Dasar Elektronika @Heriana

8/8/2019 Dasar Elektronika @Heriana

1/24

Dasar Elektronika

#20100915_Heriana 1

I. Fisika Semikonduktor

1. Konsep atom yang dikemukakan oleh :

a. Plato dan Aristoteles

Konsep atom yang dikemukakan oleh Plato dan Aristoteles yaitu semua zat adalah

kombinasi dari elemen-elemen dasar dengan sifat-sifatnya. Elemen-elemen dasar tersebut

adalah api, air, tanah, dan udara. (Aristoteles kemudian menambahkan elemen lainnya, yaitu

elemen Ether yang merupakan suatu substansi sempurna yang menyusun benda-benda

langit). Sifat-sifatnya adalah panas, dingin, basah, dan kering. Hal ini menentukan sifat dari

elemen. Contohnya api dipandang sebagai campuran ideal panas dan kering.

Plato dan Aristoteles juga menyatakan bahwa suatu unsur dapat diubah menjadi unsur

lainnya dengan melakukan pencampuran. Pembakaran dan reaksi kimia lainnya yang

dianggap sebagai hasil dari reaksi antar senyawa tersebut. Unsur Aristoteles berbeda dari

unsur-unsur kimia. Dia percaya bahwa sebenarnya arsenik termasuk sulfur, dan digunakan

pada saat pengerasan tembaga saat itu. Plato, Aristoteles bersama-sama dengan para filsuf

Yunani lainnya mempertanyakan masalah partikel yang dapat dibagi dan yang tidak dapat

dibagi. Menurut Aristoteles, semua bahan itu terbuat dari atom.

b. John Dalton

Model atom yang dikemukakan oleh Dalton merupakan model atom pertama yang

cukup ilmiah, meski sebenarnya masih bersifat spekulasi. Dalton menyempurnakan pendapat

mengenai model atom sebelumnya. Menurut Dalton, atom merupakan partikel terkecil suatu

materi yang berbentuk bola. Bola-bola atom tersebut khas untuk setiap unsurnya.

Berikut adalah teori-teori yang diusulkan oleh Dalton, antara lain :

1. Atom merupakan bagian terkecil dari materi yang sudah tidak dapat dibagi-bagi lagi.

2. Atom digambarkan sebagai bola pejal yang sangat kecil, suatu unsur memiliki atom-

atom yang identik dan berbeda untuk unsur yang berbeda.

3. Atom-atom bergabung membentuk senyawa dengan perbandingan bilangan bulat dan

sederhana. Misalnya : air terdiri atom-atom hidrogen dan atom-atom oksigen.4. Reaksi kimia merupakan pemisahan atau penggabungan atau penyusunan kembali dari

atom-atom, sehingga atom tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan.

Gambar atom menurut Dalton

c. Thomas Ernest RutherfordAtom menurutnya adalah suatu dimensi bahwa di sekitar proton terdapat ruang besar

yang kosong dari segala partikel kecuali elektron yang jarang-jarang. Ruang terbuka yang

besar ini memberikan alasan adanya partikel alfa yang tidak terbelokkan. Percobaan yang

dilakukan oleh Rutherford terlihat pada gambar berikut.


2/24

Dasar Elektronika

#20100915_Heriana 2

Gambar percobaan Rutherford

Menurut Rutherford, partikel alfa yang dibelokkan sedikit diperkirakan telah lewat cukup

dekat dari proton sehingga dibelokkan oleh gaya elektrostatik. Sedangkan beberapa partikel

alfa yang dibelokkan kembali ke sumber diperkirakan telah mengalami tumbukan dengan inti

sehingga dipantulkan kembali oleh gaya elektrostatik. Hasil percobaan ini membuat

Rutherford menyatakan hipotesanya bahwa atom tersusun dari inti atom yang bermuatan

positif dan dikelilingi elektron yang bermuatan negatif. Untuk mengimbanginya sehingga atom

bersifat netral. Massa inti atom tidak seimbang dengan massa proton yang ada dalam inti

atom, sehingga dapat dipredisi bahwa ada partikel lain dalam inti atom. Gambar model atom

Rutherford sebagai berikut.

Gambar Model atom Ernest Rutherford

d. Joseph John Thomson

Menurut atom adalah proton yang memiliki massa yang jauh lebih besar dibandingkan

elektron, maka model Thomson menggambarkan atom sebagai proton tunggal yang besar. Di

dalam partikel proton, Thomson memasukkan elektron yang menetralkan adanya muatan

positif dari proton. Menurut Thomson, atom terdiri dari suatu bulatan bermuatan positif dengan

rapat muatan yang merata. Di dalam muatan positif ini tersebar elektron dengan muatan

negatif yang besarnya sama dengan muatan positif. Cara yang populer untuk

menggambarkan model ini adalah dengan menganggap elektron sebagai kismis (plumb) di

dalam kue puding proton, sehingga model ini diberi nama model kue kismis (plumb-pudding

model).


3/24

Dasar Elektronika

#20100915_Heriana 3

Gambar Model atom Joseph John Thompson

e. Neils Henrick David Bohr

Menurutnya Bohr, atom adalah elektron dalam atom bergerak mengelilingi inti pada

lintasan-lintasan tertentu dan tidak memancarkan energi. Lintasan-lintasan elektron itu disebut

kulit atau tingkat energi elektron. Elektron dapat berpindah dari satu lintasan ke lintasan yang

lain dan perpindahan elektron dari tingkat energi tinggi ke rendah disertai pemancaran energi.

