Dioda

Dioda semikonduktor dibentuk dengan cara menyambungkan semi-konduktor tipe p dan semikonduktor tipe n.  Pada saat terjadinya sambungan (junction) p dan n, hole-hole pada bahan p dan elektron-elektron pada bahan n di sekitar sambungan cenderung untuk berkombinasi.  Hole dan elektron yang berkombinasi ini saling meniadakan, sehingga pada daerah sekitar sambungan ini kosong dari pembawa muatan dan terbentuk daerah pengosongan (depletion layer).

Arus difusi adalah arus yang ditimbulkan oleh perpindahan muatan mayoritas ke daerah depletion layer. Sedangkan arus drift adalah arus balik dari muatan minoritas di depletion layer menuju daerah mayoritasnya. Pada saat arus difusi dan arus drift sama, dioda dikatakan dalam keadaan terbuka. selanjutnya, daerah depletion layer akan  menjadi daerah yang tanpa lapisan muatan dengan potensial yang berbeda. Perbedaan potensial ini disebut tegangan gap atau tegangan terlarang (Vo)

 (a) Pembentukan Sambungan; (b) Daerah Pengosongan; (c) Dioda Semikonduktor ; (d) Simbol Dioda

Oleh karena itu pada sisi p tinggal ion-ion akseptor yang bermuatan negatip dan pada sisi n tinggal ion-ion donor yang bermuatan positip.  Namun proses ini tidak berlangsung terus, karena potensial dari ion-ion positip dan negatip ini akan mengahalanginya.  Tegangan atau potensial ekivalen pada daerah pengosongan ini disebut dengan tegangan penghalang (barrier potential).  Besarnya tegangan penghalang ini adalah 0.3 untuk germanium dan 0.7 untuk silikon.

Suatu dioda bisa diberi bias mundur (reverse bias) atau diberi bias maju (forward bias) untuk mendapatkan karakteristik yang diinginkan. Bias mundur adalah pemberian tegangan negatip baterai ke terminal anoda (A) dan tegangan positip ke terminal katoda (K) dari suatu dioda sehingga depletion layer akan menjadi lebar (Vo+V).  Dengan kata lain, tegangan anoda katoda V_A-K adalah negatip (V_A-K < 0). 

Arus difusi sangat sensitif terhadap besarnya muatan mayoritas. Jika dioda diberikan tegangan positip baterai dihubungkan ke terminal Anoda (A) dan negatipnya ke terminal katoda (K) akan menjadikan tegangan gap menjadi lebih kecil (Vo-V) sehingga daerah depletion layer menjadi semakin sempit, maka dioda disebut mendapatkan bias maju (foward bias).

Dioda dibias mundur

Dioda dibias maju

Kurva Karakteristik Dioda

Hubungan antara besarnya arus yang mengalir melalui dioda dengan tegangan VA-K dapat dilihat pada kurva karakteristik dioda.

Grafik di bawah menunjukan dua macam kurva, yakni dioda germanium (Ge) dan dioda silikon (Si).  Pada saat dioda diberi bias maju, yakni bila VA-K positip, maka arus ID akan naik dengan cepat setelah VA-K mencapai tegangan cut-in (V_g).  Tegangan cut-in (V_g) ini kira-kira sebesar 0.3 Volt untuk dioda germanium dan 0.7 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  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 dalam contoh ini adalah 1 mA.  Sedangkan untuk dioda silikon Is adalah dalam orde nano amper dalam hal ini adalah 10 nA.

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 tiba-tiba.  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.
Hubungan arus dioda (ID) dengan tegangan dioda (VD) dapat dinyatakan dalam persamaan matematis yang dikembangkan oleh W. Shockley, yaitu:

dimana:

                ID = arus dioda (amper)

                Is = arus jenuh mundur (amper)

                e  = bilangan natural, 2.71828...

                VD = beda tegangan pada dioda (volt)

                n  = konstanta, 1 untuk Ge; dan  » 2 untuk Si

                             VT = tegangan ekivalen temperatur (volt)
Harga Is suatu dioda dipengaruhi oleh temperatur, tingkat doping dan geometri dioda. Dan konstanta n tergantung pada sifat konstruksi dan parameter fisik dioda.  Sedangkan harga VT ditentukan dengan persamaan:

 dimana:

                k  = konstanta Boltzmann, 1.381 x 10^-23 J/K

                         (J/K artinya joule per derajat kelvin)

                T  = temperatur mutlak (kelvin)

                q  = muatan sebuah elektron, 1.602 x 10^-19 C

Pada temperatur ruang, 25 ^oC atau 273 + 25 = 298 K, dapat dihitung besarnya VT yaitu:

                                (1.381 x 10^-23 J/K)(298K)

Harga VT adalah 26 mV ini perlu diingat untuk pembicaraan selanjutnya. 
Sebagaimana telah disebutkan bahwa arus jenuh mundur, Is, dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti: doping, persambungan, dan temperatur.  Namun karena dalam pemakaian suatu komponen dioda, faktor doping dan persambungan adalah tetap, maka yang perlu mendapat perhatian serius adalah pengaruh temperatur.