BAB I

Teori Pita Energi Pada Zat Padat

• Atom Na :

Nomor atomnya 11, punya 1 elektron valensi, menempati kulit 3s (energinya

E3s)

• Saat 2 atom Na didekatkan (Na A dan Na B), elektron valensi A akan

berinteraksi dengan elektron valensi B, shg energi elektron valensi tiap atom

tidak lagi sama dengan E3s.

• Pada gambar tampak, saat jarak antara atom r1, energi elektron valensinya E3s,

tapi saat jarak antar atom r2, ada 2 kemungkinan energi elektron : E1 dan E2.

Tingkatan Energi

Pita Energi Atom Banyak Berdekatan

Energi yang tidak dapat dimiliki oleh elektron

• Jika ada 1022 atom, jumlah tingkat energinya sangat banyak.

• Jarak antara satu tingkat energi dengan tingkat energi lain sangat dekat,

sehingga membentuk semacam pita energi.

• Berapa daya tampung suatu pita energi ?

Tiap pita energi suatu atom dapat ditempati 2(2 l +1) elektron.

KULIT DAN SUBKULIT

• Bohr melukiskan elektron atom hidrogen bergerak pada lintasan stasioner.

• Untuk membedakan antara satu lintasan dan lintasan lain diperkenalkan

konsep kulit atom (K, L, M dst)

Lintasan n=1 dinamakan kulit K

Lintasan n=2 dinamakan kulit L

Lintasan n=3 dinamakan kulit M

Lintasan n=4 dinamakan kulit N

Pada tiap kulit terdapat subkulit yang memungkinan adanya elektron

berada dalam subkulit tersebut. Subkulit diberi nama s, p, d, f, g dst

Subkulit s (“sharp”) untuk elektron yang mempunyai l = 0.

Subkulit p (“principa”) untuk elektron yang mempunyai l = 1.

Subkulit d (“diffuse”) untuk elektron yang mempunyai l = 2.

Subkulit f (“fundamental”) untuk elektron yang mempunyai l = 3.

dst.

Untuk menyatakan keadaan elektron disuatu lintasan stasioner tertentu

yang mempunyai bilangan kuantum utama n dan bilangan kuantum orbital

l dipakai singkatan nl. Jika elektron berada dikeadaan stasioner 2s

artinya elektron tersebut mempunyai bilangan kuantum utama n=2 dan

bilangan kuantum orbital l=0 (subkulit s mempunyai l=0)

Tabel 1. Ringkasan notasi kulit dan subkulit

n Nama kulit l Nama subkulit

1 K 0 s

2 L 1 p

3 M 2 d

4 N 3 f

5 O 4 g

6 P 5 h

….. ….. ….. …..

Jumlah elektron dalam suatu kulit dicari dengan rumus : (2n2)

Konduktivitas Zat Padat

• Berdasarkan daya konduktivitas zat padat, ada 3 macam sifat yaitu :

1. Konduktor

2. Semikonduktor

3. Isolator

• Sifat konduktivitas zat padat, dapat dijelaskan dengan teori pita energi.

Konduktor

• Pita terakhir (pita konduksi)

terisi setengah penuh.

• Celah energi biasanya tdk ada,

justru ada beberapa pita

yang bertumpuk/over laping.

Sifat Konduksi Listrik

Konduktor

Natrium dengan konfigurasi elektron : 1s2 2s2 2p6 3s1

Kulit terluar 3s hanya ditempati

satu elektron (setengah penuh).

Akibatnya elektron bebas yang

menempati pita 3s dengan mudah

bergerak dalam kristal,

menghasilkan arus listrik.

BAB II

FENOMENA TRANSPORT PADA SEMIKONDUKTOR

2.1. Mobilitas dan Konduktivitas

• Gambar berikut ini menunjukkan ilustrasi dua dimensi dari distribusi muatan

di dalam logam. Lingkaran abu-abu menunjukkan muatan positif yang terdiri

atas inti atom dan elektron-elektron dalam. Titik hitam menunjukkan elektron

bebas (kadang-kadang disebut gas elektron).

Tanpa pengaruh medan listrik luar, elektron-elektron-bebas bergerak secara

kontinu hingga bertumbukan dengan ion, yang akan mengakibatkan perubahan

arah gerak. Jarak rata-rata antara dua tumbukan dinamakan mean free path.

• Di dalam gas elektron, arus rata-rata bernilai nol, karena elektron bergerak

pada arah yang acak.

