Konstruksi Transistor Bipolar
Transistor adalah komponen semikonduktor yang terdiri atas sebuah bahan type p dan diapit oleh dua bahan tipe n (transistor NPN) atau terdiri atas sebuah bahan tipe n dan diapit oleh dua bahan tipe p (transistor PNP). Sehingga transistor mempunyai tiga terminal yang berasal dari masing-masing bahan tersebut. Struktur dan simbol transistor bipolar dapar dilihat pada gambar. Disamping itu yang perlu diperhatikan adalah bahwa ukuran basis sangatlah tipis dibanding emitor dan kolektor. Perbandingan lebar basis ini dengan lebar emitor dan kolektor kurang lebih adalah 1 : 150. Sehingga ukuran basis yang sangat sempit ini nanti akan mempengaruhi kerja transistor. Simbol transitor bipolar ditunjukkan pada gambar. Pada kaki emitor terdapat tanda panah yang nanti bisa diketahui bahwa itu merupakan arah arus konvensional. Pada transistor npn tanda panahnya menuju keluar sedangkan pada transistor pnp tanda pa nahnya menuju kedalam.
Gambar 1 Simbol Transitor bipolar ditunjukkan pada Ketiga terminal transistor tersebut dikenal dengan Emitor (E), Basis (B) dan Kolektor (C). Emitor merupakan bahan semikonduktor yang diberi tingkat doping sangat tinggi. Bahan kolektor diberi doping dengan tingkat yang sedang. Sedangkan basis adalah bahan dengan dengan doping yang sangat rendah. Perlu diingat bahwa semakin rendah tingkat doping suatu bahan, maka semakin kecil konduktivitasnya. Hal ini karena jumlah pembawa mayoritasnya (elektron untuk bahan n; dan hole untuk baha n p) adalah sedikit. Aliran Arus Listrik pada Transistor PNP dan NPN
Pada transistor baik untuk tipe NPN atau PNP anak panah selalu ditempat emitor artinya anak panah menunjuk arus listrik konvensional dimana arahnya berlawanan denga arah arus elektron.
Transist r PNP
: Arus listr i yang besar akan mengalir dar i emitter ke collector. Apabila ada arus kecil yang mengalir dar i emitter ke base.
C
B
E
Transistor NPN
: Arus listr ik yang besar akan menga lir dar i collector ke emitter, apabila ada arus kecil yang mengalir dar i base ke emitter. Dalam hal ini transistor mir i p dengan amplifier, yang mengontrol jumlah arus dar i collector ke emitter oleh arus yang mengalir dar i base. Transistor juga mir i p dengan f ungsi sakelar. Transistor akan beker ja pada posisi ON, yaitu arus akan mengalir dar i collector ke emitter apabila arus kecil mengalir dar i base. Sedangkan transistor akan berada pada posisi OFF, apabila tidak ada arus yang mengalir dar i base. C
B
E
Pri
i
erja dari Transistor
Cara k erja Transistor
Dar i banyak ti pe-ti pe transistor modern, pada awalnya ada dua ti pe dasar transistor, bi polar junction transistor (BJT atau transistor bi polar) dan field-eff ect transistor (FET), yang masing-masing beker ja secara berbeda. Transistor bi polar dinamakan demik ian karena kanal konduksi utamanya menggunakan dua polar itas pembawa muatan: elek tron dan lubang, untuk membawa arus listr ik. Dalam BJT, arus listr ik utama harus melewati satu daerah/lapisan pembatas dinamakan depletion zone, dan ketebalan lapisan ini dapat diatur dengan kecepatan tinggi dengan tu juan untuk mengatur aliran arus utama tersebut.
FET
(juga dinamakan transistor unipolar) hanya menggunakan satu jenis pembawa
muatan (elektron atau hole, tergantung dari tipe
FET).
Dalam
FET,
arus listrik utama
mengalir dalam satu kanal konduksi sempit dengan depletion zone di kedua sisinya (dibandingkan dengan transistor bipolar dimana daerah Basis memotong arah arus listrik utama). Dan ketebalan dari daerah perbatasan ini dapat dirubah dengan perubahan tegangan yang diberikan, untuk mengubah ketebalan kanal konduksi tersebut. Lihat artikel untuk masing-masing tipe untuk penjelasan yang lebih lanjut. Apabila pada terminal transistor tidak diberi tegangan bias dari luar, maka semua arus akan nol atau tidak ada arus yang mengalir. Sebagai mana terjadi pada persambungan dioda, maka pada persambungan emiter dan basis ( E) serta pada persambungan basis dan kolektor ( C) terdapat daerah pengosongan. Tegangan penghalang (barrier potensial) pada masingmasing persambungan dapat dilihat pada gambar 4.
