Apa yang dimaksud dengan Bahan semikonduktor dalam keadaan murni

Dioda adalah komponen elektronika aktif yang paling dasar. Pada dioda hubungan tegangan (V) dengan kuat arus listrik (i) tidak linier seperti pada resistor, sehingga hukum Ohm tidak berlaku pada keadaan ini.

Dioda memiliki 2 buah kaki yang berbeda yaitu kaki katoda yang bermuatan negatif dan kaki anoda yang bermuatan positif. Arus listrik hanya dapat mengalir melalui kaki anoda ke kaki katoda, sebaliknya jika arus listrik masuk ke kaki katoda, maka arus listrik akan tertahan (tidak dapat lewat). Oleh sebab itu dioda sering digunakan sebagai penyearah arus listrik karena hanya dapat dilewati oleh arus listrik dari satu arah saja.

Konstruksi Dioda.

Sebelum mempelajari konstruksi dioda, ada baiknya terlebih dahulu kita mengulas sedikit tentang bahan semikonduktor. Di alam terdapat 3 jenis bahan yaitu

Konduktor adalah bahan-bahan yang mudah menghantarkan listrik. Pada konduktor terdapat banyak elektron bebas yang dapat dengan mudah lepas dan berpindah. Bahan-bahan logam termasuk jenis bahan konduktor. Contoh bahan konduktor antara lain : perak, tembaga, emas, aluminium, tungsten, platinum , timbal, besi dan logam-logam lainnya

Isolator adalah bahan-bahan yang tidak dapat menghantarkan arus listrik. Pada bahan isolator tidak terdapat elektron bebas. Biasanya bahan-bahan non logam termasuk jenis isolator. Contoh bahan isolator antara lain : kayu (selulosa), karet, batu, kaca, kristal, plastik, dan bahan-bahan non logam lainnya.

Bahan semikonduktor adalah bahan yang memiliki ciri khas tersendiri. Pada kondisi normal, bahan ini akan bersifat isolator karena energi yang dimiliki oleh elektron bebas bahan semikonduktor tidak cukup untuk melepaskan diri dari ikatan dengan inti atom. Apabila bahan ini mendapatkan sedikit energi dari luar, maka energi ini akan diserap oleh elektron bebas dan akibatnya elektron bebas memiliki cukup energi untuk melepaskan diri dari ikatan dengan inti atom. Pada kondisi ini bahan berubah menjadi konduktor. Contoh bahan semikonduktor antara lain : karbon, silikon dan germanium.

Bahan semikonduktor sendiri terbagi menjadi 2 jenis yaitu

1. Bahan semikonduktor murni (Interinsik).

Bahan semikonduktor murni adalah bahan semikonduktor yang jumlah elektron bebas dan jumlah lubang di bagian pita konduksi (conduction band) seimbang (sama banyaknya). Contoh bahan semikonduktor murni adalah karbon murni, germanium murni dan silikon murni. Bahan semikonduktor murni benar-benar memiliki sifat semikonduktor, yaitu pada kondisi normal bahan bersifat isolator, tetapi jika bahan dipanaskan sehingga elektron beban memiliki cukup energi, maka bahan akan bersifat konduktor.

1. Bahan semikonduktor tidak murni (Eksterinsik)

Bahan semikonduktor eksterinsik dibuat dari bahan semikonduktor interinsik yang dikotori (doppoing) dengan atom-atom lain sehingga jumlah elektron bebas atau lubang di pita konduksinya tidak seimbang. Karena mendapatkan sejumlah tambahan elektron bebas, atau kekurangan elektron bebas, maka bahan semikonduktor eksterinsik ini akan bersifat konduktor. Bahan semikonduktor eksterinsik ada 2 macam yaitu :

Semikonduktor tipe P adalah semikonduktor yang dibuat dari bahan semikonduktor interinsik (murni) yang dikotori dengan atom-atom logam lain yang kekurangan elektron sehingga jumlah lubangnya (muatan +) lebih banyak dari pada jumlah elektron bebasnya. Akibatnya bahan semikonduktor ini akan bermuatan positif oleh sebab itu disebut semikonduktor tipe P. Contoh semikonduktor tipe P adalah silikon murni (Si) yang dikotori dengan atom-atom indium (In).

