SEMIKONDUKTOR DAN DIODA

BAB IV

SEMIKONDUKTOR DAN DIODA

A.    TUJUAN

Mengetahui karakteristik dari semikonduktor instrsik dan ekstrinsik. Menjelaskan dan mengetahui karakteristik dari  dioda serta penggunaannya. Mengetahui dan menjelaskan karakteristik dari berbagai macam rangkaian dioda seperti rangkaian clipper, clamp, serta rangkaian pengganda. Mengetahui isyarat keluaran dari masing-masing rangkaian dioda tersebut.

B.     SEMIKONDUKTOR

Semikonduktor adalah atom yang berisi empat elektron valensi. Karena jumlah elektron valensi di dalam semikonduktor adalah ditengah antara satu (konduktor) dan delapan (isolator) maka atom semikonduktor bukan konduktor yang baik dan bukan isolator yang baik. Bahan semikonduktor yang banyak digunakan adalah silikon (Si), germanium (Ge), dan karbon (C). Silikon dan germanium digunakan untuk membuat komponen-komponen zat padat (solid state), sedangkan karbon terutama untuk membuat resistor dan potensiometer.

Bila tidak ada gaya luar yang menyebabkan konduksi, cacah elektron dan proton adalah sama. Karena muatan elektron(negatif) dan proton (positif) adalah sama dan berlawanan maka muatan netto pada atom adalah nol. Bila atom kehilangan elektron valensi maka muatan atom menjadi positif, sebaliknya bila menerima elektron, muatan netto menjadi negatif. Semikonduktor terbagi atas dua yaitu semikonduktor intrinsik dan semikonduktor ekstrinsik.

1.         Semikonduktor Intrinsik

Atom-atom semikonduktor yang mempunyai empat elektron valensi tersusun sebagai kristal tetrahedral oleh adanya ikatan kovalen dengan mekanisme hantarannya digunakan gambaran dua dimensi susunan kristalnya. Lingkaran dengan tanda +4 melukiskan ion semikonduktor yakni atom beserta elektron-elektronnya selain empat elektron valensi. Ikatan kovalen dilukiskan dengan garis lengkung dengan dua elektron valensi di dalamnya. Pada suhu 0 K, elektron valensi terikat erat dengan ikatan kovalen dan tidak ada elektron bergerak bebas. Kalau suhu kristal dinaikkan sehingga ada elektron yang kenaikan tenaga termalnya melebihi celah tenaga maka elektron-elektron ini akan meloncat ke bidang konduksi menjadi elektron bebas.

Kalau pada suatu ikatan kovalen terbentuk lubang maka elektron valensi dari atom yang berdekatan akan melepaskan diri dari ikatan kovalen untuk mengisi lubang tersebut. Elektron ini akan meninggalkan lubang pada tempat yang ditinggalkan. Maka lubang akan bergerak dengan arah yang berlawanan dengan elektron. Maka semikonduktor intrinsik pada suhu 0K bersifat sebagai isolator, dan pada suhu yang sangat tinggi bersifat sebagai konduktor karena terjadi pembentukan pasangan elektron bebas dan lubang yang banyaknya sama dan berlaku sebagai pembawa muatan.

1.         Semikonduktor Ekstrinsik

Untuk menyusun devais elektronik diperlukan bahan yang kaya akan satu jenis pembawa muatan saja yaitu lubang saja atau elektron saja. Untuk itu diperlukan doping, yakni memasukkan atom asing bervalensi 5 atau 3 dengan prosentasi kecil sehinga dihasilkan semikonduktor ekstrinsik. Adapun semikonduktor terbagi atas 2 yaitu semikonduktor tipe n dan semi kondutor tipe p. Pada semikonduktor tipe n diperoleh dengan doping atom asing bervalensi 5, seperti fosfor(P), arsen(As), dan antimon(Sb), kedalam semikonduktor intrinsik. Atom valensi 5 ini disebut sebagai atom donor karena dalam membentuk ikatan kovalen dibebaskan kelebihan elektronnya. Atom donor setelah membebaskan satu elektron valensi menjadi ion positif yang terikat ditempat.Pada semikonduktor tipe p diperoleh dengan doping atom asing bervalensi 3, seperti boron (B), alumunium (Al) dan galim (Ga) ke dalam semikonduktor instrinsik. Atom bervalensi 3 ini disebut sebagai atom akseptor, karena untuk membentuk ikatan kovalen memperoleh sebuah elektron. Karena menerima sebuah elektron maka atom akseptor menjadi ion negatif yang terikat di tempat.
 

