Dioda tunnel adalah komponen semikonduktor yang dapat beroperasi dengan kecepatan tinggi. Dioda tunnel umumnya terbuat dari bahan seperti Germanium, Gallium Arsenide, dan Silikon.
Dioda ini digunakan dalam detektor dan konverter frekuensi. Dioda tunnel memiliki resistansi negatif di wilayah operasinya.
Karena sifatnya yang unik ini, dioda tunnel banyak digunakan dalam berbagai perangkat seperti amplifier, osilator, dan berbagai rangkaian switching.
Pada artikel ini, Teknoindie akan menjelaskan secara lengkap tentang dioda tunnel.
Pengertian Dioda Tunnel
Dioda tunnel adalah jenis dioda semikonduktor yang memiliki sifat unik "resistansi negatif" karena efek mekanika kuantum yang disebut tunneling. Konsep ini berbeda dari dioda konvensional yang mengalirkan arus dalam satu arah saja.
Dengan memanfaatkan efek mekanika kuantum ini, dioda tunnel mampu beroperasi dengan sangat cepat dan efisien, cocok untuk aplikasi dalam frekuensi radio gelombang mikro yang membutuhkan kecepatan dan sensitivitas tinggi.
Dioda tunnel memiliki beberapa karakteristik khusus. Pertama, dioda ini memiliki persimpangan p-n yang sangat tipis, yang memungkinkan pembawa muatan untuk "tunnel" melalui lapisan penghalang dengan mudah.
Kedua, konsentrasi dopan di kedua sisi persimpangan sangat tinggi, yang mendukung efek tunneling ini. Ketiga, dioda tunnel menunjukkan resistansi dinamis negatif dalam rentang tegangan polarisasi tertentu, yang merupakan fenomena langka dalam dunia elektronika.
Dioda tunnel pertama kali ditemukan pada tahun 1957 oleh fisikawan Jepang, Leo Esaki, dan kadang-kadang disebut juga dioda Esaki. Penemuan ini terjadi selama penelitian Esaki tentang sambungan semikonduktor, di mana ia menemukan fenomena unik efek tunneling yang belum pernah terjadi sebelumnya. Efek tunneling ini memungkinkan pembawa muatan untuk "tunnel" melalui penghalang energi yang biasanya tidak dapat dilakukan dalam fisika klasik.
Dalam aplikasinya, dioda tunnel sangat berguna dalam berbagai perangkat elektronik, seperti amplifier, osilator, dan rangkaian switching. Kemampuannya untuk beroperasi pada frekuensi tinggi dengan kecepatan dan sensitivitas yang tinggi membuatnya menjadi pilihan yang populer dalam aplikasi yang memerlukan kinerja tinggi dalam spektrum frekuensi radio.
Simbol Dioda Tunnel
Simbol dioda tunnel terlihat pada gambar di atas. Dalam dioda tunnel, semikonduktor tipe-p berperan sebagai anoda, sementara semikonduktor tipe-n bertindak sebagai katoda.
Seperti yang kita ketahui, anoda adalah elektroda positif yang menarik elektron, sedangkan katoda adalah elektroda negatif yang memancarkan elektron.
Pada dioda tunnel, semikonduktor tipe-n memancarkan atau menghasilkan elektron, sehingga disebut sebagai katoda.
Di sisi lain, semikonduktor tipe-p menarik elektron yang dipancarkan dari semikonduktor tipe-n, sehingga semikonduktor tipe-p disebut sebagai anoda.
Komponen Dioda Tunnel
Struktur dasar dari sebuah dioda terdiri dari dua elektroda yang terbuat dari bahan konduktif, yang masing-masing terhubung ke semikonduktor tipe-p dan tipe-n yang terbuat dari silikon.
Persimpangan antara semikonduktor tipe-n dan tipe-p membentuk batas yang dikenal sebagai persimpangan PN. Bahan semikonduktor yang paling umum digunakan dalam pembuatan dioda adalah silikon atau germanium.
Semikonduktor tipe-P dibuat dengan menambahkan bahan yang memiliki kurang dari 4 elektron valensi, seperti boron.
Sementara itu, semikonduktor tipe-n dibuat dengan menambahkan material yang memiliki lebih dari 4 elektron valensi, seperti fosfor.
Cara Kerja Dioda Tunnel
Menurut prinsip mekanika, sebuah partikel harus mencapai energi penghalang yang sama dengan ketinggian energi potensialnya untuk dapat bergerak dari satu sisi penghalang ke sisi lain. Jika tidak, maka daya harus disediakan oleh sumber daya eksternal.
Dalam konteks dioda tunnel, elektron pada persimpangan tipe-n dapat "melompati" penghalang menuju persimpangan tipe-p tanpa kehilangan energi. Ini disebabkan oleh fenomena mekanika kuantum yang dikenal sebagai tunneling.
Dalam dioda tunnel, tunneling menghasilkan efek pembawa mayoritas. Persamaan yang menggambarkan probabilitas tunneling adalah:
P∝exp (-A* E_b *W)
Dimana:
‘E’ adalah energi penghalang
‘P’ adalah probabilitas
‘W’ adalah lebar penghalang
Operasi Dioda Tunnel
Setelah memahami pengertian dan cara kerja dioda tunnel, prinsip kerjanya dapat dijelaskan secara sederhana dalam tiga kondisi.
