KEGIATAN. 14
PIRANTI SEMIKONDUKTOR
Dioda adalah piranti elektronik yang hanya dapat melewatkan arus dalam satu arah saja. Karena itu, dioda dapat dimanfaatkan sebagai penyearah arus listrik, yakni piranti elektronik yang mengubah arus atau tegangan bolak-balik menjadi arus atau tegangan searah. Kita akan mempelajari dua jenis penyearah, yaitu penyearah setengah gelombang dan penyearah gelombang penuh. Selanjutnya dalam kegiatan ini juga akan dibahas piranti elektronik lain, seperti dioda zener, Light Emiting Dioda (LED), dioda foto, dan transistor.
a. Tujuan
Setelah mempelajari modul ini Anda diharapkan dapat:
membedakan karakteristik semikonduktor jenis p dan jenis n.
menerapkan prinsip kerja sambungan semikonduktor jenis p dan jenis n pada rangkaian penyearah dan penguat.
Pelajarilah modul ini secara cermat agar tujuan-tujuan tersebut dapat tercapai.
b. Uraian Materi dan Contoh
1. Dioda Semikonduktor
Dioda semikonduktor merupakan komponen penyearah arus listrik yang dibuat berdasarkan sambungan p-n, yaitu dengan menyambungkan semikonduktor jenis-p dengan semikonduktor jenis-n. Pada bagian ini kita akan mempelajari tentang sambungan p-n, panjar maju dan panjar mundur, karakteristik dioda, pemanfaatan dioda, dan dioda zener.
Sambungan p-n
terjadinya polarisasi muatan yang menimbulkan suatu medan listrik yang dapat menghambat aliran elektron lebih lanjut seperti ditunjukkan pada gambar 1.
Oleh karena itu, pada daerah di sekitar sambungan akan terbebas dari pembawa muatan mayorits yang disebut lapisan pengosongan. Lapisan pengosongan juga disebut
lapisan perintang karena lapisan ini bersifat merintangi gerak elektron untuk menembus daerah sambungan. Medan listrik yang timbul pada lapisan pengosongan akan menyebabkan adanya beda potensial yang menghalangi difusi elektron. Beda potensial ini selanjutnya disebut tegangan sambungan. Tegangan sambungan untuki sambungan p-n silikon memiliki nilai sebesar 0,6 volt dan untuk sambungan p-n germanium memiliki nilai sebesar 0,2 volt.
Panjar Maju dan Panjar Mundur
Pemberian tegangan pada dioda dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu panjar maju dan panjar mundur. Panjar maju dapat dilakukan dengan menghubungkan sisi p dengan kutup positif sumber tegangan dan sisi n dengan kutub negatif sumber tegangan.Dalam keadaan ini pembawa muatan negatif (elektron) akan bergerak dari sisi n menuju ke sisi p dan pembawa muatan positif (lubang) akan bergerak dari sisi p menuju ke sisi n. Hal ini menyebabkan lapisan pengosongan menjadi lebih sempit sehingga dapat dilalui arus listrik dengan mudah.
Gambar 1 Sambungan p-n dan pembentukan tegangan sambungan
Gambar 2 (a) Panjar maju, (b) panjar mundur
Panjar mundur dilakukan dengan menghubungkn sisi p dengan kutub negatif sumber tegangan dan sisi n dengan kutub positif sumber tegangan. Dalam keadaan ini pembawa muatan positif (lubang) pada sisi p akan ditarik oleh kutub negatif dan pembawa muatan negatif (elektron) pada sisi n akan ditarik oleh kutub positif sumber tegangan. Hal ini menyebabkan lapisan pengosongan menjadi semakin lebar sehingga sulit dilalui arus listrik. Pada panjar mundur masih dimungkinkan adanya arus listrik, namun nilainya sangat kecil yang disebut arus bocor, yaitu arus yang timbul akibat adanya ikatan yang putus pada masing-masing semikonduktor. Apabila tegangan panjar mundur diperbesar, maka pada suatu saat arus bocor menjadi sedemikian besar yang dapat merusak sambungan p-n. Tegangan panjar mundur yang dapat menyebabkan rusknya sambungan p-n disebut
tegangan rusak.
Perilaku dioda ketika diberi panjar maju atau panjar mundur dapat dilukiskan dalam suatu grafik yang menyatakan hubungan antara tegangan panjar dan arus listrik yang timbul. Grafik antara tegangan panjar dan arus listrik yang timbul pada suatu dioda biasanya disebut
karakteristik dioda. Gambar 4 menunjukkan karakteristik dioda silikon yang memiliki tegangan sambungan sekitar 0,6 volt dan tegangan rusak sekitar 75 volt.
