Makalah Semikonduktor Sebagai Saklar [PDF]

Citation preview

ELEKTRONIKA DAYA BAHAN SEMIKONDUKTOR SEBAGAI SAKLAR (SWITCHING)



Disusun oleh : Gede Eddy Saskara



(1304405099)



I Made Teguh Winasatria



(1304405105)



I Dewa Gede Bayu Wiranatha



(1304405106)



JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA 2015



KATA PENGANTAR Puji dan syukur kami panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa. Karena atas berkat rahmat-Nya kami dapat menyelesaikan makalah semikonduktor sebagai saklar (switching) dengan baik. Makalah semikonduktor sebagai saklar (switching) ini merupakan salah satu tugas yang diberikan dalam mata kuliah elektronika daya. Kami juga tidak lupa untuk mengucapkan terimakasih kepada seluruh pihak yang telah membantu kami dalam proses pembuatan makalah ini. Makalah ini masih sangat jauh dari kesempurnaan, oleh karena itu kritik serta saran yang membangun sangat kami harapkan untuk penyempurnaan makalah ini. Sebagai manusia biasa kami memiliki banyak kesalahan, oleh karena itu kami mohon maaf yang sebesarbesarnya untuk kelancaran penyelesaian makalah ini. Atas perhatian dari semua pihak yang membantu penulisan ini kami ucapkan terimakasih. Semoga makalah ini dapat dipergunakan seperlunya. Denpasar, 7 Oktober 2015



Penulis



BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang



Di era globalisasi saat ini ditandai dengan banyaknya manusia memenfaatkan peralatan modern yang berbasiskan komputer atau elektronik untuk memenuhi kebutuhan hidup manusia. Adanya kemudahan-kemudahan peralatan yang semakin canggih merupakan kemajuan teknologi peralatan yang menggunakan komponen elektronika. Banyak orang yang bekerja di bidang industri dan kependidikan teknik khususnya kelistrikan atau elektro, misalnya teknisi, instalatir, jaringan dan tenaga listrik. Mereka sebaiknya harus memiliki pengetahuan yang luas tentang ilmu daripada bahan-bahan yang berhubungan dengan profesinya masing-masing. Mempunyai pengetahuan mengenai asal bahan, jenis-jenis bahan, fungsi bahan, dan sifat-sifat dari bahan adalah sangat penting dimiliki bagi mereka yang bekerja di bidang industri dan kependidikan teknik. Secara khusus penulis mengambil salah satu jenis bahan yaitu bahan Semikonduktor dan untuk pembahasan dan penyusunan makalah ini akan dibahas mengenai semikonduktor sebagai saklar (switching). 1.2 Rumusan Masalah Uraian rumusan masalah tentang Semikonduktor yang dapat penulis batasi meliputi: a. Apa yang dimaksud dengan bahan semikonduktor? b. Bagaimana penerapan semikonduktor sebagai saklar (switching)?



1.3



Tujuan a. Agar mahasiswa mengetahui pengertian dari bahan semikonduktor. b. Agar mahasiswa mengetahui penerapan semikonduktor sebagai saklar (switching).



1.4



Batasan Masalah Adapun batasan masalah dalam makalah ini adalah : a. Makalah ini hanya membahas pengertian dari bahan semikonduktor. b. Makalah ini hanya membahas penerapan semikonduktor sebagai saklar (switching).



BAB II PEMBAHASAN 2.1



Pengertian Bahan Semikonduktor Semikonduktor adalah salah satu dari tiga macam bahan penghantar, dimana



dua bahan yang lainnya yaitu konduktor dan isolator. Konduktor merupakan penghantar listrik yang baik dan isolator merupakan penghantar listrik yang buruk. Sedangkan semikonduktor merupakan bahan penghantar yang memiliki konduktivitas listrik diantara insulator dan konduktor. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai insulator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruangan besifat sebagai konduktor. Contoh bahan semikonduktor yang dapat dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari adalah silikon, germanium, dan galliumarsenide. Tahanan jenis bahan semikonduktor antara sekitar 10 -3 Ωm sampai dengan sekitar 10+3 Ωm. Atom-atom bahan semikonduktor membentuk kristal dengan struktur tetrahedral, dengan ikatan kovalen. Bahan semikonduktor yang banyak dipakai dalam elektronika adalah silikon (Si) dan Germanium (Ge). Pada 0 oK SI mempunyai lebar pita terlarang (energy gap) 0,785 eV, sedang untuk Ge 1,21 eV.



