Dioda Hubungan

BAB 5

DIODA HUBUNGAN

Hubungan (junction) antara semikonduktor jenis p dan semikon­duktor jenis n paling penting dalam penggunaan elektronika mo­dern, karena hubungan ini membentuk dasar dari peralatan semi­konduktor seperti dioda, transistor dan sebagainya.

Dalam bab ini akan kita jelaskan prinsip fisika dan cara kerja hubungan p-n. Berbagai penggunaan alat-alat hubungan p-n juga diberikan.

Hubungan p-n

Kalau pencampur jenis akseptor dimasukkan ke dalam setengah dari semikonduktor kristal tunggal dan pencampur jenis donor di­masukkan ke setengah bagian yang lain, maka terbentuklah hubung­an p-n, seperti ditunjukkan dalam Gambar 5. L Ini merupakan alat dua terminal dan dinamakan dioda hubungan (junction diode).

Gambar 5.1. Hubungan p-n.

Hubungan p-n dapat berupa (i) hubungan berangsur tangga atau (ii) hubungan berangsur linear.

Dalam hubungan berangsur -tangga, rapat pencampur akseptor atau donor dalam semikartduktor tetap sampai mencapai hubung­an. Jenis hubungan ini terbentuk dengan menernpatkan bola kecil dari pencampur trivaler, katakan indium, pada suatu wafer ger­manium jenis n dan memanaskan gabungan tersebut sampai temperatur tinggi dalam waktu yang singkat. Dalam proses tersebut in­dium meresap ke dalam germanium dan mengubah penghantaran germanium dari jenis n ke jenis p di seluruh bagian semikonduktor dan membentuk hubungan p-n.

Dalam suatu hubungan berangsur liner, rapat pencampur ber­ubah secara linear menurut jarak menjauli dari hubungan. Jenis hubungan ini terbentuk dengan menarik kristal tunggal dari leleh­an germanium yang pada saat dimulainya proses ini sudah berisi pencampur dari satu jenis. Selama proses penarikan pencampur jenis lain ditambahkan dalam jumlah yang cukup untuk mengubah je­nis penghantaran lelehan.

5.2 Hubungan p-n Tanpa Catu

Gambaran skematis dari hubungan p-n ditunjukkan dalam Gam­bar 5.2. Di sini muatan-muatan dengan lingkaran menunjukkan atom-atom akseptor dan donor yang terionisasi.

Untuk penyederhanaan, marilah kita misalkan sementara bah­wa hanya ada lobang-lobang dalam sisi jenis p dan elektron-elektron dalam sisi jenis n. Akibat adanya gradien kerapatan sepanjang hu­bungan, elektron-elektron akan berdifusi lewat hubungan ke kiri dan lobang-lobang berdifusi ke kanan. Setelah melewati hubungan mereka saling menggabung dengan membiarkan ion-ion tidak ber­gerak di sekelilingnya tidak ternetralkan. Mereka dinamakan muatan-muatan tidak tercakup (uncovered charges). Perubahan kon­sentrasi (i) ion-ion tidak bergerak, (ii) pembawa bergerak dan muatan tidak tercakup ditunjukkan (berturut-turut) dalam Gambar 5.2(b), (c) dan (d). Muatan-muatan positif dan negatif yang tidak terca­kup menghasikan medan listrik lewat hubungan. Medan ini di­arahkan dari sisi n ke sisi p dan dinamakan medan halangan. Me­dan ini melawan gerakan difusi elektron dan lobang lewat hubungan. Kesetimbangan terbentuk pada medan halangan yang cukup untuk menghentikan difusi selanjutnya dari elektron dan lobang. Dalam keadaan ini tidak ada gerakan pembawa lewat hubungan. Karena Batas hubungan kosong akan muatan bergerak maka daerah ini di­namakan daerah kosong (depletion) atau daerah muatan ruang. Te­bal daerah ini sekitar 0,5 μm. Karena adanya medan halangan le­wat hubungan, perpindahan elektron dari sisi n ke sisi p memerlukan sejumlah energi yang dinamakan energi halangan (barrier) (E_b) (Gambar 5.2(e)). Potensial halangan ekivalen V_B diberikan oleh E_B = eV_B. Berdasarkan energi halangan tergantung pada le­bar daerah tidak tercakup. Jumlah energinya sama kalau lobang dari daerah p berpindah ke daerah n.

