teori dioda (Dr. Ir. Andi Adriansyah, M.Eng) – ARSBLOG.ID
Sat. Apr 17th, 2021

ARSBLOG.ID

BERBAGI DAN MENGINSPIRASI

teori dioda (Dr. Ir. Andi Adriansyah, M.Eng)

6 min read


3

 

           

MODUL 3

TEORI DIODA

3.1.        Definisi Dioda 
Dioda adalah sebuah kata majemuk yang berarti ‘dua elektroda’, dimana ‘di’ berarti dua, dan ‘oda’ berasal dari elektroda. Jadi, dioda adalah kristal yang menggabung separuh semikonduktor type-n dan separuh semikonduktor type-p, atau disebut pula pn junction. Sisi p (Anoda) mempunyai banyak hole(pembawa mayoritas) dan sisi n (Katoda) mempunyai banyak electron (pembawa mayoritas). Simbol, struktur dan fisik beberapa dioda dapat dilihat pada Gambar 3.1.
A silicon p-n junction with no applied voltage.
Gambar 3.1 Simbol, Struktur dan Fisik Dioda
3.2.      Prategangan Dioda  
            Pada saat Dioda tidak diberikan tegangan (unbiased), terjadi difusi elektron ke segala arah pada setiap tepi-tepi semikonduktor. Beberapa difusi melewati junction, sehingga akan tercipta ion positif pada daerah n dan ion negatif pada daerah p. Jika ion-ion ini bertambah banyak, maka daerah di sekitar junction  akan terjadi kekosongan dari elektron bebas dan hole. Daerah ini disebut dengan depletion layer, atau lapisan pengosongan.
            Pada suatu saat, depletion layer akan berlaku sebagai penghalang bagi elektron untuk berdifusi lanjut melalui junction. Diperlukan tegangan tertentu agar elektron dapat menembus penghalang tersebut, yang dikenal dengan istilah tegangan offset.
(a)
(b)
(c)
Gambar 3.2 Struktur Pasangan Elektron-Hole Dioda
(a)  Kondisi Awal, (b) Kondisi setelah terjadi difusi elektron dan (c) Lapisan Pengosongan (Depletion Layer)
            Jika dioda diberi tegangan seperti tampak pada Gambar 3.3, dimana kutub positif baterai dihubungkan dengan bahan type-p dan kutub negatif baterai dihubungkan dengan bahan type-n, maka rangkaian ini disebut dengan forward biased atau prategangan maju. Bila tegangan ini melebihi tegangan yang diakibatkan oleh lapisan pengosongna, maka forward biased dapat menghasilkan arus yang besar. Kutub negatif dari sumber dapat mendorong elektron pada bahan type-n menuju junction. Elektron ini dapat melewati junction dan jatuh ke dalam hole. Bila ini terjadi, elektron akan dapat terus bergerak melalui hole pada bahan type-p yang ada menuju kutub positif baterai.
Gambar 3.3 Forward Biased
            Sebaliknya, jika sumber tegangan tersebut dibalik polaritasnya, maka rangkain yang tampak pada Gambar 3.4. itu disebut dengan reverse biased. Hubungan ini memaksa elektron bebas di dalam daerah nberpindah dari junction ke arah terminal positif sumber, sedangkan hole di dalam daerah p juga bergerak menjauhi junction  ke arah terminal negatif. Gerakan ini akan membuat lapisan pengosongan semakin besar sehingga beda potensialnya mendekati harga sumber tegangan.
            Namun pada situasi ini, masih terdapat arus kecil, arus pembawa minoritas, atau disebut arus balik (reverse current), IS. Disamping itu juga terdapat arus bocor permukaan, ISL. Jika keadaan ini terus berlanjut, akan tercapai titik pendobrakan, yang disebut dengan breakdown voltage.
Gambar 3.4 Reverse Biased
3.3.      Grafik Dioda
            Jika sebuah dioda dirangkain seperti pada Gambar 3.5., dimana tegangan Vindirancang untuk dapat diubah-ubah besarnya, maka akan didapat tegangan (Vd) dan arus (Id) pada dioda yang berbeda-beda pula. Dengan menghubungkan titik-titik tegangan dan arus dioda, maka akan didapat grafik dioda seperti pada Gambar 3.6.
Gambar 3.5. Rangkaian Dioda
Gambar 3.6. Grafik Dioda Forward Biased
Jika dibalik prategangannya, secara lengkap, grafik tersebut menjadi grafik seperti pada Gambar 3.7.
Gambar 3.7. Grafik Dioda Lengkap
           
