1-1-1-2 - System Digital

Pengertian PN Junction
Seperti diketahui bahwa ada dua tipe semikonduktor hasil doping yang siap digunakan yaitu
tipe P (+)dan tipe N (-). Nah, Prinsip dasar P-N Junction akan menjelaskan bagaimana
mempertemukan kedua tipe semikonduktor ini agar bisa dipakai sebagai komponen
elektronika.
P-N Junction adalah batas pertemuan antara kedua bahan semikonduktor tipe P dan tipe N
yang ada didalam sebuah kristal semikonduktor yang merupakan cikal bakal komponen
dioda, transistor dan IC. Pada dasarnya P-N Junction merupakan sebuah blok yang ada
didalam komponen tersebut, misalnya sebuah dioda disusun oleh P-N tunggal sedangkan
transistor ada dua jenis yaitu P-N-P dan N-P-N.
P-N Junction terjadi karena elektron bebas pada semikonduktor tipe N mengisi "hole" pada
semikonduktor tipe P. Area pertemuan ini disebut dengan Depletion Region atau Area
penipisan. Ketika persimpangan P-N terbentuk, beberapa elektron bebas dari area tipe N yang
berhasil mencapai pita konduksi bebas akan menyebar dan mengisi lubang (hole) pada area
tipe P.
Hal ini meninggalkan ion positif pada sisi semikonduktor tipe N. Kemudian sebuah ruang
pengisian muatan terbangun, menciptakan daerah penipisan yang kemudian menghambat
transfer elektron lanjut kecuali dibantu dengan meletakkan bias maju di persimpangan yang
disebut dengan Forward Bias. Pemberian bias terbalik (Reverse Bias) tidak akan memicu
pergerakan elektron didalam semikonduktor sehingga membuat komponn semikonduktor
hanya bisa dialiri arus satu arah saja.
Prinsip dasar P-N Junction ini kemudian diterapkan pada komponen elektronika seperti dioda
yang bisa berfungsi sebagai penyearah tegangan maupun penahan tegangan arah tertentu.
Selain itu penerapan P-N junction juga bisa lebih kompleks lagi pada komponen transistor.
Disini dipasang kombinasi tiga bahan semikonduktor, yaitu P-N-P dan N-P-N. Dengan
kombinasi ini dapat diperoleh berbagai fungsi seperti penguatan sinyal, pensaklaran
elektronis dan sebagainya.
Dalam gambar bahan semikonduktor jenis-p di bawah ini lingkaran kecil adalah hole, yang
merupakan pembawa muatan mayoritas. Biasanya, hole terdistribusi rata mengisi di seluruh
semikonduktor jenis-p.
Pada semikonduktor jenis-p pembawa muatan mayoritasnya adalah hole
Dalam gambar bahan semikonduktor jenis-n di bawah ini bulatan hitam kecil adalah elektron
bebas. Elektron bebas merupakan pembawa muatan mayoriitas di dalam semikonduktor
jenis-n. Biasanya, elektron bebas terdistribusi rata mengisi di seluruh semikondur jenis-n.
Pada semikonduktor jenis-n pembawa muatan mayoritasnya elektron
Jika terhadap sebatang silikon intrinsik, pada bagian batang sebelah kiri dilakukan difusi
dengan atom-atom impuriti boron, dan pada bagian batang sebelah kanan dilakukan difusi
dengan atom-atom impuriti fosfor maka akan diperoleh bahan semikonduktor jenis-p
berdampingan dengan semikonduktor jenis-n seperti pada gambar di bawah ini. Pertemuan
jenis-p dengan jenis-n itu dinamakan pn-junction
Di pn-junction elektron-elektron menyeberang dari sisi-n untuk mengisi hole di sisi-p. Proses ini hanya terjadi pada daerah di
sekitar junction dan kejadian ini menimbulkan potensial negatip pada sisi-p dan potensial positip pada sisi-n.
Karena jenis-p berdekatan dengan jenis-n di junction, beberapa elektron bebas dari sisi-n
tertarik melintasi junction untuk mmengisi hole pada sisi-p. Kedua pembawa muatan
(elektron dan hole) dikatakan diffuse (berdifusi) melintasi junction, yaitu mengalir dari bagian
dengan konsentrasi pembawa muatan yang tinggi ke bagian dengan konsentraasi yang
rendah. Elektron-elektron bebas yang melintasi junction menimbulkan ion-ion negatip pada
sisi-p dengan jalan memberikan pada atom-atom satu elektron lebih banyak dari pada jumlah
total protonnya. Elektron-elektron juga meninggalkan ion-ion positip (atom-atom dengan
elektron satu lebih sedikit dari pada jumlah proton) pada sisi-n.
