H a l : Nilai mata kuliah
advertisement
BAB III ELEKTRONIKA SEMIKONDUKTOR 3.1 PENDAHULUAN Deskripsi Singkat 1. Penjelasan tentang semikonduktor yang didahului dengan sejarah semikonduktor. 2. Penjelasan tentang komponen aktif berupa dioda beserta karakteristik dan pendekatannya 3. Penjelasan tentang komponen aktif berupa transistor, karakteristik dan penggunaannya Manfaat Relevansi CapaianPembelajaran Pemahaman tentang komponen aktif diperlukan untuk merancang sebuah rangkaian elektronik yang memerlukan pemberlakuan sinyal-sinyal listrik yang sifatnya khusus. Dasar pemahaman terhadap komponen aktif dimulai dari dioda dan transistor, sedangkan untuk komponen aktif yang lain merupakan pengembangan dari keduanya. Dengan pemahaman dari kedua komponen aktif ini diharapkan mahasiswa dapat merancang dan menganalisa rangkaian elektronik yang lebih kompleks. Untuk dapat memahami cara kerja komponen aktif dimulai dari cara pemahaman pengertian bahan semikonduktor dan sejarahnya. Dasar pemahaman ini kemudian diterapkan pada dioda, dengan karakteristik dan kegunaannya. Kemudian setelah itu diterapkan pula pada transistor dengan karakteristik dan kegunaannya. Dengan bekal pengetahuan yang telah diberikan pada bab ini diharapkan mahasiswa dapat memahami komponen aktif berupa dioda dan transistor dengan benar, dapat merancang rangkaian elektronik yang melibatkan kedua komponen aktif tersebut serta merangsang ide-ide kreatif untuk membuat sebuah sistem berbasis semikonduktor. 3.2 PENYAJIAN 3.2.1 Sejarah Semikonduktor Hingga pada abad ke 21 beberapa bahan yang luar biasa telah mempengaruhi aspek kehidupan, dimana ditemukannya penemuan-penemuan bahan yang luar biasa, salah satunya adalah bahan semikonduktor yang digunakan secara ekstensif dalam sirkuit eletronik, singkatnya sebuah penemuan luar biasa yang mempengaruhi perkembangan zaman yang ada sekarang ini diantaranya dimulai pada 1945 - Transistor diciptakan Pada tahun 1945, Bell Labs mendirikan sebuah kelompok untuk mengembangkan pengganti semikonduktor untuk tabung vakum. Kelompok yang dipimpin oleh William Shockley, termasuk, John Bardeen, Walter Brattain dan lainnya. Pada tahun 1947 Bardeen dan Brattain berhasil menciptakan sebuah sirkuit memperkuat memanfaatkan titik-kontak "transfer perlawanan" perangkat yang kemudian dikenal sebagai transistor. Bardeen dan Brattain perangkat adalah Transistor Kontak Point transistor pertama. Pada tahun 1948, Bardeen dan Brattain mengajukan hak paten, yang pada tahun 1950 dikeluarkan untuk Bell Labs - US paten # 2524035, "Memanfaatkan Tiga Elektroda Elemen Sirkuit Bahan semikonduktif". 1951 - Transistor Junction diciptakan Pada tahun 1951, William Shockley mengembangkan transistor junction, bentuk yang lebih praktis dari transistor, transistor titik kontak sulit untuk memproduksi dan digantikan oleh transistor junction oleh lima puluhan pertengahan. Pada tahun 1954 transistor adalah komponen penting dari sistem telepon. Bell laboratorium juga berlisensi transistor untuk perusahaan lain (royalti) dan transistor pertama kali muncul dalam alat bantu dengar diikuti oleh radio. Pada tahun 1956 pentingnya penemuan transistor oleh Bardeen, Brattain dan Shockley diakui oleh Penghargaan Nobel dalam fisika. 1954 - Radio Transistor Pertama Asosiasi Pengembangan Industri Insinyur menghasilkan Kabupaten TR-1, pertama di dunia radio transistor komersial dipasarkan. Radio memiliki sirkuit empat transistor menggunakan Texas Instruments transistor Germanium. 1955 - transistor efek medan Pertama Bell Labs dibuat transistor efek medan pertama. 