Bab 3 — Dioda Semikonduktor

3.1 Material Semikonduktor

Semikonduktor adalah material dengan konduktivitas listrik antara konduktor (logam) dan isolator. Sifat unik semikonduktor adalah bahwa konduktivitasnya dapat dikendalikan melalui proses doping — penambahan atom impuritas dalam jumlah sangat kecil.

Semikonduktor Intrinsik

Semikonduktor murni tanpa impuritas disebut intrinsik. Material yang paling umum adalah Silikon (Si) dengan atom valensi 4, membentuk ikatan kovalen tetrahedral. Pada suhu 0 K, semua elektron terikat dan tidak ada pembawa muatan bebas. Pada suhu kamar, energi termal memecah beberapa ikatan, menghasilkan pasangan electron-hole.

Konsentrasi Intrinsik (Silikon, 300 K) $$n_i \approx 1{,}5 \times 10^{10} \text{ cm}^{-3}$$

Pada semikonduktor intrinsik, konsentrasi elektron dan hole sama:

$$n = p = n_i$$

Semikonduktor Ekstrinsik

Dengan menambahkan atom impuritas (doping), kita dapat menghasilkan dua tipe semikonduktor ekstrinsik:

Aspek	N-type	P-type
Doping dengan	Atom pentavalen (P, As, Sb)	Atom trivalen (B, Ga, In)
Pembawa mayoritas	Elektron ($n$)	Hole ($p$)
Pembawa minoritas	Hole ($p$)	Elektron ($n$)
Atom dopan disebut	Donor (donor elektron)	Akseptor (akseptor elektron)
Relasi massa aksi	$n \cdot p = n_i^2$ (selalu terjaga)

Analogi Sederhana

Bayangkan sebuah ruangan penuh kursi (ikatan kovalen). N-type = kursi ekstra ditambahkan, sehingga ada orang yang berdiri (elektron bebas berlebih). P-type = beberapa kursi dihilangkan, sehingga ada kursi kosong yang bisa "ditempati" oleh orang yang pindah (hole bergerak).

3.2 Junction PN dan Depletion Region

Ketika semikonduktor N-type dan P-type disatukan, terbentuk junction PN — fondasi dari hampir semua komponen semikonduktor modern. Pada antarmuka ini terjadi proses yang sangat penting:

Gambar 3.1 — Struktur Junction PN dan depletion region

Pembentukan Depletion Region

1. Elektron dari N-side berdifusi ke P-side, hole dari P-side berdifusi ke N-side
2. Rekombinasi electron-hole meninggalkan ion negatif di P-side dan ion positif di N-side
3. Ion-ion ini membentuk medan listrik internal $\mathcal{E}$ yang menahan difusi lebih lanjut
4. Keseimbangan tercapai — depletion region stabil dengan potensial barrier $V_0$ (biasanya ~0,7V untuk Si)

Bias Maju (Forward Bias)

Sumber tegangan external dihubungkan dengan polaritas: positif ke P-side, negatif ke N-side. Tegangan external ini menekan potensial barrier, depletion region menyempit, dan arus dapat mengalir dengan mudah.

Bias Mundur (Reverse Bias)

Polaritas dibalik: positif ke N-side, negatif ke P-side. Tegangan external memperkuat potensial barrier, depletion region melebar, dan hampir tidak ada arus yang mengalir — hanya arus kebocoran sangat kecil ($I_s$, orde nA).

