Berbagai dioda semikonduktor, bawah adalah penyearah jembatan
Struktur dari dioda tabung hampa
Dalam elektronika,
dioda adalah komponen aktif bersaluran dua (dioda termionik mungkin memiliki saluran ketiga sebagai pemanas). Dioda mempunyai dua
elektroda
aktif dimana isyarat listrik dapat mengalir, dan kebanyakan dioda
digunakan karena karakteristik satu arah yang dimilikinya. Dioda
varikap (
VARIable CAPacitor/kondensator variabel) digunakan sebagai
kondensator terkendali tegangan.
Sifat kesearahan yang dimiliki sebagian besar jenis dioda seringkali
disebut karakteristik menyearahkan. Fungsi paling umum dari dioda adalah
untuk memperbolehkan arus listrik mengalir dalam suatu arah (disebut
kondisi panjar maju) dan untuk menahan arus dari arah sebaliknya
(disebut kondisi panjar mundur). Karenanya, dioda dapat dianggap sebagai
versi elektronik dari Katup pada transmisi cairan.
Dioda sebenarnya tidak menunjukkan kesearahan hidup-mati yang sempurna
(benar-benar menghantar saat panjar maju dan menyumbat pada panjar
mundur), tetapi mempunyai karakteristik listrik tegangan-arus taklinier
kompleks yang bergantung pada teknologi yang digunakan dan kondisi
penggunaan. Beberapa jenis dioda juga mempunyai fungsi yang tidak
ditujukan untuk penggunaan penyearahan.
Sejarah
Walaupun
dioda kristal (semikonduktor) dipopulerkan sebelum dioda termionik,
dioda termionik dan dioda kristal dikembangkan secara terpisah pada
waktu yang bersamaan. Prinsip kerja dari dioda termionik ditemukan oleh
Frederick Guthrie pada tahun 1873
[1] Sedangkan prinsip kerja dioda kristal ditemukan pada tahun 1874 oleh peneliti Jerman, Karl Ferdinand Braun
[2].
Pada waktu penemuan, peranti seperti ini dikenal sebagai penyearah (
rectifier). Pada tahun 1919, William Henry Eccles memperkenalkan istilah dioda yang berasal dari
di berarti
dua, dan
ode (dari
ὅδος) berarti "jalur".
Prinsip kerja
Prinsip
kerja dioda termionik ditemukan kembali oleh Thomas Edison pada 13
Februari 1880 dan dia diberi hak paten pada tahun 1883 (U.S. Patent
307.031), namun tidak dikembangkan lebih lanjut. Braun mematenkan
penyearah kristal pada tahun 1899
[3]. Penemuan Braun dikembangkan lebih lanjut oleh Jagdish Chandra Bose menjadi sebuah peranti berguna untuk detektor radio.
Penerima radio
Penerima
radio pertama yang menggunakan dioda kristal dibuat oleh Greenleaf
Whittier Pickard. Dioda termionik pertama dipatenkan di Inggris oleh
John Ambrose Fleming (penasihat ilmiah untuk Perusahaan Marconi dan
bekas karyawan Edison
[4])
pada 16 November 1904 (diikuti oleh U.S. Patent 803.684 pada November
1905). Pickard mendapatkan paten untuk detektor kristal silikon pada
20 November 1906 (U.S. Patent 836.531).
Dioda termionik
Simbol untuk dioda tabung hampa pemanasan taklangung, dari atas kebawah adalah anoda, katoda dan filamen pemanas
Dioda
termionik adalah sebuah peranti katup termionik yang merupakan
susunan elektroda-elektroda di ruang hampa dalam sampul gelas. Dioda
termionik pertama bentuknya sangat mirip dengan bola lampu pijar.
Dalam dioda katup termionik, arus listrik yang melalui filamen pemanas
secara tidak langsung memanaskan katoda (Beberapa dioda menggunakan
pemanasan langsung, dimana filamen wolfram berlaku sebagai pemanas
sekaligus juga sebagai katoda), elektroda internal lainnya dilapisi
dengan campuran barium dan strontium oksida, yang merupakan oksida
dari logam alkali tanah. Substansi tersebut dipilih karena memiliki
fungsi kerja yang kecil. Bahang yang dihasilkan menimbulkan pancaran
termionik elektron ke ruang hampa. Dalam operasi maju, elektroda
logam disebelah yang disebut anoda diberi muatan positif jadi secara
elektrostatik menarik elektron yang terpancar.
