MAKALAH ELEKTRONIKA ANALOG

DIODA SEMIKONDUKTOR

Disusun Oleh :

Nur Aoliya (4201412014)

Nur Hafiyani (4201412016)

Jelia Fetmi (4201412027)

Maria Ulfa (4201412028)

Fiki Layyinatun N (4201412097)

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG

2013

DIODA SEMIKONDUKTOR

1. Persamaan Dioda

Pada daerah pengosongan (repletion region) terdapat medan listrik yang menimbulkan

adanya bukit potensial. Bukit potensial ini akan menghambat difusi elektron dan lubang.

Agar elektron dapat berpindah dari n ke p, maka ia harus memiliki energi lebih besar dari

pada bukit potensial. Jika dioda sambungan p-n diberi tegangan maju, bukit potensial Vh

menjadi berkurang , sehingga elektron bagian n dan lubang bagian p mudah menyeberang

dan terjadi aliran listrik. Pada tegangan maju bukit potensial sambungan p-n berkurang

dapat ditulis sebagai :

Vh = Vho –V (1)

Dimana Vho adalah tinggi bukit potensial tanpa panjar, dan V adalah beda tegangan pada

dioda.

Sesuai dengan statistik Boltzman, banyaknya elektron pada bagian P yang mempunyai

energi di atas Vh sebanding dengan e –qVh/KT, atau secara matematik dapat ditulis :

np = nn e –qVh/KT (2)

Dengan nn adalah rapat elektron dri bagian n, q adalah muatan elektron ( 1,6 x 10 -19

coloumb), k adalah tetapan Boltzmann ( 1,38 x 10-23 joule/kelvin) dan T adalah suhu

dalalm kelvin. Begitu juga halnya dengan lubang. Jika rapat lubang pada bagian p adalah

pp maka rapat lubang pn yang dapat berdifusi ke bagian n adalah :

pn = pp e –qVh/KT (3)

Arus yang disebabkan difusi pembawa muatan np dan pn disebut arus injeksi. Besar arus

injeksi ialah :

II = K (np + pn )

= K (nn e –qVh/KT + pp e –qVh/KT )

= K (nn + pp ) e –qVh/KT

= K (Nd + Na ) e –qVh/KT (4)

Nd adalah rapat atom donor, dan Na adalah rapat atom akseptor. Karena Nd dan Na

merupakan tetapan , arus injeksi dapat ditulis sebagai :

II = K' e –qVh/KT (5)

Dengan mensubtitusikan persamaan (2.1) ke persamaan (2.5) didapatkan :

II = K' e –q(Vho – V)/KT (6)

Tetapan K' dapat dinyatakan dengan arus penjenuhan Is , yaitu arus yang mengalir jika

dioda diberi tegangan mundur. Tanpa tegangan , arus dioda adalah nol, karena pada

keadaan itu arus injeksi sama dengan arus penjenuhan , tetapi berlawanan arah , maka :

II(V=0) = -Is = K' e –qVho/KT

atau K' = - Is e qVho/KT (7)

Sehingga apabila persamaan (7) disubstitusikan ke dalam persamaan (6), didapatkan :

II = - Is e qVho/KT e –q(Vho – V)/KT

Atau II = - Is e qV/KT (8)

Arus total yang mengalir dalam keadaan tegangan maju adalah :

I = II + Is = - Is (e qV/KT – 1 ) (9)

Persamaan (2.9) disebut persamaan dioda , dan memberikan bentuk fungsi teoritis untuk

ciri dioda dengan tegangan maju. Jika dibandingkan dengan lengkung ciri dioda yang

sebenarnya ada beberapa penyimpangan .

Pada tegangan maju lengkungan ciri sebenarnya lebih condong daripada lengkungan

teori, sebab hambatan oleh kebocoran arus melalui perduktor dioda , yang dapat

dibayangkan sebagai suatu hambatan Rs yang nilainya kira-kira 10Ω. Penyimpangan

berikutnya adalah untuk tegangan mundur lengkungan kebocoran arus melalui permukaan

dioda. Hambatan ini dapat dibayangkan sebagai suatu hambatan Rsh yang dipasang paralel

dengan dioda. Penyimpangan ketiga ialah adanya kedadalan pada ciri mundur.