Sedangkan perpindahan elektron dari tingkat energi rendah ke tinggi disertai penyerapan

energi. Elektron yang bergerak pada lintasannya berada pada keadaan stasioner, artinya

elektron tidak memancarkan atau menyerap energi. Model atom Bohr tidak cukup untuk

memprediksikan spektrum elemen yang lebih kompleks.

Gambar Model atom Bohr

f. Prinsip Larangan Pauli

Pada 1925, ilmuwan Austia, Wolfgang Paulimengemukakan teori yang dikenal dengan

nama Asas Larangan Pauli. Asas Larangan Pauli menyatakan bahwa Elektron-elektron

dalam satu atom tidak boleh mempunyai bilangan kuantum yang keempat-empatnya sama.Berdasarkan Asas Larangan Pauli dapat disimpulkan bahwa nilai bilangan kuantum

yang sama antar elektron maksimum tiga bilangan. Tidak mungkin keempat bilangan

kuantumnya sama jika terdapat dua elektron yang memiliki nilai bilangan kuantum n, l, dan m

sama, nilai s-nya pasti berbeda.


4/24

Dasar Elektronika

#20100915_Heriana 4

Gambar asas larangan Pauli

g. Prinsip Aufbau

Prinsip Aufbau mengatur tentang penulisan konfigurasi elektron. Kata Aufbau berasal

dari bahasa Jerman yang berarti meningkat. Prinsip Aufbau menyatakan bahwa Elektron

secara bertahap menempati orbital dimulai dari yang berenergi paling rendah. Setelah orbital

berenergi rendah terisi penuh, elektron menempati orbital yang energinya satu tingkat lebih

tinggi, dan seterusnya sampai semua elektron dalam atom menempati orbitalnya.Berdasarkan jumlah energi yang dimiliki setiap orbital, urutan pengisian orbital oleh

elektron dapat digambarkan dengan diagram berikut.

Gambar urutan pengisian orbital

Berdasarkan diagram tersebut, dapat disusun konfigurasi elektron dengan urutan

sebagai berikut :

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d10 7p6


5/24

Dasar Elektronika

#20100915_Heriana 5

2. a. Konduktor merupakan suatu benda yang mudah mengantarkan arus listrik. Konduktor

seperti tembaga memiliki 1 elektron valensi. Konduktor makin baik apabila jarak elektron

valensinya dengan inti makin jauh. Makin jauh jarak elektron valensi dengan inti, makin kecil

daya tarik elektron dengan inti sehingga makin sedikit energi yang dibutuhkan untuk

melepaskan elektron tersebut dari elektron valensinya yang artinya makin mudah konduktor

tersebut dalam mengantarkan arus listrik. Gambar konduktor sebagai berikut.

Gambar Metalic Konduktor

b. Semikonduktor Intrinsik disebut juga sebgai semikonduktor murni. Semikonduktor intrinsikmerupakan semikonduktor yang belum mendapat tambahan doping lain. Dalam suhu nol

mutlak (273K), semikonduktor ini bersifat sebagai isolator karena hanya memiliki sedikit

elektron bebas atau hole yang dihasilkan oleh energi termal. Dalam suhu diatas nol mutlak,

kristal semikonduktor tersebut mulai bergetar. Makin tinggi suhunya, maka semakin besar

getaran yang akhirnya getaran tersebut mematahkan ikatan kovalen antar atom-atom dalam

kristal semikonduktor tersebut. Peristiwa tersebut menyebabkan semakin banyaknya

elektron bebas dan lubang yang dihasilkan. Denga kata lain, semikonduktor intrinsik

merupakan semikonduktor yang dibuat dengan metode khusus untuk meningkatkankemurniannya setinggi mungkin, sehingga hasilnya bisa dianggap sebagai semikonduktor

murni.

Gambar semikonduktor intrinsik

c. Semikonduktor Ekstrinsik

- Bervalensi 3

Semikonduktor ekstrinsik bervalensi 3 (semikonduktor tipe-p) dibuat dengan cara

menambahkan sejumlah kecil atom pengotor trivalen (aluminium, boron, galium atau

indium) pada semikonduktor murni. Semikonduktor murni dalam hal ini misalnya silikon

murni. Atom-atom pengotor (dopan) ini mempunyai tiga elektron valensi sehingga secara

efektif hanya dapat membentuk tiga ikatan kovalen. Ketika sebuah atom trivalen menempati

posisi atom silikon dalam kisi kristal, terbentuk tiga ikatan kovalen lengkap, sisanya sebuah

muatan positif dari atom silikon yang tidak berpasangan yang disebut dengan lubang (hole).


6/24

Dasar Elektronika

#20100915_Heriana 6

Proses pengotoran ini akan menghasilkan semikonduktor tipe-p karena menghasilkan

pembawa muatan negatif pada kristal yang netral. Karena atom pengotor menerima

elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom aseptor (acceptor). Semikonduktor

tipe-p digambarkan sebagai berikut.

.

(a) (b)Gambar (a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi tiga

(b) Struktur pita energi semikonduktor tipe-p

- Bervalensi 5

Semikonduktor bervalensi 5 merupakan semikonduktor yang sudah mendapat

tambahan bahan pengotor bervalensi 5 (pentavalen) seperti : arsen, antimony dan fosfor.

Langkah-langkahnya yaitu pertama-tama semikonduktor murni (misalnya silicon)

dipanaskan hingga meleleh. Kemudian ditambahkan doping atau pengotor bervalensi 5

sehingga menyebabkan semikonduktor yang dihasilkan bervalensi 4 + 5 = 9, dimana 4

adalah elektron valensi dari silikon dan 5 adalah elektron valensi dari doping pentavalen.