• Jika pada metal diberikan medan listrik E, elektron akan mendapatkan

percepatan (a = qE/m) dan kecepatannya akan terus meningkat selama belum

bertumbukan dengan ion. Namun jika elektron menumbuk ion, elektron akan

kehilangan energinya, dan masuk ke dalam kondisi steady state dan

mendapatkan kecepatan tertentu yang disebut kecepatan drift, yang arahnya

berlawanan dengan arah medan listrik. Kecepatan rata-rata elektron dalam

keadaan ini :

v = μE

μ disebut mobilitas elektron, dengan satuan : meter/Volt-detik

Kecepatan drift steady state ini menjadi lebih dominan daripada gerakan

termal elektron. Gerakan elektron yang terarah ini menghasilkan arus listrik.

Perhitungan rapat arus dapat dilakukan dengan cara sbb. :

Jumlah elektron yang mengalir per satuan waktu : N/T

Besarnya arus listrik I (Ampere) : karena L/T adalah v, yaitu

kecepatan rata-rata (kecepatan drift)

Rapat arus (current density) J (A/m2) adalah :

Jika n = N /LA adalah konsentrasi elektron (jml. elektron per meter kubik),

maka diperoleh : J = nqv = ρv dengan ρ= nq , adalah rapat muatan (C/m3)

Nilai ρ dan v tidak konstan, melainkan bervariasi terhadap waktu dan tempat.

Jika perhitungan dilanjutkan, J = nqv = nqμ E = s E, yang dikenal sebagai

hukum Ohm. s = nq s adalah konduktivitas logam (ohm-meter)-1

Energi yang diperoleh elektron dari medan listrik E, diserap oleh kisi-kisi ion

yang menimbulkan fenomena disipasi energi dalam logam oleh elektron.

Kerapatan daya (Joule heat) dihitung dengan : JE = s E 2 (Watt/m 3).

2.2. Elektron dan Hole dalam Semikonduktor Intrinsik

Semikonduktor intrinsik adalah semikonduktor yang dibuat dengan metode

khusus untuk meningkatkan kemurniannya setinggi mungkin, sehingga

hasilnya bisa dianggap sebagai semikonduktor murni.

Pada suhu yang sangat rendah (mis. 0° K) struktur ideal pada gb.2.3 bisa

tercapai dan kristal berperilaku seperti insulator, karena tidak ada pembawa

muatan (carrier) yang bergerak bebas.

Pada suhu kamar (25° C), dengan energi sebesar 0,72 eV untuk germanium

dan 1,1 eV untuk silikon, elektron bisa terlepas dari ikatan kovalen (Gb. 24).

Elektron tersebut menjadi elektron bebas dan meninggalkan bekas yang

disebut hole.

Dalam keadaan seperti ini, kristal memiliki kemampuan untuk melakukan

konduksi. Dalam kondisi ini, jumlah electron bebas = jumlah hole.

2.3. Donor dan Akseptor

Jika germanium atau silikon intrinsik diberi tambahan sejumlah kecil atom

trivalen atau pentavalen, maka akan terbentuk semikonduktor ekstrinsik (terdoping,

tidak murni).

2.3.a. Donor

Zat pendoping dengan lima elektron valensi (pentavalen), seperti antimon,

fosfor, dan arsen disebut donor atau pendoping tipe-n. Atomatom pendoping

ini akan menggantikan posisi sejumlah atom asli germanium atau silikon.

Elektron ke lima dari donor tidak terikat kemanapun dan dapat mengantarkan

arus atau melakukan rekombinasi dengan hole semikonduktor intrinsik.

Energi yang diperlukan untuk membebaskan elektron ke lima ini dari atom

hanya sebesar 0,01 eV untuk Ge dan 0,05 untuk Si.

Penambahan donor akan menambah satu tingkat energi baru di bawah pita

konduksi, dengan jarak 0,01 eV untuk germanium dan 0,05 eV untuk silikon.

2.3.b. Akseptor

Jika semikonduktor intrinsik di-doping dengan sejumlah kecil atom trivalen,

maka setiap atom doping akan mengkontribusikan tiga elektron dan

menyisakan satu hole pada ikatan kovalen.

Zat pen-doping seperti ini disebut akseptor atau ketidakmurnian tipe-p.

Jumlah ketidakmurnian yang harus diberikan, untuk menimbulkan efek

konduktivitas, relatif sangat kecil. Contoh : ketidakmurnian sebanyak 1

untuk 108 germanium pada suhu 30° akan meningkatkan konduktivitas

sebesar 12 kali lipat.

