Upload
namaku-krisnha-poetra
View
120
Download
11
Embed Size (px)
DESCRIPTION
ELEKTRONIKA DASAR TUGAS2
Citation preview
I. Fisika Semikonduktor :
1. Tuliskanlah cerita secara runtun, jelas, dan detail (jika perlu, lengkapilah dengan gambar
atau grafik penunjang) tentang konsep atom yang dikemukakan oleh :
a. John Dalton
b. Joseph Thomas Ernest Rutherford
c. Neils Henrick David Bohr
d. Prinsip
Larangan Pauli
2. Dengan menggunakan gambar lintasan orbit elektron dan gambar tingkat pita energi,
tuliskanlah cerita secara runtun, jelas, dan detail tentang perilaku :
a. Konduktor
b. Semikonduktor Intrinsik
c. Semikonduktor Ekstrinsik :
- Bervalensi 3
- Bervalensi 5
d. Isolator untuk dalam keadaan :
- Temperatur nol mutlak
- Temperatur di atas nol mutlak
3. Jelaskanlah (lengkapilah dengan gambar atau grafik penunjang), apa yang Anda ketahui
tentang :
a. Ion
b. Atom
c. Inti Atom
d. Elektron
e. Proton
f. Positron
g. Neutron
h. Molekul
i. Senyawa
j. Ikatan ion
k. Ikatan kovalen
l. Kristal semikonduktor
m. Pita valensi
n. Pita konduksi
o. Celah terlarang
(forbidden gaps)
p. Electron bebas
q. Lubang (hole)
r. Rekombinasi
s. Umur (waktu)
rekombinasi (life time)
t. Pembawa mayoritas
u. Pembawa minoritas
v. Efek Hall
w.
4. Bagaimanakah caranya untuk meningkatkan jumlah banyaknya :
a. Elektron bebas ? b. Lubang (hole) ?
5. Jelaskanlah minimal 4 faktor yang menyebabkan silikon menjadi lebih standar industri
dibandingkan dengan germanium !
II. Dioda Penyearah :
1. Jelaskanlah apa yang dimaksudkan dengan :
a. Osmosis
b. Difusi
c. Tegangan dadal
(breakdown voltage)
2. Jelaskanlah (lengkapilah dengan gambar atau grafik penunjang) bagaimanakah proses
terjadinya :
a. Lapisan pengosongan (depletion layer) ?
b. Potensial barier ?
3. Jelaskanlah (lengkapilah dengan gambar atau grafik penunjang) tentang kristal pn
apabila :
a. Forward-biased b. Reverse-biased
4. Jelaskanlah secara detail dan lengkap tentang kurva karakteristik dioda (penyearah) !
5. Jelaskanlah secara detail dan lengkap, bagaimanakah pengaruh perubahan temperatur
di sekitar dioda terhadap mutu operasi dioda ?
III. Dioda-dioda Khusus :
1. Dengan menggunakan gambar lintasan orbit elektron dan gambar tingkat pita energi,
tuliskanlah cerita secara runtun, jelas, dan detail tentang bagaimanakah :
a. Proses terjadinya LED yang berwarna-warni ?
b. Prinsip kerja dioda Schottky pada penyearahan frekuensi tinggi ?
c. Waktu pemulihan balik (reverse-recovery time) pada dioda Schottky ?
d. Prinsip kerja dioda varactor pada penalaan frekuensi tinggi ?
e. Prinsip kerja dioda zener pada regulasi tegangan ?
f. Proses terjadinya avalanche effect dan zener effect (high field emission effect) ?
g. Aproksimasi dioda zener ideal dan aproksimasi dioda zener kedua ?
h. Kurva karakteristik dioda zener secara lengkap ?
Jawab :
I. Fisika Semikonduktor :
1. Berikut adalah konsep konsep atom yang ditemukan oleh beberapa penemu,
diantaranya :
a . Jhon Dalton
Konsep atom dari Jhon Dalton dikemukakan menjadi beberapa prinsip dasar
diantaranya :
Atom adalah bagian terkecil dari suatu zat.
Atom berbentuk bola sederhana yang sangat kecil, tidak dapat dibelah, diciptakan
ataupun dimusnahkan.
Unsur yang sama mengandung atom-atom yang sama.
Atom sejenis memiliki sifat yang sama dalam segala hal, sedangkan atom yang
berbeda memiliki sifat yang berbeda.
Reaksi kimia terjadi karena adanya penggabungan dan pemisahan atom-atom.
Bila atom-atom bergabung akan membentuk molekul. Bila atom-atom yang
bergabung sama akan terbentuk molekul unsur, sedangkan bila atom-atom yang
bergabung berbeda akan terbentuk molekul senyawa.
