MAKALAH

POWER DIODE, TUNNEL DIODE, DAN PHOTO DIODE

Disusun oleh:

Pangestu Fajar Wibowo

H1C013073

KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN

UNIVERSITAS JENDERAL SOEDIRMAN

FAKULTAS TEKNIK

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

PURBALINGGA

2014

KATA PENGANTAR

Puji syukur tercurahkan ke hadirat Allah SWT karena atas nikmat, karunia, dan hidayah-Nya

makalah makalah tentang Power diode, Tunnel diode, dan Photo diode ini dapat menyelesaikan dengan

lancar tanpa ada halangan satu apapun.

Makalah ini dimaksudkan untuk memberikan gambaran dan penjelasan yang rinci tentang jenis,

karakteristik,dan aplikasi pada diode yang dimaksud. Pengetahuan tentang berbagai macam jenis diode

sangatlah penting demi menunjang perkembangan teknologi yang kian maju. Saat ini memang sudah

banyak ditemukan peralatan yang sudah jadi atau sipa pakai, namun dibalik semua itu ada kerumitan

dibalik konstruksinya yang dibangun oleh komponen-komponen dasar seperti layaknya diode. Dengan

demikian pengetahuan tentang komponen dasar sangatlah penting.

Makalah ini tersaji secara singkat namun dengan pemadatan isi sehingga tidak meninggalkan

poin penting dari pokok bahasan. Di samping itu penulis 0juga memberikan penggunaan pada setiap topic

bahasan guna memberikan gambaran yang lebih jauh tentang pemanfaatan komponen pada dunia nyata.

Saya sebagai penulis sadar bahwa makalah ini masih memiliki banyak kekurangan dan jauh dari

kata sempurna. Oleh karena itu, kami sangat membutuhkan kritik dan saran yang membangun untuk

perbaikan makalah ini. Kami berharap makalah ini dapat bermanfaat bagi kita semua.

Amin.

Punulis

2

DAFTAR ISI

Latar Belakang ……………………………………………………………………………………………2

Daftar isi ……………………………………………………………………………………………….….3

Daftar Gambar ………………………………………………………………………………………….…4

BAB I Power Diode……………………………………………………………………………………..…6

1.1 Definisi ……………………………………………………………………………………..…6

1.2 Karakteristik Power Diode ………………………………………………………………..….7

1.3 Aplikasi Power Diode ……………………………………………………………………..…7

BAB II Tunnel Diode ……………………………………………………………………………………15

2.1 Definisi ……………………………………………………………………………………...15

2.2 Karakteristik Tunnel Diode …………………………………………………………………16

2.3 Aplikasi Tunnel Diode …………………………………………………………………… .18

BAB III Photo Diode ……………………………………………………………………………………22

3.1 Definisi …………………………………………………………………………………..…22

3.2 Karakteristik Photo Diode ………………………………………………………………..…25

3.3 Aplikasi Photo Diode …………………………………………………………………… …29

Kesimpulan ………………………………………………………………………………………… …..31

Penutup ………………………………………………………………………………………… ……….32

Daftar pustaka ………………………………………………………………………………… ……...…33

3

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Penyearah power diode .............................................................................................................8

Gambar 1.2 Penyearah setengah gelombang ................................................................................................9

Gambar 1.2 Penyearah setengah gelombang ..............................................................................................10

Gambar 1.4 Penghalusan output dengan capasitor .....................................................................................11

Gambar 1.5 Jembatan dioda ........................................................................................................................12

Gambar 1.6 Siklus positif tegangan AC ......................................................................................................13

Gambar 1.7 Grafik sinyal penyearah gelombang penuh .............................................................................14

Gambar 1.8 Siklus positif enyearah gelombang penuh dengan 2 dioda .....................................................14

Gambar 1.9 Siklus negatif penyearah gelombang penuh ............................................................................15

Gambar1.10 Grafik gelombang penyearahan gelombang penuh ................................................................15

Gambar 2.1 Tunnel diode ............................................................................................................................17

Gambar 2.3 Tegangan balik breakdown vs level doping semikonduktor ...................................................18

Gambar 2.4 (a) Rangkaian osilator resistansi negatif. (b) Titik kerja dari dioda tunnel pada gambar 3a. (c)

Tegangan dioda tunnel dari rangkaian gambar 3a .................................................................20

Gambar 2.5 Osilasi rangkaian LC................................................................................................................22

Gambar 3.1 Photodioda : Simbol rangkaian dan penampang melintangnya ..............................................23

Gambar 3.1 Photodioda : Simbol rangkaian dan penampang melintangnya ..............................................25

Gambar 3.3 Photodioda PIN .......................................................................................................................26

Gambar 3.4 Respon spektral relatif untuk bahan bahan silikon, germanium, dan selenium ......................28

Gambar 3.5 (a) Cara melakukan bias pada photodioda. (b) Simbol photodioda ........................................29

Gambar 3.6 Hubungan arus dan tegangan pada photodioda dalam beberapa level intensitas

cahaya ........30

Gambar 3. 8 (a) Photodioda digunakan sebagai sensor pada sistem keamanan. (b) Photodioda digunakan

sebagai sensor pada alat pencacah jumlah barang ..................................................................31

4

5

Latar Belakang

Diode pada umumnya merupakan komponen elektronika yang berfungsi sebagai

penyearah (rectifier) untuk mengubah tegangan bolak-balik (AC) menjadi tegangan searah (DC).