Maksimum elektron valensi yang diperbolehkan adalah 8, maka 9-8 = 1. Semikonduktor ini

menghasilkan satu elektron bebas dan disebut sebagai semikonduktor tipe-n.

(a) (b)

Gambar (a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi lima

(b) Struktur pita energi semikonduktor tipe-n

d. Isolator bukan merupakan penghantar listrik yang baik. Elektron valensinya mengikat kuat

pada atom dan memiliki sedikit elektron bebas serta dicirikan dengan memiliki 8 elektron

valensi. Pada isolator, pita terlarang yang lebar memisahkan daerah valensi yang penuhdari pita konduksi yang kosong. Energi yang dapat diberikan kepada elektron terlalu kecil

untuk memindahkan elektron dari pita yang penuh ke pita yang kosong. Karena elektron

tidak dapat memperoleh energi yang mencukupi, maka penghantaran tidak mungkin

berlangsung.


7/24

Dasar Elektronika

#20100915_Heriana 7

3. a. Ion merupakan suatu atom atau molekul di mana total jumlah elektronnya tidak sama

dengan total jumlah protonnya, sehingga ion bisa bersifat memiliki muatan positif ataupun

negatif. Suatu ion yang terdiri dari atom tunggal disebut ion monatomik. Jika terdiri dari

dua atau lebih atom, merupakan suatu ion polyatomik. Ion Polyatomik yang berisi oksigen,

seperti karbonat dan sulfat, disebut oxyanion. Berikut merupakan contoh gambar dari ion.

Gambar ion

b. Atom merupakan suatu unit dasar yang terdiri dari inti padat yang dikelilingi oleh suatu

awan elektron bermuatan negatif. Inti atom terdiri dari suatu proton dan neutron (kecuali

hidrogen, yang mana adalah satu-satunya nuklida stabil dengan tanpa neutron). Suatu

atom harus berisi suatu jumlah proton dan elektron yang sama sehingga bersifat netral,

jika tidak akan membentuk suatu ion. Suatu atom digolongkan menurut banyaknya proton

dan neutron dalam intinya. Banyaknya proton menentukan unsur kimianya, dan

banyaknya neutron menentukan isotopnya. Gambar dari atom sebagai berikut.

Gambar atom

c. Inti Atom merupakan pusat dari suatu atom yang terdiri dari nucleons (proton dan

neutron) yang letaknya berada di pusat suatu atom. Hampir semua massa dari suatu atom

berasal dari proton dan neutron pada bagian inti atom dan hanya sedikit berasal dari orbit

elektron. Diameter dari inti atom hanya berkisar antara 1.6 fm (1.6 1015 m) sampai 15

fm (seperti pada atom uranium). Gambar dari inti atom sebagai berikut.

Gambar inti atom


8/24

Dasar Elektronika

#20100915_Heriana 8

d. Atom Netral adalah atom yang memiliki jumlah elektron yang sama dengan jumlah

proton. Bila ada perbedaan antara jumlah elektron dan jumlah proton pada atom tersebut

maka atom tersebut disebut ion.

Gambar atom netral

e. Elektron merupakan partikel subatom (bagian dari atom) dengan massa 9,11 x 10-28 gram

dan bermuatan 1,6 x 10-19

coulomb. Elektron umumnya ditulis sebagai e-

. Elektronmemiliki partikel lawan yang dikenal sebagai positron.

f. Elektron valensi adalah elektron yang terletak pada kulit atom terluar. Elektron ini

berperan dalam reaksi pembentukkan ikatan kimia dalam reaksi kimia. Unsur-unsur yang

mempunyai jumlah elektron valensi yang sama akan memiliki sifat kimia yang sama.

Jumlah elektron valensi suatu atom ditentukan berdasarkan elektron yang terdapat pada

kulit terakhir dari konfigurasi elektron atom tersebut. sifat kimia atom ditentukan oleh

elektron valensinya. Berikut adalah gambar dari elektron valensi.

Gambar elektron valensi

g. Proton merupakan partikel subatomik yang bermuatan positif sebesar 1.6 10-19

coulomb. Proton menempati inti sebuah atom. Proton bermassa 938 MeV (1.6726231

10-27 kg).

h. Positron merupakan antipartikel atau antimateri dari elektron. Positron memiliki muatan

listrik sebesar +1, spin , dan massa yang sama dengan elektron. Ketika sebuah positron

berenergi rendah bertumbukan dengan elektron berenergi rendah, akan terjadi

pemusnahan dan menghasilkan dua foton sinar gamma.


9/24

Dasar Elektronika

#20100915_Heriana 9

Gambar positron

i. Neutron merupakan partikel subatomik yang tidak bermuatan (netral) dan memiliki massa

940 MeV/c (1.6749 10-27 kg). Putaran neutron ini adalah .

Gambar neutron

j. Molekul adalah sekelompok atom (paling sedikit dua) yang saling berikatan dengan sangat

kuat (kovalen) dalam susunan tertentu dan bermuatan netral serta cukup stabil. Atom dan

kompleks dihubungkan oleh ikatan nonkovalen seperti ikatan hidrogen atau ikatan ion

umumnya tidak dianggap sebagai satu molekul.

Gambar molekul glukosa

k. Senyawa adalah zat kimia murni yang terdiri dari dua atau lebih unsur kimia yang dapat

dipisahkan menjadi zat yang lebih sederhana dengan reaksi kimia. Senyawa memiliki

struktur kimia yang unik dan mereka terdiri dari atom dengan rasio tetap bersama-sama

dalam tata ruang yang ditetapkan oleh ikatan kimia. Senyawa bisa dalam bentuk ikatan

kovalen ataupun ikatan ion.


