KARAKTERISTIK DIODA
Muhammad Rizal Fahlepy*), Risna Zulwiyati
Laboratorium Elektronika dan Instrumentasi
LATAR BELAKANG
Semikonduktor adalah bahan dasar untuk komponen aktif dalam alat elektronika, misalnya untuk membuat dioda. Dewasa ini, bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan adalah kristal silikon. Dahulu orang juga menggunkan unsur germanium. Terdapat dua macam semikonduktor yakni semikonduktor intrinsik (murni) dan semikonduktor ekstrinsik. Semikonduktor intrinsik yaitu terdiri dari unsur silikon saja atau gemanium saja. Sedangkan semikonduktor ekstrinsik merupakan bahan untuk membuat dioda dan transistor dengan campuran antara bahan semikonduktor Intrinsik dengan unsur golongan V dan III.
Hampir semua peralatan elektronika memerlukan sumber arus searah. Penyearah digunakan untuk mendapatkan arus searah dari suatu arus bolak-balik. Untuk itu dibuatkanlah salah salah satu bahan semikonduktor yang dinamakan dioda. Sebuah diode adalah komponen semikonduktor berfungsi mengarahkan arus dalam satu arah, tetapi menghambat dari arah yang berlawanan tergantung pada polaritas dari tegangan diberikan untuk itu diode bisa bersifat seperti saklar. Dioda digunakan terutama untuk rectificaion, proses konversi AC ke DC.
Dioda adalah komponen aktif yang memiliki dua kutub dan bersifat semikonduktor. Dioda juga bisa dialiri arus listrik ke satu arah dan menghambat arus dari arah sebaliknya. Dioda sebenarnya tidak memiliki karakter yang sempurna, melainkan memiliki karakter yang berhubungan dengan arus dan tegangan kompleks yang tidak linier dan seringkali tergantung pada teknologi yang digunakan serta parameter penggunaannya.
Awal mulanya dioda adalah sebuah piranti kristal Cat’s Wahisker dan tabung hampa. Sedangkan pada saat ini, dioda sudah banyak dibuat dari bahan semikonduktor, contohnya silikon dan germanium. Dikarenakan pengembangannya yang dilakukan secara terpisah, dioda kristal (semikonduktor) lebih populer di bandingkan dengan dioda termionik. Dioda termionik pertama kali ditemukan oleh Frederick Guthrie pada tahun 1873, sedangkan dioda kristal ditemukan pada tahun 1874 oleh peneliti asal Jerman, Karl Ferdinand Braun.
Dioda memegang peranan penting dalam elektronika, di antaranya adalah untuk menghasilkan tegangan searah dari tegangan bolak-balik, untuk membuat berbagai gelombang isyarat, untuk mengatur tegangan searah, untuk mengatur tegangan searah agar tidak berubah dengan beban maupun dengan perubahan tegangan jala-jala (PLN), untuk saklar elektronik, LED, laser semikonduktor, mengesan gelombang mikro dan lain-lain.
RUMUSAN MASALAH
- Bagaimana hasil penggambaran dan penginterpretasian kurva karakteristik arus-tegangan (I-V) pada dioda penyearah dan dioda zener ?
- Bagaimana cara menentukan garis beban dan titik kerja berdasarkan kurva I-V dioda penyearah dan dioda zener ?
- Bagaimana cara mencari tegangan dioda zener dan dioda penyearah berdasarkan plot grafik I-V?
TUJUAN PRAKTIKUM
- Dapat menggambarkan dan menginterpretasi kurva karakteristik arus-tegangan (I-V) dari dioda penyearah dan dioda zener,
- Dapat menentukan garis beban dan titik kerja berdasarkan kurva I-V dioda penyearah,
- Dapat menentukan tegangan zener berdasarkan kurva I-V dioda zener.
