DIODA HUBUNGAN

BAB 5

DIODA HUBUNGAN

Hubungan (junction) antara semikonduktor jenis p dan semikonduktor jenis n paling penting dalam penggunaan elektronika modern, karena hubungan ini membentuk dasar dari peralatan semikonduktor seperti dioda, transistor dan sebagainya.Dalam bab ini akan kita jelaskan prinsip fisika dan cara kerja hubungan p-n. Berbagai penggunaan alat-alat hubungan p-n juga diberikan.

Hubungan p-n

Kalau pencampur jenis akseptor dimasukkan ke dalam setengah dari semikonduktor kristal tunggal dan pencampur jenis donor dimasukkan ke setengah bagian yang lain, maka terbentuklah hubungan p-n, seperti ditunjukkan dalam Gambar 5. L Ini merupakan alat dua terminal dan dinamakan dioda hubungan (junction diode).

Gambar 5.1. Hubungan p-n.

Hubungan p-n dapat berupa (i) hubungan berangsur tangga atau (ii) hubungan berangsur linear.

Dalam hubungan berangsur -tangga, rapat pencampur akseptor atau donor dalam semikartduktor tetap sampai mencapai hubungan. Jenis hubungan ini terbentuk dengan menernpatkan bola kecil dari pencampur trivaler, katakan indium, pada suatu wafer germanium jenis n dan memanaskan gabungan tersebut sampai temperatur tinggi dalam waktu yang singkat. Dalam proses tersebut indium meresap ke dalam germanium dan mengubah penghantaran germanium dari jenis n ke jenis p di seluruh bagian semikonduktor dan membentuk hubungan p-n.Dalam suatu hubungan berangsur liner, rapat pencampur berubah secara linear menurut jarak menjauli dari hubungan. Jenis hubungan ini terbentuk dengan menarik kristal tunggal dari lelehan germanium yang pada saat dimulainya proses ini sudah berisi pencampur dari satu jenis. Selama proses penarikan pencampur jenis lain ditambahkan dalam jumlah yang cukup untuk mengubah jenis penghantaran lelehan.

5.2 Hubungan p-n Tanpa Catu

Gambaran skematis dari hubungan p-n ditunjukkan dalam Gambar 5.2. Di sini muatan-muatan dengan lingkaran menunjukkan atom-atom akseptor dan donor yang terionisasi.Untuk penyederhanaan, marilah kita misalkan sementara bahwa hanya ada lobang-lobang dalam sisi jenis p dan elektron-elektron dalam sisi jenis n. Akibat adanya gradien kerapatan sepanjang hubungan, elektron-elektron akan berdifusi lewat hubungan ke kiri dan lobang-lobang berdifusi ke kanan. Setelah melewati hubungan mereka saling menggabung dengan membiarkan ion-ion tidak bergerak di sekelilingnya tidak ternetralkan. Mereka dinamakan muatan-muatan tidak tercakup (uncovered charges). Perubahan konsentrasi (i) ion-ion tidak bergerak, (ii) pembawa bergerak dan muatan tidak tercakup ditunjukkan (berturut-turut) dalam Gambar 5.2(b), (c) dan (d). Muatan-muatan positif dan negatif yang tidak tercakup menghasikan medan listrik lewat hubungan. Medan ini diarahkan dari sisi n ke sisi p dan dinamakan medan halangan. Medan ini melawan gerakan difusi elektron dan lobang lewat hubungan. Kesetimbangan terbentuk pada medan halangan yang cukup untuk menghentikan difusi selanjutnya dari elektron dan lobang. Dalam keadaan ini tidak ada gerakan pembawa lewat hubungan. Karena Batas hubungan kosong akan muatan bergerak maka daerah ini dinamakan daerah kosong (depletion) atau daerah muatan ruang. Tebal daerah ini sekitar 0,5 m. Karena adanya medan halangan lewat hubungan, perpindahan elektron dari sisi n ke sisi p memerlukan sejumlah energi yang dinamakan energi halangan (barrier) (Eb) (Gambar 5.2(e)). Potensial halangan ekivalen VB diberikan oleh EB = eVB. Berdasarkan energi halangan tergantung pada lebar daerah tidak tercakup. Jumlah energinya sama kalau lobang dari daerah p berpindah ke daerah n.