10/24

Dasar Elektronika

#20100915_Heriana 10

l. Ikatan Ion adalah Ikatan yang terbentuk antara atom yang mudah melepas elektron (atom

logam) dan atom lain yang mudah menerima elektron (atom nonlogam). Misalnya, ikatan ion

pada molekul NaCl.

Gambar ikatan ion

m. Ikatan Kovalen adalah ikatan dimana atom-atom saling berikatan melalui pemakaian

pasangan elektron secara bersama-sama yang terjadi pada pasangan elektron nonlogam.

Misalnya : atom NH3.

Gambar ikatan kovalen

n. Kristal Semikonduktor merupakan atom yang menyusun dirinya bersama atom yang lain

secara teratur yang memiliki sifat elektris diantara konduktor dan isolator (berelektron

valensi 4).

o. Pita Valensi merupakan pita yang diduduki oleh elektron.

p. Pita Konduksi merupakan pita kosong yang berada di atas pita terlarang.

Gambar pita konduksi

q. Celah terlarang (forbidden gaps) merupakan celah yang terletak antara dua buah lintasan

elektron yang disebabkan karena elektron memiliki dua sifat, yaitu elektron sebagai partikel

dan elektron sebagai gelombang.


11/24

Dasar Elektronika

#20100915_Heriana 11

r. Elektron Bebas merupakan partikel subatomik yang memiliki muatan listrik negatif

sebesar -1.6 10-19 coulomb, dan massanya 9.10 10-31 kg.

Gambar elektron bebas

s. Lubang (hole) merupakan tempat dari elektron dalam suatu atom yang telah ditinggalkan

oleh elektron tersebut. Hilangnya elektron ini menyebabkan atom kekurangan electron dan

atom bermuatan positif.

Gambar hole

t. Rekombinasi adalah suatu proses penggabungan electron-hole disebut juga anihilasi.

Peristiwa ini akan disertai pembebasan energi dalam bentuk panas atau cahaya tampak /

tidak tampak.

u. Umur (waktu) rekombinasi (life time) adalah lama waktu antara terciptanya elektron

bebas sampai berekombinasinya elektron bebas tersebut dengan lubang.

v. Pembawa mayoritas merupakan elektron bebas yang terdapat pada semikonduktor tipe-n

dan merupakan hole pada semikonduktor tipe-p.

w. Pembawa minoritas adalah merupakan elektron bebas yang terdapat pada

semikonduktor tipe-p dan merupakan hole pada semikonduktor tipe-n.

x. Efek Hall adalah suatu peristiwa / efekberbeloknya aliran listrik (elektron) dalam pelat

konduktor karena pengaruh medan magnet.


12/24

Dasar Elektronika

#20100915_Heriana 12

Gambar efek hall

4. Cara meningkatkan jumlah banyaknya :

a. Elektron bebas adalah seperti halnya pada silicon, yaitu atom-atom pentavalen (atom

yang memiliki lima elektron valensi) ditambahkan ke silicon yang telah dipanaskan hingga

mencair. Contoh atom pentavalen antara lain arsen, antimon dan fosfor. Atom pentavalen

ini akan menyumbangkan elektron ekstra ke kristal silicon. Bahan ini disebut pengotor

donor.

Gambar cara meningkatkan electron bebas

b. Jumlah lubang (hole) seperti misalnya pada silicon, yaitu dengan menambahkan atom

trivalent, yaitu atom dengan 3 elektron valensi (aluminium, boron dan galium). Atom

trivalen ini akan menyumbangkan 3 elektron ekstra ke kristal silicon sehingga elektron

valensi campuran tersebut adalah 4 (valensi asli silicon) + 3(valensi pengotor) = 7 valensi

+ 1 hole. Makin banyak atom trivalent yang dicampurkan, maka hole yang dihasilkan juga

makin banyak.

Gambar cara meningkatkan hole


13/24

Dasar Elektronika

#20100915_Heriana 13

5. Faktor yang menyebabkan silikon menjadi lebih standar industri dibandingkan dengan

germanium antara lain :

a. Silikon memiliki arus bocor yang lebih rendah dibandingkan dengan germanium.

b. Silikon lebih berlimpah terdapat di alam dibandingkan dengan germanium.

c. Perlawanan terbalik dari silikon sangat tinggi, dapat mencapai beberapa Mega ohm

d. Arus maju maksimum yang dibolehkan cukup besar, sampai 1000 A.

e. Tegangan terbalik maksimum yang dibolehkan cukup tinggi, dapat mencapai 1000 V.

6. Konduktifitas Ag > Cu > Au karena jarak elektron valensi Ag > Cu > Au ke inti pada masing-

masing atom tersebut. Makin jauh jarak inti dengan elektron pada elektron valensi, maka gaya

tarik-menarik antara kedua benda itu semakin rendah. Artinya besar gaya yang dibutuhkan

untuk melepaskan elektron pada kulit terluar menjadi elektron bebas yaitu Ag < Cu < Au,

sehingga konduktifitas Ag > Cu > Au.


14/24

Dasar Elektronika

#20100915_Heriana 14

II. Dioda Penyearah

1. a. Osmosis merupakan suatu fenomena alami, tapi dapat dihambat secara buatan dengan

meningkatkan tekanan pada bagian dengan konsentrasi pekat menjadi melebihi bagian

dengan konsentrasi yang lebih encer. Osmosis dapat diartikan sebagai suatu proses

perpindahan cairan melalui membran selektif permeabel dari bagian yang lebih encer ke

bagian yang lebih pekat. Membran semipermeabel dapat ditembus oleh pelarut, tetapi

tidak dapat dilalaui oleh zat terlarut, yang mengakibatkan gradien tekanan sepanjang

membran.

