MODUL 2

DOWNLOAD INI AJA ASLINYA MODUL2

MODUL 2

TEORI DIODA SEMIKONDUKTOR

Pada modul ini akan diuraikan teori mengenai dioda semikonduktor yang meliputi pengertian dioda, struktur dioda (PN Junction), dan karakteristik dioda.

2.1 Pengertian Dioda

Dioda adalah komponen elektronika yang memiliki dua buah terminal elektroda yang memiliki fungsi unik yaitu hanya dapat mengalirkan arus satu arah saja. Sebagian besar dioda saat ini berdasarkan pada teknologi semikonduktor yang biasa disebut sebagai dioda kristal atau dioda semikonduktor. Struktur dioda tidak lain adalah sambungan semikonduktor p dan n yang disebut PN Junction. Satu sisi adalah semikonduktor dengan tipe-p dan satu sisinya yang lain adalah tipe-n. Pada tipe-p, lubang/hole (+) bertindak sebagai pembawa mayoritas sedangkan elektron (-) sebagai pembawa minoritas. Sebaliknya, pada tipe-n elektron (-) bertindak sebagai pembawa mayoritas dan hole (+) sebagai pembawa minoritas.   Dengan struktur demikian arus hanya akan dapat mengalir dari sisi p (anoda) menuju sisi n (katoda). Gambar 2.1 menunjukkan bentuk kemasan dioda sejajar dengan simbol rangkaiannya, pita menunjukkan sisi katoda.  Beberapa jenis dioda ditunjukkan pada gambar 2.2.

Gambar 2.1 Bentuk kemasan dan simbol rangkaian dioda

Gambar 2.2 Beberapa jenis dioda

2.2 Stuktur Dioda (PN Junction)

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya dioda terdiri dari semikonduktor tipe-p dan tipe-n dengan struktur seperti yang terlihat pada gambar 2.3.

Gambar 2.3 Struktur dioda (PN Junction)

Sifat dari dioda PN dipengaruhi oleh pemberian catu daya. Apabila tidak diberi tegangan luar (open circuit) disebut tanpa bias (unbiased), apabila diberi tegangan positif disebut forwad bias dan diberi tegangan negatif disebut reverse bias. Masing-masing menunjukkan operasi fisik yang berbeda.

2.2.1 PN Junction dalam Kondisi Tanpa Bias (Unbiased)

Pada kondisi ini dioda tidak dihubungkan dengan tegangan luar atau dalam keadaan open circuit (gambar 2.4). Tanda positif  (+) menunjukkan lubang (hole) sebagai pembawa mayoritas sedangkan tanda negatif (-) menunjukkan elektron sebagai pembawa mayoritas. Proses difusi terjadi sehingga tercipta medan listrik dan arus drift terjadi. 

Gambar 2.4 PN Junction tanpa bias (unbiased)

Berikut penjelasan lebih lanjut :

A. Terjadinya proses difusi

Proses difusi ini adalah pergerakan bebas (secara acak) dari partikel (elektron atau hole) akibat adanya eksitasi termal. Seperti halnya difusi lainnya, elemen berpindah dari area yang konsentrasinya tinggi ke konsentrasi yang rendah.

Pembawa mayoritas lubang (hole) pada daerah p berdifusi ke daerah n (dari kiri ke kanan). Pembawa mayoritas elektron pada daerah n berdifusi ke daerah p (dari kanan ke kiri). Arus difusi  I_D pada gambar 2.4 ditunjukkan dalam arah lubang (hole).

B. Terjadinya arus drift

Drift adalah pergerakan elektron dan hole yang disebabkan oleh medan listrik. Lubang-lubang (holes) yang berdifusi menyebrang ke daerah n akan segera bergabung kembali dengan pembawa mayoritas elektron bebas di daerah n. Proses  penggabungan kembali (recombination) ini menyebabkan hilangnya elektron bebas dalam material n. Beberapa ikatan ion (bound charge) dari atom donor tidak dapat dinetralkan lagi oleh elektron bebas (dikatakan uncovered). Hal yang sama terjadi pada elektron yang berdifusi dari kanan ke kiri. Dengan demikian tercipta medan listrik di seluruh daerah ini dan menginduksi arus drift pada pembawa minoritas pada setiap sisinya. Elektron bebas pada sisi p (akibat eksitasi termal) yang muncul di sekitar tepi junction menjadi hilang. Lubang (hole) di derah n (akibat eksitasi termal) yang muncul di sekitar tepi junction menjadi hilang. Terciptalah arus drift I_S yang sangat tergantung pada temperatur dan tidak tergantung pada tegangan barrier.

C. Pembentukan daerah pengosongan (depletion region)

Akibat proses penggabungan kembali ion terjadi dekat pertemuan (junction), maka dihasilkan suatu daerah yang kehilangan/kekosongan pembawa mayoritas. Daerah ini disebut sebagai daerah pengosongan (depletion region). Perbedaan potensial dihasilkan di daerah ini (lihat gambar 2.5). Perbedaan potensial ini bertindak sebagai penghalang terhadap arus difusi selanjutnya yang menyebrangi daerah ini.

