Download 03_Dioda

DIODA
Peralatan elektronik yang mengalirkan arus pada
satu arah lebih mudah dari pada arah sebaliknya
Diode semikonduktor
anoda
katoda
Arah aliran elektron
Operasi dioda
Arus mengalir
Diode dibias maju
Arus tidak mengalir
Diode dibias mundur
DIODA
Pengukuran dengan voltmeter
0.7 V
+
6V
_
5.3 V
6V
0.7 volt adalah tegangan knee
untuk dioda silikon
+
0V
6V
Dibias maju: pada dioda terjadi sedikit tegangan jatuh (voltage dropped)
sebesar 0.7 volt, sisa sebanyak 5.3 volt mengalir pada lampu, sehingga
lampu menyala
Dibias mundur: semua tegangan sumber dijatuhkan pada dioda, sehingga
lampu tidak menyala
DIODA
Dibuat dari bahan semikonduktor yi: bahan yang bisa bersifat konduktor
atau isolator, tapi sama-sama tidak baiknya
Bahan yang digunakan adalah:
silikon Si (no atom 14) dan germanium Ge (no atom 32), keduanya
merupakan atom tetravalent (memiliki 4 elektron valensi)
Bahan silikon memiliki elektron bebas lebih sedikit, dan lebih tahan panas
daripada bahan germanium. Oleh karena itulah silikon merajai pasaran
semikonduktor
Proses pembuatan dioda dari bahan semikonduktor membutuhkan
pengetahuan tentang mekanika kuantum
Ada dua type semikonduktor berdasarkan bahan pengotornya (impurity):
1. Type – n
di doping oleh atom pentavalen shg memiliki elektron bebas lebih banyak,
shg bersifat negatif
2. Type – p
di doping oleh atom trivalen shg memiliki hole/lubang lebih banyak,
shg bersifat positif (hole terjadi karena elektron meninggalkan pita
valensi –tereksitasi- karena dipengaruhi oleh medan listrik dari luar atom)
DIODA
http://www.electronics-tutorials.ws/diode/diode_1.html
This process of adding impurity atoms to semiconductor atoms (the order of 1 impurity atom per 10 million (or
more) atoms of the semiconductor) is called Doping.
The most commonly used semiconductor basics material by far is silicon. Silicon has four valence electrons in
its outermost shell which it shares with its neighbouring silicon atoms to form full orbital’s of eight electrons. The
structure of the bond between the two silicon atoms is such that each atom shares one electron with its
neighbour making the bond very stable.
As there are very few free electrons available to move around the silicon crystal, crystals of pure silicon (or
germanium) are therefore good insulators, or at the very least very high value resistors.
Silicon atoms are arranged in a definite symmetrical pattern making them a crystalline solid structure. A
crystal of pure silica (silicon dioxide or glass) is generally said to be an intrinsic crystal (it has no impurities) and
therefore has no free electrons.
DIODA
In order for our silicon crystal to conduct electricity, we need to introduce an impurity atom such as Arsenic,
Antimony or Phosphorus into the crystalline structure making it extrinsic (impurities are added). These atoms
have five outer electrons in their outermost orbital to share with neighbouring atoms and are commonly
called “Pentavalent” impurities.
This allows four out of the five orbital electrons to bond with its neighbouring silicon atoms leaving one “free
electron” to become mobile when an electrical voltage is applied (electron flow). As each impurity atom
“donates” one electron, pentavalent atoms are generally known as “donors”.
Antimony (symbol Sb) or Phosphorus (symbol P), are frequently used as a pentavalent additive to the silicon
as they have 51 electrons arranged in five shells around their nucleus with the outermost orbital having five
electrons. The resulting semiconductor basics material has an excess of current-carrying electrons, each with
a negative charge, and is therefore referred to as an N-type material with the electrons called “Majority
Carriers” while the resulting holes are called “Minority Carriers”.
When stimulated by an external power source, the electrons freed from the silicon atoms by this stimulation
are quickly replaced by the free electrons available from the doped Antimony atoms. But this action still
leaves an extra electron (the freed electron) floating around the doped crystal making it negatively
charged.
DIODA
If we go the other way, and introduce a “Trivalent” (3-electron) impurity into the crystalline structure, such as
Aluminium, Boron or Indium, which have only three valence electrons available in their outermost orbital, the
fourth closed bond cannot be formed. Therefore, a complete connection is not possible, giving the
semiconductor material an abundance of positively charged carriers known as holes in the structure of the
crystal where electrons are effectively missing.
As there is now a hole in the silicon crystal, a neighbouring electron is attracted to it and will try to move into
the hole to fill it. However, the electron filling the hole leaves another hole behind it as it moves. This in turn
attracts another electron which in turn creates another hole behind it, and so forth giving the appearance
that the holes are moving as a positive charge through the crystal structure (conventional current flow).
