I. Fisika Semikonduktor :

1. Tuliskanlah cerita secara runtun, jelas, dan detail (jika perlu, lengkapilah dengan gambar

atau grafik penunjang) tentang konsep atom yang dikemukakan oleh :

a. John Dalton

b. Joseph Thomas Ernest Rutherford

c. Neils Henrick David Bohr

d. Prinsip

Larangan Pauli

2. Dengan menggunakan gambar lintasan orbit elektron dan gambar tingkat pita energi,

tuliskanlah cerita secara runtun, jelas, dan detail tentang perilaku :

a. Konduktor

b. Semikonduktor Intrinsik

c. Semikonduktor Ekstrinsik :

- Bervalensi 3

- Bervalensi 5

d. Isolator untuk dalam keadaan :

- Temperatur nol mutlak

- Temperatur di atas nol mutlak

3. Jelaskanlah (lengkapilah dengan gambar atau grafik penunjang), apa yang Anda ketahui

tentang :

a. Ion

b. Atom

c. Inti Atom

d. Elektron

e. Proton

f. Positron

g. Neutron

h. Molekul

i. Senyawa

j. Ikatan ion

k. Ikatan kovalen

l. Kristal semikonduktor

m. Pita valensi

n. Pita konduksi

o. Celah terlarang

(forbidden gaps)

p. Electron bebas

q. Lubang (hole)

r. Rekombinasi

s. Umur (waktu)

rekombinasi (life time)

t. Pembawa mayoritas

u. Pembawa minoritas

v. Efek Hall

w.

4. Bagaimanakah caranya untuk meningkatkan jumlah banyaknya :

a. Elektron bebas ? b. Lubang (hole) ?

5. Jelaskanlah minimal 4 faktor yang menyebabkan silikon menjadi lebih standar industri

dibandingkan dengan germanium !

II. Dioda Penyearah :

1. Jelaskanlah apa yang dimaksudkan dengan :

a. Osmosis

b. Difusi

c. Tegangan dadal

(breakdown voltage)

2. Jelaskanlah (lengkapilah dengan gambar atau grafik penunjang) bagaimanakah proses

terjadinya :

a. Lapisan pengosongan (depletion layer) ?

b. Potensial barier ?

3. Jelaskanlah (lengkapilah dengan gambar atau grafik penunjang) tentang kristal pn

apabila :

a. Forward-biased b. Reverse-biased

4. Jelaskanlah secara detail dan lengkap tentang kurva karakteristik dioda (penyearah) !

5. Jelaskanlah secara detail dan lengkap, bagaimanakah pengaruh perubahan temperatur

di sekitar dioda terhadap mutu operasi dioda ?

III. Dioda-dioda Khusus :

1. Dengan menggunakan gambar lintasan orbit elektron dan gambar tingkat pita energi,

tuliskanlah cerita secara runtun, jelas, dan detail tentang bagaimanakah :

a. Proses terjadinya LED yang berwarna-warni ?

b. Prinsip kerja dioda Schottky pada penyearahan frekuensi tinggi ?

c. Waktu pemulihan balik (reverse-recovery time) pada dioda Schottky ?

d. Prinsip kerja dioda varactor pada penalaan frekuensi tinggi ?

e. Prinsip kerja dioda zener pada regulasi tegangan ?

f. Proses terjadinya avalanche effect dan zener effect (high field emission effect) ?

g. Aproksimasi dioda zener ideal dan aproksimasi dioda zener kedua ?

h. Kurva karakteristik dioda zener secara lengkap ?

Jawab :

I. Fisika Semikonduktor :

1. Berikut adalah konsep konsep atom yang ditemukan oleh beberapa penemu,

diantaranya :

a . Jhon Dalton

Konsep atom dari Jhon Dalton dikemukakan menjadi beberapa prinsip dasar

diantaranya :

Atom adalah bagian terkecil dari suatu zat.

Atom berbentuk bola sederhana yang sangat kecil, tidak dapat dibelah, diciptakan

ataupun dimusnahkan.

Unsur yang sama mengandung atom-atom yang sama.

Atom sejenis memiliki sifat yang sama dalam segala hal, sedangkan atom yang

berbeda memiliki sifat yang berbeda.

Reaksi kimia terjadi karena adanya penggabungan dan pemisahan atom-atom.

Bila atom-atom bergabung akan membentuk molekul. Bila atom-atom yang

bergabung sama akan terbentuk molekul unsur, sedangkan bila atom-atom yang

bergabung berbeda akan terbentuk molekul senyawa.

