dioda semikonduktor

23
DIODA SEMIKONDUKTOR Dioda adalah suatu komponen elektronik yang dapat melewatkan arus pada satu arah saja. Ada berbagai macam dioda, yaitu diode tabung, diode sambungan p-n, dan diode kontak titik (point-contact diode). Dioda memegang peranan amat penting dalam elektronika, di anataranya adalah untuk menghasilkan tegangan searah dari tegangan bolak – balik, untuk mengesan gelombang radio, untuk membuat berbagai bentuk gelombang isyarat, untuk mengatur tegangan searah agar tidak berubah dengan beban maupun dengan perubahan tegangan jala – jala (PLN), untuk saklar elektronik, LED, laser semikonduktor dan mengesan gelombang elektro. 1. Sambungan Bentuk dioda yang lazim digunakan terdiri dari semikonduktor jenis P yang dibuat bersambung dengan semikonduktor jenis –n. penyambungan ini dilakukan waktu penumbuhan kristal. Secara skematis dioda sambungan p-n dapat dilukiskan seperti pada gambar dibawah ini.

Upload: teroris-cinta-c-wyien

Post on 26-Jun-2015

696 views

Category:

Documents


19 download

TRANSCRIPT

Page 1: Dioda Semikonduktor

DIODA SEMIKONDUKTOR

Dioda adalah suatu komponen elektronik yang dapat melewatkan arus pada satu arah saja. Ada berbagai macam dioda, yaitu diode tabung, diode sambungan p-n, dan diode kontak titik (point-contact diode).

Dioda memegang peranan amat penting dalam elektronika, di anataranya adalah untuk menghasilkan tegangan searah dari tegangan bolak – balik, untuk mengesan gelombang radio, untuk membuat berbagai bentuk gelombang isyarat, untuk mengatur tegangan searah agar tidak berubah dengan beban maupun dengan perubahan tegangan jala – jala (PLN), untuk saklar elektronik, LED, laser semikonduktor dan mengesan gelombang elektro.

1. Sambungan

Bentuk dioda yang lazim digunakan terdiri dari semikonduktor jenis P yang dibuat bersambung dengan semikonduktor jenis –n. penyambungan ini dilakukan waktu penumbuhan kristal. Secara skematis dioda sambungan p-n dapat dilukiskan seperti pada gambar dibawah ini.

a) Susunan dioda sambungan b) lambang dioda

Tanda + dan – alam kontak persegi menyatakan pembawa mauatan intrinsic, yaitu yang berasal dari iktan kovalen pada atom silicon, yang menjadi bebas oleh karena eksitasi termal. Pembawa muatan yang lain adalah muatan bebas yaitu lubang yang dihasilkan atom akseptor pada bahan jenis-p, dan electron bebas yang berasal dari atom donor. Pembawa muatan bebas ini adalah pembawa muatan ekstrinsik.

Page 2: Dioda Semikonduktor

a) Muatan listrik dalam bahan semikonduktor jenis-p b) jenis-n

Elektron bebas pada bahan jenis-n akan berdifusi melalui sambungan, masuk ke dalam bahan jenis-p, dan terjadi rekombinasi dengan lubang – lubang yang ada dalam bahan p. dan juga sebaliknya lubang bahan p berdifusi masuk ke dalam bahan n dan berekomendasi dengan electron dan saling meniadakan muatan. Akibatnya, tepat pada sambungan p-n terjadi daerah tanpa muatan bebas yang di sebut daerah pengosongan (depletion region). Oleh karena muatan positif terpisah dari muatan ngatif, maka dalam daerah pengosongan terjadi medan listrik. Dengan adanya medan listrik ini terjadi beda potensial listrik (bukit potensial) antara bagian p dan bagian n dalam daerah pengosongan.