Dioda menjadi sangat penting karena hampir semua peralatan elektronika memerlukan sumber

arus searah (DC). Selain sebagai Penyearah, Diode daya juga sering kali digunakan sebagai

freewheeling (bypass) pada reguator-regulator penyaklaran, rangkaian pemisah, rangkaian

umpan balik dari beban ke sumber, dan lain-lain.

Akhir dekade ini fungsi dari dioda sangatlah kompleks bukan hanya sebatas sebagi

penyearah atau rectifier. Sejak dilakukannya penelitian dan riset menyebabkan perkembangan

teknologi yang semakin maju dengan mengandalkan sumber daya yang ada. Dioda merupakan

komponen semikonduktor yang merupakan komponen yang sangat berperan penting dalam

sebuah sistem elektronik. Dengan demikian fungsi dari dioda sangatlah dibutuhkan.

6

BAB I

POWER DIODE

1.1 Definisi

Pada umumnya kita menganggap bahwa sinyal diode semikonduktor hanya akan

menghantarkan arus dalam satu arah dari anode ke katodenya (arah maju), tetapi hal itu tidak

dalam reverse bias karena berperilaku seperti sebuah katup elektrik satu arah. Penggunaan power

diode pada umumnya adalah dalam konversi dari tegangan bolak-balik (AC) ke tegangan searah

(DC), dalam kata lain sebagai penyearah (Rectifier).

Small signal diode hanya dapat digunakan sebagai penyearah dalam daya rendah, arus

rendah( kurang dari 1-amp), tetapi jika arus forward bias lebih besar atau tegangan blokir reverse

bias lebih besar maka akan dilibatkan PN junction akhirnya akan terlalu panas dan mencair

sehingga lebih besar Daya Dioda lebih kuat digunakan sebagai gantinya.

1.2 Karakteristik Power Diode

Power dioda semikonduktor, yang dikenal sebagai Power Diode, memiliki jauh lebih

besar daerah PN junction dibandingkan signal jenis sinyal dioda yang lebih kecil, sehingga

kemampuan forward arus yang tinggi hingga beberapa ratus amp (KA) dan memblokir tegangan

balik sampai beberapa ribu volt (KV).

Karena Power diode memiliki PN junction yang besar, maka tidak cocok untuk aplikasi

pada frekuensi tinggi di atas 1MHz, tetapi ada jenis khusus dan harganya pun lebih mahal yang

mampu bekerja pada frekuensi tinggi. Untuk penyearah frekuensi tinggi, Dioda Schottky

umumnya digunakan karena waktu pemulihan yang singkat dan drop tegangan jatuh dalam

kondisi forward bias.

Power diode memberikan penyearahan yang tidak dikendalikan oleh power dan

digunakan dalam aplikasi seperti seperti pengisian baterai dan power supply DC serta penyearah

7

AC dan inverter. Karena karakteristik arus dan tegangan yang tinggi power diode juga dapat

digunakan sebagai free-whelling dioda dan jaringan snubber.

Power dioda dirancang untuk memiliki resistansi forward "ON" dari fraksi Ohm

sedangkan sebaliknya mereka memblokir resistansi dalam kisaran mega-ohm. Beberapa dari

power diode yang memiliki nilai yang lebih bsar dirancang untuk menjadi "tiang" yang

dihubungkan ke heatsink untuk mengurangi tahan panas antara 0,1 sampai 1oC / Watt.

1.3 Aplikasi pada Power Diode

Jika tegangan bolak-balik diterapkan pada power dioda, selama setengah siklus positif

dioda akan menghantarkan arus lewat dan selama setengah siklus negatif dioda tidak akan

melakukan menghantarkan aliran arus. Kemudian konduksi melalui Power dioda hanya terjadi

selama setengah siklus positif dan karena itu DC searah seperti yang ditunjukkan pada gambar

berikut.

a. Penyearah (Rectifier) power diode

Gambar 1.1 Penyearah power diode

Power dioda dapat digunakan secara individual seperti gambar di atas atau terhubung

bersama-sama untuk menghasilkan berbagai rangkaian penyearah seperti "Half-Wave", "Full-

Wave" atau sebagai "Bridge Rectifier". Setiap jenis rangkaian penyearah dapat digolongkan

sebagai salah satu penyearah tanpa kendali, setengah kendali atau kendali penuh adalah sebuah

penyearah tanpa kendali yang hanya menggunakan power dioda, penyearah kendali penuh

8

menggunakan thyristor (SCR) dan penyearah setengah kendali adalah gabungan dari dioda dan

thyristor.

