1. MAKALAH ELEKTRONIKA ANALOG
DIODA SEMIKONDUKTOR
Disusun Oleh :
Nur Aoliya (4201412014)
Nur Hafiyani (4201412016)
Jelia Fetmi (4201412027)
Maria Ulfa (4201412028)
Fiki Layyinatun N (4201412097)
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG
2013

2. DIODA SEMIKONDUKTOR
1. Persamaan Dioda
Pada daerah pengosongan (repletion region) terdapat medan listrik yang menimbulkan
adanya bukit potensial. Bukit potensial ini akan menghambat difusi elektron dan lubang.
Agar elektron dapat berpindah dari n ke p, maka ia harus memiliki energi lebih besar dari
pada bukit potensial. Jika dioda sambungan p-n diberi tegangan maju, bukit potensial Vh
menjadi berkurang , sehingga elektron bagian n dan lubang bagian p mudah menyeberang
dan terjadi aliran listrik. Pada tegangan maju bukit potensial sambungan p-n berkurang
dapat ditulis sebagai :
Vh = Vho –V (1)
Dimana Vho adalah tinggi bukit potensial tanpa panjar, dan V adalah beda tegangan pada
dioda.
Sesuai dengan statistik Boltzman, banyaknya elektron pada bagian P yang mempunyai
energi di atas Vh sebanding dengan e –qVh/KT
, atau secara matematik dapat ditulis :
np = nn e –qVh/KT
(2)
Dengan nn adalah rapat elektron dri bagian n, q adalah muatan elektron ( 1,6 x 10-19
coloumb), k adalah tetapan Boltzmann ( 1,38 x 10-23
joule/kelvin) dan T adalah suhu
dalalm kelvin. Begitu juga halnya dengan lubang. Jika rapat lubang pada bagian p adalah
pp maka rapat lubang pn yang dapat berdifusi ke bagian n adalah :
pn = pp e –qVh/KT
(3)
Arus yang disebabkan difusi pembawa muatan np dan pn disebut arus injeksi. Besar arus
injeksi ialah :
II = K (np + pn )
= K (nn e –qVh/KT
+ pp e –qVh/KT
)
= K (nn + pp ) e –qVh/KT
= K (Nd + Na ) e –qVh/KT
(4)
Nd adalah rapat atom donor, dan Na adalah rapat atom akseptor. Karena Nd dan Na
merupakan tetapan , arus injeksi dapat ditulis sebagai :
II = K' e –qVh/KT
(5)
Dengan mensubtitusikan persamaan (2.1) ke persamaan (2.5) didapatkan :
II = K' e –q(Vho – V)/KT
(6)

3. Tetapan K' dapat dinyatakan dengan arus penjenuhan Is , yaitu arus yang mengalir jika
dioda diberi tegangan mundur. Tanpa tegangan , arus dioda adalah nol, karena pada
keadaan itu arus injeksi sama dengan arus penjenuhan , tetapi berlawanan arah , maka :
II(V=0) = -Is = K' e –qVho/KT
atau K' = - Is e qVho/KT
(7)
Sehingga apabila persamaan (7) disubstitusikan ke dalam persamaan (6), didapatkan :
II = - Is e qVho/KT
e –q(Vho – V)/KT
Atau II = - Is e qV/KT
(8)
Arus total yang mengalir dalam keadaan tegangan maju adalah :
I = II + Is = - Is (e qV/KT
– 1 ) (9)
Persamaan (2.9) disebut persamaan dioda , dan memberikan bentuk fungsi teoritis untuk
ciri dioda dengan tegangan maju. Jika dibandingkan dengan lengkung ciri dioda yang
sebenarnya ada beberapa penyimpangan .
Pada tegangan maju lengkungan ciri sebenarnya lebih condong daripada lengkungan
teori, sebab hambatan oleh kebocoran arus melalui perduktor dioda , yang dapat
dibayangkan sebagai suatu hambatan Rs yang nilainya kira-kira 10Ω. Penyimpangan
berikutnya adalah untuk tegangan mundur lengkungan kebocoran arus melalui permukaan
dioda. Hambatan ini dapat dibayangkan sebagai suatu hambatan Rsh yang dipasang
paralel dengan dioda. Penyimpangan ketiga ialah adanya kedadalan pada ciri mundur.
2. Pengaruh Suhu pada Lengkung Ciri Dioda
ID
VD
Teori
Sebenarnya

