Sebelum kita belajar tentang dioda, yuk kita pelajari tentang semikonduktor itu . Semikonduktor adalah suatu benda yang tidak bisa menghantarkan arus listrik pada suhu yang rendah, semikonduktor hanya bisa menghantarkan listrik pada suhu lebih tinggi. Sedangkan definisi semikonduktor adalah suatu bahan yang mempunyai sifat hantaran listrik diantara isolator dan konduktor. Beberapa contoh perangkat semikonduktor adalah dioda, transistor, termistor, dan Integrated Circuit (IC). Silikon dan germanium merupakan dua jenis semikonduktor yang sangat penting dalam elektronika. Keduanya terletak pada kolom empat dalam tabel periodik dan mempunyai elektron valensi empat. Struktur kristal silikon dan germanium berbentuk tetrahedral dengan setiap atom memakai bersama sebuah elektron valensi dengan atom-atom tetangganya. Gambar 1.1 memperlihatkan bentuk ikatan kovalen dalam dua dimensi. Pada temperatur mendekati harga nol mutlak, elektron pada kulit terluar terikat dengan erat sehingga tidak terdapat elektron bebas atau silikon bersifat sebagai isolator.
Energi yang diperlukan untuk memutus sebuah ikatan kovalen adalah sebesar 1,1 eV untuk silikon dan 0,7 eV untuk germanium. Pada temperatur ruang (300K), sejumlah elektron mempunyai energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dari ikatan dan tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi menjadi elektron bebas. diode termasuk komponen elektronika yang terbuat dari bahan semikonduktor. Beranjak dari penemuan diode, para ahli menemukan juga komponen turunan lainnya yang unik.
Semikonduktor Tipe-n
Semikonduktor ini dibuat dengan menambahkan material phosporus (P) , arsen (As), antimony (Sb), memiliki 5 lapisan luar elektron dalam intrinsik semikonduktor. Bila lima valensi elemen ini ditambahkan untuk mengikat dengan silikon, maka satu elektron tetap bertahan sebagai kelebihan di dalam oktet, sehingga daya hantar elektron tersebut bisa baik melalui gerak bebas elektron yang tertinggal. Semikonduktor ini disebut dengan tipe N (negatif) karena arus listriknya diasumsikan adalah negatif. Arus listrik ini mengalir melalui semikonduktor tipe N (penghantar : elektron). Karena atom pengotor memberikan elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom donor. Secara skematik semikonduktor tipe-n digambarkan seperti terlihat pada gambar dibawah.
(a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi lima menggantikan posisi salah satu atom silikon dan (b) Struktur pita energi semikonduktor tipe-n.
Semikonduktor Tipe-p
Semikonduktor ini dibuat dengan penambahan bahan Gallium (Ga) , phosporus (P) ,dan Boron (Br), memiliki tiga valence electron intrinsik semikonduktor. Melalui empat lapisan luar elektron yang dimilikinya, bila kedua jenis material ini dengan bertemu satu lainnya, maka atom silikon dari kedua jenis atom ini tidak bisa berbagi elektron, sehingga arus listrik dapat mengalir dengan mudah dimana lowongan ini disebut hole. Tipe semikonduktor ini biasa disebut dengan P (positive) karena diasumsikan muatan listriknya adalah positif karena elektronnya lebih sedikit. Saat mendapat tegangan, elektron mengisi sisi hole kemudian hole tersebut secara terus menerus bergerak menurun. Arus listriknya mengalir melalui hole yang ada di dalam semiconductor tipe P ini. Karena atom menerima elektron, maka atom ini disebut sebagai atom aseptor (acceptor). Secara skematik semikonduktor tipe-p digambarkan seperti terlihat pada gambar dibawah.
(a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi tiga menggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur pita energi semikonduktor tipe-p.
Diode
Dioda (diode) adalah komponen elektronika aktif yang terbuat dari bahan semikonduktor dan mempunyai fungsi untuk menghantarkan arus listrik ke satu arah tetapi menghambat arus listrik dari arah sebaliknya.
