Dioda Silikon Germanium [PDF]

Citation preview

BAB II : DIODA SEMIKONDUKTOR DIODA PENYEARAH DAN DIODA ZENER



A. Tujuan Instruksional Umum (TIU)



Setelah mengikuti Kuliah topik ini, mahasiswa diharapkan : Dapat mengetahui cara kerja dioda penyearah dan dioda zener, karakteristik dan pengujianya B. Tujuan Instruksional Khusus (TIK)



Setelah mengikuti Kuliah topik ini, mahasiswa diharapkan : 



Mampu menjelaskan prinsip kerja dioda penyearah germanium dan silikon serta karakteristiknya.







Mampu menerangkan cara pengujian dioda menggunakan multimeter.







Menyebutkan beberapa paramerter penting dari dioda dengan benar.



2.1 Prinsip Kerja Dioda semikonduktor dibentuk dengan menyambungkan bahan semi-konduktor tipe p dan semikonduktor tipe n. Pada saat terjadinya sambungan (junction) antara bahan p dan n, hole-hole pada bahan p dan elektron-elektron pada bahan n disekitar sambungan cenderung untuk berkombinasi. Hole dan elektron yang berkombinasi ini mengakibatkan daerah sekitar sambungan ini kosong dari pembawa muatan dan terbentuk daerah pengosongan (depletion region) seperti ditunjukan pada gambar 2-1.



Gambar 2-1 : Pembentukan daerah kosong pada sekitar sambungan (junction)



Oleh karena itu pada sisi p tinggal ion-ion akseptor yang bermuatan negatip dan pada sisi n tinggal ion-ion donor yang bermuatan positip. Namun proses ini tidak berlangsung terus, karena potensial dari ion-ion positip dan negatip ini akan mengahalanginya. Tegangan atau potensial ekivalen pada daerah pengosongan ini disebut dengan tegangan barrier



yang selanjutnya akan disebut sebagai tegangan treshold. Besar



Elektronika Analog



8



BAB II : DIODA SEMIKONDUKTOR DIODA PENYEARAH DAN DIODA ZENER



tegangan treshold ini adalah 0,2~0,3 volt untuk germanium dan 0,5~0,7 volt untuk silikon. Suatu dioda bisa diberi bias mundur (reverse bias) atau diberi bias maju (forward bias) untuk mendapatkan karakteristik yang diinginkan. Bias mundur adalah pemberian tegangan negatip baterai ke terminal anoda (A) dan tegangan positip ke terminal katoda (K) dari suatu dioda. Dengan kata lain, tegangan anoda katoda VA-K adalah negatip (VA-K < 0). (Lihat gambar 2-2). Dalam kondisi bias mundur dioda akan tetap non aktif sampai tegangan dioda VD mencapai tegangan breakdown/dadalnya. Disaat kondisi demikian akan mengalir arus yang besar karena melebanya daerah depletion layer (daerah perpindahan muatan) sehingga tahanan dioda (RD) menjadi besar, tetapi tegangan mundur yang besar menyebabkan ketahanan daerah depletion layer tidak lagi mampu menahannya.



Gambar 2-2 : Kondisi tegangan bias/pra tegangan/pra sikap mundur



Apabila tegangan positip baterai dihubungkan ke terminal Anoda (A) dan negatipnya ke terminal katoda (K), maka dioda disebut mendapatkan bias maju (foward bias). (Lihat gambar 2.3). Dalam kondisi bias maju dioda akan mulai aktif setelah tegangan dioda VD mencapai tegangan barriernya. Disaat kondisi demikian akan mengalir arus yang besar karena menyempitnya daerah depletion layer (daerah perpindahan muatan) sehingga resistansi dioda (RD) menjadi kecil. Untuk lebih jelasnya lihat gambar dibawah ini.