Gambar 1.1. Konsep Atom Jhon Dalton

b. Joseph Thomas Ernest Rutherford

Rutherford bersama dua orang muridnya (Hans Geigerdan Erners Masreden)

melakukan percobaan yang dikenal dengan hamburan sinar alfa (λ) terhadap lempeng

tipis emas. Sebelumya telah ditemukan adanya partikel alfa, yaitu partikel yang

bermuatan positif dan bergerak lurus, berdaya tembus besar sehingga dapat

menembus lembaran tipis kertas. Percobaan tersebut sebenarnya bertujuan untuk

menguji pendapat Thomson, yakni apakah atom itu betul-betul merupakan bola pejal

yang positif yang bila dikenai partikel alfa akan dipantulkan atau dibelokkan. Dari

pengamatan mereka, didapatkan fakta bahwa apabila partikel alfa ditembakkan pada

lempeng emas yang sangat tipis, maka sebagian besar partikel alfa diteruskan (ada

penyimpangan sudut kurang dari 1°), tetapi dari pengamatan Marsden diperoleh fakta

bahwa satu diantara 20.000 partikel alfa akan membelok sudut 90° bahkan

lebih.Berdasarkan gejala-gejala yang terjadi, diperoleh beberapa kesipulan beberapa

berikut:

1. Atom bukan merupakan bola pejal, karena hampir semua partikel alfa

diteruskan

2. Jika lempeng emas tersebut dianggap sebagai satu lapisan atom-atom

emas, maka didalam atom emas terdapat partikel yang sangat kecil yang

bermuatan positif.

3. Partikel tersebut merupakan partikel yang menyusun suatu inti atom,

berdasarkan fakta bahwa 1 dari 20.000 partikel alfa akan dibelokkan. Bila

perbandingan 1:20.000 merupakan perbandingan diameter, maka

didapatkan ukuran inti atom kira-kira 10.000 lebih kecil daripada ukuran

atom keseluruhan.

Berdasarkan fakta-fakta yang didapatkan dari percobaan tersebut, Rutherford

mengusulkan model atom yang dikenal dengan Model Atom Rutherford yang

menyatakan bahwa Atom terdiri dari inti atom yang sangat kecil dan bermuatan positif,

dikelilingi oleh elektron yang bermuatan negatif. Rutherford menduga bahwa didalam

inti atom terdapat partikel netral yang berfungsi mengikat partikel-partikel positif agar

tidak saling tolak menolak.

Gambar 1.2 Konsep Atom Joseph Thomas Ernest Rutherford

c. Neils Henrick David Bohr

Neils Henrick David Bohr mengungkapkan atom seperti miniatur planit mengitari

matahari, dengan elektron-elektron mengelilingi orbitnya sekitar bagian pokok, tetapi

dengan perbedaan yang sangat penting. elektron-elektron yang mengitari bagian

pokok berada pada tingkat energi (kulit) tertentu tanpa menyerap atau memancarkan

energi. Elektron dapat berpindah dari lapisan dalam ke lapisan luar jika menyerap

energi. Sebaliknya, elektron akan berpindah dari lapisan luar ke lapisan lebih dalam

dengan memancarkan energy.

Gambar 1.3 Konsep Atom Neils Henrick David Bohr

d. Prinsip Larangan Pauli

Prinsip larangan Pauli mengatakan dalam satu atom tidak boleh ada dua

elektron yang mempunyai keempat bilangan kuantum yang sama. Orbital yang sama

akan mempunyai bilangan kuantum n, l, m yang sama. Dengan demikian, yang dapat

membedakan hanya bilangan kuantum spin (s).

2.

a. Konduktor 

Konsuktor adalah benda yang dengan mudah bisa mengantarkan listrik. Salah satu jenis

konduktor adalah tembaga yang memiliki elektron valensi 1. Konduktor makin baik

apabila jarak elektron valensinya dengan inti makin jauh. Makin jauh jarak elektron valensi dengan

inti, makin kecil daya tarik elektron dengan inti sehingga makin sedikit energi yang dibutuhkan untuk

melepaskan elektron tersebut dari elektron valensinya yang artinya makin mudah konduktor tersebut

dalam mengantarkan arus listrik.

Gambar 1.4. Gambar Pita Energi konduktor, Semikonduktor, Isolator

b. Semikonduktor intrinsic

Semikonduktor adalah bahan yang berada diantara konduktor dan isolator.

Sedangkan semikonduktor intrinsik adalah semikonduktor murni atau semikonduktor

yang belum mengalami proses pemambahan atom lain dan biasanya terdiri dari satu

unsur saja contohnya Silicon atau Germanium. Pada kiristal semikonduktor Si, 1 atom

Si memiliki 4 elektron valensi yang berikatan dengan 4 atom Si lainnya.Pada Kristal

semikonduktor intrinsik Si sel primitifnya berbentuk kubus. Ikatan yang terjadi antar

atom Si yang berdekatan adalah ikatan kovalen.Hal ini disebabkan karena adanya

pemakaian 1 buah elektron bersama oleh dua atom Si yang berdekatan.

