Diode Semikonduktor
-
Upload
hudy-pietersz -
Category
Documents
-
view
236 -
download
0
Transcript of Diode Semikonduktor
7/23/2019 Diode Semikonduktor
http://slidepdf.com/reader/full/diode-semikonduktor 1/13
Elektronika adalah Cabang ilmu pengetahuan dan teknologi yang mempelajari
teori dan penggunaan peralatan yang mana alran electron terjadi lewat tabung hampa,
tabung berisi gas atau semi konduktor. Karenanya, tabung hampa, tabung beisi gas
dan transistor dikenal sebgai peralatan elektronika.
Cabang elektronika yang berhubungan dengan aliran electron dalam hampa,
gas, dan benda padat dinamakan nelektronika fisika. Selanjutnya, cabang elektronika
yang berkaitan dengan perencanaan, pengembangan dan penggunaan peralatan
elektronika dinamakan Teknik Elektronika.
Elektron nmerupakan salah satu partikel dasar yang membentuk atom, electron
bermuatan negative dan mempunyai harga yang paling kecil yaitu
E !,"#$%&# '&# esu
E &,(#&%&# ')# emu
E &,(#&%&# '&* coulomb
+asa electron tergantung kepada kecepatannya . Kecepatan electron jauh lebih
kecil dari kecepatan cahaya sehingga masa electron disebut masa diam.+asa di"am
dari electron dinyatakan dengan mo *,&#- &# ')" g
*,&#- &# '$& kg
Kalau eloektron bergerak dengan kecepatan v, masa dinyatakan oleh
/
0120E SE+1K2304KT25
7/23/2019 Diode Semikonduktor
http://slidepdf.com/reader/full/diode-semikonduktor 2/13
1.1 6endahuluan
Elektronika merupakan ilmu yang mempelajari dasar fisika, meliputi
pemakaian komponen'komponen yang berdasarkan sifat mengalirnya elektron
didalamnya.
Sejak ditemukannya transistor pada tahun &*!- oleh 7alter 8. 9rattain dan
:ohn 9ardeen dimana dua kawat emas berdekatan di tempelkan pada ;basis< kristal
germanium maka sejak saat itu perlahan'lahan penemuan ini menggantikan
komponen elektronika sebelumnya yaitu tabung vakum.
Saat ini tabung vakum jarang digunakan dalam praktek maka tidak akan
dibicarakan disini. =ermanium sendiri bahan yang mempunyai konduktivitas diantara
konduktor dan isolator
1.2 Diode Ideal
Komponen elektronika pertama yang diperkenalkan disini adalah diode. 0iode
adalah suatu komponen elektronika yang mudah menghantar arus untuk suatu
kekutuban tegangan, dan susah menghantar arus untuk kekutuban yang lain.
6ada modul ini kita hanya membahas diode p-n yang terbuat dari bahan
semikonduktor. Secara kuantitatif sifat diode tercermin pada grafik yang menyatakan
hubungan antara arus dan tegangan diode. =rafik ini disebut sebagai karakteristik
diode. 0engan menggunakan grafik ini dan pengetahuan tentang garis beban, kita
dapat membahas rangkaian yang mengandung diode secara grafis.
Kembali kepada judul bacaan ini yaitu diode ideal adalah komponen dua
terminal yang mempunyai simbol dan karakteristik sebagaimana ditunjukan pada
gambar &.&
=ambar&.& 0iode 1deal
>a? simbol @ >b? karakteristik
7/23/2019 Diode Semikonduktor
http://slidepdf.com/reader/full/diode-semikonduktor 3/13
1dealnya, diode akan konduksi bila arus berada pada arah sebagaimana
dinyatakan dengan anak panah dalam simbol dan karakteristik gambar &.& dan bekerja
sebagai rangkaian terbuka untuk arus dalam arah yang berlawanan sebagai yang
ditunjukan dalam simbol. 0engan demikian dapat dikatakan bahwa 0iode 1deal
adalah switch yang dapat mengalirkan arus hanya dalam satu arah.
:ika polaritas tegangan yang digunakan secara konsisten seperti pada gambar
&.&a maka karakteristik diode pada gambar &.&b yang perlu diperhatikan adalah pada
bagian kanan sumbu vertikal dan jika polaritas tegangan yang diberikan dibalik maka
karakteristik dari diode berada pada bagian kiri sumbu vertikal.
4ntuk arus yang melewati diode jika memiliki arah seperti pada gambar &.&a
maka bagian yang diperhatikan dari karakteristik berada diatas sumbu horisontal,
sementara kebalikannya berada dibawah sumbu horisontal.