Dalam ilmu fisika dioda digunakan untuk penyeimbang arah rangkaian elektronika. Elektronika memiliki dua terminal yaitu anoda berarti positif dan katoda berarti negatif. Prinsip kerja dari anode berdasarkan teknologi pertemuan positif dan negative semikonduktor. Sehingga anode dapat menghantarkan arus litrik dari anoda menuju katoda, tetapi tika sebaliknya katoda ke anoda. Diode memiliki fungsi yang unik yaitu hanya dapat mengalirkan arus satu arah saja. Struktur diode tidak lain adalah sambungan semikonduktor P dan N. Satu sisi adalah semikonduktor dengan tipe P dan satu sisinya yang lain adalah tipe N. Dengan struktur demikian arus hanya akan dapat mengalir dari sisi P menuju sisi N.
Simbol dan struktur diode.
Gambar ilustrasi di atas menunjukkan sambungan PN dengan sedikit porsi kecil yang disebut lapisan deplesi (depletionlayer), di mana 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. Pada p-n junction bias maju (yang mana tipe-p terhubung dengan tegangan positif dan tipe-n terhubung dengan tegangan negatif), terminal anoda berperan sebagai terminal positif dan terminal katoda berperan sebagai terminal negatif5 seperti yang dapat dilihat pada Gambar dibawah.
Dioda bias maju.
Potensial luar dari sumber tegangan memberikan gaya tarik terhadap elektron dan hole, sehingga elektron dan hole pada dipole bergerak mengarah ke sumber tegangan. Akibatnya depletion region menyusut. Hal ini membuka kembali kemungkinan bagi carrier untuk menyeberangi junction, dan bergerak mengelilingi rangkaian. Pada rangkaian timbul arus listrik. Hal di atas hanya bisa terjadi jika tegangan luar lebih besar dari potential barrier.
Sebaliknya apakah yang terjadi jika polaritas tegangan dibalik yaitu dengan memberikan bias negatif (reversebiased). Jika tegangan negatif diaplikasikan ke sisi positif dan tegangan positif ke sisi negatif, dengan tidak ada arus/arus yang mengalir sangat kecil, konfigurasi ini disebut dengan reverse bias atau bias mundur.
Dioda bias mundur.
Potensial luar dari sumber tegangan memberikan gaya tolak terhadap elektron dan hole, sehingga elektron dan hole pada dipole bergerak menjauhi sumber tegangan. Akibatnya depletion region melebar dan potential barrier meningkat. Disini yang menarik untuk diperhatikan adalah bahwa dioda tidak menghasilkan tegangan dengan perubahan tegangan yang diaplikasikan. Arus tetap konstan pada nilai kecil yang dapat diabaikan (dalam kisaran ampli mikro). Bila voltase dinaikkan di atas titik tertentu, maka arus tiba-tiba meningkat secara mendadak, dan hal ini disebut sebagai “arus balik” dan nilai voltase yang diterapkan tersebut, dimana arus balik melalui dioda meningkat tiba-tiba dikenal sebagai “break down voltage“.Jika arus balik ini melebihi nilai maksimumnya, maka dioda akan rusak.
Untuk diode yang terbuat dari bahan Silikon tegangan konduksi adalah di atas 0,7 Volt. Kira-kira 0,3 Volt batas minimum untuk diode yang terbuat dari bahan Germanium.
Grafik arus diode
Sebaliknya untuk bias negatif diode tidak dapat mengalirkan arus, namun memang ada batasnya. Sampai beberapa puluh bahkan ratusan volt baru terjadi breakdown, di mana diode tidak lagi dapat menahan aliran elektron yang terbentuk di lapisan deplesi.
Karakteristik Umum diode
Karakteristik diode pada garis besarnya dapat dibedakan atas karakteristik forward dan karakteristik reverse. Untuk membuat karakteristik diode yang menunjukkan besarnya arcs pada bermacam-macam harga tegangan yang diberikan digunakan rangkaian seperti pada gambar.