Gambar 1.1. Konsep Atom Jhon Dalton
b. Joseph Thomas Ernest Rutherford
Rutherford bersama dua orang muridnya (Hans Geigerdan Erners Masreden)
melakukan percobaan yang dikenal dengan hamburan sinar alfa (λ) terhadap lempeng
tipis emas. Sebelumya telah ditemukan adanya partikel alfa, yaitu partikel yang
bermuatan positif dan bergerak lurus, berdaya tembus besar sehingga dapat
menembus lembaran tipis kertas. Percobaan tersebut sebenarnya bertujuan untuk
menguji pendapat Thomson, yakni apakah atom itu betul-betul merupakan bola pejal
yang positif yang bila dikenai partikel alfa akan dipantulkan atau dibelokkan. Dari
pengamatan mereka, didapatkan fakta bahwa apabila partikel alfa ditembakkan pada
lempeng emas yang sangat tipis, maka sebagian besar partikel alfa diteruskan (ada
penyimpangan sudut kurang dari 1°), tetapi dari pengamatan Marsden diperoleh fakta
bahwa satu diantara 20.000 partikel alfa akan membelok sudut 90° bahkan
lebih.Berdasarkan gejala-gejala yang terjadi, diperoleh beberapa kesipulan beberapa
berikut:
1. Atom bukan merupakan bola pejal, karena hampir semua partikel alfa
diteruskan
2. Jika lempeng emas tersebut dianggap sebagai satu lapisan atom-atom
emas, maka didalam atom emas terdapat partikel yang sangat kecil yang
bermuatan positif.
3. Partikel tersebut merupakan partikel yang menyusun suatu inti atom,
berdasarkan fakta bahwa 1 dari 20.000 partikel alfa akan dibelokkan. Bila
perbandingan 1:20.000 merupakan perbandingan diameter, maka
didapatkan ukuran inti atom kira-kira 10.000 lebih kecil daripada ukuran
atom keseluruhan.
Berdasarkan fakta-fakta yang didapatkan dari percobaan tersebut, Rutherford
mengusulkan model atom yang dikenal dengan Model Atom Rutherford yang
menyatakan bahwa Atom terdiri dari inti atom yang sangat kecil dan bermuatan positif,
dikelilingi oleh elektron yang bermuatan negatif. Rutherford menduga bahwa didalam
inti atom terdapat partikel netral yang berfungsi mengikat partikel-partikel positif agar
tidak saling tolak menolak.
Gambar 1.2 Konsep Atom Joseph Thomas Ernest Rutherford
c. Neils Henrick David Bohr
Neils Henrick David Bohr mengungkapkan atom seperti miniatur planit mengitari
matahari, dengan elektron-elektron mengelilingi orbitnya sekitar bagian pokok, tetapi
dengan perbedaan yang sangat penting. elektron-elektron yang mengitari bagian
pokok berada pada tingkat energi (kulit) tertentu tanpa menyerap atau memancarkan
energi. Elektron dapat berpindah dari lapisan dalam ke lapisan luar jika menyerap
energi. Sebaliknya, elektron akan berpindah dari lapisan luar ke lapisan lebih dalam
dengan memancarkan energy.
Gambar 1.3 Konsep Atom Neils Henrick David Bohr
d. Prinsip Larangan Pauli
Prinsip larangan Pauli mengatakan dalam satu atom tidak boleh ada dua
elektron yang mempunyai keempat bilangan kuantum yang sama. Orbital yang sama
akan mempunyai bilangan kuantum n, l, m yang sama. Dengan demikian, yang dapat
membedakan hanya bilangan kuantum spin (s).
2.
a. Konduktor
Konsuktor adalah benda yang dengan mudah bisa mengantarkan listrik. Salah satu jenis
konduktor adalah tembaga yang memiliki elektron valensi 1. Konduktor makin baik
apabila jarak elektron valensinya dengan inti makin jauh. Makin jauh jarak elektron valensi dengan
inti, makin kecil daya tarik elektron dengan inti sehingga makin sedikit energi yang dibutuhkan untuk
melepaskan elektron tersebut dari elektron valensinya yang artinya makin mudah konduktor tersebut
dalam mengantarkan arus listrik.
Gambar 1.4. Gambar Pita Energi konduktor, Semikonduktor, Isolator
b. Semikonduktor intrinsic
Semikonduktor adalah bahan yang berada diantara konduktor dan isolator.
Sedangkan semikonduktor intrinsik adalah semikonduktor murni atau semikonduktor
yang belum mengalami proses pemambahan atom lain dan biasanya terdiri dari satu
unsur saja contohnya Silicon atau Germanium. Pada kiristal semikonduktor Si, 1 atom
Si memiliki 4 elektron valensi yang berikatan dengan 4 atom Si lainnya.Pada Kristal
semikonduktor intrinsik Si sel primitifnya berbentuk kubus. Ikatan yang terjadi antar
atom Si yang berdekatan adalah ikatan kovalen.Hal ini disebabkan karena adanya
pemakaian 1 buah elektron bersama oleh dua atom Si yang berdekatan.
