Sambungan P-N Bagian A [PDF]

Citation preview

FISIKA ZAT PADAT SAMBUNGAN P-N



MAKALAH



Disusun oleh: 1.Entang Wulancahayani (16030224006) 2. Asiyah Khoiril Bariyah (16030224026)



JURUSAN FISIKA FAKULTAS ILMU PENGETAHUAN ALAM DAN MATEMATIKA UNIVERSITAS NEGERI SURABAYA SURABAYA 2019



Sambungan p-n



Sambungan p-n merupakan elemen dasar dari semua perangkat bipolar. Sambungan p-n ini dapat dengan mudah mengalirkan arus hanya pada satu arah saja. Sambungan p-n sering kali disebut sebagai diode. Berikut merupakan contoh aplikasi dari sambungan p-n; a. b. c. d.



Fotodioda, dioda cahaya sensitif LED- dioda pemancar cahaya Dioda varactor-dioda variabel kapasitansi Sel surya



Terdapat perbedaan tingkat fermi yang sangat besar pada sambungan p-n. A. Pembentukan Sambungan p-n Sambungan p-n di bentuk dengan menyambungkan suatu potongan silikon tipe p dengan suatu potongan silikon tipe n. Tapi pembentukan sambungan p-n tidak mudah, karena: 1) Hanya terdapat beberapa titik kontak saja dan tiap arus yang mengalir akan dibatasi pada beberapa titik ini, malah seluruh daerah permukan sambungan. 2) Silikon yang telah terkena udara selalu mempunyai lapisan oksida tipis di permukaannya, yang dinamakan “oksida asli”. Oksida ini merupakan isolator yang sangat baik, dan akan mencegah aliran arus. 3) Susunan pengikatan mengganggu pemukaan; ikatan menjuntai.



Untuk mengatasi masalah permukaan ini, sambungan p-n dapat dibentuk di sebagian besar semikonduktor, menjauhi permukaan sebanyak mungkin. B. Mengidealkan Sambungan p-n; rekombinasi pembawa dan difusi pembawa



❖ Kumpulan elektron pada sisi kiri akan berdifusi ke kanan dan kumpulan hole pada sisi kanan akan beregerak ke kiri ❖ Donor dan aseptor tetap, tidak bergerak (kecuali jika memanaskan semikonduktor, maka keduanya akan berdifusi) karena keduanya merupakan elemen (seperti arsen dan boron) yang menyatu menjadi kisi. ❖ Bagaimanapun juga, elektron dan hole yang berasal dari donor dan aseptor bebas bergerak ❖ Hole berdifusi ke kiri sambungan metalurgi dan bergabung dengan elektron yang ada di sisi itu. hole ini meninggalkan pusat aseptor yang bermuatan negatif. ❖ Dengan cara yang sama, elektron yang berdifusi ke kanan akan meninggalkan pusat donor yang bermuatan positif. Proses difusi ini tidak dapat berjalan selamanya. Karena, meningkatnya jumlah muatan yang tetap akan secara elektrostatik menarik pembawa yang mencoba berdifusi (pusat donor akan menjaga elektron dan pusat aseptor akan menjaga hole). Kesetimbagan tercapai.



❖ Muatan yang tetap ini menghasilkan medan listrik yang memperlambat proses difusi. ❖ Daerah muatan yang tetap ini dikenal sebagai daerah deplesi atau daerah muatan yang ditinggalkan oleh pembawa bebas. ❖ Dinamakan daerah deplesi karena mengalami deplesi oleh pembawa bebas. ❖ Diagram tingkat energi untuk sambungan p-n yang berada dalam kesetimbanagan termal



C. Kesetimbangan termal; tidak digunakan medan; tidak ada arus yang mengalir 𝐽𝑝 = 𝐽𝑝 (𝑑ℎ𝑎𝑛𝑦𝑢𝑡) + 𝐽𝑝 (𝑑𝑖𝑓𝑢𝑠𝑖) = 0  (1) 𝐽𝑝   𝑎𝑑𝑎𝑙𝑎ℎ 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑎𝑠 𝑎𝑟𝑢𝑠 ℎ𝑜𝑙𝑒



