DIODA
Pendahuluan
Dioda atau dioda semikonduktor (setengah penghantar) adalah komponen elektronika terbuat dari bahan yang bersifat antara isolator dan penghantar (konduktor). Bahan semi konduktor yang paling banyak digunakan di bidang elektronika yaitu germanium (Ge) dan silikon (Si). Diantara kedua jenis konduktor tersebut yang paling banyak digunakan adalah bahan silikon, karena bahan silikon lebih tahan terhadap panas dibandingkan dengan bahan germanium. Sifat-sifat dari bahan semikonduktor dapat diuraikan berdasarkan teori atom yang sederhana. Setiap atom memiliki inti atom (nucleus) dan elektron yang mengelilingi inti atom, dimana elektron ini bermuatan negatif dan inti atom sendiri terdiri dari proton yang bermuatan negatif atau netral demikian juga atom silikon, atom silicon mempunyai inti atom dan elektron yang mengelilingi inti atomnya dengan jumlah lintasan tertentu (gambar 1.1).lintasan pertama paling dekat dengan inti atom dikatakan lengkap apabila terdiri dari dua elektron, lintasan kedua akan lengkap apabila terdiri dari 18 elektron dan seterusnya,dimana jumlah elektron yang bergerak melalui lintasannya berlaku rumus : 2n2.
Jika pada lintasan paling luar suatu atom mempunyai elektron yang tidak lengkap, elektron-elektron paling luar ini disebut elektron valensi. Dan sifat atom ini ditentukan oleh keadaan elektron valensinya tersebut.
Apabila pada lintasan paling luar atom tidak terisi lengkap elektron-elektron, seperti halnya didalam bahan semikonduktor, maka atom-atom akan saling berkombinasi dan bergabung sedemikian rupa secara kimia dan menjadikan elektron pada lintasan paling luar saling mengisi sehingga membuat keadaan atom stabil. Setiap elektron terikat pada selnya dengan adanya gaya keseimbangan antara gaya sentrifugal yang arahnya keluar dengan gaya tarik dari inti atom.
(+) = Inti Atom
(-) = Elektron
Atom silicon dengan distribusi muatannya
Semakin dekat lintasan elektron dengan intinya, maka semakin kuat ikatan inti atom dengan dengan elektron pada lintasan tersebut. Akan tetapi bagi elektron yang memiliki jarak terjauh dari inti atom, ikatan antara inti atom dengan elektronnya pun menjadi paling lemah. Oleh karena itu pada temperatur kamar, elektron-elektron yang memiliki ikatan paling lemah tadi terlepas dari ikatannya dan dapat berpindah dari aton yang satu ke atom yang lainnya (untuk bahan suatu konduktor/penghantar). Elektron-elektron yang berpindah tersebut dinamakan free electron (elektron bebas) dan dengan pengaruh perbedaan potensial yang kecil pada Sebuah bahan konduktor, maka elektron bebas tadi akan ditarik menuju potensial positif sehingga akan terjadi arus elektron, yang menimbulkan terjadinya arus listrik.
Akan tetapi pada sebuah isolator, elektron-elektron valensi terikat sangat kuat dengan intinya sehingga tidak terdapat elektron bebas. Oleh karena itu, dengan pemberian perbedaan potensial yang kecil pada bahan isolator, tidak akan ada elektron bebas menuju potensial positif, dan arus elektronpun tidak akan terjadi, artinya akan sulit untuk menghantar arus listrik pada bahan isolator tersebut. Namun pada perbedaan potensial yang sangat tinggi, maka akan terjadi pelepasan elektron-elektron secara paksa dari intinya menuju potensial positif dan menghasilkan arus elektron yang sangat kecil.
Di dalam bahan semikonduktor seperti halnya atom silicon memiliki tiga buah llintasan elektron seperti pada gambar 1.1. banyaknya elektron-elektron yang berada pada kulit terluar suatu atom, menentukan valensi dari atom tersebut,. Dan elektron-elekton paling luar dinamakan elektron valensi.
Bila atom silicon digambarkan menurut elektron valensinya, maka gambarnya dapat dilihat seperti di bawah ini.