Gambar 2.5 Potensial Barrier (V^­_O)

Tegangan penghalang (barrier voltage) begantung pada konsentrasi doping dan temperatur. Besarnya V_T bergantung pada temperatur. Lihat persamaan 2.1 dan 2.2.

..............................................(2.1)

dimana V_o =  Tegangan penghalang/barrier (Volt)

              V _T = Tegangan termal (Volt)

              N_A  = Konsentrasi doping aseptor (cm^‑3)

              N_D  = Konsentrasi doping donor (cm^‑3)

              n_i     = Konsentrasi intrinsik (cm^‑3)

.........................................................(2.2)

dimana  K   = Konstanta Boltzman ( 1,38 . 10-²³ joule ^oK ^-1)

              T   = Temperature (^oK)

               q  =  Muatan elektron ( 1,6 . 10 ^-19 coloumb )

Jika dihitung besarnya potensial barrier pada suhu suhu ruangan yaitu sekitar 300^oK adalah sekitar 0,7 V untuk dioda silikon 0,3 V untuk dioda germanium.

D. Pencapaian pada Keadaan Setimbang (Equilibrium)

Setelah mencapai keadaan setimbang, arus difusi akan sama dengan arus drift. Keadaan ini mempertahankan besarnya tegangan barrier. Kondisi kesetimbangan ini akan selalu dipertahankan. Apabila arus difusi melebihi arus drift karena sesuatu hal, maka akan lebih banyak ikatan ion (bound charge)  yang tidak dapat dinetralkan lagi oleh elektron bebas (uncovered), menyebabkan meningkatnya medan listrik sehingga arus drift pun meningkat dan arus difusi menjadi berkurang. Sebaliknya, jika arus difusi menjadi lebih kecil dari arus drift karena sesuatu hal, maka ion uncovered menjadi  berkurang sehingga medan listriknya pun berkurang dan akhirnya menyebabkan arus difusi berkurang.

2.2.2 PN Junction dalam Kondisi Bias Maju (Forward bias)

Gambar 2.6 menunjukkan sumber DC melintasi sebuah dioda. Sumber tegangan negatif dihubungkan dengan bahan tipe-n dan positif dihubungkan dengan bahan tipe-p. Hubungan ini menyebabkan PN junction menjadi dalam kondisi bias maju (forward bias). Apabila sumber tegangan dc melebihi tegangan penghalang dioda maka akan terjadi gaya dorong pada lubang/hole (+) dan elektron bebas (-) yang mengakibatkan lubang dan elektron bebas bergerak menuju sambungan (junction). Pada saat tersebut elektron bebas mempunyai cukup energi untuk meninggalkan daerah n, melintasi lapisan pengosongan, dan bergabung dengan lubang-lubang. Begitu pula lubang-lubang meninggalkan daerah p, melintasi lapisan pengosongan dan bergabung dengan elektron-elektron bebas. Akibatnya daerah pengosongan menyempit dan energi barrier menjadi sangat kecil. Arus difusi (I_D) meningkat hingga I_D – I_S = I. Hal ini menyebabkan arus mengalir terutama akibat pembawa mayoritas (I_D) yaitu jenis P ke N dan jenis N ke P. Sebaliknya arus pembawa minoritas (I_S) mengalir arah sebaliknya tidak dipengaruhi oleh catu daya.

Gambar 2.6 PN Junction bias maju (forward bias)

2.2.3 PN Junction dalam Kondisi Bias Mundur (Reverse Bias)

Jika sumber tegangan negatif DC dihubungkan dengan bahan tipe-p dan positif dihubungkan dengan bahan tipe-n seperti yang di tunjukkan pada gambar 2.7 maka PN junction berada dalam kondisi bias mundur (reverse bias). Hubungan ini memaksa elektron bebas di dalam daerah n berpindah dari junction ke arah terminal positif sumber, sedangkan lubang (hole) di dalam daerah p juga bergerak menjauhi junction  ke arah terminal negatif.  Hal ini menyebabkan daerah pengosongan melebar dan energi barrier menjadi besar.  Akibatnya, arus drift (I_S) meningkat dan arus difusi (I_D) menurun hingga mendekati 0. Sehingga jika I_S - I_D = I dan I_D  ≈ 0 maka I = I_S.

Gambar 2.7 PN Junction bias mundur (reverse bias)

Dengan demikian pada kondisi ini hanya ada arus kecil yaitu arus pembawa minoritas yang biasa disebut arus balik (reverse current), I_S. Disamping itu juga terdapat arus bocor permukaan, I_SL. Jika keadaan ini terus berlanjut, akan tercapai titik pendobrakan, yang disebut dengan breakdown voltage. Pada keadaan ini dioda tidak lagi dapat menahan aliran elektron yang terbentuk di lapisan pengosongan (deplesi).