3.3 Kurva Karakteristik I-V Dioda

Hubungan antara arus dan tegangan dioda dinyatakan oleh persamaan Shockley:

Persamaan Shockley (Dioda Ideal) $$I_D = I_S \left( e^{V_D / (nV_T)} - 1 \right)$$

di mana:

$I_D$ = arus dioda (A)
$I_S$ = arus saturasi balik, orde $10^{-12}$ hingga $10^{-15}$ A untuk Si
$V_D$ = tegangan pada dioda (V)
$n$ = faktor idealitas, biasanya $1$ hingga $2$ (dioda Si umumnya $n \approx 1{,}5$–$2$)
$V_T$ = tegangan termal $= kT/q$

Tegangan Termal $$V_T = \frac{kT}{q} \approx \frac{1{,}381 \times 10^{-23} \times 300}{1{,}602 \times 10^{-19}} \approx 25{,}9 \text{ mV} \approx 26 \text{ mV}$$

Gambar 3.2 — Kurva karakteristik I-V dioda silikon

Tegangan Maju Dioda ($V_F$)

Pada praktiknya, dioda dianggap "menyala" ketika tegangan forward mencapai nilai tertentu. Tegangan ini bergantung pada material:

Material	$V_F$ (khas)	$I_S$ (khas)	Kegunaan
Silikon (Si)	0,6 – 0,7 V	$\sim 10^{-12}$ A	Umum, penyearah
Germanium (Ge)	0,2 – 0,3 V	$\sim 10^{-6}$ A	Rangkaian RF, detektor
Gallium Arsenide (GaAs)	1,0 – 1,3 V	$\sim 10^{-15}$ A	LED, frekuensi tinggi

3.4 Model Dioda untuk Analisis Rangkaian

Untuk menyederhanakan analisis rangkaian, kita menggunakan tiga model dioda dengan tingkat akurasi berbeda:

Model 1: Dioda Ideal

Dioda dianggap sebagai saklar ideal: short-circuit saat forward bias, open-circuit saat reverse bias.

Model Ideal $$V_D = 0 \quad \text{(forward)} \qquad I_D = 0 \quad \text{(reverse)}$$

Model 2: Dioda dengan Tegangan Threshold

Menambahkan tegangan maju konstan $V_\gamma$ (biasanya 0,7V untuk Si). Lebih akurat untuk analisis cepat.

Model Threshold $$V_D = V_\gamma = 0{,}7\text{ V} \quad \text{(forward)} \qquad I_D = 0 \quad \text{(reverse)}$$

Model 3: Dioda dengan Resistansi Linearisasi

Model paling akurat di antara ketiganya: menambahkan resistansi dinamis $r_D$ secara seri dengan $V_\gamma$.

Resistansi Dinamis $$r_D = \frac{\Delta V_D}{\Delta I_D} \approx \frac{nV_T}{I_{DQ}}$$

di mana $I_{DQ}$ adalah arus DC operasi (quiescent current). Misalnya pada $I_{DQ} = 10\text{ mA}$ dan $n = 1$: $r_D \approx 26\text{ mV} / 10\text{ mA} = 2{,}6\ \Omega$.

Pemilihan Model

Gunakan model ideal untuk estimasi cepat atau ketika $V_{source} \gg V_\gamma$. Gunakan model threshold untuk sebagian besar analisis rangkaian DC. Gunakan model resistansi hanya ketika akurasi tegangan dibutuhkan atau untuk analisis sinyal kecil.

3.5 Rangkaian Penyearah (Rectifier)

Fungsi utama penyearah adalah mengubah tegangan AC menjadi tegangan DC. Ini adalah aplikasi dioda yang paling fundamental dan menjadi bagian pertama dari setiap sumber catu daya.

Penyearah Half-Wave

Menggunakan satu dioda. Hanya setengah siklus positif yang dilewatkan.

Gambar 3.3 — Gelombang output penyearah half-wave

Tegangan DC Rata-rata — Half-Wave $$V_{DC} = \frac{V_m}{\pi} \approx 0{,}318 \, V_m$$

Ripple Factor — Half-Wave $$r = \frac{V_{rms(ac)}}{V_{DC}} = 1{,}21$$

Penyearah Full-Wave (Center-Tapped)

Menggunakan dua dioda dan trafo center-tapped. Kedua setengah siklus digunakan, menghasilkan output DC yang lebih halus.

