Nama         : Yohannes Leonard

Kelas         : 3IB02C

NPM          : 17416788

Tugas Dioda Semikonduktor

DIODA SEMIKONDUKTOR

A.       Semikonduktor

Semikonduktor merupakan elemen dasar dari komponen elektronika sperti dioda, transistor dan sebuah IC. Disebut semikonduktor atau setengah konduktor Karena bahan ini memang tidak terbuat dari bahan konduktor murni (Okilas,2007).

Bahan bahan logam seperti tembaga, besi, timah disebut sebagai konduktor yang baik, sebab logam memiliki susunan atom yang sedemikian rupa, sehingga elektronnya dapat begerak bebas. Dimana pada bahan konduktor memiliki elktron valensi (misalkan tembaga) 1 buah dan letaknya jauh dari nukleus, sehinga ikatannya tidak terlalu kuat. Hanya dengan energi yang sedikit saja electron terluar ini akan mudah terlepas dari ikatannya. Sedangkan isolator merupakan bahan yang memiliki atom dengan elektron valensi sebanyak 8 buah, dan dibutuhkan energi yang besar untuk dapat melepaskan elktron elekron ini (Oklilas,2007).

Sehinga dapat disimpulakn bahwa bahan semikonduktor adalah sebuah unsur yang susunan atomnya memiliki elektron valensi lebih dari 1 dan kurang dari 8. Dimana bahan yang dikatakan paling semikonduktor adalah bahan dengan elektron valensi sebanyak 4 buah (Oklilas, 2007).

Bahan semikonduktor yang banyak dikenal contohnya adalah Silicon (Si), Germanium (Ge), dan Galium Arsenida (GaAs). Germanium dahulu merupakan bahan satu satunya yang dikenal untuk membuat bahan semikonduktor. Namun belakangan menjadi populer setelah ditemukan cara untuk mengekstrak bahan ini dari alam. Dimana silikon merupakan bahan terbanyak kedua yang ada di bumi setelah oksigen (o 2 ) (Oklilas, 2007). Jika suatu semikonduktor separuh dikotori sehingga menjadi semikonduktor tipe P dan separuhnya lagi dikotori sehingga menjadi semikonduktor tipe N, maka bidang yang membatasi kedua tipe semikonduktor ini disebut sambungan tipe P-N. Sambungan ini tidak boleh dengan menghubungkan semikonduktor tipe P dan N dengan menyoldir, atau melalui kabel penghubung sebab akan menyebabkan struktur kristal terputus.

          Sambungan ini mempunyai sifat sebagai berikut :

a.       Pada keadaan terbuka

Jika kedua ujung yang tidak tersambung tidak dihubungkan dengan rangkaian luar maka dikatakan sambungan P-N dalam keadaan terbuka. Dalam keadaan ini maka disekitar sambungan akan terjadi daerah pengosongan pembawa muatan bebas yang juga disebut daerah muatan ruang serta terbentuk potensial penghalang.

Jika di daerah P konsentrasi hole besar, konsentrasi elektron bebas kecil dan jika didaerah N konsentrasi hole kecil, konsentrasi elektron bebas besar maka perbedaan konsentrasi ini menyebabkan terjadinya difusi hole dari P ke N dan elektron bebas dari N ke P. Hole yang bertemu dengan elektron bebas akan berekombinasi sehingga netral. Akibatnya disekitar sambungan tidak terdapat hole dan elektron bebas sehingga daerah ini disebut daerah pengosongan pembawa muatan bebas (depletion region). Karena kehilangan hole dan elektron bebas maka aseptor akan menjadi ion negatif dan donor akan menjadi ion positif yang tetap ditempat atau diruang tersebut karena beratnya sehingga daerah itu juga disebut daerah muatan ruang. Akibatnya di daerah itu akan terbentuk medan listrik atau beda potensial yang menghalangi difusi lebih lanjut sehingga pada sambungan terbuka ini akhirnya tidak terdapat arus listrik.