Gambar-gambar diatas menjelaskan karakteristik dioda, yaitu sebagai komponen non-linear. Bila diberikan forward biased dioda menjadi sangat tidak konduk sebelum tegangannya melampaui potensial barier, sehingga arusnya sangat kecil sekali. Ketika tegangannya mendekali potensial barier, pasangan elektron-hole mulai melintasi junction. Di atas 0.7 volt, biasa disebut tegangan lutut (knee voltage), Vg, atau tegangan offset, dioda menjadi sangat konduk dan mengalirkan arus yang besar. Semakin besar tegangannya, arus bertambah dengan sangat cepat pula. Hal ini menunjukkan, bahwa dioda memiliki tahanan tertentu, disebut tahanan bulk (bulk resistance).
            Sebaliknya, pada saat dioda di-reverse biased, terdapat arus balik yang sangat kecil. Jika tegangan ini ditambah, akan dicapai tegangan breakdown, dimana terjadi peningkatan arus yang sangat besar, yang dapat merusakkan dioda. Sehingga diperlukan kehati-hatian untuk memberikan tegangan dioda, jangat sampai jatuh ke daerah breakdown.
3.4.      Garis Beban dan Titik Operasi
            Jika rangkaian dioda pada Gambar 3.5. dianalisa, maka akan didapat persamaan sebagai berikut:
                                                                                             (3.1)
Jika tegangan input dan tahanan pembatas diketahui, maka hanya tegangan dan arus dioda yang tidak diketahui. Persamaan ini menyatakan hubungan yang linear antara tegangan dan arus.
            Pada saat Vd sama dengan nol, maka
                                                                                                      (3.2)
Titik ini disebut dengan titik jenuh (saturation point) yang terletak pada sumbu tegak arus. Sementara itu, jika Vdsama dengan Vin, maka
Id = 0                                                                                                                (3.3)
Titik ini disebut dengan titik putus (cut off point) yang terletak pada sumbu mendatar. Jika kedua titik ini dihubungkan, atau dengan mengukur titik-titik lain, akan didapatkan sebuah garis yang khas, disebut garis beban (load line).
            Apabila grafik garis beban dioda ditumpukkan dengan grafik dioda, maka akan didapatkan grafik seperti pada Gambar 3.8., dengan Vin sama dengan 2 Volt dan R sama dengan 100 Ω. Titik jenuh grafik tersebut adalah 20 mA dan titik potongnya adalah 0 mA. Kedua grafik itu memiliki sebuah titik potong, yang disebut dengan titik operasi (operating point), yang menyatakan arus dan tegangan dioda sesuai dengan tegangan input dan tahanannya. Dari gambar tersebut, tampak bahwa titik operasi dioda jatuh pada tegangan 0.75 V dan arus 12.5 mA.
Gambar 3.8 Load Line dan Operating Point
3.5.     Model Dioda
            Di dalam dunia praktek sehari-hari, seringkali dioda cara kerja didekati dengan menggunakan pendekatan atau model. Sudah barang tentu, model ini tetap berdasarkan kepada representasi matematika dan grafik dari karakteristik V-I dari dioda itu sendiri.  Penyederhanaan model ini, hanya ingin memberikan gambaran global dari cara kerja dioda, namun belum merepresentasikan detil-detil penting dari dioda itu sendiri. Terdapat beberapa model pendekatan dioda, yaitu: Model Dioda Ideal, Model Dioda Offset dan Model Dioda Real.
Model Dioda Ideal memiliki karakteristik V-I seperti pada Gambar 3.9. di bawah ini. Pada model ini, suatu dioda berlaku sebagai konduktor yang sempurna (bertegangan nol) bila diberi forward biased dan berlaku sebagai isolatif yang sempurna (berarus nol) bila diberi reverse biased. Dalam istilah rangkaian, dioda berlaku seperti saklar (swithc), bila diberi forward biased ia bertindak sebagai saklar tertutup (ON), dan bertindak seperti saklar terbuka (OFF) bila diberi reverse biased. Model ini sangat ekstrim, sehingga untuk kondisi-kondisi tertentu, diperlukan model yang lebih baik lagi.
Gambar 3.9 Model Dioda Ideal
            Sesungguhnya, diperlukan tegangan offset sekitar 0,7 volt sebelum dioda Silikion menjadi konduktor dengan baik. Bila tegangan seumber besar, 0.7 volt ini tidak menjadi persalan.  Gambar 3.10. memperlihatkan karakteristik V-I dioda, dimana tidak ada arus mengalir sampat tegangan dioda mencapai 0,7 volt. Pada titik ini dioda mulai konduksi. Jadi, dioda dianggap seperti sebuah switch yang disarikan dengan sebuah baterai 0.7 volt. Jika tegangan sumber lebih besar dari 0.7 volt,  switch menutup dan tegangan dioda adalah 0.7 volt. Namun, jika tegangan sumber kurang dari 0.7 volt maka switch membuka.
Gambar 3.10 Model Dioda Offset
            Pada model ketiga ini, tahanan dalam dioda, Rf, diperhitungkan. Gambar 3.11  menunjukkan model dioda real ini. Sehingga, pada saat konduksi, arus menghasilkan tegangan pada Rf, dimana semakin besar arus, semakin besar pula tegangan tersebut. Rangkain ekivalen pada model real dioda ini, adalah seperti sebuah saklar yang diseri dengan baterai 0.7 volt dan tahanan Rf.
Gambar 3.11 Model Dioda Real
            Untuk kebanyakan hal praktis, Model Dioda offset seringkali dipergunakan. Namun, jika diperlukan analisa yang lebih mendalam, Model Dioda Real akan dipakai, sehigga akan didapatkan analisa yang lebih akurat.
Sebagai contoh, sebuah rangkaian dioda tampak pada gambar di bawah ini,
Gambar 3.12 Rangkaian Dasar Dioda
dimana: E = 10 volt dan R = 1 KΩ. Maka persamaan arusnya adalah:
           