𝐽𝑝 = 𝑞𝜇𝑝 𝑝𝐸𝑥 − 𝑞𝐷𝑝 𝑑𝑖𝑚𝑎𝑛𝑎



𝑑𝑝 = 0 (2) 𝑑𝑥



(



𝐴 ) 𝑐𝑚2



𝐸𝑥 =



1 𝑑𝐸𝑖 𝑞 𝑑𝑥



𝐷𝑝 =



𝜇𝑝 𝑘𝑇 𝑞



(𝑅𝑒𝑙𝑎𝑠𝑖 𝐸𝑖𝑛𝑠𝑡𝑒𝑖𝑛 )



Arus hanyut disebabkan karena medan listrik pada sambungan: pembawa minoritas. Sedangkan difusi arus disebabkan karena adanya gradien konsentrasi; pembawa mayoritas Pembuktian 𝐽𝑝 = 𝜇𝑝 (𝑝



𝑑𝐸𝑖 𝑑𝑝 − 𝑘𝑇 ) = 0 (3) 𝑑𝑥 𝑑𝑥



𝑝 = 𝑛𝑖 𝑒𝑥𝑝(



𝐽𝑝 = 𝜇𝑝 𝑝



𝐸𝑖 − 𝐸𝑓 𝑑𝑝 𝑝 𝑑𝐸𝑖 𝑑𝐸𝑓 )⇒ = ( − ) 𝑘𝑇 𝑑𝑥 𝑘𝑇 𝑑𝑥 𝑑𝑥



𝑑𝐸𝑓 = 0 (4) 𝑑𝑥



𝑑𝐸𝑓 = 0 𝑑𝑖𝑚𝑎𝑛𝑎 𝑑𝑥 𝑡𝑖𝑛𝑔𝑘𝑎𝑡 𝑓𝑒𝑟𝑚𝑖 𝑎𝑑𝑎𝑙𝑎ℎ 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛 𝑠𝑎𝑎𝑡 𝑠𝑒𝑡𝑖𝑚𝑏𝑎𝑛𝑔 𝑑𝐸𝑓 𝐽𝑛 = 𝜇𝑛 𝑛 = 0 (5) 𝑑𝑥 𝑘𝑖𝑡𝑎 𝑑𝑎𝑝𝑎𝑡 𝑚𝑒𝑛𝑦𝑖𝑚𝑝𝑢𝑙𝑘𝑎𝑛 𝑏𝑎ℎ𝑤𝑎  



❖ Arus hanyut dan difusi mengalir sepanjang waktu. Tapi, pada kesetimbangan termal, aliran arus totalnya adalah nol, karena karena arusnya saling berlawanan satu sama lain ❖ Di bawah kondisi tidak setimbang, satu dari mekanisme aliran arus akan lebih mendomminasi dari yang lainnya, menghasilkan aliran arus total (net current flow). ❖ Elektron yang akan berdifusi dari lapisan tipe nke tipe p akan memilki potensial penghalang. D. Tinggi penghalang sambungan p-n, 𝑽𝒃𝒊 Tınggi potensial penghalang 𝑉𝑏𝑖 , melintasi sambungan p-n dikenal sebagai potensial sambungan. Energi potensial yang terkait dengan potensial penghalang ini adalah 𝑞𝑉𝑏𝑖



• •



Energi elektron bernilai positif ke atas ada diagram tingkat energi, jadi potensial elektron, jadi potensi elektron akan diukur positif ke bawah. Energi dan potensial hole tentunya bernilai positif, berlawanan arah dengan elektron.