Gambar 1.5 Gambar Ikatan Atom Semikonduktor Intrinsik Silikon
c. Semikonduktor ektrinsik
Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang tidak murni atau sudah
mengalami proses pencampuran dengan atom lain atau disebut pengotoran atau
doping. Semi konduktor ekstrinsik pada dasarnya ada 2 jenis yaitu :
- Semi konduktor ektrinsik Bervalesi 3
Semikonduktor Ekstrinsik bervalensi 3 atau yang sering disebut dengan
semikkonduktor tipe – p. Semikonduktor tipe-p dapat dibuat dengan menambahkan
sejumlah kecil atom pengotor trivalen (aluminium, boron, galium atau indium) pada
semikonduktor murni, misalnya silikon murni. Atom-atom pengotor (doping) ini
mempunyai tiga elektron valensi sehingga secara efektif hanya dapat membentuk tiga
ikatan kovalen. Saat sebuah atom trivalen menempati posisi atom silikon dalam kisi
kristal, terbentuk tiga ikatan kovalen lengkap, dan tersisa.
Gambar 1.6 Gambar Ikatan Atom Semikonduktor Ekstrinsik Tipe –P
- Semi konduktor ektrinsik Bervalesi 5
Semikonduktor ekstrinsik bervalensi 5 atau yang sering disebut dengan
semikonduktor tipe – n. Semikonduktor tipe-n dapat dibuat dengan menambahkan
sejumlah kecil atom pengotor pentavalen (antimony, phosphorus atau arsenic) pada
silikon murni. Atom-atom pengotor ini mempunyai lima elektron valensi sehingga secara
efektif memiliki muatan sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalen menempati posisi
atom silikon dalam kisi kristal, hanya empat elektron valensi yang dapat membentuk
ikatan kovalen lengkap, dan tersisa sebuah elektron yang tidak berpasangan.
Gambar 1.7 Gambar Ikatan Atom Semikonduktor Ekstrinsik Tipe -N
3.
a. Ion
Ion adalah atom atau sekumpulan atom yang bermuatan listrik. Ion yang
bermuatan positif disebut kation, dan ion yang bermuatan negatif disebut anion. Kation
dan anion dapat berupa ion tunggal hanya terdiri dari satu jenis atom atau dapat pula
berupa ion poliatom mengandung dua atau lebih atom yang berbeda.
Gambar 1.8 Gambar Ion positif (Kation) dan negatif (anion)
b. Atom
Atom adalah suatu satuan materi terkecil dalam alam semesta, yang terdiri
atas inti atom serta awan elektron bermuatan negatif yang mengelilinginya. Inti atom
terdiri atas proton yang bermuatan positif, dan neutron yang bermuatan netral (kecuali
pada inti atom Hidrogen-1, yang tidak memiliki neutron). Elektron-elektron pada sebuah
atom terikat pada inti atom oleh gaya elektromagnetik.
Gambar 1.9 Gambar Susunan Atom
c. Inti Atom
Inti atom adalah pusat dari suatu atom atau biasa disebut nukleus. Inti atom
terdiri dari proton dan neutron.Banyaknya proton dalam inti atom disebut nomor atom,
dan menentukan elemen dari suatu atom. Selengkapnya nucleus atau inti atom bisa
dilihat dari gambar 1.10 dibawah.
Gambar 1.10 Gambar Susunan Atom Besesta Inti Atom
d. Elektron
Elektron adalah bagian dari atom yang bermuatan negatif dan umumnya ditulis
sebagai e-. Elektron mengelilingi proton dan neutron yang merupakan inti atom. Elektron
tidak memiliki komponen dasar ataupun substruktur apapun yang diketahui, sehingga ia
dipercayai sebagai partikel elementer.
Gambar 1.11. Gambar Susunan Atom
e. Proton
Proton adalah partikel subatomik dengan muatan positif. Proton dan neutron
merupakan inti atom yang dikelilingi elektron. Besar sebuah proton adalah sebesar 1.6 ×
10-19 coulomb dan massa 938 MeV (1.6726231 × 10-27 kg, atau sekitar 1836 kali massa
sebuah elektron.
f. Positron
Positron adalah antipartikel atau antimateri dari elektron.Positron juga memiliki
massa yang sama dengan elektron. Ketika sebuah positron berenergi rendah
bertumbukan dengan elektron berenergi rendah, akan terjadi pemusnahan dan
menghasilkan dua foton sinar gamma.
