SEMIKONDUKTOR

Komponen Semikonduktor SEMIKONDUKTOR
Di dunia listrik dan elektronika dikenal bahan yang tidak bisa mengalirkan listrik (isolator) dan
bahan yang bisa mengalirkan listrik (konduktor).
Dari kedua jenis bahan terdapat bahan
lain yang disebut semikonduktor. Bahan
semikonduktor terbuat dari bahan silikon
atau germanium yang tidak murni.
Semikonduktor berarti bahan itu bisa
dibuat seperti isolator, bisa seperti
konduktor atau bahkan menjadi setengah
konduktor. Jadi semikonduktor bisa
mempunyai daerah kerja mulai dari
isolator hingga konduktor. Komponen
elektronika dari bahan semikonduktor
adalah diode, transistor dan thyristor.
Gbr. 1. Tingkatan konduktivitas.
Bahan lain disebut superkonduktor yaitu konduktor yang istimewa karena bahan ini bisa
menghantarkan listrik dengan sempurna. Bahan ini mempunyai resistansi 0 ohm sehingga bisa
menghantarkan listrik tanpa kerugian akibat daya yang hilang. Sayangnya, sifat superkonduktif
dari bahan ini hanya terjadi pada suhu yang sangat rendah yaitu -2730 C (10 K). Tetapi sakarang
telah ditemukan bahan superkonduktor yang bekerja pada suhu sekitar -700C, sungguh kemajuan
yang sangat menggembirakan. Karena jika nanti berhasil ditemukan bahan superkonduktor yang
bisa bekerja pada suhu ruang maka akan terjadi revolusi dunia kelistrikan dan elektronika.
Dengan bahan superkonduktor maka bisa dibuat peralatan listrik dan elektronika yang ukurannya
hanya 1/10 ukuran sekarang atau peralatan dengan ukuran sekarang tetapi mempunyai daya 10
kali lebih besar. Bayangkan anda mempunyai komputer yang ukurannya hanya 1/10 tetapi
kemampuannya 10 kali lipat tanpa adanya efek panas. Semua kendaraan akan digerakkan dengan
motor listrik dengan memakai baterai yang tahan hingga 1 bulan sekali diisi ulang, dst.
Sebelum ditemukan bahan silikon dan germanium, sifat semikonduktor telah ditemukan pada
komponen tabung di abad 19. Dan mulai awal abad 20, komponen tabung telah banyak dipakai
untuk pembuatan peralatan elektronika mulai dari penguat sinyal telepon, pemancar dan
penerima radio, pemancar dan penerima televisi dll.
I. DIODE
Bahan silikon yang telah dicampuri bahan lain lain sehingga tidak murni bisa dibuat mempunyai
kelebihan elektron dan kekurangan elektron. Bahan yang kekurangan elektron kemudian disbut
tipe-P sedang yang kelebihan elektron disebut tipe-N. Jika kedua tipe bahan disambungkan, dan
dicoba untuk dialiri srus listrik, ternyata listrik hanya bisa mengalir dari tipe-P ke tipe-N tetapi
tidak bisa sebaliknya. Maka ditemukan sambungan PN atau disebut PN-junction yang kemudian
dikemas dan diberi kaki menjadi komponen yang disebut diode. Diode mempunyai kaki yang
dari tipe-P yang disebut anode (A) dan dari tipe-N yang disebut katode (K). Jadi diode adalah
T Iwan B Pratama | 1 Komponen Semikonduktor komponen elektronika yang hanya bisa mengalirkan arus listrik dari anode ke katode tetapi tidak
sebaliknya.
Gambar di samping adalah simbol diode dan contoh
diode. Sebuah diode dirangkai dengan baterai variabel
yang bisa diatur tegangannya dari 0 volt hingga 1 volt.
Pada rangkaian dilengkapi meter arus (ampere meter)
dan meter tegangan (volt meter) untuk mengukur arus
yang lewat diode dan tegangan pada diode. Skema
rangkaian percobaan seperti gambar berikut.
Gbr. 2. PN junction dan simbol diode.
Gbr. 3a. Rangkaian uji diode.
Gbr. 3b. Grafik karakteristik diode.
Untuk mengetahui grafik karakteristik diode, dilakukan percobaan dengan rangkaian uji seperti
pada Gbr. 3a. Prinsip pengujian adalah dengan memberikan tegangan pada diode dari 0 volt
kemudian dinaikkan perlahan hingga 1 volt dengan mencatat arus (ampere meter) yang lewat
diode dan tegangan (volt meter) antara anode dan kotode. Hasil pengujian memperlihatkan grafik
karakteristik seperti Gbr. 3b. Arus diode baru akan terjadi jika tegangan yang diberikan
mencapai 0,7V dan jika tegangan dinaikkan ternyata arus akan meningkat dengan cepat tetapi
tegangan diode tetap stabil di 0,7V.