2. Pemanfaatan Dioda Sebagai Penyearah
Berdasarkan sifat dioda yang hanya dapat menghantarkan arus listrik dalam satu arah saja, maka dioda dapat dimanfaatkan sebagai salah satu komponen utama dalam rangkaian penyearah. Rangkaian penyearah adalah rangkaian yang digunakan untuk mengubah tegangan bolak-balik menjadi tegangan searah. Keta mengenal dua jenis rangkaian penyearah, yaitu rangkaian penyearah setengah gelombang dan penyearah gelombang penuh.
Rangkaian Penyearah Setengah Gelombang
Rangkaian penyearah setengah gelombang yang paling sederhana terdiri dari sebuah transformator, sebuah dioda, dan sebuah beban, seperti ditunjukkan pada gambar 5. Jenis transformtor yang digunakan adalah transformator step-down yang berfungsi untuk menurunkan tegangan. Pada tegangan bolak-balik, dalam satu perioda (satu siklus) polaritas tegangan positif dn negtif terjdi secara bergantian.
Pada saat setengah periode positif, maka a lebih positif dripada d sehingga arus mengalir dari a melalui dioda D menuju b dan melalui beban R menuju c dan selanjutnya ke d ( a-b-c-d). Dalam hal ini diod D terpanjar maju sehingga tegangan keluaran sama dengan tegangan masukkan.
Pada saat setengah periode negatif, maka d lebih positif daripada a sehingga arus seharusnya mengalir melalui d ke c, kemudian melewati beban R menuju ke b melewati dioda D menuju ke a ( d-c-b-a). Akn tetapi, dalam hal ini dioda D terpanjar mundur sehingga tidak ada arus yang mengalir. Dengan demikian, tegangan keluarannya adalh nol. Grafik tegangan masukkan Vi dan tegangan keluaran V0 terhadap waktu pada rangkaian penyearah setengah gelombang ditunjukkan pada gambar 6.
Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh
Rangkaian penyearah gelombang penuh ada dua macam seperti ditunjukkan pada gambar 7. Perhatikan gambar 7 (a). Pada saat setengah periode positif, maka a lebih positif daripda e maupun f sehingga arus listrik akan mengalir dari a melewati dioda D ke b, kemudian ke c dan melewati beban R menuju d dan selanjutnya ke e (a-b-c-d-e). Dalam hal ini dioda D1 terpanjar maju sehingga tegangan keluaran sama dengan tegangan masukkan. Pada saat setengah periode negatif, maka f lebih positif daripada e maupun a
sehingga arus listrik akan mengalir dari f melewati dioda D2 ke g, kemudian ke b dan c melewati beban R menuju ke d dan selanjutnya ke e( f-g-b-c-d-e). Dalam hal ini dioda D2 juga terpanjar maju sehingga tegangan keluaran sama dengan tegangan masukkan tetapi dengan polaritas positif.
Perhatikan gambar 8 (a). Pada saat setengah periode positif, maka a lebih positif daripada h sehingga arus mengalir dari a ke b melewati dioda D2 ke c dank e d, kemudian melewati beban R ke e dan ke f, melewati dioda D3 ke g dan selanjutnya ke h
(a-b-c-d-e-f-h). Dalam hal ini dioda D2 dan D3 terpanjar maju sehingga tegangan keluaran sama dengan tegangan masukkan. Pada saat setengah periode negatif, maka h lebih positif daripada a sehingga arus mengalir dari h ke g, melewati dioda D4 ke c dan ke d, melewti beban R ke e dan ke f, melewati dioda D1 ke b dan selanjutnya ke a ( h-g-c-d-e-f-b-a). Dalam hal ini dioda D1 dan D4 juga terpanjar maju sehingga tegangan keluaran sama dengan masukan tetapi dengan polaritas positif. Walaupun tegangan keluar rangkaian penyearah gelombang penuh pada gambar 8 (a) dan pada gambar 7 (b) secara teoritis adalah sama, namun secara praktis rangkaian pada gambar 8 (b) memberikan hasil yang lebih baik.
Gambar 7 Rangkaian penyerah gelombang penuh
Dioda Zener
Dioda zener adalah dioda yang bekerja pada panjar mundur dan berfungsi untuk menstabilkan tegangan. Pada tegangan rusak atau tegangan zener, hambatan dioda turun drastic sehingga terjadi peningkatan arus mundur secara cepat, namun tegangan pada dioda relative tidak berubah (stabil). Dioda zener bekerja sesuai kemampuan disipasi dayanya. Arus mundur tidak akan merusak dioda zener, selama kemampuan disipasi dayanya tidak terlampaui.
