Pengenalan Sambungan PN

DopingKarakteristik elektrik silikon dan germanium dapat ditingkatkan dengan menambahkan material yang disebut dengan doping

Ada dua tipe material semikonduktor:Tipe-nTipe-p1Dua Arus yang melalui dioda:Pembawa Mayoritas dan MinoritasPembawa Mayoritas

Pembawa mayoritas pada material tipe-n: electron.Pembawa mayoritas pada material tipe-p: hole.Pembawa Minoritas

Pembawa minoritas pada material tipe-n hole.Pembawa minoritas pada material tipe-p electron.2

Sambungan p-nSalah satu sisi sebuah silikon atau germanium dapat didoping dengan material tipe-p dan disisi yang lain dengan tipe-n.Hasilnya adalah sambungan p-n.3Sambungan p-nPada sambungan p-n, elektron pita-konduksi di sisi tipe-n tertarik ke hole pita-valensi di sisi tipe-p.

Elektron pada material tipe-n berpindah melewati sambungan ke materian tipe-p (arus elektron).

Perpindahan elektron menghasilkan muatan negatif pada sambungan disisi tipe-p dan muatan positif disisi tipe-n.

Hasilnya adalah pembentukan sebuah daerah deplesi disekitar sambungan.45Operasi Fisik dari DiodaKonsep dasar semikonduktorDioda semikonduktor adalah sebuah pn junction yang terdiri dari semikonduktor jenis n dan semikonduktor jenis p.Daerah p dan n adalah bagian dari kristal silikon yang sama yang mempunyai doping yang berbeda (p dan n).pn junction juga merupakan elemen dasar dari transistor bipolar (BJT) dan transistor efek medan (FET)

Gambar 39. Struktur fisik sederhana dari dioda junction6pn junction dalam kondisi hubung terbuka

Gambar 44 (a) Dioda dalam keadaan hubung terbuka (b) Distribusi potensial sepanjang sumbu tegak lurus dengan junction 7Tanda + pada bahan jenis p menunjukkan pembawa mayoritas holes.Muatan holes dinetralkan oleh muatan negatif dari atom akseptor.Tanda - pada bahan jenis n menunjukkan pembawa mayoritas elektron.Muatan elektron dinetralkan oleh muatan positif.

Arus difusi IDKonsentrasi holes yang tinggi di daerah p dan yang rendah di daerah n menyebabkan holes merembas melalui junction dari sisi p ke sisi n.Sebaliknya, elektron merembas dari sisi n ke sisi p.Jumlah kedua arus ini membentuk arus difusi ID dengan arah dari sisi p ke sisi n.

8Daerah DeplesiHoles yang merembas melalui junction ke daerah n akan ber-rekombinasi dengan mayoritas elektron di daerah n, sehingga holes ini menghilang demikian juga sebagian elektron bebas pada daerah n juga menghilang.Sebagian dari muatan positif tidak lagi dinetralkan oleh elektron bebas. Muatan ini disebut uncoveredRekombinasi terjadi di dekat junction, sehingga ada daerah dekat junction yang kekurangan elektron bebas (depleted of free electrons) dan mengandung muatan positif yang uncoveredElektron yang merembas melalui junction ke daerah p akan ber-rekombinasi dengan mayoritas holes di daerah p, sehingga elektron ini menghilang demikian juga sebagian holes bebas pada daerah p juga menghilang.Sebagian dari muatan negatif tidak lagi dinetralkan oleh holes. Muatan ini disebut uncoveredRekombinasi terjadi di dekat junction, sehingga ada daerah dekat junction pada daerah p yang kekurangan holes (depleted of holes) dan mengandung muatan negatif yang uncovered9Dari penjelasan di atas, daerah deplesi pembawa (carrier-depletion region) atau daerah deplesi akan terdapat di kedua sisi junction, pada sisi n bermuatan positif dan di sisi p bermuatan negatif.Muatan pada ke dua sisi daerah deplesi akan menyebabkan adanya medan listrik pada daerah deplesi, sehingga ada perbedaan tegangan pada daerah deplesi, dengan tegangan positif pada sisi n dan tegangan negatif pada sisi p.Perbedaan tegangan pada daerah deplesi merupakan penghalang (barrier) yang harus diatasi oleh holes untuk berdifusi ke daerah n dan elektron berdifusi ke daerah p.Makin besar tegangan penghalang, makin kecil jumlah pembawa yang dapat mengatasi barrier sehingga makin kecil arus difusi.Arus difusi tergantung pada perbedaan tegangan V0 pada daerah deplesi. 10Arus drift IS dan keseimbanganSelain komponen arus difusi ID, terdapat juga komponen arus drift yang disebabkan oleh pembawa minoritas.Ada dua komponen arus drift, yaitu elektron yang bergerak dari bahan p ke bahan n dan holes yang bergerak dari bahan n ke bahan p.Arah arus drift IS dari sisi n ke sisi p pada junction.Karena arus drift disebabkan oleh pembawa minoritas yang dihasilkan secara termal, harganya sangat tergantung pada suhu, tetapi tidak tergantung pada harga tegangan pada daerah deplesi.Pada kondisi hubung terbuka: ID = IS11Tegangan pada junction (Junction Built in Voltage)