Gbr. 4a. Pengujian arus balik diode.
Gbr. 4b. Grafik karakteristik arus balik diode.
Percobaan berikutnya adalah menguji arus balik diode dengan memberi tegangan terbalik yaitu
kutub + dihubungkan ke katode dan kutub – ke katode. Tegangan dinaikkan dari 0 volt hingga 70
volt dengan mengukur arus dan tegangan diode. Grafik karakteristik arus balik diode seperti Gbr.
4b di atas. Arus balik diode tidak terjadi (0 amper) ketika tegangan dianikkan dari 0 volt hingga
T Iwan B Pratama | 2 Komponen Semikonduktor hampir 50 volt. Tetapi ketika tegangan dinaikkan sedikit saja, arus balik diode menjadi ada dan
akan naik dengan cepat ketika tegangan dinaikkan terus. Daerah sekitar 50V dikatakan sebagai
tegangan breakdown (VBr) atau tegangan tembus atau dadal yaitu besarnya tegangan di mana
arus balik diode mulai terjadi. Perhatikan bahwa ketika tegangan dinaikkan lagi, tegangan diode
setelah VBr adalah stabil atau tetap walaupun arusnya naik dengan cepat.
Aplikasi Diode
1. Pengaman Rangkaian Elektronik
Diode bisa dipakai untuk mengamankan rangkaian elektronik dari hubungan baterai yang
terbalik polaritasnya karena diode hanya akan menghantarkan arus ke satu arah.
2. Rangkaian Penyearah Arus / Tegangan
Rangkaian penyearah sering dipakai untuk membuat adaptor. Adaptor adalah rangkaian
converter yaitu pengubah dari arus/tegangan AC ke DC. Adaptor biasa digunakan untuk
membuat power supply (penyedia daya listrik) yang diambil dari tegangan AC PLN ke
rangkaian elektronik yang bekerja dengan arus DC.
Gbr. 4a. Penyearah setengah gelombang.
Gbr. 4b. Penyearah gelombang penuh.
Gbr. 4c. Bentuk gelombang penyearah diode.
Dua rangkaian di Gbr. 4a-4b adalah rangkaian penyearah setengah gelombang dan penyearah
gelombang penuh. Grafik Gbr. 4c adalah bentuk gelombang AC PLN (merah), gelombang
AC di output transformer (biru) dan grafik di bawah adalah hasil penyearahan setengah
gelombang dan gelombang penuh.
Tranformer digunakan untuk menurunkan tegangan AC PLN dari 220v ke tegangan AC 12v.
Tegangan AC 12v kemudian disearahkan oleh satu diode atau empat diode. Dengan
penyearah satu diode didapat gelombang yang setengahnya terpotong karena bagian fase
tegangan negatif akan diblok oleh diode sehingga outputnya akan 0.
Penyearah dengan 4 diode, setiap fase gelombang positif akan disearahkan oleh sepasang
diode dan setiap fase gelombang negatif juga akan disearahkan oleh sepasang diode yang
lain. Untuk membuat adaptor, rangkaian penyearah gelombang penuh perlu ditambahkan
elektrolit kondensator (elko) misalnya 2200uF/25V antara titik B dan 0v untuk memfilter
kerut gelombang sehingga membentuk tegangan DC murni.
T Iwan B Pratama | 3 Komponen Semikonduktor Gbr. 5. Rangkaian adaptor 12V.
Efek penambahan elko pada rangkaian adaptor seperti tampak pada gambar berikut:
Gbr. 6. Efek pemberian elko untuk memfilter gelombang.
Saat tegangan lebih tinggi dari tegangan elko dan gelombang menuju puncak maka elko diisi
muatan sehingga tegangan naik sedikit. Sedang saat gelombang meninggalkan puncak dan
turun menuju lembah maka elko membuang muatan sehingga tegangan turun sedikit. Begitu
seterusnya maka gelombang yang terdiri dari puncak-puncak tegangan akan dihaluskan oleh
elko. Semakin besar nilai elko akan semakin halus bentuk gelombangnya.
Keempat diode penyearah (rectifier) yang tersusun dalam rangkaian jembatan di Gbr. 5
sering tersedia dalam satu kemasan diode brigde seperti gambar berikut:
Gbr. 7. Macam-macam diode bridge.