This movement of holes results in a shortage of electrons in the silicon turning the entire doped crystal into a
positive pole. As each impurity atom generates a hole, trivalent impurities are generally known as
“Acceptors” as they are continually “accepting” extra or free electrons.
DIODA
Jika semikonduktor type n dan p disambung, maka yang terjadi adalah di
(dua) oda (elektroda) jadinya DIODA disebut juga junction p-n
p
n
+ + + + + +
+ + + + + +
+ + + + + +
- - - - - - - - - - - - - - - -
junction
p
+ + + + + + + + + + + + + + + -
n
+ - - - - + - - - - + - - - - -
Lapis pengosongan
depletion region
Simbol yg ekuivalen
Elektron di sisi n mudah untuk berdifusi, difusi
elektron ke sisi p menyebabkan pembentukan ion +
dan – pada junction. Pasangan ion ini disebut dengan
dipole. Elektron yang masuk pada sisi p akan mengisi
hole sehingga hole lenyap, sedang sisi n kehilangan
elektron sehingga terbentuk muatan positif.
Tiap pole punya medan listrik yang akan memaksa
elektron kembali ke sisi n. semakin banyak elektron
yang hijrah maka semakin besar medan listrik, hingga
suatu saat difusi terhenti karena tercapai
keseimbangan pada lapisan pengosongan
DIODA
http://www.electronics-tutorials.ws/diode/diode_2.html
This process continues back and forth until the
number of electrons which have crossed the
junction have a large enough electrical charge
to repel or prevent any more charge carriers from
crossing over the junction. Eventually a state of
equilibrium (electrically neutral situation) will
occur producing a “potential barrier” zone
around the area of the junction as the donor
atoms repel the holes and the acceptor atoms
repel the electrons.
Since no free charge carriers can rest in a
position where there is a potential barrier, the
regions on either sides of the junction no become
completely depleted of any more free carriers in
comparison to the N and P type materials further
away from the junction. This area around the PN
Junction is now called the Depletion Layer.
DIODA
1. Dibias mundur
+++++
+++++
+++++
-
+
+
+
- - - - - - - - - - - - -
Lapis pengosongan
Arus sulit mengalir pada rangkaian ini.
Elektron pada sisi n tertarik oleh kutub positif
sumber arus, demikian pula sebaliknya
Lapis pengosongan semakin melebar, sehingga
elektron sulit mengalir pada kristal p - n
Lapis pengosongan seakan-akan semakin
melebar
2. Dibias maju
Arus mudah mengalir pada rangkaian ini.
Pada saat elektron disisi n berdifusi maka ujung
kanan kristal akan bersifat positif sedikit
Karena muatan positif sedikit, maka menarik
elektron dari sumber arus. Elektron berdifusi
terus ke sisi p karena sisi p bermuatan positif,
elektron tersebut akan bergerak hingga ke
ujung sisi p lalu menuju ke kutub positif
sumber arus, demikian seterusnya
+ + + + + + + + + + + + + + + -
+ - - - - + - - - - + - - - - -
Lapis pengosongan
Lapis pengosongan seakan-akan semakin
menipis
Dioda dapat dikonduksi dengan baik pada
saat tegangan >= potensial barier, Si 0.7
V; Ge 0.3 V.
DIODA
Kurva dioda
2. Dibias mundur
Jika dibias mundur sifat konduksinya
jelek, tapi
jika sudah melewati
tegangan breakdown (BV), maka
dengan
penambahan
tegangan
sedikit saja akan secara drastis
meningkatkan arus.
Jika arus besar maka akan terjadi
panas
berlebihan
pada
dioda,
sehingga
merusak
atau
memperpendek usia
1. Dibias maju
Jika dibias maju sifat konduksi baik,
setelah melewati tegangan 0,7 volt
(tegangan knee = potensial barrier),
maka arus akan naik drastis dengan
penambahan tegangan yang kecil
DIODA
Reversed Bias
DIODA
Forward Bias
DIODA
Tegangan AC pada dioda (rectifier)
VP
VP
+
harga rata-rata
beban
-
VDC
pi
-
2pi
3pi
beban
+
Kumparan
primer
Kumparan
sekunder
1. Penyearah setengah gelombang
pada ½ perioda positif dioda dibias maju, sedangkan pada ½
perioda negatif dioda dibias mundur, sehingga menghasilkan arus
DC berdenyut
Simbol travo
VRMS = VP/√2 = Vmax/√2 ; VDC = Vmax/π ; π = pi = 3.14; finput = foutput
Jika Vmax = 170 V
Maka VRMS = 170 V / √2 = 120 V
VDC = 170 V / π = 54.1 V
DIODA
½ periode
positif
VP
+
-
i
harga rata-rata
+
VDC
-
pi
2pi
3pi
½ periode
negatif
+
-
i
fout = 2 fin
V
VDC ==2V
2VP/p/π
DC
P
+
2. Penyearah tap tengah
pada ½ perioda positif dioda atas dibias maju, sedangkan pada ½
perioda negatif dioda bawah dibias maju, sehingga menghasilkan
arus DC gelombang penuh
Kumparan
primer
Kumparan
sekunder
Simbol travo
DIODA
½ periode
positif
+
D1
i
D2
VP
harga rata-rata
- D3
-
VDC
D4
pi
D1
i
3pi
D2
½ periode
negatif
+ D3
2pi
D4
fout = 2 fin
VVDC ==2V
2VP/p/π
DC
P
3. Penyearah jembatan
pada ½ perioda positif D2, D3 dibias maju; D1, D4 dibias mundur;
sedangkan pada ½ perioda negatif D1, D4 dibias maju ; D2, D3
dibias mundur; arus mengalir pada beban dengan arah yang sama,
sehingga menghasilkan arus DC gelombang penuh
Type dioda penyearah seperti diatas didasarkan atas kapasitas kuat
arusnya: 1 A, 2A, 3A, dst.
