MODUL DIODA

Disusun oleh Faisal Ibrahim Kelas XI SCI/13

SEKOLAH MENENGAH ATAS NEGERI 78 Tahun Ajaran 2010/2011

DiodaA. TEORI DASARDi d i l p t j i VACUUM t l 904. g il y g w d i iliki d gg i y g l kt d . Di d t i J.A. l g i g

k li dicipt k

( 849- 945) p d t

Struktur Dioda

t kt dil t kk El kt d l

d

k p i i

d i di d d p t dili t p d g g lili gi k t d k l t d gk k g t

di t . P d di d , pl t di i ipk kd ik t d di d l k t d . j pt . l

p d k t d y g dip

B. PENGERTIAN DIODADi d d gk t p d p k l ty g l w y i g li k i DC d l t k iliki d l g t t k k t t j (k ki) di g y j , l i y g iliki g y j i tid k k i

t. Di d i gd l i g j

t k fi ik y g k cil d p ti l y t y (

i t ). Di d l g tif. k t k

p itif td g

d gk k t d d j di iliki d y l i t

g k ki y g l i

kik ki d i di d i i g AC gd ij i pipi , dit t k

di (

d . Di d j g d p t dig DC ( c c )d l i

l k- lik)

g i y t g t d gk i

di d y . Di d t kp l l k d d k

t k, d y g ili d , t

g i y . if t d i di d did l l t k l kt d - l kt d y

1

.

C. LAMBANG DAN BENTUK K M ONEN DIODADi alam suatu s ema ran aian io e ilamban an se erti a a ambar iba ah ini.

N

no a Lamban

Kato a ari Dio e

Dari lamban ini su ah a at ilihat bah a arah ari arus mem en aruhi si at ari io e. Satu sisi ari io a isebut ano a ujun e an ari se iti a. an an lainn a isebut ato a. Kato a a a a a ositi se an an

abila ano e ihubun an e utub an

ano a ihubun an e utub an ne ati ma a arus listri a an men alir ari ano e menuju e ato a. Namun a abila hubun an tersebut ibali an ma a ti a a an a a arus listri men alir melalui io a. a i io a han a a at ialiri oleh arus listri a a saat ano a an

memili i otensial lebih tin i ari a a ato e. Kom onen ari io a serin berbentu silin er e il an biasan a iberi lin aran a a ato e untu menunju an osisi ari aris i alam lamban io a tersebut.

D. SIFAT DIODASeba ai en e atan ertama a at i ata an bah a io e men ijin an arus untu a at men alir e satu arah saja. Keti a ano e men a at an voltase an lebih ositi ari a a ato e ma a arus bisa saja men alir en an bebas. Di alam situasi se erti ini a at i ata an io a dibias maju. Kalau voltase ibali an berarti ato e an ositi

terha a ano e ma a arus ti a a an a at men alir e uali suatu arus an san at e il. Dalam situasi ini i ata an io e dibias balik atau dibias mundur. rus an men alir2

ketika io e ibias balik isebut en an arus balik atau arus bo or ari io e an arus itu be itu ke il sehin a i alam keban akan ran kaian a at iabaikan. rus bisa men alir kearah se iti a alam lamban skema ran kaian. Kalau voltase lebih ke il ari a a batas batas tersebut maka sebenarn a ter a at ula arus namun jumlahn a san at ke il. Hubun an antara arus an voltase bisa i ambarkan se erti ambar iba ah ini.

en ekatan untuk si at ari suatu io e

Namun erlu i erhatikan bah a si at ini han a meru akan suatu en ekatan alau un en ekatan ini uku baik untuk i akai i alam ban ak situasi an berarti si at ari seba ian besar ran kaian a at imen erti oleh en ekatan ini. Kalau memakai en ekatan ini si at ari io e a at imen erti ju a en an memakai satu ran kaian en anti aitu satu sakelar an terbuka ketika io e ibias balik an tertutu ketika io e ibias maju.

Ran kaian en anti an Men ekati Si at Dio a

ntuk men a atkan voltase an

ibutuhkan su a a arus a at men alir maka

sakelar tersebut iran kai se ara seri en an satu sumber voltase sehin a ter a at ran kaian en anti. a i si at ari io e berbe a jika arah voltase a a sambun ann a berbe a. Si at an men ijinkan arus men alir han a ke satu arah saja a at i unakan seba ai suatu en ubah

3

arus bolak-balik menjadi arus searah. Salah satu contoh rangkaian sederhana yang menghasilkan sifat ini diperlihatkan pada gambar dibawah ini.