(a) Diagram yang menunjukkan kedudukan pembawa

(b) Perubahan konsentrasi ion-ion tidak bergerak.

(c) Perubahan konsentrasi pembawa bergerak.

(d) Konsentrasi muatan tidak tercakup.

(e) Perubahan energi elektron dan lobang.

Sekarang anggaplah keadaan sebenarnya, dimana daerah p terdiri dari elektron-elektron sebagai pembawa minoritas dan daerah- n berisi lobang-lobang sebagai pembawa minoritas. Kalau hubungan p-n tidak dicatu, medan halangan berperan sedemikian rupa sehingga elektron-elektron dari sisi jenis-p dan lobang-lobang dari sisijenis n dengan mudah melewati hubungan. Karena itu gerakan pembawa minoritas membentuk aliran arus. Dalam keadaan setimbang arus ini tepat mengimbangi aliran berlawanan yang sama dari pembawa mayoritas sehingga perolehan dari sumber-sumber panas merupakan energi yang cukup untuk melewati halangan.

5.3 Diagram Pita Energi dari Hubungan p-n Tanpa Catu

Kita tahu bahwa untuk semikonduktor jenis n tingkat Fermi berada dekat dengan ujung pita hantaran E, dan untuk semikonduktor jenis-p, tingkat Fermi berada dekat ujung pita valensi Ev. Kalau hubungan p-n terbentuk, dalam keadaan setimbang tingkat Fermi mencapai harga tetap di seluruh contoh, seperti ditunjukkan dalam Gambar 5.3. Jelas, bahwa ujung pita hantaran Ecp dari jenis p tidak berada pada tingkat yang sama dengan Ecn, dari jenis n. Demikian pula, EVP tidak akan segaris dengan Evn. Dari Gambar 5.3, kita dapatkan:EB =Ecp-Ecn =Evp-Evn=eVBdi mana ER adalah energi halangan, e muatan elektron dan VB potensial halangan.Catatan, bahwa walaupun ada potensial VB= EB/e pada hubungan p-n, voltmeter yang dihubungkan lewat hubungan p-n tidak akan membaca potensial ini. Hal itu dapat dijelaskan sebagai berikut:

Kalau mungkin misalkan bahwa arus mengalir akibat tegangan halangan dalam dioda hubungan p-n terhubung singkat. Arus ini akan memanaskan kawat logam penghubung. Karena tidak ada sumber energi luar, pemanasan kawat harus berlangsung dengan sekaligus pendinginan dioda hubungan p-n. Tetapi dalam kesetimbangan panas suasana ini tidak tampak. Sehingga kita simpulkan, bahwa arus lewat rangkaian sama dengan nol. Ini berarti bahwa tegangan halangan harus diimbangi oleh potensial kontak logam ke semikonduktor di ujung dioda. Karena arus sama dengan nol, kawat penghubung dapat dipotong tanpa mengubah keadaan dan penurunan tegangan lewat potongan tersebut harus nol. Jadi voltmeter yang dihubungkan ke terminal-terminal dioda membaca tegangan nol.

Gambar 5.3. Diagram pita energi dari hubungan p-n.

5.4 Hubungan p-n yang di catu

Kalau terminal positif dari baterei disambungkan ke sisi jenis p dan terminal negatif ke sisi jenis n dari hubungan p-n, hubungan tersebut melewati arus besar yang mengalir lewat hubungan tersebut. Dalam hal ini, hubungan p-n dikatakan dicatu maju (forward biased) kalau terminal-terminal dari baterei dibalik, yakni terminal positif dihubungkan ke sisi jenis n, dan terminal negatif di sisi jenis p, hubungan akan mengalirkan arus kecil. Dalam keadaan ini hubungan p-n dikatakan dicatu balik (reverse biased).Sifat-sifat dari hubungan p-n di atas sangat cocok untuk penyearahan. Sekarang akan kita utarakan secara kualitatif mekanisme di mana hubungan (i) dicatu maju dan (ii) dicatu-balik.(i) Hubungan p-n Dicatu Maju: Hubungan p-n dicatu maju dan simbol penggambarannya berturut-turut ditunjukkan dalam Gambar 5.4(a) dan (b). Tegangan catu maju V mengakibatkan gaya pada lobang-lobang di sisi jenis p dan pada elektron di sisi jenis n.