Salah satu parameter penting dari diode adalah tahanan pada daerah operasi
diode. :ika 10 adalah arus diode dan A0 adalah tegangan diode maka pada kedudukan
seperti simbol kita dapatkan tahanan pada arah forward RF , maka sesuai dengan
definisi hukum ohm diperoleh
##
),$, ,....., F
f F
V V R
I mA= = = Ω > short circuit ?
dimana
F V tegangan forward @ F I arus forward .
Karenanya diode ideal berlaku sebagai konduktor yang sempurna > short circuit
Bhubung singkat? jika berada pada posisi konduksi. Sebaliknya diode pada arah negatif
>kwadran $ gambar &.&b? maka diperoleh
R R >Tahanan reverse? R
R
V
I
, )#,....
#mA
− −= ∞Ω >open circuit Brangkaian terbuka?
dimana
RV tegangan reverse; R I arus reverse
Karenanya diode ideal adalah isolator yang sempurnaBopen circuit bila berada pada
posisi tidak konduksi.
Sebagai gambaran dari kedua kondisi diatas dapat dilihat pada gambar &.) berikut ini
7/23/2019 Diode Semikonduktor
http://slidepdf.com/reader/full/diode-semikonduktor 4/13
7/23/2019 Diode Semikonduktor
http://slidepdf.com/reader/full/diode-semikonduktor 5/13
)
>& ?
>& ?
l cm R ohm
A cm ρ ρ ρ = = =
6ada tabel &.&, diberikan nilai resistivitas dari tiga jenis materialBbahan
Tabel &.& 3ilai 5esistivitas
Konduktor Semikonduktor 1solator (&# cm ρ
−≅ Ω −
>tembaga?
# cm ρ = Ω − >Si? &)&# cm ρ = Ω −
>mika?$# &# x cm ρ = Ω − >=e?
Selanjutnya, telah diketahui bahwa bagian terkecil yang mana ciri dari benda tersebut
tidak diketahui disebut atom. tom terddiri dari tiga partikel dasar yaitu elektron,
proton, neutron, dimana proton dan neutron terletak pada inti atom dan elektron
berada pada kulit'kulit atom.
=ambar &.! Struktur atom
>a? germanium>=e? @ >b? silikon >Si?
0alam gambar &.! germanium mempunyai $) orbit elektron sementara atom silikon
mempunyai &! orbit elektron. 0emikian juga atom =e dan Si mempunyai ! elektron
pada shell>lapisan? terluar yang disebut sebagai elektron valensi.
&.$.& Semikonduktor murni atau intrinsik
Kalau penghantaran semikonduktor hanya ditentukan oleh pembawa muatan
yang dibangkitkan panas maka semikonduktor ini disebut semikonduktor murni atau
intrinsik. Kalau semikonduktor murni dijaga pada ## K, maka energi panas dari
7/23/2019 Diode Semikonduktor
http://slidepdf.com/reader/full/diode-semikonduktor 6/13
elektron sama dengan # sehingga pita valensi terisi penuh dan pita hantaran sama
sekali kosong. Kerenanya pada ## K semikonduktor murni bersifat sebagai isolator.
Sebaliknya kalau semikonduktor dijaga pada temperatur ruangBkamar, beberapa
elektron pita valensi memperoleh cukup energi untuk melompat kedalam pita
hantaran dan menjadi bebas seperti yang ditunjukan dalam gambar &..
=ambar &. 6embangkitan elektron dan hole>lobang?
dalam semikonduktor intrinsik
Tempat kosong yang terbentuk karena beberapa elektron pada pita valensi
melompat kedalam pita hantaran diberi istilah 8ole yang membawa muatan sama
besarnya dengan muatan elektron dan jumlah elektron yang terbangkitkan panas sama
dengan jumlah 8ole. kibat energi panas elektron'elektron dan hole bergerak bebas
secara acak dalam kristal. Tegangan luar yang diberikan ditambah gerakan panas acak
elektron menghasilkan kecepatan simpangan >drift ? dimana kecepatan ini menaikan
aliran arus. :adi kalau semikonduktor dihubungkan ke baterai, arus disusun oleh
elektron'elektron bebas dalam pita hantaran dan hole'hole bebas dalam pita valensi.
Elektron bergerak menuju elektroda positif sedangkan hole bergerak kearah negatif.
