ketertinggalan bukan kegagalan

Hanya Blog UMY situs lain

Bab07. Diode Sambungan P-N

Posted by candra nur wahyudiyanto 0 Comment
  • Semikonduktor

Pada bagian sebelumnya kita telah mempelajari karakteristik bahan semikonduktor
beserta kemampuannya untuk menghantarkan listrik. Berdasarkan tingkat kemurnian
atom penyusunnya, terdapat dua kelompok semikonduktor yaitu intrinsik dan ekstrinsik.
Untuk kelompok ekstrinsik terdapat dua jenis/tipe semikonduktor yaitu semikonduktor
tipe-p dan semikonduktor tipe-n. Bahan semikonduktor yang banyak dipelajari dan
secara luas telah dipakai adalah bahan silikon (Si).
Semikonduktor tipe-n dibuat dari bahan silikon murni dengan menambahkan
sedikit pengotor berupa unsur valensi lima. Empat elektron terluar dari “donor” ini
berikatan kovalen dan menyisakan satu elektron lainnya yang dapat meninggalkan atom
induknya sebagai elektron bebas. Dengan demikian pembawa muatan mayoritas pada
bahan ini adalah elektron.
Hal yang sama, semikonduktor tipe-p dibuat dengan mengotori silikon murni
dengan atom valensi tiga, sehingga meninggalkan kemungkinan untuk menarik
elektron. Pengotor sebagai “aseptor” menghasilkan proses konduksi dengan lubang
(hole) sebagai pembawa muatan mayoritas.

  • Diode

Misalkan kita memiliki sepotong silikon tipe-p dan sepotong silikon tipe-n dan secara
sempurna terhubung membentuk sambungan p-n seperti diperlihatkan pada gambar 7.1.
Sesaat setelah terjadi penyambungan, pada daerah sambungan semikonduktor
terjadi perubahan. Pada daerah tipe-n (gambar 7.1, sebelah kanan) memiliki sejumlah
elektron yang akan dengan mudah terlepas dari atom induknya. Pada bagian kiri (tipep),
atom aseptor menarik elektron (atau menghasilkan lubang). Kedua pembawa
muatan mayoritas tersebut memiliki cukup energi untuk mencapai material pada sisi
lain sambungan. Pada hal ini terjadi difusi elektron dari tipe-n ke tipe-p dan difusi
lubang dari tipe-p ke tipe-n.
Proses difusi ini tidak berlangsung selamanya karena elektron yang sudah
berada di tempatnya akan menolak elektron yang datang kemudian. Proses difusi
berakhir saat tidak ada lagi elektron yang memiliki cukup energi untuk mengalir.

Gambar 7.1 Sambungan semikonduktor tipe-p dan tipe-n

Gambar 7.2 Mekanisme aliran muatan pada daerah sambungan

Kita harus memperhitungkan proses selanjutnya dimana elektron dapat
menyeberang sambungan. Daerah yang sangat tipis dekat sambungan disebut daerah
deplesi (depletion region) atau daerah transisi. Daerah ini dapat membangkitkan
pembawa muatan minoritas saat terdapat cukup energi termal untuk membangkitkan
pasangan lubang-elektron. Salah satu dari pembawa muatan minoritas ini, misalnya
elektron pada tipe-p, akan mengalami pengaruh dari proses penolakan elektron difusi
dari tipe-n. Dengan kata lain elektron minoritas ini akan ikut tertarik ke semikonduktor
tipe-n. Gerakan pembawa muatan akibat pembangkitan termal ini lebih dikenal sebagai
“drift”. Situasi akan stabil saat arus difusi sama dengan arus drift.
Pada daerah sambungan/daerah diplesi yang sangat tipis terjadi pengosongan
pembawa muatan mayoritas akibat terjadinya difusi ke sisi yang lain. Hilangnya
pembawa muatan mayoritas di daerah ini meninggalkan lapisan muatan positip di
daerah tipe-n dan lapisan muatan negatif di daerah tipe-p.

  • Panjar Maju (Forward Bias)

Besarnya komponen arus difusi sangat sensitif terhadap besarnya potensial penghalang
o V . Pembawa muatan mayoritas yang memiliki energi lebih besar dari o eV dapat
melewati potensial penghalang. Jika keseimbangan potensial terganggu oleh
berkurangnya ketinggian potensial penghalang menjadi V V o – , probabilitas pembawa
muatan mayoritas mempunyai cukup energi untuk melewati sambungan akan meningkat
dengan drastis. Sebagai akibat turunnya potensial penghalang, terjadi aliran arus lubang
dari material tipe-p ke tipe-n, demikian sebaliknya untuk elektron.
Dengan kata lain menurunnya potensial penghalang memberi kesempatan pada
pembawa muatan untuk mengalir dari daerah mayoritas ke daerah minoritas. Jika
potensial penghalang diturunkan dengan pemasangan panjar maju eksternal V seperti
diperlihatkan pada gambar 7.4, arus If akan mengalir.

  • Panjar Mundur (Reverse Bias)

Jika potensial penghalang dinaikkan menjadi V V o + dengan memasang panjar mundur
sebesar V (lihat gambar 7.5), maka probabilitas pembawa muatan mayoritas memiliki
cukup energi untuk melewati potensial penghalang akan turun secara drastis. Jumlah
pembawa muatan mayoritas yang melewati sambungan praktis turun ke nol dengan
memasang panjar mundur sebesar sekitar sepersepuluh volt.

Gambar 7.5 Diode p-n berpanjar mundur (reverse bias) a) Rangkaian dasar dan
b) Potensial penghalang meninggi.

