Antifuse

Antifuse adalah sebuah perangkat listrik yang menjalankan fungsi kebalikan dari sekring (fuse). Jika sekring memulai dengan resistansi rendah dan dirancang untuk secara permanen memutus atau membuka jalur konduktif listrik (biasanya ketika arus melebihi batas tertentu), maka antifuse memulai dengan resistansi tinggi—sebuah rangkaian terbuka—dan ketika diprogram, akan berubah menjadi jalur konduktif listrik permanen (biasanya ketika tegangan di seberang antifuse melebihi ambang tertentu).^[1] Teknologi ini memiliki banyak aplikasi. Antifuse paling dikenal karena penggunaannya dalam lampu Natal bertegangan rendah model mini-light (atau miniature).

Lampu pohon natal

Lampu bertegangan rendah tidak dapat menangani tegangan penuh seperti yang umum pada sirkuit rumah tangga, sehingga disusun secara seri, berbeda dengan lampu model lebih besar seperti C7 dan C9 yang disusun secara paralel dan dirancang untuk langsung beroperasi pada tegangan rumah tangga. Karena satu lampu yang putus dalam rangkaian seri akan memutus seluruh sirkuit, satu lampu yang rusak akan membuat seluruh rangkaian menjadi tidak berfungsi.^[2]

Karena itu, setiap bohlam dilengkapi dengan antifuse, biasanya dalam bentuk kawat pintas internal.^[3] Ketika bohlam putus, seluruh tegangan rumah tangga diterapkan pada satu lampu yang rusak tersebut. Ini dengan cepat menyebabkan antifuse memendekkan bohlam yang putus, memungkinkan rangkaian seri tetap berfungsi, meskipun dengan porsi tegangan rumah yang lebih besar dibebankan pada bohlam-bohlam lainnya yang masih berfungsi. Antifuse dibuat dari kawat yang dilapisi bahan isolasi tahan tinggi dan dililitkan di atas dua kawat penyangga filamen vertikal di dalam bohlam. Isolasi kawat antifuse mampu menahan tegangan rendah biasa pada bohlam yang masih menyala, tetapi cepat rusak ketika terkena tegangan penuh rumah, menghasilkan efek antifuse.

Semakin banyak bohlam yang putus dalam rangkaian, semakin tinggi tegangan yang diterapkan ke bohlam yang tersisa. Sering kali dipasang satu bohlam khusus tanpa antifuse dan dengan rating sedikit berbeda (agar putus lebih dulu ketika tegangan terlalu tinggi), dikenal sebagai "fuse bulb", ke dalam rangkaian lampu untuk mencegah kemungkinan terjadinya arus lebih (overcurrent) yang parah jika terlalu banyak bohlam rusak.

Antifuse dalam sirkuit terintegrasi

Antifuse secara luas digunakan untuk memprogram sirkuit terintegrasi secara permanen.^[4] Antifuse dapat digunakan dalam programmable read-only memory (PROM). Setiap bit mengandung baik sekring maupun antifuse dan diprogram dengan mengaktifkan salah satu dari keduanya. Pemrograman ini dilakukan setelah proses manufaktur dan bersifat permanen serta tidak dapat dibalik, dikenal sebagai one-time programming (OTP).^[5]

Beberapa perangkat logika yang dapat diprogram (Programmable Logic Devices atau PLD), seperti ASIC terstruktur, menggunakan teknologi sekring untuk mengonfigurasi rangkaian logika dan menciptakan desain khusus dari desain IC standar. PLD dengan antifuse hanya bisa diprogram sekali, berbeda dengan PLD berbasis SRAM yang bisa diprogram ulang untuk memperbaiki kesalahan logika atau menambahkan fungsi baru. PLD berbasis antifuse memiliki keunggulan dibandingkan yang berbasis SRAM karena seperti ASIC, tidak perlu dikonfigurasi ulang setiap kali daya dinyalakan.^[6] Mereka juga lebih tahan terhadap partikel alfa yang dapat menyebabkan gangguan pada sirkuit. Selain itu, sirkuit yang dibuat dengan jalur konduktif permanen dari antifuse bisa lebih cepat dibandingkan sirkuit serupa pada PLD berbasis SRAM.

Antifuse dielektrik

Antifuse dielektrik menggunakan penghalang oksida sangat tipis antara sepasang konduktor. Pembentukan jalur konduktif dilakukan melalui dielectric breakdown yang dipicu oleh denyut tegangan tinggi. Antifuse dielektrik biasanya digunakan dalam proses CMOS dan BiCMOS karena ketebalan lapisan oksida yang dibutuhkan lebih kecil daripada pada proses bipolar.

Antifuse silikon amorf

Salah satu pendekatan antifuse dalam IC menggunakan lapisan tipis silikon amorf non-konduktif di antara dua konduktor logam. Ketika tegangan cukup tinggi diterapkan pada silikon amorf tersebut, material ini berubah menjadi paduan silikon-polikristalin dan logam yang memiliki resistansi rendah dan bersifat konduktif.

