Dioda Semikonduktor

 Pendahuluan

Dioda merupakan komponen elektronika non-linier yang sederhana.  Struktur dasar dioda berupa bahan semikonduktor type P yang disambung dengan bahan type N.  Pada ujung bahan type P dijadikan terminal Anoda (A) dan ujung lainnya katoda (K), sehingga dua ter-
minal inilah yang menyiratkan nama dioda.  Operasi dioda ditentukan oleh polaritas relatif kaki Anoda terhadap kaki Katoda.

Pada bab ini akan dibahas prinsip kerja dan karakteristik dioda.  Karakteristik dioda terdiri atas kurva maju dan kurva mundur.  Pada bias maju arus mengalir dengan besar se-
dangkan pada bias mundur yang mengalir hanya arus bocor kecil.

Teori Semikonduktor

Operasi semua komponen benda padat seperti dioda, LED, Transistor Bipolar dan FET serta Op-Amp atau rangkaian terpadu lainnya (solid state) didasarkan atas sifat-sifat semikon-
duktor.  Secara umum semikonduktor adalah bahan yang sifat-sifat kelistrikannya terletak an-
tara sifat-sifat konduktor dan isolator.  Sifat-sifat kelistrikan konduktor maupun isolator tidak mudah berubah oleh pengaruh temperatur, cahaya atau medan magnit, tetapi pada semikon-
duktor sifat-sifat tersebut sangat sensitif.

Elemen terkecil dari suatu bahan yang masih memiliki sifat-sifat kimia dan fisika yang sama adalah atom.  Suatu atom terdiri atas tiga partikel dasar, yaitu: neutron, proton, dan elek-
tron.  Dalam struktur atom, proton dan neutron membentuk inti atom yang bermuatan positip dan sedangkan elektron-elektron yang bermuatan negatip mengelilingi inti.  Elektron-elektron ini tersusun berlapis-lapis.  Struktur atom dengan model Bohr dari bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan, silikon dan germanium, terlihat pada gambar 1.1.

Gambar 1.1  Struktur Atom (a) silikon; (b) germanium

 Seperti ditunjukkan pada gambar 1.1 atom silikon mempunyai elektron yang mengorbit (yang mengelilingi inti) sebanyak 14 dan atom germanium mempunyai 32 elektron.   Pada 

    atom yang seimbang (netral) jumlah elektron dalam orbit sama dengan jumlah proton dalam inti.  Muatan listrik sebuah elektron adalah: - 1.602^-19 C dan muatan sebuah proton adalah: +1.602^-19 C.

Elektron yang menempati lapisan terluar disebut sebagai elektron valensi.  Atom silikon dan germanium masing-masing mempunyai empat elektron valensi.  Oleh karena itu baik atom silikon maupun atom germanium disebut juga dengan atom tetra-valent (bervalensi empat).  Empat elektron valensi tersebut terikat dalam struktur kisi-kisi, sehingga setiap elektron valensi akan membentuk ikatan kovalen dengan elektron valensi dari atom-atom yang bersebelahan. Struktur kisi-kisi kristal silikon murni dapat digambarkan secara dua dimensi guna memudahkan pembahasan.  Lihat gambar 1.2.

Meskipun terikat dengan kuat dalam struktur kristal, namun bisa saja elektron valensi tersebut keluar dari ikatan kovalen menuju daerah konduksi apabila diberikan energi panas. Bila energi panas tersebut cukup kuat untuk memisahkan elektron dari ikatan kovalen maka elektron tersebut menjadi bebas atau disebut dengan elektron bebas.  Pada suhu ruang terdapat kurang lebih 1.5 x 10¹⁰ elektron bebas dalam 1 cm³ bahan silikon murni (intrinsik) dan 2.5 x 10¹³ elektron bebas pada germanium.   Semakin besar energi panas yang diberikan semakin
banyak jumlah elektron bebas yang keluar dari ikatan kovalen, dengan kata lain konduktivitas bahan meningkat.

