Komponen Elektronik : DIODA

 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

Dioda Zener adalah dioda P-N junction yang bekerja dengan memanfaatkan area reverse bias sehingga pemasangannya selalu terbalik (berlawanan dengan dioda pada umumnya).

Gambar 1. Dioda Zener

Saat dioda zener dipasang pada posisi reverse dan mencapai tegangan breakdown maka dioda zener mengalirkan arus reverse yang besar sehingga tegangan pada dioda zener dijaga tetap stabil dikisaran tegangan breakdown.

Dioda zener di-doping lebih tinggi sehingga memiliki bahan semikonduktor dengan konsentrasi tinggi dibanding dengan dioda P-N junction biasa sehingga memiliki daerah depletion layer yang lebih tipis dan mengijinkan arus lebih besar dibanding P-N junction pada umumnya. Dioda zener juga dapat bekerja pada forward bias seperti normal P-N junction meskipun dioda zener didesain bekerja dalam keadaan reverse.

Dioda Zener memiliki 2 jenis tegangan breakdown yaitu :
1. Zener breakdown
Tegangan breakdown terjadi karena lapisan depletion layer sangat tipis yang disebabkan doping tinggi pada masing-masing region. Saat diberi tegangan reverse maka daerah depletion layer menghasilkan medan listrik kuat. Saat tegangan reverse mendekati tegangan breakdown dioda zener, medan listrik sekitar depletion layer mampu menarik elektron dari pita valensi. Elektron valensi yang menerima cukup energi dari medan listrik kuat pada depletion layer memutus ikatan dengan atom induk dan menjadi elektron bebas. Elektron bebas inilah yang membawa arus listrik dari satu tempat ke tempat lain. Dengan meningkatnya tegangan reverse akan meningkatkan besarnya arus listrik.

Gambar 2. Kondisi zener breakdown

2. Avalanche breakdown

Avalanche breakdown terjadi saat dioda zener dan normal P-N junction pada kondisi tegangan reverse tinggi sehingga elektron bebas mendapatkan sejumlah energi yang besar yang menyebabkan laju atau pergerakan menjadi lebih cepat. Elektron dengan kecepatan tinggi bertabrakan dengan atom dan menghasilkan lebih banyak elektron, lalu elektron yang dihasilkan tadi mendapatkan energi yang besar dan menghasilkan kecepatan tinggi dan bertabrakan lagi dengan atom bebas dan menghasilkan elektron bebas. Karena tabrakan terjadi terus menerus dan menghasilkan elektron semakin banyak maka dioda akan mengalirkan arus listrik semakin besar.

Gambar 3. Avalanche breakdown

Kegunaan Dioda Zener
Dioda zener umumnya digunakan sebagai voltage regulator yaitu untuk menjaga tegangan agar tetap stabil meskipun tegangan sumber mengalami kenaikan tegangan.

Gambar 4. Zener sebagai voltage regulator

Gambar 4 menunjukan rangkaian voltage regulator menggunakan dioda zener. Tegangan pada dioda zener akan selalu stabil pada nilai sekitar tegangan breakdown dioda zener, hal ini menyebabkan tegangan pada terminal Base transistor juga stabil, sehingga output pada terminal Emitter transistor mengikuti tegangan pada terminal Base transistor tetapi sedikit lebih kecil sekitar 0,7 Volt. Dengan adanya dioda zener terhubung pada terminal Base transistor maka tegangan output akan selalu stabil dikisaran tegangan breakdown dioda zener saat sumber dc input melebihi tegangan breakdown dioda zener.

Dioda Tunnel adalah dioda P-N junction dengan konsentrasi tinggi (doping tinggi) pada masing-masing region serta memiliki daerah depletion region sangat sempit dengan rentang nano meter sehingga dengan tegangan dibawah tegangan barrier depletion layer, dioda tunnel dapat mengalirkan arus listrik (arus tunnel).

Gambar 1. Simbol dioda tunnel

Prinsip kerja diode tunnel

Saat Diode Tunnel tidak diberi tegangan bias (Unbiased)

Saat Dioda Tunnel tidak diberi tegangan bias pada kedua ujung terminalnya, pita valensi dan pita konduksi akan overlap karena doping (konsentrasi) yang tinggi sehingga tidak ada arus tunnel yang mengalir. Gambar 2 menunjukan tidak ada arus tunnel yang mengalir.

Gambar 2. Ilustrasi Dioda Tunnel tanpa bias

Saat Diode Tunnel diberi bias maju (forward bias) dengan tegangan lebih kecil dari tegangan barrier, arus tunnel akan melewati barrier yang ditunjukan Gambar 3.

