7 DODE SAMBUNGAN P-N 7.1 Semiknduktr Pada bagian sebelumnya kita telah mempelajari karakteristik bahan semiknduktr beserta kemampuannya untuk menghantarkan listrik. Berdasarkan tingkat kemurnian atm penyusunnya, terdapat dua kelmpk semiknduktr yaitu intrinsik dan ekstrinsik. Untuk kelmpk ekstrinsik terdapat dua jenis/tipe semiknduktr yaitu semiknduktr tipe-p dan semiknduktr tipe-n. Bahan semiknduktr yang banyak dipelajari dan secara luas telah dipakai adalah bahan silikn (Si). Semiknduktr tipe-n dibuat dari bahan silikn murni dengan menambahkan sedikit pengtr berupa unsur valensi lima. Empat elektrn terluar dari dnr ini berikatan kvalen dan menyisakan satu elektrn lainnya yang dapat meninggalkan atm induknya sebagai elektrn bebas. Dengan demikian pembawa muatan mayritas pada bahan ini adalah elektrn. Hal yang sama, semiknduktr tipe-p dibuat dengan mengtri silikn murni dengan atm valensi tiga, sehingga meninggalkan kemungkinan untuk menarik elektrn. Pengtr sebagai aseptr menghasilkan prses knduksi dengan lubang (hle) sebagai pembawa muatan mayritas. 7.2 Dide Misalkan kita memiliki septng silikn tipe-p dan septng silikn tipe-n dan secara sempurna terhubung membentuk sambungan p-n seperti diperlihatkan pada gambar 7.1. Sesaat setelah terjadi penyambungan, pada daerah sambungan semiknduktr terjadi perubahan. Pada daerah tipe-n (gambar 7.1, sebelah kanan) memiliki sejumlah elektrn yang akan dengan mudah terlepas dari atm induknya. Pada bagian kiri (tipep), atm aseptr menarik elektrn (atau menghasilkan lubang). Kedua pembawa muatan mayritas tersebut memiliki cukup energi untuk mencapai material pada sisi Dide Sambungan p-n 63
l l L L L L ( l l ( ( ( ( L l l C C œ œ œ C C œ œ œ lain sambungan. Pada hal ini terjadi difusi elektrn dari tipe-n ke tipe-p dan difusi lubang dari tipe-p ke tipe-n. Prses difusi ini tidak berlangsung selamanya karena elektrn yang sudah berada di tempatnya akan menlak elektrn yang datang kemudian. Prses difusi berakhir saat tidak ada lagi elektrn yang memiliki cukup energi untuk mengalir. ) * +, -. / *. 0 1 2 3 4 5 6 7 3 5 6 8 9 : 8 D A B E A B A @! < = < >? @ A B " # $ % & ' ( ; ; ; ; ; ; Gambar 7.1 Sambungan semiknduktr tipe-p dan tipe-n m n p q r s t n u v w x y z { } ~ š ˆ Š Œ Ž ƒ ƒ g h i j k S T U V W X Y Z [ \ W X ] ^ _ ` _ a b c d _ e _ f M N O P Q R ε F G H J K ž Ÿ Gambar 7.2 Mekanisme aliran muatan pada daerah sambungan Kita harus memperhitungkan prses selanjutnya dimana elektrn dapat menyeberang sambungan. Daerah yang sangat tipis dekat sambungan disebut daerah deplesi (depletin regin) atau daerah transisi. Daerah ini dapat membangkitkan pembawa muatan minritas saat terdapat cukup energi termal untuk membangkitkan 64 ELEKTRONKA DASAR
ª Ì Ì Ì pasangan lubang-elektrn. Salah satu dari pembawa muatan minritas ini, misalnya elektrn pada tipe-p, akan mengalami pengaruh dari prses penlakan elektrn difusi dari tipe-n. Dengan kata lain elektrn minritas ini akan ikut tertarik ke semiknduktr tipe-n. Gerakan pembawa muatan akibat pembangkitan termal ini lebih dikenal sebagai drift. Situasi akan stabil saat arus difusi sama dengan arus drift. Pada daerah sambungan/daerah diplesi yang sangat tipis terjadi pengsngan pembawa muatan mayritas akibat terjadinya difusi ke sisi yang lain. Hilangnya pembawa muatan mayritas di daerah ini meninggalkan lapisan muatan psitip di daerah tipe-n dan lapisan muatan negatif di daerah tipe-p. Lapisan