Gambar 1.12 Gambar Grafik Energi Positron
g. Neutron
Neutron atau netron adalah partikel subatomik yang tidak memiliki muatan atau
bersifat netral. Sebuah neutron memiliki massa 940 MeV/c² (1.6749 × 10-27 kg, sedikit
lebih berat dari proton. Neutron dan proton merupakan inti atom yang dikelilingi elektron.
Untuk lebih jelasnya bisa melihat gambar 1.10.
h. Molekul
Molekul adalah sekelompok atom yang saling berikatan dengan sangat kuat
(kovalen) dalam susunan tertentu dan bermuatan netral serta cukup stabil.
Gambar 1.13 Gambar Hubungan Atom dan Molekul
i. Senyawa
Senyawa adalah zat murni yang terdiri dari dua unsur atau lebih yang bergabung
melalui reaksi kimia. Contohnya, dihidrogen monoksida (air, H2O) adalah sebuah
senyawa yang terdiri dari dua atom hidrogen untuk setiap atom oksigen.
Gambar 1.14 Gambar Susunan Senyawa
j. Ikatan ion
Ikatan ion atau biasa disebut ikatan elektrovalen adalah jenis ikatan yang
terbentuk antara ion-ion logam dengan melalui gaya tarik menarik elektrostatis. Dengan
kata lain, ikatan ion terbentuk dari gaya tarik-menarik antara dua ion yang berbeda
muatan (gaya coulomb).
Gambar 1.15 Gambar Ikatan Elektrovalen
k. Ikatan kovalen
Pengertian ikatan kovalen. Ikatan kovalen yaitu ikatan yang terbentuk ketika
elektron dibagi diantara atom-atom. Artinya masing-masing atom tidak ada yang benar-
benar memiliki elektron tersebut (seperti yang terjadi pada atom yang membentuk ikatan
ion). Ikatan kovalen tunggal terjadi ketika dua elektron dibagi (satu dari setiap atom).
Ikatan kovalen ganda terbentuk ketika empat elektron dibagikan sedangkan ikatan
kovalen tripel terjadi ketika enam elektron dibagikan.
Gambar 1.16 Gambar Ikatan Kovalen
l. Kristal semikonduktor
Kristal Semikonduktor merupakan atom yang menyusun dirinya bersama atom yang lain
secara teratur yang memiliki sifat elektris diantara konduktor dan isolator
(berelektronvalensi 4).
m. Pita valensi
Pita valensi adalah pita energy yang mungkin diisi oleh elektron dari zat padat
hingga komplit. Setiap pita memiliki 2N electron dengan N adalah jumlah atom. Bila
masih ada elektron yang tersisa akan mengisi pita konduksi.
Gambar 1.17 Gambar Pita Valensi dan Pita Konduksi
n. Pita konduksi
Pita konduksi adalah pita energi yang berada di atas pita valensi yang terisi
sebagian atau tidak sama sekali oleh elektron. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat dari
gambar 1.17 diatas.
o. Celah terlarang (forbidden gaps)
Celah terlarang (forbidden gaps ) merupakan celah yang terletak antara dua buah lintasan
elektron yang disebabkan karena elektron memiliki dua sifat, yaitu elektron sebagai partikel dan elektron
sebagai gelombang. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat dari gambar 1.17 diatas.
p. Elektron bebas
Elektron bebas adalah elektron yang terlepas dari lintasan atau orbitnya karena
pengaruh dari luar. Elektron bebas menghasilkan energi yang disebut arus listrik yang
terjadi ketika suatu bahan koduktor diberikan energi listrik. Akibat dari gesekan yang
timbul bisa meghasilkan bunga api atau percikan api. Percikan – percikan itulah yang
merupakan elektron bebas.
Gambar 1.18 Gambar Elektron bebas
q. Lubang (hole)
Lubang atau hole merupakan tempat kosong yang telah ditinggalkan oleh elektron. Akibat dari
hilangnya elektron menyebabkan atom bermuatan positif.
Gambar 1.19. Gambar Hole pada Lintasan Atom
r. Rekombinasi
Rekombinasi adalah proses penggabungan elektron dan hole. Dimana hole itu
sendiri adalah tempat kosong yang sudah ditinggalkan oleh elektron sebelumnya.
Peristiwa ini akan disertai dengan pelepasan energy berupa cahaya tampak atau bisa
juga berupa energy panas.
