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