Jenis, Simbol, Karakteristik, dan Tahanan Dioda

A.    TEORI DASAR

Dalam bidang elektronika seringkali diperlukan suatu komponen yang mengalirkan arus jika diberi beda potensial pada satu arah (Forward Bias) dan sebaliknya tidak mengalirkan arus jika diberi beda potensial pada arah yang berlawanan (Reverse Bias). Komponen yang memiliki karakteristik tersebut adalah DIODA.

Untuk tegangan yang tidak terlalu tinggi orang banyak menggunakan dioda yang terbuat dari bahan semikonduktor (dalam hal ini germanium dan silicon). Sedangkan untuk tegangan tinggi digunakan dioda vakum. Dalam percobaan ini kita menyelidiki sifat-sifat dari penggunaan dioda dari bahan semikonduktor saja.

Dioda merupakan komponen elektronika yang terbuat dari 2 lapisan semikonduktor yang berbeda jenis dopingnya (lapisan N dan P). Simbol dari dioda seperti terlihat pada gambar 2.1.

Dioda akan mengalirkan arus bila diberi beda potensial dimana kaki anoda lebih positif dari katoda dan tidak akan mengeluarkan arus jiak sebaliknya yaitu kaki anoda lebih negatif dari katoda

.

Diatas adalah lambang skematik dari dioda. Sisi p disebut anoda dan sisi n disebut katoda. Dalam pembuatan sirkuit dioda, dioda dapat dibalik-balik sisinya sehingga dalam sirkuit dioda ada yang namanya dioda forward dan dioda reverse. Pada dioda forward sisi p terhubung kepada terminal positif dari baterai dan sisi n terhubung ke terminal negatif dari baterai. Sementara untuk dioda reverse dipasang berkebalikan dari dioda reverse yaitu sisi p terhubung ke terminal negatif dan sisi n terhubung ke sisi positif.

Dalam dioda ada yang namanya tegangan lutut yaitu tegangan dimana jika arus telah tegangan ini arus tersebut akan meningkat secara cepat. Tegangan lutut sama saja dengan tegangan penghalang karena menghalangi jalannya arus dan tegangan. Analisis dari sirkuit dioda biasanya digunakan untuk untuk menentukan apakah tegangan dioda lebih banyak atau lebih sedikit dari tegangan lutut. Jika lebih, dioda akan mudah mengkonduksi. Jika kurang, dioda akan sulit mengkonduksi. Tegangan lutut dari dioda silicon adalah:

VK = 0,7 V

Perhitungan menggunakan tegangan lutut ini disebut pendekatan kedua Karena nilai tegangan lutut dimasukkan dalam perhitungan analisis rangkaian. Dalam beberapa aplikasi mengguanakan dioda, digunakan dioda germanium Karena tegangan lutut dari dioda germanium mendekati 0,3 V sehingga ada keuntungan dan perhitungan tersendiri dalam menggunakannya.

Pada dioda, selain tegangan lutut ada yang namanya hambatan bulk, yaitu jumlah dari hambatan area p dan hambatan area n. Dirumuskan sebagai berikut:

RB = RP + RN

Hambatan bulk tergantung pada besar dari area p dan area n, dan seberapa banyak p dan didoping. Biasanya hambatan bulk kurang dari 1 W. Pada analisis rangkaian, digunakan pada pendekatan ketiga.

B.     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)

C.    TAHANAN DIODA

• Tahanan statik R dari dioda didefinisikan sebagai perbandingan V/I dari tegangan arus. Di setiap titik dari karakteristik volt-ampere dari dioda tahanan R sama dengan kebalikan dari kemiringan dari garis yang menghubungakn titik operasi dengan pangkal. Tahanan statik akan banyak berubah dengan V dan I, dan tidak merupakan parameter yang berguna. Sifat-sifat penyearah dari satu dioda diberikan dalam lembaran spesifikasi dari pabrik dengan memberikan maksimum tergangan ke depan V_F yang diperlukan untuk mencapai arus depan I_F dan juga arus balik maksimum I_R untuk suatu tegangan balik V_R Nilai-nilai khas dari dioda silikon epitaksial planar adalah V_F = 0,8 V pada I_F = 10 mA (bersesuaian dengan R_F = 80 Ω) dan I_R = 0,1 μA pada V_R = 50 V (bersesuaian dengan R_R = 500 M).

• Karakteristik dioda yang sebagian-sebagian linier. Pendekatan sinyal besar, yang sering kali cukup teliti untuk penyelesaian soal-soal keteknikan, adalah perumusan sebagian-sebagian linier untuk karakteristik dioda semikonduktor ditunjukkan dalam Gambar 3-9. Titik patahnya tidak di pangkal dan oleh karenanya Vγ disebut juga tegangan ambang atau penyimpangan.