Gambar 5.4. (a) Dioda hubungan p-n dicatu maju.(b) Gambaran simbolis.

Gaya ini mengakibatkan lobang dan elektron bergerak menuju hubungan. Akibatnya, lebar muatan tidak tercakup berkurang dan halangan berkurang, yakni energi halangannya (Gambar 5.5). Besarnya pengurangan energi halangan diberikan oleh eV, di mana V adalah tegangan yang diberikan. Akibat berkurangnya tinggi halangan, maka arus mengalir terutama akibat pembawa mayoritas, yakni lobang dari sisi jenis p ke sisi jenis n dan elektron dari sisi jenis n ke sisi jenis p naik. Sebaliknya, arus pembawa minoritas yang mengalir dalam arah sebaliknya dari arus pembawa mayoritas tidak dipengaruhi oleh catu maju. Hal ini disebabkan arus pembawa minoritas hanya tergantung pada temperatur.

Gambar 5.5 Muatan tidak tercakup

b. Berkurangnya energi halangan untuk hubungan p-n yang dicatu maju

Gambar 5.6 a) hubungan p-n dicatu balik

b) gambaran simbolis

(ii) Hubungan p-n Dicatu Balik: Suatu hubungan p-n yang dicatu balik dengan gambaran simbolis ditunjukkan dalam gambar 5.6. Dalam hal ini tegangan yang diberikan ke hubungan mengakibatkan lobang dalam sisi jenis p dan elektron dalam sisi jenis n bergerak menjauhi hubungan. Hal ini menaikkan lebar muatan tidak tercakup sekeliling hubungan dan menaikkan tinggi halangan Gambar 5.7(a) dan (b). Besarnya kenaikan energi halangan sama dengan eV, di mana V besarnya tegangan yang diberikan. Akibat kenaikan tinggi halangan, sejumlah pembawa mayoritas yang dapat diabaikan akan dapat melewati hubungan dan arus akan sama dengan nol. Namun, pembawa minoritas yang melalui halangan potensial tetap tidak berubah dan memberikan arus yang kecil. Arus ini dinamakan arus jenuh balik (IS). Arus jenuh balik membesar dengan kenaikan temperatur dioda, tetapi sebagian besar tidak tergantung pada tegangan balik yang diberikan. Kenaikan temperatur mempercepat membesarnya konsentrasi pembawa minoritas yang mengarah ke kenaikan arus jauh balik.

Gambar 5.7. (a) Muatan tidak tercakup.(b) Energi halangan yang diperbuat untuk hubungan p-n di catu balik.5.5 Karakteristik Volt Amper dari Hubungan p-n

Dapat ditunjukkan, bahwa arus total yang mengalir lewat hubungan p-n karena penggunaan tegangan V lewat hubungan diberikan oleh

Dimana :

Is = arus jenuh balik,e = muatan satu elektron (= 1,6 x 10-19 coulomb),

k = konstanta Boltzmann (= 1,38 x 10-23 joule oK-1)T= temperatur dalam K, dan angka konstan yang tergantung pada bahan dioda. Untuk germanium = 1, dan untuk silikon n 2.Kalau V positif, hubungan tercatu maju, dan kalau V negatif hubungan tercatu balik. Pada temperatur kamar (T = 300K), dari Persamaan (5.1) kita dapatkan

Catatan, bahwa tegangan V dalam Persamaan (5.2) mengacu ke penurunan tegangan lewat hubungan. Namun, hal ini hampir sama dengan tegangan dalam daerah p dan n sangat kecil. Gambaran khas dari Persamaan (5.2) ditunjukkan dalam Gambar 5.8. Perlu ditekankan bahwa batas arus yang biasanya berlaku untuk dioda yang bekerja pada arah maju jauh lebih besar daripada arus jenuh balik. Misalnya, kalau arus maju berada pada batas sekitar mA (nilai amper), arus jenuh balik dalam batas A (mikro amper) akan kurang.

Gambar 5.8. Karakteristik arus tegangan khas dari dioda nubungan p-n.