Tingkat Fermi instrinsik adalah tingkat referensi yang sangat berguna pada suatu semikonduktor 𝑝 = 𝑛𝑖 𝑒𝑥𝑝 (



𝐸𝑖 − 𝐸𝑓 ) 𝑘𝑇



𝑘𝑇 𝑁𝐴 𝑙𝑛 (2) 𝑞 𝑛𝑖 𝑑𝑒𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑐𝑎𝑟𝑎 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑠𝑎𝑚𝑎 𝑢𝑛𝑡𝑢𝑘 |𝑉𝑛 | 𝑘𝑇 𝑁𝐷 |𝑉𝑛 | = 𝑙𝑛 (3) 𝑞 𝑛𝑖 𝑢𝑛𝑡𝑢𝑘 𝑖𝑜𝑛𝑖𝑠𝑎𝑠𝑖 𝑝𝑒𝑛𝑢ℎ,  𝑘𝑇 𝑁𝐴 𝑁𝐷 |𝑉𝑏𝑖 | = |𝑉𝑛 | + |𝑉𝑝 | = 𝑙𝑛 2 (4) 𝑞 𝑛𝑖 |𝑉𝑝 | =



E. Kesetimbangan Termal Sambungan p-n Mekanisme Arus, ❖ Difusi pembawa menyebabkan madan listrik pada DR.



❖ Arus hanyut disebabkan karena adanya medan litrik pada DR ❖ Difusi arus disebabkan karena pembawa mayoritas ❖ Arus hanyut disebabkan karena pembawa minoritas



F. Difusi Ketika elektron dan hole berdifusi dari daerah berkonsentrasi tinggin ke daerah berkonsentrasi rendah, keduanya mempunyai potensial penghalang. Namun, pada kasus pembawa minoritas hanyut, tidak ada potensial penghalang. Besarnya potensial penghalang dapat dirumuskan sebagai berikut; 𝑉𝑏𝑖 =



𝑘𝑇 𝑁𝐴 𝑁𝐷 𝑙𝑛 2 𝑞 𝑛𝑖



Pada T tetap, potensial penghalang ditentukan oleh jumlah atom NA dan ND G. Perkiraan Deplesi, Medan listrik, dan Potensial pada Sambungan p-n ❖ Pada kestimbangan, tidak ada yang hanyut, dengan kata lain, tidak digunakan tegangan. ❖ Medan memilki arah yang sama dengan muatan ❖ Tanda medan listrik berlawanan arah dengan potensial; 𝐸𝑣 = −



𝑑𝑉𝑛 𝑑𝑥



Xn



:lebar daerah deplesi pada sisi n



Xp



: lebar daerah deplsi untuk sisi p



❖ Densitas muatan bernilai negatif pada sisi p dan bernilai positif pada sisi n. ❖ Dilihat dari diagram sebelumnya, distribusi muatannya sangat bagus dan perubahan secara mendadak terjadi pada daerah deplesi (DR). Sambungan seperti ini dinamakan abrupt junction, karena doping secara tiba-tiba berubah dari tipe p ke tipe n pada sambungan metalurgi. ❖ Pada realitanya, distribusi muatan tail off pada daerah netral. Daerah ini disebut sebagai daerah transisi dan sejak daerah transisi sangat tipis, salah satu dapat mengabaikan daerah tail-off dan menganggap muatan abrupt. Jadi perkiraan ini disebut perkiraan deplesi. H. Diagram medan listrik Medan listrik nol pada tepi DR dan peningkatan pada arah negatif. Pada sambungan muatan, muatan medan listrik dan kuat medan menurun (meningkat ke positif). I. Diagram Potensial Sejak medan listrik negatif sedangkan daerah deplesi, DR, potensial akan positif. Peningkatan potensial lambat pada samping kiri tetapi peningkatan drastis pada sisi kanan. Jadi kecepatan peningkatan potensial keduanya berbeda dengan sambungan metalurgi. Ini menunjukkan bahwa muatan terisi pada sambungan.



J. Sambungan Abrupt



Jumlah muatan negatif yang tidak tertutup di sisi kiri sambungan harus sama dengan jumlah muatan positif pada sisi kiri sambungan metalurgi. Kondisi netralitas ruang muatan keseluruhan :



N A x p = N D xn Sisi yang di dopping pada sambungan memiliki lebar yang lebih sempit.



when N A = N D  xn = x p K. Sambungan abrupt Xn dan Xp merupakan lebar lapisan deplesi pada sambungan sisi n dan sisi p, Ketika ND >> NA (ketidaksetraan konsentrasi pengotor) dan Xp >> Xn, W = Xp. Ketidaksetaraan konsentrasi pengotor menghasilkan sebuah ketidaksetaraan lebar lapisan deplesi yang dimaksud dengan kondisi muatan netral ; 𝑁𝐴 . 𝑥𝑝 = 𝑁𝐷 . 𝑥𝑛 Di mana W adalah total daerah deplesi



When N A  N D  xn  x p



Ketika sisi n dan sisi p.