b.       Pada prasikap (prategangan) maju

Jika terminal P dihubungkan dengan kutub + baterei, sedang terminal N dihubungkan dengan kutub – baterei, maka dikatakan sambungan diberi prasikap/ prategangan maju (forward biased). Ini ditunjukkan pada gambar dibawah ini :
Akibat prasikap maju ini, maka hole di P-N didorong ke N oleh kutub + baterei, elektron bebas di N didorong ke P oleh kutub baterei, dan potensial penghalang diperkecil sehingga timbul arus listrik yang disebut arus maju (forward current) dari pembawa muatan mayoritas, seperti ditunjukkan dengan anak panah pada gambar. Arus ini dipertahankan terus selama baterei tetap memberikan energinya.

c.       Pada prasikap (prategangan) balik

Jika terminal P dihubungkan dengan kutub baterei – baterei, sedang terminal N dihubungkan dengan kutub + baterei, maka dikatakan sambungan diberi prasikap balik (reverse biased). Dan ditunjukkan pada gambar berikut :

         

                             Akibat prasikap balik ini maka hole di P ditarik oleh kutub-kutub bateray menjauhi sambungan, elektron bebas di N ditarik oleh kutub + bateray menjauhi sambungan, sehingga daerah muatan ruang dan potensial penghalang diperbesar. Ini mengakibatkan tidak akan terjadi arus listrik dari pembawa muatan mayoritas. Tetapi terdapat arus linstrik yang sangat kecil (dalam orde A) yang disebabkan oleh pembawa muatan minoritas. Seperti telah diuraikan, bahwa semi konduktor tipe P mempunyai muatan minoritas elektron bebas, sedangkan semi konduktor tipr N mempunyai muatan minoritas hole yang jumlahnya sangat sedikit, yang adanya akibat suhu. Muatan-muatan minoritas ini mendapat prasikap maju dari baterei sehingga mengalirkan arus yang disebut arus balik (Io) atau arus jenuh balik (Is).

1.       Tipe –N

Misalkan pada bahan silikon diberi doping phosphorus atau arsenin yang pentavalen yaitu bahn kristal dengan inti atom memiliki 5 elektron valensi. Dengan doping, silikon yang tidak lagi murni ini akan memiliki kelebihan elektron (Oklilas, 2007). 

Kelebihan elektron inilah yang membentuk bahan semikonduktor tipe-N. Semikonduktor tipe-N disebut juga donor yang siap melepaskan elekron (Oklilas, 2007).
Gambar II.1 Doping atom pentavalen

2.       Tipe-P

Kalau silikon diberikan doping Boron, Galium atau Indium, maka akan didapatkan semikonduktor tipe-P. Untuk mendapatkan semikonduktor tipe ini, bahan dopingnya adalah bahan trivalen yaitu unsur yang memiliki 3 elektron dapa pita valensi. Karena ion silikon memiliki 4 elektron dengan demikian akan ada ikatan kovalen yang bolong (hole). Hole ini digambarkan sebagai akseptor yang siap menerima elektron. Dengan demikian kekurangan elektron menyebabkan semikonduktor ini menjadi tipe-P (Oklilas, 2007). 

Sehinga dapat disimpulakn bahwa bahan semikonduktor adalah sebuah unsur yang susunan atomnya memiliki elektron valensi lebih dari 1 dan kurang dari 8. Dimana bahan yang dikatakan paling semikonduktor adalah bahan dengan elektron valensi sebanyak 4 buah (Oklilas, 2007).

Bahan semikonduktor yang banyak dikenal contohnya adalah Silicon (Si), Germanium (Ge), dan Galium Arsenida (GaAs). Germanium dahulu merupakan bahan satu satunya yang dikenal untuk membuat bahan semikonduktor. Namun belakangan menjadi populer setelah ditemukan cara untuk mengekstrak bahan ini dari alam. Dimana silikon merupakan bahan terbanyak kedua yang ada di bumi setelah oksigen (o 2 ) (Oklilas, 2007).
Gambar II.2 Doping atom trivalent

B.       Pengertian dan Cara Kerja Dioda

Dioda merupakan salah satu komponen semikonduktorr. Disebut semi konduktor atau setengah konduktor karena bahan ini tidak disusun dari konduktor murni (Zaki, 2005). Dioda ini merupakan komponen sederhana yang terbuat oleh bahan semikonduktor bahan yang umum digunakan dioda ialah silikon (Adi, 2010). Selain dioda silikon keadaannya telah dilakukan penggunaan CuO sebagai bahan pembuat dioda (Tombak, 2015).
Gambar II.3 Foward Bias

