Dioda: persimpangan pn, tipe, konstruksi dan pekerjaan

Apa itu dioda?

Secara umum, semua perangkat elektronik membutuhkan catu daya DC tetapi tidak mungkin untuk menghasilkan daya DC sehingga diperlukan alternatif untuk mendapatkan daya DC sehingga penggunaan dioda muncul untuk mengubah daya AC menjadi daya DC. Dioda adalah komponen elektronik kecil yang digunakan di hampir semua rangkaian elektronik untuk memungkinkan aliran arus hanya dalam satu arah ( perangkat searah ). Dapat dikatakan bahwa penggunaan material semikonduktor untuk membangun komponen elektronik dimulai dengan dioda. Sebelum penemuan dioda ada dengan tabung vakum, dimana aplikasi dari kedua perangkat ini serupa tetapi ukuran yang ditempati oleh tabung vakum akan jauh lebih besar daripada dioda. Konstruksi tabung vakum agak rumit dan sulit dirawat jika dibandingkan dengan dioda semikonduktor. Beberapa aplikasi dioda adalah rektifikasi, amplifikasi, sakelar elektronik, konversi energi listrik menjadi energi cahaya dan energi cahaya menjadi energi listrik.

Sejarah Diode:

Pada tahun 1940 di Bell Labs, Russell Ohl bekerja dengan kristal silikon untuk mengetahui propertinya. Suatu hari secara tidak sengaja ketika kristal silikon yang retak terkena sinar matahari, ia menemukan aliran arus melalui kristal yang kemudian disebut dioda, yang merupakan awal dari era semikonduktor.

Konstruksi Diode:

Material padat secara umum diklasifikasikan menjadi tiga jenis yaitu konduktor, isolator dan semi konduktor. Konduktor memiliki jumlah elektron bebas maksimum, Isolator memiliki jumlah elektron bebas minimum (dapat diabaikan sehingga aliran arus sama sekali tidak mungkin) sedangkan semi-konduktor dapat berupa konduktor atau isolator tergantung pada potensi yang diterapkan padanya. Semi konduktor yang banyak digunakan adalah Silicon dan Germanium. Silikon lebih disukai karena tersedia melimpah di bumi dan memberikan rentang termal yang lebih baik.

Semi-konduktor selanjutnya diklasifikasikan menjadi dua jenis sebagai semi-konduktor Intrinsik dan Ekstrinsik.

Semi-konduktor Intrinsik:

Ini juga disebut semi-konduktor murni di mana pembawa muatan (elektron dan lubang) berada dalam jumlah yang sama pada suhu kamar. Jadi konduksi arus terjadi oleh lubang dan elektron secara seimbang.

Semikonduktor Ekstrinsik:

Untuk meningkatkan jumlah lubang atau elektron dalam suatu bahan, kita menggunakan semi-konduktor ekstrinsik di mana kotoran (selain silikon dan germanium atau hanya bahan trivalen atau pentavalen) ditambahkan ke silikon. Proses penambahan pengotor ke semi-konduktor murni ini disebut sebagai Doping.

Pembentukan semikonduktor tipe P dan N:

Semikonduktor Tipe-N:

Jika unsur pentavalen (jumlah elektron valensi lima) ditambahkan ke Si atau Ge maka tersedia elektron bebas. Karena elektron (pembawa muatan negatif) lebih banyak jumlahnya, ini disebut semikonduktor tipe-N . Dalam tipe-N, elektron semi-konduktor adalah pembawa muatan mayoritas dan hole adalah pembawa muatan minoritas.

Beberapa elemen pentavalen adalah Fosfor, Arsenik, Antimon, dan Bismut. Karena ini memiliki kelebihan elektron kelambu dan siap berpasangan dengan partikel bermuatan positif eksternal, unsur-unsur ini disebut sebagai Donor .

Semikonduktor Tipe-P

Demikian pula, jika unsur trivalen seperti Boron, Aluminium, Indium, dan Gallium ditambahkan ke Si atau Ge, akan terbentuk lubang karena jumlah elektron valensi di dalamnya ada tiga. Karena sebuah lubang siap menerima sebuah elektron dan dipasangkan, itu disebut sebagai Akseptor . Karena jumlah lubang berlebih pada material yang baru terbentuk, ini disebut semikonduktor tipe-P . Dalam lubang semi-konduktor tipe P adalah pembawa muatan mayoritas dan elektron adalah pembawa muatan minoritas.

