Dioda Tunnel: Pengertian, Karakteristik, Cara Kerja, Kelebihan dan Kekurangan

Pengertian Dioda Tunnel, Karakteristik dan Cara Kerja Dioda Tunnel - Dioda Tunnel atau dioda terowongan merupakan jenis dioda yang memiliki kemampuan untuk beroperasi dengan kecepatan yang sangat tinggi dan dapat berfungsi dengan baik pada Gelombang Micro (Microwave) sehigga dimungkinkan untuk penggunaan pada efek mekanika kuantum (Quantum Mechanical Effect) yang disebut dengan tunneling.

Pada tahun 1957, Dioda Tunnel ditemukan oleh Dr. Leo Esaki, oleh karena itu dioda jenis ini sering disebut juga sebagai Dioda Esaki. Dioda tunnel terbuat dari konsentrasi ketidakmurnian yang tinggi sehingga timbul efek tunnel.

Dua terminal persimpangan PN pada dioda tunnel di doping berat yaitu sekitar 1000 kali lebih besar dari dioda pada umumnya. Karena doping berat ini, lebar lapisan deplesi dipersempit atau dipertipis menjadi nilai yang sangat kecil hingga pada 1/10.000 m.

Dengan demikian Reverse Breakdown Voltage (Tegangan Jatuh Mundur) dioda tunnel menjadi sangat kecil hingga mendekati nilai "0" sehingga mengakibatkan resistansi negatif pada saat dioda tunnel diberikan tegangan bias maju. Inilah fenomena kuantum aneh yang disebut dengan Resonant Tunneling.

Dioda tunnel biasanya dibuat dari Germanium, Gallium Arsenide atau Gallium Antimode. Silikon tidak digunakan sebagai bahan pembuat Dioda Tunnel Karena dioda tunnel membutuhkan transisi antara arus puncak (Ip) dan level arus lembah (Iv) yang sangat cepat. Rasio Ip/Iv pada silikon tidak sebaik Gallium Arsenide Maupun bahan pembuat Dioda Tunnel lainnya.

Simbol Dioda Tunnel

Pengertian Dioda Tunnel

Dioda tunnel adalah perangkat PN-junction yang menunjukkan resistansi negatif. Ketika tegangan dinaikkan maka arus yang mengalir melalui itu berkurang. Dioda tunnel bekerja berdasarkan prinsip efek Tunneling.

Dioda Metal-Insulator-Metal (MIM) adalah jenis lain dari dioda Tunnel, tetapi aplikasinya yang sekarang tampaknya terbatas pada lingkungan penelitian karena kepekaan bawaan, penerapannya dianggap sangat terbatas pada lingkungan penelitian.

Ada satu lagi Dioda yang disebut dioda Metal-Insulator-Insulator-Metal (MIIM) yang mencakup lapisan isolator tambahan. Dioda tunnel adalah perangkat dua terminal dengan semikonduktor tipe-n sebagai katoda dan semikonduktor tipe-p sebagai anoda. Simbol dioda tunnel adalah seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Cara Kerja Dioda Tunnel

Berdasarkan teori mekanika klasik, sebuah partikel harus memperoleh energi yang sama dengan tinggi penghalang energi potensial, jika harus bergerak dari satu sisi penghalang ke sisi lain.

Kalau tidak, energi harus disupply dari beberapa sumber eksternal, sehingga elektron persimpangan sisi-n dapat melompati penghalang persimpangan untuk mencapai sisi-P persimpangan.

Jika penghalang tipis seperti di dioda tunnel, menurut persamaan Schrodinger menyiratkan bahwa ada sejumlah besar probabilitas dan kemudian sebuah elektron akan menembus melalui penghalang.

Proses ini akan terjadi tanpa kehilangan energi pada bagian elektron. Perilaku mekanika kuantum menunjukkan tunneling. Perangkat PN-junction dengan pengotor tinggi disebut sebagai dioda tunnel. Fenomena tunneling memberikan efek pembawa mayoritas.

P∝exp⁡ (-A* E_b *W)

Dimana,
'E' adalah energi penghalang,
'P' adalah probabilitas bahwa partikel melintasi penghalang,
'W' adalah lebar penghalang

Sederhanya, cara kerja dioda dapat dijelaskan dalam tiga kondisi, yakni kondisi tegangan positif (forward biased), tegangan negatif (reverse biased) dan tanpa tegangan (unbiased).