            Jika digunakan Model Dioda Ideal, maka dioda tidak memiliki tegangan offset dan tahanan dalam. Sehingga, ketika dioda diberi forward biased, maka akan mengalir arus melalui dioda, dimana:
Dari persamaan diatas, didapat garis beban, dimana:
jika Vd= 0, maka Id = E / R= 10 volt / 1 KΩ = 10 mA, dan
jika Id= 0, maka Vd = E = 10 volt,
dengan titik operasi pada
Vd = 0 volt dan Id= 10 mA
Garis beban dan titik operasi ditampilkan pada gambar di bawah ini.
Gambar 3.13 Garis Beban dan Titik Operasi Model Dioda Ideal
Jika digunakan Model Dioda Offset, maka dioda memiliki tegangan offset, sebesar Vg= 0.7 volt. Dengan cara yang sama seperti diatas, akan didapat persamaan garis beban yang sama. Namun, titik operasinya adalah
dimana:
            Vd = Vg = 0.7 volt, dan
            Id = (10 – 0.7 ) volt / 1 KΩ  = 9.3 volt
Garis beban dan titik operasi ditampilkan pada gambar di bawah ini.
Gambar 3.14 Garis Beban dan Titik Operasi Model Dioda Offset
Dengan cara yang sama, dapat pula diturunkan persamaan diatas untuk Dioda Ideal, yang memiliki tegangan offset sebesar Vg = 0.7 volt dan tahanan dalam             Rf = 10 Ω. Titik operasinya adalah
, dimana:
            Vd = Vg = 0.7 volt, danRf  = 1 Ω, maka
            Id = (10 – 0.7 ) volt / (1.01) KΩ  = 9.2 mA
Garis beban dan titik operasi ditampilkan pada gambar di bawah ini.
Gambar 3.15 Garis Beban dan Titik Operasi Model Dioda Real

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Copyright © All rights reserved.ARSBLOG.ID | Newsphere by AF themes.