Dioda tunnel menggunakan fenomena resonant tunneling yang menghasilkan resistansi negatif. Dioda tunnel memiliki kurva hubungan tegangan-arus yang unik dengan puncak arus dan lembah arus. Dioda tunnel dapat digunakan dalam osilator frekuensi tinggi karena sifat resistansi negatifnya.

1. Dioda tunnel memanfaatkan suatu fenomena kuantum yang aneh yang disebut dengan resonant
tunneling yang menghasilkan resistansi negatif pada saat dioda dalam kondisi bias maju
(forward bias). Ketika suatu tegangan yang nilainya kecil dihubungkan pada dioda tunnel, maka
dioda tersebut mulai menghantarkan arus (gambar 1b). Begitu tegangannya dinaikkan, arus
yang dialirkan dioda juga ikut naik hingga mencapai suatu nilai puncak (peak current, Ip). Tetapi,
apabila tegangannya masih terus dinaikkan sedikit lagi, arusnya malah berkurang hingga
mencapai nilai terendahnya(current calley, IV). Lalu, apabila tegangan dinaikkan lagi, maka arus
yang dialirkan dioda tersebut akan ikut naik, namun kali ini arusnya tidak akan pernah turun lagi.
Simbol dari dioda tunnel ditunjukkan pada gambar 1a.
Gambar
1 (a) Simbol dioda tunnel (b) Kurva hubungan tegangan dan arus pada dioda tunnel. (c)
Rangkaian osilator
Dioda tunnel harus diberi tegangan maju sehingga dioda tersebut mengalami bias maju hingga
mencapai nilai puncaknya (voltage peak, VP) dan nilai minimumnya (voltage valley, VV). Kurva
pada gambar 1b, daerah dimana pada saat tegangan dioda tunnel dinaikkan tetapi arusnya
malah berkurang disebut daerah resistansi negatif (negative resistance).
Dioda tunnel, atau juga dikenal dengan nama dioda Esaki karena penemu dioda ini adalah
orang Jepang Leo Esaki, mampu merubah kondisinya diantara level arus puncak dan arus
minimum secara cepat, “switching” diantara kondisi low dan high lebih cepat daripada dioda
Schottky.
Dioda tunnel diberi pengotor/doping semikonduktor tipe P dan N dalam jumlah yang sangat
banyak, bahkan hingga 1000 kali lebih banyak daripada dioda PN biasa. Perhatikan grafik pada
gambar 2.

2. Gambar 2 Tegangan balik
breakdown vs level doping semikonduktor
Dioda standar berada di sebelah paling kiri, sedangkan dioda zener berada di sebelah
kanannya, sedangkan level doping dari dioda tunnel ditunjukkan pada garis putus-putus.
Pemberian dopping yang sangat banyak ini menghasilkan suatu daerah pemisah yang sangat
tipis sehingga dioda tunnel memiliki tegangan balik breakdown yang rendah dan tingkat
kebocoran arus yang besar. Daerah pemisah yang tipis ini menimbulkan efek kapasitansi yang
cukup signifikan. Untuk mengatasi ini, area sambungan dioda tunnel harus dibuat sesempit
mungkin. Pada dioda biasa, arus akan meningkat secara tajam ketika tegangan dioda melebihi
tegangan maju (forward), Vf, 0.3 V untuk dioda Germanium, dan 0.7 V untuk dioda silikon. Pada
dioda tunnel, antara 0V hingga tegangan Vf, ada sifat khusus yang disebut resistansi negatif
(arus turun saat tegangannya naik). Ini disebabkan tunneling mekanika kuantum yang
melibatkan dua partikel gelombang alami dari elektron yang bisa menembus celah pemisah
tersebut. Agar elektron dapat melewati daerah pemisah tersebut tidak perlu menunggu samapai
diberi tegangan maju sebesar Vf. Level energi band conduction dari material tipe N beririsan
(overlap) dengan level energi valence band pada semikonduktor tipe P. Apabila tegangannya
dinaikkan, proses tunneling dimulai, level energi dari kedua semikonduktor saling overlap
sehingga arus membesar hingga mencapai suatu titik maksimumnya. Begitu arusnya naik terus,
level energi yang saling overlap semakin berkurang sehingga arusnya mulai berkurang walaupun
tegangannya dinaikkan (ini adalah daerah negative resistance).
Didoa Tunnel tidak bagus untuk dibuat sebagai penyearah karena dioda ini memiliki kebocoran
arus yang sangat besar ketika mengalami bias terbalik. Pada akhirnya, dioda tunnel yang
digunakan dalam rangkaian biasanya memanfaatkan dioda tersebut pada kondisi bias maju saja
khususnya pada efek negative resistance (antara tegangan maksmimum dan minimum).
Sehingga tegangan dioda ini dipertahankan antara tegangan puncak (Vp) dan tegangan
minimum/lembah/valley (VV).
Mungkin aplikasi dari dioda tunnel yang paling umum adalah pada rangkaian osilator frekuensi
tinggi seperti ditunjukkan pada gambar 3a. Karena rangkaian ini menggunakan dioda tunnel,

