Dasar Semikonduktor dan Dioda (By : Selmi Maulida - I0319098 - Teknik Industri Universitas Sebelas Maret batch 2019)

 HELLO PEEPSS!! 

 Dalam dunia keelektronikan, sudah tidak asing lagi dengan kata dioda. Banyak peralatan rumah tangga yang menggunakan listrik dipasang dioda. Sebenarnya, apa sih dioda itu? dan bahan apa yang digunakan untuk membentuk sebuah dioda? . Di blog ini saya akan menjelaskan pertanyaan-pertanyaan tersebut. 

SEMIKONDUKTOR 💚💛

Sebelum membahas apa itu semikonduktor, mari kita bahas mengenai teori atom yang sudah kita kenal selama ini

TEORI ATOM

1. Teori Atom Dalton (1808)

    Teori ini atom dilambangkan sebagai bola pejal (berisi/padat) dan atom ini merupakan bagian paling kecil dari suatu zat dan tidak dapat dibagi. 

2. Teori Atom Thomson (1900)

    Teori ini menyatakan bahwa atom merupakan pola pejal yang bermuatan positif dan tersebar elektron yang bermuatan negatif

3. Teori Atom Rutherford (1901)

    Rutherford mengatakan bahwa atom memiliki sebuah inti pusat atau sering disebut nekleus dengan dikelilingi awan elektron bermuatan negatif.

4. Teori Atom Bohr

    Penjelasan Bohr tentang atom  melibatkan gabungan antara teori klasik dari Rutherford dan teori kuantum dari Planck, dan secara garis besar Bohr mengemukaan model atomnya sebagai berikut :

1. Elektron dalam atom bergerak mengelilingi inti pada lintasan-lintasan tertentu, tidak memancarkan energi. Lintasan-lintasan elektron itu disebut kulit atau tingkat energi elektron.
2. Elektron dapat berpindah dari satu lintasan ke lintasan yang lain.
3. Perpindahan elektron dari tingkat energi tinggi ke rendah disertai pemancaran energi. Sedang perpindahan elektron dari tingkat energi rendah ke tinggi disertai penyerapan energi.
4. Elektron yang bergerak pada lintasannya berada pada keadaan stasioner, artinya elektron tidak memancarkan atau menyerap energi.

Menurut model atom bohr, elektron-elektron mengelilingi inti pada lintasan tertentu yang disebut kulit elektron atau tingkat energi. Tingkat energi paling rendah adalah kulit elektron yang terletak paling dalam, semakin keluar semakin besar nomor kulitnya dan semakin tinggi tingkat energinya.

LEVEL ENERGI

Energi sangatlah diperlukan dalam pemindahan elektron dari orbit kecil ke besar karena hal itu dilakukan untuk mengatasi penarikan inti. jika terdapat energi luar yang mengenai atom, hal ini akan mengangkat elektron ke level energi yang leih tinggi atau biasa disebut dengan keadaamn eksitasi. keadaan ini tidak bertahan lama karena elektron segera jatuh ke level energi awal. 

KRISTAL

Kristal merupakan atom yang bergabung membentuk suatu padatan dan dapat mengatur dirinya sendiri dalam tatanan tertentu. gaya ini biasa desebut ikatan kovalen.

ARUS HOLE

Bila ikatan kovalen padabpada kristal terputus, maka akan terjadi kekosongan atau hole yang mempunya kelebihan muatan positif. hole dapat bergerak dan menghasilkan sebuah arus, yaitu pita konduksi dan arus hole.

❤ Contoh

Sebuah atom Cu memiliki ion positif 29 dan dikelilingi 29 elektron. 28 elektron menempati orbit-orbit bagian dalam membentuk inti disebut nukleus. dibutuhkan energi yang besar untuk melepaskan ikatan ini. orbit terluar disebut pita valensi dan elektron yang berada di pita ini bernama elektron valensi. 

PENGERTIAN SEMIKONDUKTOR

Semikonduktor adalah suatu benda atau bahan yang tidak bisa menghantarkan arus listrik pada suhu rendah, namun jika sudah pada suhu tinggi semikonduktor dapat menghantarkan arus listrik. intinya adalah semikonduktor memiliki nilai hambat jenis antara konduktor dan isolator yakni sebesar 10^-6 sampai dengan 10^4 .