Gambar 5 Contoh Rangkaian Sederhana Kalau sifat dari diode yang dibias terus maju diteliti lebih rinci dengan arus yang tidak terlalu besar, maka terdapat sifat yang hamper persis yang sesuai dengan rumus.

I = Ib (T).[exp Vt(mVtr)-1 - 1]Dimana: Ib = Arus diode pada arah bias balik, berarti arus bocor T = Suhu diode Vt = Konstanta fisik : Vt = KT e0-1 setara dengan 1.40-1 (pada suhu 200 C) M = Satu konstanta antara 1 dan 2

E. DIODA SEMI ONDa. Bahan Semi ondukto

TOR

Bahan semikonduktor adalah bahan yang mempunyai level konduktiviti (kemampuan menghantarkan arus listrik) diantara bahan konduktor dan isolator. Kebalikan dari konduktiviti adalah resistansi , yaitu kemampuan menahan arus listrik. Semakin tinggi level konduktiviti maka semakin rendah level resistansi. Istilah resistivity (rho, yunani) biasanya digunakan untuk membandingkan level resistansi material. Resistivity suatu material diukur dalam satuan -m atau -cm.

4

Tabel berikut menunjukkan beberapa nilai resistivity bahan -bahan konduktor, semikonduktor dan isolator. Tabel Nilai Resistivitas Beberapa Material Jenis Konduktor Semi konduktor Bahan Tembaga Silikon Germanium Isolator Mika Resistivitas 10-6 -cm

50 x 1050 1012

-cm

-cm -cm

Jadi, bahan semikonduktor mampu menghantarkan listrik lebih baik daripada isolator, tapi lebih rendah dibandingkan konduktor. Dilihat dari struktur atom, atom terdiri dari sejumlah elektron, proton, dan neutron. Nukleus (inti-atom) mengandung proton ( bermuatan positif) dan neutron ( tidak bermuatan). Elektron (bermuatan negatif) beredar di sekeliling nukleus. Setiap atom cenderung mempunyai jumlah elektron dan proton yang sama. Model Bohr dari dua bahan semikonduktor yang paling umum, germanium (Ge) dan silikon (Si), ditunjukkan pada gambar 1.1.

5

Walaupun ikatan kovalen menghasilkan ikatan yang lebih kuat antara elektron valensi dengan inti atomnya, tapi masih memungkinkan bagi elektron valensi untuk menyerap cukup energi kinetik dari lingkungannya yang mengakibatkan putusnya ikatan tersebut. Energi ini bisa berasal dari cahaya dalam bentuk energi photon atau energi panas dari lingkungan sekitarnya. Akibatnya elektron akan berada dalam kondisibebas. Dalam kondisi bebas ini, pergerakan elektron menjadi sensitif terhadap medan listrik10

yang diberikan. Pada suhu kamar, ada sekitar 1,5 x 10 elektron sebagai carrier bebas3

dalam 1 cm silikon intrinsik. Intrinsik material adalah semikonduktor yang telah dimurnikan untuk mengurangi impurities (pengotoran oleh atom lain).13

Pada suhu yang sama, germanium memiliki sekitar 2,5 x 10 elektron bebas. Jadi pada suhu kamar, germanium adalah konduktor yang lebih baik dibandingkan silikon. Tapi, dalam kondisi intrinsik, keduanya masih merupakan konduktor yang buruk. Meningkatnya jumlah elektron dalam bahan semik onduktor akan meningkatkan level konduktansinya. Peningkatan ini bisa dilakukan dengan menaikkan suhu bahan atau dengan melakukan penyinaran pada bahan.

6

b. Ekstrinsik Material Metode yang paling baik untuk meningkatkan konduktansi bahan semikonduktor adalah dengan pemberian impurities (pengotoran kemurnian oleh atom lain) pada bahan semikonduktor intrinsik. Proses seperti ini disebut dengan proses doping. Impurities ini,6

walaupun diberikan hanya satu dalam 10x10 atom silikon akan menaikkan5

konduktansinya dengan faktor 10 pada suhu kamar. Peningkatan level konduktansi adalah sebanding dengan jumlah atom impurities per unit volume. Bahan semikonduktor yang telah dikenakan proses doping disebut material extrinsik. Ada dua tipe material ektrinsik yang sangat penting dalam fabrikasi piranti semikonduktor, yaitu tipe-n dan tipe-p. c. Material Tipe-n Material ekstrinsik tipe-n diperoleh dengan pemberian atom impurities dengan 5 elektron valensi (pentavalent), seperti antimony, arsenic, dan phosphorus pada kristal murni silikon atau germanium. Efek dari doping semacam ini ditunjukkan pada gambar berikut (menggunakan antimony sebagai impurity dalam basis silikon).