Untuk lebih mudah mempelajari konstruksi dioda, maka semikonduktor tipe P akan kita gambar seperti gambar berikut ini.

Gambar 1 model semikonduktor tipe P

Semikonduktor tipe N adalah semikonduktor yang dibuat dari bahan semikonduktor interinsik (murni) yang dikotori dengan atom-atom lain yang kelebihan elektron sehingga jumlah elektron bebasnya (muatan -) lebih banyak dari pada jumlah lubangnya. Akibatnya bahan semikonduktor ini akan bermuatan negatif oleh sebab itu disebut semikonduktor tipe N. Contoh semikonduktor tipe N adalah silikon murni (Si) yang dikotori dengan atom-atom arsen (As).

Untuk lebih mudah mempelajari konstruksi dioda, maka semikonduktor tipe N akan kita gambar seperti gambar berikut ini.

Gambar 2 model semikonduktor tipe N

Jika kedua jenis semikonduktor ini (semikonduktor tipe P dan semikonduktor tipe N) digabung menjadi satu maka pada batas sambungan antara semikonduktor tipe P dan tipe N akan terbentuk zona netral yang disebut buffer zone.

Gambar 3 gabungan (junction) semikonduktor tipe P dengan semikonduktor tipe N yang membentuk buffer zone di daerah sambungan (junction)

Zona penyangga (buffer zone) ini bersifat netral dan isolator. Elektron bebas dari semikonduktor tipe N tidak dapat melompati zona penyangga ini karena tidak memiliki cukup energi. Jika sisi semikonduktor tipe P dan semikonduktor tipe N dipasang sebuah batang konduktor (kaki), maka jadi lah sebuah dioda.

Gambar 4 konstruksi dioda

Kaki dioda yang kelebihan lubang (muatan positif) disebut kaki Anoda, sedangkan kaki dioda yang kelebihan elektron (muatan negatif) disebut kaki Katoda. Pada kondisi fisik sebenarnya, kaki katoda selalu ditandai dengan gelang untuk membedakan dengan kaki anoda.

Gambar 5 simbol dioda dan contoh dioda silikon (dioda daya) dan dioda zener

Jadi dioda pada dasarnya dibuat dari gabungan 2 semikonduktor tipe P dan semokonduktor tipe N.

Cara kerja Dioda

Dioda dibuat dari gabungan semikonduktor tipe P dengan semikonduktor tipe N, pada daerah sambungan kedua semikonduktor ini akan terbentuk zona penyangga yang bersifat netral dan isolator. Untuk mempelajari cara kerja dioda marilah kita  rangkai sebuah dioda dengan sumber tegangan DC seperti pada gambar berikut ini.

Gambar 6 dioda yang dirangkai dengan sebuah sumber tegangan dan lampu

Pada gambar 6 terlihat sebuah dioda dirangkai dengan sebuah lampu dan sebuah baterai sebagai sumber tegangan. Kaki Anoda dioda (+) dihubungkan dengan kutub postif (+) sumber tegangan, sedangkan kaki Katoda dioda (-) dihubungan dengan kutub negatif (-) sumber tegangan dengan melalui sebuah lampu pijar. Jika rangkaian pada gambar 6 ini digambarkan ulang dengan menggunakan gambar konstruksi dioda, maka akan tampak seperti pada gambar berikut ini.

Ketika kaki anoda dioda dihubungkan dengan kutub positif baterai, dan kaki katoda dihubungkan dengan kutub negatif baterai, maka elektron bebas dari baterai akan memberikan cukup energi ke elektron-elektron bebas yang ada di kaki katoda. akibatnya elektron-elektron bebas tersebut dapat melompati buffer zone sehingga elektron akan mengalir ke sisi anoda dioda dan menuju ke kutub positif baterai. Demikian juga dengan muatan positif akan terdesak ke katoda dan mengalir ke kutub negatif baterai. Pada saat terjadi aliran arus elektron dari kutub negatif ke kutub positif, maka akn timbul arus listrik yang mengalir berlawanan dengan aliran elektron yaitu dari kutub positif menuju ke kutub negatif. Karena ada arus listrik yang mengalir melewati bohlam lampu, maka lampu akan menyalah.

