1. Unit percobaan : Karakteristik Dioda2. Rangkaian Percobaan

Gambar 1.1 Rangkaian Percobaan Karakteristik Dioda

3. Komponen / Bahan dan Alat Ukur yang DigunakanDalam percobaan ini digunakan beberapa komponen dan alat ukur di

antaranya :

1. DC Power Supply sebagai sumber tegangan DC.

2. Digital Multimeter DT 9205A, sebagai alat ukur besaran listrik.

3. 1 buah dioda.

4. Kabel jumper, sebagai kabel penghubung antar komponen dan sumber

tegangan.

5. 1 buah hambatan / resistor 995 Ohm ( terbaca oleh alat ukur R = 1 Kilo

Ohm )

4. Teori Singkat

Diode merupakan komponen elektronik yang dibuat dari bahan

semikonduktor ( silikon atau germanium) tipe p (lubang) dan tipe n (elektron

bebas) yang disatukan. Dioda memiliki dua kaki yaitu anoda yang

dihubungkan pada sumber tegangan positif dan katoda yang dihubungkan

pada sumber negatif. Arus listrik mengalir dari kaki anoda ke kaki katoda,

atau dari semihantar p ke semihantar n (forward bias). Bila kaki anoda

dihubungkan sumber negatif dan kaki katoda dihubungkan ke sumber positif

(reverse bias) maka diode akan memiliki hambatan yang sangat besar

sehingga arus tidak bisa lewat. Dioda memiliki fungsi yang unik yaitu hanya

dapat mengalirkan arus satu arah saja tetapi disisi lain dioda juga dapat

menahan arus yang berlawanan arah. Struktur dioda adalah sambungan

995 Ohm

semikonduktor P dan N. Satu sisi adalah semikonduktor dengan tipe P dan sisi

yang lain adalah tipe N. Dengan struktur demikian arus hanya akan dapat

mengalir dari sisi P menuju sisi N.

Suatu sumber tegangan dengan polaritas seperti pada gambar 1.1

disebut prategangan maju. Lubang dari tipe p melewati persambungan ke tipe

n, dimana lubang tersebut membentuk arus minoritas terinjeksikan. Dengan

cara yang sama, elektron akan melintasi persambungan menjadi arus minoritas

yang diinjeksikan ke dalam sisi p. Lubang-lubang bergerak dari sisi kiri ke

kanan dalam arah arus yang sama dengan arus elektron yang bergerak dari

kanan ke kiri. Oleh karena itu, arus yang melewati persambungan adalah

jumlah dari arus minoritas lubang dan elektron.

Misalkan bahwa tegangan maju sebesar V dalam gambar 1.1 dinaikkan

sampai nilai V mendekati Vo. Seandainya V sama dengan Vo, maka barrier

akan hilang, dan arus menjadi besar sekali, dan melebihi nilai kemampuan dari

dioda. Maka dalam prakteknya, kita tidak akan dapat mengecikan barrier

sampai dengan nol, karena apabila arus dinaikkan tanpa batas, maka tahanan

tubuh kristal dan tahanan kontak-kontak ohmik akan membatasi arus tersebut.

Disini, yang dimaksud dengan kontak ohmik adalah potensial kontak lintas

persambungan-persambungan, yang besarnya tetap, serta tidak terpengaruh

pada arah dan besar arus. Oleh karena itu, tidak mungkin menganggap semua

tegangan V akan muncul sebagai perubahan lintas persambungan p-n. Maka

dapat disimpulkan, bila nilai tegangan maju V mendekati Vo, arus yang melalui

dioda p-n yang sebenarnya akan ditentukan oleh tahanan kontak ohmik dan

tahanan tubuh kristal. Oleh karena itu, karakteristik hubungan volt-ampere

hampir menyerupai garis lurus.

Bila kaki anoda dihubungkan sumber negatif dan kaki katoda

dihubungkan ke sumber positif (reverse bias) maka diode akan memiliki

hambatan yang sangat besar sehingga arus tidak bisa lewat. Sehingga dioda

hanya bisa dialiri arus listrik bila dipasang pada kondisi forward bias ( hanya

dari satu arah saja), oleh karena itu, maka diode dipakai untuk mengubah arus

bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC). Untuk lebih jelasnya, perhatikan

gambar dioda di bawah ini.

