DIODA

Dioda

Tahun 1883, secara tidak sengaja Edison telah membuat dioda pertama melalui pengujian bola lampunya. Bila salah satu elektroda diberi tegangan positif terhadap kawat (filamen) maka ada arus mengalir antara dua kawat dan bila diberi tegangan negatif maka tidak ada arus mengalir. Kata “dioda” adalah        di = dua dan ode = elektroda

Jadi dioda adalah piranti dua terminal yang terbuat dari bahan semikonduktor dengan arah arus tertentu.

Dioda-dioda semula berupa piranti-piranti tagung hampa dengan filamen panas (disebut katoda) yang memancarkan elektron-elektron bebas dan suatu pelat positif (disebut anoda) yang mengumpulkan elektron-elektron tersebut.

Dioda modern memakai piranti  semikonduktor dengan bahan tipe n yang menyediakan elektron-elektron bebas dan bahan tipe p yang mengumpulkannya.  

Bahan tipe n adalah terbentuknya elektron bebas tidak disertai terbentuknya hole tetapi terbentuk ion positif yang tidak dapat bergerak seperti gambar 15. Dimana, tanda - adalah elektron-elektron bebas sebagai pembawa-pembawa mayoritas (majority carriers), tanda – adalah hole-hole sebagai pembawa-pembawa minoritas (minority carriers) dan tanda plus dilingkari adalah ion-ion donor atau ion-ion positif. Dan sebaliknya bahan tipe p adalah terbentuknya hole disertai terbentuknya ion negatif yang tidak dapat bergerak seperti gambar 16. Dimana, tanda + adalah hole-hole (pembawa-pembawa mayoritas) dan tanda minus dilingkari adalah ion-ion akseptor atau ion-ion negatif.

Gambar 15  Semikonduktor Tipe n

Gambar 16  Semikonduktor Tipe p

A.  Lapisan Pengosongan (depletion layer)

Batas antara bahan tipe p dan bahan tipe n disebut persambungan (junction) seperti gambar 17.

Gambar 17  Gambar Persambungan PN

Secara difusi bila suatu elektron memasuki daerah p maka elektron ini sebagai pembawa minoritas. Dengan dikelilingi oleh lubang-lubang yang berjumlah banyak, pembawa minoritas akan masuk ke salah satu lubang, lubang bersangkutan akan lenyap dan elektron bebas menjadi elektron valensi. Daerah yang mengandung ion-ion positif dan negatif disebut lapisan pengosongan (depletion layer) karena pada daerah ini mengalami pengosongan dari pembawa-pembawa muatan elektron maupun hole. Hubungan pn ini yang disebut dioda dengan kaki yang bertanda positif  (A) disebut anoda dan kaki yang bertanda negatif  (K) disebut katoda. Adapun simbol dioda adalah seperti pada gambar 18.

Gambar 18 Simbol dioda

B.  Forward bias

Hubungan forward bias (bias maju) adalah bila kaki Anoda (bahan tipe p) dihubungkan ke sumber tegangan positif dan kaki Katoda (bahan tipe n) dihubungkan ke sumber tegangan negatif. Elektron-elektron bebas di bahan n bergerak menuju ke persambungan yang meninggalkan ion-ion positif di sebelah kanan kristal. Ion-ion positif ini kemudian akan menarik elektron-elektron bebas dari baterai (sumber tegangan) lewat kawat rangkaian. Jadi, arah aliran elektron adalah dari bahan tipe n ( K) ke bahan tipe p (A) dan sebaliknya arah arus dari bahan tipe p (A) ke bahan tipe n (K) seperti gambar 19.

Gambar 19 forward bias diode

C.  Reverse Bias

Reverse Bias adalah pemberian sumber tegangan yang terbalik dimana kaki Anoda (bahan tipe p) dihubungkan ke sumber tegangan negatif dan kaki Katoda (bahan tipe n) dihubungkan ke sumber tegangan positf. Pembawa-pembawa mayoritas tidak dapat menyeberangi persambungan dan  elektron-elektron bebas tidak mempunyai energi yang cukup besar untuk menyeberangi persambungan sehingga tidak ada aliran arus dari katoda ke Anoda seperti gambar 20.

Gambar 20  Reverse bias diode

Dioda disebut aktif atau ‘on’ apabila mendapat arus maju I_F (forward bias) dari hubungan baterai seperti gambar 19 dan dioda disebut tidak aktif atau ‘off’ apabila mendapat arus mundur I_R (reverse bias ) dari hubungan baterai seperti gambar 20. Adapun karakteristik Dioda adalah seperti pada gambar 21.