T Iwan B Pratama | 4 Komponen Semikonduktor Rangkaian Diode
1. Pengaman Polaritas Rangkaian
Pada power supply + rangkaian elektronika dipasang diode
sehingga jika polaritas listrik yang diberikan benar, maka arus
listrik bisa melewati diode sehingga rangkaian bekerja. Tetapi
jika tanpa sengaja polaritas listrik yang diberikan terbalik maka
rangkaian tidak bekerja dan aman dari hubungan listrik terbalik
karena diode akan mencegah arus listrik mengalir
terbalik.
Jika rangkaian ditambahi diode bridge seperti
gambar samping, maka pemasangan listrik dari luar
bisa dibolak-balik polaritasnya tetapi rangkaian
akan selalu mendapat polaritas listrik dengan benar
dan rangkaian bisa bekerja.
Ingat dengan ini, tegangan listrik dari luar akan
turun 0,7V (cara atas) dan 1,4V (cara bawah)
karena habis di-diode.
2. Baterai DC 12V dihubungkan dua lampu A dan B dengan 2 diode seperti rangkaian:
Pertanyaan:
Lampu mana yang menyala?
Terangkan alasannya?
Jenis-Jenis DIODE
Selain diode PN junction seperti di atas, masih ada beberapa jenis diode seperti berikut:
1. Diode Zener
Jika suatu diode diberi tegangan balik (arus terbalik) pada suatu tegangan yaitu VBr tertentu,
arus akan mulai menghantar dan tegangan diode akan menjadi stabil pada tegangan VBr
tersebut. Ide seperti ini kemudian dimanfaatkan untuk membuat diode zener yang bisa
digunakan untuk menstabilkan tegangan.
Jika tegangan input divariasi dari 10V
hingga 15V maka tegangan output
(tegangan pada diode zener) akan tetap
stabil di tegangan zenernya yaitu 9V.
Gbr. 8. Stabilator tegangan dengan zener.
2. Diode Varactor (varicap)
Diode varactor (variable capasitor) adalah diode yang mempunyai efek kapasitor yang
nilainya bervariasi. Jadi jika arus maju diode berubah maka efek kapasitansi pada diode juga
akan berubah. Diode varicap ini sering dipakai sebagai rangkaian tuning frekuensi tinggi.
T Iwan B Pratama | 5 Komponen Semikonduktor 3. LED (Light Emitting Diode)
LED adalah diode yang bisa memancarkan cahaya seperti lampu. Dengan mengalirkan arus
pada LED, maka diode ini akan menghasilkan cahaya yang bisa kita kelompokkan pada:
a. LED warna hijau, merah, kuning dan biru
b. LED inframerah
c. Diode laser
Gbr. 9a. Simbol LED
Gbr. 9b. Fisik LED
Gbr. 9c. Macam-macam LED.
Untuk menyala, LED membutuhkan tegangan sekitar 2V dan arus 2mA. Rangkaian yang
sering dipakai seperti rangkaian berikut:
Gbr. 10a. Prinsip rangkaian LED
Gbr. 10b. Contoh rangkaian LED
Untuk menyalakan LED dalam jumlah banyak digunakan rangkaian LED seri dan tidak
disarankan untuk memakai LED paralel.
Gbr. 11a. Rangkaian LED seri.
Gbr. 11b. Rangkaian yang tidak baik
LED sering dikemas dalam bentuk tertentu untuk keperluan display seperti gambar berikut:
Gbr. 12. Macam-macam LED display.
T Iwan B Pratama | 6 Komponen Semikonduktor LED sekarang ini banyak dikembangkan seperti tiga LED RGB (merah, hijau, biru) yang
dikemas jadi satu untuk bisa mengeluarkan aneka warna dengan mengkombinasikan
kecerahan nyala dari tiap-tiap LED. Sekarang juga telah banyak diproduksi LED superbright
yang menyala cukup terang. LED begitu diminati karena membutuhkan daya listrik yang
sangat kecil (dibanding jenis lampu lain) dan daya umur pakai hingga lebih dari 100.000 jam.
Contoh soal:
1. Skema 3 LED seri dengan resistor seperti Gbr. 11a di atas. Tentukan resistor yang harus
dipasang jika tegangan Vs adalah 25V.
Jawab:
Dengan KVL didapat,
-Vs + I.R + 3(VL) = 0
dimana VL = tegangan Led = 2V
Misalnya arus I ditentukan 2mA, maka
.
2. 10
9,5 Ω
. 9,5
19
Jadi R yang dipakai 9,5kΩ 1/4Watt.
2. Rangkaian dengan 3 lampu L1, L2 dan L3 masing-masing 12V/5W dihubungkan dengan 4
diode seperti di bawah. Listik dari baterai 12V
diberikan ke rangkaian. Pertanyaannya:
1.
Lampu mana yang menyala?
2.
Lampu mana yang menyala paling terang?
T Iwan B Pratama | 7