diode semikonduktor

7/23/2019 Diode Semikonduktor

http://slidepdf.com/reader/full/diode-semikonduktor 1/13

Elektronika adalah Cabang ilmu pengetahuan dan teknologi yang mempelajari

teori dan penggunaan peralatan yang mana alran electron terjadi lewat tabung hampa,

tabung berisi gas atau semi konduktor. Karenanya, tabung hampa, tabung beisi gas

dan transistor dikenal sebgai peralatan elektronika.

Cabang elektronika yang berhubungan dengan aliran electron dalam hampa,

gas, dan benda padat dinamakan nelektronika fisika. Selanjutnya, cabang elektronika

yang berkaitan dengan perencanaan, pengembangan dan penggunaan peralatan

elektronika dinamakan Teknik Elektronika.

Elektron nmerupakan salah satu partikel dasar yang membentuk atom, electron

bermuatan negative dan mempunyai harga yang paling kecil yaitu

E !,"#$%&# '&# esu

E &,(#&%&# ')# emu

E &,(#&%&# '&* coulomb

+asa electron tergantung kepada kecepatannya . Kecepatan electron jauh lebih

kecil dari kecepatan cahaya sehingga masa electron disebut masa diam.+asa di"am

dari electron dinyatakan dengan mo *,&#- &# ')" g

*,&#- &# '$& kg

Kalau eloektron bergerak dengan kecepatan v, masa dinyatakan oleh

/

0120E SE+1K2304KT25



1.1 6endahuluan

Elektronika merupakan ilmu yang mempelajari dasar fisika, meliputi

pemakaian komponen'komponen yang berdasarkan sifat mengalirnya elektron

didalamnya.

Sejak ditemukannya transistor pada tahun &*!- oleh 7alter 8. 9rattain dan

:ohn 9ardeen dimana dua kawat emas berdekatan di tempelkan pada ;basis< kristal

germanium maka sejak saat itu perlahan'lahan penemuan ini menggantikan

komponen elektronika sebelumnya yaitu tabung vakum.

Saat ini tabung vakum jarang digunakan dalam praktek maka tidak akan

dibicarakan disini. =ermanium sendiri bahan yang mempunyai konduktivitas diantara

konduktor dan isolator

1.2 Diode Ideal

Komponen elektronika pertama yang diperkenalkan disini adalah diode. 0iode

adalah suatu komponen elektronika yang mudah menghantar arus untuk suatu

kekutuban tegangan, dan susah menghantar arus untuk kekutuban yang lain.

6ada modul ini kita hanya membahas diode p-n yang terbuat dari bahan

semikonduktor. Secara kuantitatif sifat diode tercermin pada grafik yang menyatakan

hubungan antara arus dan tegangan diode. =rafik ini disebut sebagai karakteristik

diode. 0engan menggunakan grafik ini dan pengetahuan tentang garis beban, kita

dapat membahas rangkaian yang mengandung diode secara grafis.

Kembali kepada judul bacaan ini yaitu diode ideal adalah komponen dua

terminal yang mempunyai simbol dan karakteristik sebagaimana ditunjukan pada

gambar &.&

=ambar&.& 0iode 1deal

>a? simbol @ >b? karakteristik



1dealnya, diode akan konduksi bila arus berada pada arah sebagaimana

dinyatakan dengan anak panah dalam simbol dan karakteristik gambar &.& dan bekerja

sebagai rangkaian terbuka untuk arus dalam arah yang berlawanan sebagai yang

ditunjukan dalam simbol. 0engan demikian dapat dikatakan bahwa 0iode 1deal

adalah switch yang dapat mengalirkan arus hanya dalam satu arah.

:ika polaritas tegangan yang digunakan secara konsisten seperti pada gambar

&.&a maka karakteristik diode pada gambar &.&b yang perlu diperhatikan adalah pada

bagian kanan sumbu vertikal dan jika polaritas tegangan yang diberikan dibalik maka

karakteristik dari diode berada pada bagian kiri sumbu vertikal.

4ntuk arus yang melewati diode jika memiliki arah seperti pada gambar &.&a

maka bagian yang diperhatikan dari karakteristik berada diatas sumbu horisontal,

sementara kebalikannya berada dibawah sumbu horisontal.