PN Junction Diode:

Sekarang, jika kita menggabungkan dua jenis semi-konduktor tipe-P dan tipe-N bersama-sama maka perangkat baru terbentuk yang disebut dioda PN-junction. Karena persimpangan terbentuk antara material tipe P dan tipe N, itu disebut persimpangan PN.

Kata dioda dapat dijelaskan sebagai 'Di' yang berarti dua dan 'ode' diperoleh dari elektroda. Karena komponen yang baru terbentuk dapat memiliki dua terminal atau elektroda (satu terhubung ke tipe-P dan yang lainnya ke tipe-N), ini disebut sebagai dioda atau dioda persimpangan PN atau dioda semi-konduktor.

Terminal yang terhubung ke material tipe-P disebut Anoda dan terminal yang terhubung ke material tipe-N disebut Katoda .

The representasi simbolis dari dioda adalah sebagai berikut.

Tanda panah menunjukkan aliran arus yang melaluinya ketika dioda dalam mode bias maju, tanda hubung atau blok di ujung panah menunjukkan penyumbatan arus dari arah yang berlawanan.

Teori Persimpangan PN:

Kita telah melihat bagaimana dioda dibuat dengan semi-konduktor P dan N tetapi kita perlu mengetahui apa yang terjadi di dalamnya untuk membentuk properti unik yang memungkinkan arus hanya dalam satu arah dan apa yang terjadi pada titik kontak yang tepat pada awalnya di persimpangannya.

Formasi Persimpangan:

Awalnya, ketika kedua bahan disatukan (tanpa ada tegangan eksternal yang diterapkan) elektron berlebih pada tipe-N dan lubang berlebih pada tipe-P akan tertarik satu sama lain dan bergabung kembali di mana pembentukan ion tak bergerak (ion Donor dan ion akseptor) berlangsung seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Ion tidak bergerak ini menahan aliran elektron atau lubang yang melaluinya yang sekarang bertindak sebagai penghalang di antara dua bahan (pembentukan penghalang berarti ion tidak bergerak berdifusi ke daerah P dan N). Penghalang yang sekarang terbentuk disebut sebagai daerah deplesi . Lebar daerah penipisan dalam hal ini bergantung pada konsentrasi doping dalam bahan.

Jika konsentrasi doping sama di kedua bahan maka ion tak bergerak berdifusi ke bahan P dan N sama rata.

Bagaimana jika konsentrasi doping berbeda satu sama lain?

Nah, jika doping berbeda lebar daerah penipisan juga berbeda. Difusinya lebih banyak ke wilayah yang dikotori ringan dan lebih sedikit ke wilayah dengan kotoran berat .

Sekarang mari kita lihat perilaku dioda ketika tegangan yang tepat diterapkan.

Diode dalam Bias Teruskan

Ada beberapa dioda yang konstruksinya mirip tetapi jenis material yang digunakan berbeda. Misalnya, jika kita mempertimbangkan dioda Pemancar Cahaya, itu terbuat dari bahan Aluminium, Gallium dan Arsenida yang ketika tereksitasi melepaskan energi dalam bentuk cahaya. Demikian pula, variasi sifat dioda seperti kapasitansi internal, tegangan ambang batas dll dipertimbangkan dan dioda tertentu dirancang berdasarkan itu.

Di sini kami telah menjelaskan berbagai jenis dioda dengan cara kerja, simbol, dan aplikasinya:

• Dioda zener
• LED
• Dioda LASER
• Fotodioda
• Dioda varactor
• Dioda Schottky
• Dioda terowongan
• Dioda PIN dll.

Mari kita lihat prinsip kerja dan konstruksi perangkat ini secara singkat.