muatan pada daerah diplesi ini dapat dibandingkan dengan kapasitr keping sejajar yang termuati. Karena terjadi penumpukan muatan yang berlawanan pada masing-masing keping, maka terjadi perbedaan ptensial yang disebut sebagai ptensial kntak atau ptensial penghalang V (lihat gambar 7.3). Keadaan ini disebut dide dalam keadaan rangkaian terbuka. Ó Ô Õ Ö Ô Í Ê É Î Ê Ï È Ç È É Ê Ë É Ç È É Ê Ë Ò «± ¼ ½ ¾ À Á Â Ã Ä Å Â Æ ρ ε ² ³ µ ¹ º» Ð Ñ Gambar 7.3 Dide p-n dalam keadaan hubung-terbuka Dalam keadaan rangkaian terbuka seperti diperlihaatkan pada gambar 7.3, hanya pada daerah deplesi yang terjadi penumpukan muatan pada masing-masing sisi; daerah lainnya dalam keadaan netral. Penumpukan muatan pada daerah deplesi mengakibatkan terjadinya medan listrik ε dalam arah x. Kita dapat menggunakan v = ε dx untuk Dide Sambungan p-n 65
Û Ü û ý mendapatkan distribusi ptensial pada daerah deplesi dengan mengambil integral medan listrik. Ptensial kntak/ptensial penghalang V yang terjadi akan menahan terjadinya difusi pembawa muataan mayritas dan memberi kesempataan terjadinya arus drift melalui sambungan seperti telah dijelaskan di atas. Ý Þ ð ñ ò ó ô ò â ã ä å æ ç è ã é ê ë ì í î ï þ õ ö ø ù ñ ð ö ú þ ÿ þ ü û Ø Ù Ú ß à á Gambar 7.4 Dide p-n berpanjar maju (frward bias): a) Rangkaian dasar dan b) Ptensial penghalang mengalami penurunan. 7.3 Panjar Maju (Frward Bias) Besarnya kmpnen arus difusi sangat sensitif terhadap besarnya ptensial penghalang V. Pembawa muatan mayritas yang memiliki energi lebih besar dari melewati ptensial penghalang. berkurangnya ketinggian ptensial penghalang menjadi ev dapat Jika keseimbangan ptensial terganggu leh V V, prbabilitas pembawa muatan mayritas mempunyai cukup energi untuk melewati sambungan akan meningkat dengan drastis. Sebagai akibat turunnya ptensial penghalang, terjadi aliran arus lubang dari material tipe-p ke tipe-n, demikian sebaliknya untuk elektrn. Dengan kata lain menurunnya ptensial penghalang memberi kesempatan pada pembawa muatan untuk mengalir dari daerah mayritas ke daerah minritas. Jika ptensial penghalang diturunkan dengan pemasangan panjar maju eksternal V seperti diperlihatkan pada gambar 7.4, arus f akan mengalir. 66 ELEKTRONKA DASAR
& 7.4 Panjar Mundur (Reverse Bias) Jika ptensial penghalang dinaikkan menjadi V + V dengan memasang panjar mundur sebesar V (lihat gambar 7.5), maka prbabilitas pembawa muatan mayritas memiliki cukup energi untuk melewati ptensial penghalang akan turun secara drastis. Jumlah pembawa muatan mayritas yang melewati sambungan praktis turun ke nl dengan memasang panjar mundur sebesar sekitar sepersepuluh vlt.! " # $ % / 0 1 2 3 4 5 0 4. 6 0 / 7 8 ' ( ) * +, -,. Gambar 7.5 Dide p-n berpanjar mundur (reverse bias) a) Rangkaian dasar dan b) Ptensial penghalang meninggi. Pada kndisi panjar mundur, terjadi aliran arus mundur ( r ) yang sangat kecil dari pembawa muatan minritas. Pembawa muatan minritas hasil generasi termal di dekat sambungan akan mengalami drift searah medan listrik. Arus mundur akan mencapai harga jenuh - pada harga panjar mundur yang rendah. Harga arus mundur dalam keadaan nrmal cukup rendah dan diukur dalam µa (untuk germanium) dan na (untuk silikn). Secara ideal, arus mundur seharusnya berharga nl, sehingga harga - yang sangat rendah pada silikn merupakan faktr keunggulan silikn dibandingkan germanium. Besarnya berbanding lurus dengan laju generasi termal perubahan temperatur. 2 g = rn i dimana harganya berubah secara ekspnensial terhadap Dide Sambungan p-n 67