Gambar 1.20 Gambar Proses Rekombinasi Elektron Pada LED ( Light Emitting Dioda)
s. Umur (waktu) rekomendasi (life time)
Adalah lamanya waktu antara terciptanya elektron bebas hingga rekombinasi elektron bebas
dengan lubang atau hole.
t. Pembawa mayoritas
pembawa mayoritas merupakan elektron bebas yang terdapat pada semikonduktor tipe-n dan
merupakan hole pada semikonduktor tipe-p
u. Pembawa minoritas
Pembawa minoritas merupakan elektron bebas yang terdapat pada semikonduktor tipe-p dan
merupakan hole pada semikonduktor tipe-n.
v. Efek hall
Adalah peristiwa pembelokan elektron akibat medan magnet pada pelat konduktor. Ketika
aliran elektron (arus listrik) mengalir pada devais, efek hall yang ada dalam medan
magnet yang arahnya tegak lurus akan membelokan muatan ke salah satu sisi dan
menghasilkan medan listrik.
Gambar 1.21 Gambar Efek Hall
4. Berikut adalah cara untuk meningkatkan jumlah banyaknya :
a. Elektron bebas
Contoh jika silicon ingin ditambah elektron bebasnya, bisa dilakukan dengan cara
mencampurnya dengan atom-atom pentavalen melalui metode pemanasan hingga silicon tersebut
mencair. Contoh atom pentavalen antara lain arsen, antimon dan fosfor.
Gambar 1.22 Proses penambahan elektron bebas pada silikon
b. Lubang (hole)
Cara menambah jumlah lubang (hole) misalnya pada bahan silicon yaitu dengan cara
menambahkan atom trivalent atau atom ber elektron valensi 3. Atom trivalen ini akan menyumbangkan
3 elektron ekstra ke kristal silicon sehingga elektron valensi campuran tersebut adalah 4 (silicon) +
3(valensi pengotor) = 7 valensi + 1 hole. Makin banyak atom trivalent yang dicampurkan, maka hole
yang dihasilkan juga makin banyak. Contoh bahan atom trivalent adalah aluminium, boron dan gallium.
5. Lima penyebab silicon menjadi lebih standar industri dibandingkan dengan germanium adalah
a. Arus maju maksimum yang dibolehkan cukup besar, sampai 1000 A
b. Tegangan terbalik maksimum yang dibolehkan cukup tinggi, dapat mencapai 1000 V
c. Silikon memiliki arus bocor yang lebih rendah dibandingkan dengan germanium.
d. Silikon lebih berlimpah terdapat di alam dibandingkan dengan germanium
e. Perlawanan terbalik dari silikon sangat tinggi, dapat mencapai beberapa Mega ohm
II. Dioda Penyearah
1. Jelaskan apa yang dimaksud dengan :
a. Osmosis
Osmosis adalah perpindahan air melalui membran permeabel selektif dari bagian
yang lebih encer ke bagian yang lebih pekat. Membran semipermeabel harus dapat
ditembus oleh pelarut, tapi tidak oleh zat terlarut, yang mengakibatkan gradien tekanan
sepanjang membran. Osmosis merupakan suatu fenomena alami, tapi dapat dihambat
secara buatan dengan meningkatkan tekanan pada bagian dengan konsentrasi pekat
menjadi melebihi bagian dengan konsentrasi yang lebih encer.
Gambar 2.1. Gambar Proses Osmosis
b. Difusi
Difusi adalah peristiwa mengalirnya/berpindahnya suatu zat dalam pelarut dari
bagian berkonsentrasi tinggi ke bagian yang berkonsentrasi rendah. Perbedaan
konsentrasi yang ada pada dua larutan disebut gradien konsentrasi. Difusi akan terus
terjadi hingga seluruh partikel tersebar luas secara merata atau mencapai
keadaan kesetimbangan dimana perpindahan molekul tetap terjadi walaupun tidak ada
perbedaan konsentrasi. Contoh yang sederhana adalah pemberian gula pada cairan teh
tawar.
Gambar 2.2. Gambar Proses Difusi
c. Tegangan dadal (breakdown voltage)
Tegangan dadal atau breakdown voltage adalah kondisi dimana aliran elektron
yang terbentuk di lapisan deplesi tidak lagi mampu ditahan oleh diode. Kejadian ini
terjadi pada saat tegangan bias balik diperbesar dan menyebabkan dioda menjadi
konduk secara hebat.
2. Jelaskanlah (lengkapilah dengan gambar atau grafik penunjang) bagaimanakah proses
terjadinya :
a. Lapisan pengosongan (depletion layer)
Lapisan pengosongan (Depletion Layer) disebabkan oleh gaya saling tolak-
menolak ,elektron pada sisi n akan berdifusi atau menyebar ke segala arah. Beberapa
berdifusi melewati junction. Jika sebuah elektron bebas meninggalkan daerah n, maka
tercipta sebuah atom bermuatan positif (ion positif) dalam daerah n. Selanjutnya, bila ia
memasuki daerah p, maka elektron tersebut akan memnjadi pembawa minoritas.