Penggunaan paling umum power dioda secara individu untuk aplikasi elektronika dasar

adalah tujuan umum 1N400X Series Glass Passivated penyearah dioda dengan nilai standar dari

penyearah arus maju (forward) kontinu 1,0 amp dan reverse memblokir nilai tegangan dari 50v

untuk 1N4001 sampai 1000V untuk 1N4007, dengan 1N4007GP kecil yang paling populer untuk

tujuan umum pada penyearahan tegangan listrik.

b. Penyearah Setengah Gelombang

Sebuah penyearah adalah sirkuit yang mengubah input daya Alternating Current (AC) ke

output daya Direct Current (DC). Catu daya masukan dapat berupa fase tunggal atau masukan

multi-fase. Power dioda dalam rangkaian penyearah setengah gelombang melalui hanya setengah

dari setiap gelombang sinus utuh suplai AC untuk mengubahnya menjadi suplai DC. Oleh karena

itu jenis sirkuit ini disebut penyearah "setengah gelombang" karena hanya melewatkan setengah

dari catu daya AC yang masuk seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Gambar 1.2 Penyearah setengah gelombang

Selama masing-masing setengah siklus "positif" dari gelombang sinus AC, dioda di bias

maju sebagai anoda positif terhadap katoda yang menghasilkan arus mengalir melalui dioda.

9

Karena beban DC resistif (resistor, R), arus yang mengalir di resistor beban itu sebanding

dengan tegangan (Ohm's Hukum), dan tegangan di resistor beban itu akan menjadi sama dengan

tegangan suplai, Vs (minus Vf), yang merupakan tegangan "DC" yang melewati beban adalah

sinusoidal untuk setengah siklus pertama saja jadi Vout = Vs.

Selama masing-masing setengah siklus "negatif" dari gelombang input sinusoidal AC,

dioda dibias mundur sebagai anoda negatif terhadap katoda. Oleh karena itu, tidak ada arus

mengalir melalui dioda atau untai. Kemudian pada setengah siklus negatif dari suplai, tidak ada

arus mengalir pada resistor beban karena tidak ada tegangan muncul padanya oleh karena itu,

Vout = 0.

Arus DC dari rangkaian mengalir dalam satu arah saja yang membuat sirkuit Searah.

Karena resistor beban menerima dari dioda setengah positif dari gelombang, nol volt, setengah

positif dari gelombang, nol volt, dll, nilai tegangan yang tidak teratur ini akan sama nilainya

dengan sebuah tegangan DC setara 0,318 x Vmax input gelombang sinusoidal atau 0,45 x Vrms

dari gelombang masukan sinusoida.

Kemudian tegangan ekivalen DC, VDC yang melewati resistor beban dihitung sebagai

berikut

Gambar 1.3 Gelombang output yang disearahkan

Dimana Vmax adalah nilai tegangan maksimum atau puncak suplai AC sinusoidal, dan

VS adalah nilai RMS (Root Mean Squared) dari suplai.

10

V dc=V max

π=0.318 V max=0.45 V s

c. Penyearah setengah gelombang dengan Capacitor penghalus.

Gambar 1.4 Penghalusan output dengan capasitor

Ketika penyearahan digunakan untuk memberikan tegangan searah (DC) dari sumber

bolak balik (AC), jumlah tegangan riak(ripple) dapat lebih dikurangi dengan menggunakan nilai

yang lebih kapasitor yang besar tetapi ada batas baik biaya dan ukuran dengan jenis kapasitor

penghalus yang digunakan.

Untuk nilai kapasitor yang diberikan, arus beban yang lebih besar (resistansi beban yang

lebih kecil) akan men-discharge kapasitor lebih cepat (RC Waktu Konstan) dan meningkatkan

riak yang diperoleh. Kemudian untuk fase tunggal, rangkaian penyearah setengah gelombang

yang menggunakan power diode sangat tidak praktis untuk dicoba dan mengurangi tegangan riak

oleh kapasitor penghalus tunggal. Dalam hal ini akan lebih praktis untuk menggunakan "

Penyearah gelombang penuh" sebagai gantinya.

Dalam prakteknya, penyearah setengah gelombang paling sering digunakan. Output

amplitudo kurang dari amplitudo masukan dan tidak ada outp ut selama setengah siklus

11

negatif sehingga setengah dari power terbuang dan output DC berdenyut yang menghasilkan riak

yang berlebihan. Untuk mengatasi kelemahan ini sejumlah Power Diode terhubung bersama-

sama untuk menghasilkan penyearah Gelombang penuh.

d. 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.

1. 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.

Untuk memahami cara kerja dioda bridge, perhatikanlah kedua gambar berikut.

Gambar 1.5 Jembatan dioda

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.

12

Gambar 1.6 Siklus positif tegangan AC

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 1.7 Grafik sinyal penyearah gelombang penuh

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

13

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

rangkaian.

2. Penyearah gelombang penuh menggunakan 2 dioda

Seperti telah disebutkan diatas, penyearah gelombang penuh menggunakan 2 dioda ini

hanya bisa digunakan pada transformator CT, dimana tegangan sekunder yang dihasilkan oleh

trafo CT ini adalah :

V p × I P=V S × I s

dimana V1=teg primer dan V2=teg sekunder

Cara kerja penyearah gelombang penuh jenis ini dapat dijelaskan seperti berikut :

Gambar 1.8 Siklus positif enyearah gelombang penuh dengan 2 dioda

Pada artikel mengenai trafo diketahui bahwa 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.