Sebelum pembawa muatan itu berdifusi melintasi junction baik bahan jenis-n maupun bahan
jenis-p keduanya sama-sama netral secara elektrik. Tapi, begitu ion-ion negatip terbentuk
pada junction sisi-p, sisi-p menjadi berpotensial negatip. Dengan cara yang sama, ion-ion
positip terbentuk pada sisi-n yang menjadikan sisi-n berpotensial positip.
Potensial negatip pada sisi-p cenderung menolak elektron-elektron selanjutnya yang berusaha
melintasi junction dari sisi-n, potensial positip pada sisi-n cenderung menolak setiap hole
selanjutnya yang mau melintas dari sisi-p. Jadi, difusi pendahuluan pembawa muatan
menimbulkan yang dinamakan barrier potensial pada junction. Lihat gambar di atas.
Barrier potensial ini negatip pada sisi-p dan positip pada sisi-n, cukup besar untuk
menghindari setiap gerakan elektron atau hole selanjutnya melintasi junction. Pemindahan
pembawa-pembawa muatan dan pembentukan resultan barrier potensial terbentuk ketika
proses manufaktur.
Dengan mengetahui kerapatan doping, muatan elektron, dan suhu, dimungkinkan meghitung
besar barrier potensial. Barrier potensial pada suhu kamar adalah 0,3 volt untuk germanium
junction dan 0,7 volt untuk silikon.
Gerakan pembawa-pembawa muatan melintasi junction meninggalkan suatu lapisan pada
setiap sisi yang kosong dari pembawa-pembawa muatan. Gambar depletion region ini seperti
pada gambar berikut ini.
Kerapatan doping yang sama
Pada sisi-n, depletion region terdiri dari atom-atom impuriti donor yang telah kehilangan
elektron bebas yang terkait dengan atom-atom itu dan telah menjadi bermuatan positip. Pada
sisi-p, depletion region terdirin dari atom-atom impuriti akseptor yang telah menjadi
bermuatan negatip dengan jalan kehilangan hole yang terkait dengan atom-atom itu (yaitu
hole diissi elektron).
Pada masing-masing sisi junction, jumlah atom impuriti yang sama terlibat di dalam
depletion region. Bila dua blok bahan mempunyai kerapatan doping yang sama, lapisanlapisan depletion pada masing-masing sisi junction mempunyai ketebalan yang sama, seperti
gambar ini.
Kerapatan doping yang tidak sama
Difusi pembawa muatan yang melintasi pn-junction menimbulkan suatu yang disebut depletion region (daerah kosong pembawa
muatan). Penetrasi depletion region ini paling jauh ke dalam sisi junction yang didoping lebih ringan (more lightly doped side of
junction).
Jika sisi-p yang lebih heavily doped dari pada sisi-n, seperti pada gambar di atas, penetrasi
depletion region lebih jauh ke dalam sisi-n agar dapat mencakup jumlah atom impuriti pada
masing-masing sisi junction. Sebaliknya, jika sisi-n yang paling heavily doped, penetrasi
depletion region lebih dalam ke bahan jenis-p.
Potensial barrier pada junction berlawanan dengan arah aliran elektron dari sisi-n dan aliran
hole dari sisi-p. Karena elektron-elektron itu pembawa muatan mayoritas dalam bahan jenis-n
and hole adalah pembawa muatan mayoritas bahan jenis-p ternyata potensial barrier itu
berlawanan dengan dengan arus pembawa muatan mayoritas. Juga, elekktron-elektron bebas
yang ditimbulkan oleh energi termal pada sisi-p tertarik melintasi potensial barrier positip ke
sisi-n karena elektron-elektron itu bermuatan negatip. Demikian juga, hole yang ditimbulkan
energi termal pada sisi-n tertarik ke sisi-p melintasi potensial barrier negatip di junction.
Elektron-elektron pada sisi-p dan hole pada sisi-n itu pembawa muatan minoritas. Karena itu,
potensial barrier membantu aliran pembawa muatan minoritas melintasi junction.