Untuk mengetahui karakteristik dioda dapat dilakukan dengan cara memasang dioda seri dengan sebuah catu daya dc dan sebuah resistor. Dari rangkaian percobaan dioda tersebut dapat di ukur tegangan dioda dengan variasi sumber tegangan yang diberikan. Rangkaian dasar untuk mengetahui karakteristik sebuah dioda dapat menggunakan rangkaian dibawah. Dari rangkaian pengujian tersebut dapat dibuat kurva karakteristik dioda yang merupakan fungsi dari arus ID, arus yang melalui dioda, terhadap tegangan VD, beda tegangan antara titik a dan b.
Skema untuk membuat karakteristik diode
Karakteristik dioda dapat diperoleh dengan mengukur tegangan dioda (Vab) dan arus yang melalui dioda, yaitu ID. Dapat diubah dengan dua cara, yaitu mengubah VDD. Bila arus dioda ID kita plotkan terhadap tegangan dioda Vab, kita peroleh karakteristik dioda. Bila anoda berada pada tegangan lebih tinggi daripada katoda (VD positif) dioda dikatakan mendapat bias forward. Bila VD negatip disebut bias reserve atau bias mundur. Pada diatas VC disebut cut-in-voltage, IS arus saturasi dan VPIV adalah peak-inverse voltage. Bila harga VDD diubah, maka arus ID dan VD akan berubah pula. Bila kita mempunyai karakteristik dioda dan kita tahu harga VDD dan RL, maka harga arus ID dan VD dapat kita tentukan sebagai berikut. Dari gambar pengujian dioda diatas dapat ditentukan beberapa persamaan sebagai berikut :
Bila hubungan di atas dilukiskan pada karakteristik dioda kita akan mendapatkan garis lurus dengan kemiringan (1/RL). Garis ini disebut garis beban (load line) seperti gambar berikut
Karakteristik Dioda Dan Garis Beban
Garis Beban Karakteristik
Dari gambar karakteristik diatas dapat dilihat bahwa garis beban memotong sumbu V dioda pada harga VDD yaitu bila arus I=0, dan memotong sumbu I pada harga (VDD/RL). Titik potong antara karakteristik dengan garis beban memberikan harga tegangan dioda VD(q) dan arus dioda ID(q). Dengan mengubah harga VDD maka akan mendapatkan garis-garis beban sejajar seperti pada gambar diatas. Bila VDD<0 dan |VDD| < VPIV maka arus dioda yang mengalir adalah kecil sekali, yaitu arus saturasi IS. Arus ini mempunyai harga kira-kira 1 μA untuk dioda silikon.
Lalu ada lagi percobaan yang terdiri dari dua bagian, bagian pertama untuk mendapatkan karakteristik forward dan bagian kedua reverse. Bagian pertama memerlukan tahanan R = 50 ohm yang terpasang seri seperti pada gambar, gunanya.untuk membatasi arus reverse; bila tidak diode akan rusak jika tegangan 1,5 Volt langsung dihubungkan padanya. Tegangan maksimum yang boleh diberikan adalah 1,5 Volt dan voltmeter harus mampu membaca dari 0 sampai 1,5 Volt dengan selang 0,1 Volt. Amperemeter (mA) harus mempunyai skala maksimum 50 mA. Tegangan dinaikkan secara bertahap mulai dari nol sampai J ,S Volt dengan selang kenaikkan 0,1 Volt, arus I yang ditunjukkan oleh mA dicatat, Bila data-data tersebut dinyatakan dalam grafik akan diperoleh karakteristik forward seperti pada gambar di bawah.
