1. 1
DIODA IDEAL
Karakteristik arus – tegangan
Gambar 1. Dioda ideal: (a) simbol rangkaian dioda; (b) karakteristik i – v;
(c) rangkaian ekivalen arah ‘reverse’; (d) rangkaian ekivalen arah ‘forward’
2. 2
Gambar 1(a) adalah simbol dari dioda; gambar 1(b) adalah
karakteristik arus – tegangan.
Terminal positif dari dioda disebut anoda dan terminal negatif
disebut katoda.
Jika tegangan negatif dipasangkan pada dioda, tidak ada arus yang
mengalir; dioda seperti hubung terbuka (gambar 1(c)). Keadaan ini
disebut ‘reverse biased’.
Jika tegangan positif dipasangkan pada dioda, tidak ada penurunan
tegangan pada dioda; dioda seperti hubung singkat (gambar 1(d)).
Keadaan ini disebut ‘forward biased’.
Untuk membatasi arus pada dioda, diperlukan rangkaian luar
seperti pada gambar 2.
3. 3
Gambar 2. Dua mode operasi dioda ideal dan penggunaan
rangkaian luar untuk membatasi arus (a) dan tegangan reverse (b)
4. 4
Aplikasi sederhana dari dioda.
Penyearah:
Rangkaian terdiri dari sebuah dioda dan sebuah resistor (gambar
3(a)). Tegangan masukan vi adalah tegangan sinusoida (gambar
3(b)).
Selama setengah gelombang positif dari sinyal masukan, dioda
dalam keadaan forward biased. Penurunan tegangan pada dioda
kecil sekali, idealnya nol. Rangkaian penggantinya seperti terlihat
pada gambar 3(c). Tegangan keluaran sama dengan tegangan
masukan.
Selama setengah gelombang negatif dari sinyal masukan, dioda
tidak terhubung (reverse biased). Rangkaian penggantinya seperti
terlihat pada gambar 3(d). Tegangan keluaran sama dengan nol.
Tegangan keluaran terlihat pada gambar 3(e).
5. 5
Figure 3 (a) Rangkaian penyearah. (b) Bentuk gelombang masukan. (c) Rangkaian ekivalen
ketika vI ≥ 0. (d) Rangkaian ekivalen ketika vI ≤ 0. (e) Bentuk gelombang keluaran.
6. 6
Contoh soal 1:
Gambar 4(a) menunjukkan sebuah rangkaian untuk mengisi sebuah
batere 12 V. Jika vs adalah sebuah gelombang sinusoida yang
mempunyai amplitudo 24 V, carilah bagian dari setiap perioda
dimana dioda terkonduksi. Hitung juga harga puncak arus dioda
dan harga maksimum tegangan balik yang muncul pada terminal
dioda
Gambar 4. Rangkaian dan bentuk gelombang contoh soal 1
7. 7
Jawab:
Dioda terkonduksi ketika vs melebihi 12 V, seperti yang terlihat pada
gambar 4(a). Sudut konduksi = 2θ, dimana:
24 cos θ = 12
Jadi θ = 60° dan sudut konduksi = 120°, atau sepertiga dari perioda.
Harga puncak dari arus dioda:
A12,0
100
1224
=
−
=dI
Harga tegangan balik yang muncul pada terminal dioda terjadi pada
saat vs mencapai harga puncak negatif dan sama dengan
24 +12 = 36 V
8. 8
Gerbang logik dioda
Figure 5. Gerbang logik dioda: (a) Gerbang OR; (b) Gerbang AND (dalam
sistem logik positif).
9. 9
Contoh soal 2:
Asumsikan dioda adalah dioda ideal, carilah harga I dan B dari
rangkaian pada gambar 6.
Gambar 4. Rangkaian dan bentuk gelombang contoh soal 2
10. 10
Jawab:
Dalam menyelesaikan soal, pertama buat asumsi, kemudian buat
analisis berdasarkan asumsi ini dan periksa apakah asumsi ini
benar.
Untuk rangkaian pada gambar 6(a), asumsikan kedua dioda
terkonduksi → VB = 0 dan V = 0, maka arus melalui D2:
mA1
10
010
2 =
−
=DI
Persamaan simpul pada B:
( )
5
100
1
−−
=+I
Jadi I = 1 mA dan V = 0V
11. 11
Untuk rangkaian pada gambar 6(b), asumsikan kedua dioda
terkonduksi, maka VB = 0 dan V = 0. Arus pada D2:
mA2
5
010
2 =
−
=DI
Persamaan simpul pada B:
( )
mA1
10
100
2
−=
−−
=+
I
I
Asumsi awal kita salah.
Ulangi lagi, asumsikan D1 ‘off’ dan I2 ‘on’. Arus ID2
( ) mA33,1
15
1010
2 =
−−
=DI
12. 12
Dan tegangan pada B:
VB = -10 + 10 X 1,33 = +3,3 V
Karakteristik terminal dari dioda
Gambar 7 menunjukkan karakteristik terminal dari dioda.
Kurva karakteristik terbagi dalam tiga daerah:
1. daerah forward-bias, ditentukan oleh v > 0
2. daerah reverse-bias, ditentukan oleh v < 0
3. daerah breakdown, ditentukan oleh v < -VZK
14. 14
Gambar 8. Hubungan arus – tegangan sebuah dioda dengan sebagian skala
diperbesar dan sebagian lainnya diperkecil
15. 15
Daerah forward-bias
Hubungan arus – tegangan pada daerah forward bias:
coulomb101,60elektronmuatan
kelvinderajatdalammutlaktemperatur
injoule/kelv101,38Boltzmannkonstanta
(2)
jenuharus
(1))1(
19-
23-
/
×==
=
×==
=
=
−=
q
T
k
q
kT
V
I
eIi
T
S
nVv
S
T
IS disebut juga arus skala yang berbanding lurus dengan luas
permukaan ‘junction’ dari sebuah dioda. Arus ini merupakan fungsi
dari suhu.
IS berlipat dua setiap kenaikan suhu 5°C.
Pada suhu kamar, harga VT adalah 25,2 mV.
Pada persamaan dioda, harga n berkisar antara 1 dan 2,
tergantung dari bahan dan struktur fisik dari dioda.
17. 17
Persamaan (5) menunjukkan bahwa untuk perubahan arus 10 kali,
penurunan tegangan pada dioda akan berubah sebesar 2,3nVT yang
kira-kira sama dengan 60 mV untuk n = 1 dan 120 mV untuk n = 2.
Pada gambar 8 terlihat, pada daerah forward bias, arus sangat kecil
untuk tegangan lebih kecil dari 0,5 V. Harga ini disebut tegangan cut-
in.
Agar dioda benar-benar terhubung, penurunan tegangan pada dioda
antara 0,6 V – 0,8 V. Umumnya penurunan tegangan pada dioda kira-
kira 0,7 V.