Gambar proses osmosis

b. Difusi merupakan suatu proses terjadinya aliran suatu zat yang terlarut pada suatu

larutan dari bagian yang berkonsentrasi tinggi ke bagian yang berkonsentrasi rendah.

Difusi merupakan kebalikan dari osmosis.

Gambar proses difusi

c. Tegangan dadal (breakdown voltage) merupakan tegangan minimum yang

menyebabkan arus dapat mengalir pada diode saat diode tersebut di bias terbalik (reverse

bias). Biasanya tegangan dadal ini berkisar dari beberapa puluh volt bahkan sampai

ratusan volt, tergantung dari jenis dioda. Saat tegangan dadal dilampaui, maka sejumlah

besar pembawa muatan minoritas secara tiba-tiba tercipta pada lapisan deplesi sehingga

diode mengantarkan arus listrik. Adanya fenomena tegangan dada ini sangat penting

artinya di dalam pembuatan dioda zener.

d. Gerak Brown merupakan gerakan partikel-partikel koloid secara tidak menentu / gerak

acak / tidak beraturan / gerak zig-zag jika kita mengamati koloid dibawah mikroskop ultra.

Gerak Brown dipengaruhi oleh suhu. Semakin tinggi suhu suatu sistem koloid, maka

semakin besar energi kinetik yang dimiliki oleh partikel-partikel medium pendispersinya.

Sehingga, gerak Brown dari partikel-partikel fase terdispersinya semakin cepat.


15/24

Dasar Elektronika

#20100915_Heriana 15

Gambar gerak Brown

2. a. Lapisan pengosongan (depletion layer) dimulai dari adanya ketidakseimbangan antara

holedalam material tipe-p dan elektron pada material tipe-n pada sambungan pn. Elektron

bebas dalam material tipe-n cenderung menyebar ke segala arah. Sebagian elektron

berdifusi menyeberangi batas sambungan. Jika elektron bebas ini memasuki daerah

material tipe-p, maka dia akan menjadi pembawa muatan minoritas. Elektron akan

mendiami lubang. Elektron bebas akan berubah menjadi elektron valensi. Setiap kali

elektron berdifusi menyeberangi sambungan, dia akan menciptakan pasangan ion. Ion ini

menetap dalam struktur kristal akibat adanya ikatan kovalen. Masing-masing ion positif

dan ion negatif pada sambungan p-n menjadikan daerah disekitar sambungan kosong dari

pembawa muatan. Daerah inilah yang kemudian disebut lapisan pengosongan (depletion

layer). Dengan kata lain, depletion layer merupakan porsi kecil dimana terdapat

keseimbangan antara hole (lintasan awal kosong yang terbentuk karena perpindahan

elektron keluar lintasan) dan elektron dalam dioda.

Gambar lapisan pengosongan

b. Potensial barier merupakan kejadian dimana terjadi ketidakseimbangan atau

ketidakstabilan antara hole dalam material tipe-p dan elektron dalam material tipe-n. Pada


16/24

Dasar Elektronika

#20100915_Heriana 16

pasangan ion positif dan ion negatif pada sambungan p-n, muncul suatu beda potensial

(tegangan). Tegangan ini menghasilkan medan listrik yang menghambat elektron bebas

masuk kelapisan deplesi dan mendorongnya kembali ke daerah n dan tegangan ini yang

disebut tegangan barrier (potensial barrier)

3. a. Forward-biased adalah suatu keadaan dimana kristal p-n (dioda) diberi tegangan dalam

arah maju (positif bias), yaitu memberi tegangan potensial sisi P lebih besar (lebih positif)

dari sisi N, maka elektron dari sisi N akan tergerak untuk mengisi hole di sisi P. Jika

elektron mengisi holedisisi P, maka akan terbentuk holepada sisi N karena ditinggal oleh

elektron. Ini disebut aliran holedari P menuju N. Jika mengunakan terminologi arus listrik,

maka dikatakan terjadi aliran listrik dari sisi P ke sisi N. Jadi, bias dalam arah ini

menyebabkan dioda dapat menghantarkan arus listrik.

Gambar kristal p-n (dioda) dengan bias maju (forward bias)

b. Reverse-biasedadalah suatu keadaan dimana kristal p-n (dioda) diberi tegangan dalamarah terbalik (bias negatif), dimana sisi N mendapat polaritas tegangan lebih besar (positif)

dari sisi P seperti yang terlihat pada gambar di bawah ini.

Gambar kristal p-n (dioda) dengan bias terbalik (reverse bias)

Jika kristal p-n (dioda) diberikan bias secara terbalik, maka tidak akan terjadi perpindahan

elektron atau aliran holedari P ke N maupun sebaliknya. Karena baik holedan elektron

masing-masing tertarik ke arah kutub yang berlawanan. Bahkan lapisan deplesi (depletion

layer) semakin besar dan menghalangi terjadinya arus. Sehingga tidak adanya arus yang

mengalir melalui dioda tersebut.

4. Kurva karakteristik dioda (penyearah)Karakteristik diode umumnya dinyatakan dengan grafik hubungan antara tegangan pada

diode terhadap arus yang melewatinya sehingga disebut karakteristik tegangan-arus (V-I).

Secara teoritis, hubungan antara tegangan dan arus diode dinyatakan oleh persamaan:

ID=IS(eVD/ VT-1)


17/24

Dasar Elektronika

#20100915_Heriana 17

Keterangan:

ID = arus diode, positif jika didalam diode arahnya dari anode ke katode

Is = arus mundur jenuh(10-8s.d. 10-14A)

VT = tegangan kesetaraan suhu

Pada T = 300K, VT = 26mV dan pada T = 273K, VT = 25mV, = koefisien emisi, antara 1

sampai dengan 2 dan untuk silikon pada arus normal mendekati 2e- (bilangan natural=2,72).

