Grafik V-I pada Dioda

GRAFIK V/I PADA DIODA “Pengaruh tegangan forward bias terhadap arus listrik yang melewati dioda sambungan p-n” (The influence of forward biased voltage to the electric current in p-n junction diode) Farhan Radjak1, Maryam Hasan2, Mayira Ali3, Nurjanah Yusuf4, Suci Dwi Saputri Mokodompit5, Wisno Pakaya6, Wahab Amu7. Department of Physics, Math and Natural Science Faculty, Gorontalo State University. Jl. Jendral Sudirman, No.6 Kota Gorontalo, kode pos 96128. ABSTRACT Diode is a device which formed by 2 kind of semiconductor which connected in crystal pounding process. A simple kind of diode in circuit is p-n junction diode. When a diode circuit connected to the power supply, and had given a forward biased voltage, so the diode will showing it’s characteristic trough the V/I graph. The graph of measurement result showing that the electric current will appear when the Diode voltage VD = Vpotong = 0,6 Volt. When VD > Vpotong, the current increased slowly at first, and rapidly as long as the VD increasing. Keyword : p-n junction diode, Vpotong, Rising current. ABSTRAK Dioda merupakan sebuah perangkat yang tersusun dari 2 jenis semi konduktor yang dihubungkan melalui penumbuhan kristal. Salah satu jenis dioda yang biasa digunakan dalam rangkaian adalah dioda sambungan p-n. Ketika suatu rangkaian terdapat dioda sambungan p-n dihubungkan pada sebuah catudaya dan diberi tegangan forward bias, maka dioda akan memperlihatkan karakteristik melalui grafik V/I. Grafik hasil pengukuran menunjukan bahwa arus listrik dalam dioda muncul ketika tegangan dioda VD = V potong = 0,6 Volt. Ketika VD > Vpotong, arus mengalami kenaikan yang perlahan pada awalnya, dan mengalami lonjakan seiring bertambahnya VD. Kata kunci : Dioda sambungan p-n, Vpotong, lonjakan arus. PENDAHULUAN Dioda meupakan suatu komponen elektronik yang dapat melewatkan arus pada satu arah saja. Ada berbagai macam dioda, yaitu dioda tabung, dioda sambungan p-n, dioda kontak titik (point-contact diode) dan sebagainya. Bentuk dioda yang lazim digunakan itu sendiri dari semi konduktor jenis p yang dibuat bersambung dengan semikonduktor jenis n. Penyambungan ini dilakukan waktu penumbuhan kistal (Sutrisno, 1986:81). Dioda sambungan p-n merupakan komponen yang sangat penting baik dalam aplikasi-aplikasi elektronik modern dan dalam pemahaman tentang perangkat semikonduktor lainnya (Sze Simon et al.2011). Ketika sebuah rangkaian yang didalamnya tedapat dioda sambungan p-n dihubungkan dengan sumber tegangan, arus dibuat mengalir menuju bagian anoda kemudian mengalir ke bagian katoda suatu dioda sambungan p-n (A. J. Harris et al. 2008). Rangkaian ini disebut sebagai rangkaian dengan tegangan forward bias/panjar maju (Owen Bishop, 2011 : 5). Pada tegangan forward bias/panjar maju, arus akan mengalir melalui dioda sambungan p-n pada nilai tegangan tertentu. Jika dioda diberi tegangan maju, dimana vD > 0, arus iD mula-mula mempunyai nilai iD ≅ 0, sehingga vD = Vpotong, setelah mana arus dioda naik dengan cepatnya terhadap perubahan tegangan dioda vD. Untuk dioda silicon Vpotong ≅ 0,6 V sedangkan untuk dioda germanium Vpotong ≅ 0,3 V (Sutrisno.1986:85). Dari gambaran umum tentang dioda sambungan p-n diatas, terlihat bahwa dioda sambungan p-n memiliki karakteristik, khususnya pada hubungan antara arus dioda dan beda tegangan antara kedua ujung dioda (J.J. Wortman. 