Penambahan akseptor (ketidakmurnian tipe-p) pada semikonduktor intrinsik

akan menimbulkan tambahan tingkat energi sedikit di atas pita valensi,

seperti pada gambar 2.9 di atas.

BAB III

Karakteristik Diode Persambungan

Di dalam bahan semikonduktor tipe-n, elektron merupakan majority carrier

dan hole merupakan minority carrier.

Di dalam bahan semikonduktor tipe-p, hole merupakan majority carrier dan

elektron merupakan minority carrier.

Dioda semikonduktor dibuat dengan menyambung dua jenis semikonduktor

(dari bahan yang sama, Ge atau Si)

Segera setelah kedua jenis bahan semikonduktor di atas disambung, pada

bagian sambungan akan terbentuk daerah "nir carrier".

Analisis :

tanpa bias (no bias, VD= 0 V)

bias maju (forward bias, VD > 0 V)

bias mundur (reverse bias, VD<0V)

Tanpa Bias, V D= 0 V

Keterangan :

+, adalah atom pentavalen yang kehilangan satu elektron sehingga berubah

menjadi ion +

-, adalah atom trivalen yang kehilangan satu hole sehingga berubah menjadi

ion

Sesaat sesudah terbentuk sambungan-pn (pn junction), majority carrier dari

bahan tipe-n (elektron bebas) akan menyeberang ke bahan tipe-p.

Elektron bebas ini ditangkap oleh atom trivalen (kontributor hole pada ikatan

kovalen) dan elektron ini digunakan untuk menutupi hole pada ikatan kovalen.

Akibatnya sejumlah atom trivalen di sekitar pn junction di bahan tipe-p berubah

menjadi ion negatif.

Kondisi sebaliknya terjadi pada bahan tipe-p.

Pasangan ion negatif dan ion positif yang terbentuk di sekitar junction

disebut dipole.

Peningkatan jumlah dipole di sekitar junction menimbulkan satu area yang

terbebas dari carrier apapun. Area ini dinamakan depletion region. -

Pasangan-pasangan dipole yang terbentuk di sekitar junction menimbulkan

potential barrier yang semakin membesar. Pembentukan dipole akan terhenti

ketika carrier tidak dapat lagi menembus potential barrier yang terbentuk.

Pada suhu kamar (300° K), potential barrier untuk germanium adalah 0,3 V,

sementara untuk silikon 0,7 V.

Forward bias, VD > 0 V

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.

Bias Mundur ( Reverse Bias , V D < 0)

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.

Grafik Arus Dioda

BAB IV

Rangkaian Diode

SIMBOL DAN STRUKTUR DIODE

Menurut bahan semikonduktor ada 2 jenis dioda

1. Dioda Silikon

2. Dioda Germanium

Dioda dengan bias Maju

Dioda dengan bias Negatif

Simbol Diode Zener

Karakteristik unik zener bekerja pada bias negatif

Jenis Dioda dan penggunaannya

Dioda Silikon untuk penyearah arus, pengaman tegangan kejut IN4001,IN4007,IN5404

Dioda Zener untuk mengatur tegangan zener 6,2 volt , zener 3,2 volt

Dioda Bridge untuk penyearah gelombang penuh pada rangkaian catu daya. B40C800, Kiprox pada kendaraan bermotor

LED (Light Emitting Dioda) sebagai lampu indikator. konsumsi arus rendah 5mA,long life time (1,5 – 3 V)

Rangkaian diode

Garis beban.

Dari gambar, dengan menggunakan hukum tegangan Kirchoff (Kirchoff's Voltage Law / KVL), diperoleh :

v =vi - iRL

dengan RL adalah tahanan beban.

Karena ada dua variabel yang belum diketahui nilainya, yaitu v dan i, diperlukan satu petunjuk lagi, yaitu karakteristik dioda.

Garis Beban melewati titik i = 0.

Titik potong v adalah v =vi

Dan v = 0. Titik potong adalah i =vi /RL

Gambar Kurva Karakteristik Dinamis

Hubungan arus terhadap tegangan masukan vi bervariasi disebut karakteristik

dinamis. Lereng garis beban adalah tetap karena resistans beban RL tetap

Gambar Karakteristik Transfer

Kurva yang menunjukkan hubungan antara tegangan keluaran vo dengan

tegangan masukan v i untuk rangkaian apapun, dinamakan karakteristik transfer atau

karakteristik transmisi.