Tegangan DC Rata-rata — Full-Wave $$V_{DC} = \frac{2V_m}{\pi} \approx 0{,}636 \, V_m$$

Ripple Factor — Full-Wave $$r = 0{,}48$$

Penyearah Bridge (Graetz)

Menggunakan empat dioda dalam konfigurasi jembatan. Tidak memerlukan trafo center-tapped, sehingga lebih efisien dan paling umum digunakan.

Gambar 3.4 — Konfigurasi penyearah bridge (Graetz)

Perbandingan Tegangan Output

Untuk tegangan sekunder trafo $V_{rms}$: Half-wave menghasilkan $V_{DC} \approx 0{,}45 \, V_{rms}$, sedangkan full-wave bridge menghasilkan $V_{DC} \approx 0{,}9 \, V_{rms}$. Full-wave bridge memberikan tegangan DC dua kali lipat dibanding half-wave dari trafo yang sama.

3.6 Clipper dan Clamper

Clipper (Pemotong)

Clipper memotong bagian sinyal yang melebihi level tertentu. Dioda berfungsi sebagai saklar yang mengaktifkan pemotongan saat tegangan melewati threshold.

Gambar 3.3 — Rangkaian positive clipper dan bentuk output

Gambar 3.4 — Rangkaian negative clipper dan bentuk output

Gambar 3.5 — Combination clipper (bi-directional) dan bentuk output

Clamper (Penggeser DC)

Clamper menggeser seluruh sinyal ke level DC yang berbeda tanpa mengubah bentuknya. Komponen utama: dioda + kapasitor.

Gambar 3.6 — Rangkaian positive clamper dan pergeseran sinyal

Clipper vs Clamper

Clipper mengubah bentuk sinyal (memotong puncak). Clamper mengubah posisi sinyal (menggeser naik/turun) tanpa mengubah bentuknya.

3.7 Dioda Zener

Dioda Zener dirancang untuk bekerja di daerah breakdown balik tanpa rusak. Pada tegangan Zener ($V_Z$) tertentu, dioda mengalirkan arus balik sambil mempertahankan tegangan hampir konstan — dasar regulasi tegangan.

Gambar 3.7 — Rangkaian regulator tegangan Zener dengan arus dan legend simbol

Parameter Zener

Parameter	Simbol	Keterangan
Tegangan Zener	$V_Z$	Tegangan breakdown (3,3V – 75V umum)
Arus Zener minimum	$I_{ZK}$	Arus minimum agar regulasi efektif
Arus Zener maksimum	$I_{ZM}$	Dibatasi oleh daya maksimum
Resistansi Zener	$r_Z$	Perubahan kecil $V_Z$ terhadap $I_Z$ (idealnya 0)
Daya	$P_Z = V_Z \cdot I_Z$	Tidak boleh melebihi rating

Syarat Regulasi

(1) $V_{in}$ harus selalu $> V_Z$, (2) $I_Z$ harus antara $I_{ZK}$ dan $I_{ZM}$ untuk semua kondisi beban. Jika beban terlalu berat, $I_Z$ bisa turun di bawah $I_{ZK}$ dan regulasi gagal.

3.8 LED dan Fotodioda

LED (Light Emitting Diode)

LED memanfaatkan emisi spontan foton saat elektron dan hole rekombinasi di junction PN. Tegangan maju dan warna cahaya ditentukan oleh bandgap energy material semikonduktor.

Warna	Material	$V_F$ (khas)	$\lambda$ (nm)
Merah	GaAsP	1,8 – 2,2 V	630 – 660
Kuning	GaAsP	2,0 – 2,4 V	585 – 595
Hijau	GaP	2,2 – 2,6 V	555 – 570
Biru	GaN	2,8 – 3,5 V	450 – 470
Putih	GaN + fosfor	3,0 – 3,8 V	Broadband

LED selalu memerlukan resistor pembatas arus. Tanpa resistor, arus akan meningkat tak terkendali dan LED akan cepat rusak:

Resistor Pembatas LED $$R = \frac{V_{supply} - V_F}{I_F}$$

Fotodioda

Fotodioda bekerja dengan prinsip kebalikan LED: cahaya yang mengenai junction PN menghasilkan pasangan electron-hole, menciptakan arus foto. Fotodioda dioperasikan dalam reverse bias agar arus gelap ($I_{dark}$) minimal dan arus foto proporsional terhadap intensitas cahaya.