Baik Si maupun Ge mempunyai elektron valensi 4. Ada 2 jenis bahan semikonduktor yaitu semikonduktor intrinsik (murni) dan semikonduktor ekstrinsik (tidak murni). Untuk semikonduktor ekstrinsik ada 2 tipe yaitu tipe P dan tipe N. 2.1.1



Semikonduktor Intrinsik (Murni) Silikon dan germanium merupakan dua jenis semikonduktor yang sangat



penting dalam elektronika. Keduanya terletak pada kolom empat dalam tabel periodik dan mempunyai elektron valensi empat. Struktur kristal silikon dan germanium berbentuk tetrahedral dengan setiap atom memakai bersama sebuah elektron valensi dengan atom-atom tetangganya. Gambar 1 memperlihatkan bentuk ikatan kovalen dalam dua dimensi. Pada temperatur mendekati harga nol mutlak, elektron pada kulit terluar terikat dengan erat sehingga tidak terdapat elektron bebas atau silikon bersifat sebagai insulator.



Gambar 1. Ikatan kovalen silikon dalam dua dimensi



Energi yang diperlukan untuk memutus sebuah ikatan kovalen adalah sebesar 1,1 eV untuk silikon dan 0,7 eV untuk germanium. Pada temperatur ruang (300K), sejumlah elektron mempunyai energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dari ikatan dan tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi menjadi elektron bebas (gambar 2). Besarya energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari pita



valensi ke pita konduksi ini disebut energi terlarang (energy gap). Jika sebuah ikatan kovalen terputus, maka akan terjadi kekosongan atau lubang (hole). Pada daerah dimana terjadi kekosongan akan terdapat kelebihan muatan positif, dan daerah yang ditempati elektron bebas mempunyai kelebihan muatan negatif. Kedua muatan inilah yang memberikan kontribusi adanya aliran listrik pada semikonduktor murni. Jika elektron valensi dari ikatan kovalen yang lain mengisi lubang tersebut, maka akan terjadi lubang baru di tempat yang lain dan seolah-olah sebuah muatan positif bergerak dari lubang yang lama ke lubang baru. Gambar 2. (a) Struktur kristal silikon memperlihatkan adanya sebuah ikatan kovalen yang terputus dan (b) Diagram pita energi menunjukkan tereksitasinya elektron ke pita konduksi dan meninggalkan lubang di pita valensi.



(a)



(b) Gambar 2. (a) Struktur kristal silikon memperlihatkan adanya sebuah ikatan kovalen yang terputus dan (b) Diagram pita energi menunjukkan tereksitasinya elektron ke pita konduksi dan meninggalkan lubang di pita valensi



Proses aliran muatan ini, yang biasa disebut sebagai “arus drift” dapat dituliskan sebagai berikut : “Peristiwa hantaran listrik pada semikonduktor adalah akibat adanya dua partikel masing-masing bermuatan positif dan negatif yang bergerak dengan arah yang berlawanan akibat adanya pengaruh medan listrik”. 2.1.2



Semikonduktor Ekstrinsik (Tak Murni) Kita dapat memasukkan pengotor berupa atom-atom dari kolom tiga atau lima



dalam tabel periodik (memberi doping) ke dalam silikon atau germanium murni (lihat gambar 3). Elemen semikonduktor beserta atom pengotor yang biasa digunakan diperlihatkan pada tabel 1. Tabel 1.1 Elemen semikonduktor pada tabel periodik



