BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Semikonduktor merupakan bahan dengan konduktivitas listrik yang berada diantara isolator dan konduktor. Disebut semi atau setengah konduktor, karena bahan ini memang bukan konduktor murni. Semikonduktor, umumnya diklasifikasikan berdasarkan harga resistivitas listriknya pada suhu kamar, yakni dalam rentang 10-2- 109 Ωcm. Sebuah semikonduktor akan bersifat sebagai isolator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur temperatur ruang akan bersifat bersifat sebagai konduktor. konduktor. Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik, karena konduktivitasnya dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa disebut doping). Semikonduktor merupakan elemen dasar dari komponen elektronika seperti dioda, transistor dan IC (integrated circuit). Semikonduktor sangat luas pemakainnya, terutama sejak ditemukannya transistor pada akhir tahun 1940-an. Oleh karena itu semikonduktor dipelajari secara intensif dalam fisika zat padat. Namun dalam makalah ini hanya dibahas sifat fisis dasar semikonduktor saja. Dalam menyajikan sifat fisis dasar semikonduktor, makalah ini membahas mengenai sambungan P-N. Dimana sambungan P-N dapat berperan sebagai penyearah, kapasitor dan saklar, dan juga sebagai resistor. Bahan semikonduktor yang banyak dikenal contohnya adalah silikon (Si), germanium (Ge) dan Galium Arsenida (GaAs). Germanium dahulu adalah bahan satu-satunya yang dikenal untuk membuat komponen semikonduktor. Namun belakangan, Silikon menjadi popular setelah ditemukan cara mengekstrak bahan ini i ni dari alam. Silikon merupakan bahan terbanyak ke-dua yang ada dibumi setelah oksigen (O2). Pasir, kaca dan batu-batuan lain adalah bahan alam yang banyak mengandung unsur silikon. 1.2 Rumusan Masalah
Dari latar belakang diatas, maka rumusan masalah dari makalah ini adalah sebagai berikut : a. Bagaimana prinsip sambungan P-N sebagai penyearah, kapasitor dan saklar, dan juga sebagai sebagai resistor? 1.3 Tujuan
Dari rumusan masalah tersebut, maka didapatkan tujuan makalah ini adalah sebagai berikut : 1
2
a. Mengetahui dan memahami prinsip sambungan P-N sebagai penyearah, kapasitor dan saklar, dan juga sebagai resistor. 1.4 Sistematika Makalah
Pada makalah ini terdiri atas 4 bab. Bab I berisi tentang latar belakang, permasalahn, tujuan dan sistematika makalah. Kemudian pada bab 2 berisi dasar teori mengenai sambungan P-N secara umum, maupun penjelasan mengenai penyearah, kapasitor, dan juga resistor. Pada bab 3 berisi pembahasan mengenai sambungan P-N yang berperan sebagai penyearah, kapasitor, dan resistor, dan pada bab 4 berisi kesimpulan dari makalah ini.