Dari karakteristik Gambar 5.8 terlihat, bahwa pada tegangan balik yang ditunjukkan oleh titik B pada karakteristik arus balik mendadak naik. Dioda hubungan p- n kalau bekerja di daerah garis putus-putus dinamakan dioda patah. Akan kita bahas dioda patah lebih terperinci dalam Bagian 5.7.

Resistansi statis atau dc (Rdc) dari dioda didefinisikan sebagai :

Resistansi dc dan dioda amat berubah menurut V dan I. Resistansi dinamis atau ac (rac) dari dioda didefinisikan sebagai :

Kalau dioda cukup besar dicatu maju, suku satu dalam tanda kurung persamaan (5.2) dapat diabaikan. Dengan penyederhanaan ini dan mendiferensialkan Persamaan (5.2) untuk resistansi dinamis dioda dalam arah maju pada temperatur kamar

Dimana I dinyatakan dalam milliamper dan rac dalam ohm. Jadi untuk = 1 dan untuk arus dioda 26 mA resistansi dinamisnya. sama dengan 1 ohm. Kemiringan karakteristik yang ditunjukkan dalam Gambar 5.8 menunjukan bahwa resistansi dinamis dalam arah kebalikannya sangat besar.Ciri karakteristik dioda yang perlu dicatat adalah bahwa kalau catu maju kurang dari harga V(, arus akan sangat kecil. Sesudah V( arus mendadak naik. Tegangan V( dinamakan tegangan awal masuk atau offset atau tegangan-ambang dari dioda. Khususnya, untuk dioda germanium V( 0,2 V untuk dioda silikon V( 0,6V.

5.6 Kapasitansi Hubungan

Dari Gambar 5.2 diamati bahwa daerah kosong sekitar hubungan p-n berisi muatan positif tidak bergerak pada sisi jenis n dan muatan negatif tidak bergerak pada sisi jenis p. Juga kita catat dari Gambar 5.7 bahwa penggunaan tegangan balik ke hubungan p-n mengakibatkan kenaikan muatan tidak tercakup ini. Ini dapat dianggap sebagai efek kapasitif dan hubungan dimisalkan menunjukkan sifat kapasitansi, dan dinamakan kapasitansi hubungan. Kapasitansi ini tidak tetap, tetapi dapat ditunjukkan berkurangnya harga dengan kenaikan tegangan balik. Sifat hubungan p-n ini digunakan dalam berbagai rangkaian. Misalnya: (i) dalam tegangan penala rangkaian resonansi LC, (ii) dalam rangkaian jembatan seimbang sendiri, dan (iii) dalam jenis khusus penguat, yang dinamakan penguat parametris. Dalam penggunaan diatas, dioda hubungan p-n hanya dibuat tergantung pada tegangan. Dioda semacam itu dinamakan varaktor atau varikap.

5.7 Beberapa dioda hubungan p-n khusus

(1) dioda patah (breakdown)

Kalau dioda hubungan p-n bekerja dalam daerah garis putus-putus dari karakteristik tegangan balik gambar 5.8, dioda-dioda tersebut dinamakan dioda patah (breakdown).

Dua mekanisme berikut merupakan pernyebab patahan dalam dioda hubungan p-n :

(i) patahan avalans : pada saat catu-balik yang diberikan dalam hubungan p-n naik, medan lewat hubungan akannaik pula. Pada suatu harga catu, medan menjadi sedemikian besar sehingga pembawa yang dibangkitkan secara panas pada saat melintasi hubungan memperoleh sejumlah energi dari medan. Kemudian pembawa ini dapat melepaskan ikatan kovalen dan membentuk pasangan lobang baru pada saat membentuk ion tidak bergerak. Pembawa baru ini mengambil lagi energi yang cukup dari medan yang diberikan dan membntuk ion tidak bergerak sambil membangkitkan pasangan lobang electron lobang berikutnya. Proses ini sifatnya akumulatif dan menghasilakan avalans (runtuhan) pembawa dalam waktu yangamt singkat. Mekanisme pembangkitan pembawa ini dinamakan penggadaan avalans. Hasilnya adalah proses aliran sejumlah besar arus pada suatu harga catu balik, seperti ditunjukkan oleh bagian garis putus-putus dari karakteristik gambar 5.8

(ii) patahan zener : patahan zener terjadi kalau medan catu balik lewat hubungan p-n sedemikian rupa sehingga medan dapat memberikan gaya pada electron terikat dan melepaskannya dari ikatan kovalen. Jadi, sejumlah besar pasangan electron lobang akan dibangkitkan lewat putusnya langsung iktan kovalen . pasangan electron lobang demikian memperbesar arus balik. Catatan, bahwa dalam patahan zener pembangkitan pembawa tidak disebabkan oleh tumbukan pembawa dengan ion-ion diam seperti halnya dalam peristiwa penggandaan avalans.

