praktikum rangkaian listrik bahan semikonduktor · pdf filepraktikum electronics workbench ......

Praktikum Rangkaian Listrik &

Bahan Semikonduktor

1

Rudi Susanto

Praktikum Electronics Workbench (EWB)

• Electronics Workbench (EWB) adalah sebuahsoftware yang menyediakan berbagaikomponen dan instrumen untuk membuatrangkaian listrik pada PC. Hal inimemungkinkan untuk merancang danmenganalisis rangkaian tanpa menggunakanbreadboards, komponen nyata atau instrumenyang sebenarnya.

2

Interface

3

Percobaan 1

• Membuat rangkaian sederhana denganmenggunakan komponen Resistor

4

Percobaan 2

• Membuat rangkaian Resistor secara Seri (seperti gambar dibawah) dan Pararel

• Membandingkan hasil pengukuran pada

software EWB dengan perhitungan secara

manual 5

Praktikum Analisis Rangkaian

6

Praktikum 1

• Tentukan nilai arus i pada rangkaian dibawahini pada dengan software EWB!

Praktikum 2

Tentukan nilai arus i pada

rangkaian dibawah ini

pada dengan software

EWB!

Bahan Semikonduktor

9

Rudi Susanto

Teori Atom

10

Proton (Q+)

Inti Atom

mengitari atom

Neutron (Q=nol)

Atom

Elektron (Q -)

Qe=Qp =1,6.10-19 C

Model atom menurut BOHR

• Elektron mengelilingi inti atom pada orbitnya masing – masing

1111

• Kulit terluar Atom disebut : kulit valensi, dapat berisi hingga 8 elektron (8e)

• Konduktivitas atom tergantung pada jumlah electron pada kulit valensi:

a. Jika atom punya 1 elektron valensi (1 eV)……mendekati konduktor sempurna

b. Jika atom punya 8 elektron valensi (8 eV)…….kulit valensi lengkap dan atomnya isolator

Jadi konduktivitas turun dengan bertambahnya eV ( elektron valensi ).

Tiga Jenis Bahan

Konduktor

Isolator

Semikonduktor :1. Germanium

2. Silikon

12

Struktur Atom Germanium

13

----

-

--

--

---

-

-

-

--- -

-

--

-

-

-

-

-

--

-

-

-

+32

Inti atom dengan 32 proton

Orbit terluar : 4 elektron

Elektron bebas

Elektron valensi

Valensi 4 Semikonduktor

Orbit ketiga : 18 elektron

Orbit kedua : 8 elektron

Orbit pertama : 2 elektron

13

Struktur Atom Silikon

14

Inti atom dengan 14 proton

Orbit terluar : 4 elektron

Elektron Valensi

Elektron bebas

Orbit kedua : 8 elektron

Orbit pertama : 2 elektron

---

-

-

-

-- -

- -

-

-

-

+14

Valensi 4 Semikonduktor14

• Semikonduktor : suatu atom yang berisi 4 elektron valensi (4eV). Jumlah elektron valensi di dalam semikonduktor antarakonduktor dan isolator, maka atom semikonduktor bukankonduktor yang baik dan bukan isolator yang baik.

15

•Bahan–bahan semikonduktor : Carbon (C) dengan 6 proton (2-4), Silikon (Si) dengan 14 proton (2-8-4), dan Germanium (Ge) dengan 32 proton (2-8-18-4)

•Silikon (Si) dan germanium (Ge) untuk membuat komponen zat padat

•Carbon (C) untuk membuat resistor dan potensiometer

6 p (2-4)

K

L

14 p (2-8-4)

K

L

M

Material Semikonduktor

• Bahan yang digunakan dalam pembuatandivais semikonduktor.

– Silikon (Si)

– Germanium (Ge)

16

Enegy level

17

Doping

• Karakteristik dari Silikon dan Germanium diperbaiki dengan menambahkan material lainnya melalui proses yang dinamakan doping.

