Pengaruh Pemberian Bias Pada Daerah Deplesi, Built in voltage

Pengertian Dioda

Dioda adalah merupakan jenis komponen pasif. Dioda memiliki dua kaki/kutub yaitu kaki anoda dan kaki katoda . Dioda terbuat dari bahan semi konduktor tipe P dan semi konduktor tipe N yang di sambungkan.

Semi konduktor tipe P berfungsi sebagai Anoda dan semi konduktor tipe N berfungsi sebagai katoda. Pada daerah sambungan 2 jenis semi konduktor yang berlawanan ini akan muncul daerah deplesi yang akan membentuk gaya barier.Gaya barier ini dapat ditembus dengan tegangan + sebesar 0.7 volt yang dinamakan sebagai break down voltage, yaitu tegangan minimum dimana dioda akan bersifat sebagai konduktor/penghantar arus listrik.

Dioda bersifat menghantarkan arus listrik hanya pada satu arah saja, yaitu jika kutub anoda kita hubungkan pada tegangan + dan kutub katoda kita hubungkan dengan tegangan – (kita beri bias maju dengan tegangan yang lebih besar dari 0.7 volt) maka akan mengalir arus listrik dari anoda ke katoda (bersifat konduktor). Jika polaritasnya kita balik (kita beri bias mundur) maka arus yang mengalir hampir nol atau dioda akan bersifat sebagai isulator.

Karena sifat dioda yang bekerja sebagai konduktor jika kita beri bias maju dan bekerja sebagai isulator pada bias mundur, maka dioda sering digunakan sebagai penyearah (rectifier) arus bolak-balik. Contoh penggunaannya adalah pada rangkaian adaptor, DC power supply (Catu Daya DC) dsb.

gambar simbol dioda

P-N junction

P-n junction terbentuk dengan menggabungkan semikonduktor tipe-N dan tipe-P bersamaan dalam hubungan yang sangat dekat. Istilah junction menunjuk ke bagian di mana kedua tipe semikonduktor tersebut bertemu. Dapat dilihat sebagai perbatasan antara wilayah antara blok tipe-P dan tipe-N seperti yang diperlihatkan di diagram bawah:

Daerah Deplesi

Daerah deplesi atau daerah transisi adalah daerah yang sangat tipis dekat sambungan antara semikonduktor tipe p dan semikonduktor tipe n pada sebuah diode. 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 positip di daerah tipe-n dan lapisan muatan negatif di daerah tipe-p.

Karakteristik Arus dan tegangan

Forward Bias

Ketika kaki katoda disambungkan dengan kutub negatif batere dan anoda disambungkan dengan kutub positif, maka dikatakan bahwa dioda sedang dibias dengan tegangan maju. Bias maju ini diperlihatkan pada gambar berikut.

Dioda dengan bias tegangan maju Dalam bias maju, kutub negatif batere akan menolak elekton-elektron bebas yang ada dalam semikonduktor tipe N, ika energi listrik yang digunakan adalah melebihi tegangan barir, maka elektron yang tertolak tersebut akan melintasi daerah deplesi dan bergabung dengan hole yang ada pada tipe P, hal ini terjadi terus menerus selama rangkaian di gambar tersebut adalah tertutup. Kondisi inilah yang menyebabkan adanya arus listrik yang mengalir dalam rangkaian.

Reverse Bias

Sebaliknya jika kaki katoda disambungkan dengan kutub positif batere dan anoda disambungkan dengan kutub negatif batere, maka kondisi ini disebut sebagai bias tegangan balik, seperti terlihat dalam gambar berikut.

Dioda dengan bias tegangan mundur Ketika dioda dibias mundur, maka tidak ada aliran arus listrik yang melewati dioda. Hal ini dikarenakan elekton bebas yang ada pada tipe N tertarik oleh kutub positif batere dan demikian juga hole pada tipe P berekombinasi dengan elektron dari batere, sehingga lapisan pengosongan menjadi semakin lebar. Dengan semakin lebarnya lapisan pengosongan ini, maka dioda tidak akan mengalirkan arus listrik. Ketika tegangan bias mundur terus diperbesar, maka pada suatu harga tegangan tertentu dioda akan rusak, karena adanya proses avalan yang menyebabkan dioda rusak secara fisik.

