Dioda Pertemuan 2 Pendahuluan • Setiap benda terdiri atas atom-atom. Semua atom terdiri dari proton, neutron, dan elektron. • Bagian atom: - Nukleus (inti atom) - Proton (muatan positif) - Neutron (tidak bermuatan) - Elektron (muatan negatif) • Nomor atom adalah sama dengan jumlah proton dalam nukleus, yang mana juga sama dengan jumlah elektron (seimbang). • Contoh: hidrogen memiliki nomor atom 1 dan helium memiliki nomor atom 2. • Elektron yang dekat dengan nukleus memiliki energi yang lebih kecil dibanding dengan elektron yang berada pada orbit yang lebih jauh. • Dalam atom, orbit-orbit dikelompokkan dalam pita-pita energi yang disebut dengan shells. • Shells ditandai dengan nomor 1, 2, 3 dan seterusnya. Dengan nomor 1 adalah yang terdekat dengan nukleus. (atau dalam referensi lain menggunakan huruf K, L, M dst). Ilustrasi Pita Energi • Elektron-elektron yang berada di orbit terjauh dari nukleus memiliki energi yang lebih besar dan memiliki ikatan yang lebih kecil/lemah dibanding dengan elektron yang berada pada orbit yang dekat dengan nukleus (attraction force). • Shell yang terluar disebut dengan shell valensi, dan elektronnya disebut dengan elektron valensi. • Ketika atom menyerap energi, misal: panas atau cahaya, energi elektron akan naik. Elektron valensi menerima energi yang lebih dan menjadi semakin lemah ikatannya terhadap nukleus dibanding dengan elektron terdalam, sehingga elektron akan semakin mudah meloncat (lepas). • Proses lepasnya elektron valensi disebut dengan ionization, yang mengakibatkan atom lebih bermuatan positif atau disebut dengan ion positif. • Contoh: sebuah atom hidrogen H. Bila atom hidrogen netral terlepas elektron valensinya maka menjadi ion positif, dengan simbol H+. Elektron valensi yang lepas disebut dengan elektron bebas. Ketika elektron bebas habis energi dan jatuh ke shell terluar suatu atom hidrogen netral, maka atom tersebut menjadi bermuatan negatif dan disebut dengan ion negatif dengan simbol H-. Konduktor: Bahan yang dapat dengan mudah mengalirkan arus listrik. Memiliki elektron terluar/valensi kurang dari 4, sehingga mudah lepas ikatannya. Konduktor terbaik adalah bahan single-element (elektron valensi satu), seperti tembaga, perak, emas dan alumunium. Insulator/isolator: Bahan yang tidak dapat mengalirkan arus listrik. Elektron terluar /valensi memiliki ikatan yang kuat. Memiliki atom terluar/valensi lebih dari 4. Contoh: glass, mica Semikonduktor • Semikonduktor merupakan elemen dasar dari komponen elektronika seperti dioda, transistor, dan sebuah IC (Integrated Circuit). • Disebut semi konduktor dikarenakan bahan ini memang bukanlah konduktor murni. • Semikonduktor adalah unsur yang susunan atomnya memiliki elektron valensi lebih dari 1 dan kurang dari 8. tentu saja yang paling “semikonduktor” adalah unsur yang atomnya memiliki 4 elektron valensi. Semikonduktor Bahan yang tidak konduktor dan tidak isolator tetapi bersifat antara keduanya. Mudah dipengaruhi oleh temperatur dan cahaya. Kebanyakan memiliki atom terluar/valensi sama dengan 4 dengan kekuatan rata-rata. Contoh: silicon, germanium, carbon • Struktur atom silikon, satu inti atom masing-masing memiliki 4 elektron valensi. Ikatan inti atom yang stabil adalah jika dikelilingi oleh 8 elektron, sehingga 4 buah elektron atom kristal tersebut membentuk ikatan kovalen dengan ion-ion atom tetangganya. • Pada suhu yang sangat rendah (00K), Ikatan kovalen menyababkan elektron tidak dapat berpindah dari satu inti atom ke inti atom yang lain. Pada kondisi seperti ini, bahan semikonduktor akan bersifat isolator dikarenakan tidak ada elektron yang berpindah yang dapat menghantarkan listrik. • Pada suhu kamar, ada beberapa ikatan kovalen yang lepas karena energi panas, sehingga memungkinkan elektron terlepas dari ikatannya. Pada kondisi seperti ini, bahan semikonduktor bisa menjadi konduktor yang baik. Semikonduktor tipe-N dan tipe-P • Konduktivitas bahan silikon dan germanium dapat ditingkatkan dengan mengatur penambahan impurities ke bahan semikonduktor interinsic (pure). Proses ini disebut dengan doping. • Proses doping meningkatkan jumlah aliran pembawa (elektron atau holes) • Dua kategori impurities adalah tipe-n dan tipe-p. Semikonduktor tipe-N • Bahan atom untuk semikonduktor tipe-N yaitu dengan ditambahkan atom impurities pentavalen, yaitu atom dengan elektron valensi lima, seperti arsenic (As), phosphorus (P), bismuth (Bi) dan