1958 - sirkuit Terpadu ditemukan Pada bulan Juli 1958, Jack Kilby adalah seorang karyawan baru di Texas Instruments. Tidak memiliki waktu liburan yang masih harus dibayar belum cukup, Kilby sedang bekerja di TI selama periode liburan musim panas yang kebanyakan orang lain harus mati. Pada tanggal 24 Juli 1958 dalam tenang laboratorium miniaturisasi, Kilby menulis dalam buku catatan laboratorium bahwa rangkaian unsur-unsur seperti resistor, kapasitor, kapasitor dan transistor didistribusikan, jika semua terbuat dari bahan yang sama, dapat dimasukkan dalam satu chip. Dengan 12 September 1958 Kilby telah membangun sebuah IC osilator sederhana dengan lima komponen yang terintegrasi. Pada tahun 1959 Kilby diterapkan untuk paten dan Texas Instruments dikeluarkan US patent # 3.138.743 untuk "sirkuit elektronik miniatur". Pada tahun 2000 pentingnya IC diakui ketika Kilby berbagi penghargaan Nobel dalam fisika dengan dua orang lain. Kilby yang berlokasi oleh komite Nobel "untuk bagiannya dalam pengembangan sirkuit terpadu". 1963 - CMOS ditemukan Frank Wanlass di Fairchild Semiconductor berasal dan dipublikasikan ide komplementer-MOS (CMOS). Terpikir Wanlass bahwa rangkaian pelengkap dari NMOS dan PMOS akan menarik sangat sedikit saat ini. Awalnya Wanlass mencoba membuat solusi monolitik, tapi akhirnya ia dipaksa untuk membuktikan konsep dengan perangkat diskrit. Peningkatan modus NMOS transistor belum tersedia dan sebagainya Wanlass digunakan perangkat penipisan modus bias ke negara luar. Hebatnya CMOS menyusut daya siaga dengan enam lipat lebih bipolar setara atau PMOS gerbang logika. Pada 18 Juni 1963 Wanlass diterapkan untuk paten. Pada 5 Desember 1967 Wanlass dikeluarkan US Patent # 3356858 untuk "Rendah Stand-By Sirkuit Daya Lapangan Efek Pelengkap". CMOS merupakan dasar dari sebagian besar dari semua IC kepadatan tinggi diproduksi saat ini. 3.2.2 Pengertian Semikonduktor Semikonduktor merupakan bahan dengan konduktivitas listrik yang berada diantara isolator dan konduktor. Disebut semi atau setengah konduktor, karena bahan ini memang bukan konduktor murni. Semikonduktor, umumnya diklasifikasikan berdasarkan harga resistivitas listriknya pada suhu kamar, yakni dalam rentang 10-2-109 Ωcm. Sebuah semikonduktor akan bersifat sebagai isolator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruang akan bersifat sebagai konduktor. Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik, karena konduktivitasnya dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa disebut doping). Semikonduktor merupakan elemen dasar dari komponen elektronika seperti dioda, transistor dan IC (integrated circuit). Semikonduktor sangat luas pemakainnya, terutama sejak ditemukannya transistor pada akhir tahun 1940-an. Oleh karena itu semikonduktor dipelajari secara intensif dalam fisika zat padat. Bahan semikonduktor yang banyak dikenal contohnya adalah silikon (Si), germanium (Ge) dan Galium Arsenida (GaAs). Germanium dahulu adalah bahan satu-satunya yang dikenal untuk membuat komponen semikonduktor. Namun belakangan, Silikon menjadi popular setelah ditemukan cara mengekstrak bahan ini dari alam. Silikon merupakan bahan terbanyak ke-dua yang ada dibumi setelah oksigen (O2). Pasir, kaca dan batu-batuan lain adalah bahan alam yang banyak mengandung unsur silikon. Pada sebuah logam terdapat sejumlah besar ikatan elektron valensi yang lemah yang disebut sebagai konduksi. Apabila logam dialiri medan listrik, maka elektron akan berpindah secara bebas untuk memproduksi arus dalam sebuah logam, sehingga logam disebut sebagai konduktor. Sebaliknya, apabila sebuah bahan memiliki ikatan electron valensi yang kuat dan saat dialiri medan listrik maka electron tersebut tidak mudah bergerak, bahan ini disebut dengan isolator.Pada table periodic, unsur-unsur yang terdapat pada kelompok IV memiliki sebuah sifat diantara konduktor dan isolator, unsur ini disebut dengan semikonduktor.Semikonduktor seperti germanium dan silicon memiliki karekteristik yang dapat membawa arus tergantung pada suhu ataupun cahaya yang datang. Apabila tegangan di berikan pada bahan semikonduktor, beberapa