Dioda P-N Junction

Dioda merupakan perangkat elektronika semikonduktor yang berfungsi untuk mengalirkan arus listrik satu arah dari terminal Anoda ke terminal Katoda, arah arus sebaliknya akan diblok atau tidak dilewatkan oleh dioda. Dioda yang umum digunakan adalah dioda silikon. Simbol dioda ditunjukan pada Gambar 1. 

Gambar 1. Simbol Dioda

Dioda P-N Junction

Dioda P-N junction dibuat dari dua material semikonduktor tipe N dan tipe P yang diletakan sangat berdekatan sehingga material tipe N dan P bertemu, daerah pertemuan tersebut disebut sebagai junction.

Gambar 2. Dioda P-N Junction

Gambar 2 menunjukan bahwa Katoda memiliki semikonduktor tipe N yang umum disebut sebagai N region dengan elektron sebagai pembawa mayoritas (majority carrier), sedangkan Anoda memiliki semikonduktor tipe P dan umum disebut sebagai P region dengan hole sebagai pembawa mayoritas.

Dioda memiliki daerah pertemuan antara semikonduktor tipe P dan tipe N (P-N junction) yang berfungsi sebagai isolasi sehingga elektron dan hole tidak mudah untuk melintasi junction, daerah tersebut disebut sebagai depletion region atau sering disebut sebagai depletion layer.

Depletion layer merupakan daerah yang mengisolasi antara P region dan N region sehingga elektron sulit untuk berpindah ke P region, untuk memindahkan elektron ke P region memerlukan bias maju (forward bias) untuk memaksa elektron pindah dari N region ke P region yang menyebabkan arus listrik dapat mengalir. Depletion layer dapat melebar dan menyempit sesuai dengan tegangan bias yang digunakan. Jika tegangan bias maju semakin besar maka depletion layer semakin menyempit sehingga elektron lebih mudah berpindah ke P region. Jika diberi tegangan bias mundur (reverse bias) semakin besar maka depletion layer semakin melebar yang menyebabkan elektron sulit untuk berpindah ke P region sehingga tidak ada arus listrik yang mengalir pada dioda.

Dioda dengan kondisi Zero Bias

Kondisi zero bias adalah dimana kondisi dioda tidak diberi tegangan dimana masing-masing terminal dioda dihubung singkat satu sama lain seperti ditunjukan pada Gambar 3.

Gambar 3. P-N Junction kondisi Zero Bias

Saat dioda tidak diberi tegangan dan masing-masing terminal dihubung singkat lalu dihubungkan ke pentanahan (grounding) maka beberapa hole pada P region memiliki energi cukup untuk melewati barrier (junction), kondisi ini disebut sebagai forward current. Begitu juga dengan hole (minority carrier) yang dihasilkan pada N region juga dapat melintasi junction yang disebut sebagai reverse current. Transfer elektron dan hole bolak-balik melewati junction disebut sebagai difusi seperti ditunjukan pada Gambar 3. Jika jumlah hole dan elektron sama dan bergerak ke arah berlawanan maka keseimbangan akan terjadi dan hasilnya adalah tidak ada arus yang mengalir.

Dioda dengan bias mau (forward bias)
Dioda dengan  tegangan bias maju adalah kondisi dimanan terminal Anoda diberi tegangan positif atau tegangan lebih besar dibanding dengan terminal Katoda. Tegangan pada Katoda bisa netral (0 Volt) atau tegangan negatif.

Gambar 4. P-N Junction kondisi bias maju

 

Saat tegangan bias maju lebih besar dari tegangan barrier (0,7 Volt), maka hole dan elektron memiliki energi cukup untuk melewati junction dan arus listrik dapat mengalir dari terminal Anoda ke Katoda. Hal tersebut terjadi karena tegangan negatif menolak elektron hingga memberi elektron energi untuk melintasi junction dan menyebabkan depletion layer menyempit sehingga lebih mudah elektron dan hole melintasi junction. 