2. Pengaruh Suhu pada Lengkung Ciri Dioda

ID

VD

Teori

Sebenarnya

Perubahan suhu menyebabkan terjadinya perubahan bentuk lengkuk seperti

ditunjukkan gambar dibawah ini.

Gambar Pengaruh suhu pada lengkung ciri dioda; T2 > T1 > T0

Dari gambar diatas, tampak pengaruh suhu terhadap lengkungan ciri dioda terdapat

pada tegangan potong dan pada arus penjenuhan. Jika suhu dinaikkan, arus penjenuhan

akan bertambah, dan kemiringan lengkung ciri dioda pada tegangan mundur pun akan

bertambah.

Kenaikan suhu akan menyebabkan naiknya eksitasi termik, sehingga rapat elektron

intrinsik (ni) akan bertambah. Dengan terjadinya rekombinasi, berlaku hubungan p = pi2

dengan p adalah rapat lubang ekstrinsik. Akibatnya,

1. Pada bagian n berlaku,

2. Pada bagian p berlaku,

T2 T1 T0

0

iD

VD

V potong

Keterangan :

Pn : Rapat lubang bagian n

np : Rapat elektron pada bagian p

nn : Rapat elektron pada bagian n

pp : Rapat lubang bagian p

Na : Rapat atom akseptor

Nd : Rapat atom donor

ni : Rapat elektron intrinsik

Besarnya rapat arus penjenuhan (Js) adalah setara dengan besarnya penjumlahan

antara rapat lubang bagian n dan rapat electron bagian p dengan masing-masing

konstanta tertentu. Hal ini sesuai dengan persamaan berikut:

Js = C (pn + np)

Js = Cni2 (

1Nd

+ 1Na

¿

Js = C’ni2

Dengan C dan C’ adalah suatu tetapan.

Akan tetapi, pada suhu T besarnya rapat elektron intrinsik menjadi

ni2 = B2T3e-Eg/kT

dengan B adalah tetapan dan Eg adalah lebar celah pita.

Laju perubahan Js terhadap suhu dapat diperoleh dengan mengambil

diferensial Js (T) terhadap suhu T.

dJsdT

=d (C B2 T3 e

−EgkT )

dT

dJsdT

=C B2( 3

T+

Eg

k T 2 )T 3e−Eg /kT

Perubahan relatif Js terhadap suhu menjadi,

1Js

dJsdT

=( 3T

+Eg

k T2 )3. GARIS BEBAN PADA DIODA (LOAD-LINE)

Beban yang diberikan pada rangkaian secara normal akan mempunyai

implikasi pada daerah kerja (operasi) dan piranti elektronik. Bila analisis disajikan

dalam bentuk grafik, sebuah garis dapat digambarkan sebagai karakteristik dioda

yang memiliki efek dari beban. Perpotongan antara karakteristik dan garis beban

akan menggambarkan titik operasi dari sistem.

Gambar 1 rangkaian dioda Gambar 2 karakteristik dioda

Gambar 1 merupakan Rangkaian dasar dioda. Sisi p(positif) ditandai dengan A

(Anoda) dan sisi n(negatif) ditandai dengan K (Katoda). Gambar 2 merupakan

Karakteristik dioda yang digunakan sebagai petunjuk perhitungan tegangan dan

arus pada dioda.

Dari gambar 1 Menurut hukum tegangan Kirchoff (Kirchoff's Voltage Law /

KVL), diperoleh :

V i – V – V 0 = 0

Vi =V +iRL

i=-VRL

+V i

RL ...................................................................... (1)

Karena rangkaian tersebut adalah rangkaian tertutup jadi untuk semua arus (i)

bernilai sama.

Variable V dan i dari persamaan (1) adalah semua seperti axis variable dari

karakteristik dioda pada gambar 1.2. Persamaan tersebut menyatakan persamaan

garis lurus dengan kemiringan / gradien (m) = -1

RL . Perpotongan garis beban dan

karakteristik dapat digambarkan dengan menentukan titik pada horizontal axis

yang mempunyai arus dioda (i)=0A dan juga menentukan titik vertikal axis yang

mempunyai V=0V.

