Dioda adalah komponen elektronik dua terminal yang menghantarkan arus terutama ke satu arah (konduktansi asimetris). Dioda memiliki resistansi rendah (idealnya nol) di satu arah dan resistansi tinggi (idealnya tak terbatas) di arah lainnya.
Dioda semikonduktor, jenis yang paling umum digunakan saat ini, adalah sepotong kristal bahan semikonduktor dengan sambungan p-n yang terhubung ke dua terminal listrik. Ini memiliki karakteristik arus-tegangan eksponensial. Dioda semikonduktor adalah perangkat elektronik semikonduktor pertama. Penemuan konduksi listrik asimetris melintasi kontak antara mineral kristal dan logam dibuat oleh fisikawan Jerman Ferdinand Braun pada tahun 1874. Saat ini, sebagian besar dioda terbuat dari silikon, tetapi bahan semikonduktor lain seperti galium arsenida dan germanium juga digunakan.
Dioda termionik usang adalah tabung vakum dengan dua elektroda, katoda yang dipanaskan dan pelat, di mana elektron dapat mengalir hanya dalam satu arah, dari katoda ke pelat. Di antara banyak kegunaannya, dioda ditemukan dalam penyearah untuk mengubah daya arus bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC), demodulasi pada penerima radio, dan bahkan dapat digunakan untuk logika atau sebagai sensor suhu. Varian umum dioda adalah dioda pemancar cahaya, yang digunakan sebagai penerangan listrik dan indikator status pada perangkat elektronik.
Fungsi utama
Aliran arus searah
Fungsi dioda yang paling umum adalah untuk memungkinkan arus listrik mengalir ke satu arah (disebut arah maju dioda), sementara menghalanginya ke arah yang berlawanan (arah mundur ). Analogi hidroliknya adalah katup periksa. Perilaku searah ini dapat mengubah arus bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC), sebuah proses yang disebut penyearahan. Sebagai penyearah, dioda dapat digunakan untuk tugas-tugas seperti mengekstraksi modulasi dari sinyal radio di penerima radio.
Tegangan ambang batas
Karakteristik arus-tegangan eksponensial dioda semikonduktor menghasilkan perilaku yang lebih rumit daripada aksi on-off yang sederhana. Karena fungsi eksponensial dapat dilihat sebagai memiliki tegangan "lutut", untuk kesederhanaan, dioda biasanya dikatakan memiliki tegangan ambang batas, di atasnya terdapat arus yang signifikan dan di bawahnya hampir tidak ada arus. Namun, ini hanya perkiraan karena karakteristik maju secara bertahap dalam kurva tegangan-arus.
Karena penurunan tegangan arah maju dioda hanya sedikit bervariasi dengan arus, dan lebih merupakan fungsi suhu, efek ini dapat digunakan sebagai sensor suhu atau sebagai referensi tegangan yang agak tidak tepat.
Kerusakan terbalik
Resistansi tinggi dioda terhadap arus yang mengalir ke arah sebaliknya tiba-tiba turun menjadi resistansi rendah ketika tegangan balik melintasi dioda mencapai nilai yang disebut tegangan tembus. Efek ini digunakan untuk mengatur tegangan(dioda Zener) atau untuk melindungi sirkuit dari lonjakan tegangan tinggi(dioda longsor).
Fungsi lain
Karakteristik arus-tegangan dioda semikonduktor dapat disesuaikan dengan memilih bahan semikonduktor dan pengotor doping yang dimasukkan ke dalam bahan selama pembuatan. Teknik-teknik ini digunakan untuk membuat dioda tujuan khusus yang menjalankan banyak fungsi berbeda. Misalnya, untuk menyetel penerima radio dan TV secara elektronik(dioda varaktor), untuk menghasilkan osilasi frekuensi radio(dioda terowongan, dioda Gunn, dioda IMPATT), dan untuk menghasilkan cahaya(dioda pemancar cahaya). Dioda Tunnel, Gunn dan IMPATT menunjukkan resistansi negatif, yang berguna dalam gelombang mikro dan sirkuit switching.
Dioda, baik vakum maupun semikonduktor, dapat digunakan sebagai pembangkit suara tembakan.
