Makalah elektronika analog

download Makalah elektronika analog

of 19

  • date post

    14-Jun-2015
  • Category

    Documents

  • view

    1.404
  • download

    26

Embed Size (px)

Transcript of Makalah elektronika analog

  • 1. MAKALAH ELEKTRONIKA ANALOG DIODA SEMIKONDUKTOR Disusun Oleh : Nur Aoliya (4201412014) Nur Hafiyani (4201412016) Jelia Fetmi (4201412027) Maria Ulfa (4201412028) Fiki Layyinatun N (4201412097) JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG 2013

2. DIODA SEMIKONDUKTOR 1. Persamaan Dioda Pada daerah pengosongan (repletion region) terdapat medan listrik yang menimbulkan adanya bukit potensial. Bukit potensial ini akan menghambat difusi elektron dan lubang. Agar elektron dapat berpindah dari n ke p, maka ia harus memiliki energi lebih besar dari pada bukit potensial. Jika dioda sambungan p-n diberi tegangan maju, bukit potensial Vh menjadi berkurang , sehingga elektron bagian n dan lubang bagian p mudah menyeberang dan terjadi aliran listrik. Pada tegangan maju bukit potensial sambungan p-n berkurang dapat ditulis sebagai : Vh = Vho V (1) Dimana Vho adalah tinggi bukit potensial tanpa panjar, dan V adalah beda tegangan pada dioda. Sesuai dengan statistik Boltzman, banyaknya elektron pada bagian P yang mempunyai energi di atas Vh sebanding dengan e qVh/KT , atau secara matematik dapat ditulis : np = nn e qVh/KT (2) Dengan nn adalah rapat elektron dri bagian n, q adalah muatan elektron ( 1,6 x 10-19 coloumb), k adalah tetapan Boltzmann ( 1,38 x 10-23 joule/kelvin) dan T adalah suhu dalalm kelvin. Begitu juga halnya dengan lubang. Jika rapat lubang pada bagian p adalah pp maka rapat lubang pn yang dapat berdifusi ke bagian n adalah : pn = pp e qVh/KT (3) Arus yang disebabkan difusi pembawa muatan np dan pn disebut arus injeksi. Besar arus injeksi ialah : II = K (np + pn ) = K (nn e qVh/KT + pp e qVh/KT ) = K (nn + pp ) e qVh/KT = K (Nd + Na ) e qVh/KT (4) Nd adalah rapat atom donor, dan Na adalah rapat atom akseptor. Karena Nd dan Na merupakan tetapan , arus injeksi dapat ditulis sebagai : II = K' e qVh/KT (5) Dengan mensubtitusikan persamaan (2.1) ke persamaan (2.5) didapatkan : II = K' e q(Vho V)/KT (6) 3. Tetapan K' dapat dinyatakan dengan arus penjenuhan Is , yaitu arus yang mengalir jika dioda diberi tegangan mundur. Tanpa tegangan , arus dioda adalah nol, karena pada keadaan itu arus injeksi sama dengan arus penjenuhan , tetapi berlawanan arah , maka : II(V=0) = -Is = K' e qVho/KT atau K' = - Is e qVho/KT (7) Sehingga apabila persamaan (7) disubstitusikan ke dalam persamaan (6), didapatkan : II = - Is e qVho/KT e q(Vho V)/KT Atau II = - Is e qV/KT (8) Arus total yang mengalir dalam keadaan tegangan maju adalah : I = II + Is = - Is (e qV/KT 1 ) (9) Persamaan (2.9) disebut persamaan dioda , dan memberikan bentuk fungsi teoritis untuk ciri dioda dengan tegangan maju. Jika dibandingkan dengan lengkung ciri dioda yang sebenarnya ada beberapa penyimpangan . Pada tegangan maju lengkungan ciri sebenarnya lebih condong daripada lengkungan teori, sebab hambatan oleh kebocoran arus melalui perduktor dioda , yang dapat dibayangkan sebagai suatu hambatan Rs yang nilainya kira-kira 10. Penyimpangan berikutnya adalah untuk tegangan mundur lengkungan kebocoran arus melalui permukaan dioda. Hambatan ini dapat dibayangkan sebagai suatu hambatan Rsh yang dipasang paralel dengan dioda. Penyimpangan ketiga ialah adanya kedadalan pada ciri mundur. 