Persimpangan Dioda PN Junction
Dioda PN-junction terbentuk ketika semikonduktor tipe-p menyatu dengan semikonduktor tipe-n yang menciptakan tegangan penghalang potensial melintasi junction atau persimpangan dioda.
Efek yang dijelaskan dalam tutorial sebelumnya dicapai tanpa tegangan eksternal diterapkan ke persimpangan PN junction aktual yang mengakibatkan persimpangan berada dalam kondisi kesetimbangan.
Namun, jika kita harus membuat sambungan listrik di ujung bahan tipe-N dan tipe-P dan kemudian menghubungkannya ke sumber baterai, sumber energi tambahan sekarang ada untuk mengatasi penghalang potensial.
Efek dari penambahan sumber energi ini menghasilkan elektron bebas yang mampu melintasi daerah penipisan dari satu sisi ke sisi lainnya. Perilaku persimpangan PN junction sehubungan dengan lebar penghalang potensial menghasilkan dua perangkat terminal konduksi asimetris, lebih dikenal sebagai PN Junction Dioda.
Sebuah PN Junction Dioda adalah salah satu perangkat semikonduktor paling sederhana di sekitar, dan yang memiliki karakteristik yang lewat arus hanya satu arah saja.
Namun, tidak seperti Resistor, dioda tidak berperilaku linier sehubungan dengan tegangan yang diterapkan karena dioda memiliki hubungan tegangan-arus eksponensial (I-V) dan oleh karena itu kita tidak dapat menggambarkan operasinya dengan hanya menggunakan persamaan seperti hukum Ohm.
Jika tegangan positif yang cocok (forward bias) diterapkan di antara dua ujung persimpangan PN junction, ia dapat memasok elektron dan lubang bebas dengan energi ekstra yang mereka butuhkan untuk melintasi persimpangan karena lebar lapisan penipisan di sekitar persimpangan PN junction berkurang.
Dengan menerapkan tegangan negatif (reverse bias) menghasilkan muatan bebas ditarik menjauh dari persimpangan yang mengakibatkan lebar lapisan penipisan meningkat. Ini memiliki efek meningkatkan atau mengurangi resistansi efektif dari sambungan itu sendiri yang memungkinkan atau menghalangi aliran arus melalui dioda.
Kemudian lapisan penipisan melebar dengan peningkatan penerapan tegangan balik dan menyempit dengan peningkatan penerapan tegangan maju. Hal ini disebabkan oleh perbedaan dalam sifat listrik di dua sisi persimpangan PN junction yang mengakibatkan perubahan fisik yang terjadi.
Salah satu hasil menghasilkan penyearah seperti yang terlihat pada persimpangan PN junction Dioda karakteristik statis I-V (arus-tegangan). Penyearah ditunjukkan oleh aliran arus asimetris ketika polaritas tegangan bias diubah seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Tetapi sebelum kita dapat menggunakan persimpangan PN junction sebagai perangkat praktis atau sebagai perangkat penyearah kita perlu terlebih dahulu bias junction, yaitu menghubungkan potensi tegangan di atasnya.
Pada sumbu tegangan di atas, "Reverse Bias" mengacu pada potensial tegangan eksternal yang meningkatkan penghalang potensial. Tegangan eksternal yang mengurangi penghalang potensial dikatakan bertindak dalam arah "Forward Bias".
Ada dua wilayah operasi dan tiga kemungkinan kondisi "bias" untuk Junction Dioda standar dan ini adalah:
Namun jika terminal dioda disingkat menjadi satu, beberapa lubang (pembawa mayoritas) pada material tipe P dengan energi yang cukup untuk mengatasi penghalang potensial akan bergerak melintasi persimpangan melawan potensi penghalang ini. Ini dikenal sebagai "Arus Maju" dan dirujuk sebagai IF.
Demikian juga, lubang yang dihasilkan dalam material tipe-N (pembawa minoritas), menemukan situasi ini menguntungkan dan bergerak melintasi persimpangan ke arah yang berlawanan. Hal ini dikenal sebagai “Arus Balik” dan dirujuk sebagai IR. Transfer elektron dan lubang bolak-balik melintasi persimpangan PN junction ini dikenal sebagai difusi, seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Potensi penghalang yang sekarang ada menghambat difusi dari setiap operator mayoritas di persimpangan. Namun, penghalang potensial membantu pembawa minoritas (beberapa elektron bebas di wilayah-P dan beberapa lubang di wilayah-N) melayang melintasi persimpangan.