Gambar 2-3 : Kondisi bias maju Elektronika Analog



9



BAB II : DIODA SEMIKONDUKTOR DIODA PENYEARAH DAN DIODA ZENER



2.2. Kurva Karakteristik Dioda Hubungan antara arus yang mengalir melalui dioda dengan tegangan VA-K dapat dilihat pada kurva karakteristik dioda (Lihat gambar 2.4). Gambar 2.4 menunjukan dua macam kurva, yakni dioda germanium (Ge) dan dioda silikon (Si). Pada saat dioda diberi bias maju, yakni bila VA-K positip, maka arus ID akan naik dengan cepat setelah VA-K mencapai tegangan treshold atau cut-in (VT). Seperti telah disebut tegangan ini berkisar antara 0.2 Volt untuk dioda germanium dan 0.6 Volt untuk dioda silikon. Dengan tegangan baterai sebesar ini, maka potensial barrier akan teratasi, sehingga arus dioda mulai mengalir dengan cepat. Bagian kiri bawah dari grafik merupakan kurva karakteristik dioda saat mendapatkan bias mundur.



Gambar 2-4 : Karakteristik Dioda Germanium dan Silikon



Besarnya arus jenuh mundur (reverse saturation current) Is untuk dioda germanium adalah dalam orde mikro amper dalam, sedangkan untuk dioda silikon Is adalah dalam orde nano amper.



Apabila tegangan VA-K yang berpolaritas negatip tersebut dinaikkan terus, maka suatu saat akan mencapai tegangan dadal (break-down) dimana arus Is akan naik dengan tiba-tiba. Pada saat mencapai tegangan dadal ini, pembawa minoritas dipercepat hingga mencapai kecepatan yang cukup tinggi untuk mengeluarkan elektron valensi dari atom. Kemudian elektron ini juga dipercepat untuk membebaskan yang lainnya sehingga



Elektronika Analog



10



BAB II : DIODA SEMIKONDUKTOR DIODA PENYEARAH DAN DIODA ZENER



arusnya semakin besar. Pada dioda biasa pencapaian tegangan break-down ini selalu dihindari karena dioda akan rusak. Dari konstruksi dan karakteristik dioda seperti diterangkan diatas dalam banyak aplikasi diantaranya digunakan sebagai dioda penyearah sehingga dioda tipe ini disebut sebagai Dioda Penyearah. Secara fisik, hubungan arus dioda (ID) dengan tegangan dioda (VD) dapat dinyatakan dalam persamaan matematis yang dikembangkan oleh W. Shockley, yaitu:



I D  I S [e(VD / nV . T ) - 1]



(2.1)



Dimana : ID



= arus dioda (amper)



Is



= arus jenuh mundur (amper)



e



= bilangan natural, 2.71828...



VD = beda tegangan pada dioda (volt) n



= konstanta, 1 untuk Ge; dan 2 untuk Si



VT = tegangan ekivalen temperatur (volt) Harga Is suatu dioda dipengaruhi oleh temperatur, tingkat doping dan konstruksi dioda. Dan konstanta n tergantung pada sifat konstruksi dan parameter fisik Dioda. Sedangkan harga VT ditentukan dengan persamaan:



VT 



kT q



(2.2)



Dimana : k = konstanta Boltzmann, 1.381 x 10-23 J/K (J/K artinya joule per derajat kelvin) T = temperatur mutlak (kelvin) q = muatan sebuah elektron, 1.602 x 10-19 C Pada temperatur ruang, 250C atau 273 + 25 = 2980 K, dapat dihitung besarnya VT yaitu:26 mV, harga VT ini perlu diingat untuk pembicaraan selanjutnya.



2.3. Beberapa Parameter Penting Dioda Arus maju efektip maksimum, IF (rms). Menyatakan nilai efektip maksimum yang diijinkan dari arus maju. Nilai ini berkaitan dengan efek panas yang ditimbulkan karena disipasi daya sebesar I2.R. Elektronika Analog



11



BAB II : DIODA SEMIKONDUKTOR DIODA PENYEARAH DAN DIODA ZENER



Arus maju puncak berulang maksimum, IFRM. IFRM menyatakan arus puncak maksimum yang diijinkan yang diaplikasikan secara berulang. Nilai ini biasanya dinyatakan untuk bentuk setengah gelombang sinusuidal. Arus maju puncak tak berulang maksimum, IFSM . IFSM Adalah arus maju puncak maksimum yang diijinkan dari setengah gelombang sinus selama 10mdet. Tegangan mundur puncak berulang maksimum, VRRM. Nilai maksimum yang diijinkan dari tegangan mundur yang diaplikasikan secara berulang termasuk tegangan transient. Tegangan mundur puncak tak berulang maksimum, VRSM. Adalah nilai puncak maksimum tegangan mundur yang diaplikasikan pada kondisi transient, tipikalnya 125% VRRM. Tegangan jatuh maju, VF. Adalah



nilai



tegangan



jatuh



pada



terminal



A-K



ketika



dioda



beroperasi



dan nilainya tergantung dari temperatur sambungan, TJ.