2. Pengaruh Suhu pada Lengkung Ciri Dioda ID VD Teori Sebenarnya 4. Perubahan suhu menyebabkan terjadinya perubahan bentuk lengkuk seperti ditunjukkan gambar dibawah ini. Gambar Pengaruh suhu pada lengkung ciri dioda; T2 > T1 > T0 Dari gambar diatas, tampak pengaruh suhu terhadap lengkungan ciri dioda terdapat pada tegangan potong dan pada arus penjenuhan. Jika suhu dinaikkan, arus penjenuhan akan bertambah, dan kemiringan lengkung ciri dioda pada tegangan mundur pun akan bertambah. Kenaikan suhu akan menyebabkan naiknya eksitasi termik, sehingga rapat elektron intrinsik (ni) akan bertambah. Dengan terjadinya rekombinasi, berlaku hubungan p = pi 2 dengan p adalah rapat lubang ekstrinsik. Akibatnya, 1. Pada bagian n berlaku, 2. Pada bagian p berlaku, T2 T1 T0 0 iD VD V potong 5. Keterangan : Pn : Rapat lubang bagian n np : Rapat elektron pada bagian p nn : Rapat elektron pada bagian n pp : Rapat lubang bagian p Na : Rapat atom akseptor Nd : Rapat atom donor ni : Rapat elektron intrinsik Besarnya rapat arus penjenuhan (Js) adalah setara dengan besarnya penjumlahan antara rapat lubang bagian n dan rapat electron bagian p dengan masing-masing konstanta tertentu. Hal ini sesuai dengan persamaan berikut: Js = C (pn + np) Js = Cni 2 ( 1 + 1 ) Js = Cni 2 Dengan C dan C adalah suatu tetapan. Akan tetapi, pada suhu T besarnya rapat elektron intrinsik menjadi ni 2 = B2 T3 e-Eg/kT dengan B adalah tetapan dan Eg adalah lebar celah pita. Laju perubahan Js terhadap suhu dapat diperoleh dengan mengambil diferensial Js (T) terhadap suhu T. = (2 T3 ) = 2 ( 3 T + Eg k2 ) 3 e/ 6. Perubahan relatif Js terhadap suhu menjadi, 1 = ( 3 + 2 ) 3. GARIS BEBAN PADA DIODA (LOAD-LINE) Beban yang diberikan pada rangkaian secara normal akan mempunyai implikasi pada daerah kerja (operasi) dan piranti elektronik. Bila analisis disajikan dalam bentuk grafik, sebuah garis dapat digambarkan sebagai karakteristik dioda yang memiliki efek dari beban. Perpotongan antara karakteristik dan garis beban akan menggambarkan titik operasi dari sistem. Gambar 1 rangkaian dioda Gambar 2 karakteristik dioda Gambar 1 merupakan Rangkaian dasar dioda. Sisi p(positif) ditandai dengan A (Anoda) dan sisi n(negatif) ditandai dengan K (Katoda). Gambar 2 merupakan Karakteristik dioda yang digunakan sebagai petunjuk perhitungan tegangan dan arus pada dioda. Dari gambar 1 Menurut hukum tegangan Kirchoff (Kirchoff's Voltage Law / KVL), diperoleh : V 0 = 0 Vi =V +i i=- + ...................................................................... (1) Karena rangkaian tersebut adalah rangkaian tertutup jadi untuk semua arus (i) bernilai sama. Variable V dan i dari persamaan (1) adalah semua seperti axis variable dari karakteristik dioda pada gambar 1.2. Persamaan tersebut menyatakan persamaan garis lurus dengan kemiringan / gradien (m) = - 1 . Perpotongan garis beban dan 7. karakteristik dapat digambarkan dengan menentukan titik pada horizontal axis yang mempunyai arus dioda (i)=0A dan juga menentukan titik vertikal axis yang mempunyai V=0V. 1) Untuk menentukan horizontal axis maka i=0V sehingga diperoleh nilai magnitude V pada sumbu horizontal : Vi =V +i Vi =V+ 0 Vi =V 2) Selanjutnya, untuk menentukan vertical axis maka V=0V sehingga diperoleh nilai magnitude i pada sumbu vertical : Vi =V +i Vi =0V+ i i= ............................................................................. .....