Jika dua tipe bahan semikonduktor dilekatkan maka akan didapatkan sambungan PN-Juction. Hubungan PN ini hanya dapat meneruskan arus apabila diberikan tegangan bias maju, yaitu P (anoda) dihubungkan dengan terminal positif catu daya dan N (katoda) dengan terminal negatif catu daya. Jika hubungan ini dibalik maka dikatakan bahwa dioda menjadi tegangan bias mundur dan tidak dapat mengalirkan arus listrik. Karakteristik inilah yang menyebabkan dioda dapat bekerja sebagai penyearah arus listrik (Adi, 2010).
Gambar II.4 Simbol Dioda

Fungsi utama dioda adalah penyearah arus AC menjadi arus DC. Selain itu dioda juga berfungsi sebagai pengaman dari beban induktif, misalnya solenoid, relay ataupun motor listrik. Pada saat dipadamkan maka beban induktif akan menghasilkan tegangan yang cukup tinggi sehingga dapat merusak transistor maupun IC lain yang berfungsi sebagai input. Pada saat inilah dioda berfungsi sebagai pengaman komponen lainnya (Adi, 2010) selain itu diode juga telah memiliki fungsi yang lain yaitu pada penerapan diode PN-Juction ternyata juga dapat diaplikasikan sebagai sel surya (Ginting, 2006).

Biasanya nilai breakdown voltage dioda cukuplah tinggi yaitu, >50V. Namun, terdapat satu jenis dioda yang memiliki nilai breakdown yang rendah, dioda ini dinamakan dioda Zenner. Dioda Zenner ini dapat mempertahankan tegangan hingga mendekati konstan pada rentang besar arus yang berbeda hal ini dikarenakan dioda ini memiliki breakdown voltage tertentu (Adi, 2010).

Pada dasarnya dioda zenner memiliki karakteristik maju mundur. Pada diode zenner bias maju bernilai Vji=0 sedangkan pada bias mundur terjadi pada saat terjadi gejala yang serupa breakdown pada dioda rectifier. Dioda zenner akan menghantarkan tanpa adanya kerusakan, tegangan inilah yang selanjutnya disebut tegangan zenner (Ahmad, 2007).
Gambar II.5 Nilai tegangan dan arus dioda zenner

Karakteristik ini sangatlah cocok digunakan sebagai regulator tegangan, dikarenakan dapat memelihara tegangan stabil untuk variasi dan nilai catu daya dan resistansi suatu beban (Adi, 2010). Sedangkan pada Light Emiting Dioda memiliki prinsip kerja yang berbeda, pada dioda ini ketika elektron bergerak melewati PN-Juction, maka akan terjadi perpindahan elektron diantara pita valensi dan konduksi. Jika atom berpindah dari pita konduksi yang tingkat energinya lebih tinggi menuju pita valensi yang memiliki tingkat energi yang lebih rendah maka akan terdapat energi yang dikeluarkan. Energi ini dapat berupa panas maupun cahaya. Prinsip inilah yang mendasari kerja suatu LED (Adi, 2010).

Dimana ketika LED dialirkan arus maka akan menghasilkan output berupa cahaya. Cahaya yang dihasilkan ini proposional terhadap arus yang mengalir. Maksudnya intensitas cahaya yang dihasilkan akan berbanding lurus dengan banyaknya arus yang mengalir pada LED. Keuntungan dari penggunaan LED ini adalah konsumsi daya yang rendah (Adi, 2010).