Gambar 4 Penjelasan kerja berikut ini didasarkan pada transistor jenis PNP (bila NPN maka semua polaritasnya adalah s ebaliknya). Pada diagram potensial terlihat bahwa terdapat perbedaan potensial antara kaki emitor dan basis sebesar Vo, juga antara kaki basis dan kolektor. Oleh karena potensial ini berlawanan dengan muatan pembawa pada masing-masing bahan tipe P dan N, maka arus rekombinasi hole-elektron tidak akan mengalir. Sehingga pada saat transistor tidak diberi tegangan bias, maka arus tidak akan mengalir. Selanjutnya apabila antara terminal emitor dan basis diberi tegangan bias maju (emitor positip dan basis negatip) serta antara terminal basis dan kolektor diberi bias mundur (basis positip dan kolektor negatip), maka transistor disebut mendapat bias akti (lihat gambar).
Gambar 5 Transistor dengan tegangan bias akti Setelah transistor diberi tegangan bias akti , maka daerah pengosongan pada persambungan emitor-basis menjadi semakin sempit karena mendapatkan bias maju. Sedangkan daerah pengosongan pada persambungan basis-kolektor menjadi semakin melebar karena mendapat bias mundur. Pemberian tegangan bias seperti ini menjadikan kerja transistor berbeda sa ma sekali bila dibanding dengan dua dioda yang disusun berbalikan, meskipun sebenarnya struktur transistor adalah mirip seperti dua dioda yang disusun berbalikan, yakni dioda emitor-basis (P-N) dan dioda basis-kolektor (N-P). Bila mengikuti prinsip kerja dua dioda yang berbalikan, maka dioda emitorbasis yang mendapat bias maju akan mengalirkan arus dari emitor ke basis dengan cukup besar. Sedangkan dioda basis-kolektor yang mendapat bias mundur praktis tidak mengalirkan arus. Dengan demikian terminal emitor dan basis akan mengalir arus yang besar dan terminal kolektor tidak mengalirkan arus. Namun yang terjadi pada transistor tidaklah demikian. Hal ini disebabkan karena dua hal, yaitu: ukuran isik basis yang sangat sempit (kecil) dan tingkat doping basis yang sangat rendah. Oleh karena itu konduktivitas basis sangat rendah atau dengan kata lain jumlah pembawa mayoritasnya (dalam hal ini adalah elektron) sangatlah sedikit dibanding dengan pembawa mayoritas emitor (dalam hal ini adalah hole). Sehingga jumlah hole yang berdi usi ke basis sangat sedikit dan sebagian besar tertarik ke kolektor dimana pada kaki kolektor ini terdapat tegangan negatip yang relati besar.
Gambar 6 Diagram potensial pada transistor dengan bias akti Tegangan bias maju yang diberikan pada dioda emitor-basis (VEB) akan mengurangi potensial penghalang Vo, sehingga pembawa muatan mayoritas pada emitor akan mudah untuk berekombinasi ke basis. Namun karena konduktivitas basis yang rendah dan tipisnya basis, maka sebagian besar pembawa muatan akan tertarik ke kolektor. Disamping itu juga dikuatkan oleh adanya beda potensial pada basiskolektor yang semakin tinggi sebagai akibat penerapan bias mundur VCB. Dengan demikian arus dari emitor (IE) sebagian kecil dilewatkan ke basis (IB) dan sebagian besar lainnya diteruskan kolektor (IC). Sesuai dengan hukum Kirchho
maka
diperoleh persamaan yang sangat penting yaitu: IE
= IC + IB
Karena besarnya arus IC kira-kira 0,90 sampai 0,998 dari arus IE, maka dalam praktek umumnya dibuat IE IC. Disamping ketiga macam arus tersebut yang pada dasarnya adalah disebabkan karena aliran pembawa mayoritas, di dalam transistor sebenarnya masih terdapat aliran arus lagi yang relati sangat kecil yakni yang disebabkan oleh pembawa minoritas. Arus ini sering disebut dengan arus bocor atau ICBO (arus kolektor-basis dengan emitor terbuka). Namun dalam berbagai analisa praktis arus ini sering diabaikan. Seperti halnya pada dioda, bahwa dalam persambungan PN yang diberi bias mundur mengalir arus bocor Is karena pembawa minoritas. Demikian juga dalam trannsistor dimana persambungan kolektor-basis yang diberi bias mundur VCB akan mengalir arus bocor (ICBO). Arus bocor ini sangat peka terhadap temperatur, yakni akan naik dua kali untuk setiap kenaikan temperatur 10ºC.
