Upload
rahmat-juniar-dwiansyah
View
738
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
1. Unit percobaan : Karakteristik Dioda2. Rangkaian Percobaan
Gambar 1.1 Rangkaian Percobaan Karakteristik Dioda
3. Komponen / Bahan dan Alat Ukur yang DigunakanDalam percobaan ini digunakan beberapa komponen dan alat ukur di
antaranya :
1. DC Power Supply sebagai sumber tegangan DC.
2. Digital Multimeter DT 9205A, sebagai alat ukur besaran listrik.
3. 1 buah dioda.
4. Kabel jumper, sebagai kabel penghubung antar komponen dan sumber
tegangan.
5. 1 buah hambatan / resistor 995 Ohm ( terbaca oleh alat ukur R = 1 Kilo
Ohm )
4. Teori Singkat
Diode merupakan komponen elektronik yang dibuat dari bahan
semikonduktor ( silikon atau germanium) tipe p (lubang) dan tipe n (elektron
bebas) yang disatukan. Dioda memiliki dua kaki yaitu anoda yang
dihubungkan pada sumber tegangan positif dan katoda yang dihubungkan
pada sumber negatif. Arus listrik mengalir dari kaki anoda ke kaki katoda,
atau dari semihantar p ke semihantar n (forward bias). Bila kaki anoda
dihubungkan sumber negatif dan kaki katoda dihubungkan ke sumber positif
(reverse bias) maka diode akan memiliki hambatan yang sangat besar
sehingga arus tidak bisa lewat. Dioda memiliki fungsi yang unik yaitu hanya
dapat mengalirkan arus satu arah saja tetapi disisi lain dioda juga dapat
menahan arus yang berlawanan arah. Struktur dioda adalah sambungan
995 Ohm
semikonduktor P dan N. Satu sisi adalah semikonduktor dengan tipe P dan sisi
yang lain adalah tipe N. Dengan struktur demikian arus hanya akan dapat
mengalir dari sisi P menuju sisi N.
Suatu sumber tegangan dengan polaritas seperti pada gambar 1.1
disebut prategangan maju. Lubang dari tipe p melewati persambungan ke tipe
n, dimana lubang tersebut membentuk arus minoritas terinjeksikan. Dengan
cara yang sama, elektron akan melintasi persambungan menjadi arus minoritas
yang diinjeksikan ke dalam sisi p. Lubang-lubang bergerak dari sisi kiri ke
kanan dalam arah arus yang sama dengan arus elektron yang bergerak dari
kanan ke kiri. Oleh karena itu, arus yang melewati persambungan adalah
jumlah dari arus minoritas lubang dan elektron.
Misalkan bahwa tegangan maju sebesar V dalam gambar 1.1 dinaikkan
sampai nilai V mendekati Vo. Seandainya V sama dengan Vo, maka barrier
akan hilang, dan arus menjadi besar sekali, dan melebihi nilai kemampuan dari
dioda. Maka dalam prakteknya, kita tidak akan dapat mengecikan barrier
sampai dengan nol, karena apabila arus dinaikkan tanpa batas, maka tahanan
tubuh kristal dan tahanan kontak-kontak ohmik akan membatasi arus tersebut.
Disini, yang dimaksud dengan kontak ohmik adalah potensial kontak lintas
persambungan-persambungan, yang besarnya tetap, serta tidak terpengaruh
pada arah dan besar arus. Oleh karena itu, tidak mungkin menganggap semua
tegangan V akan muncul sebagai perubahan lintas persambungan p-n. Maka
dapat disimpulkan, bila nilai tegangan maju V mendekati Vo, arus yang melalui
dioda p-n yang sebenarnya akan ditentukan oleh tahanan kontak ohmik dan
tahanan tubuh kristal. Oleh karena itu, karakteristik hubungan volt-ampere
hampir menyerupai garis lurus.
Bila kaki anoda dihubungkan sumber negatif dan kaki katoda
dihubungkan ke sumber positif (reverse bias) maka diode akan memiliki
hambatan yang sangat besar sehingga arus tidak bisa lewat. Sehingga dioda
hanya bisa dialiri arus listrik bila dipasang pada kondisi forward bias ( hanya
dari satu arah saja), oleh karena itu, maka diode dipakai untuk mengubah arus
bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC). Untuk lebih jelasnya, perhatikan
gambar dioda di bawah ini.