Kondisi dioda yang kaki katoda dihubungkan dengan kutub negatif dan kaki anoda dihubungkan dengan kutub postif ini disebut dioda mendapatkan bias maju. Sekarang mari kira lihat kondisi sebaliknya seperti pada gambar berikut ini.

Gambar 8 dioda mendapat bias balik

Gambar 9 menunjukan sebuah dioda yang dirangkai dengan bias balik. Kaki katoda dioda dihubungkan ke kutub positif sumber tegangan, sedangkan kaki anoda dioda dihubungkan melalui sebuah lampu ke kutub negatif sumber tegangan. Jika rangkaian ini dimodelkan dengan model seperti pada gambar 7 maka didapat.

Gambar 9 ilustrasi bias balik pada dioda

Ketika kaki anoda dioda yang kekurangan elektron (kelebihan lubang atau muatan positif) dihubungkan dengan kutub negatif sumber tegangan, maka yang terjadi adalah elektron-elektron dari sumber tegangan akan mengisi lubang-lubang pada sisi anoda. demikian juga dengan kaki katoda dioda, kaki katoda dioda yang kelebihan elektron ketika dihubungkan dengan kutub positif sumber tegangan, maka elektron-elektron dari sisi katoda akan mengalir ke sumber tegangan sehingga sisi katoda dioda akan menjadi netral. Akibatnya zona penyanggah pada dioda akan menjadi semakin lebar dan dioda berubah menjadi isolator. Kondisi ini menyebabkan arus listrik tidak dapat mengalir sehingga lampu padam. Rangkaian yang demikian disebut rangkaian bias balik dioda.

Karakteristik Dioda

Setiap komponen elektronika memiliki karakteristik (sifat) nya sendiri-sendiri, demikian juga dengan dioda. Dioda mempunyai karakter yang unik terhadap tegangan dan arus listrik yang bekerja padanya. Oleh karena dioda dapat dirangkai dengan 2 cara yaitu dengan bias maju dan bias mundur, maka kurva karakteristik dioda juga akan meliputi kondisi bias maju dan bias mundur.

Pada saat dioda dirangkai secara bias maju, tidak serta merta arus listrik akan langsung mengalir melaluinya. Dioda memiliki tegangan minimal yang harus dipenuhi agar elektron dapat melompati zona penyanggah. Besar tegangan minimal ini disebut tegangan knee. Nilai tegangan knee untuk tiap jenis dioda berbeda-beda tergantung dari material dasar dioda, tegangan knee rata-rata dioda jenis silikon adalah 0,7V. Artinya dioda belum dapat bekerja dengan  optimal ketika tegangannya masih di bawa 0,7V dan mulai bekerja optimum ketika tegangannya melebih 0,7V. Tegangan 0,7V ini juga merupakan tegangan drop (jepit) pada dioda. Kurva hubungan tegangan dan arus listrik pada saat dioda diberikan bias maju dapat dilihat pada gambar berikut ini.

Gambar 10 kurva hubungan i dan V bias maju dioda

Ketika dioda diberikan bias balik, maka dioda akan bekerja sebagai sebuah isolator arus listrik. Dioda akan menahan sehingga arus listrik tidak dapat mengalir. Secara ideal digambarkan tidak ada arus listrik yang mengalir sama sekali, tetapi jika diuji secara eksperimental, biasanya terdapat sejumlah kecil arus listrik yang bisa melewati dioda. kondisi ini disebut arus bocor. Semakin kecil arus bocor, maka semakin bagus mutu sebuah dioda. Kemampuan dioda untuk menahan arus listrik ini ada batasnya. Jika tegangan balik terus dinaikkan, maka pada besar tegangan balik tertentu dioda akan rusak. Tegangan balik maksimum yang dapat ditahan oleh dioda sebelum dioda rusak di sebut Breakdown Voltage (tegangan rusak). Kurva hubungan arus listrik dan tegangan balik pada dioda dapat dilihat pada gambar 11 berikut ini.

Gambar 11 kurva hubungan arus listrik dengan tegangan balik dioda

JIka kedua kurva tersebut digabung menjadi satu, maka didapat kurva karakteristik dioda seperti pada gambar berikut ini.

Gambar 12 kurva karakteristik dioda