Diagram aliran arus IE, IB, IC dan ICBO dalam transistor dapat dilihat pada gambar 3.5. Dari gambar tersebut terlihat bahwa arus kolektor merupakan penjumlahan dari arus pembawa mayoritas dan arus pembawa minoritas, yaitu IC = ICmayoritas+ ICBOminoritas.
Gambar 7 Diagram aliran arus dalam transistor Asas K rja Transistor
1.
Akan mengalir arus pada terminal kolektor dan emiter (IC) apabila ada arus yang mengalir pada terminal basis emiter (IE ). dalam keadaan ini transmiter ³on´
2.
Perbandingan antara IC dan IE disebut sebagai ³Bandingan hantaran maju´ ( Forward current ratio) disebut HFE.
HFE disebut juga sebagai µpenguatan¶ transistor atau ³ ´ atau . Untuk IC dan IE searah ditulis HFE Untuk IC dan IE searah ditulis H e
3.
Pada transistor daya: hFE = + 25 kali
4.
Untuk penguatan rekwensi tinggi hFE = 100 kali
Param t r Transistor
1.
Parameter transistor tidaklah sama meskipun dalam dala m tipe yang sama sekalipun
2.
Tapi dalam prakteknya, parameter dianggap sama (konstan)
3.
Konduktansi (daya hantar)
(miliampere/volt)
Dimana ie : arus sinyal ac antar kolektor ± emiter V be : tegangan sinyal ac antara basis - emiter 4.
Dalam rangkaian penguat untuk sinyal kecil, berlaku penguatan tegangan sebagai berikut; A= Gm x R L Dimana
R L = R C // R Bb
Param t r lainnya
1. Impedansi masukan (impedansi input) dimana Vb = tegangan sinyal yang masuk ke basis ib= arus sinyal pada basis 2. Impedansi keluaran (impedansi output) a. tanpa isyarat (sinyal) di basis Ve = tegangan sinyal di kolektor ic = arus sinyal di kolektor b. Dengan adanya sinyal di basis Ic = arus kolektor Transistor S bagai P nguat Arus s bagai p nguat: y
Transistor bekerja pada mode akti .
y
Transistor berperan sebagai sebuah sumber arus yang dikendalikan oleh tegangan (VCCS).
y
Perubahan pada tegangan base-emitter,vBE, akan menyebabkan perubahan pada arus collector,iC.
y
Transistor dipakai untuk membuat sebuah penguatan transkonduktansi.
y
Penguatan tegangan dapat diperoleh dengan melalukan arus collector ke sebuah resistansi, RC.
y
Agar penguat menjadi penguat linier, transistor harus diberi bias, dan sinyal akan ditumpangkan pada tegangan bias dan sinyal yang akan diperkuat harus dijaga tetap kecil
Dengan arus IB yang kecil dapat menghasilkan arus kolektor IC yang besar. ika arus basis IB kita anggap sebagai input dan arus kolektor IC sebagai output, maka transistor dapatkita anggap sebagai penguat arus atau sering kita sebut penguat arus (current amplimeter) H e. Karena arus IC lebih besar dari arus keluaran IB jadi penguatan arus / H e dapat dide enisikan sebagai perbandingan antara arus keluaran IC dan arus masukan IB Rumus =
karena Kegunaan lain transistor 1. Saklar elektronik Gambar transistor ini dapat dianalisa sebagai saklar berikut; C E B C+EB dari gambar analogi saklar tersebut, bila basis diberi sinyal maka saklar akan terdorong sehingga akan menutup, dengan demikian arus akanmengalir dar C ke E bila dalam rangkaian digambarkan sebagai berikut; Keterangan VR= resistor variable
= Lampu pijar tegangan positi akan masuk ke transistor yaotu ke kolektor melalui R1 dan ke basis melalui R2 dan VR (resistor variable) R3 ber ungsi sebagai umpan negati agar arus mesuk ke basis. Bila VBE telah tercapai, maka transistor a kan di µon´ sebagai saklar, sehingga arus akan mengalir dari kolektor ke emiter dan la mpu akan menyala. 2. Penguat Sinyal Penguatan sinyal pada transistor ³bila kaki kolektor dan emiter diberi tegangan dan basis diberi sinyal input maka transistro akan