A.    KARAKTERISTIK ARUS-TEGANGAN

Karakteristik arus–tegangan dari dioda, atau kurva I–V, berhubungan dengan perpindahan dari pembawa melalui yang dinamakan lapisan penipisan atau daerah pemiskinan yang terdapat pada pertemuan p-n diantara semikonduktor. Ketika pertemuan p-n dibuat, elektron pita konduksi dari daerah N menyebar ke daerah P dimana terdapat banyak lubang yang menyebabkan elektron bergabung dan mengisi lubang yang ada, baik lubang dan elektron bebas yang ada lenyap, meninggalkan donor bermuatan positif pada sisi-N dan akseptor bermuatan negatif pada sisi-P. Daerah disekitar pertemuan p-n menjadi dimiskinkan dari pembawa muatan dan karenanya berlaku sebagai isolator.

Walaupun begitu, lebar dari daerah pemiskinan tidak dapat tumbuh tanpa batas. Untuk setiap pasangan elektron-lubang yang bergabung, ion pengotor bermuatan positif ditinggalkan pada daerah terkotori-n dan ion pengotor bermuatan negatif ditinggalkan pada daerah terkotori-p. Saat penggabungan berlangsung dan lebih banyak ion ditimbulkan, sebuah medan listrik terbentuk didalam daerah pemiskinan yang memperlambat penggabungan dan akhirnya menghentikannya. Medan listrik ini menghasilkan tegangan tetap dalam pertemuan.

B.     DIODA

Dioda adalah komponen zat padat (solid state) yang paling dasar. Ada banyak tipe dioda menurut karakteristik operasi dan aplikasinya misalnya dioda zener, dioda pemancar cahaya (Light Emitting Diode, LED) dan lain-lain. Dioda adalah devais dua elektroda yang berlaku sebagai konduktor satu arah. Dioda tipe dasar adalah dioda sambungan pn, yang terdiri atas bahan tipe p dan n yang dipisahkan oleh sambungan (junction).

A.    Karakteristik sambungan p-n

Hubungan arus dan tegangan pada dioda sambungan p-n dinyatakan dengan persamaan:

I = Io (e^V/ηV_T-1)

Dengan Io = arus balik jenuh

              η  = 1 (untuk germanium), merupakan suatu faktor

                  = 2 (untuk silikon)

       VT = T/11600 (kesetaraaan volt dari arus)

             = 0,026 pada suhu kamar T = 300 K

Persamaan diatas adalah relasi Einstein (Widodo,2002:11).

Bentuk grafik karakteristik volt-ampere yang diberikan oleh persamaan diatas  diperlihatkan pada gambar 4.3a. Untuk V positif yang besar (beberapa kali VT), angka I dalam kurung dapat diabaikan, sehingga arus naik secara eksponensial terhadap tegangan, kecuali si suatu lingkungan yang kecil di titik pangkal. Apabila dioda berprategangan mundur dan /V/ beberapa kali V_T, 1 = -Io (arus balik tetap)  Oleh karena itu Io disebut arus balik jenuh. Bagian lengkungan yang terdiri dari garis patah-patah pada prategangan balik Vz, karakteristik dioda memperlihakan adanya penyimpangan yang menyolok dan mendadak dari persamaan 4.3. Pada tegangan kritis ini arus balik yang besar mengalir dan dikatakan bahwa dioda ini berada dalam daerah dadal (breakdown).