1) Untuk menentukan horizontal axis maka i=0V sehingga diperoleh nilai

magnitude V pada sumbu horizontal :

Vi =V +iRL

Vi =V+ 0RL

Vi =V

2) Selanjutnya, untuk menentukan vertical axis maka V=0V sehingga

diperoleh nilai magnitude i pada sumbu vertical :

Vi =V +iRL

Vi =0V+ iRL

i=V i

RL ............................................................................. .....(2)

Garis yang dihasilkan dari persamaan di atas disebut garis beban. Titik potong

antara garis beban dan lengkung ciri dioda(karakteristik dioda) ini menyatakan arus

dan tegangan yang tepat pada dioda.

Gambar 3

Titik perpotongan antara garis karakteristik dengan garis beban disebut titik Q

“Q point” ( Quiescent Point)

Jika Vi tetap dan RL diubah , kemiringan garispun akan ikut berubah. Namun,

untuk RLtetap dan Vi diubah maka kemiringan garis beban tak berubah seperti pada

gambar 4.

Gambar 4

4. Penyearahan Arus Bolak –Balik

Hampir semua pembangkit listrik menghasilkan listrik dalam bentuk listrik arus bolak-balik

(Alternating Current). Akan tetapi sebagian besar peralatan rumah tangga menggunakan

energi listrik dalam bentuk listrik arus searah. Oleh karenanya kita memerlukan adapter arus

atau penyearah. Proses konversi arus bolak-balik menjadi arus searah disebut penyearahan.

Elemen dasar dalam penyearahan ini adalah dioda. Dioda pertama, yang dikembangkan oleh

John Fleming pada tahun 1904, berupa tabung vakum yang berisi dua elemen. Katoda yang

memancarkan electron dan anoda yang disebut plat, berfungsi mengumpulkan electron yang

dipancarkan. Ciri penting dioda ialah bahwa dioda ini mengkonduksi arus dalam satu arah

dan tidak dalam arah lain. Sebagian besar dioda yang digunakan sekarang merupakan piranti

semikonduktor. Penyearah tegangan ini ada 2 macam, yaitu :

a. Penyearah setengah gelombang (half-wave rectifier)

Saat digunakan sebagai penyearah setengah gelombang, dioda menyearahkan tegangan AC

yang berbentuk gelombang sinus menjadi tegangan DC hanya selama siklus positif tegangan

AC saja. Sedangkan pada saat siklus negatifnya, dioda mengalami panjaran balik (reverse

bias) sehingga tegangan beban (output) menjadinol.

Gambar grafik sinyal penyearah setengah gelombang

Nilai Sinyal DC setengah Gelombang

Pada prinsipnya, nilai DC setengah gelombang diperoleh dari :

karena nilai dari = 0,318V, sehingga :

Frekuensi Keluaran

Frekuansi keluaran sama dengan frekuensi masukan. Tiap-tiap putaran masukan menghasilkan satu putaran tegangan keluaran. Dengan demikian kita dapat menulis :

b. Penyearah gelombang penuh (full-wave rectifier)

Saat digunakan sebagai penyearah gelombang penuh, dioda secara bergantian menyearahkan

tegangan AC pada saat siklus positif dan negatif. Penyearah gelombang penuh ada 2 macam

dan penggunaannya disesuaikan dengan transformator yang dipakai. Untuk transformator

biasa digunakan jembatan dioda (dioda bridge) sementara untuk transformator CT digunakan

2 dioda saja sebagai penyearahnya.

Penyearah gelombang penuh dengan jembatan dioda (dioda bridge)

Pada dioda bridge, hanya ada 2 dioda saja yang menghantarkan arus untuk setiap siklus

tegangan AC sedangkan 2 dioda lainnya bersifat sebagai isolator pada saat siklus yang sama.

Gambar siklus positif penyearah gelombang penuh dengan dioda bridge

Saat siklus positif tegangan AC, arus mengalir melalui dioda B menuju beban dan kembali

melalui dioda C. Pada saat yang bersamaan pula, dioda A dan D mengalami reverse bias

sehingga tidak ada arus yg mengalir atau kedua dioda tersebut bersifat sebagai isolator.

Siklus negatif pada penyearah gelombang penuh dengan dioda bridge

Sedangkan pada saat siklus negatif tegangan AC, arus mengalir melalui dioda D menuju

beban dan kembali melalui dioda A. Karena dioda B dan C mengalami reverse bias maka

arus tidak dapat mengalir pada kedua dioda ini.