Apabila prinsip kerja dari LED dibalik maka akan terbentuk dioda jenis lain, yaitu fotodioda. Dimana pada saat normal fotodioda tidak mampu mengalirkan arus ketika diberi tegangan bias mundur. Namun saat terkena cahaya fotodioda dapat mengalirkan arus saat diberi tegangan bias mundur (Adi, 2010). Indeks bias dioda ada dua macam yaitu, bias positif atau bias maju (forward bias) dan bias negatif atau bias mundur (reverse bias). Pada kondisi bias positif, anode lebih positif dari katode (Ahmad, 2007).
Gambar II.6 Kondisi bias positif

Apabila nilai maka akan terjadi arus difusi didalam dioda untuk hole dari P ke N untuk elekton dari N ke P. Arus difusi ini kemudian akan diimbangi oleh aliran arus dari kutup positif sumber ke dioda dan berakhir ke kutub negative sumber. Dikatakan dioda penghantar apabila kondisi tegangan anode katode berkisar Vji yang disebut dengan cut in thereshold untuk Si Vji 0,6-0,7 V Ge 0,3-0,4. Biasanya tegangan anode katode agak sedikit lebih diatas Vij. Pada bias positif, dioda bersifat serupa dengan konduktor dengan nilai hambatan yang disebut hambatan maju (RF). Nilai RF=RP+RN. RP dan RN disebut hambatan bulk (Ahmad, 2007).

a.       Pengertian Dioda

Dioda merupakan komponen elektronika yang mempunyai dua elektroda (terminal), dapat berfungsi sebagai penyearah arus listrik. Ada dua jenis dioda yaitu dioda tabung dan dioda semikonduktor. Dalam pembahasan ini hanya dibahas dioda semikonduktor. Dioda semikonduktor dibuat dari sambungan P-N ini. Terminal pada P disebut anoda, sedang terminal N disebut katoda. Perhatikan gambar B1 dibawah ini : 

Pada gambar gambar a menunjukkan sambungan P-N nya, sedang gambar b menunjukkan lambang atau simbolnya. Arah panah menunjukkan arah hole (arus listrik) jika diberi tegangan maju (prasikap maju).

b.        Spesifikasi Dioda

Beberapa spesifikasi dioda yang penting antara lain : tegangan puncak, arus maju rata-rata, arus sentakan maju, tegangan maju maksimum, tegangan maju, arus balik, disipasi daya dan waktu pulih balik. 

Cara pengecekan dioda apakah rusak atau tidak dapat dengan menggunakan multitester yang selektornya diletakkan pada posisi ohm meter. Maka pada arah maju (prasikap maju) tahanannya akan kecil, pada umumnya < 100W. Sedang pada arah balik (prasikap balik) tahanannya > 5000W. Perlu diingat bahwa colok + pada multitester justru terhubung dengan kutub – baterei, sedang colok – pada multitester justru terhubung dengan kutub + baterei.

Jika hasil pengukuran menunjukkan :

1.       Kedua tahanannya (tahanan maju dan balik) sangat besar, maka diode telah putus.

2.       Kedua tahanannya sangat kecil, maka dioda terhubung singkat.

3.       Pada satu arah (forward bias) tahanannya kecil dan pada arah yang lain (reverse biased) tahanannya besar, maka dioda baik.

c.       Karakteristik Dioda

Karakteristik dioda dapat ditunjukkan oleh hubungan antara arus yang lewat dengan beda potensian ujung-ujungnya. Karakteristik diode pada umumnya diberikan oleh pabrik, tetapi dapat juga diselidiki sendiri dengan rangkaian seperti gambar berikut.

                   

Dengan memvariasi potensio P dan mencatat V dan I kemudian menggambarkan dalam grafik, maka diperoleh kurve karakteristik diode (karakteristik statis). Pada umumnya hasilnya adalah seperti pada gambar berikut.
Tampak untuk dioda Ge, arus baru mulai ada pada tegangan 0,3 V sedang untuk dioda Si pada 0,7 V. Tegangan ini sesuai dengan tegangan penghalang pada sambungan P-N, dan disebut tegangan patah atau tegangan lutut (cut in voltage atau knee voltage). 

Tampak pula bahwa arus IR = Io dalam orde μA, sedang arus maju IF dalam orde mA. Dari lengkungan kurve yang tidak linier, maka tentu saja tahanan dioda tidak tetap, baik tahanan maju maupun tahanan baliknya. Jika tegangan balik diperbesar maka akan mencapai keadaan arus meningkat secara tajam, yang hanya dapat dibatasi oleh tahanan luar. Tegangan kritis ini disebut tegangan dadal (break down voltage = peakinverse voltage).