 W  xn



. Lebar lapisan deplesi untuk



𝑥𝑛 =



1 2𝜀𝑆𝑖 𝑉𝑏𝑖 𝑁𝐴 𝑁𝐷 √ 𝑁𝐷 𝑞(𝑁𝐴 + 𝑁𝐷 )



𝑥𝑝 =



1 2𝜀𝑆𝑖 𝑉𝑏𝑖 𝑁𝐴 𝑁𝐷 √ 𝑁𝐴 𝑞(𝑁𝐴 + 𝑁𝐷 )



Untuk persamaan densitas doping W = Xn + Xp Total lebar lapisan deplesi, W



Keterangan: Ɛ0 = permitivitas pada ruang hampa = 8,85 x 10-12 F/m Ɛr = permitivitas relatif silikon = 11,9 xn, xp dan W bergantung pada NA, ND, dan Vbi



L. Satu sisi sambungan abrupt p-n



M. Penerapan bias pada sambungan p-n



❖ Bagaimana arus mengalir melalui sambungan p-n ketika bias (tegangan) diterapkan?



❖ Arus mengalir sepanjang waktu setiap kali sumber tegangan terhubung ke dioda. Tetapi arus mengalir dengan cepat dalam bias ke depan, namun arus konstan yang sangat kecil dalam kasus bias balik.



❖ Tidak ada tegangan nyala karena arus mengalir ke segalah arah. Namun, tegangan nyala dapat didefinisikan sebagai bias maju yang diperlukan untuk menghasilkan jumlah arus maju tertentu. ❖ Jika 1 mA diperlukan agar sirkuit berfungsi, 0,7 volt dapat disebut tegangan nyala.



VF → tegangan forward VR → tegangan reverse Ketika tegangan diterapkan pada dioda, pita bergerak dan perilaku pita dengan medan maju dan mundur ditunjukkan pada diagram sebelumnya.



N. Bias Forward • Potensi sambungan berkurang • Difusi lubang yang ditingkatkan dari sisi p ke sisi n dibandingkan dengan kasus kesetimbangan. • Difusi elektron yang ditingkatkan dari sisi-n ke sisi-p dibandingkan dengan kasus kesetimbangan. • Aliran arus drift mirip dengan kasus kesetimbangan. • Secara keseluruhan, arus difusi besar mampu mengalir. • Mnemonik. Hubungkan terminal positif ke sisi-p untuk bias maju. • Arus drift sangat mirip dengan kasus kesetimbangan. Arus ini disebabkan oleh pembawa minoritas di setiap sisi sambungan dan perpindahan pembawa minoritas disebabkan oleh medan bawaan yang terpasang pada daerah deplesi. O. Bias Reverse ▪ Potensial sambungan meningkat ▪ Mengurangi lubang difusi dari sisi p ke sisi n dibandingkan dengan kasus kesetimbangan. ▪ Mengurangi difusi elektron dari sisi-n ke sisi-p dibandingkan dengan kasus kesetimbangan ▪ Aliran arus drift mirip dengan kasus kesetimbangan. ▪ Secara keseluruhan arus saturasi reverse sangat kecil mengalir. ▪ Mnemonik. Hubungkan terminal positif ke sisi-n untuk bias balik. P. Penjelasan kualitatif Bias Forward