(a) Diagram yang menunjukkan kedudukan pembawa

(b) Perubahan konsentrasi ion-ion tidak bergerak.

(c) Perubahan konsentrasi pembawa bergerak.

(d) Konsentrasi muatan tidak tercakup.

(e) Perubahan energi elektron dan lobang.

Sekarang anggaplah keadaan sebenarnya, dimana daerah p ter­diri dari elektron-elektron sebagai pembawa minoritas dan daerah- n berisi lobang-lobang sebagai pembawa minoritas. Kalau hubung­an p-n tidak dicatu, medan halangan berperan sedemikian rupa se­hingga elektron-elektron dari sisi jenis-p dan lobang-lobang dari sisi­jenis n dengan mudah melewati hubungan. Karena itu gerakan pembawa minoritas membentuk aliran arus. Dalam keadaan setimbang arus ini tepat mengimbangi aliran berlawanan yang sama dari pem­bawa mayoritas sehingga perolehan dari sumber-sumber panas me­rupakan energi yang cukup untuk melewati halangan.

5.3 Diagram Pita Energi dari Hubungan p-n Tanpa Catu

Kita tahu bahwa untuk semikonduktor jenis n tingkat Fermi be­rada dekat dengan ujung pita hantaran E, dan untuk semikonduk­tor jenis-p, tingkat Fermi berada dekat ujung pita valensi Ev. Ka­lau hubungan p-n terbentuk, dalam keadaan setimbang tingkat Fermi mencapai harga tetap di seluruh contoh, seperti ditunjukkan da­lam Gambar 5.3. Jelas, bahwa ujung pita hantaran E_cp dari jenis p tidak berada pada tingkat yang sama dengan E_cn, dari jenis n. De­mikian pula, E_VP tidak akan segaris dengan E_vn. Dari Gambar 5.3, kita dapatkan:

E_B =E_cp-E_cn =E_vp-E_vn=eV_B

di mana E_R adalah energi halangan, e muatan elektron dan V_B  po­tensial halangan.

Catatan, bahwa walaupun ada potensial V_B= E_B/e pada hubungan p-n, voltmeter yang dihubungkan lewat hubungan p-n tidak akan membaca potensial ini. Hal itu dapat dijelaskan seba­gai berikut:

Kalau mungkin misalkan bahwa arus mengalir akibat tegangan halangan dalam dioda hubungan p-n terhubung singkat. Arus ini akan memanaskan kawat logam penghubung. Karena tidak ada sumber energi luar, pemanasan kawat harus berlangsung dengan sekaligus pendinginan dioda hubungan p-n. Tetapi dalam kesetimbangan panas suasana ini tidak tampak. Sehingga kita simpulkan, bahwa arus lewat rangkaian sama dengan nol. Ini berarti bahwa tegangan halangan harus diimbangi oleh potensial kontak logam ke semikonduktor di ujung dioda. Karena arus sama dengan nol, kawat penghubung dapat dipotong tanpa mengubah keadaan dan penurunan tegangan lewat potongan tersebut harus nol. Jadi voltmeter yang dihubungkan ke terminal-terminal dioda membaca tegangan nol.

Gambar 5.3. Diagram pita energi dari hubungan p-n.

