DIODA

DIODA

A. Dioda

Tahun 1883, secara tidak sengaja Edison telah membuat dioda pertama melalui pengujian bola lampunya. Bila salah satu elektroda diberi tegangan positif terhadap kawat (filamen) maka ada arus mengalir antara dua kawat dan bila diberi tegangan negatif maka tidak ada arus mengalir. Kata “dioda” adalah  di = dua dan ode = elektroda. Jadi dioda adalah piranti dua terminal yang terbuat dari bahan semikonduktor dengan arah arus tertentu.

Dioda-dioda semula berupa piranti-piranti tagung hampa dengan filamen panas (disebut katoda) yang memancarkan elektron-elektron bebas dan suatu pelat positif (disebut anoda) yang mengumpulkan elektron-elektron tersebut.

Dioda modern memakai piranti  semikonduktor dengan bahan tipe n yang menyediakan elektron-elektron bebas dan bahan tipe p yang mengumpulkannya.  

Bahan tipe n adalah terbentuknya elektron bebas tidak disertai terbentuknya hole tetapi terbentuk ion positif yang tidak dapat bergerak seperti gambar 1. Dimana, tanda - adalah elektron-elektron bebas sebagai pembawa-pembawa mayoritas (majority carriers), tanda – adalah hole-hole sebagai pembawa-pembawa minoritas (minority carriers) dan tanda plus dilingkari adalah ion-ion donor atau ion-ion positif. Dan sebaliknya bahan tipe p adalah terbentuknya hole disertai terbentuknya ion negatif yang tidak dapat bergerak seperti gambar 2. Dimana, tanda + adalah hole-hole (pembawa-pembawa mayoritas) dan tanda minus dilingkari adalah ion-ion akseptor atau ion-ion negatif.

Gambar 1  Semikonduktor Tipe n

Gambar 2  Semikonduktor Tipe p

1.  Lapisan Pengosongan (depletion layer)

Batas antara bahan tipe p dan bahan tipe n disebut persambungan (junction) seperti gambar 3.

                                                    

Gambar 3  Gambar Persambungan PN

Secara difusi bila suatu elektron memasuki daerah p maka elektron ini sebagai pembawa minoritas. Dengan dikelilingi oleh lubang-lubang yang berjumlah banyak, pembawa minoritas akan masuk ke salah satu lubang, lubang bersangkutan akan lenyap dan elektron bebas menjadi elektron valensi. Daerah yang mengandung ion-ion positif dan negatif disebut lapisan pengosongan (depletion layer) karena pada daerah ini mengalami pengosongan dari pembawa-pembawa muatan elektron maupun hole. Hubungan pn ini yang disebut dioda dengan kaki yang bertanda positif  (A) disebut anoda dan kaki yang bertanda negatif  (K) disebut katoda. Adapun simbol dioda adalah seperti pada gambar 4.

                                                         

Gambar 4 Simbol dioda

2.  Forward bias

Hubungan forward bias (bias maju) adalah bila kaki Anoda (bahan tipe p) dihubungkan ke sumber tegangan positif dan kaki Katoda (bahan tipe n) dihubungkan ke sumber tegangan negatif. Elektron-elektron bebas di bahan n bergerak menuju ke persambungan yang meninggalkan ion-ion positif di sebelah kanan kristal. Ion-ion positif ini kemudian akan menarik elektron-elektron bebas dari baterai (sumber tegangan) lewat kawat rangkaian. Jadi, arah aliran elektron adalah dari bahan tipe n ( K) ke bahan tipe p (A) dan sebaliknya arah arus dari bahan tipe p (A) ke bahan tipe n (K) seperti gambar 5.

Gambar 5 forward bias diode

3.  Reverse Bias

Reverse Bias adalah pemberian sumber tegangan yang terbalik dimana kaki Anoda (bahan tipe p) dihubungkan ke sumber tegangan negatif dan kaki Katoda (bahan tipe n) dihubungkan ke sumber tegangan positf. Pembawa-pembawa mayoritas tidak dapat menyeberangi persambungan dan  elektron-elektron bebas tidak mempunyai energi yang cukup besar untuk menyeberangi persambungan sehingga tidak ada aliran arus dari katoda ke Anoda seperti gambar 6.