KAJIAN TEORI
Dalam berbagai rangkaian elektronika pada komponen semikonduktor dioda sering kita jumpai jenis dan type yang berbeda beda tergantung dari model dan tujuan penggunaan rangkaian tersebut dibuat Dioda adalah suatu komponen elektronika yang dapat melewatkan arus pada satu arah saja. Ada berbagai macam dioda yaitu dioda tabung, dioda sambungan p-n, dioda kontak titik (point-contact diode) dan sebagainya. Dioda memegang peranan amatpenting dalam elektronika, diantaranya adalah untuk menghasilkan tegangan searah dari tegangan bolak-balik, untuk mengesan gelombang radio, untuk membuat berbagai bentuk gelombang isyarat, untuk mengatur tegangan searah agar tidak berubah dengan beban maupun dengan perubahan tegangan jala-jala (PLN), untuk saklar elektronik, LED, laser semikonduktor, mengesan gelombang mikro dan sebagainya.
Dioda merupakan perangkat semikonduktor sambungan P – N paling sederhana yang memiliki sifat mengalirkan arus hanya dalam satu arah. Penipisan dan penebalan lapisan deplesi antar persambungan menjadi kunci dari sifat dioda sambungan P – N. Berbeda dengan sebuah resistor, sebuah dioda tidak berperilaku linier terhadap tegangan yang diberikan melainkan dioda menghasilkan karakteristik I – V yang eksponensial.
Notasi atau simbol dioda sambungan P – N ditunjukkan pada gambar berikut.
Di daerah sambungan P-N dioda akan terjadi difusi (gerakan zat karena perbedaan konsentrasi) elektron dari kanan ke kiri, dan hole dari kiri ke kanan. Oleh karena hole yang menyeberang ke kanan meninggakan ion negatif dan elektron yang menyeberang ke kiri meninggalkan ion positif, maka di daerah sambungan terjadilah dua lapisan ion, lapisan ion positif di sebelah kanan dan lapisan ion di sebelah kiri. Jumlah dari masing-masing ion adalah sama. Daerah sambungan, karena tidak berisi pembawa muatan, dinamakan lapisan atau daerah kosong atau daerah transisi (deplesion region, transitionregion).
Karakteristik dasar dioda dikenal dengan karakteristik V-I. Karakterisik ini penting untuk dipahami agar tidak terjadi kesalahan dalam aplikasi dioda. Dalam karakteristik ini dapat diketahui keadaan-keadaan yang terjadi pada dioda ketika mendapat tegangan bias maju dan tegangan bias mundur.
Terdapat dua daerah operasi dioda sambungan P – N dan ada tiga kondisi bias yang dapat diberikan:
1. Zero Bias – kondisi di mana tidak ada potensial eksternal yang diberikan kepada kedua ujung dioda menghasilkan keseimbangan jumlah pembawa mayoritas, elektron dan hole, dan keduanya bergerak dalam arah yang berlawanan. Kondisi keseimbangan ini dikenal sebagai keseimbangan dinamis (dynamic – equilibrium).
2. Reverse Bias – kondisi di mana kutub positif sumber potensial eksternal dihubungkan ke sisi N dioda dan kutub negatif sumer potensial eksternal dihubungkan ke sisi P dioda.
Gambar 2. Kondisi reverse bias dioda
Kondisi ini menghasilkan suatu nilai resistansi yang tinggi antar persambungan dan praktis tidak menghasilkan aliran pembawa muatan mayoritas dengan meningkatnya potensial sumber. Namun, sejumlah arus kebocoran yang sangat kecil akan melewati persambungan yang dapat diukur dalam orde mikroampere (mA).
3. Forward Bias – Kondisi di mana kutub positif sumber potensial eksternal dihubungkan ke sisi P dioda dan kutub negatif sumer potensial eksternal dihubungkan ke sisi N dioda.