5.4 Hubungan p-n yang di catu

Kalau terminal positif dari baterei disambungkan ke sisi jenis p ­dan terminal negatif ke sisi jenis n dari hubungan p-n, hubungan tersebut melewati arus besar yang mengalir lewat hubungan terse­but. Dalam hal ini, hubungan p-n dikatakan “dicatu maju” (forward biased) kalau terminal-terminal dari baterei dibalik, yakni terminal positif dihubungkan ke sisi jenis n, dan terminal negatif di ^­sisi jenis p, hubungan akan mengalirkan arus kecil. Dalam keadaan ini hubungan p-n dikatakan dicatu balik (reverse biased).

Sifat-sifat dari hubungan p-n di atas sangat cocok untuk penyearahan. Sekarang akan kita utarakan secara kualitatif mekanisme di mana hubungan (i) dicatu maju dan (ii) dicatu-balik. 

(i) Hubungan p-n Dicatu Maju: Hubungan p-n dicatu maju dan simbol penggambarannya berturut-turut ditunjukkan dalam Gam­bar 5.4(a) dan (b). Tegangan catu maju V mengakibatkan gaya pa­da lobang-lobang di sisi jenis p dan pada elektron di sisi jenis n.

Gambar 5.4. (a) Dioda hubungan p-n dicatu maju.

(b) Gambaran simbolis.

Gaya ini mengakibatkan lobang dan elektron bergerak menuju hu­bungan. Akibatnya, lebar muatan tidak tercakup berkurang dan ha­langan berkurang, yakni energi halangannya (Gambar 5.5). Besar­nya pengurangan energi halangan diberikan oleh eV, di mana V ada­lah tegangan yang diberikan. Akibat berkurangnya tinggi halangan, maka arus mengalir terutama akibat pembawa mayoritas, yakni lobang dari sisi jenis p ke sisi jenis n dan elektron dari sisi jenis n ke sisi jenis p naik. Sebaliknya, arus pembawa minoritas yang meng­alir dalam arah sebaliknya dari arus pembawa mayoritas tidak dipengaruhi oleh catu maju. Hal ini disebabkan arus pembawa minoritas hanya tergantung pada temperatur.

 

Gambar 5.5 Muatan tidak tercakup

b. Berkurangnya energi halangan untuk hubungan p-n yang dicatu maju

Gambar 5.6 a) hubungan p-n dicatu balik

b) gambaran simbolis

(ii) Hubungan p-n Dicatu Balik: Suatu hubungan p-n yang dicatu balik dengan gambaran simbolis ditunjukkan dalam gambar 5.6. Dalam hal ini tegangan yang diberikan ke hubungan mengakibatkan lobang dalam sisi jenis p dan elektron dalam sisi jenis n bergerak menjauhi hubungan. Hal ini menaikkan lebar muatan tidak tercakup sekeliling hubungan dan menaikkan tinggi halangan Gam­bar 5.7(a) dan (b). Besarnya kenaikan energi halangan sama de­ngan eV, di mana V besarnya tegangan yang diberikan. Akibat ke­naikan tinggi halangan, sejumlah pembawa mayoritas yang dapat diabaikan akan dapat melewati hubungan dan arus akan sama de­ngan nol. Namun, pembawa minoritas yang melalui halangan po­tensial tetap tidak berubah dan memberikan arus yang kecil. Arus ini dinamakan arus jenuh balik (I_S). Arus jenuh balik membesar dengan kenaikan temperatur dioda, tetapi sebagian besar tidak tergantung pada tegangan balik yang diberikan. Kenaikan tempera­tur mempercepat membesarnya konsentrasi pembawa minoritas yang mengarah ke kenaikan arus jauh balik.

 

Gambar 5.7. (a) Muatan tidak tercakup.

(b) Energi halangan yang diperbuat untuk hubungan p-n di­ catu balik.

5.5 Karakteristik Volt Amper dari Hubungan p-n

Dapat ditunjukkan, bahwa arus total yang mengalir lewat hu­bungan p-n karena penggunaan tegangan V lewat hubungan dibe­rikan oleh :

Dimana :

I_s = arus jenuh balik,

e = muatan satu elektron (= 1,6 x 10^-19 coulomb),

k = konstanta Boltzmann (= 1,38 x 10^-23 joule ^oK^-1)

T= temperatur dalam °K, dan η angka konstan yang tergantung pada bahan dioda. Untuk germanium η = 1, dan un­tuk silikon n ≈ 2.