7

d. Material Tipe-p Material tipe-p dibentuk dengan memberikan doping pada kristal silikon ataupun germanium murni dengan atom impurities yang mempunyai 3 elektron valensi (trivalent). Elemen yang paling umum digunakan adalah boron, gallium, dan indium. Efek dari salah satu elemen ini (boron pada basis silikon) ditunjukkan pada gambar 1.4 berikut.

Perlu ditekankan bahwa walaupun dalam material ekstrinsik terdapat sejumlah besar carrier bebas, secara elekrik bahan tersebut masih netral, karena jumlah muatan positif proton dalam nukleus/inti atom masih sama dengan jumlah muatan negatif elektron yang bebas dan yang masih terikat dengan intinya. Dan lagi, jika impurities tipe dan tipe-p -n dalam jumlah yang sama diberikan pada suatu kristal silikon murni, tidak akan memberikan dampak terhadap konduktivitas karena kedua tipe muatan carrier akan berekombinasi. Jika suatu elektron valensi mendapat cukup energi kinetik untuk memutuskan ikatan kovalennya dan mengisi kekosongan yang diciptakan oleh hole, maka suatu kekosongan/hole yang baru akan terbentuk pada ikatan kovalen yang ditinggalkan oleh elektron tersebut. Karena itu, arah pergerakan elektron dan hole akan berlawanan. Kalau ada elektron bergerak ke kiri, maka ada hole yang bergerak ke kanan. Untuk arus listrik,

8

arah arus an hole.

i unakan a alah arah konvensional an sesuai en an arah er erakan

Dalam kon isi intrinsik, jumlah elektron bebas alam silikon an ermanium han a se ikit, aitu elektron valensi an le as ari intin a karena mem eroleh uku ener i ari suhu lin kun ann a atau un ari aha a. Kekoson an an itimbulkan alam

struktur ikatan kovalen memberikan han a se ikit holes. Dalam material ti e n, jumlah holes ti ak men alami erubahan berarti iban in kan en an alam kon isi intrinsik, sehin a jumlah elektron jauh melebihi jumlah hole. ntuk alasan ini :

Dalam mat rial ti

, elektr

di ebut maj rit carrier dan hole di ebut minorit

carrier Sebaliknya untuk material ti e-p, hole adalah majority carrier dan elektron

adalah minority carrier

Kalau a a elektron kelima alam atom onor menin alkan atom in ukn a, maka atom akan menja i bermuatan ositi , an isebut ion donor. Sebalikn a alam material ti e , atom an menerima elektron baru menja i bermuatan ne ati acceptor. an isebut ion

F. T ANSISTOR SEMIKONDUKTORTransist r a alah alat semikon uktor an emutus an en ambun i akai seba ai en uat, seba ai sirkuit

s it hin , stabilisasi te an an, mo ulasi sin al atau seba ai

un si lainn a. Transistor a at ber un si sema am kran listrik, imana ber asarkan arus in utn a BJT atau te an an in utn a F T , memun kinkan en aliran listrik an san at akurat ari sirkuit sumber listrikn a. a a umumn a, transistor memiliki 3 terminal. Te an an atau arus an i asan i

satu terminaln a men atur arus an lebih besar an melalui 2 terminal lainn a. Transistor a alah kom onen an san at entin alam unia elektronik mo ern. Dalam ran kaian en uat . Ran kaian analo melin ku i

analo , transistor i unakan alam am li ier

en eras suara, sumber listrik stabil, an en uat sin al ra io. Dalam ran kaian ran kaian i ital, transistor i unakan seba ai saklar berke e atan tin i. Bebera a transistor ju a a at iran kai se emikian ru a sehin a ber un si seba ai l gic gate, memori, an kom onen kom onen lainn a.

9

a.

Cara kerja transistor semikonduktor Dari banyak tipe-tipe transistor modern, pada awalnya ada dua tipe dasar transistor,

bipolar junction transistor (BJT atau transistor bipolar) dan field-effect transistor ( ET), yang masing-masing bekerja secara berbeda. Transistor bipolar dinamakan demikian karena kanal konduksi utamanya menggunakan dua polaritas pembawa muatan: elektron dan lubang, untuk membawa arus listrik. Dalam BJT, arus listrik utama harus melewati satu daerah/lapisan pembatas dinamakan depletion zone, dan ketebalan lapisan ini dapat diatur dengan kecepatan tinggi dengan tujuan untuk mengatur aliran arus utama tersebut. FET (juga dinamakan transistor unipolar) hanya menggunakan satu jenis pembawa muatan (elektron atau hole, tergantung dari tipe FET). Dalam FET, arus listrik utama mengalir dalam satu kanal konduksi sempit dengan depletion zone di kedua sisinya (dibandingkan dengan transistor bipolar dimana daerah Basis memotong arah arus listrik utama). Dan ketebalan dari daerah perbatasan ini dapat dirubah dengan perubahan tegangan yang diberikan, untuk mengubah ketebalankanal konduksi tersebut. Lihat artikel untuk masing-masing tipe untuk penjelasan yang lebih lanjut.