Karakteristik V-I Diode Secara Teoritik

Dengan menggunakan persamaan karakteristik tersebut, dapat diperoleh tabel pengaruh

tegangan diode (VD) terhadap arus yang melewatinya (ID) dengan asumsi Is = 10nA, = 2, dan

VT = 26 mA sebagai berikut:

Gambar Tegangan mundur dan tegangan maju pada dioda

Berdasarkan tabel diatas maka dapat digambarkan karakteristik diode seperti gambar

dibawah ini.

Gambar Karakteristik diode

Dari gambar diatas terlihat pada VD = 0,6V nilai ID kira-kira 100.000 kali Is atau ID 1mA.

Jika pada diode silikon ini arus sebesar 100 mA dianggap sedang, maka pada tegangan 0,6V


18/24

Dasar Elektronika

#20100915_Heriana 18

arus sebesar 1mA adalah 1% terhadap arus 100mA tersebut. Pada tegangan dibawah 0,6V

arus ID kurang dari 1% sehingga VD = 0,6V disebut tegangan ambangatau thresholdatau cut-

in atau offset atau break point yang diberi lambang V. Definisi letak V tidak pasti karena

disekitar V kurvanya berupa garis lengkung dan tidak ada titik patah. Biasanya V untuk diode

silikonsekitar 0,6Vdan untuk diode germaniumkira-kira 0,2V.

Menurut persamaan karakteristik di atas, perbedaan suhu T1 dan T2 dapat memberikan

karakteristik yang berbeda seperti gambar dibawah.

1. Jika diode pertemuan pn diberi tegangan maju konstan, maka suhu yang semakin tinggi

menyebabkan arus diode semakin tinggi berubah dar ID1 ke ID2.

2. Jika diberi arus konstan, kenaikan suhu menyebabkan tegangan turun berubah dari VD1 ke

VD2. Keadaan ini menjadikan diode pertemuan pn dapat dimanfaatkan sebagai sensor

suhu.

Gambar Karakteristik lain dari diode

5. Pengaruh perubahan temperatur di sekitar dioda terhadap mutu operasi dioda

Adanya perubahan temperatur mempunyai pengaruh yang besar pada saat dioda dalam

keadaan reverse biasdibandingkan dengan pada saat forward biasyang terlihat pada gambar

grafik dibawah ini.

Gambar pengaruh temperatur terhadap dioda

Berdasarkan grafik diatas, pengaruh yang sangat besar ini disebabkan karena pada

saat reversearusnya jauh lebih kecil dibandingkan dengan saat forward, sehingga bila terjadi

pertambahan elektron dan hole akibat kenaikan temperatur, arus reverse akan mendapat


19/24

Dasar Elektronika

#20100915_Heriana 19

pengaruh yang cukup besar, sedang bagi arus forward yang sudah besar pertambahan

sedikit ini tidak begitu berpengaruh.

Untuk dioda germanium arus reverse menjadi dua kali lipat untuk setiap kenaikan

temperatur 10C sedang pada dioda silikon kenaikan dua kali lipat terjadi tiap kenaikkan

temperatur 7C. Tetapi karena arus reverse dioda silikon hanya seperseratus sampai

seperseribunya arus reverse dioda germanium maka dioda silikon lebih sesuai dipakai pada

suhu kerja yang tinggi misalnya untuk perata arus. Selain itu temperatur maksimum yang

diijinkan untuk dioda germanium ialah 75C sedang dioda silikon tahan sampai 150C.

Pada gambar dibawah menunjukkan perubahan karakteristik reverse germanium bila

temperatur berubah dari 00C sampai 750C, tampak pada VD = 30 volt C > B > A, Artinya RD(C)

< RD(B) < RD(A) berarti tahanan reserve menurun dengan naiknya temperatur. Secara grafik

gejala ini dengan jelas ditunjukkan dalam gambar dibawah ini.

Gambar perubahan karakterisitik germanium terhadap suhu


20/24

Dasar Elektronika

#20100915_Heriana 20

III. Dioda-Dioda Khusus

a. Proses terjadinya LED yang berwarna-warni

Bila dioda dibias maju (forward), elektron pita konduksi melewati junctiondan jatuh ke

dalam hole. Pada saat elektron-elektron jatuh dari pita konduksi ke pita valensi, mereka

memancarkan energi. Pada dioda LED, energi dipancarkan sebagai cahaya, sedangkan pada

dioda penyearah, energi ini keluar sebagai panas. Dengan menggunakan bahan dasar

pembuatan LED seperti gallium, arsen dan phosfor parik dapat membuat LED dengan

memancarkan cahaya warna merah, kuning, dan infra merah (tak kelihatan). LED yang

menghasilkan pancaran yang kelihatan dapat berguna pada display peralatan, mesin hitung,

jam digital dan lain-lain. Sedangkan LED infra merah dapat digunakan dalam sistim tanda

bahaya pencuri dan lingkup lainnya yang membutuhkan cahaya tak kelihatan. Keuntungan

lampu LED dibandingkan lampu pijar adalah umurnya panjang, tegangannya rendah dan saklar

nyala matinya cepat.