2.1.2.1 Semikonduktor tipe-n Semikonduktor tipe-n dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotor pentavalen (antimony, phosphorus atau arsenic) pada silikon murni. Atomatom pengotor (dopan) ini mempunyai lima elektron valensi sehingga secara efektif memiliki muatan sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalen menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, hanya empat elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalen lengkap, dan tersisa sebuah elektron yang tidak berpasangan (lihat gambar 3). Dengan adanya energi thermal yang kecil saja, sisa elektron ini akan menjadi electron bebas dan siap menjadi pembawa muatan dalam proses hantaran listrik. Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-n karena menghasilkan pembawa muatan negatif dari kristal yang netral. Karena atom pengotor memberikan elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom donor. Secara skematik semikonduktor tipe-n digambarkan seperti terlihat pada gambar 1.3.



(a)



(b) Gambar 3. (a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi lima menggantikan posisi salah satu atom silikon dan (b) Struktur pita energi semikonduktor tipe-n, perhatikan letak tingkat energi atom donor.



2.1.2.2 Semikonduktor tipe-p Dengan cara yang sama seperti pada semikonduktor tipe-n, semikonduktor tipe-p dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecif atom pengotor trivalen (aluminium, boron, galium atau indium) pada semikonduktor murni, misalnya silikon



murni. Atom-atom pengotor (dopan) ini mempunyai tiga elektron valensi sehingga secara efektif hanya dapat membentuk tiga ikatan kovalen. Saat sebuah atom trivalen menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, terbentuk tiga ikatan kovalen lengkap, dan tersisa sebuah muatan positif dari atom silikon yang tidak berpasangan (lihat gambar 4) yang disebut lubang (hole). Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-p karena menghasilkan pembawa muatan negatif pada kristal yang netral. Karena atom pengotor menerima elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom aseptor (acceptor). Secara skematik semikonduktor tipe-p digambarkan seperti terlihat pada gambar 4.



(a)



(b) Gambar 4. (a) Struktur kristal silikon memperlihatkan adanya sebuah ikatan kovalen yang terputus dan (b) Diagram pita energi menunjukkan tereksitasinya elektron ke pita konduksi dan meninggalkan lubang di pita valensi



2.1.3 Generasi dan Rekombinasi Proses generasi (timbulnya pasangan elektron-lubang per detik per meter kubik) tergantung pada jenis bahan dan temperatur. Energi yang diperlukan untuk proses generasi dinyatakan dalam elektron volt atau eV. Energi dalam bentuk temperatur T dinyatakan dengan kT, dimana k adalah konstanta Boltzmann. Analisa secara statistik menunjukkan bahwa probabilitas sebuah elektron valensi menjadi elektron bebas adalah sebanding dengan e eVG kT / . Jika energi gap eVG berharga kecil dan temperatur T tinggi maka laju generasi termal akan tinggi. Pada semikonduktor, elektron atau lubang yang bergerak cenderung mengadakan rekombinasi dan menghilang. Laju rekombinasi (R), dalam pasangan elektron-lubang per detik per meter kubik, tergantung pada jumlah muatan yang ada. Jika hanya ada sedikit elektron dan lubang maka R akan berharga rendah; sebaliknya R akan berharga tinggi jika tersedia elektron dan lubang dalam jumlah yang banyak. Sebagai contoh misalnya pada semikonduktor tipe-n, di dalamnya hanya tersedia sedikit lubang tapi terdapat jumlah elektron yang sangat besar sehingga R akan berharga sangat tinggi 2.2



Saklar Daya Semikonduktor



2.2.1 Dioda Dioda merupakan komponen elektronika daya yang memiliki dua terminal, yaitu: anoda (A) dan katoda (K). Jika sebuah dioda difungsikan sebagai sakelar elektronis dalam suatu rangkaian tertutup, maka dioda akan konduksi (ON) jika potensial pada anoda lebih positif daripada potensial pada katoda. Kondisi ini biasanya disebut dalam keadaan bias maju (forward bias). Sebaliknya, dioda akan memblok (OFF) jika potensial pada anoda lebih negatif daripada potensial pada katoda. Kondisi ini disebut dalam keadaan bias mundur (reversed bias).