Gambar 1.5 Gambar Ikatan Atom Semikonduktor Intrinsik Silikon

c. Semikonduktor ektrinsik

Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang tidak murni atau sudah

mengalami proses pencampuran dengan atom lain atau disebut pengotoran atau

doping. Semi konduktor ekstrinsik pada dasarnya ada 2 jenis yaitu :

- Semi konduktor ektrinsik Bervalesi 3

Semikonduktor Ekstrinsik bervalensi 3 atau yang sering disebut dengan

semikkonduktor tipe – p. Semikonduktor tipe-p dapat dibuat dengan menambahkan

sejumlah kecil atom pengotor trivalen (aluminium, boron, galium atau indium) pada

semikonduktor murni, misalnya silikon murni. Atom-atom pengotor (doping) ini

mempunyai tiga elektron valensi sehingga secara efektif hanya dapat membentuk tiga

ikatan kovalen. Saat sebuah atom trivalen menempati posisi atom silikon dalam kisi

kristal, terbentuk tiga ikatan kovalen lengkap, dan tersisa.

Gambar 1.6 Gambar Ikatan Atom Semikonduktor Ekstrinsik Tipe –P

- Semi konduktor ektrinsik Bervalesi 5

Semikonduktor ekstrinsik bervalensi 5 atau yang sering disebut dengan

semikonduktor tipe – n. Semikonduktor tipe-n dapat dibuat dengan menambahkan

sejumlah kecil atom pengotor pentavalen (antimony, phosphorus atau arsenic) pada

silikon murni. Atom-atom pengotor ini mempunyai lima elektron valensi sehingga secara

efektif memiliki muatan sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalen menempati posisi

atom silikon dalam kisi kristal, hanya empat elektron valensi yang dapat membentuk

ikatan kovalen lengkap, dan tersisa sebuah elektron yang tidak berpasangan.

Gambar 1.7 Gambar Ikatan Atom Semikonduktor Ekstrinsik Tipe -N

3.

a. Ion

Ion adalah atom atau sekumpulan atom yang bermuatan listrik. Ion yang

bermuatan positif disebut kation, dan ion yang bermuatan negatif disebut anion. Kation

dan anion dapat berupa ion tunggal hanya terdiri dari satu jenis atom atau dapat pula

berupa ion poliatom mengandung dua atau lebih atom yang berbeda.

Gambar 1.8 Gambar Ion positif (Kation) dan negatif (anion)

b. Atom

Atom adalah suatu satuan materi terkecil dalam alam semesta, yang terdiri

atas inti atom serta awan elektron bermuatan negatif yang mengelilinginya. Inti atom

terdiri atas proton yang bermuatan positif, dan neutron yang bermuatan netral (kecuali

pada inti atom Hidrogen-1, yang tidak memiliki neutron). Elektron-elektron pada sebuah

atom terikat pada inti atom oleh gaya elektromagnetik.

Gambar 1.9 Gambar Susunan Atom

c. Inti Atom

Inti atom adalah pusat dari suatu atom atau biasa disebut nukleus. Inti atom

terdiri dari proton dan neutron.Banyaknya proton dalam inti atom disebut nomor atom,

dan menentukan elemen dari suatu atom. Selengkapnya nucleus atau inti atom bisa

dilihat dari gambar 1.10 dibawah.

Gambar 1.10 Gambar Susunan Atom Besesta Inti Atom

d. Elektron

Elektron adalah bagian dari atom yang bermuatan negatif dan umumnya ditulis

sebagai e-. Elektron mengelilingi proton dan neutron yang merupakan inti atom. Elektron

tidak memiliki komponen dasar ataupun substruktur apapun yang diketahui, sehingga ia

dipercayai sebagai partikel elementer.

Gambar 1.11. Gambar Susunan Atom

e. Proton

Proton adalah partikel subatomik dengan muatan positif. Proton dan neutron

merupakan inti atom yang dikelilingi elektron. Besar sebuah proton adalah sebesar 1.6 ×

10-19 coulomb dan massa 938 MeV (1.6726231 × 10-27 kg, atau sekitar 1836 kali massa

sebuah elektron.

f. Positron

Positron adalah antipartikel atau antimateri dari elektron.Positron juga memiliki 

massa yang sama dengan elektron. Ketika sebuah positron berenergi rendah

bertumbukan dengan elektron berenergi rendah, akan terjadi pemusnahan dan

menghasilkan dua foton sinar gamma.

Gambar 1.12 Gambar Grafik Energi Positron

g. Neutron

Neutron atau netron adalah partikel subatomik yang tidak memiliki muatan atau

bersifat netral. Sebuah neutron memiliki massa 940 MeV/c² (1.6749 × 10-27 kg, sedikit

lebih berat dari proton. Neutron dan proton merupakan inti atom yang dikelilingi elektron.

Untuk lebih jelasnya bisa melihat gambar 1.10.

h. Molekul

Molekul adalah sekelompok atom yang saling berikatan dengan sangat kuat

(kovalen) dalam susunan tertentu dan bermuatan netral serta cukup stabil.