Macam-macam Dioda dan penggunaannya

Menurut bahan semi konduktor yang digunakan dalam pembuatannya, dioda ada 2 jenis yaitu :

• Dioda silikon: Dibuat dari bahan silikon (si)
• Dioda germanium: Dibuat dari bahan germanium (ge)

Jenis-jenis dioda dan penggunaannya :

• Dioda silikon: Banyak digunakan pada peralatan catu daya sebagai penyearah arus,. Contoh : 1N4001, 1N4007, 1N5404 dsb.
• Dioda zener: Digunakan untuk membatasi/mengatur tegangan. Contoh : zener 6.2 volt, zener 3.2 volt dsb. Dioda Zener dibuat sedemikian rupa sehingga arus dapat mengalir ke arah yang berlawanan jika tegangan yang diberikan melampaui batas “tegangan rusak” (breakdown voltage) atau “tegangan Zener”.
• Dioda Bridge: 4 buah dioda yang dirangkai menjadi rangkaian jembatan/bridge. Banyak digunakan pada rangkaian catu daya sebagai penyearah gelombang penuh (full wave rectifier). Contoh : B40C800, kiprox pada kendaraan bermotor dsb.
• Light Emitting Diode Disingkat dengan LED. Dikenal juga dengan Dioda cahaya, karena perangkat elektronik ini mampu menghasilkan cahaya.Light Emitting Diode adalah suatu semikonduktor yang memancarkan cahaya ketika diberi tegangan maju.
• Dioda foto adalah jenis dioda yang berfungsi mendeteksi cahaya. Berbeda dengan dioda biasa, komponen elektronika ini akan mengubah cahaya menjadi arus listrik.

Dioda - Breakdown

Gambar 3.17 di bawah ini menunjukkan karakteristik reverse-bias dari dioda, termasuk area breakdown. Dioda-dioda yang dibuat khusus untuk bekerja pada daerah ini memiliki kemampuan untuk menstabilkan tegangan melalui disipasi daya. Pada gambar 3.17b, tegangan R_L akan konstan walaupun tegangan input V diubah-ubah (> 5V). Dioda jenis ini dinamakan dioda avalanche, dioda breakdown, atau dioda Zener.

Kemampuan dioda-breakdown ini timbul karena dua mekanisme, yaitu multiplikasi avalanche dan efek Zener (telah diterangkan sebelumnya).

Efek Zener terjadi pada saat medan di sekitar junction mendekati nilai 2 x 10⁷ V/m. Medan sebesar ini terjadi pada tegangan di bawah 6 V pada semikonduktor ter-doping berat.

Nama dioda Zener lebih umum digunakan untuk dioda-dioda-breakdown, walaupun tegangan operasinya tinggi. Dioda silikon yang beroperasi pada breakdown avalance mampu mempertahankan tegangan dari beberapa volt hingga ratusan volt, dengan daya sekitar 50 W.

Karakteristik Temperatur. Sensitivitas dioda Zener terhadap suhu merupakan hal yang menarik. Koefisien temperatur dioda zener dinyatakan dalam prosentase perubahan tegangan per derajat celsius perubahan suhu. Koefisien bisa bernilai positif maupun negatif dengan nilai sekitar + 0,1 persen/°C.

Di daerah zener murni (di bawah 6 V) koefisien bernilai negatif, karena kenaikan suhu akan meningkatkan energi elektron valensi, sehingga lebih mudah lepas dari ikatan. Jadi di daerah ini, semakin tinggi suhu, tegangan breakdown akan semakin rendah.

Di daerah avalanche (tegangan operasi tinggi, > 6V) , kenaikan suhu akan meningkatkan vibrasi atom yang berarti akan meningkatkan peluang terjadinya tumbukan antara partikel intrinsik dengan atom. Hal ini memperkecil peluang partikel intrinsik untuk menembus junction. Berarti, tegangan breakdown semakin tinggi jika suhu dinaikkan (koefisien positif).

Resistansi Dinamis dan Kapasitansi. Jika gradien-resiprokal DV_Z/DI_Z  adalah resistansi dinamis, maka perubahan arus sebesar DI_Z pada dioda akan menghasilkan perubahan tegangan sebesar DV_Z = r DI_Z. Idealnya, r = 0 (sehingga garis pada area breakdown benar-benar vertikal).

Nilai minimum r pada dioda-breakdown adalah beberapa ohm saja. Namun untuk V_Z di bawah 6 V atau di atas 10 V serta arus yang cukup kecil (~ 1 mA), r dapat memiliki nilai beberapa ratus ohm.

Sejumlah produsen dioda menentukan nilai arus minimum I_ZK (gambar 3.17a) yang harus diperhatikan. Di bawah arus minimum ini, resistansi dinamis menjadi besar dan efek regulasi tegangan akan memburuk.

Kapasitansi pada dioda-breakdown adalah kapasitansi transisi. Karena C_T proporsional dengan luas penampang dioda, dioda avalanche daya tinggi memiliki kapasitansi yang sangat besar, karena penampangnya yang besar. Nilai umum untuk C_T adalah antara 10 hingga 10.000 pF.