Misalkan kita memiliki sepotong silikon tipe-p dan sepotong silikon tipe-n dan secara sempurna terhubung membentuk sambungan p-n seperti diperlihatkan pada gambar 5. Sesaat setelah terjadi penyambungan, pada daerah sambungan semikonduktor terjadi perubahan. Pada daerah tipe-n (gambar 5, sebelah kanan) memiliki sejumlah elektron yang akan dengan mudah terlepas dari atom induknya. Pada bagian kiri (tipe p), 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 5. Sambungan semikonduktor tipe-p dan tipe-n



Gambar 6. 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 positif di daerah tipe-n dan lapisan muatan negatif di daerah tipe-p. 2.2.1.1 Panjar maju (Forward Bias)



Besarnya komponen arus difusi sangat sensitif terhadap besarnya potensial penghalang Vo. Pembawa muatan mayoritas yang memiliki energi lebih besar dari



o



eVo dapat melewati potensial penghalang. Jika keseimbangan potensial terganggu oleh berkurangnya ketinggian potensial penghalang menjadi Vo-V, 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, arus If akan mengalir.



Gambar 7. Dioda p-n berpanjar maju (forward bias): (a) Rangkaian dasar dan (b) Potensial penghalang mengalami penurunan.



2.2.1.2 Panjar mundur (Reverse Bias) Jika potensial penghalang dinaikkan menjadi Vo+V dengan memasang panjar mundur sebesar V (lihat gambar 8), 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. 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 A (untuk germanium) dan nA (untuk silikon). Secara ideal, arus mundur seharusnya berharga nol, sehingga harga -Io yang sangat rendah pada silikon merupakan factor keunggulan silikon dibandingkan germanium. Besarnya Io berbanding lurus dengan laju generasi termal 2i g rn dimana harganya berubah secara eksponensial terhadap perubahan temperatur.



Gambar 8. Diode p-n berpanjar mundur (reverse bias) (a) Rangkaian dasar dan (b) Potensial penghalang meninggi.



2.2.1.3 Tipe Power Dioda Secara ideal sebuah dioda seharusnya tidak mempunyai waktu pemulihan baik. Oleh karenanya pembuatan dioda semacam itu sangat mahal. Pada kebanyakan aplikasi, pengaruh dari waktu pemulihan balik tidak terlau penting, sehingga dioda kurang dapat digunakan. Tergantung pada karakteristik pemulihan dan teknik pembuatan, dioda daya dapat diklasifikasikan dalam tiga kategori. a. Dioda standar atau dioda umum (general purpose) b. Dioda pemulihan-cepat (Fast-recovery dioda) c. Dioda Schottky a.



Dioda Standar Dioda penyearah standar mempunyai waktu pemulihan balik yang relatif



tinggi, biasanya sekitar 25 μdetik, dan digunakan pada aplikasi kecepatan rendah, yang waktu pemulihannya tidak kritis. Dioda ini mencakup tingkatan arus kurang dari



1 A hingga beberapa ribu ampere, dengan tingkat tegangan antara 50 V hingga sekitar 5 kV. Dioda ini secara umum dibuat secara difusi. Akan tetapi pemakaian pada penyearah yang digunakan untuk suplai pengelasan paling efektif pembiayaannya, kasar, dan mempunyai tingkat kemampuan hingga 300 A dan 1000 V. Dioda ini secara umum dibuat secara difusi. Akan tetapi pemakaian pada penyearah yang digunakan untuk suplai pengelasan paling efektif pembiayaannya, kasar, dan mempunyai tingkat kemampuan hingga 300 A dan 1000 V. b.