7.5 Karakteristik Umum Dide Saat dide berpanjar maju, prbabilitas pembawa muatan mayritas yang mempunyai cukup energi untuk melewati ptensial penghalang V V akan tergantung pada faktr: -q(v - V)/ η kt e 9 : ; < : = >? @ = > A B C D @? E F G H J G J K F L M N J G G O P Q R S T O U V W X Y Z [ \ [ ] ^ _ ^ ` \ a b ] Jadi arus difusi yang mengalir adalah sebesar V / ηvt = Ae ( V = T kt / q) (7.1) dimana V T = 25 mv pada temperatur ruang, η =1 untuk gemanium dan berharga 2 untuk silikn. Jadi arus ttal yang mengalir adalah sebesar = + Ae V /ηv T (7.2) atau karena = 0 untuk V = 0 diperleh V / ηv ( 1) T = e (7.3) Persamaan 7.3 merupakan karakteristik -V umum dide. Jika V berharga psitif dan bernilai sebesar sekitar sepersepuluh vlt maka persamaan 7.3 menjadi e V / η V T (7.4) dan juga 1 ln = ( V ) + ln (7.5) η V T yaitu akan berupa garis lurus jika diplt pada kertas grafik lg-linier (semilgaritmik). 68 ELEKTRONKA DASAR
Sebagai gambaran karakteristik seperti dalam persamaan 7.5, diukur dua jenis dide tipe 1N914 dan 1N5061. Hasil plt karakteristik -V kedua dide seperti terlihat pada gambar 7.6. Untuk dide 1N914 (dide isyarat-kecil) terlihat mempunyai kecckan yang sangat baik dengan persamaan 7.5, kecuali pada arus yang relatif tinggi dimana hambatan dide memberikan penurunan sebesar R dengan adanya kenaikan V. Untuk dide 1N5061 (dide daya 1 amp) juga mempunyai kecckan yang sangat baik dengan persamaan 7.5, kecuali pada arus yang relatif rendah. Perhatikan bagaimana hanya berharga pada rde na untuk dide silikn di atas. Gambar 7.6 Karakteristik -V dide tipe 1N914 dan 1N5061 pada skala semilgaritmik Gambar 7.7 Karakteristik -V dide dalam skala linier Dide Sambungan p-n 69
Gambar 7.7 memperlihatkan plt karakteristik -V dide dalam skala linier dengan skala 10mA (A), 1 ma (B), 0,1 ma (C) dan 10µA (D). Terlihat bahwa tegangan cut-in bergeser ke kiri dan juga keseluruhan kurva bergeser ke kiri. ni dapat diharapkan terjadi jika 1 = e V1 / ηv T (7.6) dan 2 = e V2 / ηv T (7.7) maka 1 / 2 ( V1 V2 )/ηvt = e (7.8) Persamaan 7.8 memperlihatkan bahwa diperlukan perubahan tegangan yang sama untuk menaikkan arus dide n kali. Besarnya tergantung pada pembawa muatan hasil generasi termal jadi sangat tergantung pada temperatur. Untuk silikn akan naik menjadi dua kali lipat setiap ada kenaikan temperatur 10 C. Cnth 1 Sebuah dide silikn memiliki karakteristik arus sebesar 1 ma pada tegangan 581 mv pada kedua ujungnya. Perkirakan berapa besarnya tegangan yang diperlukan dide agar memiliki arus sebesar i) 15 ma ii) 1 µa iii) 1 na dan iv) 1 A Jawab exp( V / η ) Untuk arus >> V T karena untuk dide silikn η 2 maka diperleh 1 10 3 exp ( 581/ 50) 70 ELEKTRONKA DASAR
atau 8,98 10 9 A 3 9 i) 15 10 8,98 10 exp ( V / 0,05) V 0,716 vlt Untuk memeriksa hasil tersebut; terlihat V naik sebesar 135 mv 2,5 ηvt, sehingga arus seharusnyaa naik sebesar 2,5 ~ e kali 12 kali. 6 9 ii) 10 8,98 10 exp( V / 0,05) V 0,236 vlt iii) Di sini berharga lebih rendah dari, sehingga kita harus menggunakan persamaan karakteristik dide secara utuh 10 9 = 8,98 10 9 ( exp ( V / 0,05) 1) V = 5,3 mv Hasil ini perlu kita curigai karena pada arus yang begitu rendah mungkin η akan mendekati satu. iv) Kita dapat menggunakan pendekatan 1 = 8,98 10 9 exp ( V / 0,05) V = 0,926 vlt Hasil ini juga perlu kita curigai karena pada arus yang begitu besar mungkin dide akan menjadi sangat panas sehingga akan mengubah harga dan V T secara signifikan. Juga hambatan pada daerah tipe-p dan tipe-n akan memberikan kntribusi terhadap penurunan R. Cnth 2 Misalkan dide silikn pada cnth 1 digunakan sebagai dide pelindung pada suatu meter dasar 50 c d dengan hambatan dalam sebesar 2500 Ω seperti terlihat pada gambar 7.8). Perkirakan seberapa sukses usaha tersebut. Dide Sambungan p-n 71