Walaupun begitu, elektron tidak dapat dipancarkan dengan mudah dari
permukaan anoda yang tidak terpanasi ketika polaritas tegangan dibalik.
Karenanya, aliran listrik terbalik apapun yang dihasilkan dapat
diabaikan.
Dalam sebagian besar abad ke-20, dioda katup termionik digunakan dalam
penggunaan isyarat analog, dan sebagai penyearah pada pemacu daya.
Saat ini, dioda katup hanya digunakan pada penggunaan khusus seperti
penguat gitar listrik, penguat audio kualitas tinggi serta peralatan
tegangan dan daya tinggi.
Dioda semikonduktor
Sebagian
besar dioda saat ini berdasarkan pada teknologi pertemuan p-n
semikonduktor. Pada dioda p-n, arus mengalir dari sisi tipe-p (anoda)
menuju sisi tipe-n (katoda), tetapi tidak mengalir dalam arah
sebaliknya.
Tipe lain dari dioda semikonduktor adalah dioda Schottky yang dibentuk
dari pertemuan antara logam dan semikonduktor (sawar Schottky) sebagai
ganti pertemuan p-n konvensional.
Karakteristik arus–tegangan
Karakteristik
arus–tegangan dari dioda, atau kurva I–V, berhubungan dengan
perpindahan dari pembawa melalui yang dinamakan lapisan penipisan atau
daerah pemiskinan yang terdapat pada pertemuan p-n di antara
semikonduktor. Ketika pertemuan p-n dibuat, elektron pita konduksi dari
daerah N menyebar ke daerah P dimana terdapat banyak lubang yang
menyebabkan elektron bergabung dan mengisi lubang yang ada, baik lubang
dan elektron bebas yang ada lenyap, meninggalkan donor bermuatan
positif pada sisi-N dan akseptor bermuatan negatif pada sisi-P. Daerah
disekitar pertemuan p-n menjadi dimiskinkan dari pembawa muatan dan
karenanya berlaku sebagai isolator.
Walaupun begitu, lebar dari daerah pemiskinan tidak dapat tumbuh tanpa
batas. Untuk setiap pasangan elektron-lubang yang bergabung, ion
pengotor bermuatan positif ditinggalkan pada daerah terkotori-n dan ion
pengotor bermuatan negatif ditinggalkan pada daerah terkotori-p. Saat
penggabungan berlangsung dan lebih banyak ion ditimbulkan, sebuah
medan listrik terbentuk di dalam daerah pemiskinan yang memperlambat
penggabungan dan akhirnya menghentikannya. Medan listrik ini
menghasilkan tegangan tetap dalam pertemuan.
Jenis-jenis dioda semikonduktor
Kemasan dioda sejajar dengan simbolnya, pita menunjukkan sisi katoda
Beberapa jenis dioda
Ada
beberapa jenis dari dioda pertemuan yang hanya menekankan perbedaan
pada aspek fisik baik ukuran geometrik, tingkat pengotoran, jenis
elektroda ataupun jenis pertemuan, atau benar-benar peranti berbeda
seperti dioda Gunn, dioda laser dan dioda MOSFET.
Dioda biasa
Beroperasi
seperti penjelasan di atas. Biasanya dibuat dari silikon terkotori
atau yang lebih langka dari germanium. Sebelum pengembangan dioda
penyearah silikon modern, digunakan kuprous oksida (
kuprox)dan
selenium, pertemuan ini memberikan efisiensi yang rendah dan penurunan
tegangan maju yang lebih tinggi (biasanya 1.4–1.7 V tiap pertemuan,
dengan banyak lapisan pertemuan ditumpuk untuk mempertinggi ketahanan
terhadap tegangan terbalik), dan memerlukan benaman bahan yang besar
(kadang-kadang perpanjangan dari substrat logam dari dioda), jauh
lebih besar dari dioda silikon untuk rating arus yang sama.