4. Perubahan suhu menyebabkan terjadinya perubahan bentuk lengkuk seperti
ditunjukkan gambar dibawah ini.
Gambar Pengaruh suhu pada lengkung ciri dioda; T2 > T1 > T0
Dari gambar diatas, tampak pengaruh suhu terhadap lengkungan ciri dioda terdapat
pada tegangan potong dan pada arus penjenuhan. Jika suhu dinaikkan, arus penjenuhan
akan bertambah, dan kemiringan lengkung ciri dioda pada tegangan mundur pun akan
bertambah.
Kenaikan suhu akan menyebabkan naiknya eksitasi termik, sehingga rapat elektron
intrinsik (ni) akan bertambah. Dengan terjadinya rekombinasi, berlaku hubungan p = pi
2
dengan p adalah rapat lubang ekstrinsik. Akibatnya,
1. Pada bagian n berlaku,
2. Pada bagian p berlaku,
T2 T1 T0
0
iD
VD
V potong

5. Keterangan :
Pn : Rapat lubang bagian n
np : Rapat elektron pada bagian p
nn : Rapat elektron pada bagian n
pp : Rapat lubang bagian p
Na : Rapat atom akseptor
Nd : Rapat atom donor
ni : Rapat elektron intrinsik
Besarnya rapat arus penjenuhan (Js) adalah setara dengan besarnya penjumlahan
antara rapat lubang bagian n dan rapat electron bagian p dengan masing-masing
konstanta tertentu. Hal ini sesuai dengan persamaan berikut:
Js = C (pn + np)
Js = Cni
2
(
1
𝑁𝑑
+
1
𝑁𝑎
)
Js = C’ni
2
Dengan C dan C’ adalah suatu tetapan.
Akan tetapi, pada suhu T besarnya rapat elektron intrinsik menjadi
ni
2
= B2
T3
e-Eg/kT
dengan B adalah tetapan dan Eg adalah lebar celah pita.
Laju perubahan Js terhadap suhu dapat diperoleh dengan mengambil
diferensial Js (T) terhadap suhu T.
𝑑𝐽𝑠
𝑑𝑇
=
𝑑 (𝐶𝐵2
T3
𝑒−
𝐸𝑔
𝑘𝑇)
𝑑𝑇
𝑑𝐽𝑠
𝑑𝑇
= 𝐶𝐵2
(
3
T
+
Eg
k𝑇2
) 𝑇3
e−𝐸𝑔/𝑘𝑇

6. Perubahan relatif Js terhadap suhu menjadi,
1
𝐽𝑠
𝑑𝐽𝑠
𝑑𝑇
= (
3
𝑇
+
𝐸𝑔
𝑘𝑇2
)
3. GARIS BEBAN PADA DIODA (LOAD-LINE)
Beban yang diberikan pada rangkaian secara normal akan mempunyai
implikasi pada daerah kerja (operasi) dan piranti elektronik. Bila analisis disajikan
dalam bentuk grafik, sebuah garis dapat digambarkan sebagai karakteristik dioda
yang memiliki efek dari beban. Perpotongan antara karakteristik dan garis beban
akan menggambarkan titik operasi dari sistem.
Gambar 1 rangkaian dioda Gambar 2 karakteristik dioda
Gambar 1 merupakan Rangkaian dasar dioda. Sisi p(positif) ditandai dengan A
(Anoda) dan sisi n(negatif) ditandai dengan K (Katoda). Gambar 2 merupakan
Karakteristik dioda yang digunakan sebagai petunjuk perhitungan tegangan dan
arus pada dioda.
Dari gambar 1 Menurut hukum tegangan Kirchoff (Kirchoff's Voltage Law /
KVL), diperoleh :
𝑉𝑖 – V – 𝑉0 = 0
Vi =V +i𝑅 𝐿
i=-
𝑉
𝑅 𝐿
+
𝑉𝑖
𝑅 𝐿
...................................................................... (1)
Karena rangkaian tersebut adalah rangkaian tertutup jadi untuk semua arus (i)
bernilai sama.
Variable V dan i dari persamaan (1) adalah semua seperti axis variable dari
karakteristik dioda pada gambar 1.2. Persamaan tersebut menyatakan persamaan
garis lurus dengan kemiringan / gradien (m) = -
1
𝑅 𝐿
. Perpotongan garis beban dan