Salah satu parameter penting dari diode adalah tahanan pada daerah operasi

diode. :ika 10 adalah arus diode dan A0 adalah tegangan diode maka pada kedudukan

seperti simbol kita dapatkan tahanan pada arah forward RF , maka sesuai dengan

definisi hukum ohm diperoleh

##

),$, ,....., F

f F

V V R

I mA= = = Ω > short circuit ?

dimana

F V tegangan forward @ F I arus forward .

Karenanya diode ideal berlaku sebagai konduktor yang sempurna > short circuit

Bhubung singkat? jika berada pada posisi konduksi. Sebaliknya diode pada arah negatif

>kwadran $ gambar &.&b? maka diperoleh

R R >Tahanan reverse? R

R

V

I

, )#,....

#mA

− −= ∞Ω >open circuit Brangkaian terbuka?

dimana

RV tegangan reverse; R I arus reverse

Karenanya diode ideal adalah isolator yang sempurnaBopen circuit bila berada pada

posisi tidak konduksi.

Sebagai gambaran dari kedua kondisi diatas dapat dilihat pada gambar &.) berikut ini



)

>& ?

>& ?

l cm R ohm

A cm ρ ρ ρ = = =

6ada tabel &.&, diberikan nilai resistivitas dari tiga jenis materialBbahan

Tabel &.& 3ilai 5esistivitas

Konduktor Semikonduktor 1solator (&# cm ρ

−≅ Ω −

>tembaga?

# cm ρ = Ω − >Si? &)&# cm ρ = Ω −

>mika?$# &# x cm ρ = Ω − >=e?

Selanjutnya, telah diketahui bahwa bagian terkecil yang mana ciri dari benda tersebut

tidak diketahui disebut atom. tom terddiri dari tiga partikel dasar yaitu elektron,

proton, neutron, dimana proton dan neutron terletak pada inti atom dan elektron

berada pada kulit'kulit atom.

=ambar &.! Struktur atom

>a? germanium>=e? @ >b? silikon >Si?

0alam gambar &.! germanium mempunyai $) orbit elektron sementara atom silikon

mempunyai &! orbit elektron. 0emikian juga atom =e dan Si mempunyai ! elektron

pada shell>lapisan? terluar yang disebut sebagai elektron valensi.

&.$.& Semikonduktor murni atau intrinsik

Kalau penghantaran semikonduktor hanya ditentukan oleh pembawa muatan

yang dibangkitkan panas maka semikonduktor ini disebut semikonduktor murni atau

intrinsik. Kalau semikonduktor murni dijaga pada ## K, maka energi panas dari



elektron sama dengan # sehingga pita valensi terisi penuh dan pita hantaran sama

sekali kosong. Kerenanya pada ## K semikonduktor murni bersifat sebagai isolator.

Sebaliknya kalau semikonduktor dijaga pada temperatur ruangBkamar, beberapa

elektron pita valensi memperoleh cukup energi untuk melompat kedalam pita

hantaran dan menjadi bebas seperti yang ditunjukan dalam gambar &..

=ambar &. 6embangkitan elektron dan hole>lobang?

dalam semikonduktor intrinsik

Tempat kosong yang terbentuk karena beberapa elektron pada pita valensi

melompat kedalam pita hantaran diberi istilah 8ole yang membawa muatan sama

besarnya dengan muatan elektron dan jumlah elektron yang terbangkitkan panas sama

dengan jumlah 8ole. kibat energi panas elektron'elektron dan hole bergerak bebas

secara acak dalam kristal. Tegangan luar yang diberikan ditambah gerakan panas acak

elektron menghasilkan kecepatan simpangan >drift ? dimana kecepatan ini menaikan

aliran arus. :adi kalau semikonduktor dihubungkan ke baterai, arus disusun oleh

elektron'elektron bebas dalam pita hantaran dan hole'hole bebas dalam pita valensi.

Elektron bergerak menuju elektroda positif sedangkan hole bergerak kearah negatif.