Sejarah
Dioda termionik(tabung hampa udara) dan dioda solid-state (semikonduktor) dikembangkan secara terpisah, pada waktu yang kurang lebih bersamaan, pada awal tahun 1900-an, sebagai detektor penerima radio. Hingga tahun 1950-an, dioda vakum lebih sering digunakan di radio karena dioda semikonduktor kontak-titik awal kurang stabil. Selain itu, sebagian besar perangkat penerima memiliki tabung vakum untuk amplifikasi yang dapat dengan mudah memasukkan dioda termionik ke dalam tabung (misalnya trioda dioda ganda 12SQ7 ), dan penyearah tabung vakum serta penyearah berisi gas mampu menangani beberapa tugas penyearahan tegangan tinggi / arus tinggi lebih baik daripada dioda semikonduktor (seperti penyearah selenium) yang tersedia saat itu.
Pada tahun 1873, Frederick Guthrie mengamati bahwa bola logam putih-panas yang diarde yang didekatkan ke elektroskop akan melepaskan elektroskop bermuatan positif, tetapi tidak untuk elektroskop bermuatan negatif. [Pada tahun 1880, Thomas Edison mengamati arus searah antara elemen yang dipanaskan dan tidak dipanaskan dalam bohlam, yang kemudian disebut efek Edison, dan diberi paten atas penerapan fenomena tersebut untuk digunakan dalam voltmeter DC. Sekitar 20 tahun kemudian, John Ambrose Fleming (penasihat ilmiah untuk Perusahaan Marconi dan mantan karyawan Edison) menyadari bahwa efek Edison dapat digunakan sebagai detektor radio. Fleming mematenkan dioda termionik pertama yang sebenarnya, katup Fleming, di Inggris pada tanggal 16 November 1904 (diikuti oleh paten AS 803.684 pada bulan November 1905). Sepanjang era tabung vakum, dioda katup digunakan di hampir semua elektronik seperti radio, televisi, sistem suara, dan instrumentasi. Mereka perlahan-lahan kehilangan pangsa pasar yang dimulai pada akhir 1940-an karena teknologi penyearah selenium dan kemudian ke dioda semikonduktor selama tahun 1960-an. Saat ini mereka masih digunakan dalam beberapa aplikasi daya tinggi di mana kemampuannya untuk menahan tegangan transien dan ketangguhannya memberi mereka keunggulan dibandingkan perangkat semikonduktor, dan dalam aplikasi alat musik dan audiophile.
Pada tahun 1874, ilmuwan Jerman Karl Ferdinand Braun menemukan "konduksi unilateral" melintasi kontak antara logam dan mineral. Ilmuwan India Jagadish Chandra Bose adalah orang pertama yang menggunakan kristal untuk mendeteksi gelombang radio pada tahun 1894. Detektor kristal dikembangkan menjadi perangkat praktis untuk telegrafi nirkabel oleh Greenleaf Whittier Pickard, yang menemukan detektor kristal silikon pada tahun 1903 dan menerima paten untuk itu pada tanggal 20 November 1906. Eksperimenter lain mencoba berbagai mineral lain sebagai detektor. Prinsip-prinsip semikonduktor tidak diketahui oleh para pengembang penyearah awal ini. Selama tahun 1930-an, pemahaman fisika semakin maju dan pada pertengahan 1930-an, para peneliti di Bell Telephone Laboratories menyadari potensi detektor kristal untuk aplikasi dalam teknologi gelombang mikro. Para peneliti di Bell Labs, Western Electric, MIT, Purdue, dan di Inggris secara intensif mengembangkan dioda kontak-titik(penyearah kristal atau dioda kristal) selama Perang Dunia II untuk aplikasi di radar. Setelah Perang Dunia II, AT&T menggunakannya di menara gelombang mikro yang tersebar di Amerika Serikat, dan banyak perangkat radar yang menggunakannya bahkan di abad ke-21. Pada tahun 1946, Sylvania mulai menawarkan dioda kristal 1N34. Selama awal tahun 1950-an, dioda persimpangan dikembangkan.
Pada tahun 2022, efek dioda superkonduktor pertama tanpa medan magnet eksternal direalisasikan.