7. karakteristik dapat digambarkan dengan menentukan titik pada horizontal axis
yang mempunyai arus dioda (i)=0A dan juga menentukan titik vertikal axis yang
mempunyai V=0V.
1) Untuk menentukan horizontal axis maka i=0V sehingga diperoleh nilai
magnitude V pada sumbu horizontal :
Vi =V +i𝑅 𝐿
Vi =V+ 0𝑅 𝐿
Vi =V
2) Selanjutnya, untuk menentukan vertical axis maka V=0V sehingga
diperoleh nilai magnitude i pada sumbu vertical :
Vi =V +i𝑅 𝐿
Vi =0V+ i𝑅 𝐿
i=
𝑉𝑖
𝑅 𝐿
............................................................................. .....(2)
Garis yang dihasilkan dari persamaan di atas disebut garis beban. Titik potong
antara garis beban dan lengkung ciri dioda(karakteristik dioda) ini menyatakan arus
dan tegangan yang tepat pada dioda.
Gambar 3
Titik perpotongan antara garis karakteristik dengan garis beban disebut titik Q
“Q point” ( Quiescent Point)

8. Jika Vi tetap dan 𝑅 𝐿 diubah , kemiringan garispun akan ikut berubah. Namun,
untuk 𝑅 𝐿 tetap dan Vi diubah maka kemiringan garis beban tak berubah seperti
pada gambar 4.
Gambar 4
4. Penyearahan Arus Bolak –Balik
Hampir semua pembangkit listrik menghasilkan listrik dalam bentuk listrik arus bolak-balik
(Alternating Current). Akan tetapi sebagian besar peralatan rumah tangga menggunakan
energi listrik dalam bentuk listrik arus searah. Oleh karenanya kita memerlukan adapter arus
atau penyearah. Proses konversi arus bolak-balik menjadi arus searah disebut penyearahan.
Elemen dasar dalam penyearahan ini adalah dioda. Dioda pertama, yang dikembangkan oleh
John Fleming pada tahun 1904, berupa tabung vakum yang berisi dua elemen. Katoda yang
memancarkan electron dan anoda yang disebut plat, berfungsi mengumpulkan electron yang
dipancarkan. Ciri penting dioda ialah bahwa dioda ini mengkonduksi arus dalam satu arah
dan tidak dalam arah lain. Sebagian besar dioda yang digunakan sekarang merupakan piranti
semikonduktor. Penyearah tegangan ini ada 2 macam, yaitu :
a. Penyearah setengah gelombang (half-wave rectifier)

9. Saat digunakan sebagai penyearah setengah gelombang, dioda menyearahkan tegangan AC
yang berbentuk gelombang sinus menjadi tegangan DC hanya selama siklus positif tegangan
AC saja. Sedangkan pada saat siklus negatifnya, dioda mengalami panjaran balik (reverse
bias) sehingga tegangan beban (output) menjadinol.
Gambar grafik sinyal penyearah setengah gelombang
Nilai Sinyal DC setengah Gelombang
Pada prinsipnya, nilai DC setengah gelombang diperoleh dari :
karena nilai dari = 0,318V, sehingga :
Frekuensi Keluaran

10. Frekuansi keluaran sama dengan frekuensi masukan. Tiap-tiap putaran masukan
menghasilkan satu putaran tegangan keluaran. Dengan demikian kita dapat menulis :
b. Penyearah gelombang penuh (full-wave rectifier)
Saat digunakan sebagai penyearah gelombang penuh, dioda secara bergantian menyearahkan
tegangan AC pada saat siklus positif dan negatif. Penyearah gelombang penuh ada 2 macam
dan penggunaannya disesuaikan dengan transformator yang dipakai. Untuk transformator
biasa digunakan jembatan dioda (dioda bridge) sementara untuk transformator CT digunakan
2 dioda saja sebagai penyearahnya.
 Penyearah gelombang penuh dengan jembatan dioda (dioda bridge)
Pada dioda bridge, hanya ada 2 dioda saja yang menghantarkan arus untuk setiap siklus
tegangan AC sedangkan 2 dioda lainnya bersifat sebagai isolator pada saat siklus yang sama.
Gambar siklus positif penyearah gelombang penuh dengan dioda bridge
Saat siklus positif tegangan AC, arus mengalir melalui dioda B menuju beban dan kembali
melalui dioda C. Pada saat yang bersamaan pula, dioda A dan D mengalami reverse bias
sehingga tidak ada arus yg mengalir atau kedua dioda tersebut bersifat sebagai isolator.