DIODA
(rectifier)
VP
Filter input kapasitor
+
+
-
-
0
VP
0
Vbeban
Pada saat ¼ periode naik
kapasitor mengisi muatan
Tegangan mengalir pada
beban
0
-
Vbeban
+
0
Pada saat 3/4 periode berikutnya
kapasitor mengosongkan muatan
(kondisi tRCcap > TAC
Vbeban
pi
Tegangan mengalir pada
beban
1. Penyearah setengah gelombang
ide: mendeteksi puncak gelombang arus DC berdenyut lalu
meratakannya
2pi
3pi
DIODA
+
VP
Vbeban
+
-
0
-
2. Penyearah Jembatan
Tegangan mengalir pada
beban
0
VDC
Pada saat ¼ periode naik
kapasitor mengisi muatan
VP
Vbeban
+
+
0
-
-
0
-
Tegangan mengalir pada
beban
Pada saat ¼ periode turun
kapasitor mengosongkan muatan
(kondisi tRCcap > TAC
VP
Vbeban
+
+
0
-
Tegangan mengalir pada
beban
0
Pada saat periode turun (½ - ¾)
kapasitor mengisi muatan
VP
Vbeban
-
+
0
+
Pada saat periode naik (¾ - 1)
kapasitor mengosongkan muatan
(kondisi tRCcap > TAC
0
Tegangan mengalir pada
beban
pi
2pi
3pi
DIODA
Type dioda
1. Dioda penyearah
2. LED (light emmiting dioda)
Jika dikenai tegangan maka medan listrik dalam dioda akan berubah,
sehingga akan mengembalikan elektron dari pita konduksi ke pita
valensi dengan mengeluarkan cahaya.
bahan: galium, arsen, phosphor
3. Photo dioda
merupakan p-n junction yang dirancang untuk beroperasi jika dibias
mundur. Jika cahaya dengan panjang gelombang yang benar jatuh
pada sambungan photodiode arus mengalir dalam sirkuit internal.
Alat ini akan bekerja sebagai generator arus dengan kekuatan
sebanding dengan intensitas cahaya.
4. Zener dioda
bekerja pada daerah breakdown (dibias mundur), dengan
memanfaatkan karakteristik tegangan breakdown (tegangan zener)
yang konstan, maka dioda zener digunakan sebagai regulator
tegangan
DIODA
Regulator Zener
Secara ideal dioda zener berlaku seperti sebuah baterei, yang menyebabkan
tegangan beban konstan. Jika tegangan catu daya tidak konstan (karena tidak
diregulasi) dan lebih besar dari tegangan breakdown, maka zener akan bekerja
pada daerah breakdown sehingga tegangan beban tetap konstan
Resistor
pembatas seri
+
VIN
IS
RS
VIN  VOUT
RS
IZ  IS  IL
+
VZ
+
IL
IZ
Catu daya
tidak
teregulasi
IS 
VOUT
VOUT  VZ
VOUT
IL 
RL
VOUT  VZ  I Z Z Z
Agar arus zener selalu ada untuk semua sumber tegangan dan arus beban maka
resistensi pembatas arus maksimum harus diatur
R S(MAX) 
VIN(MIN)  VOUT
I L(MAX)
DIODA
Contoh:
Hitung arus yang mengalir pada resistor pembatas seri, arus beban minimum, arus
zener minimum, dan maksimum
180 ohm
Catu daya
tidak
teregulasi
RS
+
25 V
-
+
VZ =12 V
ZZ = 7 ohm
RL
200 ohm tak hingga
Hitung pula tegangan beban maksimum, tegangan beban minimum, dan VR
(pengaturan tegangan) VR = (VOUT(max) – VOUT(min))/VOUT(min) * 100%
Dimana Vout = 25 ± 0.5 Volt