Dioda Khusus: Schottky, Tunnel, LED, Laser, Fotodioda, dan Inovasi Sel Surya
Dioda Schottky
Dioda Schottky adalah perangkat juncsi logam-ke-N, juga dikenal sebagai dioda hot-carrier. Mereka menawarkan switching yang sangat cepat, waktu pemulihan mundur yang rendah, penurunan maju 0,25–0,4 V untuk juncsi logam-silikon, dan kapasitansi persimpangan minimal. Simbol skematis ditunjukkan di bawah.
Keuntungan & Keterbatasan
- Penurunan maju dan waktu pemulihan mundur lebih rendah daripada pengarah standar → ideal untuk rangkaian frekuensi tinggi.
- Rating tegangan breakdown mundur dan arus yang lebih tinggi diperlukan untuk aplikasi daya; paling cocok untuk regulator switching daya rendah.
Aplikasi
- Logika komputer berkecepatan tinggi dan pemrosesan sinyal.
- Regulator switching yang beroperasi pada 100 kHz+ di mana penurunan 0,7 V dioda silikon akan membuang daya.
- Sumber daya tegangan rendah (misalnya, 1 V) di mana penurunan 0,7 V tidak dapat diterima.
Dioda Tunnel (Esaki)
Dioda tunnel memanfaatkan tunneling resonan, menghasilkan area resistensi negatif dalam karakteristik bias maju mereka. Ketika tegangan maju kecil diterapkan, arus naik ke puncak (IP), kemudian turun ke lembah (IV), dan naik lagi. Tegangan maju pada puncak dan lembah adalah VP dan VV, masing-masing.
Karakteristik Kunci
- Doping yang sangat tinggi (~1000× lebih tinggi daripada pengarah) → daerah pematikan tipis, tegangan breakdown rendah, kapasitansi tinggi.
- Area resistensi negatif stabil suhu, memungkinkan switching yang lebih cepat dari pada dioda Schottky.
- Area persimpangan kecil diperlukan untuk membatasi kapasitansi.
Kasus Penggunaan Tipis
- Osilator frekuensi tinggi (hingga 5 GHz) di mana resistensi negatif dioda menggerakkan tangki LC.
- Rangkaian microwave khusus dan transmiter satelit awal (1960-an–70-an).
Dioda Emisi Cahaya (LED)
Prinsip Emisi
LED menghasilkan foton ketika elektron merekombinasi dengan lubang di persimpangan PN. Panjang gelombang yang dipancarkan ditentukan oleh sempit semikonduktor; kombinasi umum termasuk GaAsP (merah), GaN (biru), dan blue yang dikonversi fosfor (putih).
Elektroluminesensi & Tegangan Maju
- Penurunan maju bervariasi dari 1,6 V (infra merah) hingga >3 V (viole/UV).
- Arus operasi tipis: ~20 mA untuk LED standar; perangkat yang lebih besar mungkin menggunakan arus lebih tinggi.
- Resistor seri diperlukan saat menggerakkan dari pasokan yang lebih tinggi dari Vf LED untuk membatasi arus.
Contoh: Dengan pasokan 6 V dan LED 1,6 V, resistor 220 Ω menurunkan 4,4 V pada 20 mA, disipasi 88 mW.
Beberapa LED
- String paralel memerlukan resistor pembatas arus individual.
- String seri berbagi satu resistor tetapi pasokan harus mendukung Vf yang dijumlahkan.
- Konfigurasi seri-paralel menyeimbangkan efisiensi dan kecerahan.
Perlindungan Bias Mundur
LED memiliki tegangan breakdown mundur rendah (~5 V). Saat dipasangkan oleh AC, dioda anti-paralel atau LED melindungi perangkat. Setengah siklus AC lalu menyalakan dua LED dalam arah berlawanan.
Tabel Spesifikasi
| LED | λ (nm) | Vf (dari) | Vf (ke) |
|---|
| Infra merah | 940 | 1,2 | 1,7 |
| Merah | 660 | 1,5 | 2,4 |
| Oranye | 602–620 | 2,1 | 2,2 |
| Kuning, Hijau | 560–595 | 1,7 | 2,8 |
| Putih, Biru, Viole | - | 3 | 4 |
| Ultraviolet | 370 | 4,2 | 4,8 |
LED vs. Pijar
- LED menyediakan >3× lumen/watt dari lampu pijar.
- Umur pakai lebih lama (100.000 j vs. 1.000 j).
- Switching cepat memungkinkan transmisi data optik.
- Output monokromatik dapat dicampur menjadi LED putih melalui fosfor atau kombinasi RGB.
Perbandingan Efisiensi & Umur Pakai
| Jenis lampu | Lumen/Watt | Umur (j) | Catatan |
|---|
| LED putih | 35 | 100.000 | Mahal |
| LED putih, masa depan | 100 | 100.000 | Target R&D |
| Pijar | 12 | 1.000 | Murah |
| Halogen | 15–17 | 2.000 | Kualitas cahaya tinggi |
| Fluresen kompak | 50–100 | 10.000 | Efektif biaya |
| Natrium tekanan rendah | 70–200 | 20.000 | Outdoor |
| Merkur tekanan | 13–48 | 18.000 | Outdoor |
Dioda Laser
Sebuah dioda laser membangun pada teknologi LED dengan menyertakan ruang optik, menghasilkan cahaya koheren, monokromatik. Cahaya laser tetap sangat terfokus dalam jarak jauh karena semua foton yang dipancarkan memiliki frekuensi dan fase yang sama.