Gambar 1.13 Gambar Hubungan Atom dan Molekul

i. Senyawa

Senyawa adalah zat murni yang terdiri dari dua unsur atau lebih yang bergabung

melalui reaksi kimia. Contohnya, dihidrogen monoksida (air, H2O) adalah sebuah

senyawa yang terdiri dari dua atom hidrogen untuk setiap atom oksigen.

Gambar 1.14 Gambar Susunan Senyawa

j. Ikatan ion

Ikatan ion atau biasa disebut ikatan elektrovalen adalah jenis ikatan yang

terbentuk antara ion-ion logam dengan  melalui gaya tarik menarik elektrostatis. Dengan

kata lain, ikatan ion terbentuk dari gaya tarik-menarik antara dua ion yang berbeda

muatan (gaya coulomb).

Gambar 1.15 Gambar Ikatan Elektrovalen

k. Ikatan kovalen

Pengertian ikatan kovalen. Ikatan kovalen yaitu ikatan yang terbentuk ketika

elektron dibagi diantara atom-atom. Artinya masing-masing atom tidak ada yang benar-

benar memiliki elektron tersebut (seperti yang terjadi pada atom yang membentuk ikatan

ion). Ikatan kovalen tunggal terjadi ketika dua elektron dibagi (satu dari setiap atom).

Ikatan kovalen ganda terbentuk ketika empat elektron dibagikan sedangkan ikatan

kovalen tripel terjadi ketika enam elektron dibagikan.

Gambar 1.16 Gambar Ikatan Kovalen

l. Kristal semikonduktor

Kristal Semikonduktor merupakan atom yang menyusun dirinya bersama atom yang lain

secara teratur yang memiliki sifat elektris diantara konduktor dan isolator

(berelektronvalensi 4).

m. Pita valensi

Pita valensi adalah pita energy yang mungkin diisi oleh elektron dari zat padat

hingga komplit. Setiap pita memiliki 2N electron dengan N adalah jumlah atom. Bila

masih ada elektron yang tersisa akan mengisi pita konduksi.

Gambar 1.17 Gambar Pita Valensi dan Pita Konduksi

n. Pita konduksi

Pita konduksi adalah pita energi yang berada di atas pita valensi yang terisi

sebagian atau tidak sama sekali oleh elektron. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat dari

gambar 1.17 diatas.

o. Celah terlarang (forbidden gaps)

Celah terlarang (forbidden gaps ) merupakan celah yang terletak antara dua buah lintasan

elektron yang disebabkan karena elektron memiliki dua sifat, yaitu elektron sebagai partikel dan elektron

sebagai gelombang. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat dari gambar 1.17 diatas.

p. Elektron bebas

Elektron bebas adalah elektron yang terlepas dari lintasan atau orbitnya karena

pengaruh dari luar. Elektron bebas menghasilkan energi yang disebut arus listrik yang

terjadi ketika suatu bahan koduktor diberikan energi listrik. Akibat dari gesekan yang

timbul bisa meghasilkan bunga api atau percikan api. Percikan – percikan itulah yang

merupakan elektron bebas.

Gambar 1.18 Gambar Elektron bebas

q. Lubang (hole)

Lubang atau hole merupakan tempat kosong yang telah ditinggalkan oleh elektron. Akibat dari

hilangnya elektron menyebabkan atom bermuatan positif.

Gambar 1.19. Gambar Hole pada Lintasan Atom

r. Rekombinasi

Rekombinasi adalah proses penggabungan elektron dan hole. Dimana hole itu

sendiri adalah tempat kosong yang sudah ditinggalkan oleh elektron sebelumnya.

Peristiwa ini akan disertai dengan pelepasan energy berupa cahaya tampak atau bisa

juga berupa energy panas.

Gambar 1.20 Gambar Proses Rekombinasi Elektron Pada LED ( Light Emitting Dioda)

s. Umur (waktu) rekomendasi (life time)

Adalah lamanya waktu antara terciptanya elektron bebas hingga rekombinasi elektron bebas

dengan lubang atau hole.

t. Pembawa mayoritas

pembawa mayoritas merupakan elektron bebas yang terdapat pada semikonduktor tipe-n dan

merupakan hole pada semikonduktor tipe-p

u. Pembawa minoritas

Pembawa minoritas merupakan elektron bebas yang terdapat pada semikonduktor tipe-p dan

merupakan hole pada semikonduktor tipe-n.

v. Efek hall

Adalah peristiwa pembelokan elektron akibat medan magnet pada pelat konduktor. Ketika

aliran elektron (arus listrik) mengalir pada devais, efek hall yang ada dalam medan

magnet yang arahnya tegak lurus akan membelokan muatan ke salah satu sisi dan

menghasilkan medan listrik.