Gambar 21 Karakteristik Dioda

Dioda aktif apabila  VD >= VF

, untuk bahan semikonduktor Silikon V_F = 0,7 Volt dan untuk bahan semikonduktor Germanium V_F = 0,3 Volt.   Dioda tidak aktif apabila  V_D < 0 maka untuk semikonduktor Silikon I_D = 0 mA dan untuk semikonduktor Germanium I_D =I_R.       Pada saat arus reverse bias maksimum atau sama dengan V_BD (Breakdown Voltage) maka arus tak terhingga atau dioda dapat menjadi rusak.

Rumus umum untuk arus dioda I_D adalah:

                                                      

dimana,

          I_S = arus reverse saturasi

          k = 11.600/ɳ dengan ɳ=1 untuk Ge dan ɳ=2 untuk Si

          T_k = T_C + 273⁰

Dioda Zener

          Prinsip kerja Dioda Zener adalah sama dengan kondisi arus reverse dioda dimana pada saat   VD <= VBD dimana V_BD disebut juga dengan V_Z maka dioda zener akan aktif dan teganan tetap sebesar tegangan zener V_Z walaupun V_D diberikan < V_Z seperti gambar 30. 

Gambar 30 Karakteristik Dioda Zener

SEMIKONDUKTOR

          Semikoduktor adalah suatu bahan yang banyak dipakai dalam pembuatan komponen dasar elektronika, seperti Dioda, Transistor, JFET, MOSFET sampai pada IC (Integrated Circuits). Bahan Silikon dan Germanium yang paling banyak digunakan dalam pembuatan komponen elektronika karena lebih stabil pada suhu tinggi.

Teori Atom

Atom adalah partikel yang sangat kecil dan terdiri atas proton, elektron serta neutron.

Tahun 1911, Rutherford melakukan percobaan dan menghasilkan bahwa sebagian besar masa atom dan semua muatan positif berkumpul pada inti atom (di tengah-tengah atom).

Atom terdiri atas nukleus (proton dan neutron)  dengan elektron-elektron yang bergerak di sekitas nukleus yang menyerupai sistem tata surya.

Dalam konvensi ditetapkan elektron bermuatan negatif, proton bermuatan positif dan neutron tidak bermuatan.

Tahun 1913, Niels Bohr mengemukakan bahwa Elektron-elektron dari suatu atom tersusun atas beberapa kulit atau orbit yang berada pada jarak yang berbeda dari inti atom seperti gambar 1.

Gambar 1 Orbit-orbit elektron

Masing-masing orbit mempunyai tingkat energi yang mana semakin tinggi orbit maka makin tinggi energinya. Model Bohr menyatakan  orbit atom dengan penamaan mulai huruf K sampai Q seperti gambar 2.

Gambar 2 Model Bohr menyatakan orbit atom dengan huruf K s/d Q

Struktur atom bahan semirondurtor

Pada suhu nol mutlak atau -273 °C, bahan semikonduktor murni benar-benar merupakan isolator karena semua elektron valensi terikat erat pada tempatnya.

Elektron valensi adalah elektron-elektron yang terletak di kulit (orbit) terluar sebuah unsur.

Atom boron mempunyai elektron valensi 3, silikon memiliki elektron valensi 4, fosfor mempunyai elektron valensi 5, dan seterusnya, seperti tabel 1. Agar konduktivitasnya baik, maka bahan semikonduktor dicampur dengan bahan lain (doping), seperti boron, arsenikum, galium, fosfor, dan lain-lain.

Tabel 1 Susunan Elektron pada beberapa Atom

Nama Unsur	Lingkaran orbit							Jumlah elektron	Elektron valensi
	K	L	M	N	O	P	Q
Boron	2	3						5	3
Silikon	2	8	4					14	4
Fosfor	2	8	5					15	5
Galium	2	8	18	3				31	3
Germanium	2	8	18	4				32	4
Arsenikum	2	8	18	5				33	5

Bahan-bahan yang bervalensi 3 (trivalen) berfungsi membentuk bahan tipe P (bahan yang kekurangan elektron). Sedangkan bahan-bahan yang bervalensi 5 (pentavalen)  berfungsi membentuk bahan tipe N (bahan yang kelebihan elektron).

Contoh :

Jika sebuah silikon didoping dengan fosfor atau arsenikum maka bahannya disebut bahan semikonduktor tipe N karena memiliki muatan listrik negatif. Sedangkan jika didoping dengan boron atau galium maka bahannya disebut bahan semikonduktor tipe P karena memiliki muatan listrik positif.