Karena untuk rangkaian dioda di atas vo= iRL, maka kurva transfer-nya sama

dengan karakteristik dinamis.

Penyearah Sinyal Tegangan

Sebagai penyearah tegangan, dioda digunakan untuk mengubah tegangan

bolak-balik (AC) menjadi tegangan searah (DC).

Penyearah tegangan ini ada 2 macam, yaitu :

1. Penyearah setengah gelombang (half-wave rectifier)

2. Penyearah gelombang penuh (full-wave rectifier)

Penyearah setengah gelombang (half-wave rectifier)

Gambar, Penyearah setengah gelombang dan bentuk tegangannya

Saat digunakan sebagai penyearah setengah gelombang, dioda menyearahkan

tegangan AC yang berbentuk gelombang sinus menjadi tegangan DC hanya

selama siklus positif tegangan AC saja. positif.

Sedangkan pada saat siklus negatifnya, dioda mengalami panjaran

balik ( reverse bias) sehingga tegangan beban (output) menjadi nol.

Untuk diode Ideal, pada saat 0 < ω t < 2π

Untuk 0 < ω t < π

= 0 Untuk π < ω t < 2π

Sedangkan Idc

dωt

Filter Kapasitif

Untuk memperbaiki kualitas penyearahan perlu di tambahkan rangkaian filter

kapasitif seperti di tinjukkan pada gambar berikut ini :

Gambar, Filter Kapasitif untuk penyearah setengah gelombang

Penyearah gelombang Penuh

Gambar, Penyearah gelombang penuh dan bentuk tegangannya

Penyearah gelombang penuh model jembatan memerlukan empat buah diode.

Dua diode akan berkondusi saat isyarat positif dan dua diode akan berkonduksi

saat isyarat negatif.

Untuk model penyearah jembatan ini kita tidak memerlukan transformator yang

memiliki center-tap.

Untuk Diode ideal :

Untuk 0 < ω t < π

Untuk π < ω t < 2π

Sedangkan Idc

dωt + dωt

Filter Kapasitif

Gambar, Filter Kapasitif untuk penyearah gelombang penuh

Perbandingan

Keterangan Rangkaian ½ gel Rangkaian gel penuh Rangkaian Jembatan

Jumlah dioda 1 2 4

Puncak tegangan keluaran (Vo puncak)

V2 puncak 0,5 V2 puncak V2 puncak

Tegangan keluaran dc (Vdc)

0, 318 Vo puncak 0, 636 V2 puncak

0, 318 Vo puncak

0, 636 Vo puncak

Arus dioda dc I dc (beban) 0,5 I dc (beban) 0,5 I dc (beban)

Frekuensi riak f in 2 f in 2 f in

Tegangan keluaran dc (Vdc)

0,45 V2 rms

0,318 Vop

0,318 V2p

0,45 V2 rms

0,318 V2p

0,318 V2 rms/0,717

0,9 V2 rms

Daftar Pustaka

http://shartini.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/

2613/3.+Dioda+Semikonduktor.ppt

http://pdfebook.in/pdf.php?q=dioda%2C

http://staff.ui.ac.id/internal/131645339/material/06_RangkaianDioda.pdf

http://ocw.gunadarma.ac.id/course/computer-science-and-information/ computer-system-s1/elektronika-1/rangkaian-dioda

http://openstorage.gunadarma.ac.id/handouts/S1_ELEKTRO/Elektronika %20Daya/Minggu03.doc

http://www.toodoc.com/karakteristik-dioda-p-n-ebook.html

http://aqwamrosadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/14809/ Pertemuan0.ppt

http://www.ebook-search-engine.com/karakteristik-dioda-persambungan- ebook-all.html

http://www.tofi.or.id/download_file/ZAT_PADAT_3.ppt

http://irianto.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/4630/bab2.pdf

http://www.google.co.id/url? sa=t&source=web&ct=res&cd=1&ved=0CAgQFjAA&url=http%3A%2F%2Ftk.unikom.ac.id%2Ftk-files%2Fdownload%2Fmodul%2520praktikum%2520eldas%2Fmodul%2520IV.pdf&ei=yMPES_XiNI-8rAfzneCzDw&usg=AFQjCNE6cobFexYE0Adqt1UBmTwJiFL_9A&sig2=ii0RnaPq1ii0PJJQ6WRvGg

http://sunny.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/2537/BAGIAN+3.pdf