• Terdapat dua tipe material

tambahan, yaitu:

– n-type

– p-type

18

Efek Doping

19

Perbandingan n-type dan p-type

• Material n-type membuat atom Silikon (atauGermanium) menjadi lebih bermuatan negatif.

• Sebaliknya, material p-type membuatnya lebihbermuatan positif.

• Menggabungkan n-type dan p-type akanmenghasilkan p-n junction.

20

pn Junction

• Dioda tanpa Bias (The Unbiased dioda)

– Sisi p mempunyai banyak hole dan sisi n banyakelektron pita konduksi.

– Tidak ada tegangan luar disebut dioda tanpa bias.

21

Devais Semikonduktor

1. Dioda

2. Transistor

3. Integrated Circuit

22

Dioda

23

Pengantar tentang Dioda

• Resistor merupakan sebuah piranti linier karenaarus berbanding terhadap tegangan. Dalam bentukgrafik, grafik arus terhadap tegangan merupakangaris lurus.

• Dioda merupakan piranti non-linier karena grafikarus terhadap tegangan bukan berupa garis lurus.

• Saat tegangan dioda lebih kecil dari teganganpenghalang (potential barier) maka arus di dalamdioda kecil. Tetapi ketika tegangan dioda melebihitegangan penghalang maka arus dioda akan naikdengan cepat.

24

Dioda

Devais semikonduktor yang paling sederhana

Dioda adalah devais semikonduktor yang memiliki dua terminal

25

Operasi Dasar Dioda

Dioda menghantarkan arus searah dengan arah

yang sama dengan simbol

Namun jika arahnya berlawanan, maka dioda akan

berperilaku seperti open circuit26

Karakteristik dioda ideal – Area konduksi

• Pada area konduksi, idealnya:– Tegangan pada dioda adalah 0 V.– Arus yang melalui dioda adalah disesuaikan dengan rangkaian.– Tahanan maju (RF) didefinisikan sebagai RF = VF/IF. – Dioda berperilaku seperti short circuit.

Lihat garis vertikal!

27

Karakteristik dioda ideal – Area non-konduksi

• Pada area non-konduksi, idealnya:– Semua tegangan dapat melalui dioda.– Arus yang melalui dioda adalah 0A.– Tahanan mundur (RR) didefinisikan sebagai RR = VR/IR. – Dioda berperilaku seperti open circuit.

Lihat garis horizontal!

28

Karakteristik dioda

29

Jenis Dioda

30

Model Dioda

• Model adalah representasi dari suatu komponen atau rangkaian yang memiliki satu atau lebih Sifat atau karakteristik.

• Tiga model dioda :

1. Model Dioda Ideal

2. Model dioda Praktek

3. Model dioda Lengkap

31

1. MODEL dioda IDEAL

• Model dioda ideal menggambarkan dioda sebagai saklar sederhana yang dapat tertutup ( Conducting ) ketika dibias forward maupun terbuka ( nonconducting ) ketika dibias reverse. Model ini hanya digunakan untuk menentukan tahap awal troubleshooting (proses mencari kesalahan dalam perangkat elektronik).

Kondisi Karakteristik

OPEN *Infinite Resistansi Sehingga Arus nol

*Tegangan penuh pada kaki dioda

CLOSED *Resistansi nol Shg Arus Max

*Tegangan nol pada kaki dioda

32

• Berdasarkan karakteristik sebuah saklar, maka dapat diperoleh :

1. Ketika dibias reverse ( Open Switch )– dioda memilki resistansi tak terbatas ( maksimum )

– dioda tidak dialiri arus

– Sumber Tegangan akan jatuh semua pada terminal dioda

2.Ketika dibias forward ( Closed Switch )– dioda memilki resistansi nol ( minimum )

– dioda dialiri arus

– Tidak ada Sumber Tegangan jatuh pada terminal dioda

CONT.