Gambar 1.2 Penampang sebuah dioda
Di sekitar persambungan semihantar terdapat daerah transisi atau disebut
juga daerah muatan ruang. Di daerah transisi ini terdapat tembok potensial /
potential barrier (Vγ). Besarnya tembok potensial bergantung pada jenis semi
konduktor yang dipakai, untuk silikon (Si) mempunyai besar Vγ sebesar 0,7
volt dan untuk germanium (Ge) mempunyai Vγ sebesar 0,3 volt. Pada kondisi
forward bias (dioda diberi tegangan maju) yaitu dimana anoda lebih positif
dibandingkan dengan katoda maka Vγ merendah sebaliknya jika diode diberi
reverse bias (diode diberi tegangan mundur) yaitu dimana katoda lebih positif
daripada anoda maka Vγ meninggi. Untuk tembok potensial meninggi maka
tidak ada perpindahan muatan atau besarnya arus adalah nol ( idealnya),
namun praktisnya tetap ada arus meskipun sangat kecil. Pada percobaan kali
ini dioda dirangkai dengan resistor dan dihubungkan pada sumber tegangan
DC yang besarnya bervariasi dengan diode pada posisi forward bias dan
reverse bias. Arus yang mengalir pada diode besarnya sama dengan arus yang
mengalir pada resistor, karena pada rangkaian listrik seri bahwa arus yang
mengalir pada rangkaian besarnya sama.
Untuk operasi sinyal kecil, tahanan dinamik atau inkrimental r adalah
suatu parameter yang penting, dan didefinisikan sebagai kebalikan dari
kemiringan karakteristik volt-ampere, . Untuk prategangan maju,
besarnya adalah . Tahanan dinamik berbanding terbalik dengan arus,
pada temperature kamar, untuk η = 1, , dimana I dalam mA, dan r
dalam ohm. Untuk arus maju 26 mA, tahanan dinamiknya sebesar 1Ω.
Tahanan ohmik dari bahan semikonduktor secara keseluruhan (di luar
persambungan) mungkin mempunyai orde besar yang sama atau lebih tinggi
dari nilai ini. Walaupun r berubah dengan arus dalam model sinyal kecil, tetap
layak untuk menggunakan r sebagai suatu tetapan.
4.1 Simbol dan struktur dioda
Gambar 1.3 Simbol dioda
Gambar ilustrasi di atas menunjukkan sambungan P-N dengan sedikit
porsi kecil yang disebut lapisan deplesi (depletion layer), dimana terdapat
keseimbangan hole dan elektron. Seperti yang sudah diketahui, pada sisi P
banyak terbentuk hole-hole yang siap menerima elektron sedangkan di sisi N
banyak terdapat elektron-elektron yang siap untuk bebas merdeka.
4.2 Karateristik Dioda Prategangan Maju / forward bias
Pada Gambar 1.4 kita dapat melihat suatu rangkaian ditata bias maju
dengan sebuah sumber DC. Pusat sumber positif dihubungkan dengan anoda /
p sedangkan kutub negatif sumber mengenai katoda / n.
Gambar1.4 Rangkaian Percobaan Dioda Prategangan Maju
Dari gambar di atas, dapat kita amati bahwa sumber (baterai) mendorong
lubang-lubang dan elektron bebas menuju sambungan. Jika tegangan baterai
lebih kecil daripada hambatan potensial / tembok potensial (V<Vγ), maka
elektron bebas tidak mempunyai cukup energi untuk melintasi lapisan
deplesi / daerah transisi, sehingga tidak ada arus yang melintasi dioda.
Ketika sumber tegangan baterai lebih besar daripada tembok potensial
(V>Vγ), baterai mendorong kembali lubang-lubang dan elektron-elektron
bebas menuju ke sambungan. Pada saat tersebut elektron bebas mempunyai
cukup energi untuk melintasi lapisan deplesi dan bergabung dengan lubang-
lubang. Arus mengalir dengan mudah dalam bias / prasikap maju dioda.
