Pengertian Dioda Tunnel

Pengertian Dioda Tunnel – Dioda Tunnel atau bisa juga disebut dengan Dioda Esaki adalah komponen semikonduktor yang mampu beroperasi dengan sangat cepat. Dioda Tunnel ini ditemukan oleh Dr. Leo Esaki pada bulan Agustus tahun 1957, oleh karena itu Dioda Tunnel sering disebut sebagai Dioda Esaki.

Pada dasarnya Bahan Germanium digunakan untuk membuat Dioda Tunnel. Mereka juga dapat dibuat dari Gallium Arsenide dan Bahan Silikon.

Sebenarnya, mereka digunakan dalam detektor frekuensi dan konverter. Dioda Tunnel menunjukkan resistansi negatif dalam jangkauan operasinya.

Maka, dapat digunakan sebagai Penguat (amplifier), Osilator dan di setiap rangkaian switching. Untuk informasi selengkapnya, berikut ini penjelasannya.

Pengertian Dioda Tunnel

Dioda Tunnel atau yang biasa disebut Dioda Terowongan adalah salah satu jenis dioda yang mempunyai kemampuan untuk beroperasi dalam kecepatan tinggi serta dapat bekerja dengan baik pada Gelombang Mikro (Microwave) sehingga dapat digunakan pada Efek Mekanika Kuantum (Quantum Mechanical Effect) yang biasa disebut dengan Tunneling (Terowongan).

Jenis dioda yang satu ini dibuat dari konsentrasi ketidakmurnian yang tinggi sehingga akan menimbulkan efek tunnel.

Dua Terminal Persimpangan P-N pada komponen dioda ini akan di doping berat yakni kurang lebih 1000 kali lebih tinggi jika dibandingkan dengan jenis dioda pada umumnya.

Karena doping berat itulah maka lebar lapisan deplesi akan dipertipis atau dipersempit menjadi nilai yang kecil mencapai 1/10.000 m.

Maka, secara tidak langsung juga akan membuat Reverse Breakdown Voltage (Tegangan Jatuh Mundur) dioda menjadi sangat kecil dan hampir mendekati nilai “0” sehingga menyebabkan resistansi negatif ketika Dioda Tunnel menerima tegangan bias maju.

Fenomena seperti ini merupakan fenomena kuantum aneh yang biasa disebut dengan resonant tunneling.

Pada dasarnya Dioda Tunnel ini terbuat dari Germanium, Gallium Arsenide atau Gallium Antimonide. Sedangkan untuk silikon tidak dimanfaatkan sebagai bahan untuk membuat Dioda Tunnel.

Ini dikarenakan dalam proses pembuatannya membutuhkan waktu transisi Arus Puncak (Ip) dengan Arus Lembah (Iv) yang sangat cepat.

Selain itu, Rasio Ip/Iv pada bahan silikon tidak sebagus bahan Gallium Arsenide ataupun bahan yang digunakan untuk membuat Dioda Tunnel lainnya.

Karakteristik Dioda Tunnel

Dari gambar karakteristik diatas kita bisa tahu bahwa 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).

Komponen Dioda Tunnel

Struktur utama dioda adalah dua buah kutub elektroda berbahan konduktor yang masing-masing terhubung dengan semikonduktor silikon jenis p dan silikon jenis n.

Anoda adalah elektroda yang terhubung dengan silikon jenis p dimana elektron yang terkadang lebih sedikit.

Katoda adalah elektroda yang terhubung dengan silikon jenis n dimana elektron yang terkandung lebih banyak.

Pertemuan antara silikon n dan silikon p akan membentuk suatu perbatasan yang disebut P-N Junction. Material semikonduktor yang digunakan umumnya berupa silikon atau germanium.

Adapun semikonduktor jenis p diciptakan dengan menambahkan material yang mempunyai elektron valensi kurang dari 4 (Contoh: Boron) serta semikonduktor jenis n diciptakan dengan menambahkan material yang memiliki elektro valensi lebih dari 4 (Contoh: Fosfor).

Cara Kerja Dioda Tunnel

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

Jika tidak, maka energi harus disuppply dari beberapa sumber eksternal. Sehingga elektron persimpangan sisi-N bisa melompati penghalang persimpangan untuk mencapai sisi-P persimpangan.

Proses ini terjadi tanpa kehilangan energi pada bagian elektron. Perilaku mekanika kuantum tersebut menunjukkan proses tunneling.

Perangkat P-N junction dengan pengotor tinggi disebut sebagai Dioda Tunnel. Fenomena tunneling tersebut memberikan efek pembawa mayoritas.

P∝exp⁡ (-A* E_b *W)

Dimana:

‘E’ adalah energi penghalang
‘P’ adalah probabilitas bahwa partikel melintas penghalang
‘W’ adalah lebar penghalang

Sederhananya, 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)

Pada bagian ini, 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)

Pada bagian 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 bisa mengalir melalui dioda serta rangkaian diibaratkan menjadi rangkaian terbuka.

3. Kondisi Tanpa Tegangan

Pada saat 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.

Konstruksi Dioda Tunnel

Dioda mempunyai tubuh keramik serta 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.

Arus Komponen Dalam Dioda Tunnel

Berikut ini adalah arus total dalam komponen dioda terowongan:

I_t = I_tun + I_dioda + I_excess

Arus yang mengalir dalam dioda terowongan sama seperti arus yang mengalir pada dioda P-N Junction normal yang diberikan, yaitu:

I_dioda = I_do * (exp ( ?*V_t )) -1

Keterangan:

I_do – Membalikkan arus saturasi
V_t – Tegangan setara suhu
V – Tegangan melintasi dioda
η – Faktor koreksi 1 untuk Ge dan 2 untuk Si

Hal ini dikarenakan tunneling parasit melewati kotoran, excess atau kelebihan arus akan semakin dikembangkan dan ini merupakan arus tambahan yang dimana titik lembah bisa ditentukan.

Adapun arus tunneling yang diberikan adalah sebagai berikut: