Empat Pilar – Pengertian Dioda Tunnel : Cara Kerja dan Karakteristiknya. Dalam artikel ini, kita akan mengulas tentang Pengertian Dioda Tunnel: Fungsi, Cara Kerja dan Karakteristiknya.
Dioda tunnel adalah salah satu komponen penting dalam elektronika yang mungkin belum banyak diketahui. Jadi, apa itu dioda tunnel?
Dioda tunnel adalah semikonduktor tipe khusus yang menggunakan efek tunneling kuantum untuk menghasilkan fungsi uniknya. Ini terutama digunakan dalam aplikasi frekuensi tinggi seperti dalam rangkaian osilator dan penguat.
Dioda Tunnel memiliki beberapa bagian penting yang membentuk kerja komponen ini. Bagian-bagian tersebut antara lain adalah Anoda, Katoda dan Lapisan Barrier.
Pengertian Dioda Tunnel
Dioda Tunnel, juga dikenal sebagai Dioda Terowongan, adalah jenis dioda yang memiliki kemampuan operasi yang cepat dan bekerja dengan baik dalam gelombang mikro (microwave), sehingga dapat digunakan dalam efek mekanika kuantum yang disebut terowongan.
Dioda ini terbuat dari bahan dengan konsentrasi ketidakmurnian tinggi, yang menghasilkan efek terowongan.
Dua terminal persimpangan P-N pada komponen dioda ini didoping secara intensif, sekitar 1000 kali lebih tinggi dibandingkan dengan jenis dioda biasa.
Doping intensif ini menyebabkan lebar lapisan deplesi menjadi sangat tipis, sekitar 1/10.000 meter. Hal ini juga menyebabkan tegangan jatuh mundur (reverse breakdown voltage) dioda menjadi sangat kecil, hampir mendekati nol, yang menghasilkan resistansi negatif ketika Dioda Tunnel menerima tegangan bias maju.
Fenomena ini dikenal sebagai resonant tunneling, yang merupakan fenomena kuantum yang aneh.
Dioda Tunnel pada dasarnya terbuat dari bahan Germanium, Gallium Arsenide, atau Gallium Antimonide.
Silikon tidak digunakan dalam pembuatan Dioda Tunnel karena membutuhkan waktu transisi antara Arus Puncak (Ip) dan Arus Lembah (Iv) yang sangat cepat.
Selain itu, rasio Ip/Iv pada silikon tidak sebaik bahan Gallium Arsenide atau bahan lain yang digunakan dalam pembuatan Dioda Tunnel.
Komponen Dioda Tunnel
Komponen utama dari dioda tunnel terdiri dari dua elektroda konduktor yang terhubung dengan dua jenis semikonduktor, yaitu silikon tipe p dan silikon tipe n.
Anoda adalah elektroda yang terhubung dengan silikon tipe p, di mana terdapat sedikit elektron.
Katoda adalah elektroda yang terhubung dengan silikon tipe n, di mana terdapat lebih banyak elektron.
Ketika silikon tipe n dan silikon tipe p bertemu, terbentuklah suatu perbatasan yang disebut sebagai P-N Junction. Material semikonduktor yang umum digunakan adalah silikon atau germanium.
Semikonduktor tipe p dibuat dengan menambahkan material yang memiliki elektron valensi kurang dari 4 (misalnya: boron), sementara semikonduktor tipe n dibuat dengan menambahkan material yang memiliki elektron valensi lebih dari 4 (misalnya: fosfor).
Cara Kerja Dioda Tunnel
Setelah memahami Pengertian Dioda Tunnel, selanjutnya berdasarkan teori mekanika, sebuah partikel harus memiliki energi yang setara dengan ketinggian penghalang energi potensial untuk dapat bergerak dari satu sisi penghalang ke sisi lain.
Jika tidak, maka energi harus disuplai dari sumber eksternal. Ini memungkinkan elektron di persimpangan sisi-N untuk melompati penghalang persimpangan dan mencapai persimpangan sisi-P.
Proses ini terjadi tanpa kehilangan energi pada elektron. Fenomena ini mengikuti prinsip mekanika kuantum dan dikenal sebagai tunneling.
Dioda dengan P-N junction yang memiliki doping tinggi disebut sebagai Dioda Tunnel. Fenomena tunneling ini mempengaruhi perilaku pembawa mayoritas.
Hubungan antara probabilitas (P) partikel melintasi penghalang, energi penghalang (E), dan lebar penghalang (W) dinyatakan oleh persamaan:
P∝exp (-A* E_b *W)
Di mana:
- ‘E’ adalah energi penghalang
- ‘P’ adalah probabilitas partikel melintasi penghalang
- ‘W’ adalah lebar penghalang
Secara sederhana, cara kerja dioda dapat dijelaskan dalam tiga kondisi: Tegangan Positif (forward biased), Tegangan Negatif (reverse biased), dan Tanpa Tegangan (unbiased).