11. Siklus negatif pada penyearah gelombang penuh dengan dioda bridge
Sedangkan pada saat siklus negatif tegangan AC, arus mengalir melalui dioda D menuju
beban dan kembali melalui dioda A. Karena dioda B dan C mengalami reverse bias maka
arus tidak dapat mengalir pada kedua dioda ini.
Kedua hal ini terjadi berulang secara terus menerus hingga didapatkan tegangan beban yang
berbentuk gelombang penuh yang sudah disearahkan (tegangan DC). Grafik sinyal dari
penyearah gelombang penuh dengan jembatan dioda (dioda bridge) ditunjukkan seperti pada
gambar berikut :
Gambar grafik sinyal penyearah gelombang penuh dengan dioda bridge
Jembatan dioda (dioda bridge) tersedia dalam bentuk 1 komponen saja atau pun bisa dibuat
dengan menggunakan 4 dioda yang sama karakteristiknya. Yang harus diperhatikan adalah
besar arus yang dilewatkan oleh dioda harus lebih besar dari besar arus yang dilewatkan pada
rangkaian.
Nilai Rata-rata dan frekuensi Keluaran
Karena sebuah penyearah jembatan menghasikan sebuah keluaran gelombang penuh,
persamaan untuk nilai rata-rata dengan frekuensi keluaran sama seperti yang diberikan untuk
penyearah gelombang penuh :

12. dan
 Penyearah gelombang penuh menggunakan 2 dioda
Penyearah gelombang penuh menggunakan 2 dioda ini hanya bisa digunakan pada
transformator CT.
Gambar siklus positif peneyarah gelomban penuh dengan 2 dioda
Pada bagian sekunder trafo CT terdapat 2 sinyal output yang terjadi secara bersamaan,
mempunyai amplitudo yang sama namun berlawanan fasa. Saat tegangan input (teg primer)
berada pada siklus positif, pada titik AO akan terjadi siklus positif sementara pada titik OB
akan terjadi siklus negatif. Akibatnya D1 akan mengalami panjaran maju (forward bias)
sedangkan D2 mengalami panjaran balik (reverse bias) sehingga arus akan mengalir melalui
D1 menuju ke beban dan kembali ke titik center tap.

13. Gambar siklus negatif penyearah gelombang penuh menggunakan 2 dioda
Saat tegangan input (teg primer) berada pada siklus negatif, pada titik AO akan terjadi siklus
negatif sementara pada titik OB akan terjadi siklus positif. Akibatnya D2 akan mengalami
panjaran maju (forward bias) sedangkan D1 mengalami panjaran balik (reverse bias)
sehingga arus akan mengalir melalui D2 menuju ke beban dan kembali ke titik center tap.
Dari penjelasan cara kerja penyearah gelombang penuh jenis ini terlihat bahwa tegangan yang
terjadi pada beban mempunyai polaritas yang sama tanpa memperdulikan dioda mana yang
menghantar karena arus mengalir melalui arah yang sama sehingga akan terbentuk
gelombang penuh yang disearahkan seperti ditunjukkan pada grafik sinyal berikut.
Gambar grafik sinyal penyearah gelombang penuh dengan 2 dioda
Nilai DC atau Nilai Rata-rata
Karena sinyal gelombang penuh mempunyai dua kali sinyal setengah positif, DC atau nilai
rata-rata barnilai dua kali nilai dc setengah gelombang.
Pada prinsipnya, nilai dc penyearah gelombang penuh diperoleh dari :

14. karena nilai dari = 0,636 V, sehingga :
Frekuensi Keluaran
Pada sebuah rectifier gelombang penuh, sesuatu tidak biasa terjadi pada frekuensi keluaran.
Tegangan saluran AC mempunyai frekuensi 60 Hz. Karena itu, periode masukkannya sama
dengan :
Karena penyearahan gelombang penuh, periode sinyal gelombang penuh adalah setengah
periode masukan :
sehingga kita dapatkan
Frekuensi sinyal gelombang penuh adalah dua kali frekuensi masukan. Hal ini beralasan
karena sebuah keluaran gelombang penuh mempunyai dua kali periode masukan gelombang
sinus, hanya saja rectifier gelombang penuh membalikkan masing-masing periode setengah
negatif sehingga kita mendapatkan jumlah dua kali periode positif. Akibatnya, adalah
penggandaaan frekuensi sehingga :
Gelombang penuh
:
5. Dioda Zener
Dioda-dioda sinyal kecil dan dioda-dioda penyearah tidak pernah dengan sengaja
dioperasikan dalam daerah yang mogok (breakdown), karena akan merusak dioda tersebut.