❤ Rumus-rumus pada semikonduktor

Arus arus mengalir pada bahan konduktor (dengan I paling besar(, kemudian semikonduktor, dan yang terakhir adalah isolator. 

Definisi yang kedua adalah, bahan yang memiliki forbidden band atau energy gap relatif kecil sebesar 1 eV

BAHAN-BAHAN SEMIKONDUKTOR

a. Trivalent

    Terdapat pada tabel periodik golongan IIIA, seperti Boron (B), Gallium (Ga), Indium (In).

b. Tetravalent

    Terdapat pada tabel periodik golongan IVA, seperti Silikon (Si), Germanium (Ge).

c. Pentavalent 

    Terdapat pada tabel periodik golongan VA, seperti Fosfor (P), Arsenikum (As), dan Antimon (Sb)

Bahan yang sering digunakan adalah Silikon (Si) dengan jumlah elektron 14, dan Germanium dengan jumlah elektron 32 buah. kedua bahan ini memiliki elektron valensi sejumlah 4 buah dan memiliki jenis ikatan kovalen.

JENIS SEMIKONDUKTOR

1. Semikonduktor Intrinsik

💛 Murni atau tidak cacat. ex: Silikon murni

💛 Memiliki suhu yang sangat rendah (elektron berada pada ikatan kovalen, tidak ada elektron bebas atau tidak ada pembawa muatan sehingga bersifat isolator)

💛 Semikonduktor intrinsik pada suhu kamar, seperti agitasi termal menyebabkan elektron valensi keluar dari ikatan kovalen, munculnya elektron bebas diikuti dengan hole sebagai muatan positif (Generation), apabila dipasang beda potensial, terjadi aliran arus (sebagai konduktor dengan konduktansi rendah)

Perbedaan Germanium dan Silikon:

Pembawa Muatan pada Semikonduktor Intrinsik:

2. Semikonduktor Ekstrinsik

Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang memperoleh pengotoran atau penyuntikan oleh atom asing. terdapat dua contoh semikonduktor yakni tipe-N dan tiipe-P. yang keduanya pengotoran oleh atom. untuk tipe-N sendiri atom pengotornya disebut atom donor, sedangkan tipe-P atom pengotornya disebut atom akseptor.

💣 Semikonduktor tipe-N

        Ketika sejumlah kecil impurutas pentavalen ditambahkan pada semikonduktor murni akan dihasilkan semikonduktor tipe-N. Penambahan impuritas pentavalen menyediakan sejumlah besar elektron bebas dalam kristal semikonduktor. Contoh khas impuritas pentavalen adalah arsen dan antimon. Impuritas yang menghasilkan semikonduktor tipe-N dikenal sebagai impuritas donor karena ia memberikan atau menyediakan elektron bebas pada kristal semikonduktor. elektron bebas sebagian besar terjadi karena doping, dan sebagian karena generation akibat agitasi termal. elektron bebas menjadi pembawa muatan dan hole sebagai pembawa minoritas.

💣 Semikonduktor tipe-P

Hole terjadi karena doping, dan yang lain bersama elektron karena generation akibat agitasi termal. hole menjadi muatan mayoritas dan elektron menjadi minoritas.

PIRANTI SEMIKONDUKTOR

DIODE PERTEMUAN PN💚💙

Diode pertemuan PN merupakan gabungan antara tipe-P dengan tipe-N. hal ini menyebabkan sebagian mendapat penyuntikan akseptor sedangkan sebagian yang lain mendapatkan penyuntikan donor dengan melekatkan metalugircal bond sehingga dua ujung logam merupakan terminal elektrode. pertemuan PN merupakan blok bangunan dasar bagi piranti semikonduktor.

✌ Pertemuan PN Terbuka

-ion-ion negatif menggambarkan atom yang mengandung hole dikarenakan kekurangan elektron, dan ion positif digambarkan sebagai atom yang kelebihan elektron.

- ion akseptor👉 ion negatif

   ion donor 👉 ion positif

Lapisan Pengosongan: 

- Apabila PN dipertemukan, terjadi difusi elektron ke arah p dan difusi hole ke arah n, sehingga menimbulkan arus ke kanan. 