1. Kondisi Tegangan Positif (Forward-Bias)
Pada kondisi ini, terminal anoda dihubungkan ke sumber listrik dengan polaritas positif, sedangkan terminal katoda dihubungkan dengan polaritas negatif.
Tegangan eksternal menyebabkan ion-ion di dalam dioda, yang sebelumnya menjadi penghalang aliran listrik, tertarik ke kutub masing-masing. Ion-ion negatif akan tertarik ke anoda yang positif, sedangkan ion-ion positif akan tertarik ke katoda yang negatif.
Dengan penghalang-penghalang ini teratasi, elektron dapat bergerak dalam dioda, sehingga arus listrik dapat mengalir seperti dalam rangkaian tertutup.
2. Kondisi Tegangan Negatif (Reverse-Bias)
Pada kondisi ini, terminal anoda dihubungkan ke sumber listrik dengan polaritas negatif, sedangkan terminal katoda dihubungkan dengan polaritas positif.
Tegangan eksternal menyebabkan ion-ion penghalang aliran listrik tertarik ke kutub masing-masing. Ion-ion negatif tertarik ke katoda (tipe n), yang diberi tegangan positif, sedangkan ion-ion positif tertarik ke anoda (tipe p), yang diberi tegangan negatif.
Pergerakan ion-ion ini searah dengan medan listrik statis yang menghalangi pergerakan elektron, sehingga penghalang semakin diperkuat oleh ion-ion, dan akibatnya arus listrik tidak dapat mengalir melalui dioda. Rangkaian dianggap terbuka.
3. Kondisi Tanpa Tegangan
Pada kondisi tanpa tegangan, terbentuk perbatasan medan listrik di daerah P-N junction.
Proses difusi terjadi, di mana muatan listrik bergerak dari sisi n ke sisi p. Elektron-elektron ini akan menempati tempat di sisi p yang disebut “holes”.
Pergerakan elektron ini meninggalkan ion-ion positif di sisi n, dan holes yang terisi oleh elektron akan menyebabkan ion-ion negatif terbentuk di sisi p.
Ion-ion yang tidak bergerak ini membentuk medan listrik statis yang menghalangi pergerakan elektron di dioda.
Karakteristik Dioda Tunnel
Dari gambar karakteristik di bawah, terlihat bahwa ketika diberikan tegangan bias maju yang rendah ke dioda tunnel, arus juga meningkat.
Seiring dengan peningkatan tegangan bias maju, arus meningkat hingga mencapai puncaknya (Ip). Namun, ketika tegangan sedikit meningkat pada nilai tertentu, arus berubah menjadi menurun hingga mencapai titik terendahnya, yang disebut arus lembah (Iv).
Jika tegangan yang diberikan terus meningkat, maka arus pada dioda tunnel akan mulai meningkat kembali.
Tegangan bias maju yang diperlukan untuk mencapai puncak arus dan kemudian menurun menuju lembah arus disebut sebagai tegangan puncak (Vp).
Sementara itu, tegangan pada titik lembah tersebut disebut sebagai tegangan lembah (Vv).
Wilayah di mana arus mulai menurun dari Ip ke Iv saat tegangan maju diberikan disebut sebagai wilayah resistansi negatif (wilayah antara Vp dan Vv pada grafik).
Kelebihan dan Kekurangan Dioda Tunnel
Sudah memahami Pengertian Dioda Tunnel kan? Nah seperti halnya komponen elektronika lainnya, dioda tunnel memiliki kelebihan dan kekurangan. Berikut ini adalah beberapa kelebihan dan kekurangan dioda tunnel.
1. Kelebihan
- Kecepatan switching yang tinggi
Dioda tunnel mampu beralih dengan kecepatan tinggi, sehingga cocok untuk aplikasi yang membutuhkan respons cepat. - Kemampuan menangani frekuensi tinggi
Dioda tunnel dapat digunakan dalam gelombang mikro dan frekuensi tinggi lainnya. - Pembuatan yang sederhana
Proses manufaktur dioda tunnel relatif sederhana, sehingga memudahkan produksi dan penggunaan dalam berbagai aplikasi. - Rendah noise
Dioda tunnel memiliki tingkat kebisingan yang rendah, sehingga cocok untuk aplikasi yang membutuhkan sinyal yang bersih. - Disipasi daya rendah
Dioda tunnel memiliki daya yang rendah yang terbuang dalam operasinya, sehingga lebih efisien dalam penggunaan energi. - Operasi berkecepatan tinggi
Dioda tunnel mampu beroperasi dengan kecepatan tinggi, yang berguna dalam aplikasi yang memerlukan respons instan. - Fitur resistansi negatif
Dioda tunnel menghasilkan resistansi negatif yang dapat digunakan dalam rangkaian osilator dan amplifier.