Gambar 1.21 Gambar Efek Hall

4. Berikut adalah cara untuk meningkatkan jumlah banyaknya :

a. Elektron bebas

Contoh jika silicon ingin ditambah elektron bebasnya, bisa dilakukan dengan cara

mencampurnya dengan atom-atom pentavalen melalui metode pemanasan hingga silicon tersebut

mencair. Contoh atom pentavalen antara lain arsen, antimon dan fosfor.

Gambar 1.22 Proses penambahan elektron bebas pada silikon

b. Lubang (hole)

Cara menambah jumlah lubang (hole) misalnya pada bahan silicon yaitu dengan cara

menambahkan atom trivalent atau atom ber elektron valensi 3. Atom trivalen ini akan menyumbangkan

3 elektron ekstra ke kristal silicon sehingga elektron valensi campuran tersebut adalah 4 (silicon) +

3(valensi pengotor) = 7 valensi + 1 hole. Makin banyak atom trivalent yang dicampurkan, maka hole

yang dihasilkan juga makin banyak. Contoh bahan atom trivalent adalah aluminium, boron dan gallium.

5. Lima penyebab silicon menjadi lebih standar industri dibandingkan dengan germanium adalah

a. Arus maju maksimum yang dibolehkan cukup besar, sampai 1000 A

b. Tegangan terbalik maksimum yang dibolehkan cukup tinggi, dapat mencapai 1000 V

c. Silikon memiliki arus bocor yang lebih rendah dibandingkan dengan germanium.

d. Silikon lebih berlimpah terdapat di alam dibandingkan dengan germanium

e. Perlawanan terbalik dari silikon sangat tinggi, dapat mencapai beberapa Mega ohm

II. Dioda Penyearah

1. Jelaskan apa yang dimaksud dengan :

a. Osmosis

Osmosis adalah perpindahan air melalui membran permeabel selektif dari bagian

yang lebih encer ke bagian yang lebih pekat. Membran semipermeabel harus dapat

ditembus oleh pelarut, tapi tidak oleh zat terlarut, yang mengakibatkan gradien tekanan

sepanjang membran. Osmosis merupakan suatu fenomena alami, tapi dapat dihambat

secara buatan dengan meningkatkan tekanan pada bagian dengan konsentrasi pekat

menjadi melebihi bagian dengan konsentrasi yang lebih encer.

Gambar 2.1. Gambar Proses Osmosis

b. Difusi

Difusi adalah peristiwa mengalirnya/berpindahnya suatu zat dalam pelarut dari

bagian berkonsentrasi tinggi ke bagian yang berkonsentrasi rendah. Perbedaan

konsentrasi yang ada pada dua larutan disebut gradien konsentrasi. Difusi akan terus

terjadi hingga seluruh partikel tersebar luas secara merata atau mencapai

keadaan kesetimbangan dimana perpindahan molekul tetap terjadi walaupun tidak ada

perbedaan konsentrasi. Contoh yang sederhana adalah pemberian gula pada cairan teh

tawar.

Gambar 2.2. Gambar Proses Difusi

c. Tegangan dadal (breakdown voltage)

Tegangan dadal atau breakdown voltage adalah kondisi dimana aliran elektron

yang terbentuk di lapisan deplesi tidak lagi mampu ditahan oleh diode. Kejadian ini

terjadi pada saat tegangan bias balik diperbesar dan menyebabkan dioda menjadi

konduk secara hebat.

2. Jelaskanlah (lengkapilah dengan gambar atau grafik penunjang) bagaimanakah proses

terjadinya :

a. Lapisan pengosongan (depletion layer)

Lapisan pengosongan (Depletion Layer) disebabkan oleh gaya saling tolak-

menolak ,elektron pada sisi n akan berdifusi atau menyebar ke segala arah. Beberapa

berdifusi melewati junction. Jika sebuah elektron bebas meninggalkan daerah n, maka

tercipta sebuah atom bermuatan positif (ion positif) dalam daerah n. Selanjutnya, bila ia

memasuki daerah p, maka elektron tersebut akan memnjadi pembawa minoritas.

Dengan demikian banyak hole di sekitarnya, pembawa minoritas ini

memepunyai waktu hidup yang singkat, segera setelah memasuki daerah p, electron

bebas akan jatuh ke dalam hole. Bila ini terjadi, hole akan menghilang dam atom yang

bersangkutan menjadi muatan negative. Setiap kali electron berdifusi melalui junction,

akan tercipta sepasang ion. Ion-ion tetap berada di dalam struktur kristal karena adanya

ikatan kovalen dan tidak dapat bergerak seperti elektron bebas dan hole. Jika jumlah ion

bertambah banyak, maka daerah di sekitar junction dikosongkan dari electron bebas

dan hole. Kita sebut daerah ini sebagai lapisan kosong (Depletion Layer ).

Gambar 2.3 Gambar Lapisan Pengosongan

b. Potensial barier

potensial barrier yaitu beda potensial pada persambungan. Beda potensial ini

menjadi cukup besar untuk menghalangi proses penyebaran difusi selanjutnya dari

elektron-elektron bebas. Pada suhu ruangan potensial barrier bekerja sekitar 0,7 Volt

untuk Silikon dan 0,3 Volt untuk Germanium.