33

2. MODEL DIODA PRAKTEK

• Dalam model dioda ideal banyak karakteristrik-karakteristik dioda yang diabaikan. Contohnya : Tegangan maju. Tegangan maju biasanya diperhatikan dalam analisis matematika dari rangkaian dioda. Pada aplikasi rangkaian yang digunakan diasumsikan dioda yang dipergunakan dioda silikon kalau ingin mengganti dengan dioda germaniun maka tegangan maju tinggal diubah dari 0.7V menjadi 0.3V

34

3. MODEL dioda LENGKAP

• Merupakan model yang paling akurat.

• Menggambarkan karakteristik-karakteristik operasional dioda.

• 2 faktor yang menyebabkan model ini menjadi semakin akurat adalah Resistansi Bulk.

35

Kurva KarakteristikUntuk masing-masing Model dioda

IF

VF

IR

VR

IF

VF

IR

VRVK=0.7V

IF

VF

IR

VRVK=0.7V

RB= ΔV / ΔI

Model diodaIDEAL

Model diodaPRAKTEK

Model diodaLENGKAP

36

Mem

bac

aD

atas

hee

t

37

38

39

40

41

Membaca Datasheet Dioda 1N4001

• Seperti terlihat dalam Gambar, beberapa informasiberguna tentang dioda:

Tegangan patah sebesar: 50V (Maximum repetitive peak reverse voltage).

Rata-rata arus bias maju: 1A (Average rectified forward current).

Tegangan maksimum pada kondisi bias maju 1A adalah1,1V (Maximum instateneous forward voltage).

Arus bias mundur maksimum: 5 A – 50 A (Maximum DC reverse currnet)

42

Menentukan Garis Beban

Garis beban adalah sebuah perangkat yang dapatdigunakan untuk menghitung nilai arus dantegangan dioda dengan tepat.

Perhatikan rangkaian berikut, dan kita akanmenggambar garis beban dari rangkaian tersebut:

43

D1

Rs

100 Ohm

Vs

2 V

Persamaan Garis Beban

44

Persamaan Garis Beban

45

Persamaan Garis Beban

46

Persamaan Garis Beban

47

10 mA

20 mA

30 mA

12,5 mA

1V0,75v 2V

Saturation

Diode

Curve

Cutoff

Q (operating point)

ID

VD

Titik Q

Saat garis beban digabungkan dengan kurva diode, terdapat titik potong antara garis beban dan kurva dioda, yang dikenal sebagai titik Q. Q adalah singkatan dari“quiescent” yang berarti istirahat.

Titik Q memerupakan penyelesaian simultan antara kurvadioda dan garis beban. Titik ini merupakan satu-satunyatitik pada grafik yang berlaku untuk dioda dan rangkaian.

Dengan membaca koordinat titik Q, didapatkan titikoperasi (operating point) pada arus sebesar 12,5 mA danpada tegangan dioda 0,75 V.

48

Percobaan 1 | Electronics Workbench (EWB)

1. Membuktikan Grafik V-I pada dioda silikon. Langkah-langkah percobaan

a. Buat rangkaian seperti pada gambar dibawah ini

b. Atur tegangan pada catu daya (Vs) pada nilai 0.01 V

c. Catat tegangan (Vd) dan arus (Id) pada dioda

d. Naikan Vs sampai dengan mencapai nilai 10 V dengan range 0,5

e. Buat grafik hubungan antara tegangan (Vd) dengan arus (Id)

49

Percobaan 2| Electronics Workbench (EWB)

Dengan menggunakan langkah percobaan

yang sama, lakukan pengukuran pada gambar

di atas .50

Percobaan 3| Electronics Workbench (EWB)

• Komponen yang digunakan dalam rangkaian penyearah yaitu Trafoatau Function Generator sebagai V in, Multimeter, Kapasitor, Resistor dan Osiloskop.

• Rangkailah gambar 1 pada EWB dengan V in adalah sumbertegangan bolak-balik (AC) dan V out disambung dengan osiloskop.