Karena IS dan VT merupakan fungsi dari temperatur, karakteristik arus
– tegangan forward akan berubah dengan adanya perubahan suhu.
(lihat gambar 8).
Untuk arus dioda yang tetap, penurunan tegangan pada dioda
menurun kira-kira 2 mV untuk setiap kenaikan suhu 1°C.
Perubahan tegangan dioda karena suhu, dapat dipakai dalam
perancangan termometer elektronik.
18. 18
Gambar 9. Pengaruh suhu pada karakteristik arus – tegangan pada dioda di
daerah forward bias.
19. 19
Daerah reverse bias
Dari persamaan (1), jika v negatif dan harganya beberapa kali
lebih besar dari VT (25 mV), arus dioda menjadi:
i ≈ -IS
Pada kenyataannya besarnya arus pada daerah reverse bias jauh
lebih besar dari arus jenuh. Jika sebuah dioda mempunyai arus
jenuh pada orde antara 10-15
A – 10-14
A, arus balik pada orde 1
nA. Arus inipun meningkat dengan meningkatnya tegangan balik.
Sebagian besar dari arus balik ini karena efek kebocoran. Arus
kebocoran berbanding lurus dengan luas junction.
Arus menjadi dua kali pada setiap kenaikan suhu 10°C.
20. 20
Daerah breakdown
Dioda memasuki daerah breakdown, jika besaran tegangan balik
melebihi tegangan ambang dari sebuah dioda, yang disebut
tegangan breakdown, VZK.
Pada daerah breakdown, arus balik meningkat secara cepat
dengan perubahan tegangan yang sangat kecil.
Tegangan breakdown tidak merusak dioda, jika daya disipasi
dibatasi pada level aman oleh rangkaian luar.
Hubungan arus – tegangan pada daerah breakdown hampir
merupakan garis vertikal. Karakteristik ini dapat dipakai dalam
pengatur tegangan.
21. 21
Pemodelan karakteristik dioda pada daerah forward bias
Gambar 10. Rangkaian sederhana yang digunakan untuk menganalisis
dioda dalam keadaan forward bias.
22. 22
Model eksponensial
Ini adalah model yang paling akurat dan merupakan yang paling
sukar digunakan.
Perhatikan gambar 10. Asumsikan VDD > 0,5 V, arus dioda >> IS,
hubungan arus dan tegangan dinyatakan dalam persamaan (6).
(6)/ TD nVV
SD eII =
Berdasarkan persamaan loop Kirchhoff:
(7)
R
VV
I DDD
D
−
=
Asumsikan parameter dioda n dan IS diketahui, persamaan (6) dan
(7) adalah dua persamaan dengan dua nilai yang tidak diketahui, ID
dan VD. Dua cara untuk menyelesaikannya adalah dengan analisis
grafik dan analisis iteratif.
23. 23
Analisis grafik menggunakan model eksponensial
Gambar 11. Analisis grafik dari rangkaian pada gambar 9 menggunakan
model eksponensial
24. 24
Analisis iterative menggunakan model eksponensial
Contoh soal 3:
Tentukan arus ID dan tegangan dioda VD pada rangkaian di atas dengan VDD= 5 V dan R =
1kΩ.
Asumsikan dioda mempunyai arus 0,1 mA pada tegangan 0,7V dan tegangan menurun 0,1V
setiap kenaikan arus 10 kali.
Jawab:
Asumsikan VD = 0,7 V dan gunakan persamaan (7) untuk menentukan arus:
mA,34
1
7,05
=
−
=
−
=
R
VV
I DDD
D
25. 25
Gunakan persamaan (5) untuk mendapatkan harga yang lebih baik
1
2
12 log3,2
I
I
nVVV T=−
Pada kasus ini 2,3nVT = 0,1 V, maka
1
2
12 log1,0
I
I
VV +=
Gantikan V1 = 0,7 V, I1 = 1 mA dan I2 = 4,3 mA menghasilkan V2 =
0,763 V
Iterasi pertama menghasilkan ID = 4,3 mA dan VD = 0,763 V.
Iterasi kedua dengan menggunakan cara yang sama menghasilkan:
V0,762
3,4
4,237
log1,0763,0
mA237,4
1
763,05
2
=
+=
=
−
=
V
ID
26. 26
Model garis lurus
Kurva eksponensial didekati dengan dua buah garis lurus, garis A
mempunyai kemiringan sama dengan nol dan garis B mempunyai
kemiringan 1/rD
iD = 0, vD ≤ VD0
(8)
iD = (vD – VD0)/rD, vD ≥ VD0
Gambar 12. Model garis lurus.
27. 27
Rangkaian pengganti model garis lurus terlihat pada gambar 12.
Model ini dikenal juga dengan model batere-ditambah-resistansi
Gambar 13. Model garis lurus dari karakteristik dioda di daerah forward dan
rangkaian ekivalennya.
28. 28
Contoh soal 4:
Ulangi soal pada contoh soal 3 menggunakan model garis lurus
dengan parameter yang diberikan pada gambar 12: VD0 = 0,65 V
dan rD = 20 Ω.
Jawab:
Rangkaian pengganti terlihat pada gambar 14:
Gambar 14. Rangkaian pengganti dengan model garis lurus.
30. 30
Model Penurunan Tegangan Konstan
Kurva eksponensial didekati dengan dua buah garis lurus, garis A
mempunyai kemiringan sama dengan nol dan garis B yang vertikal.
Gambar 15. Model penurunan tegangan konstan
32. 32
Untuk rangkaian pada contoh soal 3 dan 4, jika diselesaikan
dengan menggunakan model penurunan tegangan tetap, akan
diperoleh:
VD = 0,7 V
mA3,4
1
7,05
7,0
=
−
=
−
=
D
DD
D
I
R
V
I
Model dioda ideal
Untuk aplikasi yang melibatkan tegangan jauh lebih besar dari
penurunan tegangan dioda (0,6 – 0,8 V), dapat digunakan model
dioda ideal. Untuk contoh yang sama akan diperoleh:
VD = 0 V
mA5
0
=
−
=
R
V
I DD
D
34. 34
Dioda dimodelkan dengan sebuah resistor yang berbanding
terbalik dengan tan-1
dari sudut pada titik prategangan pada
kurva hubungan arus – tegangan.
Lihat gambar 17a. Dioda dicatu dengan sumber tegangan dc,
VD, dan sinyal ac, vd(t).
Tanpa sinyal vd(t), tegangan dioda sama dengan VD.