Atom silicon dengan elektron valensinya
Karena muatan atom yang netral selalu sebesar 0, maka muatan inti atom sebesar +4 yang diimbangi dengan muatan dari elektron sejumlah 4 buah, juga sebagai elektron valensi yang mengelilingi intinya tadi. Bahan setengah penghantar ini merupakan suatu kristal seperti gambar 1.3
Keterangan gambar :
( + ) = inti atom
( - ) = elektron valensi
O = ikatan kovalensi
Gambar kristal dengan 2 dimensi
Bahan kristal tersebut ikatan valensinya tidak begitu kuat satu sama lain sehingga dengan pemberian panas, terjadi energi yang cukup untuk memutuskan ikatan kovalensinya tadi. Dengan terputusnya ikatan kovalensi akibat pengaruh agitasi thermis (pemberian panas) tadi, maka elektron-elektron bebas sebagai penghantar. Bahan-bahan yang seperti ini disebut bahan semikonduktor (setengah penghantar).
Pada bahan kristal tadi, selain panas photon pun dapat memberikan energi yang cukup untuk memutuskan ikatan kovalensi di dalam suatu bahan semikonduktor.
Apabila suatu photon mempunyai energi yang cukup, dan mengenai suatu elektron valensi, maka photon tersebut dapat melepaskan satu ikatan kovalen dan membebaskan satu elektron, sehingga terdapat satu tempat yang kosong pada tempat elektron yang baru dilepaskan tadi. Tempat kosong itu dinamakan hole dan dia bebas bergerak di dalam struktur kristal tersebut. Hole ini mempunyai muatan positif yang sama besar dengan muatan negatif elektron.
Proses terbentuknya elektron bebas dan hole tersebut dinamakan generasi (generation) dan sebaliknya, jika suatu hole diisi oleh elektron bebas dinamakan rekombinasi (recombination) seperti yang terlihat pada gambar 1.4 berikut.
(-) Elektron bebas (-) Elektron bebas
(a) Proses generasi (b) Proses rekombinasi
Proses generasi dan rekombinasi
Bahan semikonduktor di atas tadi disebut bahan semikonduktor murni (semikonduktor intrinsik).
Pada prakteknya bahan semikonduktor ini biasanya terbuat dari bahan setengah penghantar dengan pengotoran bahan lain. Bahan pengotor (Impuritas) ini adalah atom yang mempunyai valensi 5 dan 3 seperti phosfor, antimon, arsenikum yang mempunyai valensi 5 sedangkan atom yang mempunyai valensi 3 adalah boron, alliminium, gallium, indium.
Jika sejumlah kecil unsur yang mempunyai lima elektron valensi dimasukkan ke dalam bahan semikonduktor seperti silikon atau germanium dengan derajat kemurnian yang tinggi maka, atom impuritas tidak akan dapat melakukan ikatan yang sempurna sebab empat dari kelima elektron valensinya akan masuk ke dalam ikatan-ikatan dengan germanium, tetapi elektron yang kelima akan tetap tertinggal/tidak terikat dalam ikatan kovalensi di dalam kristal tersebut, dan pada saat tertentu turut serta melangsungkan proses konduksi. Jadi disini kondisi dilakukan oleh muatan negatif atau impuritas/pengotor tadi disebut atom donor, yang menyediakan elektron.
Adapun bentuk dari hasil pencampuran atom impuritas tersebut dengan bahan semikonduktor tadi, dapat dilukiskan seperti gambar di bawah ini.
Semikonduktor jenis N
Lain halnya apabila silikon atau germanium yang mempunyai valensi empat dicampur dengan atom indium yang memiliki valensi tiga, maka atom impuritas tidak akan dapat melekukan ikatan yang sempurna sebab akan terdapat satu tempat kosong pada ikatan kovalensi. Tempat kosong tersebut dinamakan hole. Hole ini bebas bergerak di dalam kristal dan akan mengambil bagian dalam proses konduksi sebagai muatan positif. Bahan seperti ini dinamakan semikonduktor jenis P dan atom impuritasnya disebut sebagai acceptor (akseptor) dan digambarkan sebagai berikut.
Semikonduktor jenis P
Konduksi oleh hole atau elektron dalam bahan-bahan semikonduktor P atau semikonduktor N dapat dijelaskan dengan jalur energi dalam kristal. Dimana pada jalur energi yang rendah ketiadaan beberapa elektron dalam ikatan kovalensi pada bahan P akan menimbulkan tingkatan-tingkatan tak penuh (tak terisi). Karena jalurnya tidak penuh, maka jalur ini dapat dipandang sebagai jalur konduksi yang memberi kemungkinan elektron pindah dari hole ke hole atau dengan kata lain hole dapat berpindah dari atom satu ke atom yang lainnya dalam satu kristal tersebut.