Dioda laser digunakan dalam:
- Survei dan penentuan jarak (sinus lurus, tidak menyebar).
- Penyimpanan optik (CD/DVD/Blu-ray).
- Komunikasi serat optik.
Mode operasi:
- Gelombang kontinyu: membutuhkan rangkaian regulasi arus dalam jendela arus sempit.
- Pulsed: pulsa daya tinggi singkat, sering untuk perangkat output tinggi.
Fotodioda
Fotodioda dioptimalkan untuk menghasilkan arus sebagai respons terhadap cahaya yang jatuh. Silikon adalah material yang paling umum, meskipun geranium dan GaAs juga digunakan. Lapisan P yang dangkal memungkinkan sebagian besar foton mencapai daerah pematikan di mana pasang elektron-lubang diciptakan.
Mode operasi kunci:
- Mode fotovoltaik (PV): output kecil, derau rendah di bawah 100 kHz.
- Mode fotokorel (PC): bias mundur atau bias nol; arus linier proporsional dengan intensitas cahaya, ideal untuk aplikasi berkecepatan tinggi.
Fotodioda PIN
Dengan lapisan intrinsik di antara wilayah P dan N, dioda PIN mengurangi kapasitansi, meningkatkan kecepatan (hingga puluhan GHz), dan memperbesar volume sensitif cahaya.
Fotodioda Lawin (APD)
APD menerapkan bias mundur tinggi (10–2.000 V) untuk memperkuat fotokorel melalui ionisasi dampak. Mereka menawarkan gain tinggi tetapi juga derau dan biaya yang lebih tinggi, menjadikannya cocok untuk aplikasi nich berkecepatan tinggi, cahaya rendah seperti penghitungan foton tunggal.
Sel Surya
Sel surya mengonversi sinar matahari menjadi daya listrik, beroperasi dalam mode fotovoltaik. Mereka ada dalam beberapa bentuk, masing-masing dengan trade-off dalam efisiensi, biaya, dan aplikasi.
Sel Silikon Tunggal Kristal
Dibuat dengan menarik boule kristal tunggal dari silikon cair, kemudian memotong menjadi wafer. Lapisan difusi N-tipe terbentuk pada permukaan wafer, dan permukaan depan yang bertekstur menangkap cahaya. Desain kontak belakang (misalnya, sel 21,5 % SunPower) meningkatkan area aktif dan efisiensi.
Sel Silikon Multi-Kristal
Silikon cair dicetak menjadi blok, membeku menjadi beberapa kristal besar. Batas biji mengurangi efisiensi, tetapi lapisan anti-reflektif mengurangi kerugian. Cocok untuk instalasi darat sebagian besar.
Sel Tiga-Lapisan (Multi-junction)
Lapisan yang ditumpuk atau monolitik dengan sempit yang diatur untuk UV (GaInP, 1,8 eV), near-IR (GaAs, 1,4 eV), dan far-IR (Ge, 0,7 eV) menyerap cahaya secara berurutan. Pencocokan arus menghasilkan tegangan yang dijumlahkan ke ~2,7 V. Sel ruang komersial mencapai 32 % efisiensi; versi darat menargetkan 40,7 % dengan konsentrator.
Contoh proses: Metal-organic CVD menumpuk lapisan GaInP, GaAs, dan Ge pada substrat Ge, masing-masing menyerap rentang spektral yang ditetapkan.
Alternatif Thin-Film
- Silikon amorf: ~13 % efisiensi maksimum, 5–7 % setelah penuaan, lebih baik dalam cahaya rendah, digunakan dalam kalkulator.
- Kadmium telluride (CdTe): ~16 % efisiensi, substrat murah (kaca atau logam).
- Tembaga indium galium selenida (CIGS): ~18 % efisiensi, fabrikasi roll-to-roll polimer fleksibel.
- Sel polimer organik: ~4,5 % efisiensi, tahap penelitian.
Ringkasan Performa
| Jenis sel | Ef. maksimum | Ef. praktis | Catatan |
|---|
| Silikon tunggal kristal (komersial) | 24 % | 14–17 % | $5–$10/peak W |
| Silikon tunggal kristal (ruang) | 25 % | — | Biaya tinggi |
| Tiga-junction (ruang) | 32 % | — | Pilihan untuk ruang |
| Tiga-junction (darat) | — | 40,7 % | Berdasarkan konsentrator |
| CdTe (poli-kristal) | 16 % | — | Kaca atau logam |
| CIGS (poli-kristal) | 18 % | 10 % | Polimer fleksibel |
| Silikon amorf | 13 % | 5–7 % | Mengurangi dalam sinar matahari |
Poin Utama
- Dioda Schottky unggul dalam switching berdaya rendah, frekuensi tinggi.
- Dioda tunnel menyediakan resistensi negatif ultra-cepat untuk osilator microwave.
- LED dan dioda laser menawarkan cahaya yang efisien dan dapat dikontrol untuk iluminasi dan komunikasi.
- Fotodioda, terutama jenis PIN dan APD, memungkinkan deteksi cahaya yang sensitif dalam saluran optik.
- Teknologi sel surya mencakup silikon tunggal kristal, multi-kristal, multi-junction, dan thin-film, masing-masing menyeimbangkan efisiensi, biaya, dan nich aplikasi.
Baca Lebih Lanjut