Dioda Pemulihan Cepat Dioda pemulihan cepat mempunyai waktu pemulihan paling rendah umumnya



kurang dari 5 μdetik. Digunakan untuk rangkaian konverter DC-DC dan DC-AC, yang memerlukan kecepatan pemulihan yang tinggi. Dioda ini mencakup tingkat arus mulai kurang dari 1 A hingga ratusan ampere, dengan tingkat tegangan mulai 50 V hingga 3 kV. Untuk tingkat tegangan diatas 400 V, dioda ini dibuat melalui difusi dan waktu pemulihan diatur oleh difusi platina atau emas. Untuk tingkat tegangan dibawah 400 V, dioda epitaksi lebih cepat dibanding dioda difusi. Dioda pemulihan cepat mempunyai lebar basis yang lipis, yang menghasilkan waktu pemulihan ulang kurang dari 50 µdetik. c. Dioda Schottky Masalah penyimpanan muatan pada pn-juntion dapat dihilangkan (atau diminimalkan) dalam dioda Schottky. Dioda Schottky mempunyai drop tegangan relatif rendah dan arus bocornya lebih tinggi dari pada dioda biasa serta tegangan konduksi yang relatif rendah. Akan tetapi tegangan yang diijinkan secara umum terbatas hingga 100 V dan kapasitas arusnya antara 1 A hingga 300 A. Oleh karenanya dioda Schottky ideal digunakan pada chopper-DC suplai tegangan rendah dan arus rendah sehingga dapat menaikkan efisiensi. 2.2.2 Transistor Transistor memiliki tiga terminal : basis, emitor, dan kolektor. Pada rangkaian elektronika daya, transistor umumnya dioperasikan sebagai sakelar dengan



konfigurasi emitor-bersama. Transistor bekerja atas dasar prinsip kendali-arus (current driven). Transistor dengan jenis NPN akan ON jika pada terminal kolektoremitor diberi panjar (bias) dan pada basis memiliki potensial lebih positif daripada emitor dan memiliki arus basis yang mampu mengendalikan transistor pada daerah jenuh. Sebaliknya, transistor akan OFF jika arus basis dikurangi hingga pada kolektor tidak dapat mengalirkan arus listrik. Pada bagian ini kita akan pertama-tama membahas transistor bipolar atau BJT (bipolar junction transistor). Berikutnya akan kita bahas transistor unipolar seperti misalnya FET (field-effect transistor). Dibandingkan dengan FET, BJT dapat memberikan penguatan yang jauh lebih besar dan tanggapan frekuensi yang lebih baik. Pada BJT baik pembawa muatan mayoritas maupun pembawa muatan minoritas mempunyai peranan yang sama pentingnya.



Gambar 9. Diagram BJT : (a) Jenis n-p-n dan (b) Jenis p-n-p



Terdapat dua jenis kontruksi dasar BJT, yaitu jenis n-p-n dan jenis p-n-p. Untuk jenis n-p-n, BJT terbuat dari lapisan tipis semikonduktor tipe-p dengan tingkat doping yang relatif rendah, yang diapit oleh dua lapisan semikonduktor tipe-n. Karena alasan sejarah pembuatannya, bagian di tengah disebut “basis” (base), salah satu bagian tipe-n (biasanya mempunyai dimensi yang kecil) disebut “emitor”