Dioda bandangan
Dioda
yang menghantar pada arah terbalik ketika tegangan panjar mundur
melebihi tegangan dadal dari pertemuan P-N. Secara listrik mirip dan
sulit dibedakan dengan dioda Zener, dan kadang-kadang salah disebut
sebagai dioda Zener, padahal dioda ini menghantar dengan mekanisme yang
berbeda yaitu efek bandangan. Efek ini terjadi ketika medan listrik
terbalik yang membentangi pertemuan p-n menyebabkan gelombang ionisasi
pada pertemuan, menyebabkan arus besar mengalir melewatinya,
mengingatkan pada terjadinya bandangan yang menjebol bendungan. Dioda
bandangan didesain untuk dadal pada tegangan terbalik tertentu tanpa
menjadi rusak. Perbedaan antara dioda bandangan (yang mempunyai
tegangan dadal terbalik diatas 6.2 V) dan dioda Zener adalah panjang
kanal yang melebihi rerata jalur bebas dari elektron, jadi ada
tumbukan antara mereka. Perbedaan yang mudah dilihat adalah keduanya
mempunyai koefisien suhu yang berbeda, dioda bandangan berkoefisien
positif, sedangkan Zener berkoefisien negatif.
Dioda Cat's whisker
Ini
adalah salah satu jenis dioda kontak titik. Dioda cat's whisker
terdiri dari kawat logam tipis dan tajam yang ditekankan pada kristal
semikonduktor, biasanya galena atau sepotong batu bara
[5].
Kawatnya membentuk anoda dan kristalnya membentuk katoda. Dioda
Cat's whisker juga disebut dioda kristal dan digunakan pada penerima
radio kristal.
Dioda arus tetap
Ini
sebenarnya adalah sebuah JFET dengan kaki gerbangnya disambungkan
langsung ke kaki sumber, dan berfungsi seperti pembatas arus dua
saluran (analog dengan Zener yang membatasi tegangan). Peranti ini
mengizinkan arus untuk mengalir hingga harga tertentu, dan lalu
menahan arus untuk tidak bertambah lebih lanjut.
* Esaki atau dioda terobosan
Dioda
ini mempunyai karakteristik resistansi negatif pada daerah operasinya
yang disebabkan oleh quantum tunneling, karenanya memungkinkan
penguatan isyarat dan sirkuit dwimantap sederhana. Dioda ini juga
jenis yang paling tahan terhadap radiasi radioaktif.
* Dioda Gunn
Dioda
ini mirip dengan dioda terowongan karena dibuat dari bahan seperti
GaAs atau InP yang mempunyai daerah resistansi negatif. Dengan panjar
yang semestinya, domain dipol terbentuk dan bergerak melalui dioda,
memungkinkan osilator gelombang mikro frekuensi tinggi dibuat.
*Demodulasi radio
Penggunaan
pertama dioda adalah demodulasi dari isyarat radio modulasi
amplitudo (AM). Dioda menyearahkan isyarat AM frekuensi radio,
meninggalkan isyarat audio. Isyarat audio diambil dengan menggunakan
tapis elektronik sederhana dan dikuatkan.
Pengubahan daya
Dioda Zener
adalah dioda yang memiliki karakteristik menyalurkan arus listrik
mengalir ke arah yang berlawanan jika tegangan yang diberikan melampaui
batas "tegangan tembus" (breakdown voltage) atau "tegangan Zener".
Ini berlainan dari dioda biasa yang hanya menyalurkan arus listrik ke
satu arah.
Dioda yang biasa tidak akan mengalirkan arus listrik untuk mengalir
secara berlawanan jika dicatu-balik (reverse-biased) di bawah tegangan
rusaknya. Jika melampaui batas tegangan operasional, dioda biasa
akan menjadi rusak karena kelebihan arus listrik yang menyebabkan
panas. Namun proses ini adalah reversibel jika dilakukan dalam batas
kemampuan. Dalam kasus pencatuan-maju (sesuai dengan arah gambar
panah), dioda ini akan memberikan tegangan jatuh (drop voltage)
sekitar 0.6 Volt yang biasa untuk dioda silikon. Tegangan jatuh ini
tergantung dari jenis dioda yang dipakai.