14

Gambar 1.9 Siklus negatif penyearah gelombang penuh

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.

Gambar1.10 Grafik gelombang penyearahan gelombang penuh

15

BAB II

TUNNEL DIODE

2.1 Definisi

Dioda tunnel pertama kali diperkenlkan oleh Leo Esaki pada tahun 1958. Dioda ini

memiliki karakteristik yang ditampilkan pada gambar berikut ini. Dioda tunnel, atau juga dikenal

dengan nama dioda Esaki mampu merubah kondisinya diantara level arus puncak dan arus

minimum secara cepat, “switching” diantara kondisi low dan high lebih cepat daripada dioda

Schottky.

Dioda tunel di buat dengan doping material semikonduktor yang akan membentuk p-n

junction pada tingkat seratus sampai seribu kali dari sebuah dioda semikonduktor biasa. Hal ini

akan mengakibatkan dalam penurunan secara besar pada depletion region, dari urutan jarak 10 -6

cm, atau sekitar 1/100 lebar dari daerah untuk semikonduktor diode biasa.

16

Gambar 2.1 Tunnel diode: (a) construction; (b) photograph. (Courtesy COM

SAT Technical Review, P. F. Varadi and T. D. Kirkendall.)

2.2 Karakteristik Tunnel Diode

Dioda tunnel memanfaatkan suatu fenomena kuantum yang aneh yang disebut dengan

Resonant Tunneling yang menghasilkan resistansi negatif pada saat dioda dalam kondisi bias

maju (forward bias). Ketika suatu tegangan yang nilainya kecil dihubungkan pada dioda tunnel,

maka dioda tersebut mulai menghantarkan arus (gambar 2.2 b). Begitu tegangannya dinaikkan,

arus yang dialirkan dioda juga ikut naik hingga mencapai suatu nilai puncak (peak current, Ip).

Tetapi, apabila tegangannya masih terus dinaikkan sedikit lagi, arusnya malah berkurang hingga

mencapai nilai terendahnya(current calley, IV). Lalu, apabila tegangan dinaikkan lagi, maka arus

yang dialirkan dioda tersebut akan ikut naik, namun kali ini arusnya tidak akan pernah turun lagi.

Simbol dari dioda tunnel ditunjukkan pada gambar 2.2 a

Gambar 2.2 (a) Simbol dioda tunnel (b) Kurva hubungan tegangan dan arus pada dioda tunnel.

(c) Rangkaian osilator

Dioda tunnel harus diberi tegangan maju sehingga dioda tersebut mengalami bias maju

hingga mencapai nilai puncaknya (voltage peak, VP) dan nilai minimumnya (voltage valley,

VV). Kurva pada gambar 1b, daerah dimana pada saat tegangan dioda tunnel dinaikkan tetapi

arusnya malah berkurang disebut daerah resistansi negatif (negative resistance).

17

Dioda tunnel diberi pengotor/doping semikonduktor tipe P dan N dalam jumlah yang

sangat banyak, bahkan hingga 1000 kali lebih banyak daripada dioda PN biasa. Perhatikan grafik

pada gambar 2.

Gambar 2.3 Tegangan balik breakdown vs level doping semikonduktor

Dioda standar berada di sebelah paling kiri, sedangkan dioda zener berada di sebelah

kanannya, sedangkan level doping dari dioda tunnel ditunjukkan pada garis putus-putus.

Pemberian dopping yang sangat banyak ini menghasilkan suatu daerah pemisah yang sangat tipis

sehingga dioda tunnel memiliki tegangan balik breakdown yang rendah dan tingkat kebocoran

arus yang besar. Daerah pemisah yang tipis ini menimbulkan efek kapasitansi yang cukup

signifikan. Untuk mengatasi ini, area sambungan dioda tunnel harus dibuat sesempit mungkin.

Pada dioda biasa, arus akan meningkat secara tajam ketika tegangan dioda melebihi tegangan

maju (forward), Vf, 0.3 V untuk dioda Germanium, dan 0.7 V untuk dioda silikon. Pada dioda

tunnel, antara 0V hingga tegangan Vf, ada sifat khusus yang disebut resistansi negatif (arus turun

saat tegangannya naik). Ini disebabkan tunneling mekanika kuantum yang melibatkan dua

partikel gelombang alami dari elektron yang bisa menembus celah pemisah tersebut. Agar

elektron dapat melewati daerah pemisah tersebut tidak perlu menunggu samapai diberi tegangan

18

maju sebesar Vf. Level energi band conduction dari material tipe N beririsan (overlap) dengan

level energi valence band pada semikonduktor tipe P. Apabila tegangannya dinaikkan, proses

tunneling dimulai, level energi dari kedua semikonduktor saling overlap sehingga arus membesar

hingga mencapai suatu titik maksimumnya. Begitu arusnya naik terus, level energi yang saling

overlap semakin berkurang sehingga arusnya mulai berkurang walaupun tegangannya dinaikkan

(ini adalah daerah negative resistance).