2004). Dimana Sutrisno (1986) menyatakan ketika dioda diberi tegangan panjar maju (vD > 0), nilai arus pada dioda mula-mula iD ≅ 0, akan tetapi saat nilai vD = 0,6, nilai arus iD akan mengalami kenaikan secara perlahan pada awalnya dan mengalami lonjakan arus seiring bertambahnya vD (Owen Bishop.2011). Tujuan dilaksanakannya praktikum ini yaitu untuk membuktikan bahwa karakteristik dioda sambungan p-n sesuai dengan teori karakteristik dioda yang telah dinyatakan oleh para ahli. Karakteristik dioda hasil praktikum ini akan dilampirkan dalam grafik V/I pada hasil pengamatan praktikum. METODE Lokasi Praktikum ini dilaksanakan di Laboratorium Fisika, FMIPA, Universitas Negeri Gorontalo. Lokasi tersebut dipilih karena jumlah ketersediaan alat yang memadai, dan tempatnya yang telah memenuhi kriteria dilakukannya praktikum. Praktikum dilakukan pada hari senin 13 november 2014 pada pukul 17:00 WITA hingga selesai. Bahan dan Alat Bahan yang digunakan dalam praktikum ini berupa perangkat-perangkat pendukung dalam rangkaian seperti : 1 buah Dioda tipe sambungan p-n (IN 5392); 1 buah fixed Resistor dengan nilai resistansi sebesar 1,5 kΩ; 1 keping PCB sebagai papan untuk meletakan rangkaian; dan kabel penghubung untuk menghubungkan tiap perangkat-perangkat dalam rangkaian. Alat yang digunakan dalam praktikum ini berupa alat-alat ukur pendukung berupa Voltmeter DC skala maksimum 30 V dan Amperemeter DC dengan skala maksimum 5 A. Selain itu digunakan juga sebuah Catu Daya / Power Supply sebagai sumber tegangan dari rangkaian yang akan di-praktikum-kan. Rancangan Penelitian Berdasarkan tujuan praktikum, hal yang pertama kali dilakukan berupa menyusun perangkat-perangkat alat dan bahan menjadi sebuah rangkaian sesuai dengan gambar 1. a k Gambar 1. Rangkaian resistor dan dioda Rangkaian tersebut diberi tegangan forward bias yang bervariasi mulai dari 0,2 V; 0,4 V; 0,6 V hingga 2 V. Sehingga hasil pengukuran tegangan pada voltmeter dan kuat arus pada amperemeter menghasilkan nilai yang bervariasi sesuai dengan besar tegangan pada power supply/catu daya. Sesuai dengan tujuan praktikum, hal utama yang dilakukan yaitu mengukur tegangan dan kuat arus pada dioda sambungan p-n dalam rangkaian. Pengukuran nilai kuat arus yang melewati dioda dilakukan sebanyak 5 kali. Nilai rata-rata lima kali pengukuran kuat arus diambil sebagai nilai akhir kuat arus yang kemudian dihubungkan dengan tegangan dalam grafik V/I pada hasil pengamatan. HASIL Dari praktikum yang dilakukan, terlihat bahwa rangkaian tersusun atas sebuah resistor dan sebuah dioda yang tersusun secara parallel. Pada salah satu cabang rangkaian, terdapat sebuah dioda IN 5392 yang ujung-ujungnya dihubungkan pada sebuah voltmeter DC yang diatur pada skala maksimum 3 Volt, dan ujung katoda dari dioda dihubungkan pada sebuah amperemeter DC yang diatur pada skala maksimum 5 Ampere. Sehingga didapat hasil pengukuran tegangan