electron valensi akan mudah melompat ke pita konduktansi dan bergerak pada bidang untuk menghasilkan bidang listrik, akan tetapi bidang listrik yang dihasilkan ini lebih kecil dari sebuah konduktor. Gambar 3.1 Pita valensi dan sifat konduksi dari sebuah material Dalam Kristal semikonduktor, electron valensi dapat melompat ke pita konduksi, dalam sebuah pita konduksi terdapat sebuah lubang.Elektron valensi tersebut berpindah dari lubang ke lubang lainnya.Peristiwa ini berlangsung secara terus menerus sehingga arus di anggap sebagai perpindahan elektron dari satu lubang ke lubang lainnya dalam satu arah.Sifat dari semikonduktor ini dapat berubah secara signifikan apabila dimasukkan sejumlah elemen kecil kedalam kisi Kristal semikonduktor. Elemen atau bahan tersebut merupakan kelompk III dan V dari unsur tabel periodic.Unsur ini dikenal sebagai dopan yang dapat disebar atau ditanamkan kedalam bahan semikonduktor.Pada perangkat bahan elektronik modern terdapat sebuah dopan yang memiliki sebuah pola yang disebar ke permukaan Kristal silicon tipis yang disebut dengan chip.Silicon memiliki 4 elektron valensi yang berbentuk simetris dan electron obligasi dalam kisi Kristal.Dopan sebagai pendonor elektron apabila arsen atau fosfor dari kelompok V ditambahkan ke kisi Kristal, maka salah satu dari lima electron valensi setiap atom dopan akan tetap terus bergerak.Semikonduktor yang dihasilkan merupakan silicon tipe-n karna electron yang tersedia sebagai pembawa muatan dalam kisi kristal. Sebaliknya jika silicon di doping dengan boron atau galium dari kelompok III akan terbentuk lubang oleh electron yang hilang dalam kisi dimana atom akseptor yang merupakan dopan telah menggantikan atom silicon, hal ini terjadi karna atom silicon memiliki 3 elektron valensi. Arus positif terbentuk karna electron berpindah menempati lobang, sehingga terlihat seperti lobang yang bergerak, sehingga pada semikonduktor dihasilkan silicon tipe-p.Pada semikonduktor, doping bertujuan untuk mengendalikan dan meningkatkan jumlah muatan yang dibawa dalam semikonduktor.Pada semikonduktor tipe-n yang membawa muatan adalah electron dan semikonduktor tipe-p sebagai lubang.Interaksi antara kedua tipe semikonduktor ini merupakan dasar untuk semikonduktor dari sebagian perangat elektronik. 3.2.3 Sambungan (Junction) Dioda Dioda adalah komponen semiconductor yang paling sederhana, ia terdiri atas dua elektroda yaitu katoda dan anod, Salah satu bahan untuk membuat dioda adalah Germanium (Ge) dan Silikon/Silsilum (Si). Gambar 3.2 menunjukkan bentuk dan simbol dari sebuah dioda. Gambar 3.2 Bentuk dan simbol dioda Dioda merupakan suatu semikonduktor yang hanya dapat menghantar arus listrik dan tegangan pada satu arah saja misalkan dioda yang dialiri arus DC searah.Junction adalah daerah silicon tipe-p yang berdekatan dengan tipe-n.tipe-p sebagai anoda dan tipe-n sebagai katoda. Gambar 3.3 Karakteristik sambungan PN Gambar 3.2 menunjukkan pada persimpangan pn, electron dari silicon tipe-n berdifusi untuk menempati lubang-lubang tipe-p, hal ini disebut penipisan daerah.Sehingga medan listrik semakin menipis karna difusi electron yang menghasilkan perbedaan tegangan diseluruh daerah penipisan, Peristiwa ini disebut potensial kontak.Untuk silicon, potensial kontak 0,6-0,7 V. sisi positif potensial kontak adalah tipe-n, dan sisi negative adalah tipe-p karna mengalami difusi elektron.Apabila sumber tegangan dihubungkan ke persimpangan pn dengan sisi positif dari sumber tegangan terhubung ke anoda, dan sisi negative terhubung ke katoda untuk membentuk rangkaian maka diode ini disebut sebagai bias maju. Apabila sumber tegangan dihubungkan ke persimpangan pn dengan sisi negative dari sumber tegangan terhubung ke anoda, dan sisi positif terhubung ke katoda untuk membentuk rangkaian maka diode ini disebut sebagai bias