k l i j e f g h e f f µ Ω Gambar 7.8 Dide digunakan sebagai pelindung Jawab Kita harus memeriksa apakah dide tidak mengambil arus terlalu besar saat meter melewatkan 50 µa. Tegangan pada meter sebesar 50 µa 2500 Ω = 125 mv Arus yang melalui dide yaitu panjar maju sebesar ( exp( V / ηv ) 1) = T 9 = 8,98 10 ( exp( 125 / 50) 1) = 100 na sedangkan arus mundur dide sebesar. Dengan demikian arus ttal sebesar 109 na = 0,109 µa. ni merupakan harga yang sangat kecil dibandingkan dengan harga arus meter (yaitu 1: 500), sehingga dide tidak mengganggu akurasi meter. Jika arus sebesar 1 ampere melewati rangkaian pada gambar 7.8, kita telah melihat pada cnth 1 bahwa tegangan dide akan berharga sebesar 1 V. Harga ini sebesar 8 kali sensitivitas tegangan meter skala penuh. 7.6 Efek Zener dan Avalanche Di samping terjadinya perubahan ketinggian ptensial penghalang pada dide akibat diberi panjar maju atau mundur, maka juga terjadi perubahan lebar daerah deplesi atau daerah transisi. Pada tegangan panjar maju, ketinggian ptensial penghalang akan menurun dan daerah deplesi akan menipis. Sebaliknya saat diberi panjar mundur daerah deplesi akan melebar. Jika panjar mundur dinaikkan terus, maka pada suatu harga tegangan tertentu terjadi kenaikan arus mundur secara tiba-tiba (lihat gambar 7.9). Keadaan ini terjadi akibat adanya efek Zener atau efek avalanche. Pada patahan Zener (Zener breakdwn), 72 ELEKTRONKA DASAR
~ y medan listrik pada sambungan akan menjadi cukup besar untuk menarik elektrn dari ikatan kvalen secara langsung. Dengan demikian akan terjadi peningkatan jumlah pasangan lubang-elektrn secara tiba-tiba dan menghasilkan kenaikan arus mundur secara tiba-tiba pula. Efek avalanche terjadi pada tegangan di atas tegangan patahan Zener. Pada tegangan tinggi ini, pembawa muatan memiliki cukup energi untuk memisahkan elektrn dari ikatan kvalen. u v w x z { } ƒ ˆ V / ηv ( 1) = T e m n p n q r s t s q m n p n q r n p s Gambar 7.9 Karakteristik -V dide p-n Pada daerah patahan, arus mundur berharga sangat besar dan hampir tidak tergantung pada besarnya tegangan. Penurunan tegangan panjar mundur di bawah V b akan menurunkan arus ke harga. Dengan mengntrl kerapatan dping, kita dapat mendesain dide Zener agar memiliki tegangan patahan pada harga dari beberapa vlt sampai beberapa ratus vlt. Kndisi penting yang dapat dimanfaatkan adalah bagaimana dide ini dapat memberikan tegangan yang relatif knstan saat arus berubahubah. 7.7 Mdel Rangkaian Mdel listrik suatu piranti sering disebut mdel rangkaian yang tersusun atas rangkaian ideal. Kita dapat membuat mdel ideal dari karakteristik nyata dide (lihat gambar 7.10 dan 7.11) dan menggunakannya untuk memprediksi karakteristiknya untuk aplikasi praktis. Dide Sambungan p-n 73