dan kuat arus pada dioda yang ditunjukan pada tabel berikut. No. Power supply output (V) Tegangan Dioda / VD (V) Kuat Arus Dioda/ID (A) I1 I2 I3 I4 I5 Irata-rata 1 0,2 0,2 0 0 0 0 0 0 2 0,4 0,4 0 0 0 0 0 0 3 0,6 0,6 0 0 0 0 0 0 4 0,8 0,8 0,1 0,2 0,2 0,4 0,3 0,24 5 1,0 1,0 0,6 0,6 0,5 1 0,8 0,7 6 1,2 1,2 1,3 1 1,1 1,3 1,1 1,16 7 1,4 1,4 2 1,8 1,5 2 1,7 1,8 8 1,6 1,6 2,7 2,4 2,3 2,5 2,1 2,4 9 1,8 1,8 3,3 3,3 3,1 3 3,3 3,2 10 2,0 2,0 3,6 3,7 3,6 3,6 3,5 3,6 Tabel 1. Hasil pengukuran tegangan dan kuat arus dioda  Hasil pengukuran menunjukan bahwa nilai tegangan output catu daya = VD, hal ini dikarenakan nilai tegangan pada percabangan rangkaian resistor dan dioda yang tersusun secara parallel tersebut adalah sama dengan nilai tegangan total rangkaian tersebut (Douglas, C. Giancoli. 2005:523). Sehingga dapat dibuat grafik hubungan antara tegangan dan kuat arus (rata-rata) yang melalui suatu dioda sambungan p-n, pada gambar 2. Grafik tersebut menunjukan bahwa hubungan antara tegangan dan kuat arus pada dioda sambungan p-n terlihat pada kurva I(V). Dari tabel hasil pengamatan, kuat arus pada dioda (ID) muncul saat tegangan dioda (VD) bernilai 0,8 V. Ketika dilakukan analisis grafik, kurva menunjukan bahwa nilai kuat arus ID muncul ketika VD (Dalam hal ini kita sebut Vpotong) bernilai mendekati 0,6 V (Vpotong ≅ 0,6 V). Hal tersebut sesuai dengan teori yag mengatakan bahwa arus akan muncul ketika Vpotong = 0,6 V pada dioda Silicon (Sutrisno, 1986:85). Ketika VD > Vpotong , arus yang melalui dioda (ID) mengalami kenaikan yang perlahan pada awalnya, dan mengalami lonjakan/kenaikan yang drastis seiring bertambahnya tegangan pada dioda (VD). Gambar 2. Grafik V/I Dioda hasil praktikum. PEMBAHASAN Arus total yang mengalir dalam tegangan forward bias dapat dirumuskan : Persamaan ini menyatakan bahwa arus I pada sambungan p-n ditentukan oleh tegangan sambungan V dan suhu sambungan T . Sedangkan IS adalah arus mundur jenuh (reverse saturation current) yaitu arus saat sambungan diberi reverse bias. Komponen elektronika yang dibangun berdasarkan sambungan p-n yang paling sederhana adalah dioda sambungan p-n. Berdasarkan persamaan diatas, diperoleh grafik untuk V > 0 (Forward bias/panjar maju) yang ditunjukan pada gambar 3. Pada tegangan forward bias / panjar maju, lengkungan ciri sebenarnya lebih condong daripada lengkungan teori, sebab hambatan oleh kebocoran arus melalui perduktor dalam dioda, yang dapat dibayangkan sebagai suatu hambatan Rs yang nilainya kira-kira 10 Ω. (Sutrisno. 1986 : 87). Gambar 3. Grafik lengkung karakteristik dioda pada tegangan forward bias / panjar maju (Sutrisno. 1986 : 87)  Sebuah eksperimen yang dilakukan oleh (Suwondo, Nanang.2011) dalam jurnal “Rancangan instrumen Penentu Muatan Elektron dari Karakteristik Dioda p-n Berbasis PC Sebagai AIat Bantu Pembelajaran Fisika Kompetensi Analisis Grafik Real Time”, Karakterisasi dan hasil pengukuran tampak seperti pada gambar 4. Gambar 4. Rangkaian dan grafik hasil pengamatan (Suwondo, Nanang. 