Arus Fotodioda $$I_{total} = I_S \left(e^{V/(nV_T)} - 1\right) - I_{photo}$$

di mana $I_{photo} = S \cdot P_{in}$, dengan $S$ adalah sensitivitas (A/W) dan $P_{in}$ adalah daya cahaya yang diterima.

3.9 Contoh Soal

Contoh 3.1 — Penyearah Half-Wave

Sebuah penyearah half-wave dihubungkan ke trafo dengan tegangan sekunder $V_{rms} = 12\text{ V}$. Hitung: (a) tegangan puncak, (b) tegangan DC rata-rata, (c) PIV dioda.

(a) Tegangan puncak:
$$V_m = \sqrt{2} \times V_{rms} = \sqrt{2} \times 12 \approx 16{,}97\text{ V} \approx 17\text{ V}$$

(b) Tegangan DC rata-rata (model ideal):
$$V_{DC} = \frac{V_m}{\pi} = \frac{16{,}97}{\pi} \approx 5{,}40\text{ V}$$

(c) Peak Inverse Voltage (PIV):
Pada half-wave, saat dioda off, dioda menahan tegangan puncak penuh:
$$\text{PIV} = V_m \approx 17\text{ V}$$

Jawaban $V_m \approx 17\text{ V}$ | $V_{DC} \approx 5{,}40\text{ V}$ | $\text{PIV} \approx 17\text{ V}$

Contoh 3.2 — Regulator Zener

Regulator Zener dengan $V_Z = 5{,}1\text{ V}$ dan $I_{ZK} = 5\text{ mA}$ dihubungkan ke sumber $V_{in} = 12\text{ V}$ melalui $R_S = 100\ \Omega$. Beban $R_L = 1\text{ k}\Omega$. Verifikasi apakah regulasi bekerja dan hitung daya pada Zener.

Langkah 1 — Arus beban:
$$I_L = \frac{V_Z}{R_L} = \frac{5{,}1}{1000} = 5{,}1\text{ mA}$$

Langkah 2 — Arus total melalui $R_S$:
$$I_{RS} = \frac{V_{in} - V_Z}{R_S} = \frac{12 - 5{,}1}{100} = \frac{6{,}9}{100} = 69\text{ mA}$$

Langkah 3 — Arus Zener:
$$I_Z = I_{RS} - I_L = 69 - 5{,}1 = 63{,}9\text{ mA}$$

Langkah 4 — Verifikasi: $I_Z = 63{,}9\text{ mA} > I_{ZK} = 5\text{ mA}$ ✅ — regulasi bekerja.

Langkah 5 — Daya Zener:
$$P_Z = V_Z \times I_Z = 5{,}1 \times 63{,}9 \times 10^{-3} \approx 0{,}326\text{ W} = 326\text{ mW}$$

Jawaban Regulasi bekerja ($I_Z > I_{ZK}$) | $I_Z \approx 63{,}9\text{ mA}$ | $P_Z \approx 326\text{ mW}$

Contoh 3.3 — Resistor Pembatas LED

Sebuah LED biru ($V_F = 3{,}3\text{ V}$, $I_F = 20\text{ mA}$) akan dihubungkan ke sumber $5\text{ V}$. Hitung resistor pembatas yang diperlukan dan daya yang terdisipasi di resistor.