NA = konsentrasi doping pada sisi pND = konsentrasi doping pada sisi nVT = tegangan termal

Jadi tegangan pada junction tergantung dari konsentrasi doping dan suhu.

Pada suhu kamar, biasanya tegangan ini antara 0,6 V 0,8 V.12Lebar daerah deplesiDaerah deplesi pada kedua sisi junction tergantung pada jumlah muatan (konsentrasi doping) pada kedua sisi.Daerah deplesi akan lebih lebar pada sisi yang mempunyai doping lebih kecil.qxpANA = qxnAND

xp dan xn: lebar deplesi pada sisi p dan nA: luas penampang junctionNA dan ND: konsentrasi doping pada sisi p dan ns = permivity elektrik dari silicon = 11,7 0 = 1,04 x 10-12 F/cm

Harga Wdep berkisar antara 0,1 m 1 m Kondisi Operasi DiodaSebuah dioda mempunyai tiga kondisi operasi:No biasForward biasReverse bias13

No BiasTidak ada tegangan eksternal: VD = 0 V Tidak ada arus yang mengalir: ID = 0 A14

Tegangan eksternal diberikan pada sambungan p-n di material tipe-p dan n dengan polaritas yang berlawanan.Reverse BiasTegangan reverse menyebabkan daerah deplesi melebar.Electron di material tipe-n tertarik ke terminal positif.Hole di material tipe-p tertarik ke terminal negatif.1516pn junction di bawah kondisi reverse bias

Gambar 45 The pn junction excited by a constant-current source I in the reverse direction. To avoid breakdown, I is kept smaller than IS. Note that the depletion layer widens and the barrier voltage increases by VR volts, which appears between the terminals as a reverse voltage.17Arus luar I mengalir dari bahan n ke bahan pElektron meninggalkan bahan n dan holes meninggalkan bahan p.Elektron bebas yang meninggalkan bahan n menyebabkan meningkatnya uncovered muatan positif.Holes yang meninggalkan bahan p menyebabkan meningkatnya uncovered muatan negatif.Arus balik I akan menyebabkan meningkatnya lebar daerah deplesi dan juga muatan pada daerah deplesi.Akibatnya tegangan pada junction meningkat artinya tegangan penghalang meningkat arus ID menurun.Arus IS tidak tergantung dari tegangan penghalang, jadi arus IS tetap.Pada keadaan seimbang: IS ID = I, dan tegangan sama V0 sama dengan tegangan VR Pada keadaan steady ID kecil sekali sehingga I IS

18pn junction pada daerah breakdown

Gambar 46 The pn junction excited by a reverse-current source I, where I > IS. The junction breaks down, and a voltage VZ , with the polarity indicated, develops across the junction.19Arus I > IS pada arah balik.Melalui jalur luar, sumber arus akan memindahkan holes pada bahan p ke bahan n, dan memindahkan elektron dari bahan n ke bahan p.Akibatnya makin banyak muatan bound yang uncovered, sehingga daerah deplesi makin lebar dan tegangan penghalang makin tinggi yang mengakibatkan arus difusi makin kecil atau mendekati nol.Keadaan steady tidak tercapai karena arus I > ISProses ini akan menyebabkan daerah deplesi makin lebar sampai terbentuk tegangan junction yang cukup tinggi.Ada mekanisme baru diperlukan untuk mencatu muatan pembawa yang diperlukan untuk menunjang arus I.