Kemudian "Equilibrium" atau keseimbangan akan ditetapkan ketika pembawa mayoritas sama dan keduanya bergerak dalam arah yang berlawanan, sehingga hasil bersihnya adalah nol arus yang mengalir dalam rangkaian. Ketika ini terjadi persimpangan dikatakan dalam keadaan " Dynamic Equilibrium/Keseimbangan Dinamis ".
Pembawa minoritas terus-menerus dihasilkan karena energi panas sehingga keadaan keseimbangan ini dapat dipatahkan dengan menaikkan suhu persimpangan PN junction menyebabkan peningkatan pembangkit pembawa minoritas, sehingga mengakibatkan peningkatan arus bocor tetapi arus listrik tidak dapat mengalir karena tidak ada rangkaian yang terhubung ke persimpangan PN junction.
Tegangan positif yang diterapkan pada bahan tipe-N menarik elektron ke arah elektroda positif dan menjauh dari persimpangan, sementara lubang-lubang di ujung tipe-P juga tertarik menjauh dari persimpangan menuju elektroda negatif.
Hasil akhirnya adalah bahwa lapisan penipisan tumbuh lebih luas karena kurangnya elektron dan lubang dan menghadirkan jalur impedansi tinggi, hampir merupakan isolator. Hasilnya adalah bahwa penghalang potensial tinggi dibuat sehingga mencegah arus mengalir melalui bahan semikonduktor.
Kondisi ini merupakan nilai resistansi tinggi ke persimpangan PN junction dan praktis nol arus mengalir melalui persimpangan dioda junction dengan peningkatan tegangan bias. Namun, arus bocor yang sangat kecil mengalir melalui persimpangan yang dapat diukur dalam mikro-ampere, ( μA ).
Satu titik terakhir, jika tegangan reverse bias Vr yang diterapkan pada dioda dinaikkan ke nilai yang cukup tinggi, ini akan menyebabkan sambungan dioda PN junction menjadi terlalu panas dan gagal karena efek longsoran di sekitar persimpangan.
Ini dapat menyebabkan dioda menjadi korsleting dan akan menghasilkan aliran arus rangkaian maksimum, dan ini ditunjukkan sebagai langkah kemiringan ke bawah dalam kurva karakteristik statis terbalik di bawah ini.
Efek yang dijelaskan dalam tutorial sebelumnya dicapai tanpa tegangan eksternal diterapkan ke persimpangan PN junction aktual yang mengakibatkan persimpangan berada dalam kondisi kesetimbangan.
Namun, jika kita harus membuat sambungan listrik di ujung bahan tipe-N dan tipe-P dan kemudian menghubungkannya ke sumber baterai, sumber energi tambahan sekarang ada untuk mengatasi penghalang potensial.
Efek dari penambahan sumber energi ini menghasilkan elektron bebas yang mampu melintasi daerah penipisan dari satu sisi ke sisi lainnya. Perilaku persimpangan PN junction sehubungan dengan lebar penghalang potensial menghasilkan dua perangkat terminal konduksi asimetris, lebih dikenal sebagai PN Junction Dioda.
Sebuah PN Junction Dioda adalah salah satu perangkat semikonduktor paling sederhana di sekitar, dan yang memiliki karakteristik yang lewat arus hanya satu arah saja.
Namun, tidak seperti Resistor, dioda tidak berperilaku linier sehubungan dengan tegangan yang diterapkan karena dioda memiliki hubungan tegangan-arus eksponensial (I-V) dan oleh karena itu kita tidak dapat menggambarkan operasinya dengan hanya menggunakan persamaan seperti hukum Ohm.
Jika tegangan positif yang cocok (forward bias) diterapkan di antara dua ujung persimpangan PN junction, ia dapat memasok elektron dan lubang bebas dengan energi ekstra yang mereka butuhkan untuk melintasi persimpangan karena lebar lapisan penipisan di sekitar persimpangan PN junction berkurang.