Kondisi ini menghasilkan suatu nilai resistansi persambungan P – N yang sangat rendah sehingga memungkinkan arus yang sangat besar mengalir walaupun hanya dengan potensial sumber yang relatif kecil. Perbedaan potensial aktual yang timbul pada kedua ujung persambungan dioda akan bernilai tetap akibat aksi dari lapisan deplesi yang bernilai sekitar 0,3 V untuk germanium dan 0,7 V untuk silikon.
Gambar 3. Kondisi forward bias dioda
Telah dibahas sebelumnya bahwa dioda menahan arus dalam kondisi reverse bias dan akan menghasilkan kerusakan (breakdown) bila tegangan balik yang diberikan terlalu besar. Berbeda halnya dengan dioda zener atau biasa disebut dioda breakdown, pada dasarnya sama dengan dioda sambungan P – N standar kecuali dirancang secara khusus menghasilkan tegangan balik atau breakdown yang lebih rendah dan relatif konstan sehingga sangat baik digunakan dalam arah reverse bias sebagai regulator tegangan. Titik di mana dioda zener mengalami breakdown atau konduksi disebut tegangan zener ”VZ”.
METODE PERCOBAAN
Alat dan Bahan
1. Power Supply 20 Vdc 1 buah2. Multimeter digital 3 buah
3. Potensiometer B10K 1 buah
4. Resistor batu 25Ω 1 buah
5. Dioda penyearah IN5399NB 1 buah
6. Dioda zener 1 buah
7. Kabel penghubung 10 buah
Identifikasi Variabel
Kegiatan 1a. Variabel Manipulasi: Tegangan dioda VD (volt)
b. Variabel Kontrol: Resistansi resistor R (Ω) dan tegangan sumber Vs (volt)
c. Variabel Respon: Arus I (mA)
Kegiatan 2
a. Variabel Manipulasi: Tegangan dioda VD (volt).
b. Variabel Kontrol: Resistansi resistor R (Ω) dan tegangan sumber Vs (volt)
c. Variabel Respon: Arus I (mA dan µA).
Definisi Operasional Variabel
- Tegangan dioda ( ) adalah besar tegangan yang diberikan pada dioda dan terbaca pada voltmeter, dinyatakan dalam satuan V (volt). Nilai tegangan ini akan berubah apabila potensiometer diubah (diputar).
- Tegangan sumber (Vs) adalah besar nilai tegangan power supply yaitu 2 V untuk kondisi forward bias. Kemudian untuk reverse bias untuk dioda zener 15 V dan dioda penyearah 10 V.
- Resistansi resistor (R) adalah besar nilai hambatan pada resistor dengan satuan Ω (ohm). Nilai R yang digunakan ini konstan yakni 25 Ω.
- Arus (I) adalah besar nilai arus yang ditunjukkan pada multimeter, dinyatakan dalam satuan mA dan µA.
Prosedur Kerja
Kondisi Forward Bias
Membuat rangkaian percobaan seperti pada gambar berikut.
Setelah itu, mengukur tegangan sumber sebesar 2 V untuk kondisi forward bias. Kemudian mengatur potensiometer VR pada posisi minimum dan mengamati penunjukan kedua alat ukur. Lalu menaikkan tegangan bias dengan mengatur potensiometer hingga voltmeter menunjukkan nilai 0,05 V (atau bergantung pada sensitivitas alat ukur), mencatat penunjukan kedua alat ukur pada tabel pengamatan. Kemudian memutar lagi potensiometer untuk tiap kenaikan tegangan bias 0,05 V hingga maksimum.
Kondisi Reverse Bias
Mengukur tegangan sumber sebesar 10 V untuk dioda penyearah dan 15 V untuk dioda zener. Menaikkan tegangan bias dengan mengatur potensiometer hingga voltmeter menunjukkan nilai 0,5 V (atau bergantung pada sensitivitas alat ukur), mencatat penunjukan kedua alat ukur pada tabel pengamatan. Kemudian memutar lagi potensiometer untuk tiap kenaikan tegangan bias 0,5 V hingga maksimum. Setelah itu, Mencatat setiap hasil pengamatan anda dengan cermat dalam tabel pengamatan.