Didoa Tunnel tidak bagus untuk dibuat sebagai penyearah karena dioda ini memiliki

kebocoran arus yang sangat besar ketika mengalami bias terbalik. Pada akhirnya, dioda tunnel

yang digunakan dalam rangkaian biasanya memanfaatkan dioda tersebut pada kondisi bias maju

saja khususnya pada efek negative resistance (antara tegangan maksmimum dan minimum).

Sehingga tegangan dioda ini dipertahankan antara tegangan puncak (Vp) dan tegangan

minimum/lembah/valley (VV).

2.3 Aplikasi Tunnel Diode

Mungkin aplikasi dari dioda tunnel yang paling umum adalah pada rangkaian osilator

frekuensi tinggi seperti ditunjukkan pada gambar 2.4 a. Karena rangkaian ini menggunakan

dioda tunnel, maka rangkaian ini bisa juga disebut dengan osilator resistansi negatif (negative

resistance oscillator). Nilai-nilai komponen R, L, dan sumber tegangan E dipilih sedemikian rupa

sehingga titik kerjad dari dioda tunnel tersebut seperti ditunjukkan pada gambar 3b. Perhatikan

bahwa titik kerja dari dioda tunnel yang digunakan dalam rangkaian tersebut hanya

memanfaatkan daerah resistansi negatifnya. Ketika sumber tegangan dinyalakan (saklar ditutup),

tegangan pada terminal power supplynya bergerak dari angka 0 V menuju E volt. Maka arus IT

akan naik dari 0 A hingga mencapai IP, arus ini akan disimpan oleh induktor dalam medan

magnetnya. Tetapi, begitu arus IT mencapai nilai IP, dioda tunnel akan menerunkan arusnya

karena tegangan VT akan naik. Tetapi kondisi ini berlawanan dengan persamaan

E=IT R+ I T (−RT )

E=IT (R−RT)

19

Gambar 2.4 (a) Rangkaian osilator resistansi negatif. (b) Titik kerja dari dioda tunnel pada gambar 3a. (c)

Tegangan dioda tunnel dari rangkaian gambar 3a

Apabila kedua elemen pada persamaan di atas berkurang, maka persamaan di atas tidak

mungkin berlaku lagi. Oleh karena itu, begitu arus IT terus naik, titik kerja dari dioda bergeser

dari titik 1 ke titik 2. Namun, pada titik 2, tegangan VT lompat ke nilai yang lebih besar dari

tegangan sumber E (titik 2 berada di sebelah kanan garis beban rangkaian). Agar hukum

Kirchoff tegangan terpenuhi, polaritas dari tegangan transien induktor harus berbalik dan arus

yang mengalir dalam rangkaian mulai berkurang seperti ditunjukkan panah dari titik 2 ke titik 3.

Ketika tegangan dioda turun dari VT menjadi VV, karakteristik dari dioda menunjukkan bahwa

arus seharusnya mulai naik lagi. Tetapi kondisi tersebut tidak bisa terpenuhi karena tegangan VT

lebih besar dari tegangan sumber dan pada saat ini, koil masih mengalami discharging, sehingga

titik kerja dari rangkaian harus bergeser lagi yaitu dari titik 3 ke titik 4, arusnya semakin

mengecil. Tetapi pada saat titik kerja dari dioda berada di titik 4, tegangan pada dioda tersebut

memungkinkan dioda untuk menaikkan arusnya lagi dari 0 mA ke IP seperti ditunjukkan pada

kurva karakteristiknya. Lalu prosesnya dimulai lagi dari awal, lagi, lagi, dan begitu seterusnya,

20

titik kerja dari dioda tidak pernah mencapai kondisi stabilnya. Bentuk tegangan pada dioda

tunnel ditunjukkan pada gambar 3c. Tegangan dioda tunnel membentuk suatu sinyal yang

periodik dan berulang-ulang selama rangkaian tersebut masih disuplai oleh sumber tegangan DC.

Osilator adalah rangkaian yang dapat menghasilkan tegangan osilasi dari input tegangan DC.

Rangkaian ini menggunakan sifat resistansi negatif dari dioda tunnel untuk menghasilkan

tegangan osilasi, itulah sebabnya rangkaian ini disebut dengan osilator resistansi negatif. Bentuk

gelombang seperti ditunjukkan pada gambar 3c banyak digunakan untuk fungsi pewaktuan

(timing) dan rangkaian logika pada komputer.

Sebuah dioda tunnel juga bisa digunakan untuk menghasilkan tegangan sinus dengan

menggunakan sebuah power supply DC dan beberapa komponen pasif seperti kapasitor, resistor,

dan induktor. Perhatikan rangkaian pada gambar 4a, apabila saklar ditutup, dihasilkan tegangan

sinus, tetapi tegangan sinus ini akan teredam seiring berjalannya waktu seperti ditunjukkan pada

grafik gambar 4b. Periode dari gelombang sinus tersebut ditentukan dari nilai komponen L dan