Untuk membuat karakteristik reverse pertama-tama polaritas baterai harus dibalik. Untuk percobaan yang kedua ini diperlukan sumber tegangan yang lebih besar ialah sekitar 10 volt. Batas ukur voltmeter diperbesar ialah sekitar 10 volt. Besarnya arus reverse sangat kecil hanya beberapa persepuluhan mikroampere akibat tahanan reverse yang mencapai beberapa megaohm. Oleh karena itu meter mA harus sanggup membaca dari 0 sampai 0.1 mikroampere dengan selang 0,01 mikroampere.
Bila karakteristik forward ini diperhatikan tampak bahwa mula-mula lengkungnya berbentuk parabola yaitu pada tegangan VD yang kecil, begitu VD mulai membesar arus forward ID akan naik dengan cepat praktis secara linier. Pada daerah linier ini perubahan tegangan yang kecil saja akan mengakibatkan perubahan arus yang besar.
Bentuk karakteristik reverse berbeda dengan karakteristik forward-nya, mula-mula arus naik secara parabola kernudian setelah niencapai harga tertentu, arus reverse ini akan tetap konstan walaupun tegangan reverse VD dinaikkan, hal ini disebabkan oleh terbatasnya minority carriers sehingga arus tak dapat naik lagi. Tetapi bila tegangan reverse dinaikkan terus, suatu saat arus reverse akan naik dengan tiba-tiba menjadi besar sekali. Peristiwa semacam ini disebut breakdown dan tegangan pada saat mana teriadi breakdown disebut tegangan breakdown. Pada umumnya tegangan reverse maksimum yang diizinkan (VDM) selalu lebih kecil dari tegangan breakdown-nya, kecuali pada diode zener.
a. Karakteristik diode umumnya dinyatakan dengan grafik hubungan antara tegangan pada diodeversus arus yang melewatinya sehingga disebut karakteristik tegangan-arus (V-I)
Adapun fungsi Dioda , antara lain
1. Sebagai penyearah arus (dioda bridge)
2. Sebagai pengendali tegangan (dioda zener)
3. Sebagai pengaman atau sekering.
4. Sebagai rangkaian clipper, yaitu untuk memangkas / membuang level sinyal yang ada di atas atau di bawah level tegangan tertentu.
5. Sebagai rangkaian clamper, yaitu untuk menambahkan komponen DC kepada suatu sinyal AC.
6. Sebagai pengganda tegangan.
7. Sebagai indikator, untuk LED (Light Emiting Diode)
8. Sebagai sensor panas, contoh aplikasi pada rangkaian power amplifier.
9. Sebagai sensor cahaya, untuk dioda photo.
10. Sebagai rangkaian VCO (Voltage Controlled Oscilator), untuk dioda varactor
Penerapan Dioda dalam Rangkaian Penyearah
Karena sebuah dioda sambungan PN hanya dapat mengalirkan arus listrik dalam satu arah, maka dioda dapat dimanfaatkan sebagai penyearah untuk mengubah arus bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC). Ada dua jenis penyearah yang kita pelajari, yaitu penyearah setengah-gelombang dan penyearah gelombang penuh.· Penyearah setengah gelombang (Half Have Rectifier Circuit)
Rangkaian penyearah yang paling sederhana adalah penyearah setengah gelombang, terdiri dari sebuah dioda yang dipasang pada sisi sekunder sebuah trafo dan diserikan dengan sebuah beban R, seperti pada gambar penyearah setengah gelombang. Tegangan searah yang dibutuhkan oleh beban, seperti lampu, relay, bateray, dll. Transformator mengubah tegangan bolak balik tertentu menjadi tegangan sesuai untuk disearahkan.
Rangkaian Penyearah
Tegangan sisi sekunder trafo, merupakan tegangan masukan untuk rangkaian penyearah setengah gelombang. Tegangan masukan ini adalah tegangan bolak balik yang berbentuk sinusoida. Dalam satu periode, polaritas tegangan positif dan negatif berubah secara bergantian. Kita hanya meninjau satu periode gelombang saja, yaitu setengah periode positif dan setengah periode negatif.