Kedua hal ini terjadi berulang secara terus menerus hingga didapatkan tegangan beban yang

berbentuk gelombang penuh yang sudah disearahkan (tegangan DC). Grafik sinyal dari

penyearah gelombang penuh dengan jembatan dioda (dioda bridge) ditunjukkan seperti pada

gambar berikut :

Gambar grafik sinyal penyearah gelombang penuh dengan dioda bridge

Jembatan dioda (dioda bridge) tersedia dalam bentuk 1 komponen saja atau pun bisa dibuat

dengan menggunakan 4 dioda yang sama karakteristiknya. Yang harus diperhatikan adalah

besar arus yang dilewatkan oleh dioda harus lebih besar dari besar arus yang dilewatkan pada

rangkaian.

Nilai Rata-rata dan frekuensi Keluaran

Karena sebuah penyearah jembatan menghasikan sebuah keluaran gelombang penuh, persamaan untuk nilai rata-rata dengan frekuensi keluaran sama seperti yang diberikan untuk penyearah gelombang penuh :

dan

Penyearah gelombang penuh menggunakan 2 dioda

Penyearah gelombang penuh menggunakan 2 dioda ini hanya bisa digunakan pada

transformator CT.

Gambar siklus positif peneyarah gelomban penuh dengan 2 dioda

Pada bagian sekunder trafo CT terdapat 2 sinyal output yang terjadi secara bersamaan,

mempunyai amplitudo yang sama namun berlawanan fasa. Saat tegangan input (teg primer)

berada pada siklus positif, pada titik AO akan terjadi siklus positif sementara pada titik OB

akan terjadi siklus negatif. Akibatnya D1 akan mengalami panjaran maju (forward bias)

sedangkan D2 mengalami panjaran balik (reverse bias) sehingga arus akan mengalir melalui

D1 menuju ke beban dan kembali ke titik center tap.

Gambar siklus negatif penyearah gelombang penuh menggunakan 2 dioda

Saat tegangan input (teg primer) berada pada siklus negatif, pada titik AO akan terjadi siklus

negatif sementara pada titik OB akan terjadi siklus positif. Akibatnya D2 akan mengalami

panjaran maju (forward bias) sedangkan D1 mengalami panjaran balik (reverse bias)

sehingga arus akan mengalir melalui D2 menuju ke beban dan kembali ke titik center tap.

Dari penjelasan cara kerja penyearah gelombang penuh jenis ini terlihat bahwa tegangan yang

terjadi pada beban mempunyai polaritas yang sama tanpa memperdulikan dioda mana yang

menghantar karena arus mengalir melalui arah yang sama sehingga akan terbentuk

gelombang penuh yang disearahkan seperti ditunjukkan pada grafik sinyal berikut.

Gambar grafik sinyal penyearah gelombang penuh dengan 2 dioda

Nilai DC atau Nilai Rata-rata

Karena sinyal gelombang penuh mempunyai dua kali sinyal setengah positif, DC atau nilai rata-rata barnilai dua kali nilai dc setengah gelombang. Pada prinsipnya, nilai dc penyearah gelombang penuh diperoleh dari :

karena nilai dari = 0,636 V, sehingga :

Frekuensi Keluaran

Pada sebuah rectifier gelombang penuh, sesuatu tidak biasa terjadi pada frekuensi keluaran. Tegangan saluran AC mempunyai frekuensi 60 Hz. Karena itu, periode masukkannya sama dengan :

  Karena penyearahan gelombang penuh, periode sinyal gelombang penuh adalah setengah periode masukan :

  sehingga kita dapatkan

Frekuensi sinyal gelombang penuh adalah dua kali frekuensi masukan. Hal ini beralasan karena sebuah keluaran gelombang penuh mempunyai dua kali periode masukan gelombang sinus, hanya saja rectifier gelombang penuh membalikkan masing-masing periode setengah negatif sehingga kita mendapatkan jumlah dua kali periode positif. Akibatnya, adalah penggandaaan frekuensi sehingga :

Gelombang penuh :

5. Dioda Zener

Dioda-dioda sinyal kecil dan dioda-dioda penyearah tidak pernah dengan sengaja dioperasikan dalam daerah yang mogok (breakdown), karena akan merusak dioda tersebut.

Dioda Zener berbeda, dioda zener adalah dioda silikon yang telah dibuat oleh pabrik untuk bekerja paling optimal pada daerah yang “breakdown”.