Dengan menerapkan tegangan negatif (reverse bias) menghasilkan muatan bebas ditarik menjauh dari persimpangan yang mengakibatkan lebar lapisan penipisan meningkat. Ini memiliki efek meningkatkan atau mengurangi resistansi efektif dari sambungan itu sendiri yang memungkinkan atau menghalangi aliran arus melalui dioda.
Kemudian lapisan penipisan melebar dengan peningkatan penerapan tegangan balik dan menyempit dengan peningkatan penerapan tegangan maju. Hal ini disebabkan oleh perbedaan dalam sifat listrik di dua sisi persimpangan PN junction yang mengakibatkan perubahan fisik yang terjadi.
Salah satu hasil menghasilkan penyearah seperti yang terlihat pada persimpangan PN junction Dioda karakteristik statis I-V (arus-tegangan). Penyearah ditunjukkan oleh aliran arus asimetris ketika polaritas tegangan bias diubah seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Simbol Dioda Junction dan Karakteristik Statis I-V
Tetapi sebelum kita dapat menggunakan persimpangan PN junction sebagai perangkat praktis atau sebagai perangkat penyearah kita perlu terlebih dahulu bias junction, yaitu menghubungkan potensi tegangan di atasnya.
Pada sumbu tegangan di atas, "Reverse Bias" mengacu pada potensial tegangan eksternal yang meningkatkan penghalang potensial. Tegangan eksternal yang mengurangi penghalang potensial dikatakan bertindak dalam arah "Forward Bias".
Ada dua wilayah operasi dan tiga kemungkinan kondisi "bias" untuk Junction Dioda standar dan ini adalah:
- Bias Nol (Zero Bias) - Tidak ada potensial tegangan eksternal yang diterapkan pada dioda persimpangan PN junction.
- Bias Balik (Reverse Bias)- Potensi tegangan terhubung negatif, (-ve) ke material tipe-P dan positif, (+ve) ke material tipe-N dioda yang memiliki efek Meningkatkan/Increasing lebar dioda persimpangan PN junction.
- Bias Maju (Forward Bias) - Potensi tegangan terhubung positif, (+ve) ke material tipe-P dan negatif, (-ve) ke material tipe-N dioda yang memiliki efek Penurunan/Decreasing lebar persimpangan dioda PN junction.
Persimpangan Dioda Junction Zero Bias
Ketika dioda terhubung dalam kondisi Zero Bias atau Nol Bias, tidak ada energi potensial eksternal yang diterapkan ke persimpangan PN junction.Namun jika terminal dioda disingkat menjadi satu, beberapa lubang (pembawa mayoritas) pada material tipe P dengan energi yang cukup untuk mengatasi penghalang potensial akan bergerak melintasi persimpangan melawan potensi penghalang ini. Ini dikenal sebagai "Arus Maju" dan dirujuk sebagai IF.
Demikian juga, lubang yang dihasilkan dalam material tipe-N (pembawa minoritas), menemukan situasi ini menguntungkan dan bergerak melintasi persimpangan ke arah yang berlawanan. Hal ini dikenal sebagai “Arus Balik” dan dirujuk sebagai IR. Transfer elektron dan lubang bolak-balik melintasi persimpangan PN junction ini dikenal sebagai difusi, seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Rangkaian Persimpangan Dioda PN Junction Zero Bias
Potensi penghalang yang sekarang ada menghambat difusi dari setiap operator mayoritas di persimpangan. Namun, penghalang potensial membantu pembawa minoritas (beberapa elektron bebas di wilayah-P dan beberapa lubang di wilayah-N) melayang melintasi persimpangan.
Kemudian "Equilibrium" atau keseimbangan akan ditetapkan ketika pembawa mayoritas sama dan keduanya bergerak dalam arah yang berlawanan, sehingga hasil bersihnya adalah nol arus yang mengalir dalam rangkaian. Ketika ini terjadi persimpangan dikatakan dalam keadaan " Dynamic Equilibrium/Keseimbangan Dinamis ".
