Karakteristik Dioda

Kurva Karakteristik Dioda 

Hubungan antara besarnya arus yang mengalir melalui dioda dengan tegangan VA-K (pelajari dalam bab dioda semikonduktor) dapat dilihat pada kurva karakteristik dioda (gambar 1).  

Gambar 1 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 (Vγ).  Tegangan cut-in (Vγ) ini kira-kira sebesar 0.2 Volt untuk dioda germanium dan 0.6 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 pada gambar 1.14 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 µA.  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 tibatiba. 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.  

gambar1 Kurva Karakteristik Dioda

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

persamaan 1.2

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:

 

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

 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. Gambar 2 menunjukan kurva bias maju untuk beberapa macam temperatur.

gambar2 Pengaruh temperatur terhadap bias maju dioda

  Apabila temperatur dioda dinaikkan, maka tegangan cut-in (Vγ) turun.  Sebaliknya bila temperatur turun, maka Vγ naik.  Dengan asumsi bahwa ID tetap, hubungan antara temperatur dengan tegangan cut-in (Vγ) dapat dinyatakan dengan persamaan:

Harga k umumnya oleh para ahli dianggap tetap, yaitu:

Selain mempengaruhi tegangan cut-in (Vγ), temperatur dioda juga mempengaruhi arus jenuh mundur, Is.  Arus Is kira-kira naik dua kali lipat apabila temperatur dioda naik 10 derajat C.  Gambar 3 menunjukkan perubahan kurva bias mundur untuk beberapa macam temperatur.

Secara matematis pengaruh temperatur terhadap arus Is dapat dinyatakan: 

gambar 3 Pengaruh temperatur terhadap bias mundur

Resistansi Dioda

Karena kurva karakteristik dioda tidak linier, maka resistansi dioda berbeda-beda antara satu titik operasi ke titik operasi lainnya.  Pemberian tegangan dc kepada suatu rangkaian yang ada dioda semikonduktornya akan menentukan titik kerja dioda tersebut pada kurva karakteristik. Apabila tegangan dc yang diberikan tidak berubah maka titik kerja dioda juga tidak berubah. Perbandingan antara tegangan pada titik kerja dengan arus yang mengalir pada dioda disebut dengan Resistansi DC atau Resistansi Statis.

 

Resistansi dc pada daerah bias maju akan lebih kecil dibanding dengan resistansi pada daerah bias mundur.  Untuk lebih jelasnya dapat diperhatikan contoh 1.1 di bawah ini.
 

Contoh 1.1:

Tentukan resistansi dc dioda dengan kurva karakteristik sepeti gambar 4 pada:
(a) Id = 2mA
(b) Id = 20mA
(a) Vd = -10V

gambar 4 contoh 1.1

 Apabila sinyal sinus diberikan di sekitar titik kerja, maka titik kerja akan berayun ke atas dan ke bawah.  Perbandingan antara perubahan tegangan dengan perubahan arus disekitar titik kerja disebut dengan Resistansi AC atau Resistansi Dinamik.  Perubahan tegangan maupun arus harus dibuat sekecil mungkin serta titik-Q merupakan titik tengahnya perubahan tersebut. 

gambar5 Menentukan Resistansi ac atau resistansi dinamik

  Menetukan resistansi dinamik secara grafis seperti diuraikan di atas diperlukan adanya kurva karakteristik dengan skala pengukuran yang benar.  Cara lain untuk menentukan resistansi dinamik adalah melalui persamaan matematis.  Yaitu dengan mendiferensialkan persamaan 1.2 , maka diperoleh:

Resistansi dinamik adalah kebalikan dari persamaan tersebut, yaitu: 

 Karena iD >> Is, dan dianggap n = 1 dan VT = 26mV, maka:
 

 Persamaan (1.7) ini akan valid (tepat) hanya untuk bagian kurva yang mendekati vertikal. Apabila harga ID cukup kecil dan harga n = 2, maka hasilnya perlu dikalikan 2.  Resistansi total dari komponen dioda adalah rd ditambah dengan resistansi bahan semikonduktor (bulk resistansi) serta resistansi karena hubungan konektor dengan bahan (contact resistansi).
 

Rangkaian Ekivalen Dioda

Rangkaian ekivalen adalah gabungan dari beberapa elemen yang dianggap paling mewakili karakteristik suatu komponen atau sistem yang sesungguhnya.  Oleh karena itu suatu komponen dapat diganti dengan rangkaian elkivalennya tanpa mempengaruhi keseluruhan sistem dimana komponen tersebut berada.  Dalam banyak hal, penggantian komponen dengan ekivalennya akan memudahkan dalam analisis rangkain.  Istilah rangkaian ekivalen dioda ini sering juga disebut dengan model dioda. 

Secara umum terdapat tiga macam pendekatan yang digunakan untuk membuat rangkaian ekivalen suatu dioda semikonduktor.  Pendekatan yang paling sederhana adalah model dioda ideal.  Gambar 6 menunjukkan model dioda ideal dan karakteristiknya.   

gambar 6 Model dioda ideal (a) dan karakteristiknya (b)

Dioda ideal menyerupai suatu saklar, bila VD positip saklar akan menutup (dioda ON) sehingga arus ID besar dan bila VD negatip saklar akan membuka (dioda OFF) sehingga arus ID = 0.  Model dioda ideal dipakai terutama dalam kondisi apabila tegangan dan resistansi jaringan sangat besar, misalnya dalam power supply.

Pendekatan kedua adalah lebih lengkap dari model ideal yaitu model dioda sederhana.  Gambar 7 menunjukkan model dioda sederhana dan karakteristiknya.  Rangkaian ekivalennya terdiri atas dioda ideal yang diseri dengan tegangan baterai sebesar 0.7 V (untuk dioda silikon).

Tegangan baterai ini sebesar tegangan cut-in  dari dioda yang bersangkutan. Pendekatan ketiga adalah yang paling komplek yaitu rangkaian ekivalen piecewiselinier. Meskipun rangkaian ekivalen ini dianggap paling akurat, namun bagian nonlinier dari kurva bias maju tetap dianggap sebagai linier. Sehingga diperoleh seperti gambar 8.

gambar 7 Model dioda ideal (a) dan karakteristiknya (b)

gambar 8
Model dioda ideal (a) dan karakteristiknya (b)

 Sumber Pustaka

Boylestad and Nashelsky. (1992). Electronic Devices and Circuit Theory, 5th ed. Engelwood
         Cliffs, NJ: Prentice-Hall, Inc.

Floyd, T. (1991). Electric Circuits Fundamentals. New York: Merrill Publishing Co.

Malvino, A.P. (1993). Electronic Principles 5th Edition. Singapore: McGraw-Hill, Inc.

Milman & Halkias. (1972). Integrated Electronics: Analog and Digital Circuits and Systems.
        Tokyo: McGraw-Hill, Inc.

Savant, Roden, and Carpenter. (1987). Electronic Circuit Design: An Engineering Approach.
        Menlo Park, CA: The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc.

Stephen, F. (1990). Integrated devices: discrete and integrated. Englewood Cliffs, NJ: Pren-
        tice-Hall, Inc.