Prinsip Kerja Dioda, Transistor, dan Kapasitor

Prinsip Kerja Dioda, Transistor, dan Kapasitor

Halo para electrical engineer, jumpa lagi dengan saya yang tak bosan-bosan berbagi ilmu kepada anda semua. Hari ini saya akan berbagi tentang Prinsip Kerja Dioda, Transistor, dan Kapasitor. Semoga artikel ini dapat bermanfaat.

Semikonduktor

Ada 3 jenis bahan berkaitan dengan sifat baik buruknya pengantaran arus listrik yaitu :
1. Konduktor
2. Isolator
3. Semikonduktor

   Semikonduktor berada ditengah-tengah Konduktor dan Isolator, dia dapat mengantarkan arus listrik tetapi tidak sebaik konduktor, yang harus kita ketahui disini adalah bahwa Sifat konduktor dapat diubah dengan mudah hanya dengan menambahkan atom tambahan (istilahnya diberi Doping), penambahan sedikit saja dapat mempengaruhi struktur ikatan didalam semikonduktor dan akibatnya dapat mengubah sifat semikonduktor tersebut. Sifat itu pula lah yang akan menjadi dasar untuk pembentukan bahan berjenis N dan P.

  Silikon dan Germanium merupakan Semikonduktor yang akan dijadikan bahan berjenis P dan N, Silikon memiliki nomor atom 14 (Si 2|8|4) sedangkan germanium 32 (Ge 2|8|18|4), keduanya memiliki elektron valensi 4, dibawah ini merupakan gambar ikatan unsur tersebut dalam keadaan yang stabil.Tetapi jika kita memberikan doping misalnya unsur Phospor(P 2|8|5) memiliki elektron valensi 5, maka ikatan yang terbentuk tidak stabil atau memiliki sebuah elektron bebas.

 Oleh karena itu pada ikatan tersebut memiliki elektron bebas yang lebih sehingga mempengaruhi sifat unsur tersebut, untuk mengetahui perubahannya kita harus memperhatikan perubahan energi dari ikatan tersebut sebelum dan sesudah doping diberikan. Gambar dibawah ini merupakan penggambaran perubahan level energi pada unsur tersebut

  Dapat kita lihat bahwa sebelum diberi doping unsur tersebut membutuhkan energi yang cukup besar untuk mencapai sifat konduksi (elektron dapat lepas dari inti) tetapi setelah diberikannya doping atau memiliki elektron bebas, pada unsur tersebut didapati donor energy, sehingga energy yang dibutuhkan untuk mencapai kondisi konduksi tidak terlalu besar atau dengan kata lain atom tersebut dapat bersifat konduktor pada suhu yang lebih rendah (suhu kamar) daripada suhu sebelumnya.

inilah yang disebut bahan bertipe N 

pada bahan bertipe-N, Elektron merupakan carrier mayoritasnya.

  Untuk bahan tipe-P kita hanya perlu mengganti jenis dopingnya, jika pada tipe N doping yang kita beri memiliki elektron valensi 5 maka pada tipe P doping yang kita beri harus memilki elektron valensi 3, sehingga pada ikatan tersebut terdapat kekurangan elektron (dengan kata lain terbentuk Hole)

Definisi Dioda

     Jika dua tipe bahan semikonduktor ini dilekatkan/disambung, maka akan didapat sambungan P-N (p-n junction) yang dikenal sebagai dioda. Pada pembuatannya memang material tipe P dan tipe N bukan disambung secara harfiah, melainkan dari satu bahan (monolithic) dengan memberi doping (impurity material) yang berbeda.

Gb. Simbol Sambungan p-n

      Jika diberi tegangan maju (forward bias), dimana tegangan sisi P lebih besar dari sisi N, elektron dengan mudah dapat mengalir dari sisi N mengisi kekosongan elektron (hole) di sisi P.

Gb. Forwad bias

      Sebaliknya jika diberi tegangan balik (reverse bias), dapat dipahami tidak ada elektron yang dapat mengalir dari sisi N mengisi hole di sisi P, karena tegangan potensial di sisi N lebih tinggi. Dioda akan hanya dapat mengalirkan arus satu arah saja, sehingga dipakai untuk aplikasi rangkaian penyearah (rectifier). Dioda, Zener, LED, dan Varactor.

Dioda Bertegangan Tinggi (High Voltage Diodes)

      Menyediakan jajaran produk dioda daya yang serbaguna termasuk tipe dioda kaca dengan keandalan yang tinggi, perangkat pelindung tekanan tegangan (surge suppression) untuk melindungi peralatan elektronik (terutama dalam aplikasi otomotif) dan jenis bertegangan tinggi untuk pengoperasian tampilan pada frekuensi tinggi. Tersedia dalam bentuk axial lead, press-fitdan paket pemasangan permukaan (surface mount).