Pembawa minoritas terus-menerus dihasilkan karena energi panas sehingga keadaan keseimbangan ini dapat dipatahkan dengan menaikkan suhu persimpangan PN junction menyebabkan peningkatan pembangkit pembawa minoritas, sehingga mengakibatkan peningkatan arus bocor tetapi arus listrik tidak dapat mengalir karena tidak ada rangkaian yang terhubung ke persimpangan PN junction.
Persimpangan Dioda PN Junction Reverse Bias
Ketika dioda terhubung dalam kondisi Reverse Bias, tegangan positif diterapkan ke material tipe N dan tegangan negatif diterapkan pada material tipe P.Tegangan positif yang diterapkan pada bahan tipe-N menarik elektron ke arah elektroda positif dan menjauh dari persimpangan, sementara lubang-lubang di ujung tipe-P juga tertarik menjauh dari persimpangan menuju elektroda negatif.
Hasil akhirnya adalah bahwa lapisan penipisan tumbuh lebih luas karena kurangnya elektron dan lubang dan menghadirkan jalur impedansi tinggi, hampir merupakan isolator. Hasilnya adalah bahwa penghalang potensial tinggi dibuat sehingga mencegah arus mengalir melalui bahan semikonduktor.
Rangkaian Peningkatan pada Lapisan Penisipan karena Reverse Bias
Kondisi ini merupakan nilai resistansi tinggi ke persimpangan PN junction dan praktis nol arus mengalir melalui persimpangan dioda junction dengan peningkatan tegangan bias. Namun, arus bocor yang sangat kecil mengalir melalui persimpangan yang dapat diukur dalam mikro-ampere, ( μA ).
Satu titik terakhir, jika tegangan reverse bias Vr yang diterapkan pada dioda dinaikkan ke nilai yang cukup tinggi, ini akan menyebabkan sambungan dioda PN junction menjadi terlalu panas dan gagal karena efek longsoran di sekitar persimpangan.
Ini dapat menyebabkan dioda menjadi korsleting dan akan menghasilkan aliran arus rangkaian maksimum, dan ini ditunjukkan sebagai langkah kemiringan ke bawah dalam kurva karakteristik statis terbalik di bawah ini.
Kurva Karakteristik Reverse untuk Dioda Persimpangan
Kadang-kadang efek longsoran ini memiliki aplikasi praktis dalam rangkaian penstabil tegangan di mana Resistor pembatas seri digunakan dengan dioda untuk membatasi arus gangguan terbalik ini ke nilai maksimum yang telah ditentukan sehingga menghasilkan output tegangan tetap di seluruh dioda. Jenis dioda ini umumnya dikenal sebagai Dioda Zener dan dibahas dalam tutorial selanjutnya.
Persimpangan Dioda PN Junction Forward Bias
Ketika dioda dihubungkan dalam kondisi Forward Bias, tegangan negatif diterapkan pada material tipe N dan tegangan positif diterapkan pada material tipe P. Jika tegangan eksternal ini menjadi lebih besar dari nilai penghalang potensial, kira-kira. 0.7 volt untuk silikon dan 0.3 volt untuk germanium, hambatan potensial akan diatasi dan arus akan mulai mengalir.
Ini karena tegangan negatif mendorong atau mengusir elektron menuju persimpangan yang memberi mereka energi untuk menyeberang dan bergabung dengan lubang yang didorong ke arah yang berlawanan ke arah persimpangan oleh tegangan positif.
Ini menghasilkan kurva karakteristik arus nol yang mengalir ke titik tegangan ini, yang disebut "knee" pada kurva statis dan kemudian aliran arus tinggi melalui dioda dengan sedikit peningkatan tegangan eksternal seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Kurva Karakteristik untuk Persimpangan Forward Dioda Junction
Penerapan tegangan forward bias pada hasil persimpangan dioda junction di lapisan penipisan menjadi sangat tipis dan sempit yang merupakan jalur impedansi rendah melalui sambungan sehingga memungkinkan arus tinggi mengalir. Titik di mana peningkatan mendadak ini terjadi diwakili pada kurva karakteristik I-V statis di atas sebagai titik "knee".
