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)

(Eb) (Gambar 5.2(e)). Potensial halangan ekivalen VB diberikan oleh EB = eVB.

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 Ecp dari jenis p

tidak berada pada tingkat yang sama dengan Ecn, dari jenis n. Demikian pula, EVP

tidak akan segaris dengan Evn. Dari Gambar 5.3, kita dapatkan:

EB =Ecp-Ecn =Evp-Evn=eVB

di mana ER adalah energi halangan, e muatan elektron dan VB potensial halangan.

Catatan, bahwa walaupun ada potensial VB= EB/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 (IS). 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 :

Is = 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

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 (Rdc) 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 rac 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 V, arus akan sangat kecil. Sesudah V arus mendadak naik.

Tegangan V dinamakan tegangan awal masuk atau offset atau tegangan-ambang

dari dioda. Khususnya, untuk dioda germanium V ≈ 0,2 V untuk dioda silikon

V ≈ 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 RL tetap,

walaupun catu tegangan v dan resistansi beban RL 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

Iz dan IL arus-arus melewati berturu-turut dioda zener dan resistansi beban, hukum

arus (HAK) dan hukuj tegangan kirchoff memberikan :

Dan I=Iz+IL (5.6)V0=V-IR (5.7)

juga V0=IL RL (5.8)

misalkan, tegangn catu V tetap besarnya dari resistansi beban RL berubah

karena tegangan zener V0 cenderung tetap besarnya, persamaan (5.7) memberikan

δI=0. kemudian kita dapatkan dari persamaan (5.6)

δI=δIZ + δIL =0atau,

δIZ= -δIZ

jadi, kalau resistansi beban naik tetapi tegangan catu tetap, arus IL turun

dan arus Iz naik dalam julah yang sama sehingga arus total I tetap besarnya.

Sekarang misalkan, bahwa resistansi beban RL tetap dan tegang vatu V

berubah. Karena V0 mengarah tetap, dipersamaan (5.7) kita dapatkan

δV=RδI.Dari persamaan 5.8 kita dapatkan δ IL=0, dari persamaan 5.6 δ I=δIZ. jadi, kalau

tegangan catu diubah tetapi resistansinya beban dijaga tetap, arus total I dan arus

zener IZ berubah dengan besar yang sama untuk menjaga arus beban IL konstan.

Catatan, bahwa tegangan zener V0 tetap, arus zener Iz dapat berubah.

Sehingga resistansi DC dari dioda zener yakni V0 / Iz tidak tetap. Resistansi

dinamis rz diberikan oleh kebalikan oleh kemiringan karakteristik, yakni oleh δ V0

/ δ IZ. karena karekteristik zener mendekati parelel dengan sumbu arus, δ V0=0,

yakni rz=0. dalam praktek, rz 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 (GaAsx-Plx) 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 GaAsx-Pl-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 Js rapat arus jenuh. Diketahui

dan

Atau,

Atau,

2. carilah resistansi statis dan dinamis dari dioda hubungan p-n germanium

kalu temperaturnya 270C dan Is=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 RL

dari 1 kΏ dihubungkan lewat diode zener, hitunglah arus beban dan arus zener.

Juga hitung harga minimum RL yang dapat digunakan.

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

Arus lewat resistansi beban RL = 1 k ohm adalah :

Arus zener adalah :

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

Pertanyaan1. 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 Is

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 rdc dan rac 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.