C. Sedangkan kecepatan peredamannnya (damping coefficient) ditentukan oleh nilai

resistor.Gelombang sinus yang dihasilkan dari rangkaian tersebut mengalami redaman karena

terdapat komponen R dalam rangkaian tersebut, dimana sifat dari komponen R adalah menyerap

daya menjadi panas. Apabila kita bisa menghilangkan nilai R dari rangkaian RLC tersebut,

maka gelombang sinus yang dihasilkan dari komponen LC tidak akan diredam. Cara

menghilangkan R dari rangkaian itu adalah dengan menggunakan dioda tunnel. Sebagaimana

penjelasan di atas, dioda tunnel memiliki sifat resistansi negatif. Kita gunakan sifat resistansi

negatif ini untuk mengurangi nilai R dari rangkaian tersebut, sehingga tegangan sinus yang

dihasilkan oleh komponen LC tidak akan teredam seperti ditunjukkan pada gambar 4c. Desain

yang harus kita perhatikan adalah bagaimana caranya dioda tunnel yang kita gunakan dalam

rangkaian ini memiliki titik kerja dalam daerah resistansi negatif. Tegangan sinus yang

dihasilkan dari rangkaian ini adalah akibat dari pertukaran energi secara terus menerus antara

komponen induktor dan kapasitor.

21

Gambar 2.5 (a) Osilator rangkaian LC. (b) Osilasi yang dihasilkan rangkaian LC mengalami redaman

akibat energinya diserap oleh resistansi “parasit” R yang timbul dari kawat induktor. (c) Resistansi parasit

R dihilangkan oleh dioda tunnel yang memiliki sifat resistansi negatif sehingga osilasi bisa berlangsung

terus-menerus dan tidak mengalami peredaman

22

BAB III

Photo Dioda

3.1 Definisi

Photodioda adalah sebuah dioda yang dioptimasi untuk menghasilkan aliran elektron

(atau arus listrik) sebagai respon apabila terpapar oleh sinar ultraviolet, cahaya tampak, atau

cahaya infra merah. Kebanyakan photodioda dibuat dari silikon, tetapi ada juga yang dibuat dari

germanium dan galium arsenida. Daerah sambungan semikonduktor tipe P dan N tempat cahaya

masuk harus tipis sehingga cahaya bisa masuk ke daerah aktifnya (active region) atau daerah

pemisahnya (depletion region) tempat dimana cahaya diubah menjadi pasangan elektron dan

hole.

Pada gambar 1, lapisan tipe-P yang dangkal terdifusi ke lapisan jenis-N menghasilkan

sambungan PN didekat permukaan lapisan “wafer” tersebut. Lapisan tipe-P harus tipis sehingga

bisa melewatkan cahaya sebanyak mungkin. Difusi tipe-N yang banyak ada di belakang lapisan

“wafer” tersebut menempel dengan kontak logam.

Gambar 3.1 Photodioda : Simbol rangkaian dan penampang melintangnya

23

Cahaya yang masuk ke bagian atas photodioda masuk ke dalam lapisan semikonduktor.

Lapisan tipe-P yang tipis di atas membuat banyak foton melewatinya menuju daerah pemisah

(depletion region) tempat dimana pasang elektron dan hole terbentuk. Medan listrik yang tercipta

di daerah pemisah menyebabkan elektron tertarik ke lapisan N, sedangkan hole ke lapisan P.

Sebenarnya, pasangan elektron dan hole bisa dibentuk pada semua daerah dari bahan

semikonduktor. Namun, pasangan elektron dan hole yang tercipta di daerah pemisah akan

terpisah ke daerah masing-masing yaitu daerah P dan N. Banyak pasangan elektron dan hole

yang terbentuk di daerah P dan N mengalami rekombinasi. Hanya ada beberapa yang

berekombinasi di daerah pemisah. Oleh karena itu, hanya ada sedikit pasangan hole dan elektron

yang ada di daerah N dan P, dan pasangan hole-elektron di daerah pemisah adalah yang

menyebabkan terjadinya arus listrik pada saat photodioda terkena cahaya (photocurrent).

Tegangan dari photodioda bisa kita cek dengan melakukan percobaan. Penggunaan

photodioda pada mode photovoltaic (PV) tidak linier dalam range yang sangat dinamis, selain itu

juga sensitif dan memiliki noise yang rendah pada frekuensi di bawah 100 kHz. Mode operasi

yang paling banyak digunakan adalah mode photocurrent (PC) karena arus yang dihasilkan lebih

proporsional/linier terhadap jumlah fluks cahaya dengan intensitas tertentu, selain itu juga respon

frekuensinya juga lebih tinggi. Kurva yang menunjukkan hubungan antara intensitas cahaya

dengan arus yang dihasilkan oleh photodioda ditunjukkan pada gambar 2. Mode photocurrent

bisa dicapai dengan menempatkan photodioda dalam kondisi bias terbalik (reverse bias). Penguat

arus (penguat transimpedansi) harus digunakan dengan photodioda yang memiliki mode

photocurrent. Linieritas pada mode photocurrent bisa dicapai selama photodioda tidak sampai

dalam kondisi bias maju (forward bias).

24

Gambar 3. 2 Grafik hubungan antara intensitas cahaya dengan arus yang dihasilkan pada photodioda

Photodioda juga sering digunakan untuk kecepatan tinggi. Masalah kecepatan respon

maka erat kaitannya dengan efek kapasitansi parasit pada photodioda, dimana kapasitansi parasit

ini bisa diminimalisir dengan mengurangi luas permukaan cell nya. Oleh karena itu, sensor pada

sambungan fiber optik berkecepatan tinggi memiliki luasan permukaan hanya sekitar 1 mm2.