Gambar 6  Reverse bias diode

Dioda disebut aktif atau ‘on’ apabila mendapat arus maju I_F (forward bias) dari hubungan baterai seperti gambar 5 dan dioda disebut tidak aktif atau ‘off’ apabila mendapat arus mundur I_R (reverse bias ) dari hubungan baterai seperti gambar 6. Adapun karakteristik Dioda adalah seperti pada gambar 7

Gambar 7 Karakteristik Dioda

Dioda aktif apabila, untuk bahan semikonduktor Silikon V_F = 0,7 Volt dan untuk bahan semikonduktor Germanium V_F = 0,3 Volt.   Dioda tidak aktif apabila  V_D < 0 maka untuk semikonduktor Silikon I_D = 0 mA dan untuk semikonduktor Germanium I_D =I_R. Pada saat arus reverse bias maksimum atau sama dengan V_BD (Breakdown Voltage) maka arus tak terhingga atau dioda dapat menjadi rusak.

Rumus umum untuk arus dioda I_D adalah:

dimana,   

          

          I_S = arus reverse saturasi

          k = 11.600/ɳ dengan ɳ=1 untuk Ge dan ɳ=2 untuk Si

          T_k = T_C + 273⁰

2.2     

2.3 Dioda Zener

          Prinsip kerja Dioda Zener adalah sama dengan kondisi arus reverse dioda dimana pada saat dimana V_BD disebut juga dengan V_Z maka dioda zener akan aktif dan teganan tetap sebesar tegangan zener V_Z walaupun V_D diberikan < V_Z seperti gambar 8. 

                                                              

Gambar 8 Karakteristik Dioda Zener

2.4  Aplikasi Dioda

Contoh:

Diket:

Untuk rangkaian dioda seperti gambar 31(a) dan menggunakan karakteristik seperti terlihat pada grafik 31(b).

Ditanya:

          Tentukanlah,

a.   V_Dq  dan I_Dq

b.   V_R

(a)                                              (b)

Gambar 31 Contoh rangkaian dan karakteristik dioda

Jawab:

          Dengan memakai rumus KVL yaitu

Dari rumus KVL, dimana,

  

a.   Nilai I_D dan V_D di-plot ke karakteristik dioda sehingga didapatkan, 

 

Seperti gambar 10.

Gambar 10 Hasil pembacaan nilai I_Dq dan V_Dq

b.   Tahanan R₁ seri dengan Dioda D₁ maka I_R = I_Dq sehingga,

atau

perbedaan perhitungan V_R dikarenakan pendekatan pembacaan nilai I_Dq dan V_Dq dari karakteristik dioda gambar 10 diatas.

Adapun hasil simulasi rangkaian dan bentuk gelombang input dan output seperti pada gambar 11.

Gambar 11 Bentuk gelombang V_i dan V_O hasil simulasi.

2.4.1  Gerbang OR dan AND

2.4.1.1 Gerbang OR

Rangkaian gerbang OR dapat dirancang dengan memakai dioda seperti gambar 12. Sesuai dengan tabel kebenaran gerbang OR apabila kedua input berlogika ‘0’ maka output gerbang OR akan berlogika ‘0’ dan apabila salah satu atau kedua input berlogika ‘1’ maka output gerbang OR akan berlogika ‘1’

Gambar 12  Rangkaian dan tabel kebenaran gerbang OR

Contoh, seperti gambar rangkaian 12 diatas bahwa V₁ = 10 V (berlogika ‘1’) dan V₂ = 0 Volt (berlogika ‘0’) maka hasil tabel kebenaran adalah berlogika ‘1’ (V_O = 10 Volt). Dengan memakai rumus KVL akan mendapatkan hasil yang sama, yakni dengan V₂ di-ground maka dioda D₂ tidak aktif dan dengan V₁ berlogika ‘1’ maka ada arus dari V₁=10 V melalui R = 1k Ω ke ground. Dimana, V_O paralel dengan tegangan di R sehingga V_O = V_R = V₁ – V_D = 10 – 0,7 = 9,3 V (logika ‘1’). Jadi hasilnya sama dengan di tabel kebenaran yaitu berlogika ‘1’.