Setiap elektron yang menempati suatu orbit tertentu dalam struktur atom tunggal (atau terisolasi) akan mempunyai level energi tertentu.  Semakin jauh posisi orbit suatu elektron, maka semakin besar level energinya.  Oleh karena itu elektron yang menduduki posisi orbit terluar dalam suatu struktur atom atau yang disebut dengan elektron valensi, akan mempunyai level energi terbesar.  Sebaliknya elektron yang paling dekat dengan inti mempunyai level energi terkecil. Level energidari atom tunggal dapat dilihat pada gambar 1.3.

Di antara level energi individual yang dimiliki elektron pada orbit tertentu terdapat celah energi yang mana tidak dimungkinkan adanyaelektron mengorbit.  Oleh karena itu celah ini disebut juga dengan daerah terlarang.  Suatu elektron tidak dapat mengorbit pada daerah terlarang, tetapi bisa melewatinya dengan cepat.  Misalnya bila suatu elektron pada orbit tertentu mendapatkan energi tambahan dari luar (seperti energi panas), sehingga level energi elektron tersebut bertambah besar, maka elektron akan meloncat ke orbit berikutnya yang lebih luar yakni dengan cepat melewati daerah terlarang.  Hal ini berlaku juga sebaliknya, yaitu apabila suatu elektron dipaksa kembali ke orbit yang lebih dalam, maka elektron akan menge-luarkan energi.  Dengan kata lain, elektron yang berpindah ke orbit lebih luar akan membutuhkan energi, sedangkan bila berpindah ke orbit lebih dalam akan mengeluarkan energi.

Besarnya energi dari suatu elektron dinyatakan dengan satuan elektron volt (eV).  Hal ini disebabkan karena definisi energi merupakan persamaan:

W = Q.V                    .................. (1.1)

  

Dimana : W = Energi [ Joule (J) ]

                Q = Muatan ( Coulomb )

                V = Potensial Listrik [ Volt (V) ]

Dengan potensial listrik sebesar 1 V dan muatan elektron sebesar  1.602¹⁹ C, maka energi dari sebuah elektron dapat dicari:

W = (1.602^-19 C) (1 V) = 1.602^-19 J

Hasil tersebut menunjukkan bahwa untuk memindahkan sebuah elektron melalui beda potensial sebesar 1 V diperlukan energi sebesar  1.602^-19 J.   Atau dengan kata lain:

1 eV =  1.602^-19 J

Bila atom-atom tunggal dalam suatu bahan saling berdekatan (dalam kenyatannya memang mesti demikian) sehingga membentuk suatu kisi-kisi kristal, maka atom-atom akan berinteraksi dengan mempunyai ikatan kovalen.  Karena setiap elektron valensi level energinya tidak tepat sama, maka level energi jutaan elektron valensi dari suatu bahan akan membentuk range energi atau yang disebut dengan pita energi valensi atau pita valensi.  Gambar1.4 menunjukkan diagram pita energi dari bahan isolator, semikonduktor dan konduktor.

Suatu energi bila diberikan kepada elektron valensi, maka elektron tersebut akan meloncat keluar.  Oleh karena elektron valensi terletak pada orbit terluar dari struktur atom, maka elektron tersebut akan meloncat ke daerah pita konduksi.  Pita konduksi merupakan level
energi dimana elektron terlepas dari ikatan inti atom atau menjadi elektron bebas.  Jarak energi antara pita valensi dan pita konduksi disebut dengan pita celah atau daerah terlarang.

Seberapa besar perbedaan energi, Eg, (jarak energi) antara pita valensi dan pita konduksi pada suatu bahan akan menentukan apakah bahan tersebut termasukduktor atau konduktor.  Eg adalah energi yang diperlukan oleh elektron valensi untuk berpindah dari pita valensi ke pita konduksi.  Eg dinyatakan dalam satuan eV (elektron volt).  Semakin besar Eg, semakin besar energi yang dibutuhkan elektron valensi untuk berpindah kepita konduksi.

Pada bahan-bahan isolator jarak antara pita valensi dan pita konduksi (daerah terlarang) sangat jauh.  Pada suhu ruang hanya ada sedikit sekali (atau tidak ada) elektron valensi yang sampai keluar ke pita konduksi.  Sehingga pada bahan-bahan ini tidak dimungkinkan terjadinya aliran arus listrik.  Diperlukan Eg paling tidak 5 eV untuk mengeluarkan elektron valensi ke pita konduksi.