Demikian pula bahan N dimana elektron yang lebih atau elektron bebas dari atom donor mempunyai energi yang cukup tinggi sehingga dapat berpindah ke jalur koduksi yang beresensi lebih tinggi untuk memungkinkan berlangsungnya konduksi oleh elektron atau jenis N.
1. PN – Junction
Kristal tunggal dapat dibentuk dengan menghubungkan dua daerah P dan N seperti diperlihatkan pada gambar di bawah ini.
Dioda Grown – Junction
Kedua daerah ini dapat dibentuk dalam kristal dengan hasil penumbuhan (grown crystal) yaitu dengan memasukkan impuritas N ke dalam cairan dari mana kristal ditumbuhkan yang secara cepat dengan memasukkan impuritas P yang cukup banyak untuk mengalahkan pengaruh impuritas N dan akan menghasilkan konduksi P. Dengan demikian maka, sekarang terjadi junction antara P dan N yang kita sebut dengan nama Dioda grown junction.
PN – Junction ini dapat juga dihasilkan dengan cara melelehkan bahan impuritas P pada kepingan bahan yang tipis atau mengendapkan uap bahan P di atas kepingan N tadi. Dengan mengawasi dan mengatur secara cermat proses pengerjaannya maka peralihan dari daerah N ke P dapat dibuat dengan tiba-tiba seperti terlihat hasilnya pada gambar berikut.
Dioda fused – Junction
Cara lain dalam pembentukan PN – junction ini dapat dijelaaskan seperti uraian di bawah ini.
Sebelum dilakukan penyambungan, pada bahan N akan terdapat banyak elektron bebas yang mempunyai energi tinggi dan sedikit hole intrinsiknya, sedangkan pada bahan P terdapat banyak hole dan sedikit elektron intrinsiknya (akibat pembentukan pasangan oleh energi thermis).
Bahan N dan bahan P sebelum dipertemukan.
Pada saat kedua permukaan bahan P dan N dipertemukan secara baik, maka akan terjadi difusi muatan menyebrangi bidang batas permukaannya. Artinya, untuk sementara gerakan-gerakan muatannya masih simpang siur secara sembarang dari bahan N, yaitu elektron bergerak menuju bahan P.
Jadi di bawah pergerakan sembarang, akan terjadi total difusimuaatan yang melintasi bidang batas permukaannya tadi. Hal ini akan menempatkan lebih banyak elektron atau muatan negatif pada sisi bidang batas bahan P, dan mengakibatkan kekurangan elektron pada sisi bidang batas bahan N atau muatan positif pada sisi bahan N.
Bahan N dan bahan P setelah dipertemukan.
Atau setelah ada bidang batasnya.
Dengan demikian terjadilah tegangan melintang pada daerah pengosongan muatan, pada sisi bahan P negatif terhadap sisi bahan N.
Dalam hal ini, dengan adanya tegangan akan segera mengakibatkan komponen arus mengalir ke satu arah. Karena di daerah junction yang terisolir tidak ada arus total yang mengalir. Oleh kaarena itu dapat kita simpulkan bahwa arus difusi akibbat distribusi kembali muatan adalah sama besar, tetapi berlawanan arah dengan arus pergeseran ke satu arah akibat tegangan barrier. Juga dapat disimpulkan bahwa PN – Junction mempunyai sifat menyearahkan. Jika pada junction dipasangkan tegangan luar dengan apa yang dinamakan reverse bias voltage seperti gambar 1.11, dengan daerah P negatif, maka pembawa-pembawa muatan mayoritas pada masing-masing sisi akan di dorong lebih jauh ke arah luar junction. Dengan kata lain lapisan barrier akan menjadi lebih tebal. Yang masih tertinggal di daerah pengosongan hanyalah beberapa pembawa muatan minoritas saja yang timbul akibat pengaruh thermisyang merupakan penyebab timbulnya arus bocor i0 yang relatif kecil. Dengan demikian, dioda junction merupakan tahanan yang tinggi pada pemberian reverse bias voltage.