Dioda silikon dan germanium mempunyai sejumlah perbedaan yang penting untuk perencanaan rangkaian. Perbedaan karakteristik volt-ampere diperlihatkan pada gambar 4.4 (dengan mengambil contoh dioada germanium 1N270 dan dioda silikon 1N3605).

Suatu ciri yang perlu dicatat pada gambar 4.4, adalah adanya suatu tegangan potong-masuk (cut-in), titik putus (break point) atau ambang (threshold), Vγ. Dibawah tegangan ini, arus sangat kecil. Diatas Vγ arus akan naik sangat cepat. Dari gambar 4.4 terlihat bahwa Vγ kira-kira sama dengan 0,2 V untuk dioda germanum, dan 0,6 V untuk silikon. Referensi lain menggunakan istilah tegangan offset atau tegangan lutut yang besinoarnya sekitar 0,7 V untuk dioda silikon (Malvino,1994:37).

A.    DIODA SEBAGAI ELEMEN RANGKAIAN

Rangkaian dioda dasar diperlihatkan pada gambar 4.5, yang terdiri atas dioda yang seri dengan tahanan beban RL dan suatu sumber sinyal masuk vi.

Dari gambar 4.5, hukum tegangan kirchoff menyatakan bahwa:

v = vi – i R_L.

Satu persamaan ini tidak cukup untuk menentukan dua variabel (v dan i) yang terdapat dalam persamaan tersebut. Akan tetapi hubungan yang kedua antara kedua besaran ini diberikan oleh persamaan karakteristik statik dioda gambar 4.4. Gambar 4.6 ditunjukkan penyelesaian serempak dari persamaan diatas dan karakteristik dioda. Garis lurus yang digambarkan oleh persamaan diatas disebut garis beban. Garis beban memiliki titik-titik i = 0, v = vi dan i = vi / RL, v = 0. Perpotongan dengan sumbu tegangan adalah vi dan sumbu vi/RL. Oleh karena itu kemiringan sama dengan 1/RL. Titik perpotongan A dari garis beban dengan lengkungan statik memberikan iA yang akan mengalir dalam keadaan ini. Lukisan ini menentukan arus mengalir dalam rangkaian apabila potensial sesaat vi.

Jika tegangan masuk berubah maka prosedur diatas harus diulang untuk setiap nilai tegangan. Suatu grafik dari arus terhadap tegangan masuk disebut karakteristik dinamik, dapat diperoleh dengan jalan berikut: arus iA digambar vertikal ke atas vi di titik B. Bila vi berubah, kemiringan dari garis beban tak berubah karena RL tetap. Jadi apabila potensial yang diterapkan mempnyai nilai vi maka arus yang bersesuaian dengannya iA. Arus ini digambarkan sebagai titik B’ di atas vi. Lengkungan yang diperoleh OBB’ dengan mengubah-ubah vi disebut karakteristik dinamik. Lengkungan yang menghubungkan tegangan keluaran vo dan tegangan masuk vi, dari setiap rangkaian disebut karakteristik transfer (alih) atau transmisi (penerusan). Oleh karena dalam gambar 4.5, vo = i RL maka lengkungan transfer mempunyai bentuk yang sama dengan karakteristik dinamik.

A.      DIODA SEBAGAI PENGAMAN PERALATAN ELEKTRONIK

Oleh karena dioda hanya dapat menghantarkan arus dala satu arah maka dioda dapat digunakan untuk mencegah kerusakan peralatan elektronik akibat tertukarna polaritas + dan polaritas – sumber tegangan DC. Ada dua rangkaian yang dapat digunakan (gambar 4.8 dan gambar 4.9).

Pada gambar 4.8 ada jatuh tegangan sebesar tegangan offset pada dioda, sedangkan pada gambar 4.9 tidak ada jatuh tegangan pada dioda, dan fuse (F) aan putus jika polaritas (+) dan (-) terbalik.

