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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 0o 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 Oo 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.
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).
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.