Bias Dioda, Doping, dan Besaran Elektron Valensi

BIAS DIODA, DOPING, DAN BESARAN ELEKTRON VALENSI

 

A. JELASKAN TENTANG FORWARD BIAS DAN REVERSE BIAS PADA DIODA

 

1. Dioda Semikonduktor

Dioda semikonduktor dibentuk dengan cara menyambungkan semikonduktor type p dan type n yang sebelumnya telah dijelaskan dalam bahan-bahan semikonduktor. Pada saat terjadinya sambungan (junction) P dan N, hole-hole pada bahan p dan elektron-elektron pada bahan n disekitar sambungan cenderung untuk berkombinasi. Hole dan elektron yang berkombinasi ini saling meniadakan, sehingga pada daerah sekitar sambungan ini kosong dari pembawa muatan dan terbentuk daerah pengosongan (depletion region).

gambar1 Struktur Dioda Semikonduktor (a) pembentukan sambungan

(b) daerah pengosongan (c) simbol dioda

  

Oleh karena itu pada sisi p tinggal ion-ion akseptor yang bermuatan negatip dan pada sisi n tinggal ion-ion donor yang bermuatan positip. Namun proses ini tidak berlangsung te- rus, karena potensial dari ion-ion positip dan negatip ini akan mengahalanginya. Tegangan atau potensial ekivalen pada daerah pengosongan ini disebut dengan tegangan penghalang (barrier potential). Besarnya tegangan penghalang ini adalah 0.2 untuk germanium dan 0.6 untuk silikon. Lihat gambar 1

2. Bias Mundur (Reverse Bias)

Bias mundur adalah pemberian tegangan negatip baterai ke terminal anoda (A) dan te- gangan positip ke terminal katoda (K) dari suatu dioda. Dengan kata lain, tegangan anoda ka- toda VA-K adalah negatip (VA-K < 0). Gambar 2 menunjukkan dioda diberi bias mundur. daerah pengosongan

 

gambar 2 dioda bias mundur (reverse bias)

Karena pada ujung anoda (A) yang berupa bahan tipe p diberi tegangan negatip, maka hole-hole (pembawa mayoritas) akan tertarik ke kutup negatip baterai menjauhi persambun- gan. Demikian juga karena pada ujung katoda (K) yang berupa bahan tipe n diberi tegangan positip, maka elektron-elektron (pembawa mayoritas) akan tertarik ke kutup positip baterai menjauhi persambungan. Sehingga daerah pengosongan semakin lebar, dan arus yang dis- ebabkan oleh pembawa mayoritas tidak ada yang mengalir.

Sedangkan pembawa minoritas yang berupa elektron (pada bahan tipe p) dan hole (pada bahan tipe n) akan berkombinasi sehingga mengalir arus jenuh mundur (reverse satura- tion current) atau Is. Arus ini dikatakan jenuh karena dengan cepat mencapai harga maksi- mum tanpa dipengaruhi besarnya tegangan baterai. Besarnya arus ini dipengaruhi oleh tem- peratur. Makin tinggi temperatur, makin besar harga Is. Pada suhu ruang, besarnya Is ini da- lam skala mikro-amper untuk dioda germanium, dan dalam skala nano-amper untuk dioda silikon.

3. Bias Maju (Foward Bias)

 Apabila tegangan positip baterai dihubungkan ke terminal Anoda (A) dan negatipnya  ke terminal katoda (K), maka dioda disebut mendapatkan bias maju (foward bias). Dengan demikian VA-K adalah positip atau VA-K > 0. Gambar 3 menunjukan dioda diberi bias maju.

gambar 3 dioda bias maju (forward bias)

Dengan pemberian polaritas tegangan seperti pada gambar 3, yakni VA-K positip, maka pembawa mayoritas dari bahan tipe p (hole) akan tertarik oleh kutup negatip baterai me- lewati persambungan dan berkombinasi dengan elektron (pembawa mayoritas bahan tipe n). Demikian juga elektronnya akan tertarik oleh kutup positip baterai untuk melewati persam- bungan. Oleh karena itu daerah pengosongan terlihat semakin menyempit pada saat dioda di- beri bias maju. Dan arus dioda yang disebabkan oleh pembawa mayoritas akan mengalir, yaitu ID.
Sedangkan pembawa minoritas dari bahan tipe p (elektron) dan dari bahan tipe n (hole) akan berkombinasi dan menghasilkan Is. Arah Is dan ID adalah berlawanan. Namun karena Is jauh lebih kecil dari pada ID, maka secara praktis besarnya arus yang mengalir pada dioda ditentukan oleh ID.