Muatan listrik pada sambungan

Adanya kuat medan listrik menyebabkan terjadinya bukit potensial pada sambungan p-n. agar suatu electron dalam bahan n dapat menyeberangi sambungan haruslah electron tersebut mempunyai energy lebih besar dari pada bukit potensial yaitu eVho (e=muatan electron). Pada keadaan ini terjadi aliran arus minoritas, yaitu lubang yang ada di jenis n dan electron bebas yang ada di jenis p, yang tidak di halangi oleh bukit potensial akan tetapi bahkan dibantu untuk menyeberang sambugan. Gambar dibawah ini adalah yang terjadi jika antar ujung bahan p dan n tidak diberi sumber ggl (baterai).

Page 3: Dioda Semikonduktor

a) Sambungan p-n

b) Sebaran rapat muatan p

c) Sebaran kuat medan listrik E

d) Sebaran potensial V;Vho = bukit potensial

Sekarang antara ujung bahan-p dan –n kita hubungkan suatu baterai, dengan bahan-p dihubungkan dengan kutup positif dan bahan-n dengan kutub negatif. Pada keadaan ini dikatakan sambungan p-n diberi panjar maju. Dengan diberi panjar maju, bukit potensial (Vh) menjadi kurang daripada tinggi bukit potensial tegangan (Vho). Dengan berkurangnya tinggi bukit potensial, elektron dari bagian –n dan lubang dari bagian p mudah menyeberang, sehingga terjadi aliran listrik.

Page 4: Dioda Semikonduktor

Panjar maju pada sambungan

Dengan adanya panjar maju ini sebaran potensial pada sambungan p-n seperti pada gambar

Sebaran potensial listrik jika dioda diberi panjar maju

Jika kutub batrai positif dihubungkan dengan bagian n dan kutub negatif dengan bagian p, dikatakan sambungan p-n dengan tegangan mundur. Dengan adanya panjar mundur pada ambungan p-n, bukit potensial bertambah tinggi, sehingga muatan ekstrinsik (electron dalam jenis-n dan lubang dalam jenis-p) susah mengalir, karena tidak mempunyai cukup tenaga untuk mengatasi bukit potensial.

Sebaran potensial pada sambungan p-n dengan panjar mundur

Page 5: Dioda Semikonduktor

2. Karakteristik dioda sambungan p-n

Ciri dioda adalah hubungan antara arus diode dan beda tegangan antara kedua ujung dioda. Pada lengkung ciri dioda, arus dioda iD = 0 jika vD = 0. Pada keadaan tanpa tegangan (vD = 0) arus minoritas dan arus mayoritas mempunyai besar sama tetapi arah yang berlawanan, sehingga arus total pada keadaan tanpa tegangan panjar sama dengan nol.

Jika dioda diberi tegangan maju yaitu vD>0, arus iD mula – mula mempunyai nilai iD = 0, sehingga vD = V potong, untuk diode silicon V potong =0,6 V sedang untuk dioda germanium V potong

= 0,3 V.

Lengkung ciri dioda

Pada tegangan mundur arus yang mengalir amat kecil, dan sampai batas – batas tertentu tak bergantung pada tegangan diode. Ars ini terdiri dari arus pembawa muatan minoritas mengalir dari anoda ke katoda. Tegangan mundur pada keadaan itu disebut tegangan dadal atau tegangan balik puncak. Dioda penyearah ada yang mempunyai Vpiv =50 V, 100 V, 200 V hingga beberapa kilo volt.

3. Persamaan dioda

Pada tegangan maju bukit potensial sambungan p-n berkurang yaitu menjadi Vh =Vho –V. disini Vho adalah tinggi bukit potensial tanpa panjar, dan V adalah beda tegangan pada dioda. Sesuai dengan statistic Boltzmann banyaknya electron pada bagian p yang mempunyai energi di atas Vh

sebanding dengan e-qVh/kT, atau secara matematik np=nne-Vh/kT dengan nn

adalah rapat electron dari bagian n,q adalah muatan elektron, k tetapan Boltzmann, dan T suhu dalam Kelvin.