Gambar LED

b. Prinsip kerja dioda Schottky pada penyearah frekuensi tinggi

Dioda schottky menggunakan logam emas, perak atau platina pada salah satu sisi

junction dan silicon yang di dop (biasanya type-N) pada sisi yang lain. Dioda semacam ini

adalah piranti unipolar karena elektron bebas merupakan pembawa mayoritas pada kedua sisi

junction. Dan dioda Schottky ini tidak mempunyai lapisan pengosongan atau penyimpanan

muatan, sehingga mengakibatkan ia dapat di switch nyala dan mati lebih cepat daripada dioda

bipolar. Sehingga piranti ini dapat menyearahkan frekuensi diatas 300 Mhz dan jauh diatas

kemampuan dioda bipolar. Simbol dari dioda schottky terlihat pada gambar berikut.

Gambar dioda schottky

c. Waktu pemulihan balik (reverse- recovery time) pada dioda Schottky

Waktu pemulihan balik ini terjadi ketika beralih dari keadaan tidak menghantar ke keadaanmenghantar dan sebaliknya. Dimana dalam dioda p-n, waktu pemulihan balik dapat dalam orde

ratusan nano-detik dan kurang dari 100 nano-detik untuk dioda cepat.

d. Prinsip kerja dioda varactor pada penalaan frekuensi tinggi


21/24

Dasar Elektronika

#20100915_Heriana 21

Dioda varactor dalam penggunaannya diberi tegangan secara bias mundur, yaitu kaki

katoda dikenakan tegangan positif (+) dan anoda pada tegangan negative (-). Jika beda

potensial antara katoda dan anoda berubah, maka akan terjadi perubahan lebar daerah deplesi

pada sambungan semikonduktor tipe P dan tipe N yang ada di dalam dioda. Semakin tinggi

tegangan listrik terbalik yang diberikan (asalkan tidak melebihi batas-batas tegangan kerjanya),

maka daerah deplesi pada dioda varaktor menjadi makin lebar akibat gaya tarik dari tegangan

(beda potensial) tersebut. Dengan sifat seperti itu maka dioda ini bisa dianggap sebagai sebuah

kapasitor yang keping-kepingnya adalah anoda (semi konduktor tipe P) dan katoda (semi

konduktor tipe N) tersebut. Arus DC tidak mengalir karena diberi tegangan bias mundur

(reverse bias).

Jadi, semakin besar tegangan terbalik yang dikenakan pada dioda varactor (asalkan tidak

melebihi batas-batas tegangan kerjanya), maka akan semakin lebar daerah deplesinya,

sehingga nilai kapasitas dioda varactor semakin kecil karena jarak antara lempeng katoda dan

anodanya makin besar. Perubahan nilai kapasitor terhadap tegangan terbalik yang diberikan

pada varactor ini bermacam-macam nilainya, tergantung dari jenis dan tipenya. Misalnya, ada

yang 10 pf / volt linier pada rentang tegangan 1 hingga 10 volt. Tiap-tiap varactor memiliki

karakteristiknya sendiri-sendiri yang bisa kita lihat secara detil pada datasheetnya.

Gambar dioda varactor

Jika dioda varactor dipasang secara parallel dengan inductor, maka akan menjadi sebuah

rangkaian resonansi. Dengan mengubah-ubah tegangan reverse pada varactor, frekuensi

resonansi akan berubah.

e. Prinsip kerja dioda zener pada regulasi tegangan

Pada dioda zener breakdown mempunyai knee (tegangan lutut) yang sangat tajam, diikuti

dengan kenaikan arus yang hampir vertikal. Perhatikan bahwa tegangan kira-kira konstan samadengan Vz pada sebagian besar daerah breakdown. Lembar data biasanya menentukan nilai

Vz pada arus test Izt tertentu diatas knee.

Gambar grafik dioda zener


22/24

Dasar Elektronika

#20100915_Heriana 22

f. Proses terjadinya avalanche effectdan zener effect(high emission effect)

Di samping terjadinya perubahan ketinggian potensial penghalang pada diode akibat

diberi panjar maju atau mundur, juga terjadi perubahan lebar daerah deplesi atau daerah

transisi. Pada tegangan panjar maju, ketinggian potensial penghalang akan menurun dan

daerah deplesi akan menipis. Sebaliknya saat diberi panjar mundur daerah deplesi akan

melebar.

Jika panjar mundur dinaikkan terus, maka pada suatu harga tegangan tertentu terjadi

kenaikan arus mundur secara tiba-tiba. Keadaan ini terjadi akibat adanya efek Zeneratau efek

avalanche. Pada patahan Zener (Zener breakdown), medan listrik pada sambungan akan

menjadi cukup besar untuk menarik elektron dari ikatan kovalen secara langsung. Dengan

demikian akan terjadi peningkatan jumlah pasangan lubang elektron secara tiba-tiba dan

menghasilkan kenaikan arus mundur secara tiba-tiba pula. Efek avalanche terjadi pada

tegangan di atas tegangan patahan Zener. Pada tegangan tinggi ini, pembawa muatan memiliki

cukup energi untuk memisahkan elektron dari ikatan kovalen.

Gambar Karakteristik I-Vdiode p-n

Pada daerah patahan, arus mundur berharga sangat besar dan hampir tidak tergantung

pada besarnya tegangan. Penurunan tegangan panjar mundur di bawah b Vakan menurunkan

arus ke harga o I . Dengan mengontrol kerapatan doping, kita dapat mendesain diode Zener

agar memiliki tegangan patahan pada harga dari beberapa volt sampai beberapa ratus volt.

Kondisi penting yang dapat dimanfaatkan adalah bagaimana diode ini dapat memberikantegangan yang relatif konstan saat arus berubah-ubah.

g. Aproksimasi dioda zener ideal dan aproksimasi dioda zener kedua

Dioda Zener Ideal

Untuk perbaikan 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 sepertisebuah batere. Artinya dalam suatu rangkaian, dalam bayangan dioda zener dapat diganti

dengan sumber tegangan Vz, asalkan dioda zener sedang beroperasi di daerah dadal.