antimony (Sb). • Kelebihan elektron membentuk semikonduktor tipe-N. Semikonduktor tipe-N disebut juga donor yang siap melepaskan elektron. Semikonduktor tipe-P • Bahan doping untuk semikonduktor tipe-P yaitu atom dengan elektron valensi tiga, seperti boron (B), indium (In), dan gallium (Ga) • Dikarenakan ion silikon memiliki 4 elektron, dengan demikian ada ikatan kovalen yang bolong (hole). Hole ini digambarkan sebagai akseptor yang siap menerima elektron. Kekurangan elektron ini menyebabkan semikonduktor ini menjadi tipe-P. DIODA • Dioda adalah komponen elektronika semikonduktor yang memiliki 1 buah junction, sering disebut sebagai komponen 2 lapis (lapis N dan P). • Secara fisik, dioda dapat digambarkan: • Sambungan semikonduktor P-N hanya dapat mengalirkan arus ke satu arah. • Dioda semikonduktor dibuat dari sambungan P-N ini • Terminal pada P disebut anoda, sedang terminal N disebut katoda. • Bias dioda adalah cara pemberian tegangan luar ke terminal dioda. • Dioda yang tidak diberi tegangan luar disebut dengan dioda tanpa bias (unbiased dioda • Sisi p mempunyai banyak hole dan sisi n banyak elektron pita konduksi. • Bias diode terbagi dua, yaitu bias maju dan bias mundur • Apabila A diberi tegangan positif dan K diberi tegangan negatif maka bias tersebut dikatakan bias maju (forward bias). • Apabila A diberi tegangan negatif dan K diberi tegangan positif, arus yang mengalir (IR) jauh lebih kecil daripada kondisi bias maju. Bias ini dinamakan bias mundur (reverse bias) pada arus maju (IF) diberlakukan baterai tegangan yang diberikan dengan IF tidak terlalu besar maupun tidak ada peningkatan IR yang cukup signifikan. Lapisan pengosongan (The depletion layer) • • • • • • • • • Elektron pada sisi n berdifusi ke segala arah. Beberapa berdifusi melewati junction. Elektron yg masuk ke daerah p, merupakan pembawa minoritas. Elektron akan jatuh ke dalam hole, hole lenyap dan elektron pita konduksi menjadi elektron valensi. Elektron yg berdifusi melalui junction menciptakan sepasang ion. Pasangan ion positif dan negatif disebut dipole. Medan antara ion ekivalen dgn perbedaan potensial. Disebut potensial barier. Pembentukan sejumlah dipole mengakibatkan daerah dekat junction dikosongkan dari muatan yg bergerak. Daerah kosong muatan disebut lapisan pengosongan (depletion layer). Dioda Tanpa Bias (V = 0 V) Kondisi Bias Mundur(VD < 0 V) Kondisi Bias Maju(VD > 0 V) • Karakterisrik umum dari dioda semikonduktor untuk bias maju dan bias mundur dapat didefinisikan lewat persamaan: • • • • Dimana Is adalah arus saturasi bias mundur VD adalah tegangan bias maju n adalah vaktor ideal VT disebut dengan tegangan thermal yang dapat didefinisakan sebagai: Potensial Barier • Potensial barrier terjadi karena ketidak seimbangan atau ketidakstabilan antara hole dalam material tipe-p dan elektron dalam material tipe-n. • Pada pasngan ion posiif dan ion negative pada sambungan p-n timbullah suatu beda potensial (tegangan). • Jika electron bebas itu memiliki energi yang cukup besar, ia dapat membantu dinding tersebut dan memasuki daerah p, dimana ia akan jatuh kedalam hole dan menciptakan ion negative yang lain. • Kekuatan dari lapisan kosong terus bertambah besar dengan semakin banyaknya electron yang menyeberang sampai suatu keseimbangan tercapai. • Pada keadaan ini terjadi penolakan dalam (internal repultion). Dari lapisan kosong akan menghentikan difusi lebih lanjut dari electron bebas melalui junction. Beda potensial pada lapisan kosong disebut dengan Potensial Barrier. • Potensial barier : • 0,3 V utk dioda germanium • 0,7 V utk dioda silikon Karakteristik dioda V-I • Grafik karakteristik diode dapat dilihat pada gambar dibawah Tegangan Breakdown • Dengan tegangan bias maju yang kecil, dioda sudah menjadi konduktor. • Artinya dengan tegangan beberapa volt diatas nol baru bisa terjadi konduksi. • Ini disebabkan karena adanya dinding deplesi (deplesion layer). • Untuk dioda yang terbuat dari bahan Silikon tegangan konduksi adalah diatas 0.6 volt. dan 0.3 volt batas minimum untuk dioda yang terbuat dari bahan Germanium • Sebaliknya untuk bias negatif dioda tidak dapat mengalirkan arus, namun memang ada batasnya. • Sampai beberapa puluh bahkan ratusan volt baru terjadi breakdown, dimana dioda tidak lagi dapat menahan aliran elektron yang terbentuk di lapisan deplesi. Soal • Sebuah diode diberikan arus bias maju ebesar 4 A dengan factor ideal 8 