Dioda
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.
Awal mula dari dioda adalah peranti kristal Cat's Whisker dan tabung hampa (juga disebut katup termionik). Saat ini dioda yang paling umum dibuat dari bahan semikonduktor seperti silikon atau germanium.
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 307031), 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 803684 pada November 1905). Pickard mendapatkan paten untuk detektor kristal silikon pada 20 November 1906 (U.S. Patent 836531).
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 diantara 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 didalam daerah pemiskinan yang memperlambat penggabungan dan akhirnya menghentikannya. Medan listrik ini menghasilkan tegangan tetap dalam pertemuan.
Jenis-jenis dioda semikonduktor
Simbol berbagai jenis dioda
Kemasan dioda sejajar dengan simbolnya, pita menunjukkan sisi katoda
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 bahang yang besar (kadang-kadang perpanjangan dari substrat logam dari dioda), jauh lebih besar dari dioda silikon untuk rating arus yang sama.
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.
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.
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.
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 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.
Penggunaan
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
Penyearah dibuat dari dioda, dimana dioda digunakan untuk mengubah arus bolak-balik menjadi arus searah. Contoh yang paling banyak ditemui adalah pada rangkaian adaptor. Pada adaptor, dioda digunakan untuk menyearahkan arus bolak-balik menjadi arus searah. Sedangkan contoh yang lain adalah alternator otomotif, dimana dioda mengubah AC menjadi DC dan memberikan performansi yang lebih baik dari cincin komutator dari dinamo DC.