Kapasitansi parasit juga bisa dihilangkan dengan meningkatkan ketebalan daerah pemisahnya

yang dilakukan pada saat proses manufakturnya. Selain itu juga bisa diperkecil dengan

meningkatkan tegangan balik (reverse voltage) pada photodioda.

Dioda PIN adalah sebuah photodioda dengan lapisan tambahan diantara daerah P dan N

nya seperti ditunjukkan pada gambar 3. Struktur intrinsik P dalam N meningkatkan jarak antara

lapisan P dan N, sehingga kapasitansinya menurun, dan kecepatannya naik. Volume dari daerah

yang sensitif terhadap cahaya (photo sensitive) juga meningkat, meningkatkan efisiensi konversi

cahaya menjadi listrik. Bandwidth dari photodioda dapat ditingkatkan hingga 10 GHz.

Photodioda PIN memiliki sensitifitas yang tinggi dan kecepatan yang tinggi dengan harga yang

tidak terlalu mahal.

25

Gambar 3.3 Photodioda PIN : penambahan daerah instrinsik dapat meningkatkan ketebalan daerah

pemisah sehingga menurunkan efek kapasitansi parasit

3.2 Karakteristik Photodioda

Photodioda Avalence (APD) didisain untuk beroperasi pada tegangan bias terbalik

(reverse bias) yang sangat tinggi menghasilkan efek melipatgandakan elektron sama seperti

photomultiplier tube. Tegangan balik (reverse voltage) pada photodioda sekitar 10 V hingga

2000 V. Tegangan bias terbalik yang sangat tinggi ini mempercepat proses perubahan elektron

menjadi pasangan elektron-hole pada daerah instrinsik sehingga memiliki kecepatan yang cukup

pada pembawa tambahan (additional carriers) dari proses tumbukan dengan kisi-kisi kristal.

Sehingga lebih banyak elektron yang dihasilkan dari sebuah foton. Tujuan dari APD adalah

melakukan penguatan di dalam photodioda sehingga mengatasi noise pada amplifier

eksternalnya. Tetapi APD menghasilkan noise nya sendiri. Pada kecepatan tinggi, APD lebih

unggul dari kombinasi penguat dioda PIN, tetapi tidak untuk aplikasi kecepatan rendah. APD

sangat mahal, kira-kira hampir sama dengan tabung photomultiplier. Sehingga APD unggul

26

terhadap photodioda PIN hanya untuk aplikasi-aplikasi khusus. Salah satunya adalah pada

aplikasi penghitung foton tunggal pada fisika nuklir.

Cahaya memiliki energi berupa paket-paket energi yang disebut dengan foton. Energi

foton ini bergantung pada frekuensi dari gelombang cahaya tersebut sesuai dengan persamaan

W =hf

dimana h adalah konstanta Planck yang memiliki nilai sebesar 6.624 x 10-34 J/s. h adalah suatu

konstanta, energi bergantung pada frekuensi gelombang cahaya yang merambat. Sebaliknya,

frekuensi ditentukan dari panjang gelombang dari cahaya yang merambat sesuai dengan

persamaan

λ=v / f

di mana:

λ adalah panjang gelombang dalam meter

v adalah kecepatan cahaya 3 x 108 m/s

f adalah frekuensi gelombang cahaya yang merambat dalam Hz

Umumnya panjang gelombang dinyatakan dalam satuan Angstrom (Å) atau mikrometer (μm).

Konversi satuan ini kedalam meter adalah

1 Å=10−10m dan1 μm=10−6 m

Panjang gelombang adalah penting karena ia akan menentukan material apa yang akan

digunakan pada divais optoelektronik tersebut. Respon spektral relatif untuk Germaniun (Ge),

Silikon (Si), dan selenium ditunjukkan pada gambar 4. Spektrum dari cahaya tampak juga

dimasukkan dengan beberapa contoh warna.

27

Gambar 3.4 Respon spektral relatif untuk bahan bahan silikon, germanium, dan selenium

Jumlah elektron bebas yang dihasilkan dari masing-masing material linier dengan

intensitas cahaya yang menerpa photodioda tersebut. Intensitas cahaya memiliki parameter fluks

lumen per satuan luas. Fluks lumen diukur dalam satuan lumen (lm) atau watt. Kedua satuan

tersebut memiliki hubungan

1 lm=1,496×10−10

Intensitas cahaya biasanya diukur dengan satuan lm/ft2, footcandles, atau W/m2, dimana

1 lm/ft2 = 1 fc = 1.609 x 10-9 W/m2

28

Photodioda adalah semikonduktor jenis sambungan PN dimana daerah operasinya adalah

pada mode bias terbalik (reverse bias). Rangkaian dasar dari photodioda, konstruksinya, serta

simbolnya ditunjukkan pada gambar 5.