Sepanjang penerapan tegangan lebih besar dibandingkan hambatan potensial /
tembok potensial, maka akan terjadi arus kuat yang secara terus-menerus
melalui dioda.
Karena I≠0 maka tembok potensial merendah
Anoda lebih positif daripada katoda
Dioda berprasikap maju (forward bias)
V>Vγ maka I ≠ 0
Untuk dioda yang terbuat dari bahan Silikon tegangan konduksi (Vγ)
adalah diatas 0.7 volt. Kira-kira 0.3 volt batas minimum untuk dioda yang
terbuat dari bahan Germanium.
4.3 Karakteristik Dioda Prategangan Mundur / reverse bias
Gambar 1.5 menunjukkan suatu rangkaian dioda, dengan sumber
tegangan DC melintasi sebuah dioda. Saat ini, kutub positif sumber (baterai)
dihubungkan pada katoda atau sisi n sedangkan kutub negatif baterai
dihubungkan ke anoda atau sisi p.
Gambar1.5 Rangkaian Percobaan Dioda Prategangan Mundur
Pada rangkaian diatas jika polaritas tegangan dibalik yaitu dengan
memberikan bias negatif (reverse bias). Dalam hal ini, sisi N mendapat
polaritas tegangan lebih besar dari sisi P. maka didalam dioda tidak akan
terjadi perpindahan elektron atau aliran hole dari P ke N maupun sebaliknya.
Karena baik hole dan elektron masing-masing tertarik ke arah kutup
berlawanan. Bahkan lapisan deplesi (depletion layer) semakin besar dan
menghalangi terjadinya arus. Pada kondisi ini dioda tidak dapat mengalirkan
arus, namun kondisi tarsebut ada batasnya. Sampai beberapa puluh bahkan
ratusan volt baru terjadi breakdown, dimana dioda tidak lagi dapat menahan
aliran elektron yang terbentuk di lapisan deplesi.
Ketika perbedaan potensial sama dengan penerapan tegangan reverse
Lapisan deplesi berhenti berkembang. Ketika hal ini terjadi, elektron-elektron
dan lubang-lubang berhenti bergerak keluar sambungan. Setelah lapisan
deplesi stabil ada sebuah arus kecil pada reverse bias. Sedikit pembawa
minoritas berada pada kedua sisi sambungan, sebagian besar begabung dengan
pembawa mayoritas. Tetapi yang berada di dalam lapisan deplesi berada lebih
lama untuk melintasi sambungan. Ketika hal ini terjadi, sebuah arus mengalir
dalam rangkaian luar. Arus reverse disebabkan oleh panas yang menghasilkan
minoritas disebut juga arus jenuh.
Di samping arus pembawa minoritas, terdapat arus bocor dalam sebuah
dioda prasikap mundur. Arus kecil ini mengalir pada permukaan kristal (arus
permukaan – bocor), hal ini disebabkan karena permukaan yang tidak murni
dan tidak sempurna dalam struktur kristal. Jadi arus adalah mendekati nol
pada dioda bias balik / prasikap mundur.
Karena I = 0, tembok potensial meninggi
Anoda lebih negatif daripada katoda
Dioda berprasikap mundur (reverse bias)
V bebas (V> atau < Vγ), asal sesuai dengan kemampuannya / tidak
melampaui kemampuannya.
4.4 Hubungan antara tegangan dan arus pada dioda ideal
Gambar1.6 Grafik Hubungan antar tegangan dan arus dioda
Pada gambar grafik diatas dapat diketahui bahwa pada kondisi dioda
diberi penambahan pra tegangan maju (forward bias) terjadi penambahan
nilai arus yang mengalir atau dapat dikatakan nilai tegangan berbanding lurus
dengan arus), sebaliknya ketika dioda diberikan pra tegangan mundur ( reverse
bias ) maka arus tidak akan bisa mengalir hingga batas tegangan tertentu ( 100
volt ), selebihnya arus akan dapat mengalir ketika dioda dalam keadaan break
down.