▪ ▪



Potensial sambungan berkurang dari Vbi ke Vbi-VF . Dengan bias forward sebuah besar bilangan elektron diinjeksikan dari sisi n ke sisi p pada seluruh daerah deplesi dan elektron pembawa minoritas pada sisi p, dan minoritas digabungan dengan hole mayoritas sehingga jumlah elektron yang diinjeksikan berukurang dengan jarak sisi p. ▪ Demikian pula, dengan bias forward sebgaian besar lubang diinjeksi dari sisi p ke sisi n di seberang DR. Lubang-lubang ini menjadi pembawa minoritas di tepi daerah deplesi di sisi-n sehingga jumlahnya (jumlah lubang berlebih yang disuntikkan) berkurang dengan jarak ke sisi-n netral. ▪ Singkatnya, dengan Bias Forward sebenarnya seseorang menginjeksikan pembawa minoritas pada sisi yang berlawanan. Kelompok minoritas yang disuntikkan ini bergabung kembali dengan mayoritas. ▪ Bagaimana arus mengalir jika semua injeksi minoritas digabung dengan mayoritas? ▪ Jika tidak ada pembawa, tidak ada arus yang mengalir. ▪ Pertimbangkan peran kontak ohmik di kedua ujung sambungan p-n. ▪ Pengangkut mayoritas yang hilang digantikan oleh pengangkut mayoritas yang datang dari kontak ohmik untuk menjaga netralitas muatan. ▪ Jumlah lubang dan arus elektron yang mengalir melalui kontak ohmik membuat total arus yang mengalir melalui sirkuit eksternal. Q. Persamaan Dioda Ideal “o” melambangkan kesetimbangan pembawa konsentrasi. nno → kesetimbangan konsentrasi elektron m pada material tipe n. npo → kesetimbangan konsentrasi elektron m pada material tipe p. Ppo → kesetimbangan konsentrasi lubang m pada material tipe p. Pno → kesetimbangan konsentrasi lubang m pada material tipe n. n.p = ni2 pada keadaan kesetimbangan (no bias) n.no . Pno = ni2 → material tipe n (1) npo.pp = ni2 → material tipe p (2)



Vbi =



kT N A N D ln q ni2



assuming full ionization



N A  p po ; N D  nno majority carriers



Vbi =



kT p po .nno ln q ni2



Vbi =



kT p po  qV  ln  p po = pno exp  bi  (3) q pno  kT 



nno . pno = ni2 for n-type



Dengan cara yang sama, dari persamaan (2)



Persamaan ini memberikan kesetimbangan mayoritas pembawa konsentrasi. Apa yang terjadi ketika tegangan muncul di persimpangan p-n ? Persamaan (3) dan (4) masih berlaku tetapi Anda harus menghapus (0) subskrip dan mengubah Vbi dengan : a. Vbi – Vf jika bias forward diterapkan. b. Vbi + VR jika sebuah bias reverse diterapkan. Di mana VF adalah tegangan forward dan VR adalah tegangan reverse Dengan bias ini, densitas pembawa berubah dari densitas pembawa kesetimbangan menjadi densitas pembawa non-kesetimbangan. ❖ Konsentrasi pembawa mayoritas non-kesetimbangan dalam bias maju 𝑞(𝑉𝑏𝑖 − 𝑉𝐹 ) ) 𝑝𝑝 = 𝑝𝑛 𝑒𝑥𝑝 ( 𝑘𝑇 Contoh; 𝑛𝑛 𝑢𝑛𝑡𝑢𝑘 𝑏𝑖𝑎𝑠 𝑟𝑒𝑣𝑒𝑟𝑠𝑒 𝑛𝑛 = 𝑛𝑝 𝑒𝑥𝑝 (



𝑞(𝑉𝑏𝑖 + 𝑉𝑅 ) ) 𝑘𝑇



Ketika tegangan diberikan; kesetimbangan nno berubah menjadi n ekuilibrium nn.