Dioda Zener:

Daerah P dan N di dioda ini sangat dikotori sedemikian rupa sehingga daerah penipisan sangat sempit. Tidak seperti dioda normal, tegangan tembusnya sangat rendah, ketika tegangan balik lebih besar atau sama dengan tegangan rusaknya daerah penipisan menghilang dan tegangan konstan melewati dioda bahkan jika tegangan balik dinaikkan. Oleh karena itu, dioda digunakan untuk mengatur tegangan dan menjaga tegangan keluaran konstan saat bias dengan benar. Berikut ini salah satu contoh pembatas tegangan menggunakan Zener.

Kerusakan di dioda Zener disebut sebagai kerusakan zener . Ini berarti ketika tegangan balik diterapkan ke dioda zener, medan listrik yang kuat dikembangkan di persimpangan yang cukup untuk memutus ikatan kovalen di dalam persimpangan dan menyebabkan aliran arus yang besar. Kerusakan zener disebabkan oleh tegangan yang sangat rendah jika dibandingkan dengan kerusakan longsoran.

Ada jenis kerusakan lain yang disebut sebagai kerusakan longsoran yang umumnya terlihat pada dioda normal yang membutuhkan tegangan balik dalam jumlah besar untuk memutus sambungan. Prinsip kerjanya adalah ketika dioda dibiaskan terbalik, arus bocor kecil melewati dioda, ketika tegangan balik semakin meningkat, arus bocor juga meningkat yang cukup cepat untuk memutus beberapa ikatan kovalen di dalam persimpangan pembawa muatan baru ini selanjutnya rusak ikatan kovalen yang tersisa menyebabkan arus bocor yang besar yang dapat merusak dioda selamanya.

Light Emitting Diode (LED):

Konstruksinya mirip dengan dioda sederhana tetapi berbagai kombinasi semi konduktor digunakan untuk menghasilkan warna yang berbeda. Ia bekerja dalam mode bias maju. Ketika rekombinasi lubang elektron terjadi, foton yang dihasilkan dilepaskan yang memancarkan cahaya, jika tegangan maju lebih jauh dinaikkan lebih banyak foton yang akan dilepaskan dan intensitas cahaya juga meningkat tetapi tegangan tidak boleh melebihi nilai ambangnya, jika tidak LED akan rusak.

Untuk menghasilkan warna yang berbeda, kombinasi digunakan AlGaAs (Aluminium Gallium Arsenide) - merah dan inframerah, GaP (Gallium Phosphide) - kuning dan hijau, InGaN (Indium Gallium Nitride) - LED biru dan ultra-violet, dll. Periksa rangkaian LED Sederhana sini.

Untuk IR LED kita bisa melihat cahayanya melalui kamera.

Dioda LASER:

LASER adalah singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Persimpangan PN dibentuk oleh dua lapisan Gallium Arsenide yang didoping di mana lapisan reflektif tinggi diterapkan ke salah satu ujung persimpangan dan lapisan reflektif parsial di ujung lainnya. Ketika dioda bias maju mirip dengan LED, ia melepaskan foton, ini mengenai atom lain sehingga foton akan dilepaskan secara berlebihan, ketika foton mengenai lapisan reflektif dan menyerang kembali persimpangan lagi lebih banyak foton melepaskan, proses ini berulang dan sinar intensitas tinggi cahaya dilepaskan hanya dalam satu arah. Dioda laser membutuhkan sirkuit Driver untuk bekerja dengan baik.

Representasi simbolik dioda LASER mirip dengan LED.

Foto Diode:

Dalam dioda foto, arus yang melewatinya bergantung pada energi cahaya yang diterapkan pada sambungan PN. Ini dioperasikan dalam bias terbalik. Seperti dibahas sebelumnya, arus bocor kecil mengalir melalui dioda ketika bias balik yang di sini disebut arus gelap . Karena arus disebabkan oleh kurangnya cahaya (kegelapan) maka disebut demikian. Dioda ini dibangun sedemikian rupa sehingga ketika cahaya mengenai persimpangan itu cukup untuk memutus pasangan lubang elektron dan menghasilkan elektron yang meningkatkan arus bocor balik. Di sini Anda dapat memeriksa Photodiode bekerja dengan IR LED.