Dalam setengah periode positif, dioda diberi panjar maju (anoda (A) berhubungan dengan polaritas positif dan katoda (K) berhubungan dengan polaritas negatif), sehingga dioda akan mengalirkan arus melalui beban R. Untuk beban yang dianggap resistif murni R, tegangan keluaran atau ujung-ujung beban sama dengan tegangan masukan. Karena itu, bentuk teganga keluaran sama dengan setengah gelombang tegangan.
Dalam setengah periode negatif berikutnya, dioda diberi panjar mundur (anoda (A) berhubungan dengan polaritas negatif dan katoda (K) berhubungan dengan polaritas positif), sehingga dioda tidak akan mengalirkan arus melalui beban R. Ini mengakibatkan tegangan keluaran antara ujung-ujung beban sama dengan nol, dan digambarkan dengan garis lurus mendatar seperti pada gambar bawah.
Bentuk gelombang tegangan keluaran pada rangkaian penyearah setengah gelombang ditunjukkan pada gambar bawah. Karena menghasilkan tegangan keluaran searah hanya dalam setengah periode positif dari gelombang tegangan masukan, maka penyearah ini disebut penyearah setengah gelombang.
Penyearah Gelombang Penuh (Full Wave Rectifier Circuit)
Agar dapat mengalirkan arus dalam satu gelombang penuh sehingga tegangan keluaran lebih mudah diratakan dan dapat menghasilkan nilai konstan, kita gunakan penyearah gelombang penuh. Penyearah gelombang-penuh dapat menggunakan empat dioda yang dihubungkan seperti jembatan wheatstone, disebut juga penyearah jembatan, seperti pada gambar rangkaian di bawah ini.
Penyearah jembatan selalu hanya sepasang dioda yang mengalirkan arus melalui beban R, sedang sepasang dioda lainnya tidak. Dalam rangkaian ini, pasangan dioda adalah D1 dengan D4, dan D2 dengan D3. Dalam setengah periode positif, pasangan dioda D2 dan D3 dipanjar maju, sedangkan pasangan dioda D1 dan D4 dipanjar mundur. Arus listrik akan mengalir dari tegangan masukan melalui pasangan dioda D2 dan D3 dan beban R dengan arah dari a ke b. Jadi, dalam periode ini, tegangan keluaran sama dengan tegangan masukan.
Dalam setengah periode negatif, pasangan dioda D4 dan D1 dipanjar maju sedang pasangan dioda D2 dan D3 dipanjar mundur. Arus listrik akan mengalir dari tegangan masukan melalui pasangan dioda D1 dan D4 dan beban R, dengan arah yang sama dari a ke b, seperti pada gambar. Dapat kita katakan bahwa tegangan masukan yang bernilai negatif dijadikan positif pada keluaran. Selanjutnya, bentuk gelombang tegangan masukan dan tegangan keluaran ditunjukkan pada gambar di bawah.
Oleh karena itu penyearah jembatan menghasilkan tegangan keluaran searah untuk satu periode gelombang tegangan masukan yang diberikan padanya, maka penyearah jembatan disebut juga penyearah gelombang penuh.
Penyearah Sistem Sembatan (Bridge Rectifier Circuit)
Adalah penyearah dengan memanfaatkan topologi dioda yang disusun dengansistem jembatan. Sistem ini mengambil semua siklus gelombang sinus masukan namundengan input fasa tunggal. Sistem lebih efisien pada sistem power supply denganinput fasa tunggal karena menghemat penggunaan lilitan.
Penyearah sistem jembatan memanfaatkan kerja forward secara bergantian pada masing-masing dioda yang dimanfaatkan pada masing-masing siklus. Pada siklus positif, diodapertama dan kedua bekerja secara forward lalu pada siklus negatif, dioda ketiga dankeempat yang ganti bekerja secara forward. Sistem ini dianggap paling baik dan populeruntuk aplikasi penyearah tegangan tunggal pada sinyal sinus dengan frekuensi rendah sepertipada listrik rumah tangga.
