Transistor

Pengenalan

Transistor (transfer resistor) adalah suatu komponen elektronika semikonduktor yang dapat mengalirkan atau memutuskan aliran arus yang besar dengan pengendalian arus listrik yang relatif sangan kecil, dengan mengubah resistansi lintasannya.  Transistor dipakai sebagai penguat, sebagai sirkuit pemutus dan penyambung (switching), stabilisasi tegangan, modulasi sinyal atau sebagai fungsi lainnya. Transistor dapat berfungsi semacam kran listrik, dimana berdasarkan arus inputnya (BJT) atau tegangan inputnya (FET), memungkinkan pengaliran listrik yang sangat akurat dari sirkuit sumber listriknya.

Gambar 1. Jenis transistor, jika dibandingkan dengan pita ukur sentimeter

Pada umumnya, transistor memiliki 3 terminal. Tegangan atau arus yang dipasang di satu terminalnya mengatur arus yang lebih besar yang melalui 2 terminal lainnya. Dalam rangkaian analog, transistor digunakan dalam amplifier (penguat). Rangkaian analog melingkupi pengeras suara, sumber listrik stabil, dan penguat sinyal radio. Dalam rangkaian-rangkaian digital, transistor digunakan sebagai saklar berkecepatan tinggi. Beberapa transistor juga dapat dirangkai sedemikian rupa sehingga berfungsi sebagai logic gate, memori, dan komponen-komponen lainnya.

>>Sejarah
Transistor dwikutub titik-sentuh diciptakan pada Desember 1947 di Bell Telephone Laboratories oleh John Bardeen dan Walter Brattain dibawah arahan William Shockley. Versi pertemuan diciptakan pada tahun 1948. Setelah menjadi peranti pilihan untuk berbagai rangkaian, sekarang penggunaannya telah banyak digantikan oleh FET, baik pada sirkuit digital (oleh CMOS) ataupun sirkuit analog (oleh MOSFET dan JFET).

Gambar 2. Transistor pertama

>>Pengendalian tegangan, arus dan muatan
Arus kolektor-emitor dapat dipandang sebagai terkendali arus basis-emitor (kendali arus) atau tegangan basis-emitor (kendali tegangan). Pandangan tersebut berhubungan dengan hubungan arus-tegangan dari pertemuan basis-emitor, yang mana hanya merupakan kurva arus-tegangan eksponensial biasa dari dioda pertemuan p-n. Penjelasan fisika untuk arus kolektor adalah jumlah muatan pembawa minoritas pada daerah basis. Model mendetail dari kerja transistor, model Gummel–Poon, menghitung distribusi dari muatan tersebut secara eksplisit untuk menjelaskan perilaku transistor dengan lebih tepat. Pandangan mengenai kendali-muatan dengan mudah menangani transistor-foto, dimana pembawa minoritas di daerah basis dibangkitkan oleh penyerapan foton, dan menangani pematian dinamik atau waktu pulih, yang mana bergantung pada penggabungan kembali muatan di daerah basis. Walaupun begitu, karena muatan basis bukanlah isyarat yang dapat diukur pada saluran, pandangan kendali arus dan tegangan biasanya digunakan pada desain dan analisis sirkuit.

Gambar 3. Pengendalian tegangan, arus dan muatan

Pada desain sirkuit analog, pandangan kendali arus sering digunakan karena ini hampir linier. Arus kolektor kira-kira β_F kali lipat dari arus basis. Beberapa sirkuit dasar dapat didesain dengan mengasumsikan bahwa tegangan emitor-basis kira-kira tetap, dan arus kolektor adalah beta kali lipat dari arus basis. Walaupun begitu, untuk mendesain sirkuit BJT dengan akurat dan dapat diandalkan, diperlukan model kendali-tegangan (sebagai contoh model Ebers–Moll). Model kendali-tegangan membutuhkan fungsi eksponensial yang harus diperhitungkan, tetapi jika ini dilinierkan, transistor dapat dimodelkan sebagai sebuah transkonduktansi, seperti pada model Ebers–Moll, desain untuk sirkuit seperti penguat diferensial menjadi masalah linier, jadi pandangan kontrol-tegangan sering diutamakan. Untuk sirkuit translinier, dimana kurva eksponensiak I-V adalah kunci dari operasi, transistor biasanya dimodelkan sebagai terkendali tegangan dengan transkonduktansi sebanding dengan arus kolektor.