5. Hasil Percobaan
Berdasarkan percobaan karakteristik diode didapatkan hasil data
pengamatan seperti pada tabel dibawah ini :
Tabel 1.1 Data Hasil Percobaan Karakteristik Dioda
No Tegangan Sumber (Vs) volt
Tegangan Dioda Maju (VD) volt
Tegangan Beban Dioda Maju (VL)
volt
Tegangan Dioda Mundur
(VD) volt
Tegangan Beban Dioda Mundur (VL)
volt1 7.5 7.62 0.07 -7.40 -0.072 9.3 8.92 0.07 -10.83 -0.083 10.5 11.15 0.08 -11.38 -0.094 11.6 12.13 0.08 -11.63 -0.105 12.4 12.5 0.08 -12.21 -.0186 12.9 13.5 0.08 -12.98 -0.217 13.2 13.93 0.08 -13.14 -0.248 13.86 14.01 0.08 -13.72 -0.259 14.25 14.06 0.08 -.14.30 -0.2610 14.78 14.90 0.08 -14.35 -0.2811 15.46 14.73 0.09 -14.73 -0.2912 15.76 15.30 0.09 -15.40 -0.3013 16.15 15.85 0.09 -16.01 -0.3114 16.54 16.28 0.09 -16.18 -0.3215 17.02 16.83 0.09 -16.25 -0.3216 17.53 16.96 0.09 -16.04 -0.3317 18.25 18.18 0.09 -16.60 -0.3318 18.52 18.09 0.09 -16.71 -0.3419 19.64 18.87 0.10 -17.83 -0.3420 20.60 20.25 0.10 -19.45 -0.35
6. Pembahasan
Tabel 1.2 Data Hasil Percobaan Karakteristik Dioda
No Tegangan Sumber (Vs) volt
Tegangan Dioda Maju (VD) volt
Tegangan Beban Dioda Maju (VL)
volt
Tegangan Dioda Mundur
(VD) volt
Tegangan Beban Dioda Mundur (VL)
volt1 7.5 7.62 0.07 -7.40 -0.072 9.3 8.92 0.07 -10.83 -0.083 10.5 11.15 0.08 -11.38 -0.094 11.6 12.13 0.08 -11.63 -0.105 12.4 12.5 0.08 -12.21 -.0186 12.9 13.5 0.08 -12.98 -0.217 13.2 13.93 0.08 -13.14 -0.248 13.86 14.01 0.08 -13.72 -0.259 14.25 14.06 0.08 -.14.30 -0.2610 14.78 14.90 0.08 -14.35 -0.2811 15.46 14.73 0.09 -14.73 -0.2912 15.76 15.30 0.09 -15.40 -0.3013 16.15 15.85 0.09 -16.01 -0.3114 16.54 16.28 0.09 -16.18 -0.3215 17.02 16.83 0.09 -16.25 -0.3216 17.53 16.96 0.09 -16.04 -0.3317 18.25 18.18 0.09 -16.60 -0.3318 18.52 18.09 0.09 -16.71 -0.3419 19.64 18.87 0.10 -17.83 -0.3420 20.60 20.25 0.10 -19.45 -0.35
Dari data diatas dapat diketahui bahwa pada Forward bias nilai tegangan
beban senmakin besar seiring dengan pertambahan tegangan sumber, hal ini
juga terjadi pada reverse bias tetapi tegangan pada beban sangatlah kecil
(mendekati nilai 0) hal ini terjadi karena arus yang mengalir pada beban
sangat kecil juga.