HASIL PENGAMATAN DAN ANALISIS DATA
Hasil Pengamatan
Forward Bias
Vs = 2 volt
Dioda penyearah = 499 H
Potensiometer = 10 kW
R = 100 W
Table 1. Hubungan antara tegangan dioda dengan arus dioda
Reverse Bias
Vs untuk dioda penyearah = 2 volt
Vs untuk dioda zener = 12 volt
Dioda penyearah = 394 H
Potensiometer = 10 kW
R = 100 W
Analisis Grafik
Hasil plot grafik percobaan karakteristik dioda1) Kegiatan 1: Forward Bias
Dioda Penyearah
Grafik 1. Hubungan antara Arus Dioda Penyearah dan Tegangan Dioda Penyearah pada Forward Bias.
Dioda Zener
Grafik 2. Hubungan antara Arus Dioda Zener dan Tegangan Dioda Zener pada Forward Bias.
Dioda Penyearah
Grafik 3. Hubungan antara Arus Dioda Penyearah dan Tegangan Dioda Penyearah pada Reverse Bias.
Dioda Zener
Grafik 4. Hubungan antara Arus Dioda Zener dan Tegangan Dioda Zener pada Reverse Bias.
Pembahasan Analisis Grafik
1) Forward bias
Dioda Penyearah
Diketahui:
VD = Vs = 2 Volt
ID maks = 47,00 mA
Untuk mencari titik kerja pada pada dioda penyearah, maka perlu ditentukan garis beban terlebih dahulu. Garis beban tersebut direpresentasikan dari sumbu X yaitu VD = VS sebesar 2 volt ke sumbu Y yaitu pada arus maksimal dioda ID = 47 mA. Pada perpotongan antara garis beban dengan kurva karakteristik forward bias dioda kemudian dibuatkan garis vertikal yang merupakan proyeksi dari VD terhadap perpotongan kurva dan garis horizontal yang merupakan proyeksi dari ID terhadap perpotongan kurva dengan garis beban. Titik perpotongan tersebut yang telah diproyeksikan merupakan titik kerja dioda dengan nilai 0,72Volt & 30,00 mA.
Dioda Zener
Diketahui:
Vd = Vs = 2 Volt
Id maks = 19,97 mA
Untuk mencari titik kerja pada pada dioda penyearah, maka perlu ditentukan garis beban terlebih dahulu. Garis beban tersebut direpresentasikan dari sumbu X yaitu VD = VS sebesar 2 volt ke sumbu Y yaitu pada arus maksimal dioda ID = 19,97 mA. Pada perpotongan antara garis beban dengan kurva karakteristik forward bias dioda kemudian dibuatkan garis vertikal yang merupakan proyeksi dari VD terhadap perpotongan kurva dan garis horizontal yang merupakan proyeksi dari ID terhadap perpotongan kurva dengan garis beban. Titik perpotongan tersebut yang telah diproyeksikan merupakan titik kerja dioda dengan nilai 0,78 Volt & 12,17 mA.
2) Reverse Bias
Dioda Penyearah
Diketahui:
Vd = Vs = -10 Volt
Id maks = -1,10 µA
Untuk mencari titik kerja pada pada dioda penyearah, maka perlu ditentukan garis beban terlebih dahulu. Garis beban tersebut direpresentasikan dari sumbu -X yaitu VD = VS sebesar -10 volt ke sumbu -Y yaitu pada arus maksimal dioda ID = -1,10 µA mA. Pada perpotongan antara garis beban dengan kurva karakteristik forward bias dioda kemudian dibuatkan garis vertikal yang merupakan proyeksi dari VD terhadap perpotongan kurva dan garis horizontal yang merupakan proyeksi dari ID terhadap perpotongan kurva dengan garis beban. Titik perpotongan tersebut yang telah diproyeksikan merupakan titik kerja dioda dengan nilai -5,18 Volt & -0,52 mA.