Pengurangan dalam Lapisan Deplesi karena Forward Bias
Kondisi ini merupakan jalur resistansi rendah melalui persimpangan PN junction yang memungkinkan arus sangat besar mengalir melalui dioda dengan hanya peningkatan kecil pada tegangan bias.
Perbedaan potensial aktual melintasi persimpangan atau dioda dijaga konstan oleh aksi lapisan penipisan sekitar 0.3 v untuk germanium dan sekitar 0.7 v untuk dioda sambungan silikon.
Perbedaan potensial aktual melintasi persimpangan atau dioda dijaga konstan oleh aksi lapisan penipisan sekitar 0.3 v untuk germanium dan sekitar 0.7 v untuk dioda sambungan silikon.
Karena dioda dapat melakukan arus "tak terbatas" di atas titik lutut/knee ini karena secara efektif menjadi korsleting, oleh karena itu resistor secara seri digunakan dengan dioda untuk membatasi aliran arusnya.
Melebihi spesifikasi arus maju maksimumnya menyebabkan perangkat membuang daya lebih banyak dalam bentuk panas daripada yang dirancang untuk menghasilkan kegagalan perangkat yang sangat cepat.
Ringkasan Persimpangan Dioda PN Junction
Wilayah persimpangan PN dari Dioda Junction memiliki karakteristik penting berikut:
- Semikonduktor mengandung dua jenis pembawa muatan seluler, "Holes/Lubang" dan "Elektron".
- Lubang-lubang bermuatan positif sedangkan elektron bermuatan negatif.
- Semikonduktor dapat didoping dengan kotoran donor seperti Antimony (doping tipe-N), sehingga mengandung muatan bergerak yang terutama merupakan elektron.
- Semikonduktor dapat didoping dengan pengotor akseptor seperti Boron (doping tipe-P), sehingga berisi muatan seluler yang sebagian besar berupa lubang.
- Wilayah persimpangan itu sendiri tidak memiliki pembawa muatan dan dikenal sebagai wilayah penipisan.
- Daerah persimpangan (penipisan) memiliki ketebalan fisik yang bervariasi dengan tegangan yang diberikan.
- Ketika sebuah dioda adalah Zero Bias, tidak ada sumber energi eksternal yang diterapkan dan Potensi Penghalang alami dikembangkan melintasi lapisan penipisan yang kira-kira 0.5 hingga 0.7 v untuk dioda silikon dan sekitar 0.3 volt untuk dioda germanium.
- Ketika persimpangan dioda junction adalah Forward Bias, ketebalan daerah deplesi berkurang dan dioda bertindak seperti konsleting yang memungkinkan arus penuh mengalir.
- Ketika persimpangan dioda junction Reverse Bias, ketebalan daerah penipisan meningkat dan dioda bertindak seperti rangkaian terbuka yang menghalangi aliran arus apa pun, (hanya arus bocor sangat kecil).
Kami juga telah melihat di atas bahwa dioda adalah dua perangkat non-linear terminal yang karakteristik I-V bergantung sebagai tergantung pada polaritas tegangan yang diberikan polaritas, VD dioda adalah baik Bias Forward, VD > 0 atau Reverse bias, VD <0.
Bagaimanapun kita dapat memodelkan karakteristik tegangan arus ini untuk dioda ideal dan dioda silikon nyata seperti yang ditunjukkan:
Bagaimanapun kita dapat memodelkan karakteristik tegangan arus ini untuk dioda ideal dan dioda silikon nyata seperti yang ditunjukkan:
Karakteristik Ideal dan Nyata Persimpangan Dioda Junction
Dalam tutorial berikutnya tentang Dioda, kita akan melihat Dioda Sinyal Kecil yang kadang-kadang disebut dioda switching yang digunakan dalam rangkaian elektronik umum. Seperti namanya, dioda sinyal dirancang untuk aplikasi sinyal tegangan rendah atau frekuensi tinggi seperti di rangkaian switching radio atau digital.
Dioda sinyal, seperti 1N4148 hanya melewati arus listrik yang sangat kecil dibandingkan dengan dioda penyearah arus tinggi di mana silikon dioda biasanya digunakan. Juga dalam tutorial berikutnya kita akan memeriksa Kurva Karakteristik statis arus-tegangan karakteristik dan parameter.