(emitter) dan yang lainya sebagai “kolektor” (collector). Secara skematik kedua jenis transistor diperlihatkan pada gambar 9. Tanda panah pada gambar 9 menunjukkan kaki emitor dan titik dari material tipe-p ke material tipe-n. Perhatikan bahwa untuk jenis n-p-n, transistor terdiri dari dua sambungan p-n yang berperilaku seperti dioda. Setiap dioda dapat diberi panjar maju atau berpanjar mundur, sehingga transistor dapat memiliki empat modus pengoperasian. Salah satu modus yang banyak digunakan disebut “modus normal”, yaitu sambungan emitor-basis berpanjar maju dan sambungan kolektor-basis berpanjar mundur. Modus ini juga sering disebut sebagai pengoperasian transistor pada “daerah aktif”. 2.2.2.1 Pabrikasi BJT Pabrikasi BJT dapat dilakukan dengan dua teknik, yaitu struktur transistoralloy melalui difusi dan struktur transistor planar. Kolektor terbuat dari chip semikonduktor tipe-n dengan ketebalan kurang dari 1 mm2. Daerah basis dibuat dengan proses difusi kemudian dibuat kontak logam untuk dihubungkan dengan kaki basis. Daerah emitor dibuat dengan teknik alloy pada daerah basis. Sebagai hasilnya berupa sebuah pasangan sambungan p-n yang dipisahkan oleh daerah basis kira-kira setebal kertas 2.2.2.2 Pengoprasian Transistor Pada gambar 10 (a), diperlihatkan keping horizontal transistor jenis n-p-n. Pengoperasian transistor dapat diterangkan secara kualitatif dalam hal distribusi potensial pada sambungan (gambar 10 (b)). Sambungan emitor berpanjar maju, dengan efek dari tegangan panjar



EB



V terjadi penurunan tegangan penghalang pada



sambungan emitor dan memberi kesempatan pada elektron melakukan injeksi ke basis dimana pada daerah ini miskin elektron (minoritas). Sambungan kolektor berpanjar mundur; sebagai efek dari pemasangan tegangan panjar CB V akan menaikkan potensial penghalang pada sambungan kolektor. Karena daerah basis sangat tipis, hampir semua elektron yang terinjeksi pada basis



tersapu ke kolektor dimana mereka melakukan rekombinasi dengan lubang yang “disediakan” dengan pemasangan baterai luar. (Sebenarnya terjadi pengambilan elektron oleh baterai eksternal, meninggalkan lubang untuk proses rekombinasi). Sebagai hasilnya terjadi transfer arus dari rangkaian emitor ke rangkaian kolektor yang besarnya hampir tidak tergantung pada tegangan kolektor-basis. Seperti akan kita lihat, transfer tersebut memungkinkan pemasangan hambatan beban yang besar untuk mendapatkan penguatan tegangan.



Gambar 2.6 Pengoperasian transistor jenis n-p-n



(a)



(b)



(c) Gambar 11. Karakteristik Transistor (a) simbol, (b) karakteristik i-v, (c) karakteristik ideal



2.2.2.3 Transistor Sebagai Saklar Transistor dapat difungsikan sebagai saklar elektronik, yaitu dengan mengatur arus basis IB dapat menghasilkan arus kolektor IC yang dapat menghidupkan lampu P1 dan mematikan lampu. Dengan tegangan suplai UB = 12V dan pada tegangan basis U1, akan mengalir arus basis IB yang membuat transistor cut-in dan



menghantarkan arus kolektor IC, sehingga lampu P1 menyala. Jika tegangan basis U1 dimatikan dan arus basis IB = 0, dengan sendirinya transistor kembali mati dan lampu P1 akan mati. Dengan pengaturan arus basis IB, transistor dapat difungsikan sebagai saklar elektronik dalam posisi ON atau OFF. Ketika transistor sebagai saklar kita akan lihat tegangan kolektor terhadap emitor UCE. Ada dua kondisi, yaitu ketika transistor kondisi ON, dan transistor kondisi OFF. Saat transistor kondisi ON tegangan UCE saturasi. Arus basis IB dan arus kolektor maksimum dan tahanan kolektor emitor RCE mendekati nol, terjadi antara 0 sampai 50 µdetik. Ketika transistor kondisi OFF, tegangan UCE mendekati tegangan UB dan arus basis IB dan arus kolektor IC mendekati nol, pada saat tersebut tahanan RCE tak terhingga, lihat Gambar 14.