mundur.Anoda sebagai sumber lubang dan katoda menjadi sumber elektron sehingga lubang dan elektron terus menerus diisi ulang. Nilai tegangan mendekati nilai hubungan potensial (0,6-0,7 V) akan meningkat secara ekspensional dengan persamaan Sebuah diode ideal memiliki resistansi 0 ketika bias maju dan tahanan terbatas ketika bias dibalikkan.Dalam keperluan analisis dapat diganti oleh arus pendek untuk bias maju dan sirkuit terbuka untuk bias terbalik. Sebuah diode bias maju membutuhkan sekitar 0,7 V untuk memungkinkan arus yang signifikan.Sebaliknya untuk diode bias terbalik dapan menahan tegagan balik sampai dengan batasnya dimana diode akan gagal sebagai pembalik arus.Diode berguna sebagai penyearah, dimana ia hanya melewati setengah dari sinyal AC positif maupun negative. Gambar 3.4 Contoh rangkaian dioda dan gelombang masukannya Gambar 3.4 mengilustrasikan bagaimana menganalisis sebuah diode ideal sederhana sebagai penyearah setengah gelombang.Sirkuit penyearah digunakan dalam desain penguat daya, dimana merubah listrik AC menjadi DC yang digunakan dalam perangkat elektronik dan sirkuit digital. 3.2.4 Karakteristik Dioda Karakteristik arus tegangan diode dapat ditinjau melalui 2 pendekatan : Diode Ideal Diode Riil Untuk diode ideal, didekati melalui pendekatan setengah linier (Piece Wise Linier) ada 3 pendekatan, yang didekati secara grafis. Gambar 3.5 Dioda ideal Gambar 3.5 menunjukkan diode dimodelkan sebagai saklar ideal yaitu suatu saklar yang memiliki cirri untuk kondisi tertutup R=0 dan untuk kondisi terbuka R= ~ . Untuk bias negative diode dianggap sebagai isolator dengan nilai hambatan RR >> RF. Pada model ini untuk bias positif sebagai saklar tertutup (on) dan pada bias negative sebagai saklar terbuka (off), kedua kondisi bias dilukiskan pada grafik I/V. Model kedua adalah untuk bias positif sebagai saklar non-ideal pada kondisi tertutup R≠0. Untuk bias negative sebagai saklar ideal. Kedua bias tersebut dilukiskan sebagai berikut : Gambar 3.6 Diode pendekatan kedua Untuk model ketiga bias positif sebagai saklar non-ideal yang tertutup terpasang seri dengan sumber tegangan Vji. Untuk bias negative sebagai saklar ideal terbuka dengan grafik diperlihatkan pada Gambar 3.7 Gambar 3.7 Dioda pendekatan ketiga Diode Riil model diode riil, didekati oleh pendekatan ke-3 dari diode ideal dengan pendekatan tambahan, pada bias negative nilai RR≠ ~ sehingga terjadi arus reverse yang disebut arus bocor atau arus saturasi. Umumnya dalam orde nanoampere. Ditulis sebagai IB atau IS, arus IS, dipandang sebagai gerakan pembawa minoritas nilai IS berubah terhadap suhu atau IS = aT3. Untuk bias positif terjadi hubungan eksponensial antara arus dan tegangan. ID ≈ e V/VT , VT=tegangan termal = kT/g. Grafik karakteristik diode riil digambarkan sebagai berikut : Pada nilai VR = VBVO, terjadi peningkatan IS yang luar biasa besarnya.Arus diode pada kondisi riil, umumnya dinyatakan sebagai berikut : ID=IS(eV/VT – 1) Gambar 3.8 Karakteristik dioda riil 3.2.4 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 3.1. 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 panahnya menuju kedalam. Gambar 3.9 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 bahan p) adalah sedikit. 3.2.4.1 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 dengan arah arus elektron. Transistor PNP: Arus listrik yang besar akan mengalir dari emitter ke collector. Apabila ada arus kecil yang mengalir dari emitter ke base. C B E Gambar 3.10 Simbol transistor PNP dan arah arusnya Transistor NPN:Arus listrik yang besar akan mengalir dari collector ke emitter, apabila ada arus kecil yang mengalir dari base ke emitter. Dalam hal ini transistor mirip dengan amplifier, yang mengontrol jumlah arus dari collector ke emitter oleh arus yang mengalir dari base. Transistor juga mirip dengan fungsi sakelar. Transistor akan bekerja pada posisi ON, yaitu arus akan mengalir dari collector ke emitter apabila arus kecil mengalir dari base. Sedangkan transistor akan berada pada posisi OFF, apabila tidak ada arus yang mengalir dari base. C B E Gambar 3.11 Simbol transistor NPN dan arah arusnya 3.2.4.2 Prinsip Kerja dari Transistor A. 