Dengan demikian banyak hole di sekitarnya, pembawa minoritas ini
memepunyai waktu hidup yang singkat, segera setelah memasuki daerah p, electron
bebas akan jatuh ke dalam hole. Bila ini terjadi, hole akan menghilang dam atom yang
bersangkutan menjadi muatan negative. Setiap kali electron berdifusi melalui junction,
akan tercipta sepasang ion. Ion-ion tetap berada di dalam struktur kristal karena adanya
ikatan kovalen dan tidak dapat bergerak seperti elektron bebas dan hole. Jika jumlah ion
bertambah banyak, maka daerah di sekitar junction dikosongkan dari electron bebas
dan hole. Kita sebut daerah ini sebagai lapisan kosong (Depletion Layer ).
Gambar 2.3 Gambar Lapisan Pengosongan
b. Potensial barier
potensial barrier yaitu beda potensial pada persambungan. Beda potensial ini
menjadi cukup besar untuk menghalangi proses penyebaran difusi selanjutnya dari
elektron-elektron bebas. Pada suhu ruangan potensial barrier bekerja sekitar 0,7 Volt
untuk Silikon dan 0,3 Volt untuk Germanium.
Gambar 2.4 Gambar Grafik Potensial barier
3. Jelaskanlah (lengkapilah dengan gambar atau grafik penunjang) tentang kristal pn
apabila :
a. Forward-biased
Cara pemberian tegangan luar ke terminal diode. Jika anoda dihubungkan
dengan kutub positif batere, dan katoda dihubungkan dengan kutub negative batere,
maka keadaan diode ini disebut bias maju (forward bias). Aliran arus dari anoda menuju
katoda, dan aksinya sama dengan rangkaian tertutup. Pada kondisi bias ini akan terjadi
aliran arus dengan ketentuan beda tegangan yang diberikan ke diode dan akan selalu
positif.
Gambar 2.5 Gambar Proses terjadinya Forward-biased
a. Reverse-biased
Bila anoda diberi tegangan negatif dan katoda diberi tegangan positif, arus yang
mengalir jauh lebih kecil dari pada kondisi bias maju. Bias ini dinamakan bias mundur
(reverse bias) pada arus maju diperlakukan baterai tegangan yang diberikan dengan
tidak terlalu besar maupun tidak ada peningkatan yang cukup significant.
Gambar 2.6 Gambar Proses terjadinya Reverse-biased
4. Kurva karakteristik dioda (penyearah)
Seperti yang telah kita ketahui bahwa dioda adalah komponen aktif dari dua elektroda
(katoda dan anoda) yang sifatnya semikonduktor, jadi dengan sifatnya tersebut dioda
tidak hanya memperbolehkan arus listrik mengalir ke satu arah, tetapi juga menghambat
arus dari arah sebaliknya. Dioda dapat dibuat dari Germanium (Ge) dan Silikon atau
Silsilum (Si). Komponen aktif ini mempunyai fungsi sebagai penyearah
Gambar 2.7 Gambar Kurva Karakeristik Dioda Penyearah
Gambar diatas menunjukan dua macam kurva, yakni dioda germanium (Ge) dan
dioda silikon (Si). Pada saat dioda diberi bias maju, yakni bila VA-K positif, maka arus ID
akan naik dengan cepat setelah VA-K mencapai tegangan cut-in (Vγ). Tegangan cut-in
(Vγ) 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 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. Sedangkan untuk dioda silikon Is
adalah dalam orde nano amper . 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 tibatiba. 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.
5. Pengaruh perubahan temperatur di sekitar dioda terhadap mutu operasi dioda.
DIODA adalah sambungan bahan P-N yang berfungsi terutama sebagai penyearah.
Bahan tipe-p akan menjadi sisi anode sedangkan bahan tipe-N akan menjadi katode.
Bergantung pada polaritas tegangan yang diberikan kepadanya, diode bisa berlaku
sebagai sebuah saklar tertutup (apabila bagian anode mendapatkan tegangan positif
sedangkan katodenya mendapatkan tegangan negatif) dan berlaku sebagi saklar terbuka
(apabila bagian anode mendapatkan tegangan negatif sedangkan katode mendapatkan
tegangan positif). Karakteristik diode umumnya dinyatakan dengan grafik hubungan
antara tegangan pada diode versus arus yang melewatinya sehingga disebut karakteristik
tegangan-arus (V-I).
Gambar 2.8 Gambar Kurva Perubahan Sudu terhadap Mutu Operasi Dioda
Perbedaan suhu T1 dan T2 dapat memberikan karakteristik yang berbeda seperti
gambar diatas. Jika diberi arus konstan, kenaikan suhu menyebabkan tegangan turun
berubah dari VD1 ke VD2. Jika diode pertemuan PN diberi tegangan maju konstan, maka
suhu yang semakin tinggi menyebabkan arus diode semakin tinggi berubah dari ID1 ke
ID2. Keadaan ini menjadikan diode pertemuan PN dapat dimanfaatkan sebagai sensor
suhu.