Reverse-Biased Junction Jika tegangan bias eksternal positip dipasang pada sisi-n dan
negatip dipasang pada sisi-p dari pn-junction, elektron-elektron dari sisi-n ditarik ke terminal
positip tegangan bias dan hole dari sisi-p ditarik ke terminal negatip tegangan bias.
Pada gambar berikut ini, hole dari atom-atom impuriti dalam sisi-p junction tertarik menjauhi
junction dan elektron-elektron ditarik keluar dari atom-atomnya dalam sisi-n dari junction
tertarik menjauhi junction.
Bila suatu reverse bias dipasang pada sebuah pn-juction, depletion region (daerah kosong pembawa muatan) menjadi semakin
lebar dan tegangan barrier semakin besar. Hanya ada arus reverse yang sangat kecil mengalir melintasi junction
Dengan demikian depletion region menjadi semakin lebar, potensial barrier semakin besar
mengikuti kenaikan besarnya tegangan terpasang. Dengan potensial barrier semakin besar,
maka tidak ada kemungkinan arus pembawa muatan mayoritas mengalir menlintasi junction.
Dalam hal ini, junction itu dikatakan menjadi reverse biased.
Meskipun tidak ada kemungkinan arus pembawa muatan mayoritas mengalir melintasi
junction dalam keadaan reverse biased, pembawa-pembawa muatan minoritas yang timbul
pada kedua sisi junction masih dapat melintasi junction. Elektron-elektron pada sisi-p ditarik
melintasi juction ke potensial positip pada sisi-n. Hole-hole pada sisi-n bisa mengalir
melintasi ke potensial negatip pada sisi-p.
Forward-Biased Junction Misalkan sekarang tegangan bias eksternal dipasang dengan
polaritas seperti gambar berikut ini: positip pada sisi-p dan negatip pada sisi-n. Hole pada
sisi-p, sebagai partikel bermuatan positip ditolak oleh terminal positip tegangan bias dan hole
bergerak menuju junction. Demikian pula, elektron-elektron pada sisi-n ditolak oleh terminal
negatip tegangan bias dan bergerak menuju junction. Akibatnya, lebar depletion region
berkurang dan potensal barrier juga berkurang.
Bila forward bias dipasang pada pn-juction maka depletion region menjadi sempit, potensial barrier berkurang dan menimbulkan
arus yang relatip besar mengalir
Jika, tegangan bias yang dipasang itu dinaikkan mulai dari nol, potensial barrier menjadi
semakin kecil secara progresip sampai potensial barrier itu lenyap dengan efektip dan
pembawa muatan dengan mudah melintasi junction. Elektron-elektron dari sisi-n ditarik
melintasi ke terminal positip dari tegangan bias dan hole-hole bergerak dari sisi-p ditarik
melintas ke terminal negatip dari tegangan bias. Jadi, timbul arus pembawa muatan
mayoritas, junction disebut menjadi forwad biased.
DIODA
Dioda adalah komponen semiconductor yang paling sederhana, ia terdiri atas dua (2)
elektroda yaitu katoda dan anoda. Ujung badan dioda biasanya diberi bertanda, berupa gelang
atau berupa titik, yang menandakan letak katoda. Dioda hanya bisa dialiri arus DC searah
saja, pada arah sebaliknya arus DC tidak akan mengalir. Apabila dioda silicon dialiri arus AC
ialah arus listrik dari PLN, maka yang mengalir hanya satu arah saja sehingga arus output
dioda berupa arus DC.
Bila anoda diberi potensial positif dan katoda negatif, dikatakan dioda diberiforward
bias dan bila sebaliknya, dikatakan dioda diberi reverse bias. Pada forward bias, perbedaan
voltage antara katoda dan anoda disebut threshold voltage atau knee voltage. Besar voltage
ini tergantung dari jenis diodanya, bisa 0.2V, 0.6V dan sebagainya. Bila dioda diberi reverse
bias (yang beda voltagenya tergantung dari tegangan catu) tegangan tersebut disebut
tegangan terbalik. Tegangan terbalik ini tidak boleh melampaui harga tertentu, harga ini
disebut breakdown voltage, misalnya dioda type 1N4001 sebasar 50V.
Bahan pokok untuk pembuatan dioda adalah Germanium (Ge) dan Silikon/Silsilum
(Si). Dioda jenis germanium misalnya type 1N4148 atau 1N60 bila diberikan forward bias
dapat meneruskan getaran frekuensi radio dan bila forward bias dihilangkan, akan mem blok
getaran frekuensi radio tersebut. Adanya sifat ini, dioda jenis tersebut digunakan untuk
switch.