Page 6: Dioda Semikonduktor

Pada tegangan maju lengkungan cirri sebenarnya lebih condong daripadazlengkungan teori, sebab hambatan oleh kebocoran arus melalui perduktor dalam dioda, yang dapat dibayangkan sebagai suatu hambatan Rs Nilai Rs kira – kira 10 ohm. Penyimpangan berikutnya adalah untuk tegangan mundur, lengkungan ciri dioda lebih condong daripada lengkungan teori, sebab hambatan oleh kebocoran arus melalui permukaan dioda. Hambatan Rsh

mempunyi nilai 100 k ohm atau lebih. Penyimpangan ketiga adalah adanya kedadalan pada cii mundur.

Lengkung ciri dioda, lengkung teori,

lengkung sebenarnya

dan rangkaian setera untuk dioda.

4. Pengaruh suhu pada lengkung ciri dioda

Jika suhu dinaikkan, tegangan berkurang. Tetapi arus penjenuhan bertambah, dan kemiringan lengkung ciri pada tegangan mundur pun

Page 7: Dioda Semikonduktor

bertambah. Pengaruh suhu oleh fungsi eksponensial eqVh/kT yang berasal dari arus injeksi tidaklah rerlalu besar. Kenaikkan suhu menaikan pula eksitasi termik, sehingga rapat electron intrinsic ni bertambah.

Pengaruh suhu pada lengkung

5. Garis beban pada rangkaian dioda

Dekat dengan Vpotong tanggapan dioda tidaklah linier dan disebut daerah aturan kuadrat. Pada arus dioda tinggi lengkungan cirri dioda tampak seperti garis lurus (sebetulnya eksponensial). Daerah ini disebut daerah linier. Nyatalah untuk beroperasi pada daerah linier nilai RL harus kecil.

RL tetap, VDD berubah

Page 8: Dioda Semikonduktor

Karena RL kemiringan garis beban tak berubah. Pada keadaan tegangan mundur dengan VDD <PIV arus yang mengalir adalah arus yang penjenuhan dengan nilai kecil sekali (= 1nA(Ge),= 1 nA(Si). Pada VDD4 garis beban memotong lengkung ciri pada titik q4 dengan arus mundur 1 (q4). Arus ini adalah arus pembawa muatan instrinsik yang timbul oleh dadalnya ikatan kovalen silicon di dalam daerah pengosongan.

Garis beban untuk satu harga RL dengan VDD yang berlainan

6. Penyearahan arus bolak - balik

Dioda pada rangkaian AC

Pada saat t2, VDD = Vp, arus dioda id (t) ditentukan oleh titik q2. Untuk mendapatkan Vo (t2) kita buat grafik id terhadap Vo, dan diperoleh bentuk isyarat keluaran. Pada waktu isyarat masukan vi negative garis beban memotong lengkung ciri pada q3 dengan arus dioda I = 0, sehngga tegangan

Page 9: Dioda Semikonduktor

keluaran vo = 0 juga. Tampak isyarat keluaran hanya mempunyai nilai positif saja. Kita dapat memperoleh penyearah gelombang penuh dengan dua cara. Cara pertama memerlukan transformator dengan sedapan pusat (center tap – CT)eperti pada gambar di bawah.

Aliran pada arus penyearah gelombang penuh jika isyarat positif

Jika isyarat masukan sedang positif, arus akan melalui dioda D1

seperti pada gambar di atas. Jika isyarat masukan negative, dioda D2

menghantar dan jalan arus seperti pada gambar di bawah.

Aliran arus penyearah gelombang penuh jika isyarat negative

Untuk penyearah jembatan, tampak transformator tak memerlukan adanya CT. bahkan bila dioda yang digunakan mempunyai kemampuan tegangan yang cukup, tanpa transformator pun penyearah ini dapat digunakan.