Walaupun ada dua perbedaan mekanisme, diode-diode patah biasanya dinamakan diode zener. Symbol untuk diode zener ditunjukkan dalam gambar 5.9. karateristik zener hamper sejajar dengan sumbu arus, yang menujukkan bahwa tegangan lewat dioda hamper tetap walaupun arusnya banyak berubah. Tegangan lewat diode zener dengan demikian dapat dimanfaatnakn sebagai avuan, dan diode tersebut dapat disebut sebagai dioda acuan. Penggunaan khas dari dioda zener sebagai dioda acuan diberikan dalam gambar 5,10 tegangan V dan resistansi r ditentukan sedemikian rupa sehingga arus dioda berada dalam batas tertentu dan dioda bekerja dalam daerah patah. Tegangan V0 lewat resistansi beban RL tetap, walaupun catu tegangan v dan resistansi beban RL dapat berubah. Batas atas arus dioda ditentukan oleh disipasi daya dari dioda.

Dalam gambar 5.10, kalau I merupakan arus yang keluar dari sumber dan Iz dan IL arus-arus melewati berturu-turut dioda zener dan resistansi beban, hukum arus (HAK) dan hukuj tegangan kirchoff memberikan :

Dan I=Iz+IL(5.6)

V0=V-IR(5.7)

jugaV0=IL RL (5.8)

misalkan, tegangn catu V tetap besarnya dari resistansi beban RL berubah karena tegangan zener V0 cenderung tetap besarnya, persamaan (5.7) memberikan I=0. kemudian kita dapatkan dari persamaan (5.6)

I=IZ+ IL =0

atau,

IZ= -IZ

jadi, kalau resistansi beban naik tetapi tegangan catu tetap, arus IL turun dan arus Iz naik dalam julah yang sama sehingga arus total I tetap besarnya.

Sekarang misalkan, bahwa resistansi beban RL tetap dan tegang vatu V berubah. Karena V0 mengarah tetap, dipersamaan (5.7) kita dapatkan

V=RI.

Dari persamaan 5.8 kita dapatkan IL=0, dari persamaan 5.6 I=IZ. jadi, kalau tegangan catu diubah tetapi resistansinya beban dijaga tetap, arus total I dan arus zener IZ berubah dengan besar yang sama untuk menjaga arus beban IL konstan.

Catatan, bahwa tegangan zener V0 tetap, arus zener Iz dapat berubah. Sehingga resistansi DC dari dioda zener yakni V0 / Iz tidak tetap. Resistansi dinamis rz diberikan oleh kebalikan oleh kemiringan karakteristik, yakni oleh V0 / IZ. karena karekteristik zener mendekati parelel dengan sumbu arus, V0=0, yakni rz=0. dalam praktek, rz mempunyai harga terbatas, tetapi harus kecil untuk diode zener yang baik.

(2) diode terobosan

Kalau konsentrasi atom-atom pencampur sangat besar(sekitar 1018 atau 1019 cm-3). Baik dalam daerah p atau n, lebar halangan dari dioda hubungan p-n menjadi sangat kecil(=100A). karakteristik volt amper khas dioda semacam itu ditunjukan dalam gambar 5.11. karaktreristik menujuk daerah kemiringan negatif kalau bekerja dalam arah maju. Catatan bahwah terjadinya kemiringan negatip tidak dapat dijelaskan dengan mekanisme yang telah diberkan 0dalam seksi 5.4. proses mekanika kuantum, yang dikenal terobosan (tunneling), memberikan penjelasan yang memuaskan tentang karakteristik diatas. Sehigga dioda diatas dinamakan dioda terobosan (tunnel). Pembahasan tentang terobosan mekanika kuantum tersebut diluar cakupan buku ini. Kemiringan negatif, yakni resistansi diferensial negatif di tunjukkan oleh dioda terobosan dapat digunakan dalam membangun penguat, osilator alat-alat penyambungan. Karena proses terobosan merupakan proses amat cepat, dioda terobosan dapat bekerka pada frekuensi tinggi (sekitar 10 GHz) .