Dioda Zener
Diketahui:
Vd = Vs = 12 Volt
Id maks = -1,30 µA
Untuk mencari titik kerja pada pada dioda penyearah, maka perlu ditentukan garis beban terlebih dahulu. Garis beban tersebut direpresentasikan dari sumbu -X yaitu VD = VS sebesar -12 volt ke sumbu -Y yaitu pada arus maksimal dioda ID = -1,30 µA mA. Pada perpotongan antara garis beban dengan kurva karakteristik forward bias dioda kemudian dibuatkan garis vertikal yang merupakan proyeksi dari VD terhadap perpotongan kurva dan garis horizontal yang merupakan proyeksi dari ID terhadap perpotongan kurva dengan garis beban. Titik perpotongan tersebut yang telah diproyeksikan merupakan titik kerja dioda dengan nilai -6,5 Volt & -0,6 mA.
PEMBAHASAN
Dioda merupakan komponen elektronika yang terbuat dari bahan semikonduktor. Unsur yang sering digunakan untuk membuat dioda adalah gemanium dan silikon. Dimana masing-masing tegangan bias sebesar 0,7 volt untuk silikon dan 0,3 volt untuk germanium.
Kegiatan praktikum kali ini, mengenai Karakteristik Dioda, dimana diketahui dioda adalah perangkat semikonduktor sambungan P-N paling sederhana yang memiliki sifat mengalirkan arus hanya dalam satu arah. Berbeda dengan sebuah resistor, sebuah dioda tidak berperilaku linear terhadap tegangan yang diberikan melainkan dioda menghasilkan karakteristik I-V yang eksponensial.
Pada praktikum ini, terdapat dua kegiatan, yang dimana kegiatan pertama yaitu menganalisis kondisi forward bias sedangkan pada kegiatan kedua yaitu menganalisis kondisi reverse bias. Pada kondisi forward bias (Bias Maju), kutub positif sumber potensial eksternal dihubungkan ke sisi P dioda dan kutub negatif sumber potensial eksternal dihubungkan ke sisi N dioda. Sedangkan Kondisi Reverse Bias (Bias Mundur), kutub positif sumber potensial eksternal dihubungkan ke sisi N dioda dan kutub negatif sumber potensial eksternal dihubungkan ke sisi P dioda.
Kegiatan pertama terlebih dahulu dilakukan pengukuran terhadap dua jenis dioda, yakni dioda zener dan dioda penyearah dimana diketahui dalam praktikum ini dioda zener dan dioda penyearah termasuk dioda jenis silikon.
Pada percobaan ini baik pada dioda zener maupun dioda penyearah digunakan tegangan sumber (Vs) =2 V, R = 100 Ω dan Potensiometer 10 kΩ.Pada dioda zener dilihat dari tabel hasil pengamatan, tampak bahwa tegangan yang diberikan dibawah tegangan bias.
Berdasarkan hasil kurva terlihat bahwa titik kerja dioda penyearah ialah 0,72 Volt & 7,00 mA dan untuk dioda zener ialah 0,78 Volt & 12,17A. Dari kurva terlihat bahwa, pada keadaan forward bias arus mengalir dengan mudah meskipun dengan sumber tegangan yang sangat kecil. Hal ini sesuai yang terjadi dalam praktikum. Arus sudah bisa mengalir pada tegangan 0,70 Volt. Hal ini dikarenakan resistansi lapisan deplesi yang rendah yang hanya berkisar 0,6 V untuk silikon. Dari kurva juga dapat diketahui bahwa dioda Zener dan penyearah yang digunakan berbahan dasar silikion karena dapat mengalirkan arus pada tegangan 0,72 V dan 0,78 V. Hal ini berlaku untuk dioda zener dan penyearah. Perbedaaan nilai yang diperoleh berdasarkan nilai yang sesungguhnya terjadi karena beberapa hal, yaitu kekurang telitian praktikan dalam membaca multimeter dan menganalisis grafik.