Gambar 12. Karakteristik output transistor



Gambar 13. Karakteristik output transistor



Gambar 14. Karakteristik output transistor



2.2.3 Thyristor Istilah Thyristor berasal dari tabung Thyratron-Transistor, dimana dengan perkembangan teknologi semikonduktor, maka tabung-tabung elektron yang bentuknya relatif besar dapat digantikan oleh tabung-tabung transistor yang



berukuran jauh lebih kecil tanpa mengurangi kemampuan operasionalnya. Yang termasuk dalam keluarga thyristor adalan Silicon Controlled Rectifier (SCR), Diac, Triac yang semuanya didasari dari Dioda Lapis Empat (Four Layers Diode). Bahan dasar thyristor ini adalah dari silicon dengan pertimbangan jauh lebih tahan panas dibandingkan dengan bahan germanium. Thyristor ini banyak digunakan sebagai alat pengendali tegangan atau daya yang tinggi dengan kemampuan yang tinggi. 2.2.3.1 SCR (Silicon Controlled Rectifier) SCR (Silicon Controlled Rectifier) yaitu penyearah yang didesain dari material silikon dengan terminal ketiga untuk tujuan-tujuan pengendalian. Pada tahun terakhir SCR mampu mengendalikan power s/d 10 MW dengan rating arus s/d 2000 A secara tunggal pada tegangan 1800 V dengan frekwensi s/d 50 kHz. Untuk mengatur arus yang cukup besar yang melalui Anoda-Katoda, hanya diperlukan arus yang kecil dari Gate. Selama arus Anoda-Katoda tetap mengalir, arus Gate dapat dihilangkan setelah satu kali melakukan penyulutan. Bila SCR digunakan pada arus AC, maka hanya akan mengalir arus kesatu arah saja, seperti halnya pada dioda. Pada pengaturan daya AC dengan SCR dikenal istilah sudut tunda penyulutan (firing delay angle) yaitu periode yang hilang sebelum SCR tersulut. Rangkaian penyulut pada Gate dapat berupa R maupun RC. Dengan rangkaian RC akan dapat diatur firing delay angle dalam jangkah yang lebar.



Gambar 15. SCR



Gambar 16. Konstruksi dasar dan simbolnya



Gambar 17. Rangkaian Kaskade Transistor



SCR mempunyai tiga buah elektroda, yaitu Anoda, Katoda dan Gate dimana anoda berpolaritas positif dan katoda berpolaritas negatif sebagai layaknya sebuah dioda penyearah (rectifier). Kaki Gate juga berpolaritas positif. Gambar diatas ini memperlihatkan pengembangan konstruksi dan diekuivalenkan dengan rangkaian kaskade transistor. 2.2.4 MOSFET MOSFET merupakan piranti semikonduktor daya yang memiliki tiga terminal :gate (gerbang), sumber (source), dan pengalir (drain). MOSFET bekerja atas dasar prinsip kendali-tegangan (voltage-driven). Gambar 18 merupakan simbol, karakteristik i-v, dan karakteristik ideal dari MOSFET. Rangkaian pengaturan ON dan OFF dengan piranti MOSFET lebih mudah dibandingkan piranti transistor. Jika pada terminal gerbang-sumber dicatu tegangan yang cukup besar maka piranti akan ON, sehingga menghasilkan tegangan yang kecil antara terminal pengalir-sumber. Dalam kondisi ON. perubahan tegangan pada terminal pengalir-sumber berbanding lurus



dengan arus pada terminal pengalirnya. Jadi, terminal pengalir-sumber memiliki resistansi sangat kecil pada saat kondisi ON. MOSFET daya umumnya digunakan sebagai konverter dengan kapasitas tegangan dan arus mencapai 1000 V, 50 A, dengan frekuensi pensakelaran di atas 100 kHz. Jika MOSFET dalam kondisi ideal, ketika MOSFET dalam kondisi ON memiliki karakteristik tegangan pada terminal pengalir dan sumber (VDS) sama dengan nol dan arus yang mengalir sama dengan arus bebannya. Sebaliknya, ketika MOSFET dalam kondisi OFF memiliki karakteristik tegangan pada MOSFET sama dengan tegangan sumbernya (VDD) dan arus yang mengalir sama dengan nol. Dalam kondisi MOSFET ON dan OFF ini dapat dinyatakan tidak terjadi kerugian daya pada MOSFET sebagai sakelar.