Gambar 1.2 Penampang sebuah dioda

Di sekitar persambungan semihantar terdapat daerah transisi atau disebut

juga daerah muatan ruang. Di daerah transisi ini terdapat tembok potensial /

potential barrier (Vγ). Besarnya tembok potensial bergantung pada jenis semi

konduktor yang dipakai, untuk silikon (Si) mempunyai besar Vγ sebesar 0,7

volt dan untuk germanium (Ge) mempunyai Vγ sebesar 0,3 volt. Pada kondisi

forward bias (dioda diberi tegangan maju) yaitu dimana anoda lebih positif

dibandingkan dengan katoda maka Vγ merendah sebaliknya jika diode diberi

reverse bias (diode diberi tegangan mundur) yaitu dimana katoda lebih positif

daripada anoda maka Vγ meninggi. Untuk tembok potensial meninggi maka

tidak ada perpindahan muatan atau besarnya arus adalah nol ( idealnya),

namun praktisnya tetap ada arus meskipun sangat kecil. Pada percobaan kali

ini dioda dirangkai dengan resistor dan dihubungkan pada sumber tegangan

DC yang besarnya bervariasi dengan diode pada posisi forward bias dan

reverse bias. Arus yang mengalir pada diode besarnya sama dengan arus yang

mengalir pada resistor, karena pada rangkaian listrik seri bahwa arus yang

mengalir pada rangkaian besarnya sama.

Untuk operasi sinyal kecil, tahanan dinamik atau inkrimental r adalah

suatu parameter yang penting, dan didefinisikan sebagai kebalikan dari

kemiringan karakteristik volt-ampere, . Untuk prategangan maju,

besarnya adalah . Tahanan dinamik berbanding terbalik dengan arus,

pada temperature kamar, untuk η = 1, , dimana I dalam mA, dan r

dalam ohm. Untuk arus maju 26 mA, tahanan dinamiknya sebesar 1Ω.

Tahanan ohmik dari bahan semikonduktor secara keseluruhan (di luar

persambungan) mungkin mempunyai orde besar yang sama atau lebih tinggi

dari nilai ini. Walaupun r berubah dengan arus dalam model sinyal kecil, tetap

layak untuk menggunakan r sebagai suatu tetapan.

4.1 Simbol dan struktur dioda

Gambar 1.3 Simbol dioda

Gambar ilustrasi di atas menunjukkan sambungan P-N dengan sedikit

porsi kecil yang disebut lapisan deplesi (depletion layer), dimana terdapat

keseimbangan hole dan elektron. Seperti yang sudah diketahui, pada sisi P

banyak terbentuk hole-hole yang siap menerima elektron sedangkan di sisi N

banyak terdapat elektron-elektron yang siap untuk bebas merdeka.

4.2 Karateristik Dioda Prategangan Maju / forward bias

Pada Gambar 1.4 kita dapat melihat suatu rangkaian ditata bias maju

dengan sebuah sumber DC. Pusat sumber positif dihubungkan dengan anoda /

p sedangkan kutub negatif sumber mengenai katoda / n.

Gambar1.4 Rangkaian Percobaan Dioda Prategangan Maju

Dari gambar di atas, dapat kita amati bahwa sumber (baterai) mendorong

lubang-lubang dan elektron bebas menuju sambungan. Jika tegangan baterai

lebih kecil daripada hambatan potensial / tembok potensial (V<Vγ), maka

elektron bebas tidak mempunyai cukup energi untuk melintasi lapisan

deplesi / daerah transisi, sehingga tidak ada arus yang melintasi dioda.

Ketika sumber tegangan baterai lebih besar daripada tembok potensial

(V>Vγ), baterai mendorong kembali lubang-lubang dan elektron-elektron

bebas menuju ke sambungan. Pada saat tersebut elektron bebas mempunyai

cukup energi untuk melintasi lapisan deplesi dan bergabung dengan lubang-

lubang. Arus mengalir dengan mudah dalam bias / prasikap maju dioda.