Gambar 2.4 Gambar Grafik Potensial barier

3. Jelaskanlah (lengkapilah dengan gambar atau grafik penunjang) tentang kristal pn

apabila :

a. Forward-biased

Cara pemberian tegangan luar ke terminal diode. Jika anoda dihubungkan

dengan kutub positif batere, dan katoda dihubungkan dengan kutub negative batere,

maka keadaan diode ini disebut bias maju (forward bias). Aliran arus dari anoda menuju

katoda, dan aksinya sama dengan rangkaian tertutup. Pada kondisi bias ini akan terjadi

aliran arus dengan ketentuan beda tegangan yang diberikan ke diode dan akan selalu

positif.

Gambar 2.5 Gambar Proses terjadinya Forward-biased

a. Reverse-biased

Bila anoda diberi tegangan negatif dan katoda diberi tegangan positif, arus yang

mengalir jauh lebih kecil dari pada kondisi bias maju. Bias ini dinamakan bias mundur

(reverse bias) pada arus maju diperlakukan baterai tegangan yang diberikan dengan

tidak terlalu besar maupun tidak ada peningkatan yang cukup significant.

Gambar 2.6 Gambar Proses terjadinya Reverse-biased

4. Kurva karakteristik dioda (penyearah)

Seperti yang telah kita ketahui bahwa dioda adalah komponen aktif dari dua elektroda

(katoda dan anoda) yang sifatnya semikonduktor, jadi dengan sifatnya tersebut dioda

tidak hanya memperbolehkan arus listrik mengalir ke satu arah, tetapi juga menghambat

arus dari arah sebaliknya. Dioda dapat dibuat dari Germanium (Ge) dan Silikon atau

Silsilum (Si). Komponen aktif ini mempunyai fungsi sebagai penyearah

Gambar 2.7 Gambar Kurva Karakeristik Dioda Penyearah

Gambar diatas menunjukan dua macam kurva, yakni dioda germanium (Ge) dan

dioda silikon (Si). Pada saat dioda diberi bias maju, yakni bila VA-K positif, maka arus ID

akan naik dengan cepat setelah VA-K mencapai tegangan cut-in (Vγ). Tegangan cut-in

(Vγ) ini kira-kira sebesar 0.2 Volt untuk dioda germanium dan 0.6 Volt untuk dioda silikon.

Dengan pemberian tegangan baterai sebesar ini, maka potensial penghalang (barrier

potential) pada persambungan akan teratasi, sehingga arus dioda mulai mengalir dengan

cepat. Bagian kiri bawah dari grafik pada gambar merupakan kurva karakteristik dioda

saat mendapatkan bias mundur. Disini juga terdapat dua kurva, yaitu untuk dioda

germanium dan silikon. Besarnya arus jenuh mundur (reverse saturation current) Is untuk

dioda germanium adalah dalam orde mikro amper. Sedangkan untuk dioda silikon Is

adalah dalam orde nano amper . Apabila tegangan VA-K yang berpolaritas negatip

tersebut dinaikkan terus, maka suatu saat akan mencapai tegangan patah (break-down)

dimana arus Is akan naik dengan tibatiba. Pada saat mencapai tegangan break-down ini,

pembawa minoritas dipercepat hingga mencapai kecepatan yang cukup tinggi untuk

mengeluarkan elektron valensi dari atom. Kemudian elektron ini juga dipercepat untuk

membebaskan yang lainnya sehingga arusnya semakin besar. Pada dioda biasa

pencapaian tegangan break-down ini selalu dihindari karena dioda bisa rusak.

5. Pengaruh perubahan temperatur di sekitar dioda terhadap mutu operasi dioda.

DIODA adalah sambungan bahan P-N yang berfungsi terutama sebagai penyearah.

Bahan tipe-p akan menjadi sisi anode sedangkan bahan tipe-N akan menjadi katode.

Bergantung pada polaritas tegangan yang diberikan kepadanya, diode bisa berlaku

sebagai sebuah saklar tertutup (apabila bagian anode mendapatkan tegangan positif

sedangkan katodenya mendapatkan tegangan negatif) dan berlaku sebagi saklar terbuka

(apabila bagian anode mendapatkan tegangan negatif sedangkan katode mendapatkan

tegangan positif). Karakteristik diode umumnya dinyatakan dengan grafik hubungan

antara tegangan pada diode versus arus yang melewatinya sehingga disebut karakteristik

tegangan-arus (V-I).