>>Struktur

Gambar 4. Transistor PNP

 Daerah-daerah tersebut adalah tipe-p, tipe-n dan tipe-p pada transistor PNP, dan tipe-n, tipe-p dan tipe-n pada transistor NPN. Setiap daerah semikonduktor disambungkan ke saluran yang juga dinamai emitor (E), basis (B) dan kolektor (C). Basis secara fisik terletak diantara emitor dan kolektor, dan dibuat dari bahan semikonduktor terkotori ringan resistivitas tinggi. Kolektor mengelilingi daerah emitor, membuat hampir tidak mungkin untuk mengumpulkan elektron yang diinjeksikan ke daerah basis untuk melarikan diri, membuat harga α sangat dekat ke satu, dan juga memberikan β yang lebih besar. Irisan dari BJT menunjukkan bahwa pertemuan kolektor-basis jauh lebih besar dari pertemuan kolektor-basis.

Transistor pertemuan dwikutub tidak seperti transistor lainnya karena biasanya bukan merupakan peranti simetris. Ini berarti dengan mempertukarkan kolektor dan emitor membuat transistor meninggalkan moda aktif-maju dan mulai beroperasi pada moda terbalik. Karena struktur internal transistor dioptimalkan untuk operasi moda aktif-maju, mempertukarkan kolektor dan emitor membuat harga α dan β pada operasi mundur jauh lebih kecil dari harga operasi maju, seringkali α bahkan kurang dari 0.5. Buruknya simetrisitas terutama dikarenakan perbandingan pengotoran pada emitor dan kolektor. Emitor dikotori berat, sedangkan kolektor dikotori ringan, memungkinkan tegangan panjar terbalik yang besar sebelum pertemuan kolektor-basis bobol.

Pertemuan kolektor-basis dipanjar terbalik pada operasi normal. Alasan emitor dikotori berat adalah untuk memperbesar efisiensi injeksi, yaitu perbandingan antara pembawa yang diinjeksikan oleh emitor dengan yang diinjeksikan oleh basis. Untuk penguatan arus yang tinggi, hampir semua pembawa yang diinjeksikan ke pertemuan emitor-basis harus datang dari emitor. Perubahan kecil pada tegangan yang dikenakan membentangi saluran basis-emitor menyebabkan arus yang mengalir diantara emitor dan kolektor untuk berubah dengan signifikan. Efek ini dapat digunakan untuk menguatkan tegangan atau arus masukan. BJT dapat dianggap sebagai sumber arus terkendali tegangan, lebih sederhana dianggap sebagai sumber arus terkendali arus, atau penguat arus, dikarenakan rendahnya impedansi pada basis. Transistor-transistor awal dibuat dari germanium tetapi hampir semua BJT modern dibuat dari silikon. Beberapa transistor juga dibuat dari galium arsenid, terutama untuk penggunaan kecepatan tinggi.

>>BJT
BJT (Bipolar Junction Transistor) adalah salah satu dari dua jenis transistor. Cara kerja BJT dapat dibayangkan sebagai dua dioda yang terminal positif atau negatifnya berdempet, sehingga ada tiga terminal. Ketiga terminal tersebut adalah emiter (E), kolektor (C), dan basis (B).

Perubahan arus listrik dalam jumlah kecil pada terminal basis dapat menghasilkan perubahan arus listrik dalam jumlah besar pada terminal kolektor. Prinsip inilah yang mendasari penggunaan transistor sebagai penguat elektronik. Rasio antara arus pada koletor dengan arus pada basis biasanya dilambangkan dengan β atau h_FE. β biasanya berkisar sekitar 100 untuk transistor-transisor BJT.