Untuk mengendalikan arus mundur agar tidak melampaui kemampuan disipasi daya dioda zener, maka dioda zener perlu dihubungkan dengan hambatan seri yang besarnya memenuhi hubungan menemukan piranti elektronika yang terbuat dari sambungan tiga semikonduktor jenis n dan p secara berselang –seling yang disebut transistor. Transistor berasal dari kata transfer
artinya pemindahan dan resistor artinya hambatan. Jadi, transistor berarti peralihan dari bahan yang bersifat menghambat menjadi bahan yang bersifat menghantarkan arus listrik.
3.1 Konstruksi Transistor
Setiap transistor memiliki tiga bagian, yaitu bagian tengah disebut basis (B) dan dua bagian lain masing-masing disebut emitor (E) dan kolektor (C). Emitor berfungsi sebagai pembangkit pembawa muatan mayoritas dan kolektor berfungsi sebagai pengumpul pembawa muatan mayoritas.
Gambar 9 menunjukkan konstruksi transistor, simbol transistor, dan bentuk transistor yang dijual di pasaran bebas. Tanda panah pada simbol transistor menunjukkan arah aliran muatan positif atau arah arus listrik. Jadi, tanda panah pada simbol transistor NPN arahnya keluar dan tanda pada simbol transistor PNP arahnya masuk karena arah arus listrik dari kutub positif (P) ke kutub negatif (N).
3.2 Rangkaian Transistor
Ada tiga macam rangkaian transistor, yaitu rangkaian common-emiter (emiter bersama), common base (basis bersama), dan common-collector (kolektor bersama) seperti ditunjukkan pada gambar 10. Namun demikian, rangkaian yang paling sering digunakan dalam praktek adalah rangkaian emiter bersama.
3.3 Prinsip Kerja Transistor
Kita akan menggunakan transistor NPN dalam rangkaian emitor bersama untuk menjelaskan prinsip kerja transistor. Untuk itu perhatikan rangkaian pada gambar 11.
Apabila tegangan panjar maju pada sambungan basis-emitor (VBE) lebih besar
daripada tegangan kerja transistor (silikon +- 0,6 V), maka elektron pada emitor akan mengalir melewati sambungan basis-emitor. Kekosongan elektron pada emitor akan segera diisi oleh elektron dari kutub sumber tegangan sehingga terjadi arus emitor (IE). Oleh
karenanya gaya tarik yang kuat kutub positif sumber tegangan (VCE), maka aliran elektron
menembus sambungan basis-kolektor sehingga menimbulkan arus kolektor (IC).
Adanya elektron yang mengisi kekosongan pada basis menyebabkan basis menjadi negatif dan segera dikompensasikan oleh aliran muatan positif dari kutub positif sumber tegangan (VBE) melalui arus basis (IB). Arus basis (IB) ini berusaha untuk mempertahankan arus kolektor (IC). Dengan demikian, transistor memiliki sifat dasar bahwa arus kecil yang melalui rangkaian basis-kolektor memperkenankan arus besar mengalir melalui rangkaian kolektor-emitor.
Arus kolektor (IC) biasanya memiliki nilai sekitar 10 sampai dengan 100 kali nilai arus basis IB. Jika IC dipandang sebagai arus keluaran dan IB sebagai arus masukan, maka transistor berfungsi sebagai penguat arus. Oleh karena itu, besar penguatan arus pada transistor (hFE) didefinisikan sebagai
C
Apabila kita perhatikan arah arus listrik pada rangkaian transistor, maka berdasarkan hukum Kirchoff berlaku hubungan
IE = IB + IC (14.3)
Mengingat bahwa IB cukup kecil jika dibandingkan dengan IC maka dapat dianggap bahwa IC ~ IE.
3.4 Karakteristik Transistor
Pada bagian ini kita akan mempelajari tiga karakteristik transistor, yaitu karakteristik masukkan, karakteristik keluaran, dan karakteristik transfer. Dari karakteristik masukan kita dapat menghitung hambatam masukan dan dari karakteristik keluaran kita dapat menghitung hambatan keluaran, sedangkan dari karakteristik transfer kita dapat menghitung penguat arus.
Karakteristik Masukan
Karakteristik masukan suatu transistor dinyatakan dalam grafik yang menyatakan hubungan antara tegangan basis-emitor ( VBE) dan arus basis (IB) untuk tegangan kolektor-emitor ( VCE) yang nilainya konstan, seperti ditunjukkan pada gambar 12 (a).
Berdasarkan grafik karakteristik masukan dapat dihitung hambatan masukan (Ri),
yang didefinisikan sebagai
Nilai Ri akan bervariasi antara 1 kohm sampai dengan 5 kohm karena grafik karakteristik
masukan tidak linier.