Sepanjang penerapan tegangan lebih besar dibandingkan hambatan potensial /

tembok potensial, maka akan terjadi arus kuat yang secara terus-menerus

melalui dioda.

Karena I≠0 maka tembok potensial merendah

Anoda lebih positif daripada katoda

Dioda berprasikap maju (forward bias)

V>Vγ maka I ≠ 0

Untuk dioda yang terbuat dari bahan Silikon tegangan konduksi (Vγ)

adalah diatas 0.7 volt. Kira-kira 0.3 volt batas minimum untuk dioda yang

terbuat dari bahan Germanium.

4.3 Karakteristik Dioda Prategangan Mundur / reverse bias

Gambar 1.5 menunjukkan suatu rangkaian dioda, dengan sumber

tegangan DC melintasi sebuah dioda. Saat ini, kutub positif sumber (baterai)

dihubungkan pada katoda atau sisi n sedangkan kutub negatif baterai

dihubungkan ke anoda atau sisi p.

Gambar1.5 Rangkaian Percobaan Dioda Prategangan Mundur

Pada rangkaian diatas jika polaritas tegangan dibalik yaitu dengan

memberikan  bias negatif (reverse bias). Dalam hal ini, sisi N mendapat

polaritas tegangan lebih besar dari sisi P. maka didalam dioda tidak akan

terjadi perpindahan elektron atau aliran hole dari P ke N maupun sebaliknya.

Karena baik hole dan elektron masing-masing tertarik ke arah kutup

berlawanan. Bahkan lapisan deplesi (depletion layer) semakin besar dan

menghalangi terjadinya arus. Pada kondisi ini dioda tidak dapat mengalirkan

arus, namun kondisi tarsebut ada batasnya. Sampai beberapa puluh bahkan

ratusan volt baru terjadi breakdown, dimana dioda tidak lagi dapat menahan

aliran elektron yang terbentuk di lapisan deplesi.

Ketika perbedaan potensial sama dengan penerapan tegangan reverse

Lapisan deplesi berhenti berkembang. Ketika hal ini terjadi, elektron-elektron

dan lubang-lubang berhenti bergerak keluar sambungan. Setelah lapisan

deplesi stabil ada sebuah arus kecil pada reverse bias. Sedikit pembawa

minoritas berada pada kedua sisi sambungan, sebagian besar begabung dengan

pembawa mayoritas. Tetapi yang berada di dalam lapisan deplesi berada lebih

lama untuk melintasi sambungan. Ketika hal ini terjadi, sebuah arus mengalir

dalam rangkaian luar. Arus reverse disebabkan oleh panas yang menghasilkan

minoritas disebut juga arus jenuh.

Di samping arus pembawa minoritas, terdapat arus bocor dalam sebuah

dioda prasikap mundur. Arus kecil ini mengalir pada permukaan kristal (arus

permukaan – bocor), hal ini disebabkan karena permukaan yang tidak murni

dan tidak sempurna dalam struktur kristal. Jadi arus adalah mendekati nol

pada dioda bias balik / prasikap mundur.

Karena I = 0, tembok potensial meninggi

Anoda lebih negatif daripada katoda

Dioda berprasikap mundur (reverse bias)

V bebas (V> atau < Vγ), asal sesuai dengan kemampuannya / tidak

melampaui kemampuannya.

4.4 Hubungan antara tegangan dan arus pada dioda ideal

Gambar1.6 Grafik Hubungan antar tegangan dan arus dioda

Pada gambar grafik diatas dapat diketahui bahwa pada kondisi dioda

diberi penambahan pra tegangan maju (forward bias) terjadi penambahan

nilai arus yang mengalir atau dapat dikatakan nilai tegangan berbanding lurus

dengan arus), sebaliknya ketika dioda diberikan pra tegangan mundur ( reverse

bias ) maka arus tidak akan bisa mengalir hingga batas tegangan tertentu ( 100

volt ), selebihnya arus akan dapat mengalir ketika dioda dalam keadaan break

down.