B. DOPING APA YANG DIBERIKAN PADA BAHAN PEMBUAT DIODA

 

1. Proses Doping pada Semikonduktor

Banyak bahan-bahan dasar yang dapat digolongkan sebagai bahan Semikonduktor, tetapi yang paling sering digunakan untuk bahan dasar komponen elektronika hanya beberapa jenis saja, bahan-bahan Semikonduktor tersebut diantaranya adalah Silicon, Selenium, Germanium dan Metal Oxides. Untuk memproses bahan-bahan Semikonduktor tersebut menjadi komponen elektronika, perlu dilakukan proses “Doping” yaitu proses untuk menambahkan ketidakmurnian (Impurity) pada Semikonduktor yang murni (semikonduktor Intrinsik) sehingga dapat merubah sifat atau karakteristik kelistrikannya. Beberapa bahan yang digunakan untuk menambahkan ketidakmurnian semikonduktor antara lain adalah Arsenic, Indium dan Antimony. Bahan-bahan tersebut sering disebut dengan “Dopant”, sedangkan Semikonduktor yang telah melalui proses “Doping” disebut dengan Semikonduktor Ekstrinsik.

2. Tipe atau Jenis Semikonduktor

Semikonduktor yang telah dilalui proses Doping yaitu Semikonduktor yang Impurity (ketidakmurnian) atau Semikonduktor Ekstrinsik yang siap menjadi Komponen Elektronika dapat dibedakan menjadi 2 Jenis yaitu :

a. N-type Semikonduktor

Dikatakan N-type atau semikonduktor tipe N karena Semikonduktor jenis ini pembawa muatannya (Charge Carrier) adalah terdiri dari Elektron. Elektron adalah bermuatan Negatif sehingga disebut dengan semikonduktor tipe N.

Pada Semikonduktor yang berbahan Silicon (Si), Proses Doping dengan menambahkan Arsenic atau Antimony akan menjadikan semikonduktor tersebut sebagai semikonduktor tipe N. Terdapat 2 (dua) pembawa muatan atau charge Carrier dalam N-type Semikonduktor yakni Elektron sebagai Majority Carrier dan Hole sebagai Minority Carrier.

2. P-Type Semikonduktor

Dikatakan P-type atau semikonduktor tipe P karena Semikonduktor jenis ini kekurangan Elektron atau disebut dengan “Hole”. Ketika pembawa muatannya adalah Hole maka Semikonduktor tersebut merupakan Semikonduktor bermuatan Positif.

Pada Semikonduktor yang berbahan Silicon (Si), Proses Doping dengan menambahkan Indium akan menjadikan Semikondukter tersebut sebagai P-type Semikonduktor. 2 (dua) pembawa muatan yang terdapat dalam P-type Semikonduktor adalah Hole sebagai Majority Carrier dan Elektron sebagai Minority Carrier).

3. Bahan Doping Semikonduktor

Bahan yang sering digunakan sebagai bahan doping pada semikonduktor tipe N adalah bahan yang mempunyai elektron valensi 5 (pentavalent) diantaranya adalah Fosfor (P), Arsen (As), Antimon (Sb), dan Bismuth (Bi). 

Bahan yang sering digunakan sebagai bahan doping pada semikonduktor tipe P adalah bahan yang mempunyai elektron valensi  3 (trivalent) diantaranya adalah Boron (Br), Alumunium (Al), Indium (in), dan Galium (Ga). 

C. Cara Menentukan Elektron Valensi

Elektron valensi adalah elektron-elektron yang terletak di kulit elektron terluar dari suatu unsur. Mengetahui cara mencari jumlah elektron valensi sangat berguna karena informasi ini menentukan jenis ikatan kimia yang dapat dibentuknya.

1. Konfigurasi Elektron

Elektron- elektron dalam inti bergerak mengelilingi inti pada lintasan tingkat- tingkat energi tertentu yang disebut kulit atom. Setiap kulit diberi nomor dan nama. Penomoran dan penamaan kulit dimulai dari yang terdekat dari inti. Kulit pertama dinamai kulit K, kulit kedua, ketiga, keempat, kelima, keenam, dan ketujuh masing- masing berurutan L, M, N, O, P,dan Q. Unsur- unsur di alam paling banyak punya empat kulit. Aturan pengisisan:

2. Model Atom Bohr

Menurut model atom bohr, Jumlah elektron tiap kulit kulit adalah 2n² (n= nomor kulit) sehingga pada masing-masing kulit K, L, M, N, dan seterusnya didapatkan untuk Kulit K => n = 1 => 2n² = 2 . 1² = 2 elektron, Kulit L => n = 2 => 2n² = 2 . 2² = 8 elektron, Kulit M => n = 3 => 2n² = 2 . 3² = 18 elektron, Kulit N => n = 4 => 2n² = 2 . 4² = 32 elektron, dan seterusnya.

3. Menentukan elektron valensi Silikon

Silikon mempunyai 32 elektron, sehingga berdasar model atom bohr, untuk silikon mempunyai empat kulit elektron dengan susunan jumlah elektronnya adalah 2-8-18-4 sehingga lapisan kulit terluar adalah sebagai elektron valensi sebanyak 4. Jadi untuk silikon, elektron valensinya adalah 4.

Germanium mempunyai 14 elektron, sehingga berdasar model atom bohr, untuk germanium mempunyai tiga kulit elektron dengan susunan jumlah elektronnya adalah 2-8-4 sehingga lapisan kulit terluar adalah sebagai elektron valensi sebanyak 4. Jadi untuk germanium, elektron valensinya adalah 4.