•



•



Untuk injeksi level rendah; jumlah minoritas yang disuntikkan jauh lebih sedikit daripada jumlah mayoritas. Itu adalah pembawa minoritas yang disuntikkan tidak mengganggu densitas kesetimbangan pembawa mayoritas. 𝑛𝑛 ≈ 𝑛𝑛𝑜 𝑝𝑝 ≈ 𝑝𝑝𝑜 Konsentrasi elektron non kesetimbangan dalam tipe-n ketika bias maju diterapkan, 𝑞 (𝑉𝑏𝑖 − 𝑉𝐹 ) 𝑛𝑛 ≈ 𝑛𝑛𝑜 𝑛𝑛𝑜 = 𝑛𝑝 ( ) (5) 𝑘𝑇 𝑛𝑛𝑜 = 𝑛𝑝𝑜 𝑒𝑥𝑝 (



𝑞𝑉𝑏𝑖 𝑘𝑇



) (6)



Gabungkan persamaan (5) dan (6)



•



Memecahkan konsentrasi elektron non-kesetimbangan dalam material tipe-p, mis. Np



= kelebihan konsentrasi elektron minoritas atas konsentrasi kesetimbangan di tepi DR Similarly ,



  qV pn − pno = pno exp   kT 



   − 1 =  p the non-equilibrium  



δp = kelebihan konsentrasi lubang minoritas di atas konsentrasi kesetimbangan di tepi DR



point A → n p − n po point B → pn − pno



Gambar Diode bias maju



•l p is the distance from DR edge into p-side •ln is the distance from DR edge into n-side Ketika bias maju diterapkan, pembawa mayoritas disuntikkan di DR dan muncul sebagai pembawa minoritas di tepi DR di sisi yang berlawanan. Minoritas ini akan berdifusi di wilayah bebas lawan bidang ke arah kontak ohmik. Karena kontak ohm jauh sekali, pembawa minoritas meluruh secara eksponensial dengan jarak di wilayah ini hingga mencapai nilai keseimbangannya. R. Peluruhan eksponensial dari pembawa minoritas yang disuntikkan di sisi yang berlawanan ❖ Kelebihan minoritas yang disuntikkan meluruh secara eksponensial sebagai



Ln dan Lp adalah panjang difusi untuk elektron dan hole



S. Jumlah Lubang Minoritas Suntik Di Seluruh Daerah Deplesi • Dengan cara bias forward sebuah persimpangan dioda p-n, lubang berdifusi dari kiri ke kanan melintasi DR dan mereka menjadi pembawa minoritas. • Lubang-lubang ini bergabung kembali dengan elektron mayoritas ketika mereka bergerak menuju konstanta ohmik. • Jadi, jumlah lubang minoritas pada daerah-n menurun secara eksponensial ke arah kontak ohmik. Jumlah lubang minoritas yang disuntikkan; kelebihan lubang;



point A → n p − n po



 n(l p ) =  n(0)exp(−



lp Ln



)



 



qV  ) − 1 kT 







 qV   



 n(0) = n po exp(







 p(0) = pno exp   − 1 kT 







T. Persamaan dioda ideal Demikian pula dengan cara membias forwardkan sambungan p-n, elektron mayoritas disuntikkan dari kanan ke kiri melintasi Daerah Deplesi. Elektron yang disuntikkan ini menjadi minoritas di tepi Daerah Deplesi di sisi-p, dan bergabung kembali dengan hole mayoritas. Ketika elektron tersebut pindah ke sisi-p netral, jumlah elektron berlebih yang disuntikkan menurun secara eksponensial. 𝛿𝑛 (𝑙𝑝 ) = 𝛿𝑛 (0) 𝑒𝑥𝑝( −



𝛿𝑛 (𝑙𝑝 ) = 𝑛𝑝𝑜 [𝑒𝑥𝑝(



𝑙𝑝 ) 𝐿𝑛



𝑙𝑝 𝑞𝑉 ) − 1] ⋅ 𝑒𝑥𝑝( − ) 𝑘𝑇 𝐿𝑛



Kerapatan arus difusi untuk elektron ; 𝐷𝑛 𝑛𝑝𝑜 𝑙𝑝 𝑑𝑛 𝑑 𝑞𝑉 [𝑒𝑥𝑝 ( ) − 1] 𝑒𝑥𝑝 (− ) 𝐽𝑛 = 𝑞𝐷3𝑛 = 𝑞𝐷𝑛 𝛿𝑛(𝑙𝑝 ) = −𝑞 𝑑𝑥 𝑑𝑥 𝐿𝑛 𝑘𝑇 𝐿𝑛