6.1. Perhitungan Arus Dioda
Pada gambar 1.1 terlihat bahwa arus yang mengalir pada diode
besarnya sama dengan arus pada resistor .Hal ini dikarenakan dalam suatu
rangkaian yang disusun secara seri nilai arus pada bagian-bagiannya adalah
sama besarnya, Sehingga nilai arus pada dioda dapat hitung sebagai berikut:
Idiode =
Tabel 1.3 Hasil Perhitungan Arus pada Dioda
NoSumber
(Vs) volt
Tegangan Beban (VL) volt RL
(ohm)
Arus Beban (ampere)
Diode Maju
Diode Mundur
Diode Maju Diode Mundur
1 7.5 0.07 -0.07 995 0.0000704 -0.0000704
2 9.3 0.07 -0.08 995 0.0000704 -0.0000804
3 10.5 0.08 -0.09 995 0.0000804 -0.0000905
4 11.6 0.08 -0.10 995 0.0000804 -0.0001005
5 12.4 0.08 -.018 995 0.0000804 -0.0000181
6 12.9 0.08 -0.21 995 0.0000804 -0.0002111
7 13.2 0.08 -0.24 995 0.0000804 -0.0002412
8 13.86 0.08 -0.25 995 0.0000804 -0.0002513
9 14.25 0.08 -0.26 995 0.0000804 -0.0002613
10 14.78 0.08 -0.28 995 0.0000804 -0.0002814
11 15.46 0.09 -0.29 995 0.0000905 -0.0002915
12 15.76 0.09 -0.30 995 0.0000905 -0.0003015
13 16.15 0.09 -0.31 995 0.0000905 -0.0003116
14 16.54 0.09 -0.32 995 0.0000905 -0.0003216
15 17.02 0.09 -0.32 995 0.0000905 -0.0003216
16 17.53 0.09 -0.33 995 0.0000905 -0.0003317
17 18.25 0.09 -0.33 995 0.0000905 -0.0003317
18 18.52 0.09 -0.34 995 0.0000905 -0.0003417
19 19.64 0.10 -0.34 995 0.0001005 -0.0003417
20 20.60 0.10 -0.35 995 0.0001005 -0.0003518
Perhitungan diatas berdasarkan aturan arus pada rangkaian seri,nilai arus
yang mengalir pada suatu hambatan sama dengan nilai arus yang mengalir
pada dioda tersebut. Arus pada reverse bias sama dengan nol atau hampir
mendekati nol, karena kutub negatif baterai dihubungkan dengan sisi p dari
persambungan lubang dalam tipe p dan elektron dalam tipe n bergerak
menjauhi persambungan. Oleh karenanya daerah bermuatan negatif menyebar
ke sebelah kiri persambungan dan rapat muatan positif menyebar ke sebelah
kanannya.
6.2 Perhitungan Daya Dioda
Dalam menghitung nilai daya pada dioda dapat digunakan
rumus sebagai berikut:
P = V . I
Dimana :
P = daya diode
V = tegangan diode
I = arus pada diode
Tabel 1.4 Hasil perhitungan daya pada dioda
NoSumber (Vs) volt
Tegangan Beban (VL) volt RL
(ohm)
Arus Beban (ampere) Daya Diode
Diode Maju
Diode Mundur
Diode Maju
Diode Mundur
DiodeMaju
Diode Mundur
1 7.5 0.07 -0.07 995 0.0000704 -0.0000704 0,00000492 0,00000492
2 9.3 0.07 -0.08 995 0.0000704 -0.0000804 0,00000492 0,00000643
3 10.5 0.08 -0.09 995 0.0000804 -0.0000905 0,00000643 0,00000814
4 11.6 0.08 -0.10 995 0.0000804 -0.0001005 0,00000643 0,00001005
5 12.4 0.08 -.018 995 0.0000804 -0.0000181 0,00000643 0,00000033
6 12.9 0.08 -0.21 995 0.0000804 -0.0002111 0,00000643 0,00004432
7 13.2 0.08 -0.24 995 0.0000804 -0.0002412 0,00000643 0,00005789
8 13.86 0.08 -0.25 995 0.0000804 -0.0002513 0,00000643 0,00006281
9 14.25 0.08 -0.26 995 0.0000804 -0.0002613 0,00000643 0,00006794
10 14.78 0.08 -0.28 995 0.0000804 -0.0002814 0,00000643 0,00007879
11 15.46 0.09 -0.29 995 0.0000905 -0.0002915 0,00000814 0,00008452
12 15.76 0.09 -0.30 995 0.0000905 -0.0003015 0,00000814 0,00009045
13 16.15 0.09 -0.31 995 0.0000905 -0.0003116 0,00000814 0,00009658
14 16.54 0.09 -0.32 995 0.0000905 -0.0003216 0,00000814 0,00010291
15 17.02 0.09 -0.32 995 0.0000905 -0.0003216 0,00000814 0,00010291
16 17.53 0.09 -0.33 995 0.0000905 -0.0003317 0,00000814 0,00010945
17 18.25 0.09 -0.33 995 0.0000905 -0.0003317 0,00000814 0,00010945
18 18.52 0.09 -0.34 995 0.0000905 -0.0003417 0,00000814 0,00011618
19 19.64 0.10 -0.34 995 0.0001005 -0.0003417 0,00001005 0,00011618
20 20.60 0.10 -0.35 995 0.0001005 -0.0003518 0,00001005 0,00012312
Pada kondisi reverse bias daya yang dihasilkan sangat kecil atau
mendekati nol, hal ini dikarenakan arus yang menalir sangat kecil. Kuat arus
Kurva Dioda Maju
0.0000000
0.0000200
0.0000400
0.0000600
0.0000800
0.0001000
0.0001200
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12
Tegangan Beban (Volt)
Aru
s B
eban
(A
mp
ere)
Series1
sebanding dengan daya yang mengalir, sehingga jika arus yang mengalir besar
maka dayanya pun besar, begitu pula sebaliknya.