2.4.1.2     Gerbang AND

Hal yang sama seperti analisa rangkaian gerbang OR dapat diterapkan di rangkaian gerbang AND seperti gambar 13 yaitu dengan memakai rumus KVL. Jika V₁ =’1’ dan V₂ = ‘0’ maka dioda D₁ tidak aktif karena kaki Anoda bertegangan 10 Volt dan kaki katoda bertegangan 10 Volt juga. Dioda D₂ aktif sehingga tegangan output V_O = V_i - V_R = V_D2 = 0,7 Volt (berlogika ‘0’).  

                      Gambar 13 Rangkaian dan tabel kebenaran gerbang AND

2.4.2.  Penyearah (rectification)

2.4.2.1     Penyearah setengah gelombang (half-wave rectification)

Adapun rangkaian half-wave rectification dengan gelombang tegangan input V_i berbentuk sinus seperti gambar 14. Pada saat tegangan input bertegangan setengah gelombang positif maka dioda aktif atau terjadi short circuit pada dioda jika dimisalkan dioda adalah dioda ideal seperti gambar 15. Tegangan setengah gelombang positif terbentuk di tahanan R seperti terlihat pada hasil simulasi gambar 16. Dan sebaliknya, pada saat tegangan input V_i bertegangan setengah gelombang negatif maka dioda tidak aktif (seperti rangkaian terbuka) sehingga tidak ada arus yang mengalir di tahanan R atau V_O =V_R = 0 Volt.

Gambar 14 rangkaian half-wave rectification

Gambar 15 Dioda ideal aktif menjadi rangkaian short circuit

(a)
(b)

Gambar 16 (a) rangkaian dan (b) bentuk gelombang input dan output hasil simulasi

2.4.2.2     Penyearah gelombang penuh (full-wave rectification)

2.4.2.2.1       Bridge network

Adapun rangkaian dan bentuk output hasil simulasi seperti gambar 17. Pada saat tegangan input V_i bertegangan setengah gelombang positif maka arus dari V_i mengalir ke dioda D₂, terus ke tahanan R, ke D₃ dan kembali ke V_i, sehingga tegangan setengah gelombang positif terbentuk di tahanan R dengan arah arus mengalir di tahanan R dari kanan ke kiri. Dan sebaliknya pada saat tegangan input bertegangan setengah gelombang negatif maka dioda D₁ dan D₄ aktif sehingga arus di tahanan R tetap berarah dari kanan ke kiri.

(a)
(b)

Gambar 17 (a) rangkaian dan (b) bentuk gelombang input dan output hasil simulasi

2.4.2.2.2       Centre Tapped Transformer

Rangkaian dan bentuk output hasil simulasi seperti gambar 18. Pada saat tegangan input V_i bertegangan setengah gelombang positif maka arus dari V_i mengalir ke dioda D₁, terus ke tahanan R dan kembali ke V_i, sehingga tegangan setengah gelombang positif terbentuk di tahanan R dengan arah arus mengalir di tahanan R dari kanan ke kiri. Dan sebaliknya pada saat tegangan input bertegangan setengah gelombang negatif maka dioda D₂ aktif sehingga arus di tahanan R tetap berarah dari kanan ke kiri.

(a)
(b)

Gambar 18 (a) rangkaian dan (b) bentuk gelombang input dan output hasil simulasi

2.4.3  Clippers

Rangkaian clippers adalah rangkaian pemotong sinyal input Vi dengan memanfaatkan kerja dioda.

a). seri

Rangkaian dan bentuk gelombang input V_i dan output V_O serta hasil simulasi seperti gambar 19. Pada saat tegangan input V_i bertegangan setengah gelombang positif maka arus dari V_i mengalir ke dioda D₁, terus ke tahanan R dan kembali ke V_i, sehingga tegangan setengah gelombang positif terbentuk di tahanan R. Dan sebaliknya pada saat tegangan input bertegangan setengah gelombang negatif maka dioda D₁ tidak aktif sehingga tegangan di V_O = V_R = 0 Volt.