G. DIODA ZENERDiode zener merupakan salah satu dari beberapa jenis diode khusus yang juga dapat untuk mengalirkan arus ke arah sebaliknya. Diode ini merupakan sambungan dari silikon yang sering digunakan sebagai pengatur ataupun penstabil dari tegangan. Meskipun arus dari AC yang dirubah ke dalam bentuk arus searah (DC) berubah -ubah, namun tidak akan berpengaruh pada diode zener ini.Bentuk dari diode z ener biasanya sama dengan diode biasa, sedangkan lambang dan contoh dari diode zener dapat kita lihat pada gambar dibawah ini.

Lambang Dioda Zener

10

Si at ari io e zener ham ir sama en an io e biasa, han a saja io e zener iran an untuk memiliki voltase break thou ht a a voltase tertentu. Berikut ini a alah bebera a si at ari a a io e zener iantaran a: Te an an maksimum an bisa i a ai oleh io e zener kuran lebih sebesar ,7 sam ai en an 12 olt. Han a a at tahan terha a arus ke il saja antara 1 sam ai en an en an batas maksimum

miliam ere . Ham ir ti ak a a te an an an hilan jika

mele ati io e zener ini. Memiliki bentuk isik an ke il. oltase break throu h a a io e zener biasan a isebut en an oltase Zener. Dio e zener biasan a i akai a a arah balik sehin a voltase a a io e ini konstan aitu sebesar voltase zenern a. Dio e zener ju a memiliki bebera a keistime aan iantaran a. a. Te an ann a a at itentukan, misaln a sebesar b. Besar ari a a te an ann a ti ak ter antun , ,atau 1

a a te an an in utn a sen iri.

Dio e zener ju a memiliki bebera a un si iantaran a: a. Stabilisator te an an b. Seba ai Cli er a a sirkit ulsa. Berikut ini a alah ontoh ari atu a a an men unakan re ulator io e zener an kita lihat a a ambar iba ah ini. a at

Catu Da a en an Men unakan Re ulator Dio e Zener Bila te an an an melalui io e a a arah an berla anan an melebihi tin kat tertentu, io e ju a akan menja i suatu en hantar. Tin kat te an an ini ikenal seba ai te an an zener, an i alam io e biasa nilain a biasan a san at tin i 1 sehin a arus an untuk ti e 1N 1

itimbulkann a a at saja merusak io e. Meski un emikian, a at

ibuat io e en an te an an zener tertentu a a tin kat te an an an san at ren ah. Hasiln a a alah suatu io e an nantin a a at menja i sumber te an an an san at stabil, an serin kita sebut en an Dio e Zener. a. Resistansi Zener11

Bila io a zener se an bero erasi i aerah a al, kenaikan arus men hasilkan se ikit kenaikan te an an. Ini berarti bah a io a zener mem un ai resistansi a ke il. Lembaran ata menentukan resistansi zener serin arus en ujian IZT an sama en an an isebut im e ansi zener an a a

i unakan untuk men ukur Z. Resistansi

zener a a arus en ujuian ini itan ai en an RZT atau ZZT . Misaln a, lembaran ata 1N3 2 men antumkan ata ata seba ai berikut: ZT = 1 , IZT = 2 m , an

ZZT = 7 . Ini memberi in ormasi ke a a kita bah a io a zener mem un ai te an an 1 an resistansi zener 7 bila arus 2 m . b. Regulat r Zener Dio e zener serin isebut ju a volta e re ulator io e io a en atur te an an

karena mem ertahankan te an an out ut teta konstan meski un arus an melaluin a berubah.Pa a o erasi normal,kita harus memberikan bias mun ur reverse bias a a

io e zener.Lebih lanjut untuk mem eroleh o ersi breakdo n,te an an s harus lebih besar dari ada te an an breakdo n zener z.Resistor se Rs selalu di unakan untuk membatasi arus zener a ar lebih ke il dari ada tin katan arus maksimumn a.Jika tidak,diode zener terbakar. Re ulator en atur te an an den an diode zener terlihat ada ambar berikut.