4ntuk mengerti tentang hubungan ini dapat dilihat pada gambar &.(

=ambar &.( simpangan elektron dan hole dalam

semikonduktor yang dicatu



=ambar &.- 9entuk ) dimensi kristal =e atau Si

=ambar &.- menunjukan gambar ) dimensi dari kristal =ermanium atau Silikon yang

merupakan unsur grup 1A dari tabel periodik sehingga masing'masing atom

mempunyai ! elektron valensi. Elektron'elektron valensi ini dipegang oleh ikatan'

ikatan kovalen dengan elektron'elektron valensi dari empat atom =eBSi yang

berdekatan.

=ambar &." Kristal silikon dengan ikatan kovalennya lepas

Kalau satu elektron valensi menerima energi panas yang cukup maka elektron

tersebut memutuskan ikatan kovalen dan menjadi bebas sehingga terbentuk satu 8ole

>lihat gambar &."?. Kalau satu hole terbentuk maka elektron valensi dari atom

bersebelahan yang mempunyai energi panas yang cukup untuk meninggalkan ikatan

kovalennya akan melompat kedalam ikatan tersebut dan terbentuk lagi ikatan. dalah

sangat mungkin bahwa setiap saat beberapa elektron bebas pada waktu bergerak

secara acak didalam kristal semikonduktor bertemu dengan hole dan bergabung

>kombinasi? kembali dengan hole. 6roses ini dinamakan rekombinasi.



&.$.) Semikonduktor tak murni >tercampur? atau Ekstrinsik

Elektron'elektron dan lobang'lobangBhole'hole dapat dibangkitkan dalam

kristal semikonduktor berupa panas ataupun cahaya. 3amun metoda yang paling

efisien dan mudah untuk membangkitkan elektron bebas adalah dengan

menambahkan sejumlah kecil pencampur >impuritas? yang dipilih ke dalam kristal.

6enambahan atom'atom pencampur dalam jumlah sedikit kedalam

semikonduktor dinamakan peresapan >doping?. Semikonduktor yang mengandung

atom pencampur dinamakan semikonduktor teresapi, tercanpur atau ekstrinsik.

6enghantar >konduktivitas? semikonduktor ekstrinsik di tentukan oleh kelebihan

elektron atau hole akibat atom'atom pencampur. 6encampur yang sering digunakan

untuk =e dan Si adalah unsur'unsur grup 111 >trivalent ? dan A > pentavalen? dari tabel

periodik, umumnya 9oron, =allium, 1ndium, dan lumanium dari grup 111 dan Dosfor,

ntimonium, dan rsenikum dari grup A. 0alam semikonduktor senyawa seperti

1nSb, 1ndium >1n? unsur dari grup 111 dan ntimonium >Sb? dari grup A. 0alam hal ini

pencampur biasanya digunakan Tellurium >Te?, unsur dari grup A1 dan Seng >Fn?

unsur dari grup 11. Tregantung dari jenis resapan yang ada, semikonduktor ekstrinsik

selanjutnya dibedakan semikonduktor jenis n dan semikonduktor jenis p

&.$.).& 0onor atau semikonduktor tipe'n

9ila suatu unsur grup A seperti fosfor, antimonium, dan arsenikum

ditambahkan dalam jumlah sedikit kedalam semikonduktor unsur grup 1A, seperti

=e,Si dan atom'atom pencampur mempunyai ukuran sebanding atom'atom =e dan Si.

0alam kristal, suatu atom pencampur dikelilingi atom bahan semikonduktor. Empat

atom tetangga akan membentuk ikatan kovalen dengan empat dari lima elektron'

elektron valensi dari atom pencampur >gambar &."?

=ambar &.* tom pencampur valensi dalam kristal ! valensi



Elektron valensi ke' dari atom pencampur lepas dari ikatan, sehingga dapat

dikeluarkan dan dibebaskan dengan mengeluarkan sejumlah energi yang jauh lebih

sedikit dibandingkan dengan energi yang diperlukan untuk membongkar ikatan

kovalen. :umlah energi yang sdikit ini dapat dengan mudah diberikan dengan agitasi

panas pada kristal.

Keadaan energi yang bersangkutan dengan elektron valensi kelina berada

dalam celah terlarang dan persis dibawah pita hantaran. Tingkat energi ditunjukan

oleh garis putus'putus pada gambar &.&# dan dinamakan tingkat donor.