Arus dioda:
(9)/ TD nVv
SD eII =
Dengan adanya sinyal vd(t), tegangan sesaat pada dioda:
vD(t) = VD + vd(t) (10)
35. 35
Arus dioda sesaat menjadi:
(12))(
)(
)(
(11))(
/
//
/)(
/
D
Td
TdTD
TdD
TD
nVv
DD
nVvnVv
SD
nVvV
SD
nVv
S
eIti
eeIti
eIti
eIti
=
=
=
=
+
Jika amplitudo sinyal vd(t) cukup kecil:
(13)1<<
T
d
nV
v
Maka:
(14)1)(
+≅ d
T
D
DD v
nV
I
Iti
36. 36
Ini disebut pendekatan sinyal kecil dan berlaku untuk sinyal yang
mempunyai amplitudo kira-kira 10 mV. (Ingat VT = 25 mV)
Dari persamaan 10 diperoleh:
(15))( d
T
D
DD v
nV
I
Iti +=
Jadi penumpangan pada arus dc ID, diperoleh komponen arus
sinyal yang proporsional dengan tegangan sinyal vd(t):
iD = ID + id (16)
Dimana
(17))( d
T
D
d v
nV
I
ti =
37. 37
Konduktansi sinyal kecil dioda:
T
D
d
nV
I
g =
Resistansi sinyal kecil dioda:
(18)
D
T
d
I
nV
r =
Resistansi sinyal kecil dioda berbanding terbalik dengan arus
prategangan ID. Dan hargai ini merupakan kebalikan harga
kemiringan pada titik kerja Q
(19)/1
DD IiD
D
d
v
i
r
=
∂
∂
=
Keuntungan menggunakan model ini: analisis sinyal kecil dapat
dipisahkan dari analisis bias dc.
38. 38
Contoh soal 5:
Pada rangkaian pada gambar 18(a), R = 10kΩ. Catu daya V+
mempunyai harga dc = 10 V yang ditumpangi sinyal ac 60 Hz
dengan amplitudo = 1 V. (sinyal ini dikenal dengan ‘power-supply
ripple’. Hitunglah tegangan dc pada dioda dan amplitudo dari
gelombang sinusoida yang muncul pada dioda. Asumsikan dioda
mempunyai penurunan tegangan 0,7 V pada arus 1 mA dan n = 2.
Jawab:
V35,5
0583,010
0583,0
1
)puncak(
8,53
93,0
252
mA93,0
10
7,010
=
+
=
+
=
Ω=
×
==
=
−
=
∧
dD
d
sd
D
T
d
D
rR
r
Vv
I
nV
r
I
39. 39
Gambar 18. (a) Rangkaian contoh soal 5, (b) rangkaian untuk menghitung
titik kerja dc, (c) rangkaian ekivalen sinyal kecil.
40. 40
Penggunaan dioda untuk mengatur tegangan
Pengatur tegangan adalah sebuah rangkaian yang tujuannya
adalah menyediakan tegangan dc yang konstan pada terminal
keluarannya,walaupun:
1. Adanya perubahan arus yang diambil dari terminal keluaran
pengatur tegangan.
2. Adanya perubahan catu daya dc pada rangkaian pengatur
tegangan.
Contoh soal 6:
Perhatikan rangkaian pada gambar 19. 3 buah dioda
dihubungkan seri digunakan untuk mendapatkan tegangan
tetap 2,1 V.
Hitung prosentase perubahan pada pengatur tegangan yang
disebabkan oleh:
a. Perubahan pada catu daya sebesar ±10%
b. Terhubung ke beban yang beresistansi 10 kΩ
Asumsikan n=2
42. 42
Jawab:
Tanpa beban, harga arus nominal pada dioda:
mA9,7
1
1,210
=
−
=I
Setiap dioda mempunyai resistansi sinyal kecil:
I
nV
r T
d =
Untuk n = 2
Ω=
×
= 3,6
9,7
252
dr
Untuk ketiga dioda, resistansi sinyal kecil:
r = 3 rd = 18,9 Ω
43. 43
V1,37
10189,0
0189,0
22 =
+
=
+
=∆
Rr
r
vO
Dengan adanya perubahan ±10% pada catu daya, perubahan pada
tegangan keluaran = ±18,5% atau ±0,9%.
Karena perubahan ini kira-kira = ±6,2 mV per dioda, maka
penggunakan model dioda sinyal kecil dapat dibenarkan.
Ketika beban 1 kΩ dihubungkan ke rangkaian dioda, beban ini akan
mengambil arus 2,1mA. Akibatnya akan ada penurunan tegangan
pada dioda sebanyak:
ΔvO = -2,1 x r = -2,1 x 18,9 = -39,7 mV
Penurunan pada setiap dioda kira-kira 13,2 mV, pemakaian model
sinyal kecil tidak sepenuhnya ‘valid’.
48. 48
Model Sinyal Kecil
• Untuk sinyal kecil yang
ditumpangkan pada VD dan ID :
id = vd/rd
rd = nVT/ID
(Untuk n=1, vd maks = 5 mV
Untuk n=2, vd maks = 10 mV)
Catatan:
Berguna untuk
mencari komponen
tegangan dari dioda
Dipakai sebagai
dasar pemodelan
sinyal kecil transistor
49. 49
Dioda Zener
Gambar 20. Simbol rangkaian
Dioda Zener
Gambar 21. Karakteristik i – v dioda
pada daerah breakdown
50. 50
Pada grafik karakteristik i – v terlihat bahwa pada arus lebih besar
dari ‘knee current’, kurva hampir merupakan garis lurus.
Data yang diberikan oleh pabrik biasanya menunjukkan tegangan
dioda zener VZ pada arus test IZT. Pada grafik terlihat pada titik Q.
Jika arus bergeser dari arus test IZT, tegangan pada dioda akan sedikit
berubah.
IrV Z∆=∆
rZ adalah kebalikan dari kemiringan garis singgung pada titik Q.
rZ dikenal juga dengan ‘incremental resistance’ atau ‘dynamic
resistance’. Harga rZ berkisar antara beberapa ohm sampai
beberapa kilo ohm.
Pada data yang diberikan oleh pabrik selain VZ, IZT, rZ dan IZK, juga
ada data mengenai daya disipasi maksimum.
52. 52
Contoh soal 7:
Penggunaan dioda zener sebagai ‘shunt regulator’
Sebuah dioda zener mempunyai spesifikasi: VZ = 6,8 V pada IZ =
5 mA, rZ = 20Ω dan IZK = 0,2 mA. Tegangan sumber V+ = 10 V
dengan penyimpangan ± 1 V. Carilah:
a. VO jika tidak ada beban dan V+
pada harga nominal
b. Perubahan harga VO jika ada perubahan ± 1 V pada V+
.
(ΔVO/ΔV+
disebut line regulation)
c. Perubahan pada VO jika terhubung pada beban RL yang
menghasilkan arus IL= 1 mA. (ΔVO/ΔIL disebut load regulation)
d. Harga VO jika RL= 2 kΩ
e. Harga VO jika RL= 0,5 kΩ
f. Harga RL minimum agar dioda masih bekerja di daerah
breakdown.
53. 53
Gambar 23. (a) rangkaian contoh soal 7. (b) rangkaian dengan rangkaian
pengganti dioda zener.