>>FET
FET dibagi menjadi dua keluarga: Junction FET (JFET) dan Insulated Gate FET (IGFET) atau juga dikenal sebagai Metal Oxide Silicon (atau Semiconductor) FET (MOSFET). Berbeda dengan IGFET, terminal gate dalam JFET membentuk sebuah dioda dengan kanal (materi semikonduktor antara Source dan Drain). Secara fungsinya, ini membuat N-channel JFET menjadi sebuah versi solid-state dari tabung vakum, yang juga membentuk sebuah dioda antara antara grid dan katode. Dan juga, keduanya (JFET dan tabung vakum) bekerja di "depletion mode", keduanya memiliki impedansi input tinggi, dan keduanya menghantarkan arus listrik dibawah kontrol tegangan input.

FET lebih jauh lagi dibagi menjadi tipe enhancement mode dan depletion mode. Mode menandakan polaritas dari tegangan gate dibandingkan dengan source saat FET menghantarkan listrik. Jika kita ambil N-channel FET sebagai contoh: dalam depletion mode, gate adalah negatif dibandingkan dengan source, sedangkan dalam enhancement mode, gate adalah positif. Untuk kedua mode, jika tegangan gate dibuat lebih positif, aliran arus di antara source dan drain akan meningkat. Untuk P-channel FET, polaritas-polaritas semua dibalik. Sebagian besar IGFET adalah tipe enhancement mode, dan hampir semua JFET adalah tipe depletion mode.

>>NPN  

Gambar 5. Simbol NPN BJT

NPN adalah satu dari dua tipe BJT, dimana huruf N dan P menunjukkan pembawa muatan mayoritas pada daerah yang berbeda dalam transistor. Hampir semua BJT yang digunakan saat ini adalah NPN karena pergerakan elektron dalam semikonduktor jauh lebih tinggi daripada pergerakan lubang, memungkinkan operasi arus besar dan kecepatan tinggi. Transistor NPN terdiri dari selapis semikonduktor tipe-p diantara dua lapisan tipe-n. Arus kecil yang memasuki basis pada tunggal emitor dikuatkan di keluaran kolektor. Dengan kata lain, transistor NPN hidup ketika tegangan basis lebih tinggi daripada emitor. Tanda panah dalam simbol diletakkan pada kaki emitor dan menunjuk keluar (arah aliran arus konvensional ketika peranti dipanjar maju).

Gambar 6. Struktur dasar transistor NPN

>>PNP
Jenis lain dari BJT adalah PNP.

Gambar 7. Simbol PNP BJT.

Transistor PNP terdiri dari selapis semikonduktor tipe-n diantara dua lapis semikonduktor tipe-p. Arus kecil yang meninggalkan basis pada moda tunggal emitor dikuatkan pada keluaran kolektor. Dengan kata lain, transistor PNP hidup ketika basis lebih rendah daripada emitor. Tanda panah pada simbol diletakkan pada emitor dan menunjuk kedalam.

Gambar 8. Struktur dasar transistor PNP

>>Alfa DC

Sekitar 95 persen dari elektron-elektron yang diinjeksikan mencapai kolektor, sama saja berkata bahwa arus kolektor hampir sama dengan arus emitor. Alfa DC dari sebuah transistor menunjukkan bagaimana dekatnya kedua harga tersebut. Alfa DC didefinisikan sebagai :

     Ket : Ic = arus kolektor

              I_E = arus emitor

Sebagai contoh : Jika kita mengukur Ic = 4,9 mA dan I_E = 5mA, maka :

Makin tipis dan makin sedikit basis didope, makin tinggi α_dc. Idealnya, jika semua elektron-elektron diinjeksikan menuju kolektor, α_dc akan sama dengan 1.