BAB II DASAR TEORI
2.1 Sambungan P-N
Sambungan PN (atau diode) adalah suatu saklar (switch) atau komponen yang elektron2 akan dengan mudah mengalir melaluinya dalam satu arah, tetapi tidak dalam arah yang berlawanan. Karakteristik Sambungan P-N: a. Sambungan adalah daerah yang didalamnya tidak mempunyai pembawa muatan dan dikenal sebagai daerah deplesi (depletion). b. Daerah sambungan (depletion) mempunyai ketebalan fisik yang bervariasi dengan tegangan yang diterapkan. Suatu catu-maju mengurangi ketebalan daerah deplesi; catu-balik meningkatkan ketebalan daerah deplesi. c. Ada suatu tegangan, atau potensial yang berhubungan dengan sambungan, 0.5 ~ 0.8V diperlukan untuk mencatu-maju diode Si (0.3V untuk diode Ge).Sekedar informasi, Ge (germanium) sekarang sudah tidak dipakai karena orang lebih banyak menggunakan Si 2.2 Penyearah
Penyearah adalah suatu rangkaian yang berfungsi untuk mengubah tegangan bolak balik menjadi tegangan searah. Penyerah dengan menggunakan dioda menggunakan sifat dioda yang akan menhantarkan pada satu arah dengan drop tegangan terkecil 0,7 volt. Terdapat dua jenis rangkaian penyearah, yaitu penyearah setengah gelombang dan penyearah gelombang penuh. 2.3 Kapasitor
Gambar 2.1 Kapasitor 3
4
Kapasitor adalah komponen elektronika yang dapat menyimpan muatan listrik. Struktur sebuah kapasitor terbuat dari 2 buah plat metal yang dipisahkan oleh suatu bahan dielektrik. Bahan-bahan dielektrik yang umum dikenal misalnya udara vakum, keramik, gelas dan lainlain. Jika kedua ujung plat metal diberi tegangan listrik, maka muatan-muatan positif akan mengumpul pada salah satu kaki (elektroda) metalnya dan pada saat yang sama muatanmuatan negatif terkumpul pada ujung metal yang satu lagi. Muatan positif tidak dapat mengalir menuju ujung kutub negatif dan sebaliknya muatan negatif tidak bisa menuju ke ujung kutub positif, karena terpisah oleh bahan dielektrik yang non-konduktif. Muatan elektrik ini “tersimpan” selama tidak ada konduksi pada ujung -ujung kakinya.
Di alam bebas, fenomena kapasitor ini terjadi pada saat terkumpulnya muatan-muatan positif dan negatif di awan. 2.4 Photodioda
Photodioda adalah suatu jenis dioda yang resistansinya berubah-ubah kalau cahaya yang mengenai dioda berubah - ubah intensitasnya. Dalam kondisi gelap nilai tahanannya sangat besar sehingga praktis tidak ada arus yang mengalir. Semakin kuat cahaya yang jatuh pada dioda maka makin kecil nilai tahanannya, sehingga arus yang mengalir semakin besar. Jika photodioda persambungan p-n bertegangan balik disinari, maka arus akan berubah secara linier dengan kenaikan fluks cahaya yang dikenakan pada persambungan tersebut. Photo dioda digunakan sebagai komponen pendeteksi ada tidaknya cahaya maupun dapat digunakan untuk membentuk sebuah alat ukur akurat yang dapat mendeteksi intensitas cahaya dibawah 1pW/cm2 sampai intensitas diatas 10mW/cm2. Jika photo dioda tidak terkena cahaya, maka tidak ada arus yang mengalir ke rangkaian pembanding, jika photo dioda terkena cahaya maka photodiode akan bersifat sebagai tegangan, sehingga Vcc dan photo dioda tersusun seri, akibatnya terdapat arus yang mengalir ke rangkaian pembanding.
BAB III PEMBAHASAN 3.1 Sambungan P-N (P-N Juntion ) Sebagai Penyearah
Dalam dunia elektronika, P-N Juction yang berfungsi sebagai penyearah sering disebut sebagai dioda. Kata dioda mengandung arti dua elektroda yaitu anoda dan katoda. Dioda terdiri dari dua jenis semikonduktor yaitu semikonduktor tipe N dan semikonduktor tipe P. Dalam pembuatan dioda ini, dilakukan dengan cara memberikan doping ( impurity material) yang berbeda pada suatu bahan (monolitic).
Gambar 3.1 Doping (impurity material)
Perhatikan gambar diatas, gambar lingkaran putih menunjukan hole, sedangkan bagian lingkaran putih menunjukan elektron dari dopan yang bertipe n. Di bagian yang berdekatan dengan sambungan elektron berdifusi atau bergerak mendekati hole sehingga terbentuk “depletion region”.
Gambar 3.2 Depletion Region
Pemberian tegangan maju (Forward bias) pada dioda, dimana sisi P diberi tegangan positif dan sisi N diberi tegangan negatif, elektron dari sisi N akan lebih mudah mengalir untuk mengisi hole di sisi P. Pada saat itu, “depletion region” menjadi semakin sempit sehingga elektron akan mengalir menuju ke hole dengan hambatan yang kecil. 5
6
Gambar 3.3 Forward bias
Gambar 3.4 Pada keadaan ekuilibrium
Gambar 3.5 Pada keadaan Forward bias
Sedangkan ketika diberi reverse bias, dimana sisi P diberi tegangan diberi tegangan negarif dan sisi N diberi tegangan positif, elektron di sisi N akan lebih sulit mengalir menuju hole. Pemberian reverse bias pada P- N Juction menyebabkan “depletion layer ” melebar. Hal ini yang menyebabkan elektron lebih susah mengalir menuju hole bahkan tidak dapat mengalir menuju hole (sisi P).