 

A.  RANGKAIAN PELIPAT TEGANGAN

Voltage Multipler (pelipatganda tegangan) merupakan catu daya khusus yang digunakan untuk alat-alat tegangan tinggi seperti tabung TV, monitor, oskiloskop, dan lain-lain. Pelipatganda tegangan merupakan rangkaian yang terdiri dari dua atau lebih dioda penyearah puncak yang menghasilkan tegangan DC sama dengan perbanyakan puncak tegangan masuknya. Rangkaian Voltage Doubler dapat dilihat pada Gambar 4.10.

Pada setengah siklus positif dari sumber, dioda D1 konduksi, sehingga kapasitor C1 dimuati sampai tegangan puncak. Kemudian, pada setengah siklus negatif, dioda D2 konduksi, yang menyebabkan kapasitor C2 yang dimuati sampai tegangan puncaknya. Hambatan beban akan menerima tegangan jatuh sebesar jumlah dari muatan kapasitor yang terhubung secara seri, yaitu 2 kali dari tegangan puncak masukan (2Vin). Gambar 4.11 menggambarkan peristiwa tersebut.

Secara umum, dapat dikatakan bahwa jumlah pelipatganda dapat ditingkatkan sesuai dengan kehendak perancang dengan menambahkan jumlah pasangan dioda dan kapasitor. Berikut ini, merupakan rangkaian pelipatganda tripler dan pelipatganda quadraple.

A.  RANGKAIAN PEMBATAS (LIMITER)

Untuk dioda-dioda sinyal kecil, yang mempunyai batas kemampuan daya kurang dari 0.5 watt, biasanya digunakan pada peralatan elektronika frekuensi tinggi. Salah satu rangkaian sinyal kecil ini adalah Rangkaian Pembatas (limiter). Gambar 4.13 memperlihatkan rangkaian pembatas positif, yang terkadang disebut sebagai penggunting (clipper), yaitu suatu rangkaian yang menyingkirkan bagian sinyal yang positif. Selama setengah tegangan masuk yang positif, dioda konduksi. Akbatnya, tegangan yang jatuh pada hambatan beban adalah 0 volt (seolah olah tegangan positif terpotong). Selanjutnya, selama setengah tegangan masuk negatif, dioda di-reverse biased, yang menyebabkan semua tegangan masuk jatuh ke hambatan beban.

Dalam prakteknya, terdapat sebuah sumber tegangan untuk menentukan besar tegangan yang akan dipotong. Gambar 4.14. menunjukkan rangkaian pemotong yang diberikan sumber tegangan VB. Sehingga, rangkaian akan memotong tegangan yang melebihi VB + Vg. Sedangkan tegangan dibawah nilai tersebut akan tetap diteruskan oleh rangkaian menuju tahanan beban.

Jika VB sebesar 5 volt dan Vg adalah 0.7 volt, maka rangkaian akan memotong tegangan diatas 5.7 volt, namun akan melewatkan tegangan dibawah 5.7 volt. Jika diinginkan kondisi yang lain, maka dimungkinkan untuk membalik posisi dioda, sebagaimana ditampilkan pada Gambar 4.15. Dari gambar tersebut, jika tegangan masuk melebihi VB - Vg, maka tegangan akan diteruskan karena dioda dalam kondisi reverse. Sedangkan jika tegangan masuk kurang dari VB - Vg, dioda berada dalam kondisi forward sehingga tegangan akan terpotong. Secara umum, posisi dioda akan menentukan bagian mana dari tegangan masukan yang akan dibatasi. Jika posisi dioda ke arah bawah, maka rangkaian akan membatasi bagian atas. Sedangkan jika dioda dalam posisi ke arah atas, rangkaian akan membatasi tegangan masukan bagian bawah.