Gambar 3. Arus tunnel

Saat diode tunnel diberi forward bias jauh dibawah tegangan barrier 
Gambar 4 menunjukan jika dioda Tunnel diberi forward bias lebih kecil dibanding tegangan barrier maka arus Tunnel yang mengalir sangat rendah atau minimum. Hal tersebut terjadi karena daerah tipe P dan tipe N tidak berada pada posisi yang sejajar sehingga arus yang mengalir kecil.

Gambar 4.  Arus Tunnel rendah

Saat dioda tunnel diberi forward bias sedikit lebih besar tetapi masih di bawah tegangan barrier

Gambar 5 menunjukan elektron mengalir dari tipe N diberi forward bias semakin besar hingga tipe P dan tipe N tidak overlap atau sejajar. Hal ini menyebabkan arus tunnel menjadi maksimum.

Gambar 5. Arus Tunnel maksimum

Saat diode Tunnel diberi forward bias lebih besar

Jika dioda Tunnel diberikan tegangan forward bias lebih besar dari pada tegangan barrier depletion layer maka maka pita konduksi dan pita valensi mulai terjadi overlap sehingga arus Tunnel mulai berkurang. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 6.

Gambar 6. Arus Tunnel minimum atau rendah

  

Saat Diode Tunnel diberi forward bias jauh lebih besar

Jika Dioda Tunnel diberikan tegangan forward bias jauh lebih besar dari pada tegangan barrier depletion layer maka pita konduksi dan pita valensi tidak lagi overlap sehingga tidak ada arus Tunnel mengalir dan Dioda Tunnel bertingkahlaku seperti dioda PN-junction biasa.

Gambar 7. Tidak ada arus Tunnel

Keunggulan Dioda Tunnel : 

Dapat dioperasikan untuk kecepatan tinggi. 

Konsumsi daya rendah. 

Low noise. 

Kegunaan Dioda Tunnel :

Digunakan sebagai logic memory storage device. 

Digunakan sebagai ultra high-speed switch. 

Gigunakan pada rangkaian oscillator relaksasi. 

Dioda  Varactor

Dioda Varactor (Diode Variable Capacitor) merupakan dioda P-N junction yang memiliki kapasitansi bervariasi tergantung dari besarnya tegangan reverse yang diterapkan. Dioda Varactor hanya dioperasikan pada kondisi bias reverse.  

Gambar 1. Dioda varactor 

Depletion layer pada dioda Varactor berperan sebagai bahan dielektrik dimana tidak mengijinkan arus mengalir. Saat kondisi reverse bias elektron pada N-region dan hole dari P-region bergerak saling menjauhi junction sehingga depletion layer semakin lebar yang menyebabkan kapasitansi berkurang. Jika tegangan bias reverse sangat rendah maka kapasitansi bertambah besar. Kapasitansi dioda varactor berbanding terbalik dengan lebar depletion layer dan berbanding lurus dengan luas permukaan N-region dan P-region. 

Gambar 2. Dioda varactor tanpa bias

Gambar 2 menunjukan bahwa dioda varactor tanpa bias dimana pada N-region elektron memiliki konsentrasi tinggi dibanding P-region dan P-region memiliki konsentrasi hole lebih tinggi dibanding N-region sehingga elektron dan hole akan berusaha untuk melewati barrier. Jika tidak ada bias pada elektroda dioda maka elektron dan hole akan menjauh satu sama lain. Beberapa atom netral pada N-region sekitar junction kehilangan elektron sehingga menjadi muatan positf (ion positif), beberapa atom netral pada P-region sekitar junction mendapatkan elektron tambahan sehingga menjadi ion negatif. Ion positif dan ion negatif yang tercipta pada persimpangan (junction) dikenal sebagai depletion layer. Depletion layer yang tercipta akan mencegah arus lebih lanjut. Lebar depletion layer tergantung dari jumlah doping pada masing-masing region.

Cara kerja Dioda Varactor :
Dioda varactor bekerja pada daerah reverse bias karena pada reverse bias arus listrik tidak akan mengalir melalui dioda yang ditunjukan pada Gambar 3. Dioda varactor dirancang untuk menyimpan muatan listrik bukan untuk mengalirkan arus listrik. 

Gambar 3. Dioda varactor kondisi reverse bias

Saat tegangan tegangan reverse bias diperbesarr, depletion layer dioda varactor semakin melebar sehingga kapasitansi menjadi berkurang. Saat tegangan reverse sangat kecil maka depletion layer menipis sehingga kapasitansi bertambah. Berkurangnya kapasitansi berarti berkurangnya storage charge, sedangkan dengan bertambahnya kapasitansi berarti bertambah storage charge muatan listrik. Besarnya kapasitansi pada dioda varactor tergantung dari besarnya tegangan reverse. Besarnya kapasitansi dioda varactor diukur atau dihitung dalam satuan pico Farad (pF).

Dioda varactor umum digunakan sebagai :

1. Frequency Multiplier
2. Voltage control Oscillator
3. Parametric Amplifier