=ambar &.&# posisi tingkat donor dalam diagram pita energi

Kalau elektron valensi ke' dipisahkan dan dipindahkan ke pita hantaran atau

pencampur menjadi ion tidak bergerak bermuatan positif. +asing'masing atom

pencampur dalam peristiwa ini memberikan satu elektron bebas ke semikonduktor.

4nsur'unsur demikian dinamakan donor.

Semikonduktor yang berisi pencampur jenis donor dinamakan semikonduktor jenis n

karena pembawa'pembawa arus yang dihasilkan merupakan muatan negatif

>elektron?. Elektron'elektron bebas yang dihasilkan dengan cara ini dinamakan

elektron berlebihan.

0alam suatu semikonduktor senyawa 111'A seperti 1nSb, unsur grup A1 seperti

Te mengantikan unsur grup A Sb, berperan sebagai donor. Elektron'elektron

merupakan pembawa mayoritas >mayority carrier? dan hole'hole yang dibangkitkan

panas merupakan pembawa minoritas >minority carrier? dalm semikonduktor jenis n.

Catatan 4ntuk setiap atom pencampur ada satu elektron bebas dalam pita hantaran

tetapi tidak ada hole positif bersangkutan dalam pita valensi.

&.$.).) kseptor atau semikonduktor jenis p

9ila suatu unsur grup 111, seperti alumanium dimasukan sedikit kedalam susunan

kristal semikonduktor unsur tunggal seperti =e atau Si. 4ntuk masing'masing atom

unsur grup 111 yang dimasukan kedalam susunan kristal semikonduktor, masih ada

ikatan yang tidak terisi yang ditunjukan oleh garis putus'putus pada gambar &.&&.



dengan kata lain, keadaan energi yang tidak terisi terbentuk oleh pemasukan atom

pencampur grup 111.

=ambar &.&& Satu atom pencampur dalam kristal Si

Keadaan energi tambahan terletak tepat diatas pitaa valensi semikonduktor >gambar

&.&)? dan dinamakan tingkat akseptor

=ambar &.&) Getak tingkat akseptor dalam diagram pita energi

Kalau elektron dalam pita valensi menerima cukup energi dan melompat

kedalam keadaan energi tidak terisi, atom pencampur menjadi ion bermuatan negatif.

Energi yang dibutukan untuk melakukan perpindahan tersebut sangat kecil dan

dengan mudah diberikan oleh agitasi >rangsangan? panas dalam kristal.

Kalau elektron dari pita valensi datang ke keadan energi baru untuk mengisi ikatan

yang lepas maka elektron tersebut meninggalkan hole >lobang? dalam pita valensi. 1on

yang bermuatan negatif yang tidak bergerak tidak menyumbangkan arus.tom'atom pencampur yang mengakibatkan pembangkitan hole didalam kristal

semikonduktor dinamakan akseptor karena atom tersebut menerima elektron dan

menjadi ion bermuatan negatif. Semikonduktor yang berisi pencampur jenis akseptor

sinamakan semikonduktor jenis p, karena pembawa'pembawa arusnya merupakan

muatan positif >hole?. 8ole yang terbentuk dengan cara ini dinamakan hole lebih.

0alam semikonduktor grup 111'A seperti 1nSb, unsur grup 11 seperti Fn,

menggantikan unsur grup 111 1n, berperan sebagai kseptor. 0alam semikonduktor



jenis p, hole merupakan pembawa mayoritas >mayority carrier? dan elektron

merupakan pembawa minoritas >minority carrier?

0alam semikonduktor jenis p untuk masing'masing atompencampur juga ada satu

hole bebas dalam pita valensi tetapi tidak membangkitkan elektron bebas bebas

bersangkutan dalam pita hantaran.

&.$.).$ 6engaruh temperatur pada semikonduktor tercampur

0engan memisalkan ionisasi sempurna dari semua atomdonor, apabila

temperatur sek/mikonduktor jenis n naik, maka pembangkitan pasanga elektron'hole

akan membesar. Karena itu dengan kenaikan temperatur akan menimbulkan keadaan

dimana konsentrasi elektron yang terbangkitkan panas dalam pita hantaran akan jauh

lebih besar dari konsentrasi elektron donor. 0alam kondisi ini konsentrasi hole

>lobang? dan elektron akan menjadi sama, dan semikonduktor berlaku sebagai

semikonduktor intrinsik.

rgumen yang sma dapat diterapkan untuk bahan jenis p. :adi dapat

disimpulkan bahwa kalau temperatur naik, semikonduktor trcampur akan bersifat

mendekati semikonduktor interinsik.