Varactor Diode:

Ini juga disebut sebagai dioda Varicap (variabel kapasitor). Ini beroperasi dalam mode bias terbalik. Definisi umum pemisahan kapasitor dari pelat konduksi dengan isolator atau dielektrik, ketika dioda normal dibiaskan terbalik, lebar daerah penipisan meningkat, karena daerah penipisan mewakili isolator atau dielektrik, ia sekarang dapat bertindak sebagai kapasitor. Dengan variasi tegangan balik menyebabkan pemisahan daerah P dan N bervariasi sehingga menyebabkan dioda bekerja sebagai kapasitor variabel.

Karena kapasitansi meningkat dengan penurunan jarak antara pelat, tegangan balik yang besar berarti kapasitansi rendah dan sebaliknya.

Dioda Schottky:

Semikonduktor tipe-N bergabung dengan logam (emas, perak) sehingga elektron tingkat energi tinggi ada di dioda ini disebut pembawa panas sehingga dioda ini disebut juga dioda pembawa panas . Itu tidak memiliki pembawa minoritas dan tidak ada daerah penipisan yang ada, melainkan ada persimpangan semi-konduktor logam, ketika dioda ini bias maju ia bertindak sebagai konduktor tetapi muatannya memiliki tingkat energi tinggi yang membantu dalam peralihan cepat terutama di sirkuit digital, ini juga digunakan dalam aplikasi microwave. Periksa Schottky Diode beraksi di sini.

Dioda Terowongan:

Daerah P dan N di dioda ini sangat terkotori sehingga keberadaan penipisan sangat sempit. Ini menunjukkan daerah resistansi negatif yang dapat digunakan sebagai osilator dan penguat gelombang mikro. Ketika dioda ini maju bias terlebih dahulu, karena daerah penipisan mempersempit terowongan elektron yang melewatinya, arus meningkat dengan cepat dengan sedikit perubahan tegangan. Ketika tegangan dinaikkan lebih lanjut, karena kelebihan elektron di persimpangan, lebar daerah penipisan mulai meningkat menyebabkan penyumbatan arus maju (di mana daerah resistansi negatif terbentuk) ketika tegangan maju dinaikkan lebih lanjut bertindak sebagai a dioda normal.

PIN Diode:

Di dioda ini, daerah P dan N dipisahkan oleh semikonduktor intrinsik. Ketika dioda dibiaskan terbalik, ia bertindak sebagai kapasitor bernilai konstan. Dalam kondisi bias maju, ia bertindak sebagai resistansi variabel yang dikendalikan oleh arus. Ini digunakan dalam aplikasi gelombang mikro yang akan dikontrol oleh tegangan DC.

Representasi simbolisnya mirip dengan dioda PN normal.

Aplikasi Dioda:

• Catu daya yang diatur: Secara praktis tidak mungkin untuk menghasilkan tegangan DC, satu-satunya jenis sumber yang tersedia adalah tegangan AC. Karena dioda adalah perangkat searah, ia dapat digunakan untuk mengubah tegangan AC menjadi DC yang berdenyut dan dengan bagian penyaringan lebih lanjut (menggunakan kapasitor dan induktor) perkiraan tegangan DC dapat diperoleh.

• Sirkuit tuner: Dalam sistem komunikasi di ujung penerima karena antena menerima semua frekuensi radio yang tersedia di ruang angkasa, ada kebutuhan untuk memilih frekuensi yang diinginkan. Jadi, rangkaian tuner digunakan yang tidak lain adalah rangkaian dengan kapasitor variabel dan induktor. Dalam hal ini dioda varactor dapat digunakan.

• Televisi, lampu lalu lintas, papan display: Untuk menampilkan gambar pada TV atau papan display, LED digunakan. Sejak LED mengkonsumsi daya yang sangat sedikit, itu banyak digunakan dalam sistem pencahayaan seperti lampu LED.

• Pengatur tegangan: Karena dioda Zener memiliki tegangan tembus yang sangat rendah, ia dapat digunakan sebagai pengatur tegangan saat bias balik.

• Detektor dalam Sistem Komunikasi: Detektor terkenal yang menggunakan dioda adalah detektor Envelope yang digunakan untuk mendeteksi puncak sinyal termodulasi.