- Kondisi Tegangan Positif (forward biased).
- Kondisi Tegangan Negatif (reverse biased).
- Kondisi Tanpa Tegangan (unbiased).
Penjelasan untuk setiap kondisi tersebut dapat dilihat di bawah ini.
1. Kondisi Tegangan Positif (Forward Biased)
Pada kondisi ini, anoda dihubungkan ke terminal positif catu daya dan katoda dihubungkan ke terminal negatif.
Dengan adanya tegangan eksternal, ion-ion tertarik ke kutub yang berlawanan dengan muatan mereka; ion negatif ditarik ke arah anoda positif dan ion positif ditarik ke arah katoda negatif.
Penghapusan penghalang ini memungkinkan pergerakan elektron di dalam dioda, sehingga arus listrik dapat mengalir seperti dalam sebuah rangkaian tertutup.
2. Kondisi Tegangan Negatif (Reverse Biased)
Pada kondisi ini, anoda dihubungkan ke terminal negatif catu daya dan katoda dihubungkan ke terminal positif. Ketika ada tegangan eksternal, ion-ion tertarik ke kutub yang berlawanan, yang menghambat aliran listrik.
Ketika tegangan negatif diterapkan, ion negatif tertarik ke sisi katoda (tipe-N); sebaliknya, ketika tegangan positif diterapkan, ion positif tertarik ke sisi anoda (tipe-P).
Gerakan ion-ion ini sejajar dengan medan listrik statis, yang mencegah gerakan elektron. Sebagai hasilnya, penghalang menjadi lebih tinggi dari ion-ion yang menghambat aliran listrik melalui dioda, dibandingkan dengan sirkuit terbuka di sekitarnya.
3. Kondisi Tanpa Tegangan (Unbiased)
Ketika tidak ada tegangan yang diberikan, dioda akan membentuk medan listrik di daerah persimpangan P-N. Proses ini dimulai dengan difusi, di mana muatan listrik bergerak dari sisi N ke sisi P. Elektron yang berpindah akan menempati posisi di sisi P, yang disebut sebagai hole.
Pergerakan elektron ini akan meninggalkan ion positif di sisi N dan lubang yang ditinggalkan oleh elektron akan diisi oleh ion negatif dari sisi P. Ion-ion yang tidak bergerak ini menciptakan medan listrik yang bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan elektron di dalam dioda.
Karakteristik Dioda Tunnel
Dari diagram karakteristik di atas, terlihat bahwa arus di dioda tunnel meningkat ketika tegangan bias maju kecil diterapkan. Saat tegangan maju meningkat, arus mencapai puncak (Ip). Namun, ketika tegangan naik sedikit, arus menjadi minimum (Iv).
Jika tegangan dinaikkan lebih lanjut, arus di dioda tunnel kembali naik. Tegangan maju diperlukan untuk mencapai arus maksimum atau puncak.
Kemudian arus turun menuju lembah arus yang disebut tegangan puncak (Vp), sedangkan tegangan di lembah disebut tegangan lembah (Vv).
Ketika tegangan maju diterapkan, daerah di mana arus mulai turun dari Ip ke Iv disebut daerah resistansi negatif (wilayah antara Vp dan Vv).
Kelebihan dan Kekurangan Dioda Tunnel
Dioda tunnel memiliki beberapa kelebihan dan kekurangan seperti berikut:
Kelebihan:
- Kecepatan switching yang tinggi.
- Dapat menangani frekuensi tinggi.
- Pembuatan yang sederhana.
- Noise yang rendah.
- Disipasi daya yang rendah.
- Pengoperasian berkecepatan tinggi.
- Menghasilkan fitur resistansi negatif yang dapat digunakan dalam osilator dan amplifier.
Kekurangan:
- Perangkat berdaya rendah.
- Harganya sedikit mahal dibandingkan dioda biasa.
- Tidak ada isolasi antara input dan output karena merupakan perangkat dua terminal.
- Range output daya dibatasi hanya beberapa miliwatt karena potensi DC yang diterapkan harus rendah dibandingkan dengan potensi celah pita dioda.
Aplikasi Dioda Tunnel
Dioda tunnel memiliki berbagai aplikasi dalam kehidupan sehari-hari, antara lain:
- Dioda tunnel digunakan dalam berbagai jenis osilator seperti alat relaksasi, microwave, dan lain-lain.
- Digunakan sebagai perangkat switching dengan kecepatan sangat tinggi.
- Digunakan sebagai perangkat penyimpanan memori logika.
- Digunakan sebagai osilator gelombang mikro dengan frekuensi tinggi.
- Digunakan sebagai osilator, amplifier, dan sakelar.
- Digunakan sebagai komponen frekuensi tinggi.
- Digunakan dalam penerima FM dan rangkaian osilator karena merupakan perangkat arus rendah.
Kesimpulan
Dioda tunnel dapat digunakan untuk osilator, amplifier, sakelar, dan sebagainya. Meskipun dioda ini responsif terhadap frekuensi tinggi, namun jarang dipilih karena ketersediaan perangkat yang lebih baik.
Demikianlah informasi terkait pengertian dioda tunnel, simbol, cara kerja, kelebihan, kekurangan, dan penggunaannya yang dapat kami sajikan. Semoga memberikan wawasan yang bermanfaat untuk Anda semua.