Pengertian Dioda Tunnel, Karakteristik dan Cara Kerjanya

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.

Karakteristik Dioda Tunnel dengan Operasi dan Aplikasi

Pengertian Dioda Tunnel

Dioda tunnel adalah perangkat PN-junction yang menunjukkan resistansi negatif. Ketika tegangan dinaikkan maka arus yang mengalir melalui itu berkurang. Ia 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.

Baca juga :

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

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

Karakteristik Dioda Tunnel

Pengoperasian dioda tunnel terutama mencakup dua metode biasing seperti forward (maju) dan mundur (reverse)

Kondisi Forward Bias

Di bawah kondisi forward bias, ketika tegangan meningkat, maka arus berkurang dan dengan demikian menjadi semakin tidak selaras, dikenal sebagai resistansi negatif. Peningkatan tegangan akan menyebabkan beroperasi sebagai dioda normal di mana konduksi elektron berjalan melintasi dioda PN-junction.

Wilayah resistansi negatif adalah wilayah operasi paling penting untuk dioda Tunnel. Dioda Tunnel dan karakteristik dioda PN-junction berbeda satu sama lain.

Kondisi Reverse Bias

Di bawah kondisi terbalik atau reverse, dioda tunnel bertindak sebagai dioda reverse atau dioda mundur. Dengan nol tegangan offset dapat bertindak sebagai penyearah cepat. Dalam kondisi reverse bias, kondisi kosong pada sisi-n sejajar dengan kondisi diisi pada sisi-p.

Dalam arah sebaliknya, elektron akan tunnel melalui penghalang potensial. Karena konsentrasi doping yang tinggi, dioda tunnel bertindak sebagai konduktor yang sangat baik.

Karakteristik Dioda Tunnel dengan Operasi dan Aplikasi

Resistansi ke depan sangat kecil karena efek tunnelingnya. Peningkatan tegangan akan menyebabkan peningkatan arus hingga mencapai puncak arus. Tetapi jika tegangan meningkat melebihi tegangan puncak maka arus akan berkurang secara otomatis.

Wilayah resistansi negatif ini berlaku sampai titik lembah. Arus melalui dioda minimum pada titik lembah. Dioda tunnel bertindak sebagai dioda normal jika di luar titik lembah.

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
R0 = Resistansi dioda tunnel

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

  • 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.
Karakteristik Dioda Tunnel dengan Operasi dan Aplikasi

Kelebihan Dioda Tunnel

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

Kekurangan Dioda Tunnel

  • 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