Sebuah
dioda Zener memiliki sifat yang hampir sama dengan dioda
biasa, kecuali bahwa alat ini sengaja dibuat dengan tegangan tembus
yang jauh dikurangi, disebut tegangan Zener. Sebuah dioda Zener
memiliki p-n junction yang memiliki doping berat, yang memungkinkan
elektron untuk tembus (tunnel) dari pita valensi material tipe-p ke
dalam pita konduksi material tipe-n. Sebuah dioda zener yang
dicatu-balik akan menunjukan perilaku tegangan tembus yang terkontrol
dan akan melewatkan arus listrik untuk menjaga tegangan jatuh supaya
tetap pada tegangan zener. Sebagai contoh, sebuah diode zener 3.2
Volt akan menunjukan tegangan jatuh pada 3.2 Volt jika diberi
catu-balik. Namun, karena arusnya terbatasi, sehingga dioda zener
biasanya digunakan untuk membangkitkan tegangan referensi, untuk
menstabilisasi tegangan aplikasi-aplikasi arus kecil, untuk
melewatkan arus besar diperlukan rangkaian pendukung IC atau beberapa
transistor sebagai output.
Tegangan tembusnya dapat dikontrol secara tepat dalam proses doping.
Toleransi dalam 0.05% bisa dicapai walaupun toleransi yang paling biasa
adalah 5% dan 10%.
Efek ini ditemukan oleh seorang fisikawan Amerika, Clarence Melvin Zener.
Mekanisme lainnya yang menghasilkan efek yang sama adalah efek
avalanche, seperti di dalam dioda avalanche. Kedua tipe dioda ini
sebenarnya dibentuk melalui proses yang sama dan kedua efek sebenarnya
terjadi di kedua tipe dioda ini. Dalam dioda silikon, sampai dengan
5.6 Volt, efek zener adalah efek utama dan efek ini menunjukan
koefisiensi temperatur yang negatif. Di atas 5.6 Volt, efek avalanche
menjadi efek utama dan juga menunjukan sifat koefisien temperatur
positif.
Dalam dioda zener 5.6 Volt, kedua efek tersebut muncul bersamaan dan
kedua koefisien temperatur membatalkan satu sama lainnya. Sehingga,
dioda 5.6 Volt menjadi pilihan utama di aplikasi temperatur yang
sensitif.
Teknik-teknik manufaktur yang modern telah memungkinkan untuk membuat
dioda-dioda yang memiliki tegangan jauh lebih rendah dari 5.6 Volt
dengan koefisien temperatur yang sangat kecil. Namun dengan munculnya
pemakai tegangan tinggi, koefisien temperatur muncul dengan singkat
pula. Sebuah dioda untuk 75 Volt memiliki koefisien panas yang 10 kali
lipatnya koefisien sebuah dioda 12 Volt.
Semua dioda di pasaran dijual dengan tanda tulisan atau kode voltase
operasinya ditulis dipermukaan kristal dioda , biasanya dijual dinamakan
dioda Zener.
Pemakaian
Dioda
Zener digunakan secara luas dalam sirkuit elektronik. Fungsi utamanya
adalah untuk menstabilkan tegangan. Pada saat disambungkan secara
parallel dengan sebuah sumber tegangan yang berubah-ubah yang dipasang
sehingga mencatu-balik, sebuah dioda zener akan bertingkah seperti
sebuah kortsleting (hubungan singkat) saat tegangan mencapai tegangan
tembus diode tersebut. Hasilnya, tegangan akan dibatasi sampai ke
sebuah angka yang telah ditetapkan sebelumnya.
Sebuah dioda zener juga digunakan seperti ini sebagai
regulator tegangan shunt (shunt berarti sambungan parallel, dan regulator tegangan sebagai sebuah kelas sirkuit yang memberikan sumber tegangan tetap.
*Sumber :
Artikel-Artikel Dioda