15. Dioda Zener berbeda, dioda zener adalah dioda silikon yang telah dibuat oleh pabrik untuk
bekerja paling optimal pada daerah yang “breakdown”.
Gambar lambang dioda zener
Gambar dioda zener
Jika tegangan mundur pada dioda p-n diperbesar, pada suatu nilai tegangan maka arus
mundur naik dengan cepat sekali. Tegangan mundur yang terjadi disebut tegangan balik
puncak (PIV). Peristiwa ini terjadi karena dadalnya ikatan kovalen silikon di dalam daerah
pengosongan pada sambungan p-n.
Kurva Dioda Zener
Ada dua mekanisme kedadalan, yaitu :

16. 1. Pada keadaan zener, medan listrik yang tinggi dalam daerah pengosongan menyebabkan
elektron pada ikatan kovalen lepas menjadi elektron bebas. Pada mekanisme ini, tegangan
dadal (PIV) berkurang dengan naiknya suhu.
2. Dadal Townsend, terjadi karena elektron bebas mendapat percepatan cukup tinggi,
sehingga jika menumbuk atom akan terjadi elektron bebas. Pada mekanisme ini, tegangan
dadal (PIV) bertambah jika suhu naik.
Koefisien Suhu
Pada saat suhu berubah, tegangan zener akan berubah sedikit demi sedikit. Pada lembar data,
efek dari suhu akan dicantumkan dalam koefisien suhu, yang didefinisikan sebagai perubahan
tegangan breakdown per derajat kenaikan suhu. Koefisien temperatur bernilai negatif untuk
tegangan breakdown yang kurang dari 4 V. Sebagai contoh, dioda zener dengan tegangan
breakdown 3,9 V mempunyai koefisien suhu -1,4 mV/˚C. Jika temperatur naik 1˚, berarti
tegangan breakdown akan turun 1,4 mV.
Pada sisi lain, koefisien suhu adalah positif untuk tegangan breakdown lebih besar
dari 6 V. Sebagai contoh, dioda zener dengan tegangan breakdown 6,2 V dan mempunyai
koefisien suhu 2 mV/˚C. Jika suhu naik 1˚, tegangan breakdown akan naik 2 mV.
Di antara 4 V dan 6 V, koefisien suhu berubah dari negatif ke positif. Atau dengan
kata lain, terdapat dioda zener dengan tegangan breakdown di antara 4 dan 6 V yang
memunyai koefisien suhu sama dengan nol. Hal ini akan sangat penting pada beberapa
aplikasi yang membutuhkan tegangan tetap dan perubahan suhu yang sangat besar.
Suatu penyearah dengan pengaturan tegangan, mempunyai tegangan keluaran yang
tetap jika diberi beban arus dalam batas tertentu. Tanpa pengaturan, penurunan tegangan
keluaran oleh arus beban terjadi karena penyearah mempunyai hambatan dalam yang terdiri
dari hambatan gulungan transformator dan hambatan dalam dioda. Pada arus beban yang
besar terjadi jatuh tegangan pada hambatan dalam ini sehingga tegangan keluaran berkurang.

17. Nilai hambatan keluaran R0 dapat ditentukan dengan mengukur V0 sebagai fungsi arus beban
IL. Hal ini dapat dilihat pada lengkung pembebanan dalam gambar B. Kemiringan grafik
lengkung pembebanan tak lain adalah hambatan keluaran R0.
Pengaturan tegangan dapat dibuat dengan menggunakan dioda Zener. Ini dilakukan
seperti pada gambar di bawah.
Dengan membuat Va lebih besar dari tegangan Zener, maka dioda Zener bekerja pada daerah
dadal sehingga tegangan keluaran tetap untuk berbagai nilai arus beban, selama Vb tidak
kurang dari 12 V. Dari gambar C, tampak bahwa:
Is = ID + IL

18. Sehingga Vb = VD = Va - Is Rs
= Va - ID Rs - IL Rs
Atau ID =
(𝑉𝑎 −𝐼𝐿 𝑅𝑠)
𝑅𝑠
-
𝑉𝐷
𝑅𝑠
Persamaan di atas adalah persamaan garis beban untuk dioda Zener yang dapat dilukiskan
dengan gambar di bawah ini.
Tampaklah jika IL = 0, seluruh arus mengalir pada dioda. Pada keadaan ini dioda Zener
menjadi panas sebab pada dioda terjadi lesapan daya sebesar PD = IS VZ. Kita harus memilih
nilai IS agar lesapan daya ini tidak melebihi kemampuan daya dioda zener yang digunakan.

19. DAFTAR PUSTAKA
Sutrisno. 1986. ELEKTRONIKA : Teori dasar dan penerapannya. Bandung : ITB.
Malvino. 2003. PRINSIP-PRINSIP ELEKTRONIKA. Jakarta : Salemba Teknika
http://bajakoe.blogspot.com/2009/02/rangkaian-dioda-penyearah-tegangan.html
http://alihnurningsih.blogspot.com/2012/03/rangkaian-dioda-penyearah-gelombang.html