Sama seperti pada kegiatan pertama, kegiatan kedua juga menggunakan dua jenis dioda, yakni dioda zener dan dioda penyearah. Pada kondisi reverse bias ini, terlihat pergerakan grafik tidak bersesuaian dengan teori Karena interval grafik yang kasar atau sangat renggang dengan kenaikan 0,5 volt sehingga grafik yang terlihat seakan-akan tidak sesuai dengan teori. dioda bersifat tidak dapat melewatkan arus atau bisa dikatakan arus yang mengalir sangat kecil sampai pada batas tertentu akan mengalami penurunan yang sangat curam dan nilainya tidak tergantung pada tegangan dioda. Arus ini membawa muatan minoritas yang mengalir dari anoda ke katoda yang disebut arus penjenuhan. Dari kurva terlihat bahwa titik kerja dioda penyearah ialah -5,18 Volt & -0,52 A dan untuk dioda zener ialah -6,5 Volt & -0,6 A. Dari kurva terlihat bahwa, pada keadaan forward bias arus mengalir dengan mudah meskipun dengan sumber tegangan yang sangat kecil. Hal ini sesuai yang terjadi dalam praktikum. Arus sudah bisa mengalir pada tegangan 0,60 Volt. Hal ini dikarenakan resistansi lapisan deplesi yang rendah yang hanya berkisar dan 0,6 V untuk silikon. Dari kurva juga dapat diketahui bahwa dioda zener yang digunakan berbahan dasar silikon karena dapat mengalirkan arus pada tegangan 0,6 V. Hal ini berlaku untuk dioda zener dan penyearah. Perbedaan dari nilai asli dengan hasil percobaan bisa disebabkan oleh kurangnya ketelitian praktikan dan alat yang digunakan tidak berfungsi secara stabil serta kesalahn dalam menganalisis grafik karakteristik diode.
KESIMPULAN
a. Hasil penggambaran atau interpretasi dari kurva karakteristik arus-tegangan (I-V) pada dioda penyearah dan dioda zener dapat dilihat pada analisis grafik.
b. Garis beban dapat ditentukan dengan memotong sumbu VDpada harga VS dan memotong sumbu I pada hargaImaks. sedangkan titik kerja dapat diperoleh akibat adanya titik perpotongan antara karakteristik dioda dengan garis beban.
c. Tegangan zener dapat diperoleh melalui garis beban dan titik kerja. Garis beban memotong sumbu VD pada harga Vs dan memotong sumbu I pada harga Imaks saat arus dioda sudah mencapai maksimum. Dari titik kerja antara karakteristik dioda zener dengan garis beban inilah, sehingga diperoleh harga Vz. Berdasarkan hasil analisis grafik diperoleh titik kerja dioda penyearah dan dioda zener untuk kondisi forward bias yaitu masing-masing 0,72 volt; 30,00 mA dan 0,78 volt;12,17 mA sedangkan reverse bias yaitu masing-masing -5,18 volt; -0,52 A dan -6,5 volt; 0,6 A.
DAFTAR PUSTAKA
Bakri, Abdul Haris., dkk., 2015. Dasar-dasar Elektroniks Buku 1. Sulawesi Tengah : Edukasi Mitra Grafika.
Malvino, 1981. Prinsip-prinsip Elektronik Edisi Kedua. Jakarta : Erlangga.
Sutrisno, 1986. Elektronika : Teori dan Penerapannya, Jilid I. Bandung : Penerbit ITB.
Tim Penyusun Elektronika Dasar, 2016. Penuntun Praktikum Elektronika Dasar I. Makassar : Laboratorium Unit Elektronika & Instrumentasi Jurusan Fisika FMIPA UNM