1. Kondisi Tegangan Positif (Forward-Bias)

Forward Bias

Pada kondisi, bagian anoda disambungkan dengan terminal positif, sumber listrik serta pada bagian katoda disambungkan dengan terminal negatif.

Adanya tegangan eksternal akan mengakibatkan ion-ion yang menjadi penghalang aliran listrik menjadi tertarik ke masing-masing kutub ion-ion negatif akan tertarik ke sisi anoda yang positif, dan ion-ion positif akan tertarik ke sisi katoda yang negatif.

Maka, dengan hilangnya penghalang-penghalang tersebut akan memungkinkan pergerakan elektron di dalam dioda, sehingga arus listrik dapat mengalir seperti pada rangkaian tertutup.

2. Kondisi Tegangan Negatif (Reverse -Bias)

Reverse Bias

Pada kondisi ini, anoda disambungkan dengan terminal negatif sumber listrik dan bagian katoda disambungkan dengan terminal positif.

Adanya tegangan eksternal akan mengakibatkan ion-ion yang menjadi penghalang aliran listrik menjadi tertarik ke masing-masing kutub.

Pemberian tegangan negatif akan membuat ion-ion negatif tertarik ke sisi katoda (n-type) dan diberi tegangan positif dan ion-ion positif ke sisi anoda (p-type) yang diberi tegangan negatif.

Pergerakan ion-ion tersebut searah dengan medan listrik statis yang menghalangi pergerakan elektron, sehingga penghalang tersebut akan semakin tebal oleh ion-ion yang mengakibatkan listrik tidak dapat mengalir melalui dioda serta rangkaian diibaratkan menjadi rangkaian terbuka.

3. Kondisi Tanpa Tegangan

Kondisi Tanpa Tegangan

Pada kondisi tidak diberikan tegangan akan terbentuk suatu perbatasan medan listrik pada daerah P-N junction.

Hal ini terjadi diawali dengan proses difusi, yakni bergeraknya muatan elektro dari sisi n ke sisi p. Elektron-elektron tersebut akan menempati suatu tempat di sisi p yang disebut dengan holes.

Pergerakan elektron-elektron tersebut akan meninggalkan ion-ion positif dari sisi n, serta holes yang terisi dengan elektron akan menimbulkan ion-ion negatif dari sisi p.

Ion-ion tidak bergerak ini akan membentuk medan listrik statis yang menjadi penghalang pergerakan elektron pada dioda.

Karakteristik Dioda Tunnel

Karakteristik Dioda Tunnel

Bisa kalian lihat pada gambar karakteristik di atas, ketika tegangan bias maju (forward bias) kecil diberikan ke dioda tunnel, arus pun ikut meningkat.

Seiring dengan bertambahnya tegangan bias maju, arus meningkat mencapai puncak (Ip), tetapi ketika tegangan meningkat lagi sedikit pada nilai tertentu arus berubah menjadi menurun hingga titik terendahnya atau biasa disebut dengan arus lembah (Iv).

Apabila tegangan yang diberikan meningkat lebih lanjut lagi, maka arus pada dioda tunnel akan mulai meningkat lagi.

Tegangan bias maju yang diperlukan untuk menggerakan dioda tunnel ke puncak arus dan kemudian menurun menuju ke lembah arus disebut dengan puncak tegangan (Vp) sedangkan tegangan pada lembah itu sendiri disebut tegangan lembah (Vv).

Wilayah dimana arus mulai menurun dari Ip ke Iv pada saat diberikan tegangan maju disebut dengan wilayah Resistansi Negatif (wilayah antara Vp dan Vv pada Grafik).

Konstruksi Dioda Tunnel

Dioda memiliki tubuh keramik dan tutup penyegel yang rapat di atas. Titik timah kecil dicampur atau disolder ke Ge pellet tipe-n yang sangat diolah. Pellet disolder ke kontak anoda yang digunakan untuk pembuangan panas. Titik timah terhubung ke kontak katoda melalui layar mesh yang digunakan untuk mengurangi induktansi.