3. maka rangkaian ini bisa juga disebut dengan osilator resistansi negatif (negative resistance
oscillator). Nilai-nilai komponen R, L, dan sumber tegangan E dipilih sedemikian rupa sehingga
titik kerjad dari dioda tunnel tersebut seperti ditunjukkan pada gambar 3b. Perhatikan bahwa titik
kerja dari dioda tunnel yang digunakan dalam rangkaian tersebut hanya memanfaatkan daerah
resistansi negatifnya. Ketika sumber tegangan dinyalakan (saklar ditutup), tegangan pada
terminal power supplynya bergerak dari angka 0 V menuju E volt. Maka arus IT akan naik dari 0
A hingga mencapai IP, arus ini akan disimpan oleh induktor dalam medan magnetnya. Tetapi,
begitu arus IT mencapai nilai IP, dioda tunnel akan menerunkan arusnya karena tegangan
VT akan naik. Tetapi kondisi ini berlawanan dengan persamaan
Gambar
3 (a) Rangkaian osilator resistansi negatif. (b) Titik kerja dari dioda tunnel pada gambar 3a.
(c) Tegangan dioda tunnel dari rangkaian gambar 3a
Apabila kedua elemen pada persamaan di atas berkurang, maka persamaan di atas tidak
mungkin berlaku lagi. Oleh karena itu, begitu arus IT terus naik, titik kerja dari dioda bergeser dari
titik 1 ke titik 2. Namun, pada titik 2, tegangan VT lompat ke nilai yang lebih besar dari tegangan
sumber E (titik 2 berada di sebelah kanan garis beban rangkaian). Agar hukum Kirchoff
tegangan terpenuhi, polaritas dari tegangan transien induktor harus berbalik dan arus yang
mengalir dalam rangkaian mulai berkurang seperti ditunjukkan panah dari titik 2 ke titik 3. Ketika
tegangan dioda turun dari VTmenjadi VV, karakteristik dari dioda menunjukkan bahwa arus
seharusnya mulai naik lagi. Tetapi kondisi tersebut tidak bisa terpenuhi karena tegangan VT lebih
besar dari tegangan sumber dan pada saat ini, koil masih mengalami discharging, sehingga titik

4. kerja dari rangkaian harus bergeser lagi yaitu dari titik 3 ke titik 4, arusnya semakin mengecil.
Tetapi pada saat titik kerja dari dioda berada di titik 4, tegangan pada dioda tersebut
memungkinkan dioda untuk menaikkan arusnya lagi dari 0 mA ke IP seperti ditunjukkan pada
kurva karakteristiknya. Lalu prosesnya dimulai lagi dari awal, lagi, lagi, dan begitu seterusnya,
titik kerja dari dioda tidak pernah mencapai kondisi stabilnya. Bentuk tegangan pada dioda tunnel
ditunjukkan pada gambar 3c. Tegangan dioda tunnel membentuk suatu sinyal yang periodik dan
berulang-ulang selama rangkaian tersebut masih disuplai oleh sumber tegangan DC. Osilator
adalah rangkaian yang dapat menghasilkan tegangan osilasi dari input tegangan DC. Rangkaian
ini menggunakan sifat resistansi negatif dari dioda tunnel untuk menghasilkan tegangan osilasi,
itulah sebabnya rangkaian ini disebut dengan osilator resistansi negatif. Bentuk gelombang
seperti ditunjukkan pada gambar 3c banyak digunakan untuk fungsi pewaktuan (timing) dan
rangkaian logika pada komputer.
Sebuah dioda tunnel juga bisa digunakan untuk menghasilkan tegangan sinus dengan
menggunakan sebuah power supply DC dan beberapa komponen pasif seperti kapasitor,
resistor, dan induktor. Perhatikan rangkaian pada gambar 4a, apabila saklar ditutup, dihasilkan
tegangan sinus, tetapi tegangan sinus ini akan teredam seiring berjalannya waktu seperti
ditunjukkan pada grafik gambar 4b. Periode dari gelombang sinus tersebut ditentukan dari nilai
komponen L dan C. Sedangkan kecepatan peredamannnya (damping coefficient) ditentukan
oleh nilai resistor.Gelombang sinus yang dihasilkan dari rangkaian tersebut mengalami redaman
karena terdapat komponen R dalam rangkaian tersebut, dimana sifat dari komponen R adalah
menyerap daya menjadi panas. Apabila kita bisa menghilangkan nilai R dari rangkaian RLC
tersebut, maka gelombang sinus yang dihasilkan dari komponen LC tidak akan diredam. Cara
menghilangkan R dari rangkaian itu adalah dengan menggunakan dioda tunnel. Sebagaimana
penjelasan di atas, dioda tunnel memiliki sifat resistansi negatif. Kita gunakan sifat resistansi
negatif ini untuk mengurangi nilai R dari rangkaian tersebut, sehingga tegangan sinus yang
dihasilkan oleh komponen LC tidak akan teredam seperti ditunjukkan pada gambar 4c. Desain
yang harus kita perhatikan adalah bagaimana caranya dioda tunnel yang kita gunakan dalam
rangkaian ini memiliki titik kerja dalam daerah resistansi negatif. Tegangan sinus yang dihasilkan
dari rangkaian ini adalah akibat dari pertukaran energi secara terus menerus antara komponen
induktor dan kapasitor.

5. Gambar 4 (a) Osilator rangkaian LC. (b) Osilasi yang dihasilkan rangkaian LC mengalami
redaman akibat energinya diserap oleh resistansi “parasit” R yang timbul dari kawat induktor.
(c) Resistansi parasit R dihilangkan oleh dioda tunnel yang memiliki sifat resistansi negatif
sehingga osilasi bisa berlangsung terus-menerus dan tidak mengalami peredaman,