6.3 Pembuatan Grafik I–V Dioda
6.3.1 Grafik Tegangan -Arus dioda prasikap maju
Dari hasil perhitungan arus maju dan data tegangan maju dioda dari
hasil percobaan, didapat titik-titik potong, yang kemudian dihubungkan,
yang kemudian membentuk kurva seperti yang ditunjukkan pada gambar
1.7 di bawah ini.
Gambar 1.7 Kurva I-V pada Diode Maju
Pada grafik di atas terlihat bahwa pada kondisi forward bias besarnya
arus hampir berbanding eksponensial dengan besarnya tegangan, tetapi
jika diambil metode sloop terbaik, maka perbandingan besarnya arus
dengan besarnya tegangan adalah berbanding lurus, sebagaimana rumus
6.3.2 Grafik Tegangan – Arus dioda prasikap mundur
Dari hasil perhitungan arus mundur dan data tegangan mundur dioda
dari hasil percobaan, didapat titik-titik potong, yang kemudian
dihubungkan, yang kemudian membentuk kurva seperti yang ditunjukkan
pada gambar 1.8 di bawah ini.
Kurva Dioda Mundur
-0.0004000
-0.0003500
-0.0003000
-0.0002500
-0.0002000
-0.0001500
-0.0001000
-0.0000500
0.0000000
-0.4 -0.35 -0.3 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0
Tegangan Beban (Volt)
Aru
s B
eban
(A
mp
ere)
Series1
Gambar 1.8 Kurva I-V pada diode mundur
Tanda minus pada grafik di atas menunjukkan bahwa dioda pada kondisi
reverse bias. Grafik di atas terjadi pada daerah dadal ( breakdown ).
Kedua grafik di atas jika digabung seharusnya tampak seperti grafik ideal
seperti gambar 1.9. Namun keduanya tampak sedikit berbeda. Hal ini
kemungkinan disebabkan oleh adanya rugi-rugi daya pada alat ukur, karena setiap
alat ukur tentunya mempunyai hambatan dalam yang mengakibatkan adanya rugi
tegangan, serta disebabkan karena adanya kesalahan dalam pengambilan data
pada saat praktikum.
Gambar 1.9 Kurva ideal karakteristik V-I dioda
7. KesimpulanDari percobaan tentang karakteristik diode dapat diambil beberapa
kesimpulan diantaranya :
1. Dioda merupakan komponen semikonduktor yang hanya dapat
mengalirkan arus satu arah saja.
2. Pada saat dioda diberi prategangan maju (forward bias) ,maka dioda
dapat mengalirkan arus,hal ini disebabkan tembok potensial rendah.
3. Pada saat dioda diberi prategangan balik (reverse bias) ,maka dioda
sulit mengalirkan arus,hal ini disebabkan tembok potensial yang
meniggi sehingga dioda memiliki hambatan tak terhingga.
4. Pada kondisi reverse bias dioda akan dapat mengalirkan arus ketika
mengalami kedadalan(breakdown),hal ni terjadi ketika tegangan
mundur yang diberikan mendekati + 100 volt.