23/24

Dasar Elektronika

#20100915_Heriana 23

Pendekatan Kedua

Grafik I-V di daerah dadal tidak benar-benar vertikal, yang menunjukkan adanya resistansi

zener. Kadang-kadang dalam masalah perancangan, perlu juga memperhitungkan resistansi

zener ini. Meskipun Rz kecil, ia menyebabkan perubahan beberapa persepuluh volt bila arus

mengalami perubahan yang besar.

Gambar pendekatan zener. (a). Ideal (b). Pendekatan kedua

Gambar diatas menunjukkan bagaimana caranya membayangkan dioda zener dalam

pendekatan kedua. Disini anda melihat resistansi zener (cukup kecil) terpasang seri dengan

batere ideal. Resistansi ini menyebabkan penurunan tegangan IR yang lebih banyak bila

arusnya naik. Misalnya tegangan Q1 adalah

V1 = I1Rz + Vz

Dan tegangan pada Q2 adalah :

V2 = I2Rz + Vz

Perubahan pada tegangan adalah :

V2-V1 = ( I2 - I1 )Rz

Ini biasanya ditulis sebagai

Vz = IzRz

Dimana : Vz = perubahan tegangan pada tegangan zener

Iz = perubahan pada arus zener

Rz = resistansi zener

Persamaan ini menunjukkan bahwa perubahan pada tegangan zener sama dengan

perubahan pada arus zener dikalikan dengan resistansi zener. Biasanya R z kecil, sehingga

perubahan tegangannya kecil

h. Kurva karakteristik dioda Zener

Gambar kurva karakteristik dioda zener

(a) (b)


24/24

Dasar Elektronika

Suatu diode zener yang dirancang akan menghantar pada tegangan zenernya untuk bias

reverse lazimnya dalam kemasan ditulis sebagai xvy misalkan : x=2, y=3 berarti Vz=2,3V atau

2v3. Pada saat VR=Vz, diode zener akan menghantar arus Iz yang disebut arus zener. Besaran

Iz harus dibatasi agar tidak muncul disipasi yang tidak berlebihan (power) karena hal ini dapat

merusak diode zener. Nilai Iz terbesar, tanpa diode mengalami kerusakan memenuhi relasi

Pz=VzIz disebut Pz maks dan Iz maks. 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 yang biasa tidak akan

mengijinkan arus listrik untuk mengalir secara berlawanan jika dicatu-balik (reverse-biased) di

bawah tegangan breakdown-nya.

Sebuah dioda Zener memiliki sifat yang hampir sama dengan dioda biasa, kecuali bahwa

alat ini sengaja dibuat dengan tengangan rusak yang jauh dikurangi, disebut tegangan Zener.

Sebuah dioda Zener memiliki p-n junction yang memiliki doping berat, yang memungkinkan

elektron untuk tembus (tunnel) dari pita valensi material tipe-p ke dalam pita konduksi material

tipe-n. Sebuah dioda zener yang dicatu-balik akan menunjukan perilaku rusak yang terkontrol

dan akan melewatkan arus listrik untuk menjaga tegangan jatuh supaya tetap pada tegangan

zener. Sebagai contoh, sebuah diode zener 3.2 Volt akan menunjukan tegangan jatuh pada 3.2

Volt jika diberi catu-balik. Namun, karena arusnya tidak terbatasi, sehingga dioda zener

biasanya digunakan untuk membangkitkan tegangan referensi, atau untuk menstabilisasi

tegangan untuk aplikasi-aplikasi arus kecil. Tegangan rusaknya dapat dikontrol secara tepat

dalam proses doping. Toleransi dalam 0.05% bisa dicapai walaupun toleransi yang paling biasa

adalah 5% dan 10%. Efek ini ditemukan oleh seorang fisikawan Amerika, Clarence Melvin

Zener. Mekanisme lainnya yang menghasilkan efek yang sama adalah efek avalanche, seperti

di dalam dioda avalanche.

Kedua tipe dioda ini sebenarnya dibentuk melalui proses yang sama dan kedua efek

sebenarnya terjadi di kedua tipe dioda ini. Dalam dioda silikon, sampai dengan 5.6 Volt, efek

zener adalah efek utama dan efek ini menunjukan koefisiensi temperatur yang negatif.

Di atas 5.6 Volt, efek avalanche menjadi efek utama dan juga menunjukan sifat koefisientemperatur positif. Dalam dioda zener 5.6 Volt, kedua efek tersebut muncul bersamaan dan

kedua koefisien temperatur membatalkan satu sama lainnya. Sehingga, dioda 5.6 Volt menjadi

pilihan utama di aplikasi temperatur yang sensitif. Teknik-teknik manufaktur yang modern telah

memungkinkan untuk membuat dioda-dioda yang memiliki tegangan jauh lebih rendah dari 5.6

Volt dengan koefisien temperatur yang sangat kecil. Namun, dengan munculnya pemakai

tegangan tinggi, koefisien temperatur muncul dengan singat pula. Sebuah dioda untuk 75 Volt

memiliki koefisien panas yang 10 kali lipatnya koefisien sebuah dioda 12 Volt. Semua dioda di

atas, tidak perduli berapapun tengangan rusaknya, biasanya dijual dinamakan dioda Zener.Pemakaian Dioda Zener biasanya digunakan secara luas dalam sirkuit elektronik sebagai

penstabil tegangan.

Documents

Dasar Elektronika @Heriana