Gambar lambang dioda zener

Gambar dioda zener

Jika tegangan mundur pada dioda p-n diperbesar, pada suatu nilai tegangan maka arus mundur naik dengan cepat sekali. Tegangan mundur yang terjadi disebut tegangan balik puncak (PIV). Peristiwa ini terjadi karena dadalnya ikatan kovalen silikon di dalam daerah pengosongan pada sambungan p-n.

Kurva Dioda Zener

Ada dua mekanisme kedadalan, yaitu :

1. Pada keadaan zener, medan listrik yang tinggi dalam daerah pengosongan menyebabkan elektron pada ikatan kovalen lepas menjadi elektron bebas. Pada mekanisme ini, tegangan dadal (PIV) berkurang dengan naiknya suhu.

2. Dadal Townsend, terjadi karena elektron bebas mendapat percepatan cukup tinggi, sehingga jika menumbuk atom akan terjadi elektron bebas. Pada mekanisme ini, tegangan dadal (PIV) bertambah jika suhu naik.

Koefisien Suhu

Pada saat suhu berubah, tegangan zener akan berubah sedikit demi sedikit. Pada lembar data, efek dari suhu akan dicantumkan dalam koefisien suhu, yang didefinisikan sebagai perubahan tegangan breakdown per derajat kenaikan suhu. Koefisien temperatur bernilai negatif untuk tegangan breakdown yang kurang dari 4 V. Sebagai contoh, dioda zener dengan tegangan breakdown 3,9 V mempunyai koefisien suhu -1,4 mV/˚C. Jika temperatur naik 1˚, berarti tegangan breakdown akan turun 1,4 mV.

Pada sisi lain, koefisien suhu adalah positif untuk tegangan breakdown lebih besar dari 6 V. Sebagai contoh, dioda zener dengan tegangan breakdown 6,2 V dan mempunyai koefisien suhu 2 mV/˚C. Jika suhu naik 1˚, tegangan breakdown akan naik 2 mV.

Di antara 4 V dan 6 V, koefisien suhu berubah dari negatif ke positif. Atau dengan kata lain, terdapat dioda zener dengan tegangan breakdown di antara 4 dan 6 V yang memunyai koefisien suhu sama dengan nol. Hal ini akan sangat penting pada beberapa aplikasi yang membutuhkan tegangan tetap dan perubahan suhu yang sangat besar.

Suatu penyearah dengan pengaturan tegangan, mempunyai

tegangan keluaran yang tetap jika diberi beban arus dalam batas

tertentu. Tanpa pengaturan, penurunan tegangan keluaran oleh arus

beban terjadi karena penyearah mempunyai hambatan 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 R0 dapat ditentukan dengan mengukur V0

sebagai fungsi arus beban IL. Hal ini dapat dilihat pada lengkung

pembebanan dalam gambar B. Kemiringan grafik lengkung pembebanan

tak lain adalah hambatan keluaran R0.

Pengaturan tegangan dapat dibuat dengan menggunakan dioda

Zener. Ini dilakukan seperti pada gambar di bawah.

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

C, tampak bahwa:

Is = ID + IL

Sehingga Vb = VD = Va - Is Rs

= Va - ID Rs - IL Rs

Atau ID = (V a−I L R s)

R s -

V DR s

Persamaan di atas adalah persamaan garis beban untuk dioda Zener yang

dapat dilukiskan dengan gambar di bawah ini.

Tampaklah jika IL = 0, seluruh arus mengalir pada dioda. Pada keadaan ini

dioda Zener menjadi panas sebab pada dioda terjadi lesapan daya

sebesar PD = IS VZ. Kita harus memilih nilai IS agar lesapan daya ini tidak

melebihi kemampuan daya dioda zener yang digunakan.

DAFTAR PUSTAKA

Sutrisno. 1986. ELEKTRONIKA : Teori dasar dan penerapannya. Bandung :

ITB.

Malvino. 2003. PRINSIP-PRINSIP ELEKTRONIKA. Jakarta : Salemba Teknika

http://bajakoe.blogspot.com/2009/02/rangkaian-dioda-penyearah-

tegangan.html

http://alihnurningsih.blogspot.com/2012/03/rangkaian-dioda-penyearah-gelombang.html