5. Hasil Percobaan

Berdasarkan percobaan karakteristik diode didapatkan hasil data

pengamatan seperti pada tabel dibawah ini :

Tabel 1.1 Data Hasil Percobaan Karakteristik Dioda

No Tegangan Sumber (Vs) volt

Tegangan Dioda Maju (VD) volt

Tegangan Beban Dioda Maju (VL)

volt

Tegangan Dioda Mundur

(VD) volt

Tegangan Beban Dioda Mundur (VL)

volt1 7.5 7.62 0.07 -7.40 -0.072 9.3 8.92 0.07 -10.83 -0.083 10.5 11.15 0.08 -11.38 -0.094 11.6 12.13 0.08 -11.63 -0.105 12.4 12.5 0.08 -12.21 -.0186 12.9 13.5 0.08 -12.98 -0.217 13.2 13.93 0.08 -13.14 -0.248 13.86 14.01 0.08 -13.72 -0.259 14.25 14.06 0.08 -.14.30 -0.2610 14.78 14.90 0.08 -14.35 -0.2811 15.46 14.73 0.09 -14.73 -0.2912 15.76 15.30 0.09 -15.40 -0.3013 16.15 15.85 0.09 -16.01 -0.3114 16.54 16.28 0.09 -16.18 -0.3215 17.02 16.83 0.09 -16.25 -0.3216 17.53 16.96 0.09 -16.04 -0.3317 18.25 18.18 0.09 -16.60 -0.3318 18.52 18.09 0.09 -16.71 -0.3419 19.64 18.87 0.10 -17.83 -0.3420 20.60 20.25 0.10 -19.45 -0.35

6. Pembahasan

Tabel 1.2 Data Hasil Percobaan Karakteristik Dioda

No Tegangan Sumber (Vs) volt

Tegangan Dioda Maju (VD) volt

Tegangan Beban Dioda Maju (VL)

volt

Tegangan Dioda Mundur

(VD) volt

Tegangan Beban Dioda Mundur (VL)

volt1 7.5 7.62 0.07 -7.40 -0.072 9.3 8.92 0.07 -10.83 -0.083 10.5 11.15 0.08 -11.38 -0.094 11.6 12.13 0.08 -11.63 -0.105 12.4 12.5 0.08 -12.21 -.0186 12.9 13.5 0.08 -12.98 -0.217 13.2 13.93 0.08 -13.14 -0.248 13.86 14.01 0.08 -13.72 -0.259 14.25 14.06 0.08 -.14.30 -0.2610 14.78 14.90 0.08 -14.35 -0.2811 15.46 14.73 0.09 -14.73 -0.2912 15.76 15.30 0.09 -15.40 -0.3013 16.15 15.85 0.09 -16.01 -0.3114 16.54 16.28 0.09 -16.18 -0.3215 17.02 16.83 0.09 -16.25 -0.3216 17.53 16.96 0.09 -16.04 -0.3317 18.25 18.18 0.09 -16.60 -0.3318 18.52 18.09 0.09 -16.71 -0.3419 19.64 18.87 0.10 -17.83 -0.3420 20.60 20.25 0.10 -19.45 -0.35

Dari data diatas dapat diketahui bahwa pada Forward bias nilai tegangan

beban senmakin besar seiring dengan pertambahan tegangan sumber, hal ini

juga terjadi pada reverse bias tetapi tegangan pada beban sangatlah kecil

(mendekati nilai 0) hal ini terjadi karena arus yang mengalir pada beban

sangat kecil juga.

6.1. Perhitungan Arus Dioda

Pada gambar 1.1 terlihat bahwa arus yang mengalir pada diode

besarnya sama dengan arus pada resistor .Hal ini dikarenakan dalam suatu

rangkaian yang disusun secara seri nilai arus pada bagian-bagiannya adalah

sama besarnya, Sehingga nilai arus pada dioda dapat hitung sebagai berikut:

Idiode =

Tabel 1.3 Hasil Perhitungan Arus pada Dioda

NoSumber

(Vs) volt

Tegangan Beban (VL) volt RL

(ohm)

Arus Beban (ampere)