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. 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 (JE) serta pada persambungan basis dan kolektor (JC) terdapat daerah pengosongan. Tegangan penghalang (barrier potensial) pada masing-masing persambungan dapat dilihat pada gambar Gambar 3.12 Penjelasan kerja berikut ini didasarkan pada transistor jenis PNP (jika NPN maka semua polaritasnya adalah sebaliknya). 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 aktif (lihat gambar). Gambar3.13 Transistor dengan tegangan bias aktif Setelah transistor diberi tegangan bias aktif, maka daerah pengosongan pada persambungan emitor-basis menjadi semakin sempit karena mendapatkan bias maju. Sedangkan daerah pengosongan pada persambungan basis-kolektor menjadi semakinmelebar karena mendapat bias mundur. Pemberian tegangan bias seperti ini menjadikan kerja transistor berbeda sama sekali bila dibanding dengan dua dioda yang disusun berbalikan, meskipun sebenarnya struktur transistor adalah mirip seperti dua dioda yang disusun berbalikan, yaitu dioda emitor-basis (P-N) dan dioda basis-kolektor (N-P). Jika 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 fisik 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 berdifusi ke basis sangat sedikit dan sebagian besar tertarik ke kolektor dimana pada kaki kolektor ini terdapat tegangan negatip yang relatif besar. Gambar 3.14 Diagram potensial pada transistor dengan bias aktif Tegangan bias maju yang diberikan pada dioda emitor-basis (VEB) akanmengurangi potensial penghalang Vo, sehingga pembawa muatan mayoritas padaemitor akan mudah untuk berekombinasi ke basis. Namun karena konduktivitas basisyang rendah dan tipisnya basis, maka sebagian besar pembawa muatan akan tertarikke kolektor. Disamping itu juga dikuatkan oleh adanya beda potensial pada basiskolektoryang 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 hukumKirchhoff 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 praktekumumnya dibuat IE≅IC.Disamping ketiga macam arus tersebut yang pada dasarnya adalah disebabkankarena aliran pembawa mayoritas, di dalam transistor sebenarnya masih terdapataliran arus lagi yang relatif sangat kecil yakni yang disebabkan oleh pembawa minor-itas. Arus ini sering disebut dengan arus bocor atau ICBO (arus kolektor-basis denganemitor terbuka). Namun dalam berbagai analisa praktis arus ini sering diabaikan.Seperti halnya pada dioda, bahwa dalam persambungan PN yang diberi biasmundur mengalir arus bocor Is karena pembawa minoritas. Demikian juga dalamtrannsistor dimana persambungan kolektor-basis yang diberi bias mundur VCB akanmengalir arus bocor (ICBO). Arus bocor ini sangat peka terhadap temperatur, yakniakan naik dua kali untuk setiap kenaikan temperatur 10 OC. Diagram aliran arus IE, IB, IC dan ICBOdalam transistor dapat dilihat padaGambar 3.15. Dari gambar tersebut terlihat bahwa arus kolektor merupakan penjumlahandari arus pembawa mayoritas dan arus pembawa minoritas, yaitu IC = ICmayoritas+ ICBOminoritas. Gambar 3.15. Diagram aliran arus dalam transistor B. Azaz Kerja Transistor 1. Akan mengalir arus pada terminal kolektor dan emiter (Ic) apabila ada arus yang mengalir pada terminal basis emiter (IB). dalam keadaan ini transmiter “on” 2. Perbandingan antara Ic dan IB disebut sebagai “Bandingan hantaran maju” (Forward current ratio) disebut hFE IC IB hFE disebut juga sebagai ‘penguatan’ transistor atau “ ” atau . Untuk Ic dan IB searah ditulis hFE hFE Untuk Ic dan IB searah ditulis hfe hFE h fe 3. Pada