Gambar 1.4 Diagram pita energi (a) isolator;(b) semikonduktor dan

(c) konduktor

Pada bahan semikonduktor lebar daerah terlarang relatif kecil.  Pada suhu mutlak 0^o Kelvin, tidak ada elektron valensi yang keluar ke pita konduksi, sehingga pada suhu ini bahan semikonduktor merupakan isolator yang baik.  Namun pada suhu ruang, energi panas mampu memindahkan sebagian elektron valensi ke pita konduksi (menjadi elektron bebas).  Pada bahan silikon dan germanium masing-masing Egnya adalah 1.1 eV dan 0.67 eV.

Tempat yang ditinggalkan elektron valensi ini disebut dengan hole.  Pada gambar 1.4 dilukiskan dengan lingkaran kosong.  Meskipun hole ini secara fisik adalah kosong, namun secara listrik bermuatan positip, karena ditinggalkan oleh elektron yang bermuatan negatip. Level energi suatu hole adalah terletak pada pita valensi, yaitu tempat asalnya elektron valensi.  Apabila ada elektron valensi berpindah dan menempati suatu hole dari atom sebelahnya.maka hole menjadi tersisi dan tempat dari elektron yang berpindah tersebut menjadi kosong atau hole.  Dengan demikian arah gerakan hole (seolah-olah) berlawanan dengan arah gerakan elektron.

Sedangkan pada bahan konduktor pita valensi dan pita konduksi saling tumpang tin-dih.  Elektron-elektron valensi sekaligus menempati pada pita konduksi. Oleh karena itu pada bahan konduktor meskipun pada suhu O^o K, cukup banyak elektron valensi yang berada di pita konduksi (elektron bebas).

Semikonduktor type N

Apabila bahan semikonduktor intrinsik (murni) diberi (didoping) dengan bahan bervalensi lain maka diperoleh semikonduktor ekstrinsik.  Pada bahan semikonduktor intrinsik,jumlah elektron bebas dan holenya adalah sama.  Konduktivitas semikonduktor intrinsik sangat rendah, karena terbatasnya jumlah pembawa muatan yakni hole maupun elektron bebas tersebut.

Jika bahan silikon didoping dengan bahan ketidak murnian (impuritas) bervalensi lima (penta-valens), maka diperoleh semikonduktor tipe n.  Bahan dopan yang bervalensi lima ini misalnya antimoni, arsenik, dan pospor.  Struktur kisi-kisi kristal bahan silikon type n dapat dilihat pada gambar 1.5.

Karena atom antimoni (Sb) bervalensi lima, maka empat elektron valensi mendapatkan pasangan ikatan kovalen dengan atom silikon sedangkan elektron valensi yang kelima tidak mendapatkan pasangan.  Oleh karena itu ikatan elektron kelima ini dengan inti menjadi
lemah dan mudah menjadi elektron bebas.  Karena setiap atom dopan ini menyumbang sebuah elektron, maka atom yang bervalensi lima disebut dengan atom donor. Dan elektron “bebas” sumbangan dari atom dopan inipun dapat dikontrol jumlahnya atau konsentrasinya.

Gambar 1.5 Struktur kristal semikonduktor (silikon) tipe N

Meskipun bahan silikon type n ini mengandung elektron bebas (pembawa mayoritas) cukup banyak, namun secara keseluruhan kristal ini tetap netral karena jumlah muatan positip pada inti atom masih sama dengan jumlah keseluruhan elektronnya.  Pada bahan type n disamping jumlah elektron bebasnya (pembawa mayoritas) meningkat, ternyata jumlah holenya (pembawa minoritas) menurun.  Hal ini disebabkan karena dengan bertambahnya jumlah elektron bebas, maka kecepatan hole dan elektron ber-rekombinasi (bergabungnya kembali elektron dengan hole) semakin meningkat.  Sehingga jumlah holenya menurun.

