainnya seperti amplifier, ponsel, dan banyak lagi. 

Sejarah Transistor

Sejarah ini dimulai pada tahun 1947, tepatnya di Laboratorium Bell (Bell Laboratory), Murray Hill, New Jersey. Tiga peneliti yang menemukan efek transistor adalah John Bardeen, Walter Brattain and William Shockley dan kemudian mengembangkan penemuannya menjadi sebuah peranti elektronik di akhir tahun tersebut.

Mulanya, Bardeen dan Brattain hendak membuat sebuah penguat (amplifier) yang terbuat dari bahan silikon, namun setelah beberapa kali uji coba akhirnya menggunakan bahan semikonduktor germanium dan logam emas. Konstruksinya, lihat Gambar 1, adalah dua batang logam emas runcing yang terpisah oleh bahan isolasi berbentuk baji dengan ketebalan beberapa ribu inci dan diletakkan di atas permukaan germanium yang telah dideposisi pada logam emas. Percobaan ini membuahkan hasil ketika emas terjadi kontak dengan germanium, arus yang mengalir pada kolektor (collector) diperkuat. 

Sumber: Dyon Novan Prawira

Penemuan ini menjadi tonggak lahirnya komponen elektronik transistor. Pada tahun 1950, William Shockley memfabrikasi ulang menjadi konstruk yang kini dikenal sebagai Bipolar Junction Transistor (BJT), lihat Gambar 2, dan membawa proyek ini ke arah komersial dan masif. Setelah itu, transistor mengalami perkembangan yang begitu pesat, khususnya dalam proyek pengembangan alat-alat elektronik. Sejauh ini, transistor diklasifikasikan ke dalam dua tipe mayor, yakni BJT dan Field Effect Transistor (FET).

Sumber: Dyon Novan Prawira

Cara Kerja Transistor

Pertama, tipe BJT secara ilustrasi dapat dilihat pada Gambar 2 di mana secara mendasar jenis ini merupakan piranti pengendali arus. Ketika sejumlah kecil arus mengalir pada base, maka arus ini akan menyebabkan aliran arus yang besar dari emitter ke collector. Tipe ini memiliki impedansi yang rendah sehingga mampu mengalirkan arus yang besar walaupun dengan input yang rendah. 

Kedua, tipe FET secara ilustrasi dapat dilihat pada Gambar 3 di mana secara mendasar mengendalikan aliran arus dari source (S) ke drain (D) dengan mengaplikasikan tegangan pada gate (G). Perubahan kecil tegangan masukkan pada G akan menyebabkan perubahan aliran arus dari S ke D dan keluaran arus listrik pada D sebanding dengan tegangan yang diaplikasikan pada G.

Sumber: Dyon Novan Prawira

Transistor Sebagai Sensor

Jenis transistor yang banyak digunakan dalam aplikasi sensor adalah tipe FET. Dari tipe ini, transistor berbasis struktur metal-oxide semiconductor FET (MOSFET)-lah yang digunakan dalam sensor. MOSFET pertama kali dikembangkan pada 1959 oleh Mohamed John Atalla and Dawon Kahng. Tiga tahun berselang, Leland C. Clark and Champ Lyons mengembangkan MOSFET menjadi biosensor, namun  tahun-tahun berikutnya sensor tersebut banyak digunakan untuk mengukur parameter fisik, kimia, biologi dan lingkungan. 

Secara sederhana, cara kerja sensor FET tidak ubahnya seperti MOSFET. Hanya saja, pada bagian gate transistor diberi sebuah cairan elektrolit (electrolyte) sehingga akan menghasilkan suatu permukaan oxide-electrolyte. Suatu tegangan dapat diberikan pada elektroda referensi (reference electrode). Untuk MOSFET berkanal-n (n-channel), tegangan gerbang positif yang semakin bertambah akan menghasilkan suatu bentukan saluran konduktif di antarmuka semikonduktor dan isolator gerbang (oksida). Untuk MOSFET berkanal-p (p-channel), tegangan gerbang positif yang semakin bertambah.

Respons FET yang didorong oleh perubahan medan listrik pada permukaan oksida karena molekul analit berikatan dengan permukaan. Misalkan dalam aplikasi sensor pH, ketika permukaan oksida diinduksi oleh cairan ber-pH maka akan menyebabkan perubahan muatan dan potensial yang ada di permukaan oksida tersebut. Perubahan inilah yang digunakan sebagai fungsi sensor.

Pada contoh sensor pH, MOSFET dikenal sebagai Ion-Sensitive FET (ISFET) dimana transistor ini dikonfigurasi agar sensitif terhadap perubahan ion suatu cairan yang hendak diteliti. Sementara itu, bila MOSFET digunakan dalam pengukuran analit molekuler, dimana permukaan sensor difungsionalisasi agar memiliki reseptor yang sensitif terhadap analit tertentu, maka MOSFET dikenal sebagai BioFET.

Sumber Bacaan

Lowe, Benjamin M., Kai Sun, Ioannis Zeimpekis, Chris Kriton Skylaris, and Nicolas G. Green. "Field-Effect Sensors-from PH Sensing to Biosensing: Sensitivity Enhancement Using Streptavidin-Biotin as a Model System." Analyst 142, no. 22 (2017): 4173--4200. doi:10.1039/c7an00455a.

Park, Jeho, Hoang Hiep Nguyen, Abdela Woubit, and Moonil Kim. "Applications of Field-Effect Transistor (FET)-Type Biosensors." Applied Science and Convergence Technology 23, no. 2 (2014): 61--71. doi:10.5757/asct.2014.23.2.61.

Oyekunle, Abdulwaliy. "The History of the Transistor Marches on ." All About Circuits. Accessed February 5, 2023. https://www.allaboutcircuits.com/news/history-of-transistor-marches-on/.

Bell System Memorial. "History of The Transistor." Bell System memorial- Bell Labs history of the (the "Crystal triode"). Accessed February 5, 2023. https://www.bellsystemmemorial.com/belllabs_transistor.html. 

Computer History Museum. "1960: Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated." 1960: Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated | The Silicon Engine | Computer History Museum. Accessed February 5, 2023. https://www.computerhistory.org/siliconengine/metal-oxide-semiconductor-mos-transistor-demonstrated/.