Pada kondisi panjar mundur, terjadi aliran arus mundur (Ir) yang sangat kecil
dari pembawa muatan minoritas. Pembawa muatan minoritas hasil generasi termal di
dekat sambungan akan mengalami “drift” searah medan listrik. Arus mundur akan
mencapai harga jenuh -Io pada harga panjar mundur yang rendah.
Harga arus mundur dalam keadaan normal cukup rendah dan diukur dalam mA
(untuk germanium) dan nA (untuk silikon). Secara ideal, arus mundur seharusnya
berharga nol, sehingga harga -Io yang sangat rendah pada silikon merupakan faktor
keunggulan silikon dibandingkan germanium. Besarnya Io berbanding lurus dengan
laju generasi termal 2


  • Karakteristik Umum Diode

Saat diode berpanjar maju, probabilitas pembawa muatan mayoritas yang mempunyai
cukup energi untuk melewati potensial penghalang V V o – akan tergantung pada faktor:

  • Efek Zener dan Avalanche

Di samping terjadinya perubahan ketinggian potensial penghalang pada diode akibat
diberi panjar maju atau mundur, maka juga terjadi perubahan lebar daerah deplesi atau
daerah transisi. Pada tegangan panjar maju, ketinggian potensial penghalang akan
menurun dan daerah deplesi akan menipis. Sebaliknya saat diberi panjar mundur daerah
deplesi akan melebar.
Jika panjar mundur dinaikkan terus, maka pada suatu harga tegangan tertentu
terjadi kenaikan arus mundur secara tiba-tiba (lihat gambar 7.9). Keadaan ini terjadi
akibat adanya efek Zener atau efek avalanche. Pada patahan Zener (Zener breakdown),
medan listrik pada sambungan akan menjadi cukup besar untuk menarik elektron dari
ikatan kovalen secara langsung. Dengan demikian akan terjadi peningkatan jumlah
pasangan lubang-elektron secara tiba-tiba dan menghasilkan kenaikan arus mundur
secara tiba-tiba pula. Efek avalanche terjadi pada tegangan di atas tegangan patahan
Zener. Pada tegangan tinggi ini, pembawa muatan memiliki cukup energi untuk
memisahkan elektron dari ikatan kovalen.

Gambar 7.9 Karakteristik I-V diode p-n

Pada daerah patahan, arus mundur berharga sangat besar dan hampir tidak
tergantung pada besarnya tegangan. Penurunan tegangan panjar mundur di bawah b V
akan menurunkan arus ke harga o I . Dengan mengontrol kerapatan doping, kita dapat
mendesain diode Zener agar memiliki tegangan patahan pada harga dari beberapa volt
sampai beberapa ratus volt. Kondisi penting yang dapat dimanfaatkan adalah
bagaimana diode ini dapat memberikan tegangan yang relatif konstan saat arus berubahubah.

  • Model Rangkaian

Model listrik suatu piranti sering disebut model rangkaian yang tersusun atas rangkaian
ideal. Kita dapat membuat model ideal dari karakteristik nyata diode (lihat gambar 7.10
dan 7.11) dan menggunakannya untuk memprediksi karakteristiknya untuk aplikasi
praktis.

Gambar 7.10 Karakteristik nyata diode

Gambar 7.11 Model ideal diode

Karakteristik penting diode adalah perbedaan yang ekstrem antara panjar maju
dan panjar mundur. Diode yang ideal memperlihatkan tidak adanya hambatan aliran
arus saat panjar maju dan terdapat hambatan yang besarnya tak terhingga pada panjar
mundur. Pada saat panjar mundur, dapat digambarkan seperti saklar yang sedang
terbuka (gambar 7.11-b) dan pada saat panjar mundur seperti saklar yang tertutup.
Saklar tersebut diilustrasikan seperti pada gambar 7.11-c, dengan segitiga
menggambarkan arah arus maju.
Š

  • Diode Terowongan (Tunnel Diode)

Jika konsentrasi doping dinaikkan, maka lebar daerah deplesi akan menipis dan
karenanya tinggi potensial penghalang akan menurun. Jika konsentrasi doping
dinaikkan lagi sehingga ketebalan darah deplesi menjadi lebih rendah dari 10 nm, maka
terjadi mekanisme konduksi listrik baru dan menghasilkan karakteristik piranti
elektronika yang unik.
Seperti telah dijelaskan oleh Leo Esaki pada tahun 1958, bahwa untuk potensial
penghalang yang sangat tipis menurut teori kuantum mekanik, elektron dapat
menerobos melewati potensial pengahalang (melalui terowongan) tanpa harus memiliki
cukup energi untuk mendaki potensial tersebut.

 

Untuk lebih jelasnya silahkan klik disini.

Categories: Elektronika

PROFIL AKU

candra nur wahyudiyanto


Popular Posts

Bab01.arus dan tegan

1.1 Pengertian Arus Listrik (Electrical Current) Arus listrik terjadi karena adanya ...

BAB02. Rangkaian Aru

Pada rangkaian DC hanya melibatkan arus dan tegangan searah, yaitu ...

Bab03.Alat-Alat Ukur

Telah dipahami bahwa elektron yang bergerak akan menghasilkan medan magnet ...

Bab04. KAPASITOR, IN

Bentuk Gelombang lsyarat (signal) Isyarat adalah merupakan informasi dalam bentuk perubahan ...

Bab05. Komponen Dan

Isyarat AC Isyarat AC merupakan bentuk gelombang yang sangat penting dalam ...