Gambar 2.8 Gambar Kurva Perubahan Sudu terhadap Mutu Operasi Dioda

Perbedaan suhu T1 dan T2 dapat memberikan karakteristik yang berbeda seperti

gambar diatas. Jika diberi arus konstan, kenaikan suhu menyebabkan tegangan turun

berubah dari VD1 ke VD2. Jika diode pertemuan PN diberi tegangan maju konstan, maka

suhu yang semakin tinggi menyebabkan arus diode semakin tinggi berubah dari ID1 ke

ID2. Keadaan ini menjadikan diode pertemuan PN dapat dimanfaatkan sebagai sensor

suhu.

III. Dioda-dioda Khusus :

1. Dengan menggunakan gambar lintasan orbit elektron dan gambar tingkat pita energi,

tuliskanlah cerita secara runtun, jelas, dan detail tentang bagaimanakah :

a. Proses terjadinya LED yang berwarna-warni ?

Energi cahaya ini tersusun atas sejumlah besar paket-paket energi yang disebut

foton. Dalam sebuah atom, elektron bergerak dalam orbit-orbit yang mengitari inti atom.

Elektron yang bergerak pada orbit yang berbeda akan memiliki energi yang berbeda

pula. Secara umum, elektron yang memiliki energi yang lebih tinggi akan berada pada

orbit yang lebih jauh dari inti atom. 

Gambar 3.1 Gambar Struktur LED

Elektron dalam atom dapat berpindah dari satu orbit ke orbit yang lain. Jika

elektron akan berpindah ke tingkat orbit yang memiliki energi yang lebih tinggi, maka

elektron harus dipasok dengan sejumlah energi tertentu sehingga energi yang

dimilikinya sama dengan energi orbit baru yang akan ditempatinya. Sebaliknya, jika

elektron berpindah ke tingkat energi yang lebih rendah, maka elektron akan melepaskan

sebagian energinya menyesuaikan dengan energi orbit yang ditujunya. Energi ini

dilepaskan dalam bentuk foton.

Kita sudah tahu bahwa dalam sebuah diode, elektron bebas yang bergerak

melintasi persambungan diode dapat jatuh ke dalam lubang kosong yang banyak

terdapat pada daerah tipe-P. Peristiwa jatuhnya elektron ke dalam lubang ini setara

dengan elektron yang berpindah dari pita konduksi ke orbit yang lebih rendah sehingga

dalam proses ini elektron akan melepaskan energi dalam bentuk foton. Peristiwa seperti

ini terjadi pada semua jenis diode. Namun demikian, energi dalam bentuk cahaya

tampak hanya akan  terlihat pada jenis diode LED. 

Hal ini disebabkan karena pada LED sengaja digunakan bahan semikonduktor

yang memiliki jarak antara pita konduksi ke tingkat orbit elektron di bawahnya cukup

besar sehingga menyebabkan frekuensi foton yang dipancarkan bersesuaian dengan

frekuensi gelombang cahaya tampak. Hal ini menunjukkan bahwa jarak antara pita

konduksi ke tingkat orbit elektron di bawahnya merupakan faktor yang menentukan

warna cahaya yang dipancarkan oleh LED. 

Dengan mengatur-atur celah pita kita dapat menentukan jenis warna yang dapat

dipancarkan oleh LED. Namun demikian, harus diperhatikan bahwa celah pita ini

berkaitan dengan jenis bahan semikonduktor yang digunakan dalam LED. Artinya, LED

yang memancarkan warna cahaya tertentu akan memiliki komposisi bahan

semikonduktor yang berbeda dengan LED yang memancarkan warna cahaya yang

berbeda.

b. Prinsip kerja dioda Schottky pada penyearahan frekuensi tinggi ?

Dioda Schottky adalah tipe khusus dari dioda dengan tegangan yang rendah.

Ketika arus mengalir melalui dioda akan ditahan oleh hambatan internal, yang

menyebabkan tegangannya menjadi kecil di terminal dioda. Dioda schottky

menggunakan logam emas perak atau platina pada salah satu sisi junction dan silicon

yang di dop pada sisi yang lain. Dioda semacam ini adalah piranti unipolar karena

elektron bebas merupakan pembawa mayoritas pada kedua sisi junction. Dioda schottky

ini tidak mempunyai lapisan pengosongan atau penyimpanan muatan, sehingga

mengakibatkan ia dapat di switch nyala dan mati lebih cepat dari pada dioda bipolar.

Sehingga dioda ini mampu untuk menyearahkan frekuensi.

c. Waktu pemulihan balik (reverse-recovery time) pada dioda Schottky ?

waktu pemulihan balik adalah waktu dimana dioda berusaha menjadi netral dan

besar arus yg melewati berukuran normal. Pada saat diode yang awalnya ada di

kondisi forward tiba-tiba berubah ke kondisi reverse dalam kondisi ini muncul sedikit

arus balik.

d. Prinsip kerja dioda varactor pada penalaan frekuensi tinggi ?