Karakteristik Dioda Tunnel dengan Operasi dan Aplikasi

1. Arus Komponen dalam Dioda Tunnel

Arus total dioda tunnel diberikan di bawah ini

It = Itun + Idioda + Iexcess

Arus yang mengalir di dioda tunnel sama dengan arus yang mengalir di dioda PN-junction normal yang diberikan di bawah ini.

Idioda = Ido * (exp ( ?*Vt )) -1

Ido = Membalikkan arus saturasi
Vt = Tegangan setara suhu
V = Tegangan melintasi dioda
η = Faktor koreksi 1 untuk Ge dan 2 untuk Si

Karena tunneling parasit melalui kotoran, excess atau kelebihan arus akan dikembangkan dan ini merupakan arus tambahan dimana titik lembah dapat ditentukan. Arus tunneling seperti yang diberikan di bawah ini.

Itun = (V/R0) * exp (- (V/V0)m )

Di mana, V0 = 0.1 hingga 0.5 volt dan m = 1 hingga 3
V0 = Resistansi dioda tunnel

2. Arus Puncak, Tegangan Puncak Dioda Tunnel

Tegangan puncak dan arus puncak dioda tunnel maksimum. Biasanya untuk dioda Tunnel, pemutusan tegangan lebih dari tegangan puncak. Dan kelebihan arus dan arus dioda dapat dianggap diabaikan.

Untuk arus dioda minimum atau maksimum

V = Vpuncak, dItun/dV = 0

(1/R0) * (exp (- (V/V0)m ) – (m * (V/V0 )m * exp (- (V/V0)m) = 0

Kemudian, 1 – m * (V/V0)m = 0

Vpeak = ((1/m) (1/m) ) * V0 * exp (-1/m)

Resistansi Negatif Maksimum dari Dioda Tunnel
Resistansi negatif dari sinyal kecil diberikan di bawah ini

Rn = 1/(dI/dV) = R0/(1 – (m * (V/V0)m ) * exp (- (V/V0)m )/R0 = 0

Jika dI/dV = 0, Rn adalah maksimum, maka

(m * (V/V0)m) * exp (- (V/V0)m)/R0 = 0

Jika V = V* (1 + 1/m) (1/m) maka akan maksimum, sehingga persamaannya akan

(Rn) maks = – (R0 * ((exp (1 + m))/m))/m

Aplikasi Dioda Tunnel

Adapun aplikasi pada dioda tunnel, diantaranya adalah sebagai berikut:

  • Karena mekanisme tunneling, digunakan sebagai sakelar kecepatan ultra tinggi.
  • Waktu switching adalah urutan nanodetik atau bahkan pikodetik.
  • Karena fitur triple bernilai kurva dari arus, itu digunakan sebagai perangkat penyimpanan memori logika.
  • Karena kapasitansi yang sangat kecil, induktansi dan resistansi negatif, ini digunakan sebagai osilator gelombang mikro pada frekuensi sekitar 10 GHz.
  • Karena resistansi negatifnya, ia digunakan sebagai rangkaian Osilator Relaksasi.

Kelebihan dan Kekurangan Dioda Tunnel

Berikut kelebihan dan kekurangan dari komponen dioda tunnel yang perlu kalian ketahui.

1. Kelebihan Dioda Tunnel

Berikut beberapa kelebihan dari dioda tunnel, antara lain:

  • Biaya rendah
  • Kebisingan rendah
  • Kemudahan operasi
  • Kecepatan tinggi
  • Daya rendah
  • Tidak peka terhadap radiasi nuklir

2. Kekurangan Dioda Tunnel

Selain kelebihannya, dioda tunnel juga memiliki beberapa kekurangan, diantaranya adalah:

  • Menjadi perangkat dua terminal, ia tidak menyediakan isolasi antara rangkaian output dan input.
  • Rentang tegangan, yang dapat dioperasikan dengan baik dalam 1 volt atau di bawah.

Ini semua tentang rangkaian dioda tunnel dengan operasi, diagram rangkaian dan aplikasinya. Kami berharap bahwa informasi yang diberikan dalam artikel ini bermanfaat bagi Anda untuk lebih memahami proyek ini.

Next Post Previous Post