(2) Garis yang dihasilkan dari persamaan di atas disebut garis beban. Titik potong antara garis beban dan lengkung ciri dioda(karakteristik dioda) ini menyatakan arus dan tegangan yang tepat pada dioda. Gambar 3 Titik perpotongan antara garis karakteristik dengan garis beban disebut titik Q Q point ( Quiescent Point) 8. Jika Vi tetap dan diubah , kemiringan garispun akan ikut berubah. Namun, untuk tetap dan Vi diubah maka kemiringan garis beban tak berubah seperti pada gambar 4. Gambar 4 4. Penyearahan Arus Bolak Balik Hampir semua pembangkit listrik menghasilkan listrik dalam bentuk listrik arus bolak-balik (Alternating Current). Akan tetapi sebagian besar peralatan rumah tangga menggunakan energi listrik dalam bentuk listrik arus searah. Oleh karenanya kita memerlukan adapter arus atau penyearah. Proses konversi arus bolak-balik menjadi arus searah disebut penyearahan. Elemen dasar dalam penyearahan ini adalah dioda. Dioda pertama, yang dikembangkan oleh John Fleming pada tahun 1904, berupa tabung vakum yang berisi dua elemen. Katoda yang memancarkan electron dan anoda yang disebut plat, berfungsi mengumpulkan electron yang dipancarkan. Ciri penting dioda ialah bahwa dioda ini mengkonduksi arus dalam satu arah dan tidak dalam arah lain. Sebagian besar dioda yang digunakan sekarang merupakan piranti semikonduktor. Penyearah tegangan ini ada 2 macam, yaitu : a. Penyearah setengah gelombang (half-wave rectifier) 9. Saat digunakan sebagai penyearah setengah gelombang, dioda menyearahkan tegangan AC yang berbentuk gelombang sinus menjadi tegangan DC hanya selama siklus positif tegangan AC saja. Sedangkan pada saat siklus negatifnya, dioda mengalami panjaran balik (reverse bias) sehingga tegangan beban (output) menjadinol. Gambar grafik sinyal penyearah setengah gelombang Nilai Sinyal DC setengah Gelombang Pada prinsipnya, nilai DC setengah gelombang diperoleh dari : karena nilai dari = 0,318V, sehingga : Frekuensi Keluaran 10. Frekuansi keluaran sama dengan frekuensi masukan. Tiap-tiap putaran masukan menghasilkan satu putaran tegangan keluaran. Dengan demikian kita dapat menulis : b. Penyearah gelombang penuh (full-wave rectifier) Saat digunakan sebagai penyearah gelombang penuh, dioda secara bergantian menyearahkan tegangan AC pada saat siklus positif dan negatif. Penyearah gelombang penuh ada 2 macam dan penggunaannya disesuaikan dengan transformator yang dipakai. Untuk transformator biasa digunakan jembatan dioda (dioda bridge) sementara untuk transformator CT digunakan 2 dioda saja sebagai penyearahnya. Penyearah gelombang penuh dengan jembatan dioda (dioda bridge) Pada dioda bridge, hanya ada 2 dioda saja yang menghantarkan arus untuk setiap siklus tegangan AC sedangkan 2 dioda lainnya bersifat sebagai isolator pada saat siklus yang sama. Gambar siklus positif penyearah gelombang penuh dengan dioda bridge Saat siklus positif tegangan AC, arus mengalir melalui dioda B menuju beban dan kembali melalui dioda C. Pada saat yang bersamaan pula, dioda A dan D mengalami reverse bias sehingga tidak ada arus yg mengalir atau kedua dioda tersebut bersifat sebagai isolator. 11. Siklus negatif pada penyearah gelombang penuh dengan dioda bridge Sedangkan pada saat siklus negatif tegangan AC, arus mengalir melalui dioda D menuju beban