(a)



(b)



(c) Gambar 18. Karakteristik MOSFET(a) simbol, (b) karakteristik i-v, (c) karakteristik ideal



2.2.5 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) IGBT komponen elektronika yang banyak dipakai dalam elektronika daya, aplikasinya sangat luas dipakai untuk mengatur putaran motor DC atau motor AC daya besar, dipakai sebagai inverter yang mengubah tegangan DC menjadi AC, dipakai komponen utama Variable Voltage Variable Frequency (VVVF) pada KRL modern, dipakai dalam kontrol pembangkit tenaga angin dan tenaga panas matahari. Di masa depan IGBT akan menjadi andalan dalam industri elektronika maupun dalam listrik industri.



Gambar 19. Struktur fisik dan kemasan IGBT



IGBT memiliki kesamaan dengan transistor bipolar, perbedaannya pada transistor bipolar arus basis IB yang diatur sedangkan pada IGBT yang diatur adalah tegangan gate ke emitor UGE. Dari gambar 20 karakteristik IGBT, pada tegangan



UCE = 20 V dan tegangan gate diatur dari minimum 8 V, 9 V dan maksimal 16 V, arus kolektor IC dari 2 A sampai 24 A.



Gambar 20. Karakteristik output IGBT



BAB III PENUTUP 3.1



Kesimpulan Semikonduktor adalah salah satu dari tiga macam bahan penghantar, dimana



dua bahan yang lainnya yaitu konduktor dan isolator. Semikonduktor merupakan bahan penghantar yang memiliki konduktivitas listrik diantara insulator dan konduktor. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai insulator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruangan besifat sebagai konduktor. Contoh bahan semikonduktor yang dapat dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari adalah silikon, germanium, dan galliumarsenide. Jika sebuah dioda difungsikan sebagai sakelar elektronis dalam suatu rangkaian tertutup, maka dioda akan konduksi (ON) jika potensial pada anoda lebih positif daripada potensial pada katoda. Kondisi ini disebut bias maju (forward bias). Sebaliknya, dioda akan memblok (OFF) jika potensial pada anoda lebih negatif daripada potensial pada katoda. Kondisi ini disebut bias mundur (reversed bias). Transistor dapat difungsikan sebagai saklar elektronik, yaitu dengan mengatur arus basis IB dapat menghasilkan arus kolektor IC yang dapat menghidupkan lampu P1 dan mematikan lampu. Saat transistor kondisi ON tegangan UCE saturasi. Arus basis IB dan arus kolektor maksimum dan tahanan kolektor emitor RCE mendekati nol, terjadi antara 0 sampai 50 µdetik. Ketika transistor kondisi OFF, tegangan UCE mendekati tegangan UB dan arus basis IB dan arus kolektor IC mendekati nol, pada saat tersebut tahanan RCE tak terhingga. 3.2



Saran Kami sadar dalam penyusunan makalah bahan semikonduktor sebagai saklar



(switching) ini masih sangat jauh dari kesempurnaan, maka dari itu saran dan bimbingan dari para bapak dosen selaku pembina, kami harapkan demi kesempurnaan karya penulis selanjutnya.



DAFTAR PUSTAKA http://staff.uny.ac.id/sites/default/files/Materi%20Elektronika%20Daya %20(Komponen%20Elektronika%20Daya%202).pdf http://listrikd3.itn.ac.id/asset/download/2013-08-23-11-18-16_O%20DAYA.pdf http://id.scribd.com/doc/214597770/2013-08-23-12-32-49-a-daya#scribd http://elektronika-dasar.web.id/?=teorisemikonduktor-sebagai-saklar http://teknikelektronika.com/pengertian-saklar-listrik-cara-kerjanya/