Kalau V positif, hubungan tercatu maju, dan kalau V negatif hu­bungan tercatu balik. Pada temperatur kamar (T = 300°K), dari Persamaan (5.1) kita dapatkan

1

Catatan, bahwa tegangan V dalam Persamaan (5.2) mengacu ke penurunan tegangan lewat hubungan. Namun, hal ini hampir sa­ma dengan tegangan dalam daerah p dan n sangat kecil. Gambaran khas dari Persamaan (5.2) ditunjukkan dalam Gambar 5.8. Perlu ditekankan bahwa batas arus yang biasanya berlaku untuk dioda yang bekerja pada arah maju jauh lebih besar daripada arus jenuh balik. Misalnya, kalau arus maju berada pada batas sekitar mA (nilai amper), arus jenuh balik dalam batas µA (mikro amper) akan kurang.

Gambar 5.8. Karakteristik arus tegangan khas dari dioda nubungan p-n.

Dari karakteristik Gambar 5.8 terlihat, bahwa pada tegangan balik yang ditunjukkan oleh titik B pada karakteristik arus balik menda­dak naik. Dioda hubungan p- n kalau bekerja di daerah garis putus-­putus dinamakan dioda patah. Akan kita bahas dioda patah lebih terperinci dalam Bagian 5.7.

Resistansi statis atau dc (R_dc) dari dioda didefinisikan sebagai :

Resistansi dc dan dioda amat berubah menurut V dan I. Resistansi dinamis atau ac (rac) dari dioda didefinisikan sebagai :

Kalau dioda cukup besar dicatu maju, suku satu dalam tanda kurung persamaan (5.2) dapat diabaikan. Dengan penyederhanaan ini dan mendiferensialkan Persamaan (5.2) untuk resistansi dinamis dioda dalam arah maju pada temperatur kamar

Dimana I dinyatakan dalam milliamper dan r_ac dalam ohm. Jadi untuk η = 1 dan untuk arus dioda 26 mA resistansi dinamisnya. sama dengan 1 ohm. Kemiringan karakteristik yang ditunjukkan dalam Gambar 5.8 menunjukan bahwa resistansi dinamis dalam arah kebalikannya sangat besar.

Ciri karakteristik dioda yang perlu dicatat adalah bahwa kalau catu maju kurang dari harga Vg, arus akan sangat kecil. Sesudah Vg arus mendadak naik. Tegangan Vg dinamakan tegangan awal masuk atau offset atau tegangan-ambang dari dioda. Khususnya, untuk dioda germanium Vg ≈ 0,2 V untuk dioda silikon Vg ≈ 0,6V.

5.6 Kapasitansi Hubungan

Dari Gambar 5.2 diamati bahwa daerah kosong sekitar hubung­an p-n berisi muatan positif tidak bergerak pada sisi jenis n dan muatan negatif tidak bergerak pada sisi jenis p. Juga kita catat dari Gambar 5.7 bahwa penggunaan tegangan balik ke hubungan p-n mengakibatkan kenaikan muatan tidak tercakup ini. Ini dapat diang­gap sebagai efek kapasitif dan hubungan dimisalkan menunjukkan sifat kapasitansi, dan dinamakan kapasitansi hubungan. Kapasi­tansi ini tidak tetap, tetapi dapat ditunjukkan berkurangnya harga dengan kenaikan tegangan balik. Sifat hubungan p-n ini diguna­kan dalam berbagai rangkaian. Misalnya: (i) dalam tegangan pena­la rangkaian resonansi LC, (ii) dalam rangkaian jembatan seimbang sendiri, dan (iii) dalam jenis khusus penguat, yang dinamakan pe­nguat parametris. Dalam penggunaan diatas, dioda hubungan p-n hanya dibuat tergantung pada tegangan. Dioda semacam itu dina­makan varaktor atau varikap.