4ntuk mengerti tentang hubungan ini dapat dilihat pada gambar &.(
=ambar &.( simpangan elektron dan hole dalam
semikonduktor yang dicatu
7/23/2019 Diode Semikonduktor
http://slidepdf.com/reader/full/diode-semikonduktor 7/13
=ambar &.- 9entuk ) dimensi kristal =e atau Si
=ambar &.- menunjukan gambar ) dimensi dari kristal =ermanium atau Silikon yang
merupakan unsur grup 1A dari tabel periodik sehingga masing'masing atom
mempunyai ! elektron valensi. Elektron'elektron valensi ini dipegang oleh ikatan'
ikatan kovalen dengan elektron'elektron valensi dari empat atom =eBSi yang
berdekatan.
=ambar &." Kristal silikon dengan ikatan kovalennya lepas
Kalau satu elektron valensi menerima energi panas yang cukup maka elektron
tersebut memutuskan ikatan kovalen dan menjadi bebas sehingga terbentuk satu 8ole
>lihat gambar &."?. Kalau satu hole terbentuk maka elektron valensi dari atom
bersebelahan yang mempunyai energi panas yang cukup untuk meninggalkan ikatan
kovalennya akan melompat kedalam ikatan tersebut dan terbentuk lagi ikatan. dalah
sangat mungkin bahwa setiap saat beberapa elektron bebas pada waktu bergerak
secara acak didalam kristal semikonduktor bertemu dengan hole dan bergabung
>kombinasi? kembali dengan hole. 6roses ini dinamakan rekombinasi.
7/23/2019 Diode Semikonduktor
http://slidepdf.com/reader/full/diode-semikonduktor 8/13
&.$.) Semikonduktor tak murni >tercampur? atau Ekstrinsik
Elektron'elektron dan lobang'lobangBhole'hole dapat dibangkitkan dalam
kristal semikonduktor berupa panas ataupun cahaya. 3amun metoda yang paling
efisien dan mudah untuk membangkitkan elektron bebas adalah dengan
menambahkan sejumlah kecil pencampur >impuritas? yang dipilih ke dalam kristal.
6enambahan atom'atom pencampur dalam jumlah sedikit kedalam
semikonduktor dinamakan peresapan >doping?. Semikonduktor yang mengandung
atom pencampur dinamakan semikonduktor teresapi, tercanpur atau ekstrinsik.
6enghantar >konduktivitas? semikonduktor ekstrinsik di tentukan oleh kelebihan
elektron atau hole akibat atom'atom pencampur. 6encampur yang sering digunakan
untuk =e dan Si adalah unsur'unsur grup 111 >trivalent ? dan A > pentavalen? dari tabel
periodik, umumnya 9oron, =allium, 1ndium, dan lumanium dari grup 111 dan Dosfor,
ntimonium, dan rsenikum dari grup A. 0alam semikonduktor senyawa seperti
1nSb, 1ndium >1n? unsur dari grup 111 dan ntimonium >Sb? dari grup A. 0alam hal ini
pencampur biasanya digunakan Tellurium >Te?, unsur dari grup A1 dan Seng >Fn?
unsur dari grup 11. Tregantung dari jenis resapan yang ada, semikonduktor ekstrinsik
selanjutnya dibedakan semikonduktor jenis n dan semikonduktor jenis p
&.$.).& 0onor atau semikonduktor tipe'n
9ila suatu unsur grup A seperti fosfor, antimonium, dan arsenikum
ditambahkan dalam jumlah sedikit kedalam semikonduktor unsur grup 1A, seperti
=e,Si dan atom'atom pencampur mempunyai ukuran sebanding atom'atom =e dan Si.
0alam kristal, suatu atom pencampur dikelilingi atom bahan semikonduktor. Empat
atom tetangga akan membentuk ikatan kovalen dengan empat dari lima elektron'
elektron valensi dari atom pencampur >gambar &."?
=ambar &.* tom pencampur valensi dalam kristal ! valensi
7/23/2019 Diode Semikonduktor
http://slidepdf.com/reader/full/diode-semikonduktor 9/13
Elektron valensi ke' dari atom pencampur lepas dari ikatan, sehingga dapat
dikeluarkan dan dibebaskan dengan mengeluarkan sejumlah energi yang jauh lebih
sedikit dibandingkan dengan energi yang diperlukan untuk membongkar ikatan
kovalen. :umlah energi yang sdikit ini dapat dengan mudah diberikan dengan agitasi
panas pada kristal.
Keadaan energi yang bersangkutan dengan elektron valensi kelina berada
dalam celah terlarang dan persis dibawah pita hantaran. Tingkat energi ditunjukan
oleh garis putus'putus pada gambar &.&# dan dinamakan tingkat donor.