• Setelah merangkai gambar 1, kemudian lihat bentuk tegangan V in dengan menggunakan osiloskop.

• Lihat bentuk tegangan pada V out dengan menggunakan osiloskopdan bandingkan dengan tegangan V in.

51

Percobaan 4| Electronics Workbench (EWB)

• Langkah-langkah sama pada gambar 1.

52

Tugas!

• Buatlah laporan terkait Percobaan 1 dan 2, Yang berisi : data hasil percobaan, grafik hasilpercobaan, analisis hasil percobaan

• Lakukan percobaan 3 dan 4 dan analis hasilpercobaan 3 dan 4

53

Transistor

54

Jenis Transistor

55

1. Transistor npn : terdiri dari sebuah semikonduktor tipe-p (tipis) yang disisipkan diantara duasemikonduktor tipe n.

2. Transistor pnp : terdiri dari sebuah semikonduktor tipe-n (tipis) yang disisipkan diantara duasemikonduktor tipe p.

p nnE

B

C E

B

C

n ppE

B

EC

B

C

Arus pada Transistor

Alpha dc (αdc) adalah perbandingan antara arus Ic (kolektor) dengan arus emittor (Ie).

Beta dc (βdc) adalah perbandingan antara arus Ic dengan arusbasis (Ib).

• Alpha DC (αdc) :

Bila transistor ideal, maka Ic = Ie atau αdc = 1

• Beta DC (βdc) :

+

VRC

-

+

VCE

-+

VBE

-

+ VRB -

Kurva Garis Beban Transistor

Garis yang menghubungkan sumbu Ic (Vcc/Rc) dengan sumbu VCE (Vcc)

Titik Sumbat (cut off) dan Saturasi

• Titik dimana garis beban memotong kurva IB = 0 (nol)

sehingga VCE (cut off) = VCC.

• Titik perpotongan garis beban dengan kurva IB = IB(sat). Pada titik ini arus basis =IB(sat) dan aruskolektor adalah maksimum.

Daerah Aktif Transistor

• Adalah semua titik operasi antara titik cut off dan saturasi.

• Perpotongan dari arus basis dan garis beban adalah titik stasioner (Quiscent).

Q

Daerah Operasi Transistor

Sebuah Transistor memiliki empat daerahOperasi Transistor :

1. Daerah Aktif

2. Daerah CutOff

3. Daerah Saturasi

4. Daerah Breakdown

Contoh :

• Transistor 2N4401 (Si), βdc = 80. Gambarkan garisbeban dan titik kerja (Q) dari rangkaian dibawah ini :

Jadi koordinat titik Q adalah IC=6mA dan

VCE=21V

Gambar Grafik

IC (mA)

VCE

20

30

6

21

Q

Dengan mengubah nilai RB, maka titik Q akan bergeser ke titik

lain pada garis beban.

64

NPN

12 Volt

Battery

12 Volt

Battery

Computer can

send a signal to turn

on the transistor which

then turns on the light

NPN

Transistor

Light

Mechanical Switch Circuit Transistor Switch Circuit

Switch open

Light off = 0

Switch close

Light on = 1 Input = 0

Light off

Input = 1

Light on

Aplikasi

Praktikum 1

65

Isi tabel berikut :

Praktikum 2

• Rangkaian transistor sebagai saklar

66

67

Integrated Circuit (IC)

Symbol dan komponen

70

An integrated circuit (IC) consists of multiple transistors. The

number of transistors can vary from just a few (circuits shown

below), to several million that are in a

(Pentium microprocessor).

6 Transistors in one ICThis IC has 6 inverters

An inverter contains

6 Transistors = 36 total

Integrated Circuit (IC)

Functions

• Inverters• Gates• Flip flops• Counters• Memory• MPU• Watch IC’s• Calculators IC’s• Microwave Timer IC’s• Radio IC’s• Dialer IC’s• Car Controller IC’s

71

Rangkaian IC

72

Terima Kasih

73