54. 54
Jawab:
Tentukan harga VZ0 dari dioda zener.
VZ = VZ0 + rzIZ
VZ0 = 6,8V – 20 x 5mA = 6,7 V
a. Tanpa beban:
V6,830,026,356,7
mA35,6
02,05,0
7,610
0
0
=×+=
+=∴
=
+
−
=
+
−
==
+
zZZO
z
Z
Z
rIVV
rR
VV
II
55. 55
b. Untuk perubahan ± 1V pada V+
, perubahan pada tegangan keluaran:
mV5,38
20500
20
1 ±=
+
×±=
+
∆=∆ +
z
z
O
rR
r
VV
Line regulation = 38,5 mV
c. Terhubung dengan beban RL yang menarik arus IL = 1 mA, arus
pada zener menurun 1 mA.
mV/mA20regulationLoad
mV20120
−=
∆
∆
≡
−=−×=
∆=∆
L
O
ZzO
I
V
IrV
56. 56
d. Ketika dihubungkan dengan beban 2 kΩ
mV684,320
mA4,3
mA4,3
k2
V8,6
=−×=∆=∆∴
−=∆
=
Ω
=
ZzO
Z
L
IrV
I
I
Perhitungan ini hanya pendekatan, karena tidak mengabaikan
perubahan arus I. untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat
dapat menggunakan rangkaian pengganti pada gambar 23(b).
Analisis ini menghasilkan ΔVO = 70 mV
57. 57
e. Untuk RL = 0,5 kΩ
mA6,13
5,0
8,6
==LI
Hal ini tidak mungkin karena arus I yang melalui R hanya 6,4 mA
(V+
=10 V), akibatnya zener ‘cut off’. Maka tegangan VO akan
ditentukan dengan menggunakan pembagian tegangan antara R
dan RL.
V5
5,05,0
5,0
10 =
+
=
+
= +
RR
R
VV
L
L
O
Tegangan ini lebih kecil dari tegangan breakdown, artinya dioda
tidak bekerja pada daerah breakdown
58. 58
f. Agar zener tetap bekerja pada daerah breakdown.
( )
Ω≈=∴
=−
=
−
=
≈≈
==
k5,1
4,4
6,7
mA4,42,06,4:bebanpadaarus
mA6,4
5,0
769
padaarus
mV7,6
mA2,0
L
ZKZ
ZKZ
R
,
R
VV
II
59. 59
Efek suhu
Ketergantungan tegangan zener pada suhu ditentukan dengan koefisien
suhu atau TC atau temco yang dinyatakan dengan mV/°C.
Harga TC tergantung dari:
– Tegangan zener
– Arus operasi
VZ < 5 V → TC yang negatif,
VZ > 5 V → TC yang positif.
TC dari sebuah dioda zener yang mempunyai VZ = 5 V dapat dibuat 0
dengan mengoperasikan dioda pada arus tertentu.
Untuk mendapatkan tegangan rujukan yang mempunyai TC rendah adalah
dengan menghubungkan dioda zener yang mempunyai TC positif kira-kira
2 mV/°C secara seri dengan dioda yang bekerja di daerah forward. Dioda
yang bekerja di daerah forward mempunyai penurunan tegangan ≈ 0,7 V
dan mempunyai TC -2 mV/°C. Hubungan ini mempunyai tegangan (VZ+
0,7) dengan TC = 0
60. 60
Rangkaian penyearah
Gambar 24. Diagram blok sebuah catu daya dc
Diagram blok terdiri dari:
1. Trafo daya.
2. Rangkaian penyearah dioda
3. Filter
4. Pengatur tegangan
Gambar di atas adalah diagram blok dari rangkaian penyearah dari
tegangan jala-jala 120-V (rms) dengan frekuensi 60 Hz menjadi
tegangan dc (biasanya antara 5 – 20 V) yang digunakan untuk
mencatu beban. Tegangan keluaran VO yang dihasilkan harus
tetap konstan walaupun ada variasi pada catu ac dan pada arus
yang diperlukan oleh beban.
61. 61
Penyearah setengah gelombang
Pada rangkaian ekivalen digunakan model dioda garis lurus.
V0,8atauV7,0
(22)
(21b),
(21a),0
0
0
00
0
=
−≈⇒<<
≥
+
−
+
=
<=
D
DSOD
DS
D
DS
D
O
DSO
V
VvvRr
Vv
rR
R
Vv
rR
R
v
Vvv
Dalam memilih dioda untuk penyearah ada dua parameter
penting yang harus diperhatikan:
a. Kemampuan dioda membawa arus, ditentukan oleh arus
maksimum yang mungkin di saat dioda terhubung.
b. Peak inverse voltage (PIV), ditentukan oleh tegangan terbalik
maksimum yang mungkin ada di antara terminal dioda.
PIV = Vs
Biasanya dipilih dioda yang mempunyai tegangan breakdown
50% lebih besar dari PIV
62. 62
Gambar 25. (a) penyearah setengah gelombang, (b) rangkaian ekivalen
penyearah setengah gelombang, (c) karakteristik transfer rangkaian penyearah,
(d) bentuk gelombang masukan dan keluaran, asumsikan ro << R
64. 64
Cara kerja:
Jika tegangan jala-jala pada lilitan primer positif, kedua sinyal yang
berlabel vS akan positif. D1 akan terhubung dan D2 akan reverse
biased. Arus mengalir pada D1 akan mengalir melalui R dan kembali
ke tengah-tengah lilitan sekunder. Rangkaian merupakan penyearah
setengah gelombang.
Ketika tegangan jala-jala negatif, kedua sinyal yang berlabel vS akan
negatif. D1 akan ‘cut off’ dan D2 akan terhubung. Arus mengalir pada
D2 akan mengalir melalui R dan kembali ke tengah-tengah lilitan
sekunder. Rangkaian merupakan penyearah setengah gelombang.
Catatan: arus yang mengalir melalui R selalu mempunyai arah yang
sama, jadi vO akan unipolar.
Untuk menghitung PIV:
Pada saat setengah siklus positif, D1 terhubung dan D2 ‘cut off’.
Tegangan pada katoda D2 adalah vO dan pada anoda –vS. Jadi
tegangan balik pada dioda D2 akan menjadi (vO + vS), yang akan
mencapai nilai maksimum pada harga (Vs – VD) dan vS akan
mencapai puncak pada Vs, jadi:
PIV = 2 V – V
66. 66
Cara kerja:
Pada setengah siklus positif sinyal masukan, vS positif, dan arus
mengalir melalui D1, resistor R, dan dioda D2, sedangkan D3 dan D4
dalam keadaan reverse biased. Dalam jalur ini ada dua dioda yang
terhubung seri sehingga vO akan lebih rendah dari vS sebanyak dua
penurunan tegangan dioda.