Pen atur Te an an ada Diode Zener Te an an s adalah te an an searah an tak teratur an da at bersal dari en earah elomban enuh an berta is.Te an an sumber s dan resistor R di ilih aitu di z dan Iz.

sedemikian sehin a diode bekerja didaerah dadal break do n Diode kemudian men atur te an an beban terhada

erubahan arus beban dan

te an an sumber.Didaerah dadal erubahan an besar arus diode han a men akibatkan erubahan an ke il ada te an an diode zener.Pen aturan ini terjadi selama arus diode lebih besar dari ada Izk.12

c. Diode Zener Ideal Untuk perbaikkan dan perancangan mula, kita dapat menganggap daerah dadal sebagai garis yang vertikal. Artinya, tegangannya tetap meskipun arusnya berubah, yang artinya sama dengan mengabaikan resistansi zener. Gambar 1.3(a) menunjukkan pendekatan ideal dioda zener. Ini berarti bahwa dioda zener yang sedang beroperasi di daerah dadal berlaku seperti sebuah batere. Artinya dalam suatu rangkaian, dalam bayangan dioda zener dapat diganti dengan sumber tegangan Vz, asalkan di da zener o sedang beroperasi di daerah dadal. d. Regulator Zener dengan Beban Diode zener ini beroperasi pada daerah breakdown dan menjaga agar tegangan beban tetap konstan. Meskipun sumber tegangan berubah atau resistansi beban berubah ubah, namun tegangan akan selalu tetap dan sama dengan tegangan zener. e. Operasi Breakdown Bagaimana anda dapat mengatakan apakah diode zener dioperasikan pada diode zener atau tidak?. Tegangan Thevenin pada diode adalah sebagai berikut.

Ini merupakan tegangan yang ada ketika diode zener diputuskan dari rangkaian, dimana tegangan theveninnya haruslah lebih besar dari pada tegangan zener karena jika terjadi hal yang sebaliknya maka kondisi dari operasi breakdown tidak akan memenuhi ketentuan. f. Arus Seri Misalkan dioda zener sedang beroperasi di daerah dadal, kita teruskan sebagai berikut. Arus yang mengalir ,melalui tahanan seri diberikan oleh.

Ini adalah Hukum Ohm yang diterapkan pada tahanan pembatas arus. g. Arus Beban13

Karena resistansi zener biasanya hanya menimbulkan pengaruh yang sangat kecil, kita dapat mendekati tegangan beban dengan

(Lambang

berarti hampir sama daripada). Ini memungkinkan kita untuk

menggunakan hukum Ohm untuk menghitung arus beban.

h. Arus Zener Karena rangkaian dua simpal maka arus seri terbelah pada persambungan dioda zener dan tahanan beban. Dari hukum Kirchhoff diperoleh. IS = IZ + IL Kita dapat mengatur kembali persamaan ini untuk mendapatkan hubungan arsu zener. IZ = IS IL i. Pengujian Diode Zener Untuk melakukan pengujian terhadap diode zener maka langkah pertama yang harus kita kerjakan adalah menghubungkan diode zener pada arah maju, dengan katode menuju ke arah negatif. Diode akan menghantar seperti biasa apabila tegangan ambangnya kira kira sebesar 0,7 V, dan bila tegangan catunya ditingkatkan oleh potensiometer. Langkah berikutnya adalah membalikan diode zener. Biasanya diode tidak akan dapat menghantar arus bila tegangan belum mencapai tingkat tegangan sebesar 2,7 Volt. Tingkat tegangan ini akan tetap stabil, berapapun tegangan potensiometer, namun diode akan berhenti menghantarkan arus apabila tegangan pada potensiometer jatuh dibawah tegangan zener 2,7 Volt. Diode zener tersedia dalam beberapa nilai tegangan zener, diode ini sering digunakan di dalam stabilisasi catu daya atau untuk melindungi komponen laindari tegangan yang sifatnya berlebihan. Peristiwa yang terjadi pada diode pada tegangan zener ini adalah sesuatu yang menarik. Dimana di dalam peristiwa ini akan terjadi pertemuan antara kutub positif dengan kutub negatif yang sama-sama memiliki ketebalan kira-kira sebesar 1 m = 0,000 001 m. Dengan menganggap ketebalan antara pertemuan antara P -n14

sebesar 0,3 m dan diterapkan tegangan mundur 6 volt, maka perbandingan antara tegangan dengan panjang jalur 9biasanya lebih dikenal dengan kekuatan medan listrik atau E) adalah.

Sehingga apabila konduktor-konduktor dari sebuah sIstem tegangan tinggi sama dengan 380 kV dan terpisah sejauh 19mm, maka kekuatan medan akan sama dengan yang terdapat di dalam diode.

15