Etimologi
Pada saat penemuannya, perangkat konduksi asimetris dikenal sebagai penyearah. Pada tahun 1919, tahun ditemukannya tetroda, William Henry Eccles menciptakan istilah dioda dari akar kata Yunani di (dari δί), yang berarti 'dua', dan ode (dari οδός), yang berarti 'jalan'. Namun kata diode sudah digunakan, seperti halnya triode, tetrode, pentode, heksode, sebagai istilah telegrafi multipleks.
Meskipun semua dioda menyearahkan, "penyearah" biasanya berlaku untuk dioda yang digunakan untuk catu daya, untuk membedakannya dari dioda yang ditujukan untuk sirkuit sinyal kecil.
Dioda tabung vakum
Dioda termionik adalah perangkat katup termionik yang terdiri dari selubung kaca atau logam yang disegel dan dievakuasi yang berisi dua elektroda: katoda dan pelat. Katoda dapat dipanaskan secara tidak langsung atau dipanaskan secara langsung. Jika pemanasan tidak langsung digunakan, pemanas disertakan dalam amplop.
Dalam pengoperasiannya, katoda dipanaskan hingga panas merah, sekitar 800-1.000 °C (1.470-1.830 °F). Katoda yang dipanaskan secara langsung terbuat dari kawat tungsten dan dipanaskan oleh arus yang melewatinya dari sumber tegangan eksternal. Katoda yang dipanaskan secara tidak langsung dipanaskan oleh radiasi inframerah dari pemanas di dekatnya yang terbuat dari kawat Nichrome dan disuplai dengan arus yang disediakan oleh sumber tegangan eksternal.
Suhu operasi katoda menyebabkannya melepaskan elektron ke dalam ruang hampa udara, suatu proses yang disebut emisi termionik. Katoda dilapisi dengan oksida logam alkali tanah, seperti oksida barium dan strontium. Ini memiliki fungsi kerja yang rendah, yang berarti bahwa mereka lebih mudah memancarkan elektron daripada katoda yang tidak dilapisi.
Pelat yang tidak dipanaskan, tidak memancarkan elektron; tetapi mampu menyerapnya.
Tegangan bolak-balik yang akan diperbaiki diterapkan antara katoda dan pelat. Ketika tegangan pelat positif terhadap katoda, pelat secara elektrostatis menarik elektron dari katoda, sehingga arus elektron mengalir melalui tabung dari katoda ke pelat. Ketika tegangan pelat negatif terhadap katoda, tidak ada elektron yang dipancarkan oleh pelat, sehingga tidak ada arus yang dapat mengalir dari pelat ke katoda.
Dioda semikonduktor
Dioda kontak-titik
Dioda kontak-titik dikembangkan mulai tahun 1930-an, dari teknologi detektor kristal awal, dan sekarang umumnya digunakan dalam kisaran 3 hingga 30 gigahertz. Dioda kontak-titik menggunakan kawat logam berdiameter kecil yang bersentuhan dengan kristal semikonduktor, dan terdiri dari jenis kontak yang tidak dilas atau jenis kontak yang dilas. Konstruksi kontak yang tidak dilas menggunakan prinsip penghalang Schottky. Sisi logam adalah ujung runcing dari kawat berdiameter kecil yang bersentuhan dengan kristal semikonduktor. Pada tipe kontak yang dilas, daerah P kecil terbentuk di kristal tipe-N di sekitar titik logam selama pembuatan dengan melewatkan arus yang relatif besar untuk sementara waktu melalui perangkat. Dioda kontak titik umumnya menunjukkan kapasitansi yang lebih rendah, resistansi maju yang lebih tinggi, dan kebocoran balik yang lebih besar daripada dioda persimpangan.