Dioda terdiri dari :
1. Dioda Kontak Titik
Dioda ini dipergunakan untuk mengubah frekuensi tinggi menjadi frekuensi rendah.
Contoh tipe dari dioda ini misalnya; OA 70, OA 90 dan 1N 60.
2. Dioda Hubungan
Dioda ini dapat mengalirkan arus atau tegangan yang besar hanya satu arah. Dioda ini
biasa digunakan untuk menyearahkan arus dan tegangan. Dioda ini memiliki tegangan
maksimal dan arus maksimal, misalnya Dioda tipe 1N4001 ada 2 jenis yaitu yang
berkapasitas 1A/50V dan 1A/100V. Simbol dioda hubungan sama dengan simbol dioda
kontak titik.
3. Dioda Zener
Dioda Zener adalah suatu dioda yang mempunyai sifat bahwa tegangan terbaliknya
sangat stabil, tegangan ini dinamakan tegangan zener. Di atas tegangan zener, dioda ini akan
menghantar listrik ke dua arah. Dioda ini digunakan sebagai voltage stabilizer atau voltage
regulator. Bentuk dioda ini seperti dioda biasa, perbedaan hanya dapat dilihat dari type yang
tertulis pada bodynya dan zener voltage dilihat pada vademicum.Tipe dari dioda zener
dibedakan oleh tegangan pembatasnya. Misalnya 12 V, ini berarti dioda zener dapat
membatasi tegangan yang lebih besar dari 12 V atau menjadi 12 V.
4. Dioda Pemancar Cahaya (LED)
LED adalah kepanjangan dari Light Emitting Diode (Dioda Pemancar Cahaya). Dioda
ini akan mengeluarkan cahaya bila diberi tegangan forward bias. LED banyak digunakan
sebagai lampu indikator dan peraga (display). Misalnya dapat digunakan untuk seven segmen
(display angka).
Banyak sekali penggunaan dioda dan secara umum dioda dapat digunakan antara lain untuk:
1.Pengaman
2.Penyearah
3.Voltage regulator
4.Modulator
5.Pengendali frekuensi
6.Indikator
7.Switch
Dioda termasuk komponen elektronika yang terbuat dari bahan semikonduktor. Beranjak
dari penemuan dioda, para ahli menemukan juga komponen turunan lainnya yang unik. Dioda
memiliki fungsi yang unik yaitu hanya dapat mengalirkan arus satu arah saja. Struktur dioda
tidak lain adalah sambungan semikonduktor P dan N. Satu sisi adalah semikonduktor dengan
tipe P dan satu sisinya yang lain adalah tipe N. Dengan struktur demikian arus hanya akan
dapat mengalir dari sisi P menuju sisi N.
Karakteristik dasar dioda dikenal dengan karakteristik V-I. Karakterisik ini penting untuk
dipahami agar tidak terjadi kesalahan dalam aplikasi dioda. Dalam karakteristik ini dapat
diketahui keadaan-keadaan yang terjadi pada dioda ketika mendapat tegangan bias maju dan
tegangan bias mundur.
Gbr. 7 Karakteristik dioda ( karakteristik V-I )
Jika kedua terminal dioda disambungkan ke sumber tegangan dimana tegangan anoda lebih
positif dibandingkan dengan tegangan katoda, maka dioda dikatakan dalam keadaan bias maju.
Sebaliknya, bila tegangan anoda lebih negatif dari katoda, dioda dikatakan dalam keadaan bias
mundur.
DAFTAR PUSTAKA
http://isktutorialtrt.blogspot.com/2010/04/bahan-semikonduktor-3-03.html
http://tugas-kuliah-makalah-dioda.blogspot.com/
http://ariefwahyupurwito.files.wordpress.com/2008/09/dioda11.pdf
http://cnt121.files.wordpress.com/2007/11/dioda.pdf
http://www.trensains.com/rectifier.htm
http://125.163.203.113/buku/TEKNIK%20PEMANFAATAN%20TENAGA%20LISTRIK%
202/BAB%204.2.pdf
http://tugashendra.blogspot.com
http://cnt121.wordpress.com/2007/11/04/dioda
http://www.nulis-ilmu.com/2015/07/prinsip-dasar-p-n-junction.html