Pada setengah siklus negatif sinyal masukan, vS akan negatif,
sehingga –vS akan positif, dan arus mengalir melalui D3, R, dan D4,
sedangkan D1 dan D2 dalam keadaan reverse biased.
Catatan: pada kedua kondisi, arus mengalir dengan arah yang sama,
sehingga vO selalu positif.
Untuk menghitung PIV, perhatikan rangkaian pada setengah siklus
positif. Tegangan balik pada dioda D3 dapat ditentukan pada loop
yang dibentuk oleh D3, R, dan D2:
vD3 (reverse) = vO + vD2 (forward)
Harga maksimum dari vD3 terjadi pada puncak vO, jadi:
67. 67
Penyearah dengan sebuah kapasitor filter – Penyearah Puncak
Gambar 28. (a) rangkaian sederhana yang menunjukkan efek dari kapasitor
filter (b) bentuk gelombang masukan dan keluaran
68. 68
Cara kerja:
Sinyal masukan vi adalah sinyal sinusoida dengan amplitudo Vp dan
asumsikan dioda adalah dioda ideal.
vi positif → dioda terhubung dan kapasitor terisi dan vO = vI.
Keadaan ini berlangsung terus sampai vI mencapai Vp. Setelah
sinyal masukan mencapai puncak, vI menurun, dioda dalam
keadaan reverse biased, dan tegangan keluaran tetap pada Vp.
Harga ini akan tetap konstan, karena tidak ada jalur untuk
pengosongan kapasitor.
Jadi rangkaian menghasilkan tegangan keluaran sama dengan
amplitudo sinyal masukan sinusoida.
Pada keadaan praktis, rangkaian dihubungkan dengan beban R
paralel dengan C seperti yang terlihat pada gambar 29
69. 69
Gambar 29 Bentuk gelombang arus dan tegangan pada rangkaian penyearah
puncak dengan CR >> T
70. 70
Cara kerja:
Asumsikan dioda adalah dioda ideal.
Dengan sinyal masukan sinusoida, kapasitor akan terisi sampai
tegangan mencapai Vp. Kemudian dioda menjadi ‘cut off’, kapasitor
akan dikosongkan melalui resistansi beban R. Pengosongan
kapasitor akan berlangsung sampai vI lebih tinggi dari tegangan
pada kapasitor. Dioda akan terhubung lagi dan mengisi kapasitor
sampai Vp. Proses ini akan berulang.
Agar penurunan tegangan keluaran tidak terlalu besar selama
pengosongan kapasitor, harga CR jauh lebih besar dari interval
pengosongan.
Gambar 29(b) adalah bentuk gelombang masukan dan keluaran
dengan asumsi CR >> T, di mana T adalah perioda dari sinyal
masukan sinusoida.
71. 71
Arus pada beban:
iL = vO/R (23)
Arus pada dioda:
(25)
(24)
L
I
LCD
i
dt
dv
C
iii
+=
+=
Catatan:
1. Dioda terhubung pada interval yang singkat, Δt.
2. Asumsikan dioda ideal, dioda mulai terhubung pada t1, pada
saat vI = vO. Dioda ‘off’ pada t2 . Harga t2 dapat dicari dari
persamaan di atas dengan iD = 0
3. Selama dioda ‘off’, kapasitor C discharge melalui R, dan vO
berkurang secara eksponensial dengan konstanta waktu CR.
Selang discharge mulai beberapa saat setelah amplitudo vI.
Pada akhir selang discharge, vO = Vp – Vr, Vr adalah tegangan
ripple puncak-ke-puncak. Ketika CR >> T, Vr kecil.
72. 72
4. Jika Vr kecil, vO ≈ vI, sehingga tegangan keluaran dc hampir
sama dengan Vp dan iL hampir konstant, dan IL akan sama
dengan:
(26)
R
V
I P
L =
Untuk mendapatkan tegangan keluaran dc yang lebih akurat, dapat
diperoleh dengan mencari harga rata-rata dari vO
VO = Vp – ½ Vr (27)
Selama selang pengosongan kapasitor:
CRt
pO eVv /−
=
Pada akhir selang pengosongan:
CRT
prp eVVV /−
≈−
75. 75
Arus dioda maksimum dapat diperoleh dari persamaan 25 pada
awal konduksi, yaitu pada t = t1 = -Δt. Asumsikan bahwa arus IL
hampir konstan pada harga yang diberikan pada persamaan 26,
diperoleh:
( ) (32)/221max rpLD VVIi π+=
Dari persamaan 31 dan 32 diperoleh: untuk Vr << Vp, IDmax ≈ 2 IDav.
76. 76
Penyearah gelombang penuh dapat diubah menjadi penyearah
puncak dengan menambahkan kapasitor paralel dengan beban.
Dalam hal ini frekuensi sinyal ripple akan dua kali frekuensi sinyal
masukan.
Gambar 30. Bentuk gelombang pada penyearah puncak gelombang penuh
77. 77
Frekuensi ripple akan dua kali frekuensi masukan.
Tegangan ripple puncak-ke-puncak, dapat diperoleh dengan cara
yang sama, tetapi perioda pengosongan T diganti dengan T/2,
sehingga:
(33)
2fCR
V
V p
r =
Dan arus rata-rata dan arus maksimum dioda:
( )
( ) (35)2/21
(34)2/1
max rpLD
rpLDav
VVIi
VVIi
π
π
+=
+=
Jadi untuk Vp, f, R dan Vr yang sama, diperlukan kapasitor yang
berukuran setengah dari kapasitor pada penyearah setengah
gelombang.
79. 79
Dioda super digunakan untuk menyearahkan sinyal yang kecil (pada
orde 100 mV) atau yang memerlukan presisi yang tinggi.
Dioda super terdiri dari op-amp dengan dioda ditempatkan pada
jalur umpan balik negatif dan R merupakan resistansi beban.
Cara kerja:
Jika vI positif, tegangan keluaran op-amp vA akan positif dan dioda
akan terhubung, sehingga membentuk jalur umpan balik tertutup
antara terminal keluaran op-amp dengan terminal masukan negatif.
Jalur umpan balik negatif ini akan menyebabkan hubung singkat
semu di antara kedua terminal masukan. Jadi tegangan pada
terminal masukan negatif yang sama dengan tegangan keluaran
akan sama dengan tegangan masukan pada terminal masukan
positif.
vO = vI vI ≥ 0
Op-amp dapat beroperasi dengan vI hanya sedikit lebih besar dari
penurunan tegangan dioda dibagi dengan penguatan op-amp loop
terbuka.
80. 80
Jadi transfer karakteristik vO – vI yang berupa garis lurus hampir
melalui titik nol, sehingga rangkaian ini cocok digunakan untuk
sinyal yang sangat kecil.