dan tegangan bias maju adalah 40 V pada suhu 80 C. berapakah arus bias mundur pada diode tersebut? • Sebuah diode diberikan arus bias maju sebesar 5 A dan arus biasa mundur sebesar 32 A dengan factor ideal 6 pada suhu 80 C. berapakah tegangan bias maju diode tersebut? DIODA • Dioda adalah komponen elektronika semikonduktor yang memiliki 1 buah junction, sering disebut sebagai komponen 2 lapis (lapis N dan P). • Secara fisik, dioda dapat digambarkan: • Sambungan semikonduktor P-N hanya dapat mengalirkan arus ke satu arah. • Dioda semikonduktor dibuat dari sambungan P-N ini • Terminal pada P disebut anoda, sedang terminal N disebut katoda. • Bias dioda adalah cara pemberian tegangan luar ke terminal dioda. • Dioda yang tidak diberi tegangan luar disebut dengan dioda tanpa bias (unbiased dioda • Sisi p mempunyai banyak hole dan sisi n banyak elektron pita konduksi. • Bias diode terbagi dua, yaitu bias maju dan bias mundur • Apabila A diberi tegangan positif dan K diberi tegangan negatif maka bias tersebut dikatakan bias maju (forward bias). • Apabila A diberi tegangan negatif dan K diberi tegangan positif, arus yang mengalir (IR) jauh lebih kecil daripada kondisi bias maju. Bias ini dinamakan bias mundur (reverse bias) pada arus maju (IF) diberlakukan baterai tegangan yang diberikan dengan IF tidak terlalu besar maupun tidak ada peningkatan IR yang cukup signifikan. Lapisan pengosongan (The depletion layer) • • • • • • • • • Elektron pada sisi n berdifusi ke segala arah. Beberapa berdifusi melewati junction. Elektron yg masuk ke daerah p, merupakan pembawa minoritas. Elektron akan jatuh ke dalam hole, hole lenyap dan elektron pita konduksi menjadi elektron valensi. Elektron yg berdifusi melalui junction menciptakan sepasang ion. Pasangan ion positif dan negatif disebut dipole. Medan antara ion ekivalen dgn perbedaan potensial. Disebut potensial barier. Pembentukan sejumlah dipole mengakibatkan daerah dekat junction dikosongkan dari muatan yg bergerak. Daerah kosong muatan disebut lapisan pengosongan (depletion layer). Dioda Tanpa Bias (V = 0 V) Kondisi Bias Mundur(VD < 0 V) Kondisi Bias Maju(VD > 0 V) • Karakterisrik umum dari dioda semikonduktor untuk bias maju dan bias mundur dapat didefinisikan lewat persamaan: • • • • Dimana Is adalah arus saturasi bias mundur VD adalah tegangan bias maju n adalah vaktor ideal VT disebut dengan tegangan thermal yang dapat didefinisakan sebagai: Potensial Barier • Potensial barrier terjadi karena ketidak seimbangan atau ketidakstabilan antara hole dalam material tipe-p dan elektron dalam material tipe-n. • Pada pasngan ion posiif dan ion negative pada sambungan p-n timbullah suatu beda potensial (tegangan). • Jika electron bebas itu memiliki energi yang cukup besar, ia dapat membantu dinding tersebut dan memasuki daerah p, dimana ia akan jatuh kedalam hole dan menciptakan ion negative yang lain. • Kekuatan dari lapisan kosong terus bertambah besar dengan semakin banyaknya electron yang menyeberang sampai suatu keseimbangan tercapai. • Pada keadaan ini terjadi penolakan dalam (internal repultion). Dari lapisan kosong akan menghentikan difusi lebih lanjut dari electron bebas melalui junction. Beda potensial pada lapisan kosong disebut dengan Potensial Barrier. • Potensial barier : • 0,3 V utk dioda germanium • 0,7 V utk dioda silikon Karakteristik dioda V-I • Grafik karakteristik diode dapat dilihat pada gambar dibawah Tegangan Breakdown • Dengan tegangan bias maju yang kecil, dioda sudah menjadi konduktor. • Artinya dengan tegangan beberapa volt diatas nol baru bisa terjadi konduksi. • Ini disebabkan karena adanya dinding deplesi (deplesion layer). • Untuk dioda yang terbuat dari bahan Silikon tegangan konduksi adalah diatas 0.6 volt. dan 0.3 volt batas minimum untuk dioda yang terbuat dari bahan Germanium • Sebaliknya untuk bias negatif dioda tidak dapat mengalirkan arus, namun memang ada batasnya. • Sampai beberapa puluh bahkan ratusan volt baru terjadi breakdown, dimana dioda tidak lagi dapat menahan aliran elektron yang terbentuk di lapisan deplesi. Soal • Sebuah dioda diberikan arus bias maju ebesar 4 A dengan factor ideal 8 dan tegangan bias maju adalah 40 V pada suhu 80 C. berapakah arus bias mundur pada diode tersebut? • Sebuah diode diberikan arus bias maju sebesar 5 A dan arus bias mundur sebesar 32 A dengan factor ideal 6 pada suhu 80 C. berapakah tegangan bias maju dioda tersebut?