Diode Maju

Diode Mundur

Diode Maju Diode Mundur

1 7.5 0.07 -0.07 995 0.0000704 -0.0000704

2 9.3 0.07 -0.08 995 0.0000704 -0.0000804

3 10.5 0.08 -0.09 995 0.0000804 -0.0000905

4 11.6 0.08 -0.10 995 0.0000804 -0.0001005

5 12.4 0.08 -.018 995 0.0000804 -0.0000181

6 12.9 0.08 -0.21 995 0.0000804 -0.0002111

7 13.2 0.08 -0.24 995 0.0000804 -0.0002412

8 13.86 0.08 -0.25 995 0.0000804 -0.0002513

9 14.25 0.08 -0.26 995 0.0000804 -0.0002613

10 14.78 0.08 -0.28 995 0.0000804 -0.0002814

11 15.46 0.09 -0.29 995 0.0000905 -0.0002915

12 15.76 0.09 -0.30 995 0.0000905 -0.0003015

13 16.15 0.09 -0.31 995 0.0000905 -0.0003116

14 16.54 0.09 -0.32 995 0.0000905 -0.0003216

15 17.02 0.09 -0.32 995 0.0000905 -0.0003216

16 17.53 0.09 -0.33 995 0.0000905 -0.0003317

17 18.25 0.09 -0.33 995 0.0000905 -0.0003317

18 18.52 0.09 -0.34 995 0.0000905 -0.0003417

19 19.64 0.10 -0.34 995 0.0001005 -0.0003417

20 20.60 0.10 -0.35 995 0.0001005 -0.0003518

Perhitungan diatas berdasarkan aturan arus pada rangkaian seri,nilai arus

yang mengalir pada suatu hambatan sama dengan nilai arus yang mengalir

pada dioda tersebut. Arus pada reverse bias sama dengan nol atau hampir

mendekati nol, karena kutub negatif baterai dihubungkan dengan sisi p dari

persambungan lubang dalam tipe p dan elektron dalam tipe n bergerak

menjauhi persambungan. Oleh karenanya daerah bermuatan negatif menyebar

ke sebelah kiri persambungan dan rapat muatan positif menyebar ke sebelah

kanannya.

6.2 Perhitungan Daya Dioda

Dalam menghitung nilai daya pada dioda dapat digunakan

rumus sebagai berikut:

P = V . I

Dimana :

P = daya diode

V = tegangan diode

I = arus pada diode

Tabel 1.4 Hasil perhitungan daya pada dioda

NoSumber (Vs) volt

Tegangan Beban (VL) volt RL

(ohm)