Dioda persimpangan
Dioda persimpangan p-n
Dioda persimpangan p-n terbuat dari kristal semikonduktor, biasanya silikon, tetapi germanium dan galium arsenida juga digunakan. Pengotor ditambahkan ke dalamnya untuk menciptakan wilayah di satu sisi yang berisi pembawa muatan negatif (elektron), yang disebut semikonduktor tipe-n, dan wilayah di sisi lain yang berisi pembawa muatan positif(lubang), yang disebut semikonduktor tipe-p. Ketika bahan tipe-n dan tipe-p disatukan, aliran elektron sesaat terjadi dari sisi n ke sisi p yang menghasilkan wilayah ketiga di antara keduanya di mana tidak ada pembawa muatan. Wilayah ini disebut wilayah penipisan karena tidak ada pembawa muatan (baik elektron maupun lubang) di dalamnya. Terminal dioda terpasang ke daerah tipe-n dan tipe-p. Batas antara kedua wilayah ini, yang disebut persimpangan p-n, adalah tempat di mana aksi dioda terjadi. Ketika potensi listrik yang cukup tinggi diterapkan ke sisi P ( anoda) daripada ke sisi N ( katoda), ini memungkinkan elektron mengalir melalui wilayah penipisan dari sisi tipe-N ke sisi tipe-P. Persimpangan ini tidak memungkinkan aliran elektron ke arah yang berlawanan ketika potensi diterapkan secara terbalik, menciptakan, dalam arti, sebuah katup listrik.
Dioda Schottky
Jenis dioda persimpangan lainnya, dioda Schottky, dibentuk dari persimpangan logam-semikonduktor daripada persimpangan p-n, yang mengurangi kapasitansi dan meningkatkan kecepatan perpindahan.
Karakteristik arus-tegangan
Perilaku dioda semikonduktor dalam suatu rangkaian ditentukan oleh karakteristik arus-tegangannya. Bentuk kurva ditentukan oleh pengangkutan pembawa muatan melalui apa yang disebut lapisan penipisan atau daerah pen ipisan yang ada di persimpangan p-n antara semikonduktor yang berbeda. Ketika persimpangan p-n pertama kali dibuat, elektron pita konduksi (bergerak) dari wilayah doping-N berdifusi ke wilayah doping-P di mana terdapat banyak populasi lubang (tempat kosong untuk elektron) yang dengannya elektron "bergabung kembali". Ketika elektron bergerak bergabung kembali dengan lubang, lubang dan elektron lenyap, meninggalkan donor bermuatan positif yang tidak bergerak (dopan) di sisi N dan akseptor bermuatan negatif (dopan) di sisi P. Wilayah di sekitar persimpangan p-n menjadi kehabisan pembawa muatan dan dengan demikian berperilaku sebagai isolator.
Namun, lebar daerah penipisan (disebut lebar penipisan) tidak dapat bertambah tanpa batas. Untuk setiap rekombinasi pasangan elektron-hole yang dibuat, ion dopan bermuatan positif tertinggal di wilayah N-doped, dan ion dopan bermuatan negatif dibuat di wilayah P-doped. Ketika rekombinasi berlangsung dan lebih banyak ion tercipta, medan listrik yang meningkat berkembang melalui zona penipisan yang bertindak untuk memperlambat dan akhirnya menghentikan rekombinasi. Pada titik ini, ada potensi "built-in" di seluruh zona deplesi.
Bias terbalik
Jika tegangan eksternal ditempatkan di dioda dengan polaritas yang sama dengan potensi bawaan, zona penipisan terus bertindak sebagai isolator, mencegah aliran arus listrik yang signifikan (kecuali jika pasangan elektron-lubang secara aktif dibuat di persimpangan oleh, misalnya, cahaya; lihat fotodioda). Ini disebut fenomena bias terbalik.
Bias maju
Namun, jika polaritas tegangan eksternal berlawanan dengan potensial internal, rekombinasi sekali lagi dapat berlanjut, menghasilkan arus listrik yang substansial melalui persimpangan p-n (yaitu sejumlah besar elektron dan lubang bergabung kembali di persimpangan). Dengan demikian, jika tegangan eksternal yang lebih besar dari dan berlawanan dengan tegangan internal diterapkan, arus akan mengalir dan dioda dikatakan "dihidupkan" karena telah diberi bias maju eksternal.
Pada arus yang lebih tinggi, penurunan tegangan maju dioda meningkat. Penurunan 1 V hingga 1,5 V adalah tipikal pada arus pengenal penuh untuk dioda daya.
Disadur dari: en.wikipedia.org