Ketika tegangan vI negatif, tegangan keluaran op-amp vA akan
menjadi negatif. Hal ini akan menyebabkan dioda dalam keadaan
reverse biased, tidak ada arus yang melalui R, sehingga vO sama
dengan nol. Jadi untuk vI < 0, vO = 0, dan op-amp bekerja dalam
mode loop terbuka.
81. 81
Rangkaian Pembatas dan Penjepit – Limiting and Clamping Circuits
Rangkaian Pembatas
Gambar 32. Karakteristik transfer rangkaian pembatas
82. 82
L-/K ≤ vi ≤ L+/K → rangkaian pembatas beroperasi seperti
rangkaian linier
vo = K vi
K ≤ 1 : pembatas pasif
Jika vi ≥ L+/K, keluaran akan dibatasi oleh pembatas atas L+.
Jika vi ≤ L-/K, keluaran akan dibatasi oleh pembatas bawah L-
Karakteristik transfer pada gambar 33 menunjukkan sebuah
pembatas ganda atau ‘double limiter’ yaitu yang membatasi kedua
puncak, positif dan negatif. Karakteristik seperti ini juga dikenal
sebagai karakteristik pembatas keras atau hard limiter.
Sebuah masukan sinusoida dipasangkan ke sebuah pembatas
ganda, kedua puncaknya akan terpotong. Oleh sebab itu
rangkaian pembatas disebut juga rangkaian pemotong atau
clipper.
83. 83
Gambar 33. Sinyal sinusoida dipasangkan pada rangkaian pembatas.
Gambar 34. Soft limiting
85. 85
Pada rangkaian ini dipakai model dioda penurunan tegangan tetap
(VD = 0,7).
Untuk rangkaian pada gambar 35(a):
vI < 0,5 V, dioda ‘cut off’, penurunan tegangan pada R = 0 → vO = vI.
vI > 0,5 V, dioda ‘on’, vO = penurunan tegangan satu dioda (0,7 V).
Untuk rangkaian pada gambar 35(b):
Sama seperti rangkaian pada gambar 35(a) hanya diodanya
kebalikannya.
Rangkaian pembatas dobel dapat diimplementasikan dengan
menggunakan dua dioda yang mempunyai polaritas berlawanan
seperti pada gambar 35(c).
Pada rangkaian ini daerah linier dari karakteristik diperoleh untuk
-0,5V ≤ vI ≤ 0,5V. Pada selang ini kedua dioda ‘off’ dan vO = vI. Jika vI
melebihi 0,5V, D1 ‘on’, dan membatasi tegangan vO +0,7V, dan jika vI
kurang dari -0,5V, D2 dan membatasi tegangan vO -0,7V.
86. 86
Tegangan ambang dan tingkat kejenuhan dari dioda dapat diatur
dengan menggunakan rantai dioda atau dengan menghubungkan
seri dioda dengan sumber tegangan dc seperti pada gambar 35(d).
Cara lain dengan menggunakan dua buah dioda zener yang
dihubungkan seri, seperti pada gambar 35(e).
Jika vI positif, vO akan dibatasi oleh tegangan (VZ2 + 0,7). Pada
kondisi ini Z2 bertindak sebagai zener dan Z1 forward bias.
Jika vI negatif, vO akan dibatasi oleh tegangan (VZ1 + 0,7). Pada
kondisi ini Z1 bertindak sebagai zener dan Z2 forward bias.
Rangkaian ini dikenal dengan nama double-anode zener.
87. 87
Clamped Capacitor atau DC Restorer
Jika pada rangkaian penyearah puncak, keluaran diambil pada
terminal dioda maka akan menghasilkan aplikasi penting yang
disebut ‘dc restorer’ seperti yang terlihat pada gambar 36.
Gambar 36. Clamped Capacitor atau dc restorer.
88. 88
Cara kerja:
Karena polaritas dioda terhubung sedemikian rupa maka kapasitor
akan terisi sampai tegangan vC seperti yang terlihat pada gambar 36
dan besarnya sama dengan amplitudo negatif dari sinyal masukan.
Selanjutnya dioda ‘off’ dan tegangan pada kapasitor akan konstan.
Jika masukan sinyal segiempat mempunyai tegangan maksimum
-6V dan +4V, maka vC akan sama dengan 6V. Tegangan keluaran
vO:
vO = vI + vC
Bentuk gelombangnya akan sama hanya tergeser ke atas sebanyak
vC.
Cara lain melihat cara kerja rangkaian ini adalah, karena dioda
terhubung sedemikian, maka akan mencegah tegangan keluaran
lebih rendah dari 0V. Jadi bentuk gelombang keluaran mempunyai
harga terendah 0V atau terjepit pada tegangan 0V. Itulah sebabnya
rangkaian disebut rangkaian kapasitor penjepit.
89. 89
Jika polaritas dioda dibalik, maka tegangan keluaran mempunyai
tegangan maksimum 0V.
Salah satu aplikasi dari rangkaian ini adalah untuk mengembalikan
komponen dc dari pulsa yang ditransmisikan lewat sistem ac-
coupled atau capacitively-couple. Kopling kapasitif akan
menyebabkan pulsa kehilangan komponen dc. Dengan
memasukkan pulsa ini ke rangkaian penjepit akan memberikan
kembali komponen dc yang hilang. Oleh sebab itulah rangkaian ini
disebut rangkaian ‘dc-restorer’.
Jika sebuah resistansi beban R terhubung paralel dengan dioda
pada rangkaian penjepit, tegangan keluaran akan berubah.
Ketika keluaran lebih tinggi dari ‘ground’, arus dc akan mengalir
melalui R. Karena pada saat itu dioda dalam keadaan ‘off’, arus
berasal dari kapasitor, sehingga terjadi pengosongan kapasitor dan
tegangan keluaran menurun. Hal ini terlihat pada gambar 37
91. 91
Selama selang t0 – t1, tegangan keluaran turun secara eksponensial
dengan konstanta waktu CR. Pada t1 masukan turun sebanyak Va
volt, dan keluaran berusaha untuk mengikutinya. Hal ini
menyebabkan dioda terhubung dan mengisi kapasitor. Pada akhir
selang t1 – t2, tegangan keluaran akan beberapa persepuluh volt
negatif ( -0,5V). Kemudian tegangan masukan meningkat sebanyak
Va volt yang akan diikuti oleh keluaran dan seterusnya akan
berulang.
Pada keadaan mantap, muatan kapasitor yang hilang selama selang
t0 – t1 akan diperoleh kembali selama selang t1 – t2.
93. 93
Gambar 38 menunjukkan sebuah rangkaian yang terdiri dari dua
bagian yang dihubungkan secara ‘cascade’: sebuah penjepit yang
dibentuk oleh C1 dan D1, dan sebuah penyearah puncak yang
dibentuk oleh D2 dan C2.
Jika diberi masukan sinyal sinusoida dengan amplitudo Vp, bagian
penjepit akan menghasilkan bentuk gelombang seperti pada gambar
38(b).