Dari contoh diatas, posisi batere selalu dalam keadaan yang sama. Jika, posisi batere diubah polarisasinya, maka akan terjadi pula perubahan proses pembatasan. Gambar 4.16 di bawah ini, menunjukkan rangkaian pembatas atas dengan polarisasi batere yang berbeda. Sehingga, rangkaian akan membatasi tegangan masukan bagian atas dengan batasan negatif, -( VB - Vg). Secara proses, rangkaian ini sama seperti rangkaian pembatas atas (Gambar 4.14.), hanya pembatasnya adalah negatif, disebabkan oleh polarisasi batere yang dibalik.

Demikian juga, apabila rangkaian pembatas negatif memiliki polarisasi batere terbalik, seperti yang tampak pada Gambar 4.17. Pada gambar tersebut, rangkaian akan memotong tegangan masukan pada bagian bawah. Namun, karena polarisasi batere terbalik, pembatasan terjadi pada harga negatif, yaitu: -( VB + Vg). Jika rangkaian-rangkaian pemotong ini dikombinasikan, akan didapat sebuah rangkaian pembatas atas positip dan rangkaian pembatas bawah negatif. Pada rangkaian pembatas atas positip dan rangkaian pembatas bawah negatif ini, akan didapat suatu hasil dimana rangkaian memotong gelombang di atas batas tertentu, memotong gelombang di bawah batas tertentu dan melewatkan gelombang di area tertentu pula. Dengan sedikit modifikasi, akan didapatkan sebuah gelombang kotak dengan harga-harga yang dapat ditentukan.

A.  RANGKAIAN PENGGESER (CLAMP)

Rangkaian Penggeser ini memberikan penambahan komponen DC pada tegangan masukan. Akibatnya, seolah-olah terjadi pergeseran (clamping) pada tegangan. Jika penambahan komponen DC negatif, maka terjadi pergeseran tegangan ke bawah (negatively clamped), dan begitu pula sebaliknya, (positively clamped). Gambar 4.18. menunjukkan sebuah rangkaian penggeser negatif. Selama setengah tegangan masukan Vin positif, dioda di-forward biased dan dalam kondisi konduksi, sehingga kapasitor akan terisi dengan polaritas seperti ditunjukkan oleh gambar. Akibatnya, tegangan keluaran Vo akan sama dengan nol. Namun, selama setengah tegangan masukan Vin negatif, dioda di-reverse biased. Kapasitor akan mulai membuang tegangannya melalui tegangan keluaran Vo. Akibatnya, tegangan keluaran Vo akan sama dengan tegangan masukan Vin dikurang dengan tegangan buangan dari kapasitor VC. Sehingga, secara grafik, tegangan keluaran Vo merupakan tegangan masukan Vin yang diturunkan sejauh tegangan buangan dari kapasitor VC. Jika dirancang bahwa waktu buangan kapasitor sangat lama, maka tegangan buangan dari kapasitor VC akan sama dengan tegangan masukan Vin maksimum.

Rangkaian clamper positif dapat dirancang dari Gambar 4.18. diatas, dengan cara membalik posisi dioda, sehingga dioda mengarah ke atas. Maka, akan didapatkan tegangan keluaran Vo merupakan tegangan masukan Vin yang dinaikkan sebesar tegangan maksimumnya.

DAFTAR PUSTAKA

1. Malvino, Albert Paul. 1994. Prinsip-prinsip Elektronika, Edisi Ketiga Jilid 1.

             Alih Bahasa; M. Barmawi dan M.O. Tjia. Jakarta: Erlangga.

2. Malvino, Albert Paul. 2003. Prinsip-prinsip Elektronika, Buku Satu. Edisi                                                     

              Pertama.Alih Bahasa; Alb.Joko Santoso. Jakarta: Salemba Teknika.

3. Widodo, Thomas Sri. 2002. Elektronika Dasar. Jakarta: Salemba Teknika

4. www.google.com/karakteristik dioda/ laboratorium elektronika/ Universitas                                                Brawijaya/