Gambar 3.6 Pada keadaan ekuilibrium
Gambar 3.7 Pada
keadaan Reverse bias
Dari sifat P-N Junction ketika diberikan forward bias dan reverse bias tersebut, dapat diketahui bahwa P-N Junction (dioda) hanya dapat mengalirkan arus searah saja. Sifat inilah yang menyebabkan dioda sering digunakan sebagai penyearah (rectifier). 3.2 Sambungan P-N (P-N Juntion ) Sebagai Kapasitor
Kapasitor terdiri dari kapasitor-kapasitor yang bahan dielektriknya adalah lapisan metaloksida. Umumnya kapasitor yang termasuk kelompok ini adalah kapasitor polar dengan tanda + dan – di badannya. Kapasitor ini dapat memiliki polaritas karena proses pembuatannya menggunakan elektrolisa sehingga terbentuk kutub positif anoda dan kutub negatif katoda (sambungan P-N).
7
Gambar 3.8 Sambungan P-N Sebagai Kapasitor
Beberapa metal seperti tantalum, aluminium, magnesium, titanium, niobium, zirconium dan seng (zinc) permukaannya dapat dioksidasi sehingga membentuk lapisan metal-oksida. Contoh dari kapasitor ini yaitu Elco / kondensator. Lapisan oksidasi ini terbentuk melalui proses elektrolisa, seperti pada proses penyepuhan emas. Elektroda metal yang dicelup kedalam larutan electrolit (sodium borate) lalu diberi tegangan positif (anoda) dan larutan electrolit diberi tegangan negatif (katoda). Oksigen pada larutan electrolyte terlepas dan mengoksidasi permukaan plat metal. Contohnya, jika digunakan Aluminium, maka akan terbentuk lapisan Aluminium-oksida (Al2O3) pada permukaannya. Dengan demikian berturut-turut plat metal (anoda), lapisan-metal-oksida dan electrolyte (katoda) membentuk kapasitor. Dalam hal ini lapisan-metal-oksida sebagai dielektrik. Lapisan metal-oksida ini sangat tipis, sehingga dapat dibuat kapasitor yang kapasitansinya cukup besar. Karena alasan ekonomis dan praktis, umumnya bahan metal yang banyak digunakan adalah aluminium dan tantalum. Untuk mendapatkan permukaan yang luas, bahan plat Aluminium ini biasanya digulung radial. Sehingga dengan cara itu dapat diperoleh kapasitor yang kapasitansinya besar. Sebagai contoh 100uF, 470uF, 4700uF dan lain-lain, yang sering juga disebut kapasitor elco. Bahan electrolyte pada kapasitor Tantalum ada yang cair tetapi ada juga yang padat. Disebut electrolyte padat, tetapi sebenarnya bukan larutan electrolit yang menjadi elektroda negatif-nya, melainkan bahan lain yaitu manganese-dioksida. Dengan demikian kapasitor jenis ini bisa memiliki kapasitansi yang besar namun menjadi lebih ramping dan mungil. Selain itu karena seluruhnya padat, maka waktu kerjanya ( lifetime) menjadi lebih tahan lama. Kapasitor tipe ini juga memiliki arus bocor yang sangat kecil Jadi dapat dipahami mengapa kapasitor Tantalum menjadi relatif mahal. 3.2.2 Tipe Kapasitor
8
Kapasitor terdiri dari beberapa tipe, tergantung dari bahan dielektriknya. Untuk lebih sederhana dapat dibagi menjadi 3 bagian, yaitu kapasitor electrostatic, electrolytic dan electrochemical.