>>Beta DC

Kita dapat juga menghubungkan arus kolektor dengan arus basis dengan mendefinisikan beta dc dari sebuah transistor sebagai :

     Ket : I_B = arus basis

Sebagai contoh : Jika kita mengukur Ic = 5 mA dan I_B = 0.05 mA, maka :

Hampir pada semua transistor, kurang dari 5 persen dari elektron yang diinjeksikan emiter berkombinasi dengan lubang basis untuk menghasilkan I_B. Karena itu B_dc hampir semuanya lebih besar dari 20. Biasanya di antara 50 dan 300 dan ada juga beberapa transistor sampai 1000.

>>Hubungan antara α_dc dan B_dc

Hukum kirchooff untuk arus menyatakan :

            I_E = I_C + I_B

Jika persamaan ini di bagi dengan Ic,secara aljabar penyusunannya kembaki menjadi :

Dan

>>Kurva Kolektor

Gambar 9. Rangkaia pembentuk kurva colektor C_E

Ada dapat memperoleh data kurva colektor C_E dengan membentuk suatu rangkaian seperti gambar di atas.Gagasan ini yaitu menguba-ubah tegangan V_BB dan V_CC untuk memperoleh tegangan dan arus transistor yang berbeda-beda. Untuk hasil yang baik, prosedur yang digunakan yaitu menentukan  nilai dari I_B dan menjaganya agar tetap konstan sambil V_CC anda ubah-ubah. Dengan mengukur I_C dan V_CE, diperoeh grafik kurva kolektor sbb :

Gambar 10. Kurva transistor dengan B_dc sebesar 100.

>>Cuttof dan Breakdown

Bagian awal dari kurva disebut saturasi. Pada daerah saturasi, dioda kolektor menuju bais. Karena hal ini, transistor kehilangnan kerja normalnya dan transistor bertindak sebaga suatu tahanan dengan hambatan yang kecil daripada sumber arus. Bagian ahir kurva disebut breakdown, dimana pada bagian ini harus dihindari. Akibat tegangan terlalu besar menyebabkan breakdown nmengakibatkan transistor rusak / hilangsifat kenormalannya.

Gambar 11. Kurva saturasi dan breakdown transistor

>>Garis beban DC

Gambar 12. Rangkaian pembentuk garis beban

Berdasarkan gambar rangkaian di atas, tegangan V_CC membias balik dioda kolektor melalui RC. Tegangan pada tahanan ini adalah V_CC – V_CE. Karena itu, arus yang melaluinya sama dengan :

Atau berdasarkan setiap ujung dari garis beban kita mendapatkan 2 rumus :

Di bawah ini gambar Grafik garis beban DC :

Gambar 13. Grafik garis beban DC

>>Prinsip kerja transistor NPN

Gambar 14. Prinsif kerja transistor NPN

Bila diibaratkan  transistor sebagai katup yang dikontrol oleh tekanan hidrolik, warna hijau adalah lambang pompa hidrolik yang akan memompakan oli dari kanan ke kiri. Oli yang telah di pompa di port C (Collector) akan bertahan dan tidak dapat mengalir ke sisi port E (Emitor) karena tertutup oleh spol katub. Bila sebagian kecil aliran dibuka lewat port B (Basis), maka tekanan oli akan mampu membuka spol katup melawan tekanan pegas. Makin besar tekanan yang diberikan di port C, makin besar pembukaan katup, sehingga memungkinkan oli dengan aliran yang lebih besar dari port C ke E. 

>>Prinsif kerja transistor PNP (Analog Relay)

Gambar 15. Prinsif kerja transistor PNP

Bila transistor PNP dianalogkan sebagai sebuah relay, dimana teminal batre (+) dihubingkan denga kaki emitor (E), output relay dilambangkan kaki C dihubungkan ke lampu. Dalam kondisi kedua switch SW1 dan SW2 off. Relay tidak bekerja karena tidak ada aliran arus listrik ke kumparan relay, saat ini lampu padam. Bila SW2 di-ON-kan, maka arus listrik sebagian dari kaki E akan mengalir ke dalam kumparan relay dan teruske terminal (-) batre, menyebabkan timbul kemagnetan yang menghubungkan kontak relay, sehingga arus listrik yang lebih besar akan mengalir ke lampu dan menyaakan lampu.