Gambar 3-9

• Dioda akan bekerja sebagai suatu rangkaian terbuka, bila V < Vγ,
• Sebaliknya akan berkerja sebagai rangkaian tertutup dan mempunyai kenaikan tahanan r = dV/dI yang tetap, bila V > Vγ. (r juga dinyatakan dengan Rf dan disebut tahanan maju).
• Pendekatan untuk ayunan arus sampai 50 mA menghasilkan harga-harga sebagai berikut; germanium Vγ = 0,3 V, Rf = 6 Ω: silikon Vγ = 0,65 V, Rf = 5,5 Ω

D.    KAPASITANSI C_T DARI MUATAN RUANG ATAU TRANSISI

• Prategangan balik menyebabkan pembawa mayoritas bergerak memenuhi persambungan, dengan demikian menghasilkan muatan-muatan yang tidak lincah. Oleh karena itu ketebalan lapisan muatan ruang di persambungan bertambah dengan kenaikan tegangan balik. Hal ini dipandang dengan efek kapasitif. Kita dapat mendifinisikan kenaikan kapasitansi C_T dengan

Dimana dQ adalah kenaikan muatan disebabkan oleh perubahan tegangan dV. Akibat devinisi ini perubahan tegangan dV dalam waktu dt, menghasilkan arus i = dQ/dt, diberikan oleh

• Oleh karena itu pengetahuan tentang C_T penting dalam memandang sebuah dioda (atau transistor) sebagai elemen rangkaian. Besarnya C_T disebut kapasitansi daerah transisi, daerah pengososngan, muatan-ruang atau barier.

• Persambungan berubah-mendadak. Pandang suatu persambungan dengan perubahan mendadak dari ion akseptor di satu pihak ke ion donor di pihak yang lain. Persambungan seperti ini secara eksperimental dibentuk dengan misalnya menempatkan indium, yang bervalensi tiga menempel pada pada germanium tipe-n dan memanaskan sistem tersebut pada temperatur tinggi dalam waktu yang pendek. Sedikit indium larut dalam germanium dan germanium tipe-n menjadi tipe-p dipersambungan campuran (alloy) atau paduan (fusion). Kerapatan ion Akseptor NA tidak perlu sama dengan ion takmurnian donor. Bahkan seingkali lebih menguntungkan untuk mempunyai persambungan uang tidak simetrik. Gambar 3-10 menunjukkan rapat muatan sebagai fungsi dari jarak dari suatu persambungan campuran, dimana rapat takmurnian akseptor dianggap jauh lebih besar dari konsentrasi donor. Oleh karena muatan total harus sama dengan nol, maka

N_AW_p = N_DW_n

Gambar 3-10

• Apabila N_A>>N_D, maka W_P << W_N ≈ W. Hubungan antara potensial dan rapat muatan diberikan oleh persamaan (3-1)

Garis-garis gaya listrik dimulai dari donor ion positif dan berakhir pada yang negatif . oleh karena itu tidak ada garis gaya ke sebelah kanan dari x = W_N dari Gambar 3-10 dan ε = - dV/dx = 0 di x = Wn ≈ W.

• Dioda Varactor. Makin besar tegangan baliknya, semakin besar/lebar muatan ruang W, dan oleh karenya C_T semakin kecil. Dengan jalan yang sama, untuk kenaikan prategangan maju (Vd positif) W berkurang dan C_T naik.

Gambar 3-12

• Kapasitas persambungan p-n berprategangan balik, yang berubah dengan tegangan, bermanfaat dalam sejumlah rangkaian. Salah satunya penalaan (tunning) rangkaian resonan LC dengan mempergunakan tegangan. Pemakaian yang lain adalah rangkaian jembatan yang dapat membuat keseimbangan sendiri (self-balancing) dan penguat yang khusus, yang disebut penguat parameterik.
• Dioda yang dibuat kusus untuk pemakaian-pemakaian tersebut, yang didasarkan pada kapasitansi yang berubah dengan tegangan disebut varaktor, varikap atau voltakap. Suatu model rangkaian dari sebuah dioda varactor dengan prategangan balik diperlihatkan dalam Gambar 3-13. Tahanan Rs tahanan seri ohmik dari dioda. Nilai-nilai khas (typical) bagi C_T dan Rs adalah 20pF dan 8,5 Ω, untuk prategangan balik sebesar 4 V. Tegangan balik dioda Rr paralel dengan C_T biasanya besar (> 1M) dan karenannya biasanya di abaikan.
• Kapasitansi transisi atau pengosongan, yang diperlukan dalam rangkaian-rangkaian untuk bentuk gelombang cepat atau frekuensi tinggi, harus sekecil mungkin. Ini disebabkan karena dioda didorong ke dalam keadaan berprategangan balik, bila diperlukan untuk menahan transmisi suatu sinyal. Akan tetapi, apabila kapasitansi barier C_T cukup besar, arus yang harus ditahanoleh konduktans yang rendah dari dioda berprategangan balik akan mengalir melalui kapasitor

E.     DIODA ZENER

Dioda Zener adalah diode 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.