(a)
(b)
(c)

Gambar 19 (a) rangkaian, (b) dan (c) bentuk gelombang input dan output hasil simulasi dengan untuk arah dioda yang berbeda

b). Clipper seri dengan DC

         
 Rangkaian suatu sumber tegangan dc yang diserikan dengan dioda seperti gambar 20.

(a)
(b)
(c)

Gambar 20 (a) rangkaian dan bentuk gelombang  V_i dan V_O (b) dan (c) hasil simulasi bentuk gelombang V_i dan V_O dengan seri -V_dc dan +V_dc 

c). Paralel

Adapun rangkaian dan bentuk gelombang input V_i dan output V_O serta hasil simulasi seperti gambar 21. Pada saat tegangan input V_i bertegangan setengah gelombang positif maka arus dari V_i mengalir ke tahanan R, terus ke dioda D₁ dan kembali ke V_i, sehingga tegangan V_O = V_D = 0,7 Volt. Dan sebaliknya pada saat tegangan input bertegangan setengah gelombang negatif maka dioda D₁ tidak aktif sehingga tegangan di V_O = V_i.

(a)
(b)
(c)

Gambar 21 (a) rangkaian, (b) dan (c) bentuk gelombang input dan output hasil simulasi

d). Clipper paralel dengan DC

Rangkaian suatu sumber tegangan dc yang diparalelkan dengan dioda seperti gambar 22.

(a)
(b)
(c)
(d)

Gambar 22 (a) rangkaian dan bentuk gelombang  V_i dan V_O (b) dan (c) bentuk gelombang input dan output hasil simulasi dengan seri +V_dc dan –V_dc serta (d) dengan ±V_dc

2.4.4  Clamper

Rangkaian clamper adalah rangkaian yang menarik tegangan (peak to peak) ke atas atau ke bawah dengan memanfaatkan prinsip kerja kapasitor seperti gambar 23. Pada setengah gelombang positif (saat dioda aktif) maka C mengisi sehingga V_C = V_i dan setengah gelombang negatif maka dioda tidak aktif dan C membuang sebesar V_C ke tahanan R sehingga V_R = 2 V_i = V_i +V_C.

(a)
(b)
(c)
(d)
(e)

Gambar 23 (a) rangkaian dan bentuk gelombang  Vi dan Vo (b) gambar arah arus saat dioda aktif dan tidak aktif (c) bentuk gelombang input dan output hasil simulasi. (d) dan (e) Hasil simulasi bentuk gelombang output V_O dimana dioda seri dengan +Vdc dan - Vdc

          Dari gambar  23(e) untuk mendapatkan hasil output maka dipakai rumus KVL. Dimulai dari tegangan input setengah gelombang negatif maka dioda aktif dan kapasitor C mengisi sehingga V_O = V_dc = -5 Volt (misal dioda ideal V_F=0 Volt) serta,

 

Dan saat tegangan input setengah gelombang positif maka dioda tidak aktif dan kapasitor C (V_C = 10 Volt) membuang sehingga,

2.4.5  Dioda Zener

Dioda zener saat ‘on’ bertegangan sebesar Vz dan saat ‘off’ bertegangan sebesar V_D seperti gambar  24  yaitu gambar rangkaian ekivalen dioda zener.

          Dari gambar  24(c) untuk mendapatkan hasil output maka dipakai rumus KVL. Bila diberikan tegangan input setengah gelombang positif maka dioda zener aktif (V_D ≥ V_BD)  maka

Jika diberikan tegangan input setengah gelombang negatif maka dioda zener tidak aktif (berfungsi seperti dioda biasa aktif) sehingga,

(a)
(b)
(c)

Gambar 24 (a) rangkaian ekivalen dioda zener (b) Rangkaian paralel dioda zener dan bentuk gelombang input dan output (c) hasil simulasi paralel dioda zener

2.4.6  Voltage Multiplier Circuit

Rangkaian pengganda tegangan (Voltage Multiplier Circuit) adalah rangkaian yang dapat melipatgandakan keluaran tegangan outputnya dengan memanfaatkan prinsip kerja kapasitor seperti gambar 25.

(a)
(b)
(c)

Gambar 25 (a) rangkaian Voltage Multiplier (b) hasil simulasi bentuk gelombang output pada setengah siklus (c) hasil simulasi bentuk gelombang output pada satu siklus