Arus Beban (ampere) Daya Diode

Diode Maju

Diode Mundur

Diode Maju

Diode Mundur

DiodeMaju

Diode Mundur

1 7.5 0.07 -0.07 995 0.0000704 -0.0000704 0,00000492 0,00000492

2 9.3 0.07 -0.08 995 0.0000704 -0.0000804 0,00000492 0,00000643

3 10.5 0.08 -0.09 995 0.0000804 -0.0000905 0,00000643 0,00000814

4 11.6 0.08 -0.10 995 0.0000804 -0.0001005 0,00000643 0,00001005

5 12.4 0.08 -.018 995 0.0000804 -0.0000181 0,00000643 0,00000033

6 12.9 0.08 -0.21 995 0.0000804 -0.0002111 0,00000643 0,00004432

7 13.2 0.08 -0.24 995 0.0000804 -0.0002412 0,00000643 0,00005789

8 13.86 0.08 -0.25 995 0.0000804 -0.0002513 0,00000643 0,00006281

9 14.25 0.08 -0.26 995 0.0000804 -0.0002613 0,00000643 0,00006794

10 14.78 0.08 -0.28 995 0.0000804 -0.0002814 0,00000643 0,00007879

11 15.46 0.09 -0.29 995 0.0000905 -0.0002915 0,00000814 0,00008452

12 15.76 0.09 -0.30 995 0.0000905 -0.0003015 0,00000814 0,00009045

13 16.15 0.09 -0.31 995 0.0000905 -0.0003116 0,00000814 0,00009658

14 16.54 0.09 -0.32 995 0.0000905 -0.0003216 0,00000814 0,00010291

15 17.02 0.09 -0.32 995 0.0000905 -0.0003216 0,00000814 0,00010291

16 17.53 0.09 -0.33 995 0.0000905 -0.0003317 0,00000814 0,00010945

17 18.25 0.09 -0.33 995 0.0000905 -0.0003317 0,00000814 0,00010945

18 18.52 0.09 -0.34 995 0.0000905 -0.0003417 0,00000814 0,00011618

19 19.64 0.10 -0.34 995 0.0001005 -0.0003417 0,00001005 0,00011618

20 20.60 0.10 -0.35 995 0.0001005 -0.0003518 0,00001005 0,00012312

Pada kondisi reverse bias daya yang dihasilkan sangat kecil atau

mendekati nol, hal ini dikarenakan arus yang menalir sangat kecil. Kuat arus

Kurva Dioda Maju

0.0000000

0.0000200

0.0000400

0.0000600

0.0000800

0.0001000

0.0001200

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12

Tegangan Beban (Volt)

Aru

s B

eban

(A

mp

ere)

Series1

sebanding dengan daya yang mengalir, sehingga jika arus yang mengalir besar

maka dayanya pun besar, begitu pula sebaliknya.

6.3 Pembuatan Grafik I–V Dioda

6.3.1 Grafik Tegangan -Arus dioda prasikap maju

Dari hasil perhitungan arus maju dan data tegangan maju dioda dari

hasil percobaan, didapat titik-titik potong, yang kemudian dihubungkan,

yang kemudian membentuk kurva seperti yang ditunjukkan pada gambar

1.7 di bawah ini.

Gambar 1.7 Kurva I-V pada Diode Maju

Pada grafik di atas terlihat bahwa pada kondisi forward bias besarnya

arus hampir berbanding eksponensial dengan besarnya tegangan, tetapi

jika diambil metode sloop terbaik, maka perbandingan besarnya arus

dengan besarnya tegangan adalah berbanding lurus, sebagaimana rumus

6.3.2 Grafik Tegangan – Arus dioda prasikap mundur

Dari hasil perhitungan arus mundur dan data tegangan mundur dioda

dari hasil percobaan, didapat titik-titik potong, yang kemudian

dihubungkan, yang kemudian membentuk kurva seperti yang ditunjukkan

pada gambar 1.8 di bawah ini.

Kurva Dioda Mundur

-0.0004000

-0.0003500

-0.0003000

-0.0002500

-0.0002000

-0.0001500

-0.0001000

-0.0000500

0.0000000

-0.4 -0.35 -0.3 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0

Tegangan Beban (Volt)

Aru

s B

eban

(A

mp

ere)

Series1

Gambar 1.8 Kurva I-V pada diode mundur

Tanda minus pada grafik di atas menunjukkan bahwa dioda pada kondisi

reverse bias. Grafik di atas terjadi pada daerah dadal ( breakdown ).

Kedua grafik di atas jika digabung seharusnya tampak seperti grafik ideal

seperti gambar 1.9. Namun keduanya tampak sedikit berbeda. Hal ini

kemungkinan disebabkan oleh adanya rugi-rugi daya pada alat ukur, karena setiap

alat ukur tentunya mempunyai hambatan dalam yang mengakibatkan adanya rugi

tegangan, serta disebabkan karena adanya kesalahan dalam pengambilan data

pada saat praktikum.

Gambar 1.9 Kurva ideal karakteristik V-I dioda

7. KesimpulanDari percobaan tentang karakteristik diode dapat diambil beberapa

kesimpulan diantaranya :

1. Dioda merupakan komponen semikonduktor yang hanya dapat

mengalirkan arus satu arah saja.

2. Pada saat dioda diberi prategangan maju (forward bias) ,maka dioda

dapat mengalirkan arus,hal ini disebabkan tembok potensial rendah.

3. Pada saat dioda diberi prategangan balik (reverse bias) ,maka dioda

sulit mengalirkan arus,hal ini disebabkan tembok potensial yang

meniggi sehingga dioda memiliki hambatan tak terhingga.

4. Pada kondisi reverse bias dioda akan dapat mengalirkan arus ketika

mengalami kedadalan(breakdown),hal ni terjadi ketika tegangan

mundur yang diberikan mendekati + 100 volt.