Dioda yang biasa tidak akan mengalirkan arus listrik untuk mengalir secara berlawanan jika dicatu-balik (reverse-biased) di bawah tegangan rusaknya. Jika melampaui batas tegangan operasional, diode biasa akan menjadi rusak karena kelebihan arus listrik yang menyebabkan panas. Namun proses ini adalah reversibel jika dilakukan dalam batas kemampuan. Dalam kasus pencatuan-maju (sesuai dengan arah gambar panah), diode ini akan memberikan tegangan jatuh (drop voltage) sekitar 0.6 Volt yang biasa untuk diode silikon. Tegangan jatuh ini tergantung dari jenis diode yang dipakai.

Sebuah diode Zener memiliki sifat yang hampir sama dengan diode biasa, kecuali bahwa alat ini sengaja dibuat dengan tegangan tembus yang jauh dikurangi, disebut tegangan Zener. 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 jatuh pada 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 besar diperlukan rangkaian pendukung IC atau beberapa transistor sebagai output.

Tegangan tembusnya dapat dikontrol secara tepat dalam proses doping. Toleransi dalam 0.05% bisa dicapai walaupun toleransi yang paling biasa adalah 5% dan 10%.

Efek ini ditemukan oleh seorang fisikawan Amerika, Clarence Melvin Zener.

Mekanisme lainnya yang menghasilkan efek yang sama adalah efek avalanche, seperti di dalam diode avalanche. Kedua tipe diode ini sebenarnya dibentuk melalui proses yang sama dan kedua efek sebenarnya terjadi di kedua tipe diode ini. Dalam diode silikon, sampai dengan 5.6 Volt, efek Zener adalah efek utama dan efek ini menunjukan koefisiensi temperatur yang negatif. Di atas 5.6 Volt, efek avalanche menjadi efek utama dan juga menunjukan sifat koefisien temperatur positif.

Dalam diode Zener 5.6 Volt, kedua efek tersebut muncul bersamaan dan kedua koefisien temperatur membatalkan satu sama lainnya. Sehingga, diode 5.6 Volt menjadi pilihan utama di aplikasi temperatur yang sensitif.

Teknik-teknik manufaktur yang modern telah memungkinkan untuk membuat diode-diode yang memiliki tegangan jauh lebih rendah dari 5.6 Volt dengan koefisien temperatur yang sangat kecil. Namun dengan munculnya pemakai tegangan tinggi, koefisien temperatur muncul dengan singkat pula. Sebuah diode untuk 75 Volt memiliki koefisien panas yang 10 kali lipatnya koefisien sebuah diode 12 Volt.

Semua diode di pasaran dijual dengan tanda tulisan atau kode voltase operasinya ditulis dipermukaan kristal diode , biasanya dijual dinamakan diode Zener.

F.     PEMAKAIAN DIODA ZENER

Dioda Zener digunakan secara luas dalam sirkuit elektronik. Fungsi utamanya adalah untuk menstabilkan tegangan. Pada saat disambungkan secara parallel dengan sebuah sumber tegangan yang berubah-ubah yang dipasang sehingga mencatu-balik, sebuah diode Zener akan bertingkah seperti sebuah kortsleting (hubungan singkat) saat tegangan mencapai tegangan tembus diode tersebut. Hasilnya, tegangan akan dibatasi sampai ke sebuah angka yang telah ditetapkan sebelumnya.

Sebuah diode Zener juga digunakan seperti ini sebagai regulator tegangan shunt (shunt berarti sambungan parallel, dan regulator tegangan sebagai sebuah kelas sirkuit yang memberikan sumber tegangan tetap.

G.    KHARAKTERISTIK DIODA ZENER

(a)    Karakteristik I – V dioda zener

(b)   Dalam keadaan operasi, dioda zener dapat dilalui arus mulai dari 0,1 I_z sampai dengan I_z (batas maksimum arus yang diperkenankan). Daya maksimum yang diperbolehkan : P_z = V_z I_z

_{www.bagsus.blogspot.com}