KARAKTERISTIK DIODA SEMIKONDUKTOR

1.      Dioda Semikonduktor

Dioda semikonduktor dibentuk dengan cara menyambungkan semi-konduktor type p dan type n.  Pada saat terjadinya sambungan (junction) p dan n, hole-hole pada bahan p dan elektron-elektron pada bahan n disekitar sambungan cenderung untuk berkombinasi.  Hole dan elektron yang berkombinasi ini saling meniadakan, sehingga pada daerah sekitar sambungan ini kosong dari pembawa muatan dan terbentuk daerah pengosongan (depletion region).

Oleh karena itu pada sisi p tinggal ion-ion akseptor yang bermuatan negatip dan pada sisi n tinggal ion-ion donor yang bermuatan positip.  Namun proses ini tidak berlangsung terus, karena potensial dari ion-ion positip dan negatip ini akan mengahalanginya.  Tegangan atau potensial ekivalen pada daerah pengosongan ini disebut dengan tegangan penghalang (barrier potential).  Besarnya tegangan penghalang ini adalah 0.2 untuk germanium dan 0.6 untuk silikon.  Lihat Gambar 1.

2.      Bias Mundur (Reverse Bias)

Bias mundur adalah pemberian tegangan negatip baterai ke terminal anoda (A) dan tegangan positip ke terminal katoda (K) dari suatu dioda.  Dengan kata lain, tegangan anoda katoda V_A-K adalah negatip (V_A-K < 0). Gambar 10 menunjukkan dioda diberi bias mundur.

 

Karena pada ujung anoda (A) yang berupa bahan tipe p diberi tegangan negatip, maka hole-hole (pembawa mayoritas) akan tertarik ke kutup negatip baterai menjauhi persambungan.  Demikian juga karena pada ujung katoda (K) yang berupa bahan tipe n diberi tegangan positip, maka elektron-elektron (pembawa mayoritas) akan tertarik ke kutup positip baterai menjauhi persambungan.  Sehingga daerah pengosongan semakin lebar, dan arus yang disebabkan oleh pembawa mayoritas tidak ada yang mengalir.

Sedangkan pembawa minoritas yang berupa elektron (pada bahan tipe p) dan hole (pada bahan tipe n) akan berkombinasi sehingga mengalir arus jenuh mundur (reverse saturation current) atau Is.   Arus ini dikatakan jenuh karena dengan cepat mencapai harga maksimum tanpa dipengaruhi besarnya tegangan baterai.  Besarnya arus ini dipengaruhi oleh temperatur.  Makin tinggi temperatur, makin besar harga Is.  Pada suhu ruang, besarnya Is ini dalam skala mikro-amper untuk dioda germanium, dan dalam skala nano-amper untuk dioda silikon.

3.      Bias Maju (Foward Bias)

Apabila tegangan positip baterai dihubungkan ke terminal Anoda (A) dan negatipnya ke terminal katoda (K), maka dioda disebut mendapatkan bias maju (foward bias).  Dengan demikian V_A-K adalah positip atau V_A-K > 0.  Gambar 3 menunjukan dioda diberi bias maju.

Dengan pemberian polaritas tegangan seperti pada Gambar 3, yakni V_A-K positip, maka pembawa mayoritas dari bahan tipe p (hole) akan tertarik oleh kutup negatip baterai melewati persambungan dan berkombinasi dengan elektron (pembawa mayoritas bahan tipe n).  Demikian juga elektronnya akan tertarik oleh kutup positip baterai untuk melewati persambungan.  Oleh karena itu daerah pengosongan terlihat semakin menyempit pada saat dioda diberi bias maju.  Dan arus dioda yang disebabkan oleh pembawa mayoritas akan mengalir, yaitu I_D.  

Sedangkan pembawa minoritas dari bahan tipe p (elektron) dan dari bahan tipe n (hole) akan berkombinasi dan menghasilkan Is.  Arah Is dan ID adalah berlawanan.  Namun karena Is jauh lebih kecil dari pada ID, maka secara praktis besarnya arus yang mengalir pada dioda ditentukan oleh ID

4.      Kurva Karakteristik Dioda

Hubungan antara besarnya arus yang mengalir melalui dioda dengan tegangan VA-K dapat dilihat pada kurva karakteristik dioda (Gambar 4).

Gambar 4 menunjukan dua macam kurva, yakni dioda germanium (Ge) dan dioda silikon (Si).  Pada saat dioda diberi bias maju, yakni bila VA-K positip, maka arus ID akan naik dengan cepat setelah VA-K mencapai tegangan cut-in (V_g).  Tegangan cut-in (V_g) ini kira-kira sebesar 0.2 Volt untuk dioda germanium dan 0.6 Volt untuk dioda silikon.  Dengan pemberian tegangan baterai sebesar ini, maka potensial penghalang (barrier potential) pada persambungan akan teratasi, sehingga arus dioda mulai mengalir dengan cepat.

 

Bagian kiri bawah dari grafik pada Gambar 4 merupakan kurva karakteristik dioda saat mendapatkan bias mundur.  Disini juga terdapat dua kurva, yaitu untuk dioda germanium dan silikon.  Besarnya arus jenuh mundur (reverse saturation current) Is untuk dioda germanium adalah dalam orde mikro amper dalam contoh ini adalah 1 mA.  Sedangkan untuk dioda silikon Is adalah dalam orde nano amper dalam hal ini adalah 10 nA.

Apabila tegangan VA-K yang berpolaritas negatip tersebut dinaikkan terus, maka suatu saat akan mencapai tegangan patah (break-down) dimana arus Is akan naik dengan tiba-tiba.  Pada saat mencapai tegangan break-down ini, pembawa minoritas dipercepat hingga mencapai kecepatan yang cukup tinggi untuk mengeluarkan elektron valensi dari atom.  Kemudian elektron ini juga dipercepat untuk membebaskan yang lainnya sehingga arusnya semakin besar.  Pada dioda biasa pencapaian tegangan break-down ini selalu dihindari karena dioda bisa rusak.

Hubungan arus dioda (ID) dengan tegangan dioda (VD) dapat dinyatakan dalam persamaan matematis yang dikembangkan oleh W. Shockley, yaitu :

dimana:

            ID = arus dioda (amper)

            Is = arus jenuh mundur (amper)

            e  = bilangan natural, 2.71828...

            VD = beda tegangan pada dioda (volt)

            n  = konstanta, 1 untuk Ge; dan  » 2 untuk Si

            VT = tegangan ekivalen temperatur (volt)

Harga Is suatu dioda dipengaruhi oleh temperatur, tingkat doping dan geometri dioda. Dan konstanta n tergantung pada sifat konstruksi dan parameter fisik dioda.  Sedangkan harga VT ditentukan dengan persamaan:

dimana:

            k  = konstanta Boltzmann, 1.381 x 10^-23 J/K

                        (J/K artinya joule per derajat kelvin)

            T  = temperatur mutlak (kelvin)

            q  = muatan sebuah elektron, 1.602 x 10^-19 C

Pada temperatur ruang, 25 ^oC atau 273 + 25 = 298 K, dapat dihitung besarnya VT yaitu:

Harga VT adalah 26 mV ini perlu diingat untuk pembicaraan selanjutnya.

Sebagaimana telah disebutkan bahwa arus jenuh mundur, Is, dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti: doping, persambungan, dan temperatur.  Namun karena dalam pemakaian suatu komponen dioda, faktor doping dan persambungan adalah tetap, maka yang perlu mendapat perhatian serius adalah pengaruh temperatur

Sumber :

DASAR SEMIKONDUKTOR

TIM FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS NEGERI YOGYAKARTA