Page 10: Dioda Semikonduktor

Penyearah jembatan untuk menghasilkan isyarat keluaran positif dan negatif

7. Penyearah dengan tapis

Agar tegangan dc yang dihasilkan penyearah arus bolak balik dapat lebih rata, digunakan tapis lolos rendah dengan menggunakan kapasitor. Dengan adanya C, tegangan keluaran tak segera turun walaupun tegangan masukan sudah turun. Hal ini desebabkan karena kapasitor memrlukan waktu (t=RC) untuk mengosongkan muatannya. Sebelum tegangan pada kapasitor turun banyak, tegangan pda kapasitor keburu naik lagi. Tegangan berubah yang terjadi disebut tegangan riak, dengan nilai puncak ke puncak dinyatakan sebagai VRPP. Kualitas rangkaian tapis dinyatakan oleh nisbah riak puncak ke puncak (peak-to-peak ripple ratio-pprr). Jadi pprr =teganganVRPP dibagi dengan tegangan dc rata-rata.

8. Rangkaian setara dioda

Ada 2 macam rangkaian setara dioda yaitu :

1). Rangkaian setara dc untuk isyarat besar

2). Rangkaian setara ac atau rangkaian setara isyarat kecil.

Rangakaian setara dioda

Dengan memberi tegangan panjar maju atau mundur dioda dapat digunakan sebagai saklar.

Page 11: Dioda Semikonduktor

a) Rangkaian penggunting terpanjar

b) Rangakaian setara terpanjar maju dan mundur

9. Rangkaian pembentuk gelombang

a. Penggunting dioda seri

Bentuk tegangan keluaran Vo pada gambar di bawah adalah untuk dioda ideal yaitu jika arus penjenuhan dan tegangan potong pada dioda diabaikan.

Penggunting dioda seri yang membuang bagian negative dari V1

Page 12: Dioda Semikonduktor

b. Penggunting dioda sejajar

Rangkaian penggunting dioda sejajar

Resistor RL dan dioda D membentuk suatu pembagi tegangan. Hambatan dioda rD kecil jika anoda positif dan bernilai besar jika anoda negatif. Resistor yang bolleh dipasang pada keluaran parallel dengan dioda harus mempunyai nilai jauh lebih besar daripada nilai hambatan mundur daripada dioda, agar tegangan keluaran tak berpengaruh oleh hambatan ini.

10. Kapasitansi sambungan p-n

Pada sambungan p-n terjadi daerah pengosongan dimana tak ada pembawa muatan bebas. Di dalam daerah pengosongan terdapat medan listrik, sehingga daerah ini berupa kapasitor yang berisi muatan.

a). Sambungan dioda daerah pengosongan

Page 13: Dioda Semikonduktor

b). Sambungan dioda sebaran rapat muatan

c). Sambungan dioda sebaran medan listrik

d). Sambungan dioda sebaran potensial

Pada frekuensi tinggi Ci berpengaruh pada keadaan tegangan mundur waktu hambatan dioda besar. Dioda pada tegangan mundur dapat dinyatakan sebagai kapasitor yang nilai kapasitansinya dapat diatur dengan tegangan panjar. Dioda yang khusus untuk maksud ini disebut dioda varaktor atau dioda varikap.

Dioda D digunakan sebagai kapasitor

11. Dioda Zener

Page 14: Dioda Semikonduktor

Ada dua mekanisme kedadalan dalam dioda Zener yaitu pada keadaan Zener, medan listrk yang tinggi dalam daerah pengosongan menyebabkan elektron pada ikatan kovalen lepas menjadi elektron bebas. Pada mekanisme ini tegangan dadal (PIV) berkurang dengan naiknya suhu. Mekanisme kedua yaitu dadal Townsend, terjadi karena electron bebas mendapat percepatan cukup tinggi, sehingga jika menumbuk atom akan terjadi elektron bebas. Pada mekanisme yang terakhir ini tegangan dadal bertambah jika suhu naik. Tegangan dadal dapat diatur dengan mengubah konsentrasi donor dan akseptor.

Dioda yang digunakan pada daerah dadal disebut dioda Zener. Dioda ini digunakan untuk pengaturan tegangan, agar sumber tegangan searah tak berubah tegangan keluarannya jika diambil arusnya (dibebani) dalam batas – batas tertentu. Dioda Zener dibuat agar mempunyai tegangan dadal (disebut tegangan Zener) pada nilai tertentu antara 3V dan 100V.

