DIODA SEMIKONDUKTOR

1.      Dioda semikonduktor

Dioda merupakan komponen elektronika non-linier yang sederhana.  Struktur dasar dioda berupa bahan semikonduktor type P yang disambung dengan bahan type N.  Pada ujung bahan type P dijadikan terminal Anoda (A) dan ujung lainnya katoda (K), sehingga dua terminal inilah yang menyiratkan nama dioda.

Adapun semikonduktor adalah bahan yang sifat-sifat kelistrikannya terletak an

tara sifat-sifat konduktor dan isolator.  Sifat-sifat kelistrikan konduktor maupun isolator tidak mudah berubah oleh pengaruh temperatur, cahaya atau medan magnit, tetapi pada semikonduktor sifat-sifat tersebut sangat sensitif.

            Elemen terkecil dari suatu bahan yang masih memiliki sifat-sifat kimia dan fisika yang sama adalah atom.  Suatu atom terdiri atas tiga partikel dasar, yaitu: neutron, proton, dan elektron.  Dalam struktur atom, proton dan neutron membentuk inti atom yang bermuatan positip dan sedangkan elektron-elektron yang bermuatan negatip mengelilingi inti.  Elektron-elektron ini tersusun berlapis-lapis.  Struktur atom dengan model Bohr dari bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan, silikon dan germanium, terlihat pada gambar 1.1. 

 

1.2  Semikonduktor type N

Apabila bahan semikonduktor intrinsik (murni) diberi (didoping) dengan bahan bervalensi lain maka diperoleh semikonduktor ekstrinsik.  Pada bahan semikonduktor intrinsik, jumlah elektron bebas dan holenya adalah sama.  Konduktivitas semikonduktor intrinsik sangat rendah, karena terbatasnya jumlah pembawa muatan yakni hole maupun elektron bebas tersebut. 

Jika bahan silikon didoping dengan bahan ketidak murnian (impuritas) bervalensi lima (penta-valens), maka diperoleh semikonduktor tipe n.  Bahan dopan yang bervalensi lima ini misalnya antimoni, arsenik, dan pospor.  Struktur kisi-kisi kristal bahan silikon type n dapat dilihat pada gambar 1.5.

 

1.3  Semikonduktor type P

Apabila bahan semikonduktor murni (intrinsik) didoping dengan bahan impuritas (ketidak-murnian) bervalensi tiga, maka akan diperoleh semikonduktor type p.  Bahan dopan yang bervalensi tiga tersebut misalnya boron, galium, dan indium.  Struktur kisi-kisi kristal semikonduktor (silikon) type p adalah seperti gambar 1.8.

Seperti halnya pada semikonduktor type n, secara keseluruhan kristal semikonduktor type n ini adalah netral.  Karena jumlah hole dan elektronnya sama.  Pada bahan type p, hole merupakan pembawa muatan mayoritas.  Karena dengan penambahan atom dopan akan meningkatkan jumlah hole sebagai pembawa muatan.  Sedangkan pembawa minoritasnya adalah elektron.  

1.4  Dioda Semikonduktor

Dioda semikonduktor dibentuk dengan cara menyambungkan semikonduktor type p dan type n.  Pada saat terjadinya sambungan (junction) p dan n, hole-hole pada bahan p dan elektron-elektron pada bahan n disekitar sambungan cenderung untuk berkombinasi.  Hole dan elektron yang berkombinasi ini saling meniadakan, sehingga pada daerah sekitar sambungan ini kosong dari pembawa muatan dan terbentuk daerah pengosongan (depletion region).

 

 1.5  Bias mundur (Reverse bias)

Bias mundur adalah pemberian tegangan negatip baterai ke terminal anoda (A) dan tegangan positip ke terminal katoda (K) dari suatu dioda.  Dengan kata lain, tegangan anoda katoda VA-K adalah negatip (VA-K < 0). Gambar 1.12 menunjukkan dioda diberi bias mundur.

 

      pada ujung anoda (A) yang berupa bahan tipe p diberi tegangan negatip, maka

hole-hole (pembawa mayoritas) akan tertarik ke kutup negatip baterai menjauhi persambungan.  Demikian juga karena pada ujung katoda (K) yang berupa bahan tipe n diberi tegangan positip, maka elektron-elektron (pembawa mayoritas) akan tertarik ke kutup positip baterai menjauhi persambungan.  Sehingga daerah pengosongan semakin lebar, dan arus yang disebabkan oleh pembawa mayoritas tidak ada yang mengalir.

1.6  Bias maju (Forward Bias )

Apabila tegangan positip baterai dihubungkan ke terminal Anoda (A) dan negatipnya ke terminal katoda (K), maka dioda disebut mendapatkan bias maju (foward bias).  Dengan demikian VA-K adalah positip atau VA-K > 0.  Gambar 1.13 menunjukan dioda diberi bias maju.

 

Dengan pemberian polaritas tegangan seperti pada gambar 1.13, yakni VA-K positip, maka pembawa mayoritas dari bahan tipe p (hole) akan tertarik oleh kutup negatip baterai melewati persambungan dan berkombinasi dengan elektron (pembawa mayoritas bahan tipe n).  Demikian juga elektronnya akan tertarik oleh kutup positip baterai untuk melewati persambungan.  Oleh karena itu daerah pengosongan terlihat semakin menyempit pada saat dioda diberi bias maju.  Dan arus dioda yang disebabkan oleh pembawa mayoritas akan mengalir, yaitu ID.  