Prinsip Perataan Penyearah Gelombang Penuh
Tegangan searah yang dihasilkan oleh penyearah setengah gelombang maupun penyearah jembatan (gelombang penuh) memiliki riak yang cukup besar (gelombang tegangan tidak rata). Tegangan searah seperti ini tidak memenuhi syarat untuk diberikan kepada komponen-komponen elektronika yang terdapat dalam radio, televisi dan komputer, yang membutuhkan tegangan searah yang lebih rata.
Secara sederhana tegangan searah dapat diratakan dengan memasang sebuah kapasitor elektrolit kapasitas besar, paralel dengan beban R, seperti pada gambar rangkaian sistem perataan di bawah ini.
Rangkaian
Penyearah gelombang
Rangkaian sistem perataan kapasitor ini disebut kapasitor perata atau kapasitor penyimpan (reservoir circuit). Sewaktu tegangan pada ujung-ujung beban naik terhadap waktu antara A dan B, kapasitor C dimuati sedemikian rupa sehingga polaritas pelat atasnya positif. Sesaat setelah tegangan keluaran penyearah antara B dan C berkurang, kapasitas C membuang muatan listriknya melalui beban R. Sebagai hasilnya, tegangan pada ujung-ujung beban tidak pernah mencapai nol, tetapi mengikuti lintasan garis tebal. Tampak bahwa riak gelombang tegangan menjadi lebih kecil dan tegangan searah yang dihasilkan pada ujung-ujung beban adalah agak lebih rata.
Diode Kristal
Diode kristal ini terdiri dari 2 jenis yaitu diode silikon (Si) dan diode germanium (Ge). Berikut penjelasan dari masing-masing jenis diode tersebut.
Diode Silikon (Si)
Sebuah atom silikon terisolasi mempunyai 14 proton dan 14 elektron.Orbit yang pertama mengandung 2 elektron dan orbit yang kedua mempunyai 8 elektron.4 elektron yang tersisa terdapat dalam orbit valensi.
Pada saat diode silikon ini dibias maju, agar arus dapat mengalir maka tegangan harus sebesar 0,7 Volt. Apabila tidak mencapai tegangan minimal tersebut, arus yang datang dari anoda tidak akan mengalir ke katoda. Apabila tegangan tersebut sudah mencapai tegangan minimal, maka arus akan naik dengan cepat seperti yang terlihat pada gambar 1.4 yaitu kurva karakteristik diode silikon ini. Dimana pada kurva terlihat, saat tegangan mencapai 0,7 Volt, maka arus akan naik dengan cepat.
Grafik karakteristik diode Silikon
Diode Germanium (Ge)
Germanium mempunyai empat elektron dalam orbit valensi. Beberapa tahun yang lalu germanium adalah satu-satunya bahan yang cocok untuk membuat peralatan semikonduktor.Tetapi peralatan germanium mempunyai sebuah kekurangan yang fatal yaitu arus balik yang sangat besar dimana insinyur tidak dapat mengatasinya. Akhirnya semikonduktor lain dinamakan silikon menjadi sesuatu yang dipakai dan membuat germanium menjadi usang dalam sebagian besar pemakaian elektronik. Untuk jenis diode germanium (Ge), arus akan dilewatkan apabila tegangan harus mencapai tegangan 0,3 Volt. Jadi, pada prinsipnya sama seperti diode silikon, apabila tegangan belum mencapai 0,3 Volt maka arus tidak akan dilewatkan. Jika tegangannya sudah mencapai tegangan minimal sebesar 0,3 Volt, maka arus sudah dapat dilewatkan.
Grafik karakteristik diode Germanium
Sekian guys pembahasan kali ini, semoga materi ini bermanfaat ya untuk perkuliahan ataupun sekedar menambah wawasan. Mohon maaf jika ada kesalahan kata ya guys. Nantikan Pembahasan yang lain ya :)
0 Response to "DIODA"
Post a Comment