Gambar 3.5 (a) Cara melakukan bias pada photodioda. (b) Simbol photodioda

Ingat prinsip kerja pada dioda bahwa arus saturasi dalam mode bias terbalik terbatas

hanya beberapa mikro ampere. Arus tersebut disebabkan aliran dari pembawa minoritas yang

terdapat pada meterial tipe P dan tipe N. Apabila ada cahaya yang mengenai sambungan PN nya,

maka akan dihasilkan transfer energi dari rambatan gelombang cahaya (dalam bentuk foton)

menjadi struktur atomik, menghasilkan peningkatan jumlah pembawa minoritas (minority

carriers) dan meningkatkan level dari arus balik. Perhatikan grafik pada gambar 6 menujukkan

hubungan antara arus dan tegangan photo dioda dalam mode bias terbalik untuk berbagai level

intensitas cahaya. Arus gelap (dark current) adalah arus yang mengalir pada saat tidak ada

cahaya yang mengenai photodioda. Perhatikan bahwa arus yang mengalir pada photodioda akan

benar-benar menjadi nol hanya ketika photodioda tersebut diberi tegangan positif sebesar VT.

Perhatikan juga gambar 5a, lensa cembung digunakan untuk mengkonsentrasikan cahaya agar

jatuh pada daerah pemisah. Bentuk fisik dari photodioda yang dijual di pasaran ditunjukkan pada

gambar 7.

29

Gambar 3.6 Hubungan arus dan tegangan pada photodioda dalam beberapa level intensitas cahaya

Gambar 3. 7 Bentuk fisik photodioda yang dijual di pasaran

3.3 Aplikasi Photodioda

Salah satu penggunaan dari photodioda adalah pada sistem alarm sebagai keamanan,

ditunjukkan pada gambar 8. Rangkaian tersebut terdiri dari sumber cahaya sebagai pemnacar

30

(Tx) dan photodioda sebagai penerima (Rx). Arus balik (reverse current) sebesar Iλ akan

dihasilkan oleh photodioda selama cahaya yang dipancarkan oleh Tx mengenai photodioda.

Tetapi arus yang mengalir pada photodioda akan menjadi minimum mendekati nol apabila ada

penghalang diantara Tx dan Rx sehingga photodioda tidak bisa menangkap cahaya dari Tx.

Begitu arus yang mengalir pada photodioda mendekati nol, maka sinyal ini akan diproses oleh

suatu rangkaian (misalkan rangkaian yang terdiri dari gerbang logika) untuk menyalakan alarm.

Sehingga, apabila ada orang yang berjalan melewati pintu tersebut, alarm akan berbunyi. Model

rangkaian seperti ini juga bisa diletakkan pada sabuk konveyor yang banyak digunakan di

pabrik-pabrik untuk menghitung jumlah barang yang lewat.

Gambar 3. 8 (a) Photodioda digunakan sebagai sensor pada sistem keamanan. (b) Photodioda digunakan

sebagai sensor pada alat pencacah jumlah barang

31

KESIMPULAN

1. Power diode merupakan salah satu dari jenis dioda yang umumnya digunakan pada

proses penyearahan (rectification) gelombang Sc.

2. Proses peyearahan terbagi menjadi dua yaitu penyearah setengah gelombang (Half Wave)

dan penyearah gelombang penuh (Full Wave)

3. Dioda tunnel memanfaatkan suatu fenomena kuantum yang aneh yang disebut dengan

Resonant Tunneling yang menghasilkan resistansi negatif pada saat dioda dalam kondisi

bias maju (forward bias).

4. Aplikasi dari dioda tunnel yang paling umum adalah pada rangkaian osilator.

5. Photodioda adalah sebuah dioda yang dioptimasi untuk menghasilkan aliran elektron

sebagai respon apabila terpapar oleh sinar ultraviolet, cahaya tampak, atau cahaya infra

merah.

6. Photo dioda pada aplikasinya banyak digunakan untuk keperluan kontrol yaitu sebagai

sensor cahaya.

32

PENUTUP

Demikian makalah yang dapat saya paparkan, semoga menjadi bermanfaat. Saya

mengucapkan banyak terima kasih kepada para pembaca serta narasumber yang telah

memberikan informasi yang lengkap dalam penyusunan makalah ini. Akhir kata “tak gading

yang tak retak”, untuk itu kami mohon maaf apabila ada kesalahan dan kekeliruan dalam

penyusunan makalah ini.

33

DAFTAR PUSTAKA

Boylestad, Robert dan Nashelky Louis.1998. Electronic Devices and Circuit Theory 7th

Edition.New York:Mc Graww Hill

Anonimous. “Prinsip Kerja dan Karakteristik Photodioda”.(Online)

http://elkaasik.com/karakteristik-photodioda/

Diakses tanggal 20 Desember 2014

Anonimous. “Power Diodes and Rectifiers”.(Online)

http://www.electronics-tutorials.ws/diode/diode_5.html

Diakses tanggal 21 Desember 2014

Anonimous. “Tunnel Diode”.(Online)

http://elkaasik.com/dioda-tunnel/

Diakses tanggal 20 Desember 2014

Anonimous.“Rangkaian Dioda: Penyearah Tegangan”.(Online)

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

Diakses tanggal 27 Desember 2014

34