Apa itu Dioda PN Junction?

Apa itu Dioda PN Junction?

Dioda PN Junction

Dioda PN junction adalah komponen dasar dalam elektronik. Dalam jenis dioda ini, satu sisi dari semikonduktor diberi dopan dengan impuritas penerima (P-type) dan sisi lainnya dengan impuritas donor (N-type). Dioda ini dapat diklasifikasikan sebagai 'step graded' atau 'linearly graded' junction.

Dalam dioda PN junction step graded, konsentrasi dopan seragam di kedua sisi hingga ke junction. Dalam junction yang linearly graded, konsentrasi dopan berubah hampir linear dengan jarak dari junction. Tanpa adanya tegangan yang diterapkan, elektron bebas bergerak ke sisi P dan lubang bergerak ke sisi N, di mana mereka bergabung.

Atom-atom penerima dekat dengan junction di sisi P menjadi ion negatif, dan atom-atom donor dekat dengan junction di sisi N menjadi ion positif. Hal ini menciptakan medan listrik yang menentang difusi lebih lanjut dari elektron dan lubang. Wilayah dengan ion yang tidak tertutup ini disebut wilayah deplesi.

Jika kita menerapkan tegangan bias maju ke dioda pn junction. Itu berarti jika sisi positif baterai terhubung ke sisi P, maka lebar wilayah deplesi berkurang dan pembawa muatan (lubang dan elektron bebas) mengalir melintasi junction. Jika kita menerapkan tegangan bias mundur ke dioda, lebar wilayah deplesi bertambah dan tidak ada muatan yang bisa mengalir melintasi junction.

Karakteristik Dioda PN Junction

Mari kita pertimbangkan sebuah junction pn dengan konsentrasi donor ND dan konsentrasi penerima NA. Mari juga kita asumsikan bahwa semua atom donor telah menyumbangkan elektron bebas dan menjadi ion donor positif dan semua atom penerima telah menerima elektron dan menciptakan lubang yang sesuai dan menjadi ion penerima negatif. Jadi kita dapat mengatakan konsentrasi elektron bebas (n) dan ion donor ND adalah sama dan demikian pula, konsentrasi lubang (p) dan ion penerima (NA) adalah sama. Di sini, kita mengabaikan lubang dan elektron bebas yang diciptakan dalam semikonduktor karena impuritas dan cacat yang tidak disengaja.

Di seberang junction pn, elektron bebas yang disumbangkan oleh atom donor di sisi n-tipe difusi ke sisi p-tipe dan bergabung dengan lubang. Demikian pula, lubang yang diciptakan oleh atom penerima di sisi p-tipe difusi ke sisi n-tipe dan bergabung dengan elektron bebas. Setelah proses rekomposisi ini, terdapat kekurangan atau deplesi pembawa muatan (elektron bebas dan lubang) di seberang junction. Wilayah di seberang junction di mana pembawa muatan bebas mendapatkan deplesi disebut wilayah deplesi.

Akibat tidak adanya pembawa muatan bebas (elektron bebas dan lubang), ion donor di sisi n-tipe dan ion penerima di sisi p-tipe di seberang junction menjadi tidak tertutup. Ion-ion donor positif yang tidak tertutup menuju sisi n-tipe di dekat junction dan ion-ion penerima negatif yang tidak tertutup menuju sisi p-tipe di dekat junction menyebabkan muatan ruang di seberang junction pn. Potensial yang berkembang di seberang junction akibat muatan ruang ini disebut potensial difusi. Potensial difusi di seberang dioda pn junction dapat dinyatakan sebagai Potensial difusi menciptakan penghalang potensial untuk migrasi lebih lanjut dari elektron bebas dari sisi n-tipe ke sisi p-tipe dan lubang dari sisi p-tipe ke sisi n-tipe. Artinya, potensial difusi mencegah pembawa muatan untuk menyeberangi junction.

 Wilayah ini sangat resistif karena deplesi pembawa muatan bebas di wilayah ini. Lebar wilayah deplesi tergantung pada tegangan bias yang diterapkan. Hubungan antara lebar wilayah deplesi dan tegangan bias dapat direpresentasikan oleh persamaan yang disebut Persamaan Poisson. Di sini, ε adalah permitivitas semikonduktor dan V adalah tegangan bias. Jadi, pada penerapan tegangan bias maju, lebar wilayah deplesi yaitu penghalang pn junction berkurang dan akhirnya hilang.

Oleh karena itu, tanpa adanya penghalang potensial di seberang junction dalam kondisi bias maju, elektron bebas memasuki wilayah p-tipe dan lubang memasuki wilayah n-tipe, di mana mereka bergabung dan melepaskan foton pada setiap rekomposisi. Sebagai hasilnya, akan ada arus maju yang mengalir melalui dioda. Arus melalui junction PN dinyatakan sebagai Di sini, tegangan V diterapkan di seberang junction pn dan arus total I, mengalir melalui junction pn.

I s adalah arus saturasi balik, e = muatan elektron, k adalah konstanta Boltzmann dan T adalah suhu dalam skala Kelvin.

Grafik di bawah ini menunjukkan karakteristik arus-tegangan dari dioda PN junction.Ketika, V positif junction tersebut bias maju, dan ketika V negatif, junction tersebut bias mundur. Ketika V negatif dan kurang dari VTH, arus minimal. Tetapi ketika V melebihi VTH, arus tiba-tiba menjadi sangat tinggi. Tegangan VTH dikenal sebagai tegangan ambang atau cut in voltage. Untuk dioda silikon VTH = 0,6 V. Pada tegangan balik yang sesuai dengan titik P, terdapat peningkatan tiba-tiba pada arus balik. Bagian karakteristik ini dikenal sebagai wilayah breakdown.

Junction Step Graded

Dalam junction step graded, konsentrasi dopan seragam hingga ke junction di kedua sisi.

Wilayah Deplesi

Wilayah deplesi terbentuk di junction di mana elektron bebas dan lubang bergabung, menciptakan area tanpa pembawa muatan bebas.

Bias Maju

Menerapkan bias maju mengurangi lebar wilayah deplesi, memungkinkan arus mengalir.

Bias Mundur

Menerapkan bias mundur meningkatkan lebar wilayah deplesi, mencegah aliran arus hingga tegangan breakdown tercapai.