Gambar 5. Grafik karakteristik dioda kondisi bias maju

Keterangan Gambar 5

1. VF : Tegangan  bias maju.
2. IF :  Arus yang mengalir melalui dioda dalam kondisi bias maju.
3. Knee : Adalah tegangan minimal dimana dioda dapat mengalirkan arus listrik dalam jumlah besar, tegangan knee silikon sebesar 0.7 Volt.

Dioda dengan reverse bias
Dioda dengan reverse bias adalah dioda diberi tegangan terbalik yaitu terminal Anoda diberi tegangan negatif atau netral (0 Volt) sedangkan terminal Katoda diberi tegangan positif atau lebih besar dibanding tegangan pada terminal Anoda.

Gambar 7. P-N Junction kondisi bias mundur

Kondisi bias mundur Gambar 7 menunjukan bahwa tegangan positif sumber menarik elektron pada N region, dan tegangan negatif sumber menarik hole pada P region yang menyebabkan daerah depletion layer semakin melebar dan membuat elektron dan hole sulit melewati junction sehingga dioda memiliki impedansi yang sangat tinggi. Dengan impedansi yang sangat tinggi arus tidak mengalir pada dioda.

Gambar 8. Grafik karakteristik dioda kondisi bias mundur

Keterangan Gambar 8 : 

1. VR : Tegangan dioda dalam kondisi bias mundur.
2. IR : Arus yang mengalir pada dioda dalam kondisi bias mundur.
3. Breakdown : Merupakan tegangan bias mundur maksimum yang diperbolehkan pada dioda berdasar nilai yang diijinkan pabrikan.

Gambar 8 menunjukan bahwa jika dioda diberi tegangan bias mundur sangat besar hingga mencapai batasnya maka akan terjadi breakdown yang menyebabkan dioda mengalirkan arus yang cukup besar. Dalam keadaan ini dioda dapat seketika rusak jika melewati ambang batas tegangan bias mundur yang diperbolehkan oleh pabrikan.

Gambar 9 menunjukan karakteristik bias maju dan bias mundur . 

Gambar 9. Grafik karakteristik dioda 

 

Sifat-sifat dioda silikon :

1. Menghantarkan arus  minimum dengan tegangan 0.7 Volt.
2. Arus maju yang diijinkan cukup besar.
3. Hambatan maju sangat kecil, hambatan terbalik sangat besar dapat mencapai beberapa MΩ.
4. Tegangan terbalik (bias reverse) maksimum yang diijinkan cukup besar yaitu mencapai 1000 Volt atau lebih.

Penyebab kerusakan pada dioda :

1. Karena arus maju yang berlebih.
2. Karena tegangan mundur atau terbalik yang terlalu tinggi.
3. Menghubungkan terminal dioda pada terminal sumber arus secara langsung tanpa beban (hubung singkat). 

Untuk menghindari kerusakan dioda, arus maju maksimum dan tegangan terbalik yang direkomendasikan oleh pabrik jangan sampai dilampau atau dilewati.

Menghitung Arus yang mengalir pada dioda

Gambar 10. Dioda dengan bias maju

Gambar 10 menunjukan bahwa arus listrik mengalir dari terminal Anoda ke Katoda dengan beban resistor. Besarnya arus maksimum pada rangkaian dapat dicari dengan rumus yang mengacu pada Hukum Ohm :

I = V / R

Karena dioda bekerja membutuhkan tegangan maju minimal sebesar 0.7 Volt maka arus maksimum dapat dicari sebagai berikut :

I = (V - 0.7 Volt) / R

Jika V = 10 Volt, R = 1 kΩ maka arus pada rangkaian adalah :

I = 10 - 0.7 Volt / 1000 Ω
I = 9.3 mA

Arus mengalir pada rangkaian besarnya sama dengan arus yang melalui dioda.

Beberapa jenis Dioda :

1. Dioda Tunnel
2. Dioda Varactor
3. Dioda Zener

EoF