2.3 Karakteristik Dioda

Dari kondisi PN junction yang telah dijelaskan di atas maka dapat digambarkan kurva karakteristik dioda seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.8. Terdapat 3 daerah operasi dioda, yaitu: daerah forward bias jika V (tegangan dioda) > 0, daerah reverse bias jika V<0, dan daerah breakdown jika V < -V_ZK. Sedangkan jika V=0 maka dioda dalam kondisi tanpa bias (unbiased).

Gambar 2.8 Kurva Karakteristik Dioda

2.3.1 Daerah Forward bias

Besar arus dioda yang mengalir pada daerah ini sesuai dengan persamaan 2.3 berikut.

........................................(2.3)

dengan, i   =  Arus dioda (A)

              I_S  =  Arus saturasi (jenuh) balik (A)

  v  =  Tegangan dioda (V)

  V_T =  Tegangan termal (V)

η  =   Koefisien emisi dioda

Nilai η merepresentasikan perbedaan material dan struktur fisik dioda. Nilainya dapat berubah sesuai dengan arus dioda. Untuk dioda silikon η adalah sekitar 2 untuk arus rendah dan turun ke bawah menjadi sekitar 1 pada arus yang lebih tinggi.

Dalam daerah forward bias, tegangan pada saat arus mulai naik secara cepat disebut dengan tegangan kaki (knee voltage) dari dioda. Tegangan ini sama dengan tegangan penghalang (barrier voltage) untuk dioda silikon adalah sebesar V_K ≈ 0,7V. Apabila tegangan dioda lebih besar dari tegangan kaki maka dioda akan menghantar dengan mudah dan sebaliknya bila tegangan dioda lebih kecil  maka dioda tidak menghantar dengan baik.

Di atas tegangan kaki, arus dioda akan membesar secara cepat, dengan kata lain pertambahan yang kecil pada tegangan dioda akan menyebabkan perubahan yang besar pada arus dioda. Setelah tegangan penghalang terlampaui, yang menghalangi arus adalah hambatan Ohmic daerah P dan N. Jumlah hambatan tersebut dinamakan hambatan bulk dioda. Hambatan tersebut didefinisikan pada persamaan 2.4 sebagai berikut.

R_B = R_P + R_N ....................................................(2.4)

Apabila arus pada suatu dioda terlalu besar, maka panas yang berlebihan dapat merusak dioda. Untuk itu dalam data sheet biasanya dituliskan arus forward maksimum yang ditulis sebagai I_max, I_fmax, I_O, dan lain-lain tergantung pada pembuatnya. Sebagai contoh, sebuah dioda 1N456 memiliki batas arus forward maksimum 135 mA. Ini berarti bahwa dioda dapat mengalirkan secara aman arus forward sebesar 135 mA.

Kita pun dapat menghitung disipasi daya sebuah dioda melalui persamaan 2.5 berikut.

P_D = V I ......................................................(2.5)

dengan   P_D = Daya disipasi dioda (W)

               V  = Tegangan dioda (V)

                I =  Arus dioda (A)

Sedangkan rating daya (ditunjukkan pada persamaan 2.6) merupakan daya maksimum yang terlepas secara aman tanpa memperpendek usia dioda atau merusak sifat-sifat dioda tersebut.

P_max = V_max. I_max ..................................................(2.6)

dimana V_max merupakan tegangan yang bersesuaian dengan I_max.

2.3.2 Daerah Reverse Bias

Pada daerah ini secara teoritis besar arus dioda adalah sebagai berikut :

                                                         i ≈ - I_S .........................................................(2.7)

Pada kenyataannya selain arus saturasi balik I_S dioda sering kali memiliki arus  bocor permukaan (I_SL) yang mengalir pada permukaan kristal. Hal ini disebabkan karena permukaan yang tidak murni dan tidak sempurna dalam struktur kristal. Namun demikian besarnya sangat kecil (dalam range nA) dan proporsional langsung terhadap tegangan balik V_R. Kita dapat mendefinisikan daya tahan kebocoran permukaan sesuai dengan persamaan 2.8 berikut.

......................................................(2.8)

2.3.3 Daerah Breakdown

Jika kita terus menaikan terus tegangan balik maka pada akhirnya akan sampai pada tegangan breakdown dari dioda. Pada kurva karakteristik (gambar 2.8) tegangan kaki ini adalah V_ZK dimana Z singkatan dari Zener dan K singkatan dari knee.

Terdapat 2 buah efek breakdown yang mungkin terjadi :

-     Efek Zener

Zener breakdown terjadi ketika medan listrik dalam  lapisan pengosongan meningkat ke titik di mana ia dapat memutuskan ikatan kovalen. Kita akan mempelajari lebih lanjut tentang Zener pada pembahasan mengenai dioda-dioda khusus.

-     Efek Avalanche

Efek ini terjadi akibat pembawa minoritas memiliki energi kinetik yang cukup untuk memutus ikatan  kovalen ketika bertubrukan dengan atom-atom lain. Proses ini terus berlanjut sampai arus balik menjadi sangat besar.