Level energi dari elektron bebas sumbangan atom donor dapat digambarkan seperti pada gambar 1.6.  Jarak antara pita konduksi dengan level energi donor sangat kecil yaitu 0.05 eV untuk silikon dan 0.01 eV untuk germanium.  Oleh karena itu pada suhu ruang saja, maka semua elektron donor sudah bisa mencapai pita konduksi dan menjadi elektron bebas.

Gambar 1.6  Diagram pita energi semikonduktor type N

Bahan semikonduktor type n dapat dilukiskan seperti pada gambar 1.7.  Karena atom-atom donor telah ditinggalkan oleh elektron valensinya (yakni menjadi elektron bebas), maka menjadi ion yang bermuatan positip.  Sehingga digambarkan dengan tanda positip.  Sedangkan elektron bebasnya menjadi pembawa mayoritas.Dan pembawa minoritasnya berupa hole.

                           Gambar 1.7  Bahan semikonduktor type N

Semikonduktor type P

Apabila bahan semikonduktor murni (intrinsik) didoping dengan bahan impuritas (ketidakmurnian) bervalensi tiga, maka akan diperoleh semikonduktor type p.Bahan dopan yang bervalensi tiga tersebut misalnya boron, galium, dan indium.  Struktur kisi-kisi kristal semikonduktor (silikon) type p adalah seperti gambar 1.8.

Karena atom dopan mempunyai tiga elektron valensi, dalam gambar 1.8 adalah atom Boron (B) , maka hanya tiga ikatan kovalen yang bisa dipenuhi.  Sedangkan tempat yang seharusnya membentuk ikatan kovalen keempat menjadi kosong (membentuk hole) dan bisa ditempati oleh elektron valensi lain.  Dengan demikian sebuah atom bervalensi tiga akan me-nyumbangkan sebuah hole.  Atom bervalensi tiga (trivalent) disebut juga atom akseptor, karena atom ini siap untuk menerima elektron.Seperti halnya pada semikonduktor type n, secara keseluruhan kristal semikonduktor type n ini adalah netral.  Karena jumlah hole dan elektronnya sama.  Pada bahan type p, hole merupakan pembawa muatan mayoritas.  Karena dengan penambahan atom dopan akan meningkatkan jumlah hole sebagai pembawa muatan.  Sedangkan pembawa minoritasnya adalah elektron.

Gambar 1.8  Struktur kristal semikonduktor (silikon) type P

Gambar 1.9  Diagram pita energi semikonduktor type P

Level energi dari hole akseptor dapat dilihat pada gambar 1.9.  Jarak antara level energi akseptor dengan pita valensi sangat kecil yaitu sekitar 0.01 eV untuk germanium dan 0.05 eV untuk silikon.  Dengan demikian hanya dibutuhkan energi yang sangat kecil bagi elektron valensi untuk menempati hole di level energi akseptor.  Oleh karena itu pada suhur ruang banyak sekali jumlah hole di pita valensi yang merupakan pembawa muatan.

Bahan semikonduktor type p dapat dilukiskan seperti pada gambar 1.10.  Karena atom-atom akseptor telah menerima elektron, maka menjadi ion yang bermuatan negatip. Sehingga digambarkan dengan tanda negatip. Pembawa mayoritas berupa hole dan pembawa minoritasnya berupa elektron.

Gambar 1.10  Bahan semikonduktor type P

Dioda Semikonduktor

Dioda semikonduktor dibentuk dengan cara menyambungkan semikonduktor 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).

Sumber Pustaka

Boylestad and Nashelsky. (1992). Electronic Devices and Circuit Theory, 5th ed. Engelwood
Cliffs, NJ: Prentice-Hall, Inc.

Floyd, T. (1991). Electric Circuits Fundamentals. New York: Merrill Publishing Co.
Malvino, A.P. (1993). Electronic Principles 5th Edition. Singapore: McGraw-Hill, Inc.

Milman & Halkias. (1972). Integrated Electronics: Analog and Digital Circuits and Systems.
Tokyo: McGraw-Hill, Inc.



Savant, Roden, and Carpenter. (1987). Electronic Circuit Design: An Engineering Approach.
Menlo Park, CA: The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc.



Stephen, F. (1990). Integrated devices: discrete and integrated. Englewood Cliffs, NJ: Pren-
tice-Hall, Inc.