Jadi dapat disimpulkan bahwa jika dioda junction diberi reverse bias voltage (tegangan panjar dengan arah berlawanan) maka dioda junction merupakan tahanan tinggi sehingga arus listrik tidak dapat melaluinya.
PN – Junction diberi Reverse Bias Voltage
Jika tegangan luar dipasang dalam arah forward (Forward Bias Voltage/ tegangan arah maju) seperti pada gambar 1.12. dengan daerah P positif pembawa-0pembawa muatan dari masing-masing sisi akan bergerak memasuki daerah pengosongan dan menembus junction. Dalam hal ini PN – Junction mempunyai tahanan rendah sehingga timbularus yang cukup besar, yang besarnya tergantung pada rapat pembawa, luas junction dan tegangan yang terpasang.
PN – Junction diberi forward bias
2. Simbol dan Konstruksi Dioda
Seperti sudah dijelaskan bahwa PN – Junction atau dioda junction mempunyai muatan positif dan muatan negatif. Muatan positif tersebut dinamakan anoda sedangkan muatan negatifnya dinamakan katoda. Oleh karena itu dioda ini mempunyai dua elektroda yaitu anoda dan katoda, dan simbolnya seperti gambar di bawah ini.
Simbol dioda semikonduktor
Anoda biasa disingkat dengan huruf A dan katoda disingkat dengan huruf K. Adapun beberapa gambar fisik dioda semikonduktor ini seperti yang diperlihatkan gambar berikut.
Adapun bentuk kontruksi sebuah dioda semikonduktordapat dilihat pada gambar berikut.
Konstruksi Dioda Semikonduktor
Kawat pennghubung A dinamakan anoda dan kawat penghubung K dinamakan katoda. Anoda ini bermuatan positif karena kawat penghubung A dihubungkan dengan daerah P sedangkan kawat penghubung K bermuatan negatif karena dihubungkan dengan daerah N. Oleh karena itu katoda sebagai sumber elektron sedangkan anoda berfungsi sebagai penghisap/penampung elektron dari katoda.
3. Cara Kerja Dioda Semikonduktor
Sebelumnya sudah dijelaskan bahwa pada saat dioda atau PN – Junction diberi tegangan forward bias, maka PN – Junction memiliki tahanan rendah, sedangkan jika PN – Junction diberi tegangan reverse bias, maka PN – Junction memiliki tahanan yang tinggi sekali.
Dari keterangan di atas, jelaslah bagi kita bahwa dioda dapat bekerja pada saat diberi tegangan forward bias, sedangkan pada saat diberi tegangan reverse bias, dioda tidak bekerja dalam artian tidak menghantarkan arus listrik.
4. Karakteristik Dioda Semikonduktor
Karakteristik dioda ini ialah grafik yang menggambarkan besarnya harga-harga arus anoda bila besarnya harga-harga tegangan anoda diubah-ubah. Seperti kita ketehui sebelumnya bahwa dioda (PN - Junction) diberi tegangan dengan hubungan arah maju, maka timbul arus maju. Dan sebaliknya apabila dioda diberi tegangan dengan hubungan arah mundur/balik maka akan timbul arus balik yang sangat kecil, maka dari itu arus balik dianggap tidak ada.
Berarti dapat dikatakan bahwa dioda adalah tahanan satu arah, karena dioda hanya dapat menghantarkan arus listrik dari anoda ke katoda. Dan dapat ditarik kesimpulan bahwa cara kerja dioda adalah sebagai berikut:
a) Bila tegangan anoda nol terhadap katoda, maka anoda tidak menghisap elektron dari katoda. Sebenarnya ada beberapa elektron dengan kecepatan tinggi dapat mencapai anoda, dan eloran elektron ini menghasilkan arus listrik yang sangat kecil sekali, tidak terlihat pada ampere meter, sehingga dapat diabaikan.
b) Bila tegangan anoda negatif terhadap katoda (tegangan dengan hubungan arah balik), maka akan timbul medan listrik yang arahnya menolak elektron, sehingga dioda tidak menghantarkan arus listrik.
c) Bila tegangan anoda positif terhadap katoda (tegangan yang diberikan adalah arah maju), maka timbul medan listrik yang arahnya menghisap elektron, sehingga dioda menghantarkan arus listrik.