5.7 Beberapa dioda hubungan p-n khusus

(1) dioda patah (breakdown)

            Kalau dioda hubungan p-n bekerja dalam daerah garis putus-putus dari karakteristik tegangan balik gambar 5.8, dioda-dioda tersebut dinamakan dioda patah (breakdown).

            Dua mekanisme berikut merupakan pernyebab patahan dalam dioda hubungan p-n :

            (i) patahan avalans : pada saat catu-balik yang diberikan dalam hubungan p-n naik, medan lewat hubungan akannaik pula. Pada suatu harga catu, medan menjadi sedemikian besar sehingga pembawa yang dibangkitkan secara panas pada saat melintasi hubungan memperoleh sejumlah energi dari medan. Kemudian pembawa ini dapat melepaskan ikatan kovalen dan membentuk pasangan lobang baru pada saat membentuk ion tidak bergerak. Pembawa baru ini mengambil lagi energi yang cukup dari medan yang diberikan dan membntuk ion tidak bergerak sambil membangkitkan pasangan lobang electron lobang berikutnya. Proses ini sifatnya akumulatif dan menghasilakan avalans (runtuhan) pembawa dalam waktu yangamt singkat. Mekanisme pembangkitan pembawa ini dinamakan penggadaan avalans. Hasilnya adalah proses aliran sejumlah besar arus pada suatu harga catu balik, seperti ditunjukkan oleh bagian garis putus-putus dari karakteristik gambar 5.8

            (ii) patahan zener : patahan zener terjadi kalau medan catu balik lewat hubungan p-n sedemikian rupa sehingga medan dapat memberikan gaya pada electron terikat dan melepaskannya dari ikatan kovalen. Jadi, sejumlah besar pasangan electron –lobang akan dibangkitkan lewat putusnya langsung iktan kovalen . pasangan electron lobang demikian memperbesar arus balik. Catatan, bahwa dalam patahan zener pembangkitan pembawa tidak disebabkan oleh tumbukan pembawa dengan ion-ion diam seperti halnya dalam peristiwa penggandaan avalans.

            Walaupun ada dua perbedaan mekanisme, diode-diode patah biasanya dinamakan diode zener. Symbol untuk diode zener ditunjukkan dalam gambar 5.9. karateristik zener hamper sejajar dengan sumbu arus, yang menujukkan bahwa tegangan lewat dioda hamper tetap walaupun arusnya banyak berubah. Tegangan lewat diode zener dengan demikian dapat dimanfaatnakn sebagai avuan, dan diode tersebut dapat  disebut sebagai dioda acuan. Penggunaan khas dari dioda zener sebagai dioda acuan diberikan dalam gambar 5,10 tegangan V dan resistansi r ditentukan sedemikian rupa sehingga arus dioda berada dalam batas tertentu dan dioda bekerja dalam daerah patah. Tegangan V₀ lewat resistansi beban R_L tetap, walaupun catu tegangan v dan resistansi beban R_L dapat berubah. Batas atas arus dioda ditentukan oleh disipasi daya dari dioda.

            Dalam gambar 5.10, kalau I merupakan arus yang keluar dari sumber dan I_z dan I_L arus-arus melewati berturu-turut dioda zener dan resistansi beban, hukum arus (HAK) dan hukuj tegangan kirchoff memberikan :

Dan                                         I=I_z+I_L                                                               (5.6)

                                                V₀=V-IR                                                            (5.7)

juga                                          V₀=I_L R_L                                                            (5.8)

            misalkan, tegangn catu V tetap besarnya dari resistansi beban R_L berubah karena tegangan zener V₀ cenderung tetap besarnya, persamaan (5.7) memberikan δI=0. kemudian kita dapatkan dari persamaan (5.6)

                                                δI=δI_Z + δI_L =0

atau,

                                                δI_Z= -δI_Z

            jadi, kalau resistansi beban naik tetapi tegangan catu tetap, arus I_L turun dan arus I_z naik dalam julah yang sama sehingga arus total I tetap besarnya.