(3) dioda foto

kalau cahaya dibiarkan jatuh pada dioda hubugan p-n yang dicatu balik, pasangan electron lobang tambahkan terbentuk baik dalam daerah p maupun daerah n. hal ini mengakibatkan terbentuknya perubahan konsentrasi pembawa mayoritas yang amat kecil dan perubahan konsentrasi pembawa minoritas ini memperbesar arus balik, karena ini pembawa-pembawa ini menurunkan potensial halangan. Telah ditemukan, bahwa arus lewat dioda berubah hamper linear dengan fluks cahaya. Dengan diode yang dirancang untuk bekerja dengan prinsip ini dinamakan diode foto. Dioda semacam itu digunakan dalam deteksi cahaya penyambung bekerja dengan cahaya, pembacaan kartu gelombang computer, pita-pita dan sebagainya.

(4) dioda pemancar cahaya (LED =Light Emitting Diode)

Tidak seperti halnya pembangkitan pasangan electron lobang yang memerlukan energi maka rekombinasi satu electron dengan satu lobang sebaliknya mengeluarkan energi. Dalam hal semikonduktor tertentu, seperti GaAs kalau electron dari pita hantaran turun kedalam pita valensi energi yang dikeluarkan muncul dalam bentuk radiasi inframerah.

Dalam hal alloy semikonduktor gallium arsenic fosfit (GaAsx-Plx) radiasi yang diancarkan berwarna merah. Suatu dioda hubungan p-n yang dibangun dari semikonduktor semacam itu dinamakan dioda pemncar cahaya (LED= Light Emitting Diode). Kalau dioda dicatu maju electron bergerak kedalam sisi p dan menjumpai sejumlah besar lobang kemungkinan rekombinasi electron lobang dengan demikian membesar dan menyebabkan kenaikan radiasi pemancar. Dioda yang dibangunkan dari GaAsx-Pl-x digunakan dalam pembuatan lampu sinyal dan peragaan. LED inframerah merupakan sumbercahaya potensial untuk komunikasi serat optic dalam kondisi-kondisi cahaya yang dipancarkan koheren. Dioda demikian dinamakan laser hubungan injeksi.

(5) sel matahari

Sel matahari didasarkan pada dioda hubungan p-n yang mengubah cahaya matahari langsung ke listrik dengan efisiensi konversi yang besar. Penjelasan fisiknya diberikan di bawah ini.

Pembawa-pembawa minoritas diijeksi dalam daerah p maupun n dari dioda hubungan p-n. kalau ditunjukkan ke cahaya. Kalau dioda tidak di catu dan dibiarkan terangakai terbuka, arus yang disebabkan oleh pembawa minoritas harus diimbangi oleh aliran arus listrik yang samadan berlawanan arah yang disebabkan oleh pembawa mayoritas karena arus bersih yang lewat dioda terangkai terbuka harus sama dengan nol. Tetapi arus dari pembawa mayoritas tambahan hanya mungkin kalau tegangan halangan lewat hubungan berkurang. Jadi, kalu dioda hubungan p-n di buka ke cahaya, tegangan yang persis sama dengan jumlah berkurangnnya tegangan halangan, dihasilkan lewat hubungan. Tegangan ini menaikkan arus, kalau dioda dihubungkan ke rangkaian luar selama hubungan dibuka kecahaya, besarnya arus sebanding dengan intesnsitas cahaya.

Pada saat ini sel matahari digunakan secara intensif dlam kapal ruang angkasa dan satelit sebagai sumber daya yang penting dan tahan lama. Sel-sel matahari dibangun dengan silicon, gallium arsenic, cadmium sulfite dengan banyak semikonduktor lainya. Dan dalam berbagai bentuk alat.

_1237189356.unknown

_1237189357.unknown

_1237189358.unknown

_1237189354.unknown