Puncak positif akan dijepit pada tegangan 0 V dan puncak positif
pada tegangan -2Vp.
Respons terhadap bentuk gelombang ini, bagian penyearah puncak
akan menghasilkan tegangan dc 2Vp pada kapasitor. Karena
besaran tegangan keluaran dua kali tegangan masukan maka
rangkaian disebut ‘voltage doubler’
94. 94
Operasi fisik dari dioda
• Konsep dasar semikonduktor
– Dioda semikonduktor adalah sebuah pn junction yang terdiri dari
semikonduktor jenis –n dan semikonduktor jenis –p.
– Daerah p dan n adalah bagian dari kristal silikon yang sama
yang mempunyai doping yang berbeda.
– pn junction juga merupakan elemen dasar dari transistor bipolar
dan transistor efek medan (FET)
Gambar 39. Struktur fisik sederhana dari dioda junction
95. 95
Gambar 40. Two-dimensional representation of the silicon crystal. The circles
represent the inner core of silicon atoms, with +4 indicating its positive charge
of +4q, which is neutralized by the charge of the four valence electrons.
Observe how the covalent bonds are formed by sharing of the valence
electrons. At 0 K, all bonds are intact and no free electrons are available for
current conduction.
96. 96
Gambar 41 At room temperature, some of the covalent bonds are broken
by thermal ionization. Each broken bond gives rise to a free electron and a
hole, both of which become available for current conduction.
97. 97
Gambar 42. A silicon crystal doped by a pentavalent element. Each dopant
atom donates a free electron and is thus called a donor. The doped
semiconductor becomes n type.
98. 98
Gambar 43. A silicon crystal doped with a trivalent impurity. Each dopant atom
gives rise to a hole, and the semiconductor becomes p type.
99. 99
pn junction dalam kondisi hubung terbuka
= 20 ln
i
DA
T
n
NN
VV
Gambar 44 (a) Dioda dalam keadaan hubung terbuka (b) Distribusi
potensial sepanjang sumbu tegak lurus dengan junction
100. 100
• Tanda ‘+’ pada bahan jenis –p menunjukkan pembawa mayoritas
‘holes’.
• Muatan ‘holes’ dinetralkan oleh muatan negatif dari atom akseptor.
• Tanda ‘-’ pada bahan jenis –n menunjukkan pembawa mayoritas
‘elektron’.
• Muatan ‘elektron’ dinetralkan oleh muatan positif.
• Arus difusi ID
– Konsentrasi holes yang tinggi di daerah p dan yang rendah di
daerah n menyebabkan holes merembas melalui ‘junction’ dari
sisi p ke sisi n.
– Sebaliknya, elektron merembas dari sisi n ke sisi p.
– Jumlah kedua arus ini membentuk arus difusi ID dengan arah
dari sisi p ke sisi n.
101. 101
• Daerah deplesi
– Holes yang merembas melalui junction ke daerah n akan ber-
rekombinasi dengan mayoritas elektron di daerah n, sehingga
holes ini menghilang demikian juga sebagian elektron bebas
pada daerah n juga menghilang.
– Sebagian dari muatan positif tidak lagi dinetralkan oleh elektron
bebas. Muatan ini disebut ‘uncovered’
– Rekombinasi terjadi di dekat junction, sehingga ada daerah
dekat junction yang kekurangan elektron bebas (depleted of free
electrons) dan mengandung muatan positif yang ‘uncovered’
– Elektron yang merembas melalui junction ke daerah p akan ber-
rekombinasi dengan mayoritas holes di daerah p, sehingga
elektron ini menghilang demikian juga sebagian holes bebas
pada daerah p juga menghilang.
– Sebagian dari muatan negatif tidak lagi dinetralkan oleh holes.
Muatan ini disebut ‘uncovered’
– Rekombinasi terjadi di dekat junction, sehingga ada daerah
dekat junction pada daerah p yang kekurangan holes (depleted
of holes) dan mengandung muatan negatif yang ‘uncovered
102. 102
– Dari penjelasan di atas, daerah deplesi pembawa (carrier-
depletion region) atau daerah deplesi akan terdapat di kedua sisi
junction, pada sisi n bermuatan positif dan di sisi p bermuatan
negatif.
– Muatan pada ke dua sisi daerah deplesi akan menyebabkan
adanya medan listrik pada daerah deplesi, sehingga ada
perbedaan tegangan pada daerah deplesi, dengan tegangan
positif pada sisi n dan tegangan negatif pada sisi p.
– Perbedaan tegangan pada daerah deplesi merupakan
penghalang (‘barrier’) yang harus diatasi oleh holes untuk
berdifusi ke daerah n dan elektron berdifusi ke daerah p.
– Makin besar tegangan penghalang, makin kecil jumlah
pembawa yang dapat mengatasi ‘barrier’ sehingga makin kecil
arus difusi.
– Arus difusi tergantung pada perbedaan tegangan V0 pada
daerah deplesi.
103. 103
• Arus drift IS dan keseimbangan
– Selain komponen arus difusi ID, terdapat juga komponen arus
drift yang disebabkan oleh pembawa minoritas.
– Ada dua komponen arus drift, yaitu elektron yang bergerak dari
bahan p ke bahan n dan holes yang bergerak dari bahan n ke
bahan p.
– Arah arus drift IS dari sisi n ke sisi p pada junction.
– Karena arus drift disebabkan oleh pembawa minoritas yang
dihasilkan secara termal, harganya sangat tergantung pada
suhu, tetapi tidak tergantung pada harga tegangan pada daerah
deplesi.
– Pada kondisi hubung terbuka: ID = IS
104. 104
• Tegangan pada junction
= 20 ln
i
DA
T
n
NN
VV
NA = konsentrasi doping pada sisi p
ND = konsentrasi doping pada sisi n
VT = tegangan termal
Jadi tegangan pada junction tergantung dari konsentrasi doping
dan suhu.
Pada suhu kamar, biasanya tegangan ini antara 0,6 V – 0,8 V.
105. 105
• Lebar daerah deplesi
– Daerah deplesi pada kedua sisi junction tergantung pada
jumlah muatan (konsentrasi doping) pada kedua sisi.
– Daerah deplesi akan lebih lebar pada sisi yang mempunyai
doping lebih kecil.
qxpANA = qxnAND
0
112
V
NNq
xxW
N
N
x
x
DA
s
pndep
D
A
p
n
+=+=
=
ε
xp dan xn: lebar deplesi pada sisi p dan n
A: luas penampang junction
NA dan ND: konsentrasi doping pada sisi p dan n
εs = permivity elektrik dari silicon = 11,7 ε0 = 1,04 x 10-12
F/cm
Harga Wdep berkisar antara 0,1 μm – 1 μm
106. 106
pn junction di bawah kondisi ‘reverse bias’
Gambar 45 The pn junction excited by a constant-current source I in the
reverse direction. To avoid breakdown, I is kept smaller than IS. Note that the
depletion layer widens and the barrier voltage increases by VR volts, which
appears between the terminals as a reverse voltage.