2011) Rangkaian pada gambar 4 merupakan rangkaian dioda dan resistor yang disusun secara seri. Walaupun rangkaian dioda dan resistor pada praktikum disusun secara parallel, tetapi hal utama yang perlu diperhatikan dari hasil penelitian yang dilakukan oleh Suwondo, Nanang(2011) yaitu bentuk kurva hasil pengukuran tegangan dan kuat arus listrik yang melewati dioda. Ketika rangkaian tersebut diberi tegangan forward bias, didapat hasil pengukuran tegangan dan arus listrik dioda dalam grafik pada gambar 4 diatas. Dengan melihat grafik tersebut, terbukti bahwa bentuk kurva dari grafik tersebut hampir sama dengan grafik V/I pada hasil praktikum. Ini membuktikan bahwa ketika suatu dioda dihubungkan pada suatu sumber tegangan, arus lisrik pada dioda (ID) akan muncul apabila VD = Vpotong. Ketika VD > Vpotong, arus mengalami kenaikan yang perlahan pada awalnya, dan mengalami lonjakan yang drastis seiring bertambahnya VD. SIMPULAN Karakteristik Dioda sambungan p-n ketika diberi tegangan panjar maju terlihat pada hubungan tegangan dan kuat arus yang melewati dioda tersebut. Hubungan keduanya dapat dilihat pada kurva grafik V/I hasil praktikum, yang menunjukan bahwa arus muncul ketika VD = Vpotong = 0,6 V. Ketika VD > Vpotong, arus akan mengalami kenaikan perlahan pada awalnya, dan mengalami lonjakan seiring bertambahnya VD. Hal ini sesuai dengan teori yang dinyatakan oleh para ahli. SARAN Dalam praktikum ini terdapat berbagai macam hambatan dan kekurangan. Hal itu berupa kesalahan pada alat ukur dan juga kesalahan pada praktikan yang kurang cermat dan teliti dalam merangkai dan mengamati intrumen yang digunakan. Oleh karena itu, tindak lanjut bagi pembaca sangat diperlukan untuk lebih mengembangkan dan menyempurnakan praktikum ini. DAFTAR PUSTAKA A.J. Harris, R.S. Walker, R. Sneddon.2008.Current-Voltage characteristic of amorphous silicon P-N junctions. J. Appl.Phys.51,4287 : The American Institute Of Physics. [Internet] (http://dx.doi.org/10.1063/1.328246) diakses pada 15 november 2014. Benny Mutiara, Achmad.2001.Kuliah Fisika Devais Semikonduktor. Jakata Universitas Gunadarma. Bishop, Owen.2011. Electronics Circuits and Systems. 4th Edition. London : Elsevier Ltd. Grove, A.S.1967. Physics and Technology of Semiconductor Devices.Singapore : Wiley. J.J. Wortman, J.R. Hauser, R.M. Burger.2004.Erratum: Effect of Mechanical Stress on p-n Junction Device Characteristics. J. Appl. Phys. 36, 673 : American Institute Of Physics. [Internet] (http://dx.doi.org/10.1063/1.1714068) diakses pada 15 November 2015. Rio, S.R, Iida, M.1980.Fisika dan Teknologi Semikonduktor. Jakarta : Pradnya Paramita. Simon M. Sze, Kwok K. Ng. 2006. Physics Of Semiconductor Device. New York : John Wiley & Sons. 3th (Vol.1) Page : 79. [Internet] (http://books.google.fr/books?id=o4unkmHBHb8C&printsec=frontcover&hl=fr&source=gbs_ge_summary_r&cad=0#v=onepage&q&f=false) diakses pada 15 November 2014. Sutrisno.1986.Elektronika : Teori dan penerapannya. Jilid 1. Bandung : ITB. Suwondo, Nanang. 2011. Rancangan instrumen Penentu Muatan Elektron dari Karakteristik Dioda p-n Berbasis PC Sebagai AIat Bantu Pembelajaran Fisika Kompetensi Analisis Grafik Real Time.Yogyakarta : Universitas Ahmad Dahlan. Sze, S.M.1985.Semiconductor Devices, Physics and Technology. Singapore : Wiley.