Silikon amorf merupakan material yang biasanya tidak digunakan dalam proses bipolar maupun CMOS, sehingga membutuhkan langkah manufaktur tambahan.

Antifuse ini biasanya diaktifkan dengan arus sekitar 5 mA. Pada antifuse poli-difusi, kerapatan arus yang tinggi menghasilkan panas, yang melelehkan lapisan isolasi tipis di antara elektroda polysilicon dan difusi, menciptakan sambungan silikon resistif permanen.

Zener Antifuse

Dioda Zener dapat digunakan sebagai antifuse. Sambungan p-n pada dioda ini dibebani dengan lonjakan arus dan menjadi panas berlebih. Pada suhu di atas 100 °C dan kerapatan arus lebih dari 10⁵ A/cm², pelapisan logam mengalami elektromigrasi dan membentuk lonjakan (spike) yang menembus sambungan, sehingga menyebabkan hubung singkat; proses ini dikenal dalam industri sebagai Zener zap. Lonjakan ini terbentuk di permukaan silikon dan sedikit di bawahnya, tepat di bawah lapisan pasivasi, tanpa merusaknya. Jalur shunt (bypass) konduktif ini tidak mengganggu integritas dan keandalan perangkat semikonduktor. Biasanya, denyut arus selama beberapa milidetik sebesar 100–200 mA sudah cukup untuk perangkat bipolar umum, meskipun pada struktur antifuse yang tidak dioptimalkan; struktur khusus akan membutuhkan daya yang lebih rendah. Resistansi sambungan yang dihasilkan berada dalam kisaran sekitar 10 ohm.

Zener zap sering digunakan dalam sirkuit sinyal-campuran (mixed-signal) untuk melakukan trimming (penyesuaian presisi) pada nilai-nilai komponen analog. Contohnya, resistor presisi dapat dibuat dengan beberapa resistor seri yang dihubungkan paralel dengan dioda Zener (yang diarahkan agar tidak konduktif saat perangkat beroperasi normal), kemudian Zener tertentu dapat di-zap untuk menyingkat (shunt) resistor yang tidak diinginkan. Dengan metode ini, nilai resistor hanya dapat dikurangi. Oleh karena itu, toleransi produksi harus disesuaikan sehingga nilai terkecil yang dibuat sama dengan atau lebih besar dari nilai yang diinginkan. Resistor-resistor paralel tidak boleh terlalu kecil nilainya karena akan menyerap arus zap secara berlebihan; kombinasi resistor seri-paralel dan antifuse biasanya digunakan dalam kasus seperti ini.^[7]

Penerangan jalan

Dengan prinsip yang mirip seperti pada lampu Natal, sebelum munculnya lampu pelepasan intensitas tinggi (high-intensity discharge lamps), sistem penerangan jalan yang menggunakan lampu pijar sering dioperasikan sebagai rangkaian seri bertegangan tinggi. Setiap lampu jalan dilengkapi dengan film cutout—sebuah cakram kecil dari bahan isolasi yang memisahkan dua kontak yang terhubung ke dua kabel yang mengarah ke lampu. Sama seperti pada lampu Natal, jika sebuah lampu rusak, seluruh tegangan dari rangkaian penerangan jalan (yang bisa mencapai ribuan volt) diterapkan ke film isolasi pada cutout, yang kemudian rusak akibat tegangan tinggi tersebut. Dengan cara ini, lampu yang rusak dilewati (bypass) dan penerangan dapat kembali menyala untuk bagian jalan yang lain.

Berbeda dengan lampu Natal, rangkaian ini biasanya dilengkapi dengan perangkat otomatis untuk mengatur arus listrik yang mengalir, seperti transformator arus konstan. Saat setiap lampu dalam seri rusak dan kemudian dihubung singkat, regulator arus AC akan mengurangi tegangan, sehingga setiap lampu yang tersisa tetap bekerja pada tegangan, arus, kecerahan, dan usia pakai yang normal. Ketika lampu yang rusak diganti, cakram film baru juga dipasang kembali untuk memisahkan kembali kontak listrik dalam cutout tersebut. Sistem penerangan jalan seperti ini mudah dikenali dari isolator porselen besar yang memisahkan lampu dan reflektornya dari lengan pemasangan lampu; isolator ini diperlukan karena dua kontak pada dudukan lampu dapat beroperasi pada tegangan ribuan volt terhadap tanah.

Mekanisme yang sama (cutout cakram film) juga digunakan secara luas dalam aplikasi lain yang menggunakan pencahayaan seri, seperti lampu landasan dan taxiway di bandara.^[8][9]

Lihat pula

• Diac
• Sekring
• Varistor