III. Dioda-dioda Khusus :
1. Dengan menggunakan gambar lintasan orbit elektron dan gambar tingkat pita energi,
tuliskanlah cerita secara runtun, jelas, dan detail tentang bagaimanakah :
a. Proses terjadinya LED yang berwarna-warni ?
Energi cahaya ini tersusun atas sejumlah besar paket-paket energi yang disebut
foton. Dalam sebuah atom, elektron bergerak dalam orbit-orbit yang mengitari inti atom.
Elektron yang bergerak pada orbit yang berbeda akan memiliki energi yang berbeda
pula. Secara umum, elektron yang memiliki energi yang lebih tinggi akan berada pada
orbit yang lebih jauh dari inti atom.
Gambar 3.1 Gambar Struktur LED
Elektron dalam atom dapat berpindah dari satu orbit ke orbit yang lain. Jika
elektron akan berpindah ke tingkat orbit yang memiliki energi yang lebih tinggi, maka
elektron harus dipasok dengan sejumlah energi tertentu sehingga energi yang
dimilikinya sama dengan energi orbit baru yang akan ditempatinya. Sebaliknya, jika
elektron berpindah ke tingkat energi yang lebih rendah, maka elektron akan melepaskan
sebagian energinya menyesuaikan dengan energi orbit yang ditujunya. Energi ini
dilepaskan dalam bentuk foton.
Kita sudah tahu bahwa dalam sebuah diode, elektron bebas yang bergerak
melintasi persambungan diode dapat jatuh ke dalam lubang kosong yang banyak
terdapat pada daerah tipe-P. Peristiwa jatuhnya elektron ke dalam lubang ini setara
dengan elektron yang berpindah dari pita konduksi ke orbit yang lebih rendah sehingga
dalam proses ini elektron akan melepaskan energi dalam bentuk foton. Peristiwa seperti
ini terjadi pada semua jenis diode. Namun demikian, energi dalam bentuk cahaya
tampak hanya akan terlihat pada jenis diode LED.
Hal ini disebabkan karena pada LED sengaja digunakan bahan semikonduktor
yang memiliki jarak antara pita konduksi ke tingkat orbit elektron di bawahnya cukup
besar sehingga menyebabkan frekuensi foton yang dipancarkan bersesuaian dengan
frekuensi gelombang cahaya tampak. Hal ini menunjukkan bahwa jarak antara pita
konduksi ke tingkat orbit elektron di bawahnya merupakan faktor yang menentukan
warna cahaya yang dipancarkan oleh LED.
Dengan mengatur-atur celah pita kita dapat menentukan jenis warna yang dapat
dipancarkan oleh LED. Namun demikian, harus diperhatikan bahwa celah pita ini
berkaitan dengan jenis bahan semikonduktor yang digunakan dalam LED. Artinya, LED
yang memancarkan warna cahaya tertentu akan memiliki komposisi bahan
semikonduktor yang berbeda dengan LED yang memancarkan warna cahaya yang
berbeda.
b. Prinsip kerja dioda Schottky pada penyearahan frekuensi tinggi ?
Dioda Schottky adalah tipe khusus dari dioda dengan tegangan yang rendah.
Ketika arus mengalir melalui dioda akan ditahan oleh hambatan internal, yang
menyebabkan tegangannya menjadi kecil di terminal dioda. Dioda schottky
menggunakan logam emas perak atau platina pada salah satu sisi junction dan silicon
yang di dop pada sisi yang lain. Dioda semacam ini adalah piranti unipolar karena
elektron bebas merupakan pembawa mayoritas pada kedua sisi junction. Dioda schottky
ini tidak mempunyai lapisan pengosongan atau penyimpanan muatan, sehingga
mengakibatkan ia dapat di switch nyala dan mati lebih cepat dari pada dioda bipolar.
Sehingga dioda ini mampu untuk menyearahkan frekuensi.
c. Waktu pemulihan balik (reverse-recovery time) pada dioda Schottky ?
waktu pemulihan balik adalah waktu dimana dioda berusaha menjadi netral dan
besar arus yg melewati berukuran normal. Pada saat diode yang awalnya ada di
kondisi forward tiba-tiba berubah ke kondisi reverse dalam kondisi ini muncul sedikit
arus balik.
d. Prinsip kerja dioda varactor pada penalaan frekuensi tinggi ?
Seperti kebanyakan komponen dengan kawat penghubung, diode mempunyai
kapasitansi bocor yang mempengaruhi kerja pada frekuensi tinggi, kapasitansi luar ini
biasanya lebih kecil dari 1 pF. Yang lebih penting dari kapasitansi luar ini adalah
kapasitansi dalam junction dioda. Kapasitansi dalam ini kita sebut juga kapasitansi
peralihan CT. Kata peralihan disini menyatakan peralihan dari bahan type-p ke typr-n.