Seperti kebanyakan komponen dengan kawat penghubung, diode mempunyai

kapasitansi bocor yang mempengaruhi kerja pada frekuensi tinggi, kapasitansi luar ini

biasanya lebih kecil dari 1 pF. Yang lebih penting dari kapasitansi luar ini adalah

kapasitansi dalam junction dioda. Kapasitansi dalam ini kita sebut juga kapasitansi

peralihan CT. Kata peralihan disini menyatakan peralihan dari bahan type-p ke typr-n.

Kapasitansi peralihan dikenal juga sebagai kapasitansi lapisan pengosongan ,

kapasitansi barier dan kapasitansi junction.

Lapisan pengosongan melebar hingga perbedaan potensial sama dengan

tegangan riverse yang diberikan. Makin besar tegangan river semakin lebar lapisan

pengosongan. Karena lapisan pengosongan hampir tak ada pembawa muatan ia

berlaku seperti isolator atau dielektrik. Dengan demikian kita dapat membayangkan

daerah p dan n dipisahkan oleh lapisan pengosongan seperti kapasitor keeping sejajar

dan kapasitor sejajar ini sama dengan kapasitansi peralihan. Jika dinaikkan tegangan

riverse membuat lapisan pengosongan menjadi lebar, sehingga seperti memisahkan

keeping sejajar terpisah lebih jauh. Dan sebagai akibatnya kapasitansi peralihan dari

diode berkurang bila tegangan riverse bertambah.

Dioda silicon yang memanfaatkan efek kapasitansi yang berubah-ubah ini

disebut varactor. Dalam banyak aplikasi menggantikan kapasitor yang ditala secara

mekanik, dengan perkataan lain varaktor yang dipasang parallel dengan inductor

merupakan rangkaian tangki resonansi. Dengan mengubah-ubah tegangan riverse

pada varactor kita dapat mengubah frekuensi resonansi. Pengontrolan secara

elektronik pada frekuensi resonansi sangat bermanfaat dalam penalaan dari jauh.

e. Prinsip kerja dioda zener pada regulasi tegangan ?

Dioda Zener merupakan dioda yang memiliki karakteristik menyalurkan arus

listrik mengalir ke arah yang berlawanan. Jika tegangan yang diberikan melampaui

batas tegangan tembus (breakdown voltage) atau tegangan Zener. Ini berlainan dari

diode biasa yang hanya menyalurkan arus listrik ke satu arah.

Sebuah diode Zener memiliki p-n junction yang memiliki doping berat, yang

memungkinkan elektron untuk tembus (tunnel) dari pita valensi material tipe-p ke dalam

pita konduksi material tipe-n. Sebuah diode Zener yang dicatu-balik akan menunjukan

perilaku tegangan tembus yang terkontrol dan akan melewatkan arus listrik untuk

menjaga tegangan jatuh supaya tetap pada tegangan Zener.Sebagai contoh, sebuah

diode Zener 3.2 Volt akan menunjukan tegangan jatuhpada 3.2 Volt jika diberi catu-

balik. Namun, karena arusnya terbatasi, sehingga diode Zener biasanya digunakan

untuk membangkitkan tegangan referensi, untuk menstabilisasi tegangan aplikasi-

aplikasi arus kecil, untuk melewatkan arus besardiperlukan rangkaian pendukung IC

atau beberapa transistor sebagai output.

Gambar 3.2 Gambar Dioda Zener

f. Proses terjadinya avalanche effect dan zener effect (high field emission effect) ?

Proses terjadinya avalance effect adalah jika tegangan balik yang diberikan ke

diode zener mencapai nilai tegangan dadalnya, pembawa muatan minoritas didalam

lapisan deplesi akan dipercepat dan mencapai kecepatanyang cukup tinggi untuk

melepaskan electron valensi dari orbit electron terluarnya. Electron yang baru terbebas

itu kemudian mencapai kecepatan yang cukup tinggi untuk membebaskan electron –

electron valensi lainnya. Semakin lama maka semakin banyak electron yang

terbebaskan.

g. Aproksimasi dioda zener ideal dan aproksimasi dioda zener kedua ?

Proses terjadinya zener effect adalah jika diode dikotori dengan tingkat pengotor

sangat tinggi maka lapisan deplesi akan menjadi sempit. Oleh karena itu medan listrik

diantara lapisan deplesi sangat kuat. Seumpamanya jika kuat medan mencapai 300KV

per sentimeter, medan listrik ini cukup kuat untuk menaik elektron keluar dari orbit

valensinya. Terciptanya elektron bebas ini disebut sebagai emisi medan magnet.

h. Kurva karakteristik dioda zener secara lengkap ?

Gambar kurva karakteristik diode zener secara lengkap yaitu forward bias dan

reverse bias adalah

Gambar 3.3 Gambar Kurva Karakteristik Dioda Zener

Dari kurva diatas disimpulkan karakteristik diode zener untuk forward sama

dengan penyearah (rectifier) dan mulai aktif setelah tegangan 0,7 volt. Di daerah reverse

mulai aktif, bila tegangan diode negative sama dengan tegangan diode zener yaitu 5,6 v.