−𝑞𝐷𝑛 𝑛𝑝𝑜 𝑞𝑉 [𝑒𝑥𝑝 ( ) − 1] Tanda minus menunjukkan bahwa 𝐿𝑛 𝑘𝑇 kerapatan arus elekron berlawanan arah dengan terhadap meningkatnya 𝑙𝑝 . Yakni ke arah positif. dengan cara yang sama untuk hole; 𝐽𝑛 ( 𝑙𝑝 = 0) =



𝑑𝑝 𝑞𝐷𝑝 𝑝𝑛𝑜 𝑞𝑉 [𝑒𝑥𝑝 ( ) − 1] = 𝑑𝑥 𝐿𝑝 𝑘𝑇 Total kerapatan arus; 𝐷𝑛 𝑛𝑝𝑜 𝐷𝑝 𝑝𝑛𝑜 𝑞𝑉 ] [𝑒𝑥𝑝 ( ) − 1] 𝐽𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐽𝑛 + 𝐽𝑝 = 𝑞 [ + 𝐿𝑛 𝐿𝑝 𝑘𝑇 𝐽𝑝 (𝑙𝑛 = 0) = −𝑞𝐷𝑝



𝐷𝑛 𝑛𝑝𝑜 𝐷𝑝 𝑝𝑛𝑜 𝑞𝑉 𝑞𝑉 ] [𝑒𝑥𝑝 ( ) − 1] = 𝐽𝑜 [𝑒𝑥𝑝 ( ) − 1] 𝐽𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑞 [ + 𝐿𝑛 𝐿𝑝 𝑘𝑇 𝑘𝑇 Dengan mengalikan kedua rusa dengan luasan ; 𝐼 = 𝐼𝑜 [𝑒𝑥𝑝 (



𝑞𝑉 ) − 1] 𝑘𝑇



Persamaan ini merupakan persamaan dioda ideal. Persamaan ini berlaku untuk bias forward dan reverse; cukup dengan mengganti tanda V. •



Ubah V menjadi –V untuk bias reverse. Ketika qV> kT; nilai eksponensial menjadi nol 𝐼 = 𝐼𝑜 [𝑒𝑥𝑝 ( Arus saturasi reverse 𝐼  =   −𝐼𝑜



−𝑞𝑉 ) − 1] 𝑘𝑇



U. Densitas Arus Bias Forward



❖ Jtotal adalah konstan melalui seluruh dioda ❖ Kerapatan arus minoritas berkurang secara eksponensial ke sisi netral sedangkan kerapatan arus akibat mayoritas meningkat ke sisi netral. V. Sambungan p-n pada Bias Reverse



•



Daerah deplesi semakin melebar dengan meningkatnya bias reverse.



•



Bias reverse mencegah arus difusi yang besar mengalir melalui dioda.



•



Namun; bias reverse tidak mencegah aliran arus kecil karena pembawa minoritas. Kehadiran medan listrik besar di DR menyadap hampir semua lubang minoritas dari daerah-n dan elektron minoritas dari daerah-p



•



Aliran pembawa minoritas pada sambungan merupakan I0, arus saturasi reverse.



•



Minoritas ini dihasilkan secara termal.



•



Aliran minoritas ini menghasilkan arus saturasi reverse dan arus ini meningkat secara eksponensial terhadap suhu tetapi tidak tergantung pada tegangan reverse yang digunakan.



W. Breakdown Sambungan atau Reverse Breakdown •



Bias reverse (tegangan) yang digunakan akan menghasilkan arus kecil mengalir melalui perangkat.



•



Pada nilai tegangan tinggi tertentu, yang disebut tegangan breakdown VB, arus besar mulai mengalir. Jika tidak ada resistor pembatas arus yang terhubung secara seri ke dioda, dioda akan rusak. Ada dua efek fisik yang menyebabkan gangguan ini. a. Breakdown dioda Zener dapat diamati pada sambungan p-n yang didoping tinggi dan terjadi untuk tegangan sekitar 5 V atau kurang.



b. Avalanche Breakdown dapat diamati pada sambungan p-n yang kurang didoping tinggi.