2. Kekurangan
- Daya rendah
Dioda tunnel memiliki batasan daya yang relatif rendah, sehingga tidak cocok untuk aplikasi yang membutuhkan daya tinggi. - Biaya relatif mahal
Dioda tunnel memiliki biaya yang sedikit lebih tinggi dibandingkan dengan dioda konvensional. - Tidak ada isolasi input dan output
Dioda tunnel adalah perangkat dua terminal, sehingga tidak memiliki isolasi antara input dan output. - Range daya output terbatas
Dioda tunnel memiliki batasan daya output hanya beberapa miliwatt, karena potensial DC yang diterapkan harus rendah dibandingkan dengan potensial celah pita dioda.
Meskipun dioda tunnel memiliki kelebihan dan kekurangan, tetaplah penting untuk mempertimbangkan kecocokan dan spesifikasi yang sesuai dengan kebutuhan aplikasi elektronik yang diinginkan.
Penggunaan Dioda Tunnel
Masih dalam pembahasan Pengertian Dioda Tunnel, selanjutnya dioda Tunnel memiliki berbagai penggunaan dan aplikasi dalam kehidupan sehari-hari. Berikut adalah beberapa contoh penggunaan dioda tunnel:
1. Osilator
Dioda tunnel digunakan dalam osilator yang berbeda, seperti osilator relaksasi, osilator gelombang mikro, dan osilator frekuensi tinggi lainnya.
Dalam aplikasi ini, dioda tunnel memungkinkan pembangkitan sinyal dengan frekuensi tinggi dan kestabilan yang baik.
2. Perangkat switching
Dioda tunnel digunakan sebagai perangkat switching dengan kecepatan yang sangat tinggi. Kemampuannya untuk beralih dengan cepat menjadikannya cocok untuk aplikasi dalam sistem komunikasi, rangkaian digital, dan perangkat lain yang memerlukan respons instan.
3. Penyimpanan memori logika
Dioda tunnel juga digunakan sebagai komponen dalam perangkat penyimpanan memori logika. Dalam aplikasi ini, dioda tunnel digunakan untuk membentuk elemen penyimpanan yang dapat menyimpan dan mengambil data dengan kecepatan tinggi.
4. Osilator gelombang mikro
Dioda tunnel dapat digunakan sebagai osilator gelombang mikro dengan frekuensi tinggi. Penggunaannya dalam aplikasi ini memungkinkan pembangkitan sinyal gelombang mikro yang stabil dan akurat.
5. Amplifier dan sakelar
Dioda tunnel juga digunakan sebagai komponen dalam rangkaian amplifier dan sakelar. Dalam aplikasi ini, dioda tunnel memungkinkan penguatan sinyal dengan kecepatan tinggi dan performa yang baik.
6. Komponen frekuensi tinggi
Karena kemampuannya dalam menangani frekuensi tinggi, dioda tunnel digunakan sebagai komponen dalam berbagai rangkaian frekuensi tinggi, termasuk dalam sistem komunikasi nirkabel, radar, dan perangkat lainnya.
7. FM receiver dan rangkaian osilator
Dioda tunnel digunakan dalam FM receiver dan rangkaian osilator karena memiliki karakteristik arus rendah yang diinginkan dalam aplikasi ini.
Dengan kemampuannya yang unik, dioda tunnel memiliki peran yang penting dalam berbagai aplikasi elektronika yang melibatkan frekuensi tinggi, kecepatan tinggi, dan kinerja yang stabil.
Penutup
Secara keseluruhan, Pengertian Dioda Tunnel adalah elemen penting dalam dunia elektronika dengan karakteristik dan cara kerja yang unik.
Dengan memahami pengertian dan fungsi dari dioda tunnel, kita dapat memanfaatkannya dalam berbagai aplikasi, seperti dalam pembuatan osilator, penguat, dan pengubah frekuensi.
Karakteristik khusus dioda tunnel yang memungkinkan arus melintasi ‘tunnel’ melalui hambatan semikonduktor, memberikan nilai lebih pada kegunaannya.
Meski demikian, sebagai teknologi yang berkembang, pemahaman dan pengetahuan yang mendalam mengenai dioda tunnel sangat penting agar dapat digunakan secara efisien dan efektif.
Semoga artikel dari empatpilar.com mengenai Pengertian Dioda Tunnel ini, membantu Kalian memahami pengertian, cara kerja, dan karakteristik dioda tunnel dengan lebih baik.