            Sekarang misalkan, bahwa resistansi beban R_L tetap dan tegang vatu V berubah. Karena V₀ mengarah tetap, dipersamaan (5.7) kita dapatkan

                                                δV=RδI.

Dari persamaan 5.8 kita dapatkan δ I_L=0, dari persamaan 5.6 δ I=δI_Z. jadi, kalau tegangan catu diubah tetapi resistansinya beban dijaga tetap, arus total I dan arus zener I_Z berubah dengan besar yang sama untuk menjaga arus beban I_L konstan.

            Catatan, bahwa tegangan zener V₀ tetap, arus zener I_z dapat berubah. Sehingga resistansi DC dari dioda zener yakni V₀ / I_z tidak tetap. Resistansi dinamis r_z diberikan oleh kebalikan oleh kemiringan karakteristik, yakni oleh δ V₀ / δ I_Z. karena karekteristik zener mendekati parelel dengan sumbu arus, δ V₀=0, yakni r_z=0. dalam praktek, r_z mempunyai harga terbatas, tetapi harus kecil untuk diode zener yang baik.

(2) diode terobosan

            Kalau konsentrasi atom-atom pencampur sangat besar(sekitar 10¹⁸ atau 10¹⁹ cm^-3). Baik dalam daerah p atau n, lebar halangan dari dioda hubungan p-n menjadi sangat kecil(=100A). karakteristik volt amper khas dioda semacam itu ditunjukan dalam gambar 5.11. karaktreristik menujuk daerah kemiringan negatif kalau bekerja dalam arah maju. Catatan bahwah terjadinya kemiringan negatip tidak dapat dijelaskan dengan mekanisme yang telah diberkan 0dalam seksi 5.4. proses mekanika kuantum, yang dikenal terobosan (tunneling), memberikan penjelasan yang memuaskan tentang karakteristik diatas. Sehigga dioda diatas dinamakan dioda terobosan (tunnel). Pembahasan tentang terobosan mekanika kuantum tersebut diluar cakupan buku ini. Kemiringan negatif, yakni resistansi diferensial negatif di tunjukkan oleh dioda terobosan dapat digunakan dalam membangun penguat, osilator alat-alat penyambungan. Karena proses terobosan merupakan proses amat cepat, dioda terobosan dapat bekerka pada frekuensi tinggi (sekitar 10 GHz) .

(3) dioda foto

kalau cahaya dibiarkan jatuh pada dioda hubugan p-n yang dicatu balik, pasangan electron lobang tambahkan terbentuk baik dalam daerah p maupun daerah n. hal ini mengakibatkan terbentuknya perubahan konsentrasi pembawa mayoritas yang amat kecil dan perubahan konsentrasi pembawa minoritas ini memperbesar arus balik, karena ini pembawa-pembawa ini menurunkan potensial halangan. Telah ditemukan, bahwa arus lewat dioda berubah hamper linear dengan fluks cahaya. Dengan diode yang dirancang untuk bekerja dengan prinsip ini dinamakan diode foto. Dioda semacam itu digunakan dalam deteksi cahaya penyambung bekerja dengan cahaya, pembacaan kartu gelombang computer, pita-pita dan sebagainya.

(4) dioda pemancar cahaya (LED =Light Emitting Diode)

            Tidak seperti halnya pembangkitan pasangan electron lobang yang memerlukan energi maka rekombinasi satu electron dengan satu lobang sebaliknya mengeluarkan energi. Dalam hal semikonduktor tertentu, seperti GaAs kalau electron dari pita hantaran turun kedalam pita valensi energi yang dikeluarkan muncul dalam bentuk radiasi inframerah.