transistor daya: hFE = + 25 kali 4. Untuk penguatan frekwensi tinggi hFE = 100 kali C. Parameter Transistor 1. Parameter transistor tidaklah sama meskipun dalam dalam tipe yang sama sekalipun 2. Tapi dalam prakteknya, parameter dianggap sama (konstan) 3. Konduktansi (daya hantar) Gm Dimana ie ie ma/V ( miliampere per volt) Vbe : Arus sinyal ac antar kolektor – emiter Vbe : tegangan sinyal ac antarabasis – emiter 4. Dalam rangkaian penguat untuk sinyal kecil, berlaku penguatan tegangan sebagai berikut; A = Gm x RL Dimana RL = Rc // RBb Parameter lainnya 1. Impedansi masukan (impedansi input) Vb ib dimana Vb= tegangan sinyal yang masuk ke basis ib = arus sinyal pada basis 2. Impedansi keluaran (impedansi output) Z in a. tanpa isyarat (sinyal) di basis Z 01 Ve ie Ve = tegangan sinyal di kolektor ic = arus sinyal di kolektor b. Dengan adanya sinyal di basis Z 02 h fe 40 x I c Ic = arus kolektor 3.2.4.3 Transistor Sebagai Penguat Arus • Sebagai penguat: Transistor bekerja pada mode aktif. • Transistor berperan sebagai sebuah sumber arus yang dikendalikan oleh tegangan (VCCS). • Perubahan pada tegangan base-emitter,vBE, akan menyebabkan perubahan pada arus collector, iC. • Transistor dipakai untuk membuat sebuah penguatan transkonduktansi. • Penguatan tegangan dapat diperoleh dengan melalukan arus collector ke sebuah resistansi, RC. • 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. Jika arus basis IB kita anggap sebagai input dan arus kolektor IC sebagai output, maka transistor dapat kita anggap sebagai penguat arus atau sering kita sebut penguat arus (current amplimeter) Hfe. Karena arus IC lebih besar dari arus keluaran IBjadi penguatan arus /Hfe dapat didefenisikan sebagai perbandingan antara arus keluaran IC dan arus masukan IB I Rumus = hFE C karena hFE h fe IB 3.2.4.4 Kegunaan lain transistor 1. Saklar elektronik Gambar 3.16 transistor ini dapat dianalisa sebagai saklar berikut; C + B C B E E - Gambar 3.16 Transistor sebagai saklar elektronik Dari Gambar 3.16 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 pada Gambar 3.17 K+ R1 R2 C VR B R1 B E Lampu O- Keterangan VR= resistor variable = Lampu pijar Gambar 3.17 Arah arus pada transistor sebagai saklar Tegangan positif akan masuk ke transistor yaotu ke kolektor melalui R1 dan ke basis melalui R2 dan VR (resistor variable) R3 berfungsi sebagai umpan negatif agar arus mesuk ke basis. Bila VBE telah tercapai, maka transistor akan di ‘on” sebagai saklar, sehingga arus akan mengalir dari kolektor ke emiter dan lampu akan menyala. 2. Penguat Sinyal C B E Penguatan sinyal pada transistor “bila kaki kolektor dan emiter diberi tegangan dan basis diberi sinyal input maka transistro akan ‘on’ 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 akan diperkuat Keadaan jenuh : Suatu keadaan dimana apabila sinyal input diperbesar maka sinyal output tidak akan naik lagi. 3.2.4.5 Karakteristik Transfer 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 dalam kondisi pancaran DC Gambar 3.18 sirkuit untuk simbol transistor (a) PNP, (b) NPN Gambar 3.18 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 hfe. 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 positif 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 = hfe 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. Jika sebuah transistor berada dalam keadaan saturasi, transistor tersebut seperti sebuah saklar yang tertutup dari kolektor ke emiter. Jika transistor tersumbat (cutoff), transistor seperti sebuah saklar yang terbuka. Gambar 3.19 Analogi transistor sebagai saklar elektronik 3.3 PENUTUP 3.3.1 Tes Kemampuan 1. Jelaskan cara kerja dari sebuah P-N juction 2. Jika dikehendaki sebuah dioda ideal kemudian diberikan masukan tegangan bolak-balik (AC) maka bagaimanakah bentuk keluarannya. 3. Jelaskan cara kerja trioda N-P-N atau transistor N-P-N