Prinsip Kerja Dioda 

  Dioda terbentuk dari bahan semikonduktor tipe P dan N yang digabungkan. Dengan demikian dioda sering disebut PN junction. Dioda adalah gabungan bahan semikonduktor tipe N yang merupakan bahan dengan kelebihan elektron dan tipe P adalah kekurangan satu elektron sehingga membentuk Hole. Hole dalam hal ini berfungsi sebagai pembawa muatan. Apabila kutub P pada dioda (biasa disebut anode) dihubungkan dengan kutub positif sumber maka akan terjadi pengaliran arus listrik dimana elektron bebas pada sisi N (katode) akan berpindah mengisi hole sehingga terjadi pengaliran arus.

Sebaliknya apabila sisi P dihubungkan dengan negatif baterai / sumber, maka elektron akan berpindah ke arah terminal positif sumber. Didalam dioda tidak akan terjadi perpindahan elektron.

Transistor

Komponen ini berfungsi sebagai penguat arus. Karena besar arus yang dikuatkan dapat diubah ke dalam bentuk tegangan, maka dapat dikatakan juga bahwa transistor dapat menguatkan tegangan.  Selain itu, transistor juga dapat berfungsi sebagai switch elektronik.

Ada dua jenis transistor, yaitu NPN dan PNP. Simbol kedua jenis transistor
tersebut ditunjukan oleh gambar.

Transistor NPN dan PNP

Transistor memiliki tiga kaki yang masing-masing harus dipasang secara tepat. Kesalahan pemasangan kaki-kaki transistor akan dapat merusakan transistor secara langsung. Perlu dicatat bahwa pada badan transistor tidak ada label yang menunjukan bahwa kaki transistor tersebut adalah B, C atau E. Dengan demikian, sebelum memasang sebuah transistor, pastikan dimana kaki B, C dan E dengan membaca datasheet-nya. Di dalam penggunaannya harus pula diperhatikan dua rating: daya disipasi kolektor, yaitu VCE x IC, dan breakdown voltage, yaitu VBE reverse.

Gambar diatas merupakan bahan P-N-P yang disusun sehingga membentuk transistor, bagaimana arus dapat mengalir dari Emitter menuju Collector?

pada gambar diatas kita memberi tegangan pada kaki emitter dan basis, pada kaki emitter (Tipe-P kiri) sekarang lebih positif sedangkan pada basis (tipe-N) bersifat negatif, oleh karena itu hole/ mayoritas carrier pada tipe P ditarik ke arah tipe N, dikarenakan tipe kaki basis lebih negatif dan sebaliknya elektron di tipe-N ditarik kearah tipe P, oleh sebab itu terjadilah aliran arus listrik yaitu aliran hole dari P ke N (Forward bias), dan jika kita perhatikan daerah deplesi menyempit sehingga mayoritas carrier dapat mengalir dengan mudah 

Selanjutnya marilah kita perhatikan gambar disamping ini pada tipe N dan tipe P (kanan) diberi tegangan sehingga kaki Basis positif sedangkan kaki Collector negatif, keadaan tersebut menyebabkan mayoritas carrier (elektron) tidak dapat mengalir dikarenakan daerah deplesi yang melebar sehingga menghalangi carrier mayoritas (elektron) , karena kaki Collector bersifat negatif maka hole (minoritas carrier) pada tipe N akan ditarik ke daerah P sehingga menyebabkan aliran minoritas carrier (hole) dari N ke P kanan. Yang menjadi masalah adalah minoritas carrier pada tipe-N terlalu sedikit untuk menyebabkan aliran kontiniu, untuk itu maka keadaan 1 dan 2 dikombinasikan dan menjadi gambar dibawah ini

Minoritas carrier (hole) pada tipe N disuplai oleh mayoritas carrier (hole) pada tipe P kiri, sehingga terjadilah aliran arus dari emiiter menuju Collector, tapi perlu kita perhatikan bahwa ada juga sedikit arus yang mengalir menuju kaki basis yang disebut arus basis.

Oleh karena itu dapat dituliskan

IE=IB+IC

Kapasitor

Meskipun kapasitor bukan termasuk bahan semikonduktor, saya akan tetap menambahkannya sebagai Penambah wawasan para Electrical Engineer yang setia membaca artikel ini.

Kapasitor adalah komponen elektronika yang dapat menyimpan muatan listrik. Struktur sebuah kapasitor terbuat dari 2 buah plat metal yang dipisahkan oleh suatu bahan dielektrik.
Bahan-bahan dielektrik yang umum dikenal misalnya udara vakum, keramik, gelas dan lain-lain. Jika kedua ujung plat metal diberi tegangan listrik, maka muatan-muatan positif akan mengumpul pada salah satu kaki (elektroda) metalnya dan pada saat yang sama muatan-muatan negatif terkumpul pada ujung metal yang satu lagi.
Muatan positif tidak dapat mengalir menuju ujung kutup negatif dan sebaliknya muatan negatif tidak bisa menuju ke ujung kutup positif, karena terpisah oleh bahan dielektrik yang non-konduktif.

Muatan elektrik ini “tersimpan” selama tidak ada konduksi pada ujung-ujung kakinya. Di alam bebas, fenomena kapasitor ini terjadi pada saat terkumpulnya muatan-muatan positif dan negatif di awan.

