Pendahuluan

Alat ukur four-point probe (probe 4 titik disingkat FPP) adalah salah satu jenis alat yang biasa digunakan untuk mengukur nilai kerintangan suatu lapisan bahan elektronika [1,2] yaitu bahan semikonduktor seperti Silikon (Si), Germanium (Ge), Gallium Arsenide (GaAs), juga bahan logam dalam bentuk thin film (lapisan tipis) yang dipergunakan dalam pembuatan piranti elektronika. Thin film adalah suatu lapisan yang sangat tipis dari suatu bahan (organik, inorganik, logam maupun campuran logam-organik / organometallic) yang memiliki sifat - sifat konduktor, semikonduktor, superkonduktor maupun insulator dengan ketebalan dari orde Angstrom (è) hingga mikrometer (1 è = 10-10 m).
Seperti namanya, alat ukur ini didasarkan pada 4 buah probe dengan 2 probe berfungsi untuk mengalirkan arus listrik dan 2 probe yang lain untuk mengukur tegangan listrik sewaktu probe-probe tersebut dikenakan pada bahan (sampel). Untuk menentukan serta mengkaji sifat-sifat bahan tersebut dapat dilakukan dengan menentukan nilai kerintangan untuk suatu luasan dan ketebalan tertentu. Beberapa parameter lain yang dapat diperoleh dari pengukuran bahan dengan menggunakan peralatan ini antara lain adalah mengetahui jenis doping suatu bahan semikonduktor (positif atau negatif), mobilitas elektron dari suatu bahan [3], dan lain-lain. Meskipun berbagai merek alat FPP dapat dibeli di pasaran untuk kategori peralatan saintifik seperti misalnya merek Jandel Engineering dengan harga yang relatif tinggi, namun bagi keperluan pengukuran yang sederhana dimungkinan untuk men-desain sendiri alat tersebut dengan beaya pembuatan yang relatif murah dan tingkat akurasi yang komparatif. Untuk model baru, alat FPP yang dijual dilengkapi dengan sistem interfacing komputer sehingga hasil pengukuran dapat terus ditampilkan pada monitor, juga data yang ada dapat disimpan. Untuk hal ini desain alat yang kita buat dapat juga dikembangkan dengan sistem interfacing komputer. Dalam artikel ini akan diberikan secara singkat konsep dasar dari alat FPP yang memungkinkan didesain sendiri bagi keperluan pengukuran.

Skema Alat dan Prinsip Kerja

Konfigurasi utama alat ukur FPP dapat diskemakan seperti pada Gambar 1 dimana keempat probe yang didesain dapat digerakkan naik dan turun. Gerakan turun dilakukan untuk meletakkan kesemua probe agar bersentuhan dengan permukaan sampel, sedangkan gerakan naik untuk melepaskan sentuhan probe dengan permukaan sampel. Mekanik gerakan probe (naik dan turun) tersebut biasanya ditopang oleh pegas (spring) untuk menghindari kerusakan permukaan sampel akibat tekanan yang terlalu kuat dari probe. Posisi ujung keempat-empat probe harus segaris, yaitu sewaktu diturunkan semua probe harus menyentuh permukaan sampel. Prinsip dari alat tersebut adalah sebagai berikut :
Sebelum arus dialirkan (diberikan) melalui probe, keempat probe diturunkan sehingga menyentuh permukaan sampel. Setelah itu arus I dialirkan melalui probe 1 dan 4. Dengan cara seperti ini arus akan dialirkan / didistribusikan secara laminer melalui sampel dari probe yang satu menuju probe yang satunya. Pada daerah dimana probe 2 dan 3 bersentuhan dengan sampel tegangan 'drop' diukur dengan voltmeter. Dari variasi perubahan arus yang diberikan, akan diperoleh perubahan tegangan yang diukur. Aliran arus pada probe 2 dan 3 sangat kecil dan dapat diabaikan sebab tegangan diukur dengan menggunakan voltmeter rintangan tinggi. Dari perubahan ini akan diperoleh nilai kerintangan (resistivity) thin film bahan sampel berdasarkan rumus yang ada yang akan dijelaskan pada Gambar 1.
Metode Pengukuran
Untuk menentukan nilai kerintangan dari sampel yang terbuat dari bahan semikonduktor atau logam, maka dipergunakan rumus dengan memperhatikan nilai ketebalan lapisan berbanding dengan jarak antar probe [4].
 

1. Untuk ketebalan sampel, t yang nilainya lebih kecil dari jarak antar probe, d (t Æ d), maka nilai kerintangan (resistivity), r adalah

    V adalah tegangan yang diukur melalui probe 2 dan 3
    I adalah arus yang diberikan ke sampel melalui probe 1 dan 4
    Jika r / t = Rs  (Rs adalah kerintangan lembaran / sheet resistivity)
    maka Rs = 4.53 V/I

2. Meskipun alat FPP biasa digunakan untuk pengukuran bahan dalam bentuk thin film, namun dimungkinkan juga untuk mengukur bahan dalam bentuk bulk. Untuk ketebalan sampel, t yang nilainya jauh lebih besar dari jarak antar probe, d (t Ø d), maka nilai kerintangan bulk (bulk resistivity) r dapat dihitung.

Sebagai suatu penutup dari artikel ini,  alat ukur FPP adalah cukup signifikan dalam penentuan nilai kerintangan atau kekonduksian suatu bahan thin film juga bentuk bulk bagi pengujian kualitas bahan maupun piranti elektronika yang akan dibuat. Selain itu juga dapat diamati beberapa fenomena yang sedang terjadi di dalam bahan yang sedang diukur jika ada faktor eksternal seperti perubahan intensitas cahaya, suhu, dan lain sebagainya. Salah satu hal yang menarik adalah alat FPP dapat didesain sendiri dengan cara yang mudah dan beaya yang relatif murah.

Daftar Pustaka

1. Hartnagel, H.L., Dawar, A.L., Jain, A.K., dan Jagadish, C., 1995. Semiconducting Transparent Thin Film, Institute of Physics, London.
2. Abdullah, M.H., 1990. Sifat dan kegunaan Semikonduktor, DBP, Selangor.
3. Solymar, L. dan Walsh, D., 1998. Electrical Properties of Materials, Oxford University Press.
4. Valdes, L.B., 1954. Proc. IRE., 42, hal. 420.
5. Krokoszinski, H.J. dan Oesterlein, R, 1990. Thin Solid Films, 187, hal. 179.
6. Ishibashi, S., Higuchi, Y., Ota, Y. dan Nakamura, K., 1990. J. Vac. Sci. Technol., A8, hal 1399.
7. Hoheisel, M., Heller, S., Mrotzek, C. dan Mitwalsky, A., 1990. Solid State Commun., 76, hal. 1.
8. Kaye, G.W.C. dan Laby, T.H., 1995. Tables of Physical and Chemical Constants, Longman.
9. Hasil eksperimen yang dilakukan (oleh Kean, O.C., 1999) di Lab. Fisika dan Elektronika, Universiti Malaysia Sabah.