2.4. Karakteristik Yang Didekati Dari karakteristik dioda gambar 2-4 didapatkan parameter dioda yaitu tegangan treshold (VT) dan resistansi dioda (RD). (Lihat gambar 2-5). Untuk keperluan praktis karakteristik dioda didekati sebagai kurva yang linear dengan memperhitungankan pentingnya peran RD seperti diperlihatkan pada gambar 2-6. IA



Resistansi Statis



I



IF



PIV



=



Resistansi Dinamis =



VF IF V I



 V



VT VF



VAK



Gambar 2-5 : Karakterisik Resistansi Dioda Elektronika Analog



12



BAB II : DIODA SEMIKONDUKTOR DIODA PENYEARAH DAN DIODA ZENER



Gambar 2-6 a, dan c masing-masing dapat digunakan pada kasus-kasus dimana pengaruh tegangan threshold dapat diabaikan, seperti pada penyearahan tegangan besar atau rangkaian lain yang keluarannya tidak terpengaruh secara signifikan karena pengabaiannya ID



ID b.



a. VT = 0 RD = 0



VT > 0 RD = 0



VD



VD ID



ID d.



c.



VT > 0 RD > 0



VT = 0 RD > 0



VD



VD



Gambar 2-6 : Karakteristik pendekatan praktis



Gambar 2-6 b dan d masing-masing dapat digunakan pada kasus-kasus dimana pengaruh resistansi dioda dapat diabaikan, seperti pada penyearahan arus dan tegangan besar atau rangkaian lain yang keluarannya tidak terpengaruh secara signifikan karena pengabaiannya. Contoh fisik dioda yang umum beredar di pasaran dengan berbagai bentuk adn kapasitas diperlihatkan pada gambar 2-7.



Gambar 2-7 : Contoh dioda Elektronika Analog



13



BAB II : DIODA SEMIKONDUKTOR DIODA PENYEARAH DAN DIODA ZENER



2.5. Pengujian Dioda Dengan memahami karakteritik dioda penyearah, dapatkah saudara penguji apakah suatu dioda dalam keadaan baik atau buruk ? Untuk penguji baik buruknya dioda dapat dilakukan menggunakan sebuah Ohmmer (Lihat gambar 2-8) dimana colok Ohmmetar merah (polaritas negatif) dihubungkan ke kaki dioda bertanda strip perak (katoda) dan colok hitam (polaritas positif) pada kaki dioda lainnya. Ohm meter akan menunjukan nilai yang kecil. Dan sebaliknya jika colok Ohmmetar hitam dihubungkan ke kaki dioda bertanda strip perak dan colok merah pada kaki dioda lainnya. Ohm meter akan menunjukan nilai yang besar. Hal demikian berarti dioda dalam keadaan baik. Bagaimana jika dioda dalam keadaan buruk / rusak ?







`



+







0



+



x1 - +



-



0



x1 - +



-



Gambar 2-8 : Pengujian Dioda



2.6. Dioda Zener Dioda zener dirancang untuk beroperasi pada tegangan tembus/konduksi bias mundur (reverse bias), dan biasa disebut “break down diode”. Karakteristik dioda Zener diperlihatkan pada gambar 2-9. Dalam kondisi bias maju dioda zener akan dibias dengan kaki katoda diberi tegangan lebih negatif terhadap anoda atau anoda diberi tegangan lebih positif terhadap katoda. Dalam kondisi demikian dioda zener akan berfungsi sama halnya dioda penyearah dan mulai aktif setelah mencapai tegangan bariernya. Dalam kondisi reverse bias dioda zener kaki katoda selalu diberi tegangan yang lebih positif terhadap anoda. Jika tegangan yang dikenakan mencapai nilai breakdown, pembawa minoritas lapisan pengosongan dipercepat sehingga mencapai kecepatan yang cukup tinggi untuk mengeluarkan elektron valensi dari orbit terluar. Dan dalam Elektronika Analog



14



BAB II : DIODA SEMIKONDUKTOR DIODA PENYEARAH DAN DIODA ZENER



kondisi ini dioda akan mempertahankan nilai tegangan zener pada nilai arus yang bervariasi.