Tipe Kapasitor
Kapasitor terdiri dari beberapa tipe, tergantung dari bahan dielektriknya. Untuk lebih sederhana dapat dibagi menjadi 3 bagian, yaitu kapasitor electrostatic, electrolytic dan electrochemical.

Kapasitor Electrostatic

Kapasitor electrostatic adalah kelompok kapasitor yang dibuat dengan bahan dielektrik dari keramik, film dan mika. Keramik dan mika adalah bahan yang popular serta murah untuk membuat kapasitor yang kapasitansinya kecil. Tersedia dari besaran pF sampai beberapa uF, yang biasanya untuk aplikasi rangkaian yang berkenaan dengan frekuensi tinggi. Termasuk kelompok bahan dielektrik film adalah bahan-bahan material seperti polyester (polyethylene terephthalate atau dikenal dengan sebutan mylar), polystyrene,polyprophylene, polycarbonate, metalized paper dan lainnya.

Mylar, MKM, MKT adalah beberapa contoh sebutan merek dagang untuk kapasitor dengan bahan-bahan dielektrik film. Umumnya kapasitor kelompok ini adalah non-polar.

Kapasitor Electrolytic

Kelompok kapasitor electrolytic terdiri dari kapasitor-kapasitor yang bahan dielektriknya adalah lapisan metal-oksida.Umumnya kapasitor yang termasuk kelompok ini adalah kapasitor polar dengantanda + dan – di badannya. Mengapa kapasitor ini dapat memiliki polaritas, adalah karena proses pembuatannya menggunakan elektrolisa sehingga terbentuk kutup positif anoda dan kutup negatif katoda.

Telah lama diketahui beberapa metal seperti tantalum, aluminium, magnesium, titanium, niobium, zirconium dan seng (zinc) permukaannya dapat dioksidasi sehingga membentuk lapisan metal-oksida . contoh dari kapasitor ini yaitu Elco / kondensator.

Lapisan oksidasi ini terbentuk melalui proses elektrolisa, seperti pada proses penyepuhan emas. Elektroda metal yang dicelup kedalam larutan electrolit (sodium borate) lalu diberi tegangan positif (anoda) dan larutan electrolit diberi tegangan negatif (katoda). Oksigen pada larutan electrolyte terlepas dan mengoksidai permukaan plat metal. Contohnya, jika digunakan Aluminium, maka akan terbentuk lapisan Aluminium-oksida (Al2O3) pada permukaannya.

Dengan demikian berturut-turut plat metal (anoda), lapisan-metal-oksida dan electrolyte(katoda) membentuk kapasitor. Dalam hal ini lapisan-metal-oksida sebagai dielektrik. Lapisan metal-oksida ini sangat tipis,sehingga dengan demikian dapat dibuat kapasitor yang kapasitansinya cukup besar. Karena alasan ekonomis dan praktis, umumnya bahan metal yang banyak digunakan adalah aluminium dan tantalum. Bahan yang paling banyak dan murah adalah Aluminium. Untuk mendapatkan permukaan yang luas, bahan plat Aluminium ini biasanya digulung radial. Sehingga dengan cara itu dapat diperoleh kapasitor yang kapasitansinya besar.

Sebagai contoh 100uF, 470uF, 4700uF dan lain-lain, yang sering juga disebut kapasitor elco. Bahan electrolyte pada kapasitor Tantalum ada yang cair tetapi ada juga yang padat. Disebut electrolyte padat, tetapi sebenarnya bukan larutan electrolit yang menjadi elektroda negatif-nya, melainkan bahan lain yaitu manganese-dioksida. Dengan demikian kapasitor jenis ini bisa memiliki kapasitansi yang besar namun menjadi lebih ramping dan mungil. Selain itu karena seluruhnya padat, maka waktu kerjanya (lifetime) menjadi lebih tahan lama. Kapasitor tipe ini juga memiliki arus bocor yang sangat kecil Jadi dapat dipahami mengapa kapasitor Tantalum menjadi relatif mahal.

Kapasitor Electrochemical

Satu jenis kapasitor lain adalah kapasitor electrochemical. Termasuk kapasitor jenis ini adalah batere dan accu. Pada kenyataanya batere dan accu adalah kapasitor yang sangat baik, karena memiliki kapasitansi yang besar dan arus bocor (leakage current) yang sangat kecil. Tipe kapasitor jenis ini juga masih dalam pengembangan untuk mendapatkan kapasitansi yang besar namun kecil dan ringan, misalnya untuk applikasi mobil elektrik dan telepon selular.

Kapasitor Electrochemical Satu jenis kapasitor lain adalah kapasitor electrochemical. Termasuk kapasitor jenis ini adalah batere dan accu. Pada kenyataanya batere dan accu adalah kapasitor yang sangat baik, karena memiliki kapasitansi yang besar dan arus bocor (leakage current) yang sangat kecil. Tipe kapasitor jenis ini juga masih dalam pengembangan untuk mendapatkan kapasitansi yang besar namun kecil dan ringan, misalnya untuk applikasi mobil elektrik dan telepon selular.