1.7  Kurva karakteristik Dioda

Hubungan antara besarnya arus yang mengalir melalui dioda dengan tegangan VA-K dapat dilihat pada kurva karakteristik dioda (gambar 1.14).

Gambar 1.14 menunjukan dua macam kurva, yakni dioda germanium (Ge) dan dioda silikon (Si).  Pada saat dioda diberi bias maju, yakni bila VA-K positip, maka arus ID akan naik dengan cepat setelah VA-K mencapai tegangan cut-in (Vγ).  Tegangan cut-in (Vγ) ini kira-kira sebesar 0.2 Volt untuk dioda germanium dan 0.6 Volt untuk dioda silikon.  Dengan pemberian tegangan baterai sebesar ini, maka potensial penghalang (barrier potential) pada persambungan akan teratasi, sehingga arus dioda mulai mengalir dengan cepat.  

Bagian kiri bawah dari grafik pada gambar 1.14 merupakan kurva karakteristik dioda saat mendapatkan bias mundur.  Disini juga terdapat dua kurva, yaitu untuk dioda germanium dan silikon.  Besarnya arus jenuh mundur (reverse saturation current) Is untuk dioda germanium adalah dalam orde mikro amper dalam contoh ini adalah 1 µA.  Sedangkan untuk dioda silikon Is adalah dalam orde nano amper dalam hal ini adalah 10 nA.

 Apabila tegangan VA-K yang berpolaritas negatip tersebut dinaikkan terus, maka suatu saat akan mencapai tegangan patah (break-down) dimana arus Is akan naik dengan tiba tiba.  Pada saat mencapai tegangan break-down ini, pembawa minoritas dipercepat hingga mencapai kecepatan yang cukup tinggi untuk mengeluarkan elektron valensi dari atom.  Kemudian elektron ini juga dipercepat untuk membebaskan yang lainnya sehingga arusnya semakin besar.  Pada dioda biasa pencapaian tegangan break-down ini selalu dihindari karena dioda bisa rusak.  

1.8    Resistansi Dioda

Karena kurva karakteristik dioda tidak linier, maka resistansi dioda berbeda-beda antara satu titik operasi ke titik operasi lainnya.  Pemberian tegangan dc kepada suatu rangkaian yang ada dioda semikonduktornya akan menentukan titik kerja dioda tersebut pada kurva karakteristik.  Apabila tegangan dc yang diberikan tidak berubah maka titik kerja dioda juga tidak berubah.  Perbandingan antara tegangan pada titik kerja dengan arus yang mengalir pada dioda disebut dengan Resistansi DC atau Resistansi Statis. 

Resistansi dc pada daerah bias maju akan lebih kecil dibanding dengan resistansi pada daerah bias mundur.  Untuk lebih jelasnya dapat diperhatikan contoh 1.1 di bawah ini.  

1.9  Rangkaian Ekivalen Dioda

Rangkaian ekivalen adalah gabungan dari beberapa elemen yang dianggap paling mewakili karakteristik suatu komponen atau sistem yang sesungguhnya. 

Secara umum terdapat tiga macam pendekatan yang digunakan untuk membuat rangkaian ekivalen suatu dioda semikonduktor.  Pendekatan yang paling sederhana adalah model dioda ideal.  Gambar 1.19 menunjukkan model dioda ideal dan karakteristiknya. 

  

Dioda ideal menyerupai suatu saklar, bila VD positip saklar akan menutup (dioda ON) sehingga arus ID besar dan bila VD negatip saklar akan membuka (dioda OFF) sehingga arus ID = 0.  Model dioda ideal dipakai terutama dalam kondisi apabila tegangan dan resistansi jaringan sangat besar, misalnya dalam power supply.

Pendekatan kedua adalah lebih lengkap dari model ideal yaitu model dioda sederhana.  Gambar 1.20 menunjukkan model dioda sederhana dan karakteristiknya.  Rangkaian ekivalennya terdiri atas dioda ideal yang diseri dengan tegangan baterai sebesar 0.7 V (untuk dioda silikon).   Tegangan baterai ini sebesar tegangan cut-in dari dioda yang bersangkutan. 

 Pendekatan ketiga adalah yang paling komplek yaitu rangkaian ekivalen piecewise

linier.  Meskipun rangkaian ekivalen ini dianggap paling akurat, namun bagian nonlinier dari kurva bias maju tetap dianggap sebagai linier.  Sehingga diperoleh seperti gambar 1.21.

 

Ringkasan

Dioda semikonduktor dibentuk dengan menyambungkan dua buah bahan semikonduk

tor tipe P dan tipe N.  Bahan semikonduktor tipe P mempunyai pembawa muatan mayoritas hole, sedangkan pada tipe N pembawa muatan mayoritasnya adalah elektron.  Dengan demikian pada persambungan dua bahan tersebut timbul daerah pengosongan.

Apabila dioda semikonduktor diberi bias maju, maka arus akan mengalir.  Namun

apabila dioda diberi bias mundur, maka dioda tidak mengalirkan arus, hanya terdapat arus yang sangat kecil yang disebut dengan arus bocor.   SEKIAN........