Kurva dioda Zener

Ada beberapa parameter dioda Zener yang penting yaitu :

a. Tegangan dadalb. Koefisien suhu (perubahan tegangan Zener terhadap suhu)c. Kemampuan daya (lesapan daya maksimum)d. Hambatan isyarat kecil rz , yaitu hambatan Zener terhadap

perubahan tegangan kecil atau untuk isyarat ac kecil.

Dioda Zener dengan tegangan Zener di atas 6V mempunyai koefisien suhu positif dan dibawah 6V koefisien suhu negative. Koefisien suhu minimum terjadi pada Zener 6V untuk arus 40 mA. Begitu pula hambatan

Page 15: Dioda Semikonduktor

isyarat kecil rz yang menyatakan kebalikan kemiringan lengkung ciri dioda Zener pada keadaan dadal juga berubah dengan tegangan Zener.

Koefisien suhu untuk suatu dioda Zener (1N746)

Gambar diatas dapat diartikan sebagai berikut, untuk Vz = 6V (Iz = 40 mA), koefisien suhu = 0, yaitu Vz tak berubah dengan suhu. Untuk Zener 6V yang dialiri arus 5 mA, koefisien suhu kira – kira +1 mV/ derajat Celsius, yaitu jika suhu naik 10 derajat Celsius tegangan Zener naik 10 mV.

12. Dioda Zener untuk pengaturan tegangan

Tegangan keluaran peyearah gelombang penuh dengan tapis pada keadaan beban ringan (arus beban kecil atau RL besar) adalah seperti gambar dibawah.

Page 16: Dioda Semikonduktor

(a) (b)(a) Tegangan keluaran Vo pada beban ringan, (b) Tegangan keluaran Vo (arus beban

IL besar, RL kecil).

Tampak bahwa :

(a)Vodc turun jika arus beban IL diperbesar(b) Tegangan riak membesar dengan arus beban IL atau jika RL

diperkecil. Ini juga dapat difahami dari hubungan antara tegangan riak dengan RL. Riak dapat diperkecil dengan menggunakan kapasitansi yang besar pada beban arus yang besar. Akan tetapi penurunan tegangan searah pada arus beban besar tetap terjadi. Penyerah di atas dikatakan tidak mempunyai pengaturan tegangan.

Suatu penyearah dengan pengaturan tegangan, mempunyai tegangan keluaran yang tetap jik diberi beban arus dalam batas tertentu. Tanpa pengaturan penurunan tegangan keluaran oleh arus beban terjadi karena penyearah mempunyai (hanbatan dalam) yang terdiri dari hambatan gulungan transformator dan (hambatan dalam dioda). Pada arus beban yang besar terjadi jatuh tegangan pada (hambatan dalam) ini sehingga tegangan keluaran berkurang.

Nilai hambatan keluaran RO dapat ditentukan dengan mengukur VO

sebagai fungsi arus beban IL . pengaturan tegangan dapat dibuat dengan menggunakan dioda Zener seperti gambar dibawah.

Page 17: Dioda Semikonduktor

Catu daya dengan pengatur Zener

Dengan membuat Va lebih besar dari tegangan Zener, maka dioda Zener bekerja pada daerah dadal sehingga tegangan keluaran tetap untuk berbagai nilai arus beban, selama Vb tidak kurang dari 12 V.dari gambar di atas tampak

IS = ID + IL

Sehingga VD = Va – IS . RS

= Va – ID . RS – IL . RS

ELKA ANALOG DAN DIGITAL

DIODA SEMIKONDUKTOR

DISUSUN

Page 18: Dioda Semikonduktor

Nama : ANDRI SETIAWAN

No. BP : 1001031012

Prodi : TEKNIK LISTRIK

Kelas : 1 B REGULER

POLITEKNIK NEGERI PADANG