- Akan terjadi recombination (penggabungan) di sekitar bidang pertemuan dan mengakibatkan elektron dan hole lenyap

- Di sekitar bidang pertemuan tak terdapat pembawa muatan (depletion region)

Tegangan Penghalang:

- Lenyapnya elektron yang meninggalkan donor (+), dan lenyapnya hole meninggalkan akseptor (-)

- adanya ion menyebabkan adanya medan listrik sehingga adanya tegangan kontak  (barrier potensial).

- karena pertemuan PN terbuka, maka akan terjadi keseimbangan antara arus drift dengan arus difusi. 

Pertemuan PN dengan prasikap maju (forward bias):

- Adanya VD  sehingga arus difusi lebih besar 

- Apabila potensial penghalang sebelum diberi VD adalah VO,  daerah pengosongan akan menyempit

- Pembawa mayoritas punya energi cukup untuk melewati potensial penghalang

- Hole dari sisi pembawa mayoritas dapat melewati daerah pengosongan menjadi pembawa minoritas

- Elektron dari sisi pembawa mayoritas melewati daerah pengosongan menjadi pembawa minoritas.

- Jumlah arus dari elektron ke hole merupakan arus total yang melewati diode.

Pertemuan PN dengan prasikap mundur (reverse bias):

- Hole pada sisi potensial penghalang bergerak ke kiri, elektron sisi n bergerak ke kanan, potensial melebar, tidak ada arus yang lewat bidang pertemuan

- Agitasi termal menyebabkan terjadinya generation sehingga muncul pasangan elektron dan hole

- Pengaruh medan listrik yang terpasang menyebabkan terjadinya arus yang arahnya dari katode ke anode dan disebut arus balik saturasi.

Cara Pemasangan Dioda

Grafik Arus Dioda

DASAR ANALISA DIODA

- Simbol 

Jenis Dioda dan penggunaannya

- Dioda Silikon untuk penyearah arus, pengaman dan tegangan kejut. IN001, IN4007, IN5404

- Dioda Zener untuk mengatur tegangan zener 6,2 volt, zener 3,2 volt

- Dioda Bridge untuk penyearah gelombang penuh pada rangkaian catu daya. B40C800, Kiprox pada kendaraan bermotor

- LED (Light Emitting Dioda) sebagai lampu indikator. konsumsi arus rendah 5mA, long life time (1,5-3 V)

RANGKAIAN DIODA

Garis beban melewati titik i=0. titik potong v adalah v=vi

dan v=0, titik potong adalah i = vi/Rl

Karakteristik dioda zener

karakteristik I-V dioda zener

                                        Dalam keadaan operasi dialiri arus 0,1 Iz sampai dengan Iz

                                                                 Daya Max = Pz = VzIz   

Karakteristik LED (Light Emitting Diode) 

LED adalah dioda yang dapat mengubah energi listrik menjadi cahaya dan memiliki jangkauan lamda 550 nm (hijau) sampai 1300 nm (inframerah). prinsip kerja dari LED kebalikan dari dioda foto. lamda ditentukan oleh band-gap dengan intensitas cahaya berbanding lurus dengan arus. non linieritas tampak pada arus rendah dan tinggi. pemanasan sendiri menurunkan efisiensi pada arus tinggi. 

Karakteristik: - sama seperti dioda pada umumnya

                       - cahaya biru tampak pada 1,4 - 2,7 volt

                       - tegangan threshold dan energi foton menurut energi band-gap

                       - junction mengalami kerusakan pada 3V

                       - menggunakan resistor seri

Display Digital LED:

terdapat pada hitung mundur di lampu merah/

Karakteristik Dioda Foto

dioda yang menyerap cahaya untuk meningkatkan konduktivitas.

Aplikasi AC to DC Converter : Penyearah setengah gelombang

Aplikasi Sensor gas

-Detektor kualitas daging

Semikonduktor mendeteksi gas ethil-asetat yang muncul ketika daging busuk. sensor ini dilengkapi dengan padatan SnO2-La2O3 dengan metode substrat alumina.

Contoh Soal