3-3-3-2 - System Digital

PN Junction dan diode
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 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 jenisn.
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 atomatom 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.
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 sisip 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.
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. (Bahan Semikonduktor)
*Diode
Diode adalah komponen aktif dua kutub yang pada umumnya bersifat semikonduktor,
yang memperbolehkan arus listrik mengalir ke satu arah (kondisi panjar maju) dan
menghambat arus dari arah sebaliknya (kondisi panjar mundur). Diode dapat disamakan
sebagai fungsi katup di dalam bidang elektronika. Diode sebenarnya tidak menunjukkan
karakteristik kesearahan yang sempurna, melainkan mempunyai karakteristik hubungan
arus dan tegangan kompleks yang tidak linier dan seringkali tergantung pada teknologi
atau material yang digunakan serta parameter penggunaan. Beberapa jenis diode juga
mempunyai fungsi yang tidak ditujukan untuk penggunaan penyearahan.
Awal mula dari diode adalah peranti kristal Cat's Whisker dan tabung hampa (juga
disebut katup termionik). Saat ini diode yang paling umum dibuat dari bahan
semikonduktor seperti silikon atau germanium.
Sejarah
Walaupun diode kristal (semikonduktor) dipopulerkan sebelum diode termionik, diode
termionik dan diode kristal dikembangkan secara terpisah pada waktu yang bersamaan.
Prinsip kerja dari diode termionik ditemukan oleh Frederick Guthrie pada
tahun 1873[1]Sedangkan prinsip kerja diode kristal ditemukan pada tahun 1874 oleh
peneliti Jerman, Karl Ferdinand Braun[2].
Pada waktu penemuan, peranti seperti ini dikenal sebagai penyearah (rectifier). Pada
tahun 1919, William Henry Ecclesmemperkenalkan istilah diode yang berasal
dari di berarti dua, dan ode (dari ὅδος) berarti "jalur".
Diode
Foto dari diode semikonduktor
Simbol
Tipe
Komponen aktif
Kategori
Semikonduktor (diode
kristal)
Tabung hampa (diode
termionik)
Penemu
Frederick
Guthrie (1873) (diode
termionik)
Karl Ferdinand
Braun (1874) (diode kristal)