=ambar &.&# posisi tingkat donor dalam diagram pita energi
Kalau elektron valensi ke' dipisahkan dan dipindahkan ke pita hantaran atau
pencampur menjadi ion tidak bergerak bermuatan positif. +asing'masing atom
pencampur dalam peristiwa ini memberikan satu elektron bebas ke semikonduktor.
4nsur'unsur demikian dinamakan donor.
Semikonduktor yang berisi pencampur jenis donor dinamakan semikonduktor jenis n
karena pembawa'pembawa arus yang dihasilkan merupakan muatan negatif
>elektron?. Elektron'elektron bebas yang dihasilkan dengan cara ini dinamakan
elektron berlebihan.
0alam suatu semikonduktor senyawa 111'A seperti 1nSb, unsur grup A1 seperti
Te mengantikan unsur grup A Sb, berperan sebagai donor. Elektron'elektron
merupakan pembawa mayoritas >mayority carrier? dan hole'hole yang dibangkitkan
panas merupakan pembawa minoritas >minority carrier? dalm semikonduktor jenis n.
Catatan 4ntuk setiap atom pencampur ada satu elektron bebas dalam pita hantaran
tetapi tidak ada hole positif bersangkutan dalam pita valensi.
&.$.).) kseptor atau semikonduktor jenis p
9ila suatu unsur grup 111, seperti alumanium dimasukan sedikit kedalam susunan
kristal semikonduktor unsur tunggal seperti =e atau Si. 4ntuk masing'masing atom
unsur grup 111 yang dimasukan kedalam susunan kristal semikonduktor, masih ada
ikatan yang tidak terisi yang ditunjukan oleh garis putus'putus pada gambar &.&&.
7/23/2019 Diode Semikonduktor
http://slidepdf.com/reader/full/diode-semikonduktor 10/13
dengan kata lain, keadaan energi yang tidak terisi terbentuk oleh pemasukan atom
pencampur grup 111.
=ambar &.&& Satu atom pencampur dalam kristal Si
Keadaan energi tambahan terletak tepat diatas pitaa valensi semikonduktor >gambar
&.&)? dan dinamakan tingkat akseptor
=ambar &.&) Getak tingkat akseptor dalam diagram pita energi
Kalau elektron dalam pita valensi menerima cukup energi dan melompat
kedalam keadaan energi tidak terisi, atom pencampur menjadi ion bermuatan negatif.
Energi yang dibutukan untuk melakukan perpindahan tersebut sangat kecil dan
dengan mudah diberikan oleh agitasi >rangsangan? panas dalam kristal.
Kalau elektron dari pita valensi datang ke keadan energi baru untuk mengisi ikatan
yang lepas maka elektron tersebut meninggalkan hole >lobang? dalam pita valensi. 1on
yang bermuatan negatif yang tidak bergerak tidak menyumbangkan arus.tom'atom pencampur yang mengakibatkan pembangkitan hole didalam kristal
semikonduktor dinamakan akseptor karena atom tersebut menerima elektron dan
menjadi ion bermuatan negatif. Semikonduktor yang berisi pencampur jenis akseptor
sinamakan semikonduktor jenis p, karena pembawa'pembawa arusnya merupakan
muatan positif >hole?. 8ole yang terbentuk dengan cara ini dinamakan hole lebih.
0alam semikonduktor grup 111'A seperti 1nSb, unsur grup 11 seperti Fn,
menggantikan unsur grup 111 1n, berperan sebagai kseptor. 0alam semikonduktor
7/23/2019 Diode Semikonduktor
http://slidepdf.com/reader/full/diode-semikonduktor 11/13
jenis p, hole merupakan pembawa mayoritas >mayority carrier? dan elektron
merupakan pembawa minoritas >minority carrier?
0alam semikonduktor jenis p untuk masing'masing atompencampur juga ada satu
hole bebas dalam pita valensi tetapi tidak membangkitkan elektron bebas bebas
bersangkutan dalam pita hantaran.
&.$.).$ 6engaruh temperatur pada semikonduktor tercampur
0engan memisalkan ionisasi sempurna dari semua atomdonor, apabila
temperatur sek/mikonduktor jenis n naik, maka pembangkitan pasanga elektron'hole
akan membesar. Karena itu dengan kenaikan temperatur akan menimbulkan keadaan
dimana konsentrasi elektron yang terbangkitkan panas dalam pita hantaran akan jauh
lebih besar dari konsentrasi elektron donor. 0alam kondisi ini konsentrasi hole
>lobang? dan elektron akan menjadi sama, dan semikonduktor berlaku sebagai
semikonduktor intrinsik.
rgumen yang sma dapat diterapkan untuk bahan jenis p. :adi dapat
disimpulkan bahwa kalau temperatur naik, semikonduktor trcampur akan bersifat
mendekati semikonduktor interinsik.