³ Å Ã Ä Æ Ä ³ Å ½ ¾ À Á ¾  ¾ ¹ º» º ¼ Gambar 7.10 Karakteristik nyata dide µ Š š œ ž Ÿ ž Œ Ž ª «± ² Gambar 7.11 Mdel ideal dide Karakteristik penting dide adalah perbedaan yang ekstrem antara panjar maju dan panjar mundur. Dide yang ideal memperlihatkan tidak adanya hambatan aliran arus saat panjar maju dan terdapat hambatan yang besarnya tak terhingga pada panjar mundur. Pada saat panjar mundur, dapat digambarkan seperti saklar yang sedang terbuka (gambar 7.11-b) dan pada saat panjar mundur seperti saklar yang tertutup. Saklar tersebut diilustrasikan seperti pada gambar 7.11-c, dengan segitiga menggambarkan arah arus maju. 74 ELEKTRONKA DASAR
é æ æ Ç ó È ê ë ì í ç è î ï ð ñ ò ô õ Ó Ô Õ Ö Ø Ù Ú Û Ü Ý Þ ß à á Ù ß Û â ã ä å á É Ê Ë Ì Í Î Ï Ð Ñ Ò Ñ Ò Gambar 7.12 Dide semiknduktr Pada dide semiknduktr, hanya diperlukan tegangan maju sebesar 0,3 V (untuk germanium) atau 0,7 V (untuk silikn) untuk mengalirkan arus. Kmbinasi sebuah dide ideal dan sebuah sumber tegangan (lihar gambar 7.12-b) biasa digunakan untuk menggambarkan kinerja sebuah dide. Jika arus jenuh pada dide berharga cukup besar, maka keadaan ini harus diperhitungkan pada mdel. Salah satu cara untuk menggambarkan keadaan tersebut dapat dibuat mdel dengan menambarkan satu sumber arus dengan besar seperti diperlihatkan pada gambar 7.12-c. Kurva karakteristik -V untuk dide Zener dapat dibuat dengan bentuk linier seperti diperlihatkan pada gambar 7.13. Pada saat panjar maju, arus mengalir dengan bebas, hambatan maju sangat kecil dan dapat diabaikan. Pada tegangan panjar mundur lebih besar dari tegangan patah, besarnya hambatan dapat diperkirakan dengan melihat kurva pada gambar 7.13-b sebesar R Z v = i 12 10 = = 200 0,01 0 Pada mdel rangkaian dide terdapat sumber tegangan untuk menggambarkan bahwa arus mundur tidak akan mengalir sampai tegangan negatif pada kaki dide melebihi 10V. Dide Sambungan p-n 75
K J S R / > S : +, -.! " # $ % & ) & * & ' 8 9 6 7 7 1 2 3 4 5 0 ; < = & ( ö ø ù ú û ü ý þ ÿ þ ÿ Gambar 7.13 Representasi mdel dide Zener. G H? @ A B C B D E F D L M N O P Q L R Gambar 7.14 Karakteristik dide terwngan 7.8 Dide Terwngan (Tunnel Dide) Jika knsentrasi dping dinaikkan, maka lebar daerah deplesi akan menipis dan karenanya tinggi ptensial penghalang akan menurun. Jika knsentrasi dping dinaikkan lagi sehingga ketebalan darah deplesi menjadi lebih rendah dari 10 nm, maka terjadi mekanisme knduksi listrik baru dan menghasilkan karakteristik piranti elektrnika yang unik. Seperti telah dijelaskan leh Le Esaki pada tahun 1958, bahwa untuk ptensial penghalang yang sangat tipis menurut teri kuantum mekanik, elektrn dapat menerbs melewati ptensial pengahalang (melalui terwngan) tanpa harus memiliki 76 ELEKTRONKA DASAR
cukup energi untuk mendaki ptensial tersebut. Karakteristik -V dari Dide Esaki diperlihatkan pada gambar 7.14. Terlihat bagaimana arus terwngan memberi kntribusi terhadap arus yang mengalir terutama pada tegangan maju relatif rendah. Arus terwngan akan naik dengan adanya kenaikan tegangan sampai efek dari arus maju mulai memberi kntribusi. Setelah puncak arus p dicapai, arus terwngan menurun dengan adanya kenaikan tegangan arus injeksi mulai mendminasi. Arus puncak p dan arus lembah V merupakan titik perasi yang stabil. Karena efek terwngan merupakan penmena gelmbang, transfer elektrn terjadi dengan kecepatan cahaya dan pergantian antara p dan V terjadi dengan cepat sehingga cck untuk aplikasi kmputer. Lebih jauh antara p dan V terdapat daerah dimana hambatan r = dv / d berharga negatif yang dapat digunakan untuk silatr dengan frekuensi sangat tinggi. Dide Sambungan p-n 77