Resistor pembatas:
$$R = \frac{V_{supply} - V_F}{I_F} = \frac{5 - 3{,}3}{20 \times 10^{-3}} = \frac{1{,}7}{0{,}02} = 85\ \Omega$$

Pilih nilai standar terdekat: $82\ \Omega$ atau $100\ \Omega$. Menggunakan $100\ \Omega$ (lebih aman, arus sedikit lebih rendah):
$$I_F' = \frac{5 - 3{,}3}{100} = 17\text{ mA} \quad \text{(masih cukup terang)}$$

Daya pada resistor ($R = 100\ \Omega$):
$$P_R = I_F'^2 \times R = (0{,}017)^2 \times 100 \approx 0{,}029\text{ W} = 29\text{ mW}$$

Jawaban $R = 85\ \Omega$ (kalkulasi) → gunakan $100\ \Omega$ standar | $P_R \approx 29\text{ mW}$

Contoh 3.4 — Analisis Dioda dengan Model Threshold

Rangkaian terdiri dari sumber $10\text{ V}$, resistor $470\ \Omega$, dan dioda Si (model $V_\gamma = 0{,}7\text{ V}$) dalam seri. Hitung arus dan tegangan pada masing-masing komponen.

Periksa apakah dioda forward-bias: Sumber $+10\text{ V}$ → arus mengalir melalui dioda ke ground → ya, forward bias.

Terapkan KVL (Kirchhoff's Voltage Law):
$$V_s - I \cdot R - V_D = 0$$ $$10 - I(470) - 0{,}7 = 0$$

Arus:
$$I = \frac{10 - 0{,}7}{470} = \frac{9{,}3}{470} \approx 0{,}01979\text{ A} \approx 19{,}8\text{ mA}$$

Tegangan pada resistor:
$$V_R = I \times R = 0{,}01979 \times 470 \approx 9{,}3\text{ V}$$

Verifikasi: $V_R + V_D = 9{,}3 + 0{,}7 = 10\text{ V} = V_s$ ✅

Jawaban $I \approx 19{,}8\text{ mA}$ | $V_R \approx 9{,}3\text{ V}$ | $V_D = 0{,}7\text{ V}$

3.10 Pertanyaan Latihan

Jawablah pertanyaan-pertanyaan berikut untuk menguji pemahaman Anda.

Soal 1

Jelaskan mengapa semikonduktor N-type tidak bermuatan negatif meskipun memiliki elektron bebas berlebih. Jelaskan peran ion donor dalam menjaga kenetralan muatan.

Soal 2

Hitung arus dioda menggunakan persamaan Shockley jika $V_D = 0{,}65\text{ V}$, $I_S = 5 \times 10^{-12}\text{ A}$, dan $n = 1{,}5$. Gunakan $V_T = 26\text{ mV}$. Bandingkan dengan model threshold ($V_\gamma = 0{,}7\text{ V}$) — apakah perbedaannya signifikan?

Soal 3

Sebuah penyearah full-wave bridge menerima tegangan sekunder $V_{rms} = 15\text{ V}$. Hitung: (a) $V_m$, (b) $V_{DC}$, (c) PIV setiap dioda, (d) frekuensi ripple jika frekuensi AC adalah $50\text{ Hz}$.

Soal 4

Regulator Zener $V_Z = 3{,}3\text{ V}$, $I_{ZK} = 1\text{ mA}$, $P_{Z,max} = 500\text{ mW}$ dihubungkan ke $V_{in} = 9\text{ V}$ dengan $R_S = 150\ \Omega$. Tentukan rentang $R_L$ yang diizinkan agar regulasi bekerja dengan aman.

Soal 5

Tiga LED merah ($V_F = 2\text{ V}$, $I_F = 15\text{ mA}$) akan disusun paralel dan dihubungkan ke sumber $5\text{ V}$. Hitung: (a) resistor pembatas yang diperlukan untuk setiap LED (masing-masing punya resistor sendiri), (b) total arus dari sumber, (c) mengapa tidak disarankan menyusun LED paralel tanpa resistor individual?

Soal 6

Sebuah rangkaian clipper paralel positif menggunakan dioda Si ($V_\gamma = 0{,}7\text{ V}$) tanpa bias. Jika input adalah sinyal sinusoida $v_{in}(t) = 8\sin(\omega t)\text{ V}$, gambar dan jelaskan bentuk gelombang output. Berapa nilai puncak output?