 Dalam hal alloy semikonduktor gallium arsenic fosfit (GaAs_x-P_lx) radiasi yang diancarkan berwarna merah. Suatu dioda hubungan p-n yang dibangun dari semikonduktor semacam itu dinamakan dioda pemncar cahaya (LED= Light Emitting Diode). Kalau dioda dicatu maju electron bergerak kedalam sisi p dan menjumpai sejumlah besar lobang kemungkinan rekombinasi electron lobang dengan demikian membesar dan menyebabkan kenaikan radiasi pemancar. Dioda yang dibangunkan dari GaAs_x-P_l-x digunakan dalam pembuatan lampu sinyal dan peragaan. LED inframerah merupakan sumbercahaya potensial untuk komunikasi serat optic dalam kondisi-kondisi cahaya yang dipancarkan koheren. Dioda demikian dinamakan laser hubungan injeksi.

(5) sel matahari

            Sel matahari didasarkan pada dioda hubungan p-n yang mengubah cahaya matahari langsung ke listrik dengan efisiensi konversi yang besar. Penjelasan fisiknya diberikan di bawah ini.

            Pembawa-pembawa minoritas diijeksi dalam daerah p maupun n dari dioda hubungan p-n. kalau ditunjukkan ke cahaya. Kalau dioda tidak di catu dan dibiarkan terangakai terbuka, arus yang disebabkan oleh pembawa minoritas harus diimbangi oleh aliran arus listrik yang samadan berlawanan arah yang disebabkan oleh pembawa mayoritas karena arus bersih yang lewat dioda terangkai terbuka harus sama dengan nol. Tetapi arus dari pembawa mayoritas tambahan hanya mungkin kalau tegangan halangan lewat hubungan berkurang. Jadi, kalu dioda hubungan p-n di buka ke cahaya, tegangan yang persis sama dengan jumlah berkurangnnya tegangan halangan, dihasilkan lewat hubungan. Tegangan ini menaikkan arus, kalau dioda dihubungkan ke rangkaian luar selama hubungan dibuka kecahaya, besarnya arus sebanding dengan intesnsitas cahaya.

            Pada saat ini sel matahari digunakan secara intensif dlam kapal ruang angkasa dan satelit sebagai sumber daya yang penting dan tahan lama. Sel-sel matahari dibangun dengan silicon, gallium arsenic, cadmium sulfite dengan banyak semikonduktor lainya. Dan dalam berbagai bentuk alat.

5.8 contoh penyelesaian soal

            1. rapat arus jenuh dari dioda germanium hubungan p-n sama dengan 250 mA/ m² pada 300⁰K. carilah tegangan yang harus diberikan lewat hubungan yang mengakibatkan rapat arus maju sebesar 10⁵A/ m².

Jawab : kita ketahui 

 

 Dengan membagi persamaan tersebut dengan luas dioda kita dapatkan persamaan untuk rapat arus.

Dimana rapat J_s rapat arus jenuh.

Diketahui

Atau,

Atau,

2. carilah resistansi statis dan dinamis dari dioda hubungan p-n germanium kalu temperaturnya 27⁰C dan I_s=1 μA untuk catu maju 0,2 V

Jawab : arus maju lewat dioda sama dengan

Dengan memasukkan harga-harga diatas, kita dapatkan :

Resistansi statis :

 

Resistansi dinamis :

 3. dengan mengacu ke gambar 5.10, misalkan bahwa tegangan catu V sama dengan 6 volt. Kalau arus zener maksimum yang dapat mengalir bebas sama dengan dengan 20 mA, tentukan harga resistansi seri R. kalau resistansi beban R_L dari 1 kΏ dihubungkan lewat diode zener, hitunglah arus beban dan arus zener. Juga hitung harga minimum R_L yang dapat digunakan.