Gambar 3.9 Kapasitor a. Kapasitor Electrostatic
Kapasitor electrostatic adalah kelompok kapasitor yang dibuat dengan bahan dielektrik dari keramik, film dan mika. Keramik dan mika adalah bahan yang popular serta murah untuk membuat kapasitor yang kapasitansinya kecil. Tersedia dari besaran pF sampai beberapa uF, biasanya digunakan untuk aplikasi rangkaian yang berkenaan dengan frekuensi tinggi. Termasuk kelompok bahan dielektrik film adalah bahan-bahan material seperti polyester (polyethylene terephthalate atau dikenal dengan sebutan mylar), polystyrene,polyprophylene, polycarbonate, metalized paper dan lainnya. Mylar, MKM, MKT adalah beberapa contoh sebutan merek dagang untuk kapasitor dengan bahan-bahan dielektrik film. Umumnya kapasitor kelompok ini adalah non-polar. b. Kapasitor Electrochemical
Satu jenis kapasitor lain adalah kapasitor electrochemical. Termasuk kapasitor jenis ini adalah batere dan accu. Pada kenyataanya batere dan accu adalah kapasitor yang sangat baik, karena memiliki kapasitansi yang besar dan arus bocor (leakage current) yang sangat kecil. Tipe kapasitor jenis ini juga masih dalam pengembangan untuk mendapatkan kapasitansi yang besar namun kecil dan ringan, misalnya untuk applikasi mobil elektrik dan telepon selular. 3.3 Sambungan P-N (P-N Juntion ) Sebagai Resistor (Photodioda)
9
Photodioda dibuat dari semikonduktor dengan bahan yang populer adalah silicon ( Si) atau galium arsenida ( GaAs), dan yang lain meliputi InSb, InAs, PbSe. Material ini menyerap cahaya dengan karakteristik panjang gelombang mencakup: 2500 Å – 11000 Å untuk silicon, 8000 Å – 20,000 Å untuk GaAs. Ketika sebuah photon (satu satuan energi dalam cahaya) dari sumber cahaya diserap, hal tersebut membangkitkan suatu elektron dan menghasilkan sepasang pembawa muatan tunggal, sebuah elektron dan sebuah hole, di mana suatu hole adalah bagian dari kisi-kisi semikonduktor yang kehilangan elektron. Arah Arus yang melalui sebuah semikonduktor adalah kebalikan dengan gerak muatan pembawa.cara tersebut didalam sebuah photodiode digunakan untuk mengumpulkan photon – menyebabkan pembawa muatan (seperti arus atau tegangan) mengalir/terbentuk di bagian bagian elektroda.
Gambar 3.10 Photodioda
Karakteristik photodiode -
Photodioda mempunyai respon 100 kali lebih cepat daripada phototransistor
-
Dikemas dengan plastik transparan yang juga berfungsi sebagai lensa. Lensa tsb lebih dikenal sebagai „lensa fresnel‟ dan „optical filter‟
-
Penerima infra merah juga dipengaruhi oleh „active area‟ dan „respond time‟
Gambar 3.11 Electronic Detector Spectral Sensitivities
10
Tabel 3.1 Reverse Voltage dan Photodiode current
Aplikasi dari photodiode:
Diode sebagai kondisi open circuit jika dianalogikan seperi sakelar
Photodiode sebagai close circuit jika dianalogikan seperti sakelar
11
BAB IV SIMPULAN
4.1 Simpulan
Adapun kesimpulan yang dapat diambil antara lain adalah : a. Sambungan PN (atau diode) adalah suatu saklar (switch) atau komponen yang elektron-elektronnya akan dengan mudah mengalir melaluinya dalam satu arah, tetapi tidak dalam arah yang berlawanan. b. Sambungan P-N dapat berperan sebagai penyearah, kapasitor, dan juga resistor.
12
LAMPIRAN PENUGASAN Erna Septyaningrum
: Sambungan P-N sebagai Penyearah
Fradita Aan Winarno
: Makalah, PPT dan Print
Ayu Rachma Permatasari : Sambungan P-N sebagai Kapasitor Rendy Krisnanta Putra
: Sambungan P-N sebagai Resistor (Photodiode)