X. Breakdown Dioda Zener •



Breakdown diode zener terjadi pada sambungan p-n yang didoping tinggi dengan mekanisme tunneling.



•



Pada sambungan p-n yang didoping tinggi, pita konduksi dan valensi pada sisi berlawanan dari sambungan menjadi sangat dekat selama bias reverse, sehingga elektron pada sisi-p dapat menembus dari VB langsung ke CB di sisi-n.



Y. Avalanche Breakdown •



Mekanisme Avalanche Breakdown terjadi ketika elektron dan hole yang bergerak melalui DR akan memperoleh energi yang cukup dari medan listrik untuk memutus ikatan, yaitu membuat pasangan hole-elektron dengan menbrak elektron atom di dalam daerah deplesi.



•



Elektron dan hole yang baru dihasilkan bergerak ke arah yang berlawanan karena pengaruh medan, sehingga menambah arus bias reverse yang ada. Ini adalah mekanisme breakdown paling penting di sambungan p-n.



Z. Pengosongan Kapasitansi •



Ketika bias reverse digunakan pada diode sambungan p-n d, lebar daerah deplesi, W, meningkat. Hal ini menyebabkan peningkatan jumlah ruang muatan terbuka di daerah deplesi.



•



Sedangkan ketika bias forward diterapkan, lebar dareah deplesi dioda sambungan p-n berkurang sehingga jumlah ruang muatan terbuka juga berkurang.



•



Jadi dioda sambungan p-n berperilaku sebagai perangkat di mana jumlah muatan di daerah deplesi tergantung pada tegangan di perangkat. Jadi ini seperti kapasitor dengan suatu kapasitansi.



❖ Kapasitansi pada diode bervariasi terhadap W (lebar daerah deplesi) ❖ W (lebar DR) bervariasi terhadap tegangan V yang digunakan Kapasitansi per satuan luat pada dioda ; 𝜀𝑆𝑖 𝐹 𝐶𝐷𝐸𝑃 =   2 𝑊 𝑐𝑚 Untuk satu sisi sambungan abrupt; misal. 𝑁𝐴 >> 𝑁𝐷 ⇒ 𝑥𝑛 >> 𝑁𝐴 𝑥𝑝 = 𝑁𝐷 𝑥𝑛 𝐶𝐷𝐸𝑃 =



𝑊 ≅ 𝑥𝑛



𝜀𝑆𝑖 𝜀𝑆𝑖 2𝜀𝑆𝑖 𝑉𝑏𝑖 ≅ ⇒ 𝑥𝑛 = √ for 𝑁𝐴 >> 𝑁𝐷 𝑊 𝑥𝑛 𝑞𝑁𝐷 Aplikasi bia reverse; 𝜀𝑆𝑖



𝐶𝐷𝐸𝑃 =



2𝜀𝑆𝑖 (𝑉𝑏𝑖 + 𝑉𝑅 ) 𝑞𝑁𝐷



√



=√



𝑞𝜀𝑆𝑖 𝑁𝐷 2(𝑉𝑏𝑖 + 𝑉𝑅 )



jika seseorang melakukan pengukuran 𝐶 − 𝑉 dan menggambar 1/𝐶 2 terhadap 𝑉𝑅 ; 𝑚𝑒𝑛𝑑𝑎𝑝𝑎𝑡𝑘𝑎𝑛 𝑡𝑒𝑛𝑔𝑎𝑛𝑔𝑎 𝑏𝑎𝑤𝑎𝑎𝑛 𝑑𝑎𝑛 kerapatan doping dari sisi doping rendah dioda dari titik potong dan slope. 1 2(𝑉𝑏𝑖 + 𝑉𝑅 ) = 𝐶2 𝑞𝜀𝑆𝑖 𝑁𝐷 𝑠𝑙𝑜𝑝𝑒 =



2 𝑞𝜀𝑆𝑖 𝑁𝐷



𝑉𝑏𝑖 =



𝑘𝑇 𝑁𝐴 𝑁𝐷 𝑙𝑛( 2 ) 𝑞 𝑛𝑖