Kapasitansi peralihan dikenal juga sebagai kapasitansi lapisan pengosongan ,
kapasitansi barier dan kapasitansi junction.
Lapisan pengosongan melebar hingga perbedaan potensial sama dengan
tegangan riverse yang diberikan. Makin besar tegangan river semakin lebar lapisan
pengosongan. Karena lapisan pengosongan hampir tak ada pembawa muatan ia
berlaku seperti isolator atau dielektrik. Dengan demikian kita dapat membayangkan
daerah p dan n dipisahkan oleh lapisan pengosongan seperti kapasitor keeping sejajar
dan kapasitor sejajar ini sama dengan kapasitansi peralihan. Jika dinaikkan tegangan
riverse membuat lapisan pengosongan menjadi lebar, sehingga seperti memisahkan
keeping sejajar terpisah lebih jauh. Dan sebagai akibatnya kapasitansi peralihan dari
diode berkurang bila tegangan riverse bertambah.
Dioda silicon yang memanfaatkan efek kapasitansi yang berubah-ubah ini
disebut varactor. Dalam banyak aplikasi menggantikan kapasitor yang ditala secara
mekanik, dengan perkataan lain varaktor yang dipasang parallel dengan inductor
merupakan rangkaian tangki resonansi. Dengan mengubah-ubah tegangan riverse
pada varactor kita dapat mengubah frekuensi resonansi. Pengontrolan secara
elektronik pada frekuensi resonansi sangat bermanfaat dalam penalaan dari jauh.
e. Prinsip kerja dioda zener pada regulasi tegangan ?
Dioda Zener merupakan dioda yang memiliki karakteristik menyalurkan arus
listrik mengalir ke arah yang berlawanan. Jika tegangan yang diberikan melampaui
batas tegangan tembus (breakdown voltage) atau tegangan Zener. Ini berlainan dari
diode biasa yang hanya menyalurkan arus listrik ke satu arah.
Sebuah diode Zener memiliki p-n junction yang memiliki doping berat, yang
memungkinkan elektron untuk tembus (tunnel) dari pita valensi material tipe-p ke dalam
pita konduksi material tipe-n. Sebuah diode Zener yang dicatu-balik akan menunjukan
perilaku tegangan tembus yang terkontrol dan akan melewatkan arus listrik untuk
menjaga tegangan jatuh supaya tetap pada tegangan Zener.Sebagai contoh, sebuah
diode Zener 3.2 Volt akan menunjukan tegangan jatuhpada 3.2 Volt jika diberi catu-
balik. Namun, karena arusnya terbatasi, sehingga diode Zener biasanya digunakan
untuk membangkitkan tegangan referensi, untuk menstabilisasi tegangan aplikasi-
aplikasi arus kecil, untuk melewatkan arus besardiperlukan rangkaian pendukung IC
atau beberapa transistor sebagai output.
Gambar 3.2 Gambar Dioda Zener
f. Proses terjadinya avalanche effect dan zener effect (high field emission effect) ?
Proses terjadinya avalance effect adalah jika tegangan balik yang diberikan ke
diode zener mencapai nilai tegangan dadalnya, pembawa muatan minoritas didalam
lapisan deplesi akan dipercepat dan mencapai kecepatanyang cukup tinggi untuk
melepaskan electron valensi dari orbit electron terluarnya. Electron yang baru terbebas
itu kemudian mencapai kecepatan yang cukup tinggi untuk membebaskan electron –
electron valensi lainnya. Semakin lama maka semakin banyak electron yang
terbebaskan.
g. Aproksimasi dioda zener ideal dan aproksimasi dioda zener kedua ?
Proses terjadinya zener effect adalah jika diode dikotori dengan tingkat pengotor
sangat tinggi maka lapisan deplesi akan menjadi sempit. Oleh karena itu medan listrik
diantara lapisan deplesi sangat kuat. Seumpamanya jika kuat medan mencapai 300KV
per sentimeter, medan listrik ini cukup kuat untuk menaik elektron keluar dari orbit
valensinya. Terciptanya elektron bebas ini disebut sebagai emisi medan magnet.
h. Kurva karakteristik dioda zener secara lengkap ?
Gambar kurva karakteristik diode zener secara lengkap yaitu forward bias dan
reverse bias adalah
Gambar 3.3 Gambar Kurva Karakteristik Dioda Zener
Dari kurva diatas disimpulkan karakteristik diode zener untuk forward sama
dengan penyearah (rectifier) dan mulai aktif setelah tegangan 0,7 volt. Di daerah reverse
mulai aktif, bila tegangan diode negative sama dengan tegangan diode zener yaitu 5,6 v.