Jawab : arus zener maksimum kalau resistansi beban R_L tidak terhingga. Sehingga

 

 Arus lewat resistansi beban R_L = 1 k ohm adalah :

Arus zener adalah :

 

 Kalau R_L berkurang, arus lewat R_L naik, dan dalam kondisi batas I_L menjadi sama dengan I, yakni 20 mA, sehingga harga R_L minimum.

 

Pertanyaan

1. Jelaskan terbentuknya medan halangan lewat semikonduktor hubungan jenis p dan jenis n.
2. untuk  peristiwa hubungan p-n tidak tercatu gambarkan perubahan muatan ruang dan energi halangan. Bedakan hubungan tangga dan hubungan berangsur linear.
3. jelaskan bagaimana dioda semikonduktor dapat digunakan sebagai penyearah
4. Apa pengaruh lebar muatan ruang pada hubungan p-n kalau hubungan tersebut (i) dicatu maju, dan (ii) dicatu balik. Gambar diagram rangkaian dari hubungan p-n dicatu maju dan (ii) hubungan p-n dicatu balik
5. gambarkan diagram pita energi dari hubungan p-n tidak dapat di catu. Jelaskan istilah-istilah: energi halangan, potensial halangan dan daerah kosong, yang berkaitan dengan hubungan p-n.
6. “potensial halangan lewat dioda hubungan p-n tidak dapat diukur dengan menempatkan voltmeter lewat terminal-terminal dioda”- jelaskan.
7. tuliskan persamaan untuk karakteristik tegangan arus dari hubungan p-n. mengapa arus jenuh balik berubah menurut temperature.? Apakah ini berubah dengan berubahnya catu ?
8. a. bedakn antara resistansi statis dan dinamis dari dioda hubungan p-n. apakah resistansi ini tergantung pada temperature dari tegangan catu?

b. definisikanlah istilah : “tegangan awal masuk” untuk dioda hubungan p-n. berapa harga-harga khas untuk dioda Ge dan diode Si ?

9.   apakah yang disebut kapasitansi hubungan ? bagaimana kapasitansi hubungan berubah menurut (i) lebar lapisan kosong, dan (ii) menurut tegangan balik yang diberikan ?

10. Apakah yang disebut dioda patah ? bagaimana penggunaannya ? jelaskan secara fisika bagaimana patahan terjadi dalam hubungan p-n ?

11. Bedakan antara patahan avalans dan patahan zener. Gambarkan rangkaian rangkaian sederhana bekerjanya dioda zener.

12. Apa yang disebut dioda terobosan ? gambarkan karakteristik volt amper khas dari dioda terobosan. Sebutkan beberapa penggunaan dari dioda terobosan.

13. Tulid catatan singkat tentang (i) dioda foto (ii) dioda pemancar cahaya (LED)

14. untuk tegangan berapa arus balik dalam dioda Ge hubungan p-n mendapatkan harga 90 persen dari harga jenuh pada temperature  kamar ? berapa arusnya kalau tegangan maju dari besarnya yang sama ?       jawab : -60 mV, 9,1 I_s

15. suatu dioda germanium hubungan p-n mempunyai arus balik jenuh 30 μA pada temperature 125⁰ C. carilah resistansi statis dan dinamis dari hubungan pada temperature tersebut untuk catu 0,2 volt dalam arah maju ?jawab : 19,7 ohm , dan 3,38 ohm)

16. Arus lewat dioda silicon hubungan p-n sama dengan 55 mA pada tegangan catu maju 0,9 V. hitunglah r_dc dan r_ac pada 27⁰C.? jawab : 16.36 ohm, 0,95 ohm

17. suatu dioda zener 12 V dihubungkan seri dengan resistansi 150 ohm dan resistansi beban 1 K ohm dihubungkan lewat dioda zener. Arus zener minimum mendekati nol dan arus zener maksimum tidak boleh melebihi 20 mA. Hitung batas kerja dari tegangan masukan. ? jawab: 13,8 volt sampai 16,8 volt.