Struktur atom silikon dan germanium

Silikon dan Germanium adalah bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan dalam pembuatan komponen elektronika, karena sifatnya :

a.    lebih stabil pada suhu tinggi,

b.    silikon (0,6 V) lebih banyak digunakan dari pada germanium (0,3 V).

c.    Jumlah elektron silikon adalah 14 seperti gambar 3 sedangkan germanium 32.

d.    memiliki elektron valensi yang sama, yaitu 4.

Gambar 3  Struktur atom silikon

Angka +14 yang terletak pada inti atom silikon menyatakan jumlah muatan positif proton yang berfungsi mengimbangi muatan negatif elektron-elektron sehingga atom dalam keadaan netral. Gambar 4 adalah struktur atom silikon dengan empat elektro valensi  dan +4 yang artinya 4 muatan positif proton.

Gambar 4 Struktur Atom Silikon dengan Elektron Valensinya

Kulit terluar dari suatu atom selalu berupaya mempunyai jumlah elektron 8. Setiap atom selalu berusaha memperoleh konfigurasi atom-atom gas mulia seperti neon, krypton, dan sebagainya yang telah memiliki 8 elektron. Oleh karena itu, kumpulan atom silikon  akan menarik empat elektron dari empat atom tetangganya sehingga membentuk kristal seperti gambar 5. Kristal adalah susunan atom yang membentuk suatu pola ikatan yang teratur (ikatan kovalen) dan membentuk diri menjadi benda padat.

Gambar 5 Struktur Irisan Kristal Silikon

Beberapa ikatan kovalen akan pecah karena pengaruh panas.. Semakin tinggi suhu mengenai ikatan kovalen maka semakin banyak ikatan kovalen yang pecah sehingga menghasilkan elektron bebas.

Energi yang dapat memecahkan ikatan kovalen sehingga menghasilkan elektron bebas disebut energi gap (Eg). Adapun hubungan antara elektro dan kulit orbit adalah seperti gambar 6.

Gambar 6  Hubungan antara elektron dan kulit orbit

Hukum dasar hubungan antara elektron dan kulit orbit:

1.   Elektron tidak dapat berada antara dua kulit orbit.

2.   Elektron-elektron pada suatu kulit orbit punya suatu rentang tenaga.

3.   Elektron perlu cukup tenaga untuk melompat ke kulit orbit yang lain.

Apabila ikatan kovelen pecah maka akan mengakibatkan lepasnya elektron yang disebut elektron bebas. Elektron bebas ini meninggalkan tempatnya semula sehingga ruang itu menjadi kosong yang disebut hole atau lubang seperti gambar 7.

Gambar 7 Elektron lepas akibat pecahnya ikatan kovalen

Pada suhu 0K tidak ada elektro yang lepas atau berpindah dari bidang valensi ke bidang konduksi dan bila suhu dinaikkan maka dengan E_G yang cukup dapat membuat elektron berpindah dari bidang valensi ke bidang konduksi seperti gambar 8 dan gambar 9.

Gambar 8  Bidang tenaga kristal pada suku 0K

Gambar 9 Bidang tenaga Kristal pada suhu agak tinggi

Arah aliran elektron seperti gambar 10 maka kebalikannya akan membuat arah aliran hole.  

Gambar 10 Mekanisme konduksi lobang

Semikonduktor jenis n

Gambar 11 menunjukkan bahan semikonduktor jenis n dimana   diperoleh dengan cara doping dengan atom asing bervalensi 5 seperti Fosfor .

Gambar 11 Terjadinya elektron bebas pada semikonduktor jenis n

Gambar 12 Arus tenaga elektron valensi atom donor

Pada semikonduktor jenis n terbentuknya elektron disertai terbentuknya ion positif yang tidak dapat bergerak seperti ditunjukkan gamabr 12 diatas.

1Semikonduktor jenis p

Gambar 13 menunjukkan bahan semikonduktor tipe p dimana diperoleh dengan doping atom asing bervalensi 3, seperti Boron (B) atau Galium (Ga).

Gambar 13 Terjadinya hole pada semikonduktor tipe p

Gambar 14 Arus tenaga elektron valensi atom akseptor

Pada semikonduktor jenis p terbentuknya hole disertai terbentuknya ion negatif yang tidak dapat bergerak seperti ditunjukkan gambar 14 diatas.

Konduktivitas bahan semikonduktor terletak di antara konduktor (penghantar listrik ) dan isolator (tidak menghantarkan listrik). Jika ada sejumlah besar elektron pada salah satu tempat pada suatu bahan, sedang pada tempat lain hanya terdapat sedikit elektron, maka elektron-elektron akan mengalir dari tempat yang padat ke tempat yang sedikit sampai tercapainya suatu keseimbangan.