Karakteristik Keluaran
Karakteristik keluaran suatu transistor dinyatakan dalam grafik yang menyatakan hubungan antara tegangan kolektor-emitor (VCE) dan arus kolektor (IC) untuk beberapa nilai arus basis
Berdasarkan grafik karakteristik keluaran dapat dihitung hambatan keluiaran (Ro),
Nilai Ro juga bervariasi antara 10 kohm sampai dengan 50 k ohm karena grafik karakteristik
keluaran tidak linier.
Karakteristik Transfer
Karakteristik transfer suatu transistor dalam grafik yang menyatakan hubungan antara arus basis (IB) dan arus kolektor (IC) untuk tegangan kolektor-emitor (VCE) yang bernilai konstan,
seperti ditunjukkan pada gambar 12 (c).
Berdasarkan grafik karakteristik transfer dapat dihitung penguatan arus (hFE), yang
Transistor sebagai saklar banyak diterapkan dalam berbagai rangkaian elektronik terutama rangkaian digital yang membutuhkan proses pemutusan arus berlangsung sangat cepat. Untuk memahami prinsip kerja transistor sebagai sakelar, perhatikan rangkaian pada gambar 13.
Hambatan R1 dan R2 berfungsi sebagai pembagi tegangan dari sumber tegangan VCE. Apabila nilai R1 dan R2 diubah, maka nilai VR1 dan VR2 akan berubah sehingga menyebabkan perubahan nilai VBE. Pada saat VBE lebih kecil daripada tegangan kerja transistor ( silikon +- 0,6 V), maka arus listrik IB = IC = 0 sehingga transistor tidak bekerja. Sedangkan pada saat VBE lebih kecil daripada tegangan kerja transistor, maka arus basis IB akan mengalir sehingga dapat mengaktifkan transistor. Dengan demikian, mengalir atau tidak mengalirnya arus basis IB bertindak sebagai sakelar yang menghidupkan dan mematikan transistor.
Salah satu penerapan transistor sebagai sakelar adalah rangkaian saklar yang diaktifkan oleh cahaya, seperti ditunjukkan pada gambar 14. dalam rangkaian ini, untuk salah satu hambatan pembagi tegangan digunakan LDR (Light Dependent Resistor), yaitu hambatan yang nilainya tergantung intensitas cahaya yang datang. Nilai hambatan LDR akan semakin kecil jika cahaya yang datang semakin terang.
Dalam keadaan terang nilai hambatan LDR lebih kecil dibandingkan R1 sehingga Vi dan VBE lebih kecil daripada tegangan kerja transistor. Hal ini mengakibatkan IB = IC = 0 sehingga lampu tidak menyala. Sebaliknya, dalam keadaan gelap nilai hambatan LDR cukup besar sehingga Vi dan VBE melebihi tegangan kerja transistor. Hal ini mengakibatkan adanya arus babsis IB yang dapat mengaibatkan transistor sehingga timbul arus kolektor IC yang menyebabkan lampu menyala.
Gambar 13 Rangkaian transistor sebagai
CONTOH 14- 1 Prinsip Kerja Transistor
Rangkaian terpadu atau integrated circuit(IC) merupakan rangkaian antarkomponen yang terdiri dari dioda, resistor, transistor, dan kapasitor yang dibuat dalam kepingan kristal silikon. IC in ditemukan oleh Jack Kilby pada tahun 1958 dan Robert Noyce pada awal tahun 1959. Dalam ukuran keeping seluas 1 cm2, IC mampu menampung ribuan komponen. Dengan adanya IC kita dapat memperoleh peralatan elektronik yang berukuran sangat kecil, namun memiliki kemampuan yang sangat handal.
A. Soal Essay
1. (a). Apa yang dimaksud dengan lapisan pengosongan pada dioda sambungan p-n? (b). Jelaskan terjadinya lapisan ini.
(c). Mengapa lapisan ini disebut juga lapisan perintang?
2. Apa yang terjadi dengan lebar lapisan pengosongan jika dioda sambungan p-n diberi a. panjar maju
b. panjar mundur
3. (a) Gambarkan karakteristik (I-V) sebuah dioda sambungan dari bahan silikon. Pada karakteristik ini, tunjukkan tegangan nyala dan tegangan rusak dioda.
(b) Apa yang dimaksud dengan: (i) tegangan nyala
(ii) tegangan rusak
4. Jelaskan dua alasan mengapa transistor yang paling banyak digunakan saat ini adalah transistor npn dari bahan silikon.
5. Dalam transistor npn sebagian besar elektron-elektron yang lewat dari emitor menuju basis gagal bergabung dengan lubang-lubang yang terdapat pada basis. Jelaskan alasan untuk kejadian ini.