20Ada 2 mekanisme breakdownEffect Zener, VZ < 5 V.Terjadi bila medan listrik pada lapisan deplesi meningkat pada titik di mana medan ini akan mematahkan ikatan kovalen dan menghasilkan pasangan elektron holes.Elektron akan tertarik pada sisi n dan holes akan tertarik ke sisi p.Elektron dan holes ini menyebabkan arus balik pada junction yang menunjang arus luar.Jika efek Zener terjadi, banyak muatan pembawa akan dihasilkan, tanpa ada penambahan tegangan junction.Jadi arus balik pada daerah breakdown akan ditentukan oleh rangkaian luar, sedangkan tegangan pada terminal dioda akan tetap mendekati tegangan breakdown VZ21Efek avalancheTerjadi ketika pembawa minoritas yang melewati daerah deplesi karena pengaruh medan listrik mempunyai energi kinetik yang dapat memecahkan ikatan kovalen pada atom yang ditabraknya.Pembawa yang terbentuk pada proses ini mempunyai energi yang tinggi yang dapat menyebabkan proses ionisasi berlanjut.Proses avalanche disebabkan oleh rangkaian luar, dengan perubahan penurunan tegangan junction yang bisa diabaikan.Breakdown pada pn junction tidak bersifat merusak dengan syarat disipasi daya tidak melebihi dari batas yang ditentukan.Disipasi daya maksimum menentukan harga maksimum arus balik.

Zener adalah sebuah dioda yang beroperasi pada reverse bias di Zener voltage (VZ).

Tegangan Zener antara 1.8 V dan 200 VDioda Zener22

Forward BiasTegangan eksternal diberikan pada sambungan p-n di material tipe-p dan n dengan polaritas yang sama.Tegangan forward menyebabkan daerah deplesi menyempit.Electron dan hole tertekan di sambungan p-nElectron dan hole mempunyai energi yang cukup untuk melewati sambungan p-n.2324pn junction dalam kondisi forward bias

Gambar 47. The pn junction excited by a constant-current source supplying a current I in the forward direction. The depletion layer narrows and the barrier voltage decreases by V volts, which appears as an external voltage in the forward direction.25Arus luar mencatu pembawa mayoritas pada ke dua sisi; holes ke bahan p dan elektron ke bahan n.Pembawa mayoritas ini menetralkan muatan uncovered, sehingga jumlah muatan di daerah deplesi berkurang, akibatnya daerah deplesi menjadi lebih sempit dan tegangan penghalang menurunMakin banyak holes yang mengalir dari bahan p ke bahan n dan makin banyak elektron mengalir dari bahan n ke bahan pArus difusi meningkat sampai mencapai keseimbangan: ID IS = I

26

Gambar 48. Minority-carrier distribution in a forward-biased pn junction. It is assumed that the p region is more heavily doped than the n region; NA @ ND.Titik dimana dioda berubah dari kondisi no-bias ke forward-bias terjadi ketika elektron dan hole memberikan energi yang cukup untuk melewati sambungan p-n. Energi ini berasal dari tegangan eksternal yang diberikan ke dioda.Tegangan Forward BiasTegangan forward bias yang diperlukan:

gallium arsenide diode 1.2 Vsilicon diode 0.7 Vgermanium diode 0.3 V2728Jenis dioda khususSchottky-Barrier Diode (SBD)Terdiri dari metal yang ditempelkan ke semikonduktor yang mempunyai dopping jenis n. Metal semiconductor junction mempunyai sifat seperti dioda dengan metal sebagai anoda dan semikonduktor sebagai katoda. Karakteristik i v SBD sama dengan karakteristik dioda biasa dengan beberapa pengecualian;SBD dapat di-switch (on off) lebih cepat dari dioda biasa.SBD mempunyai penurunan tegangan lebih kecil daripada dioda biasa (0,3 0,5 V)SBD dapat dibuat dari gallium arsenide (GaAs) dan banyak ditemukan dalam rancangan TTL (transistor-transistor logic)

Varactor yaitu dioda khusus yang dipakai sebagai kapasitor dengan tegangan yang bervariasi.

29Photodiodes adalah sebuah dioda yang bagian junctionnya dibuka, Jika dalam keadaan reverse-biased junction ini disinari akan menghasilkan arus yang disebut photocurrent. Arus ini sebanding dengan intensitas cahaya. Dioda ini digunakan untuk mengubah sinyal optik ke sinyal listrik.Dioda ini merupakan komponen yang penting dalam rangkaian optoelektronik atau photonic. Bila tidak diberi reverse bias, photodiode berfungsi sebagai solar cell.30Light-Emitting Diode (LED) mengubah arus forward menjadi cahaya. Proses rekombinasi di pn junction mengeluarkan cahaya yang sebanding dengan arus forward. LED banyak sekali dipakai sebagai alat peraga pada peralatan laboratorium dan peralatan elektronik. Selain itu LED dapat juga dirancang untuk menghasilkan cahaya yang koheren dengan lebar bidang yang sangat sempit. Dioda seperti ini disebut dioda laser.Kombinasi antara LED dan photodiode disebut optoisolator. Penggunaan optoisolator memberikan isolasi antara rangkaian listrik yang terhubung dengan masukannya dan rangkaian yang terhubung dengan keluarannya, sehingga dapat mengurangi interferensi pada transmisi sinyal dalam sistem.