&.! +ekanisme penghantaran arus dalam semikonduktor

Kalau medan listrik luar diberikan ke semikonduktor, tiap'tiap pembaw

>elektron dan hole? bergerak secara acak sambil menyerap energi panas.

6erubahan arah gerakan yang amat sering dari pembawa terjadi akibat penyebaran

oleh getaran dari atom jaringan dan oleh medan coulomb dari atom donor dan

akseptor yang terionisasi. 6enerapan medan luar pda gerakan acak dari pembawa

menyebabkan terjadinya kecepatan simpangan >drift? dalam keadaan mantap

>stasioner?.

Kecepatan simpangan >drift? dengan demikian dapat diperoleh dengan menaikan

aliran arus.

&.!.& aliran arus dalam semikonduktor jenis n yang dicatu

Semikonduktor jenis n mepunyai

a. elektron sebagai pembawa mayoritas

b. >hampir? sama jumlah ion'ion positif tidak bergerak dan

c. 8ole'hole sebagai pembawa minoritas



0imisalkan keikutsertaan hole pada arus diabaikan. nggap suatu semikonduktor

jenis n ditempatkan diantara sepasang elektroda yang diberi tegangan >gambar &.&$?

=ambar &.&$ Semikonduktor jenis n yang dicatu

kibat medan yang diberikan oleh tegangan maka akan terjadi penyimpangan

elektron bebas ke elektroda positif. Elektron yang sampai ke terminal positif

menghilang dalam logam elektroda dan ion positif tidak bergerak dalam batas'batas

elektroda negatif tetap, tidak dinetralkan akibat simpangan'simpangan elektron bebas.

1onion ini mendadak menarik elektron dari elektroda negatif sehingga terjadi aliran

elektron yang kontinyu dari terminal sumber tegangan ke terminal lainnya lewat

semikonduktor. Gaju aliran elektron dari elektroda negatif ke semikonduktor dan dari

semikonduktor ke elektroda positif ditentukan oleh tegangan dan penghantar

semikonduktor yang merupakan aliran arus.

&.!.) liran arus dalam semikonduktor jenis p yang dicatu

Semikonduktor jenis p mepunyai

a. 8ole sebagai pembawa mayoritas

b. jumlah ion negatif yang >hampir? sama dan

c. Elektron'elektron sebagai pembawa minoritas

Kalau semikonduktor jenis p ditempatkan diantara sepasang elektroda yang diberi

tegangan >gambar &.&!? maka akan ada simpangan tetap dari hole'hole menuju ke

elektroda negatif.



=ambar &.&! Semikonduktor jenis p yang dicatu

6ada saat hole'hole mencapai elektroda negatif, hole'hole tersebut bergabungdengan elektron'elektron yang keluar dari logam elektroda negatif dan hilang. 6ada

saat yang sama, jumlah hole yang dibangkitkan dekat elektroda positif. 8al ini karena

pada saat hole'hole menyimpang menjauhi elektroda positif, hole'hole tersebut

meninggalkan muatan negatif tidak bergerak yang dinetralkan. +uatan'muatan ini

dan elektroda positif memperbesar medan listrik yang mengakibatkan elektron'

elektron pengionisasi meninggalkan atom'atom akseptor dan datang ke elektroda

positif, dimana elektron menghilang.

0engan hilangnya elektron pada proses diatas, atom'atom akseptor berusaha

mengambil satu elektron dari ikatan terdekat. kibatnya terbentuk satu hole.

6embangkitan hole terjadi dengan laju dimana mereka menghilang pada elektroda

negatif. Gaju ini sekali lagi ditentukan oleh besarnya tegangan yang diberikan dengan

penghantaran semi konduktor.

Catatan 9ahwa arus didalam semikonduktor jenis p disebabkan oleh gerakan dari

hole, sedangkan dalam rangkaian luar digerakan oleh elektron.

diode semikonduktor

Documents