>>Cara kerja transistor
Dari banyak tipe-tipe transistor modern, pada awalnya ada dua tipe dasar transistor, bipolar junction transistor (BJT atau transistor bipolar) dan field-effect transistor (FET), yang masing-masing bekerja secara berbeda.

Transistor bipolar dinamakan demikian karena kanal konduksi utamanya menggunakan dua polaritas pembawa muatan: elektron dan lubang, untuk membawa arus listrik. Dalam BJT, arus listrik utama harus melewati satu daerah/lapisan pembatas dinamakan depletion zone, dan ketebalan lapisan ini dapat diatur dengan kecepatan tinggi dengan tujuan 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.

>>Jenis-jenis transistor

Gambar 16. Jenis-jenis transistor

Secara umum, transistor dapat dibeda-bedakan berdasarkan banyak kategori:

• Materi semikonduktor: Germanium, Silikon, Gallium Arsenide
• Kemasan fisik: Through Hole Metal, Through Hole Plastic, Surface Mount, IC, dan lain-lain
• Tipe: UJT, BJT, JFET, IGFET (MOSFET), IGBT, HBT, MISFET, VMOSFET, MESFET, HEMT, SCR serta pengembangan dari transistor yaitu IC (Integrated Circuit) dan lain-lain.
• Polaritas: NPN atau N-channel, PNP atau P-channel
• Maximum kapasitas daya: Low Power, Medium Power, High Power
• Maximum frekwensi kerja: Low, Medium, atau High Frequency, RF transistor, Microwave, dan lain-lain
• Aplikasi: Amplifier, Saklar, General Purpose, Audio, Tegangan Tinggi, dan lain-lain

>>Teknik produksi
Berbagai motoda untuk memproduksi transistor pertemuan dwikutub telah dikembangkan.

1. Transistor pertemuan tumbuh, teknik pertama untuk memproduksi transistor pertemuan dwikutub.  Diciptakan oleh William Shockley di Bell Labs pada 23 Juni 1948. Hak paten didapatkan pada 26 Juni 1948.

2. Transistor pertemuan, butiran paduan emitor dan kolektor dilelehkan ke basis. Dikembangkan oleh General Electric dan RCA in 1951.

-->Transistor paduan mikro, tipe kecepatan tinggi dari transistor pertemuan paduan. Dikembangkan oleh Philco.

-->Transistor paduan mikro terdifusi, tipe kecepatan tinggi dari transistor pertemuan paduan. Dikembangkan oleh Philco.

-->Transistor paduan terdifusi tonggak, tipe kecepatan tinggi dari transistor pertemuan paduan. Dikembangkan oleh Philips.

3. Transistor tetroda, varian kecepatan tinggi dari transistor pertemuan tumbuh atau transistor pertemuan paduan dengan dua sambungan ke basis.

4. Transistor penghalang permukaan, transistor penghalang logam kecepatan tinggi. Dikembangkan oleh Philco in 1953.

5. Transistor medan-alir, transistor pertemuan dwikutub kecepatan tinggi. Diciptakan oleh Herbert Kroemer di Central Bureau of Telecommunications Technology of the German Postal Service pada tahun 1953.

6. Transistor difusi, transistor pertemuan dwikutub tipe modern. Prototip dikembangkan di Bell Labs pada tahun 1954.

-->Transistor basis terdifusi, implementasi pertama dari transistor difusi.

-->Transistor Mesa, dikembangkan oleh Texas Instruments pada tahun 1957.

-->Transistor planar, teknik produksi yang memungkinkan produksi sirkuit terpadu monolitik secara masal. 7. Dikembangkan oleh Dr. Jean Hoerni di Fairchild Semiconductor pada tahun 1959.

8. Transistor epitaksial, transistor pertemuan dwikutub yang dibuat menggunakan deposisi fasa uap epitaksi. Memungkinkan pengendalian tingkat pengotoran dan gradien secara teliti.

Related Post