107. 107
– Arus luar I mengalir dari bahan n ke bahan p
– Elektron meninggalkan bahan n dan holes meninggalkan bahan
p.
– Elektron bebas yang meninggalkan bahan n menyebabkan
meningkatnya ‘uncovered’ muatan positif.
– Holes yang meninggalkan bahan p menyebabkan meningkatnya
‘uncovered’ muatan negatif.
– Arus balik I akan menyebabkan meningkatnya lebar daerah
deplesi dan juga muatan pada daerah deplesi.
– Akibatnya tegangan pada junction meningkat – artinya tegangan
penghalang meningkat – arus ID menurun.
– Arus IS tidak tergantung dari tegangan penghalang, jadi arus IS
tetap.
– Pada keadaan seimbang: IS – ID = I, dan tegangan sama V0 sama
dengan tegangan VR
– Pada keadaan steady ID kecil sekali sehingga I ≈ IS
108. 108
pn junction pada daerah breakdown
Gambar 46 The pn junction excited by a reverse-current source I, where I > IS.
The junction breaks down, and a voltage VZ , with the polarity indicated,
develops across the junction.
109. 109
• Arus I > IS pada arah balik.
• Melalui jalur luar, sumber arus akan memindahkan holes pada
bahan p ke bahan n, dan memindahkan elektron dari bahan n ke
bahan p.
• Akibatnya makin banyak muatan ‘bound’ yang ‘uncovered’,
sehingga daerah deplesi makin lebar dan tegangan penghalang
makin tinggi yang mengakibatkan arus difusi makin kecil atau
mendekati nol.
• Keadaan steady tidak tercapai karena arus I > IS
• Proses ini akan menyebabkan daerah deplesi makin lebar sampai
terbentuk tegangan junction yang cukup tinggi.
• Ada mekanisme baru diperlukan untuk mencatu muatan pembawa
yang diperlukan untuk menunjang arus I.
110. 110
• Ada 2 mekanisme breakdown
– Effect Zener, VZ < 5 V.
• Terjadi bila medan listrik pada lapisan deplesi meninggat
pada titik di mana medan ini akan mematahkan ikatan
kovalen dan menghasilkan pasangan elektron – holes.
• Elektron akan tertarik pada sisi n dan holes akan tertarik ke
sisi p.
• Elektron dan holes ini menyebabkan arus balik pada junction
yang menunjang arus luar.
• Jika efek Zener terjadi, banyak muatan pembawa akan
dihasilkan, tanpa ada penambahan tegangan junction.
• Jadi arus balik pada daerah breakdown akan ditentukan oleh
rangkaian luar, sedangkan tegangan pada terminal dioda
akan tetap mendekati tegangan breakdown VZ
111. 111
– Efek avalanche
• Terjadi ketika pembawa minoritas yang melewati daerah
deplesi karena pengaruh medan listrik mempunyai energi
kinetik yang dapat memecahkan ikatan kovalen pada atom
yang ditabraknya.
• Pembawa yang terbentuk pada proses ini mempunyai energi
yang tinggi yang dapat menyebabkan proses ionisasi
berlanjut.
• Proses avalanche disebabkan oleh rangkaian luar, dengan
perubahan penurunan tegangan junction yang bisa
diabaikan.
– Breakdown pada pn junction tidak bersifat merusak dengan
syarat disipasi daya tidak melebihi dari batas yang ditentukan.
– Disipasi daya maksimum menentukan harga maksimum arus
balik.
112. 112
pn junction dalam kondisi ‘forward bias’
Gambar 47. The pn junction excited by a constant-current source supplying a
current I in the forward direction. The depletion layer narrows and the barrier
voltage decreases by V volts, which appears as an external voltage in the
forward direction.
113. 113
– Arus luar mencatu pembawa mayoritas pada ke dua sisi; holes
ke bahan p dan elektron ke bahan n.
– Pembawa mayoritas ini menetralkan muatan ‘uncovered’,
sehingga jumlah muatan di daerah deplesi berkurang, akibatnya
daerah deplesi menjadi lebih sempit dan tegangan penghalang
menurun
– Makin banyak holes yang mengalir dari bahan p ke bahan n dan
makin banyak elektron mengalir dari bahan n ke bahan p
– Arus difusi meningkat sampai mencapai keseimbangan:
ID – IS = I
114. 114
Gambar 48. Minority-carrier distribution in a forward-biased pn junction. It is
assumed that the p region is more heavily doped than the n region; NA @ ND.
115. 115
Jenis dioda khusus
1. Schottky-Barrier Diode (SBD)
Terdiri dari metal yang ditempelkan ke semikonduktor yang
mempunyai dopping jenis n. Metal – semiconductor junction
mempunyai sifat seperti dioda dengan metal sebagai anoda dan
semikonduktor sebagai katoda. Karakteristik i – v SBD sama
dengan karakteristik dioda biasa dengan beberapa pengecualian;
– SBD dapat di-switch (on – off) lebih cepat dari dioda biasa.
– SBD mempunyai penurunan tegangan lebih kecil daripada
dioda biasa (0,3 – 0,5 V)
SBD dapat dibuat dari gallium arsenide (GaAs) dan banyak
ditemukan dalam rancangan TTL (transistor-transistor logic)
2. Varactor yaitu dioda khusus yang dipakai sebagai kapasitor
dengan tegangan yang bervariasi.
116. 116
3. Photodiodes adalah sebuah dioda yang bagian junctionnya
dibuka, Jika dalam keadaan reverse-biased junction ini disinari
akan menghasilkan arus yang disebut photocurrent. Arus ini
sebanding dengan intensitas cahaya. Dioda ini digunakan untuk
mengubah sinyal optik ke sinyal listrik.
Dioda ini merupakan komponen yang penting dalam rangkaian
optoelektronik atau photonic.
Bila tidak diberi reverse bias, photodiode berfungsi sebagai solar
cell.
117. 117
4. Light-Emitting Diode (LED) mengubah arus forward menjadi
cahaya. Proses rekombinasi di pn junction mengeluarkan
cahaya yang sebanding dengan arus forward.
LED banyak sekali dipakai sebagai alat peraga pada peralatan
laboratorium dan peralatan elektronik. Selain itu LED dapat juga
dirancang untuk menghasilkan cahaya yang koheren dengan
lebar bidang yang sangat sempit. Dioda seperti ini disebut dioda
laser.
Kombinasi antara LED dan photodiode disebut optoisolator.
Penggunaan optoisolator memberikan isolasi antara rangkaian
listrik yang terhubung dengan masukannya dan rangkaian yang
terhubung dengan keluarannya, sehingga dapat mengurangi
interferensi pada transmisi sinyal dalam sistem.