&.! +ekanisme penghantaran arus dalam semikonduktor
Kalau medan listrik luar diberikan ke semikonduktor, tiap'tiap pembaw
>elektron dan hole? bergerak secara acak sambil menyerap energi panas.
6erubahan arah gerakan yang amat sering dari pembawa terjadi akibat penyebaran
oleh getaran dari atom jaringan dan oleh medan coulomb dari atom donor dan
akseptor yang terionisasi. 6enerapan medan luar pda gerakan acak dari pembawa
menyebabkan terjadinya kecepatan simpangan >drift? dalam keadaan mantap
>stasioner?.
Kecepatan simpangan >drift? dengan demikian dapat diperoleh dengan menaikan
aliran arus.
&.!.& aliran arus dalam semikonduktor jenis n yang dicatu
Semikonduktor jenis n mepunyai
a. elektron sebagai pembawa mayoritas
b. >hampir? sama jumlah ion'ion positif tidak bergerak dan
c. 8ole'hole sebagai pembawa minoritas
7/23/2019 Diode Semikonduktor
http://slidepdf.com/reader/full/diode-semikonduktor 12/13
0imisalkan keikutsertaan hole pada arus diabaikan. nggap suatu semikonduktor
jenis n ditempatkan diantara sepasang elektroda yang diberi tegangan >gambar &.&$?
=ambar &.&$ Semikonduktor jenis n yang dicatu
kibat medan yang diberikan oleh tegangan maka akan terjadi penyimpangan
elektron bebas ke elektroda positif. Elektron yang sampai ke terminal positif
menghilang dalam logam elektroda dan ion positif tidak bergerak dalam batas'batas
elektroda negatif tetap, tidak dinetralkan akibat simpangan'simpangan elektron bebas.
1onion ini mendadak menarik elektron dari elektroda negatif sehingga terjadi aliran
elektron yang kontinyu dari terminal sumber tegangan ke terminal lainnya lewat
semikonduktor. Gaju aliran elektron dari elektroda negatif ke semikonduktor dan dari
semikonduktor ke elektroda positif ditentukan oleh tegangan dan penghantar
semikonduktor yang merupakan aliran arus.
&.!.) liran arus dalam semikonduktor jenis p yang dicatu
Semikonduktor jenis p mepunyai
a. 8ole sebagai pembawa mayoritas
b. jumlah ion negatif yang >hampir? sama dan
c. Elektron'elektron sebagai pembawa minoritas
Kalau semikonduktor jenis p ditempatkan diantara sepasang elektroda yang diberi
tegangan >gambar &.&!? maka akan ada simpangan tetap dari hole'hole menuju ke
elektroda negatif.
7/23/2019 Diode Semikonduktor
http://slidepdf.com/reader/full/diode-semikonduktor 13/13
=ambar &.&! Semikonduktor jenis p yang dicatu
6ada saat hole'hole mencapai elektroda negatif, hole'hole tersebut bergabungdengan elektron'elektron yang keluar dari logam elektroda negatif dan hilang. 6ada
saat yang sama, jumlah hole yang dibangkitkan dekat elektroda positif. 8al ini karena
pada saat hole'hole menyimpang menjauhi elektroda positif, hole'hole tersebut
meninggalkan muatan negatif tidak bergerak yang dinetralkan. +uatan'muatan ini
dan elektroda positif memperbesar medan listrik yang mengakibatkan elektron'
elektron pengionisasi meninggalkan atom'atom akseptor dan datang ke elektroda
positif, dimana elektron menghilang.
0engan hilangnya elektron pada proses diatas, atom'atom akseptor berusaha
mengambil satu elektron dari ikatan terdekat. kibatnya terbentuk satu hole.
6embangkitan hole terjadi dengan laju dimana mereka menghilang pada elektroda
negatif. Gaju ini sekali lagi ditentukan oleh besarnya tegangan yang diberikan dengan
penghantaran semi konduktor.
Catatan 9ahwa arus didalam semikonduktor jenis p disebabkan oleh gerakan dari
hole, sedangkan dalam rangkaian luar digerakan oleh elektron.