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 ruang akan bersifat sebagai 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 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 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 lain-

lain. 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 muatan-

muatan 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 metal-

oksida. 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)