µon¶ sehingga arus mengalir dari C ke E. sinyal basis akan diperkuat oleh arus tersebut yang dapat dideteksi melalui output pada C dan E. ICB0 : arus bocor pada transistor yang mengalir dari kolektro kemudian ke basis, lalu ke netral Basis : Kaki transistor untuk memasukkan input sinyal yang aka n diperkuat Keadaan jenuh : Suatu keadaan dimana apabila sinyal input diperbesar maka sinyal output tidak akan naik lagi. Karakteristik Trans er Transistor Transistor merupakan alat dengan tiga terminal seperti yang diperlihatkan oleh simbol sirkuit pada gambar. Setelah bahan semikonduktor diolah, terbentuklah bahan semikonduktor jenis p dan n Walapun proses pembuatannya sangat banyak, pada dasarnya transistor merupakan tiga lapis gabungan kedua jenis bahan tadi, yaitu PNP dan NPN. Prinsip kerja kedua tipe ini sama, perbedaan hanyalah keberadaannya dala m kondisi pancaran DC
Gambar sirkuit untuk simbol transistor (a) PNP, (b) NPN Gambar dibawah memperlihatkan karakteristik keluaran yang menghubungkan arus IC dengan tegangan Vce untuk harga arus IB tertentu. Kurva ini menyajikan hubungan antar arus masukan disatu sisi dan arus serta tegangan keluaran di sisi lain. Parameter yang sangat penting bagi transistor adalah penguat arus DC yang dikenal sebagai oenguat arus statis h e. Ini adalah penguatan transistor pada keadaan stasioner, yaitu tanpa sinyal masukan, tidak mempunyai satuan (karena suatu perbandingan. Transistor NPN kolektor dan emiter merupakan bahan semikonduktor jenis p. transistor bekerja dalam satu arah, yaitu dari kolektor menuju emitter, karena kedua terminal tersebut terbuat dari bahan yang sama. Pada dasarnya transistor dapat dianggap sebagai suatu piranti yang beroperasi karena adanya arus. Kalau alat mengalir kedalam basis dan melewati sambungan basis emitter, suatu suplay positi pada kolektor akan menyebabkan arus mengalir antara kolektor dan emitter. Dua hal yang harus diperhatikan pada arus kolektor ini adalah: a. untuk arus basis nol, arus kolektor turun sampai pada tingkat arus kebocoran, yaitu kurang dari 1 mikro ampere dalam kondisi normal (untuk transistor dengan bahan dasar silikon). B. untuk arus basis tertentu, arus kolektor yang mengalir akan jauh lebih besar daripada arus basis itu. Arus kolektor tersebut dicapai dengan Ic = h e x Ib. 3. Transistor sebagai saklar cara termudah untuk menggunakan sebuah transistor adalah sebuah saklar, artinya bahwa kita mengoperasikan transistor pada salah satu saturasi atau titik sumbat, tetapi tidak di tempat-tempat sepanjang garis beban. ika sebuah transistor berada dalam keadaan saturasi, transistor tersebut seperti sebuah saklar yang tertutup dari kolektor ke emiter. ika transistor tersumbat (cuto ), transistor seperti sebuah saklar yang terbuka. 2.5 Penguat dalam Keadaan Diam
Ketika pada rangkaian penguat belum diberi sinyal masukan AC, maka rangkaian penguat disebut berada dalam keadaan diam. Supaya bekerja maka transistor harus dipanjar dengan tegangan DC. Cara transistor dalam keadaan diam adalah 1. Matikan sinyal generator untuk sementara. 2. Hidupkan catu dayadaya, minimumkan bias kontrol (p tensiometer 10 k). Baca har ga, VCE dan IC Petakan sebagai titik pada kertas gra karakteristik transistor. Titik tersebut adalah salah satu titik garis beban. 3. Atur potensiometer 10 k sehingga arus basis sebesar 10 A. Catat harga VCE dan Ic 4.
Harga
²
harga
Petakan
ini karakteristik
adalah
harga
titik
Ic/VCE
kerja. transistor.
5. Variasikan arus basis menjadi 5 A dan 15 A Untuk masing-masing harga arus basis petakan nilai yang diperoleh. Semua titik-titik ini harus terletak pada garis lurus (garis beban) 6. Atur arus basis menjadi 10
A kembali. Hidupkan sinyal generator dan atur untuk
menghasilkan sinyal 1 Vp-p pada 1 kHz. Gunakan osiloskop untuk mengamati bentuk gclombang input dari sinyal generator dan bentuk gelombang output pada kolektor transistor gambarkan kedua bentuk gelombang tersebut. 7. Atur potcnsiometer ke posisi minimum dan gambarkan bentuk gelombang output. 8. Kemudian atur ke posisi maksimum dan catat pula bentuk gelombang output.