Gambar 2-9 : Karakteristik Dioda Zener



Dalam aplikasinya dioda zener mempunyai data-data spesifikasi yang harus di penuhi dan tidak boleh dilampaui batas maximumnya dan tidak boleh lebih kecil batas minimumnya. Adapun harga batas tersebut memuat antara lain keterangan tentang tegangan break down ( Vz ), arus maximumnya dioda zener ( Iz ), dan tahanan dalam dioda zener ( Rd ) serta daya dioda zener ( Pz ). Contoh fisik dioda yang umum beredar di pasaran dengan berbagai ukuran dan kapasitas daya diantaranya diperlihatkan pada gambar 2-10 (kiri) dan gambar 2-10 (kanan) menunjukan suatu nilai tegangan Vz 18 volt.



Gambar 2-10 : Bentuk Fisik Dioda Zener Elektronika Analog



15



BAB II : DIODA SEMIKONDUKTOR DIODA PENYEARAH DAN DIODA ZENER



2.6.1 Tegangan Breakdown dan Rating Daya Gambar 2-11 menunjukkan kurva arus-tegangan dioda zener dan dengan mengabaikan arus yang mengalir hingga kita mencapai tegangan breakdown Vz. Pada dioda zener, breakdown berada pada daerah lekukan yang sangat tajam, diikuti dengan kenaikan arus yang cepat (kurva hampir vertikal). Perhatikanlah bahwa tegangan kira-kira konstan sama dengan Vz pada arus test Izt tertentu di atas lekukan.



Gambar 2-11 : Daya Maksimum Dioda Zener



Dissipasi daya dioda zener sama dengan perkalian tegangan dan arusnya , yaitu: Pz = Vz Iz. Misalkan, jika Vz = 12 dan Iz = 10 mA, maka Pz = 1,2 . 0,01 = 0,12 W. Selama daya Pz kurang daripada rating daya Pz(max), dioda zener tidak akan rusak. Dioda zener yang ada di pasaran mempunyai rating daya dari 1/4W sampai lebih dari 50 W. 2.6.2 Impendansi Dioda Zener Saat dioda zener bekerja dalam daerah breakdown, dengan tambahan tegangan sedikit akan menghasilkan pertambahan arus yang besar. Ini menandakan bahwa dioda zener mempunyai impedansi yang kecil. Kita dapat menghitung impedansi dengan cara :



Resistansi Statis



=



Resistansi Dinamis =



VZ IZ



(2.3)



VZ I Z



(2.4)



Elektronika Analog



16



BAB II : DIODA SEMIKONDUKTOR DIODA PENYEARAH DAN DIODA ZENER



Resistansi dinamis dioda zener umumnya bernilai kecil yang mengakibatkan ketidakstabilan tegangan Vz yang kecil pula, sehingga besaran ini dalam beberapa kasus dapat diabaikan. Beberapa tipe dioda lain seperti dioda Schottky, dioda varactor, dioda avalanche (Diac), LED (light Emitting Diode), LDR (Light Dependent Resistor) tidak dibahas dalam buku ini. Bahasan



Soal-soal Latihan 1. Terangkan prinsip kerja dioda PN juntion ! 2. Gambar karakteristik V – I dioda germanium dan silikon, terangkan perbedaan dan maknanya ! 3. Terangkan cara pengujian baik buruknya dioda menggunakan multimeter dan bagaimana menentukan terminal Anoda dan Katodanya ? 4. Gambar simbol dan karakteristik dioda zener, terangkan cara kerjanya ! 5. Terangkan bahwa dioda Zener dapat digunakan untuk penstabil tegangan !



Elektronika Analog



17