Bipolar Transistors - Voltage Amplifiers

1
PENDAHULUAN
• Bahan semikonduktor ( setengah penghantar ) adalah bahan selain
penghantar dan penyekat yang pada temperatur mutlak yaitu pada 0 K.
• Dalam keadaan murninya mempunyai sifat sebagai penyekat ;
sedangkan pada temperatur kamar ( 27 ˚ C ) dapat berubah sifatnya
menjadi bahan penghantar.
• Bahan yang dapat berubah sifat kelistrikannya apabila temperatunya
berubah-ubah.
2
Tabel periodik semikonduktor
3
Struktur atom semikonduktor
4
Jenis – jenis semikonduktor
• Berdasarkan tingkat kemurnian ;
• Intrinsik : semikonduktor murni yang tidak
diberi doping
• Ekstrensik : semikonduktor murni yang
diberi doping
5
Semikonduktor Intrinsik
• Semikonduktor yang belum mengalami
penyisipan oleh atom akseptor atau atom
donor
• Pada suhu tinggi elektron valensi dapat
berpindah menju pita konduksi, dengan
menciptakan hole pada pita valensi
• Pengahantar listrik pada semikonduktor
adalah elektron dan hole
6
Semikonduktor Intrinsik
7
Semikonduktor ekstrinsik
 Tipe N
Pengotoran oleh atom pentavalent yaitu,
bahan kristal dengan inti atom memiliki 5
elektron valensi.
Contoh ; P , As
Atom pengotor disebut atom donor
Pembawa muatan disebut elektron
8
Semikonduktor eksterinsik
9
Semikonduktor eksterensik
 Tipe P
Pengotoran oleh atom trivalent yaitu, bahan
kristal dengan inti atom memiliki 3 elektron
valensi.
Contoh ; B, Ga
Atom pengotornya disebut atom akseptor
Pembawa muatan disebut hole
10
Semikonduktor eksterensik
11
Semikonduktor eksterensik
 PN JUNCTION
 Jika semikonductor disambungkan, maka
elektron akan berdifusi menuju daerah tipep, dan sebaliknya hole akan berdifuso
menuju daerah tipe-n, sehingga terbentuk
daerah persambungan.
 Pada daerah persambungan ini terbebas dari
muatan mayoritas, tetapi terjadi dipole
muatan sehingga timbul medan listrik dan
12
terjadi potensial halang.
Semikonduktor eksterensik
13
Semikonduktor eksterensik
 Tidak semua atom dapat digunakan sebagai
atom akseptor atau atom donor, ada
beberapa persyaratan :
1. Ukuran atom yang hampir sama dengan
atom murni
2. Memiliki jumlah elektron valensi berbeda
satu dengan atom murni
14
Sifat Bahan Semikonduktor
15
Komponen menggunakan
semikonduktor
• Dioda
• Transistor
• Sel Surya
16
Sel Surya Polycrystal
Sel Surya Monocrystal
Aplikasi
• Detektor Kualitas Daging
Pada umumnya daging diawetkan dengan cara
dibekukan. Sebenarnya ada suhu optimum
yang dibutuhkan agar daging bisa bertahan
lama.
Sensor dari semikonduktor mendeteksi gas
ethil-asetat yang muncul ketika daging
mulai membusuk.
19
Detektor Kualitas Daging
Sensor dibuat dari bahan semikonduktor
padatan SnO2-La2O3 dengan metoda
lapisan tebal pada substrat alumina.
Gas Ethil Asetat akan bereaksi dengan La203
yang membentuk lapisan deplesi
Aplikasi
• IC
Merupakan aplikasi yang paling banyak
dalam pemanfaatan semikonduktor.
Dalam sebuah IC terdapat beberapa jenis
semikonduktor baik berupa transistor
maupun dioda.
Daftar Pustaka
 Albert Paul Malvino, 2003. Prinsip – Prinsip Elektronika,
Jakarta. Penerbit Salemba Teknika
 http://one.indoskripsi.com/judul-skripsi-makalahtentang/semikonduktor-1
 http://docs.google.com/gview?a=v&q=cache:0DTH3jkC56EJ:2
02.65.121.165/elcom2/file.php/1/Animasi_Fisika/adaptif_fisika/
25_semikonduktor.pdf+pengertian+semi+konduktor&hl=id&gl
=id&pid=bl&srcid=ADGEESiI-hLXy4ka-_0wZJayoPU8zFqZv4FUi3ejuxfvHKhniTlBVUPI4Wiu2rRwLFzmLg5
mx7Za_TsZ0bc6_lLh6FAZvXUUqgIALmRBVg-e5Frb9_dY_lYz5LZxF-_qQkWz3j1eGF&sig=AFQjCNGkhwekRwZBAk9tw3tpIBKgVppTw
 http://myblogmyown.wordpress.com/2009/04/07/isolator-dansemi-konduktor/
22
FIELD EFFECT TRANSISTOR
23
Disadur dari : Ir.Bambang Sutopo,M.Phil, Jurusan Teknik Elektro, FT-UGM
DRIVER RELAY
(diskusi tugas lalu)
VCC  VBE
RB 
2  I B  JENUH
DIODA
freewheel
RELAY
VCC
IB-JENUH = arus basis
yang membuat transistor
dalam kondisi jenuh.
RB
Relay membutuhkan arus
sekitar 50 sampai
100 mili Amper
24
TRANSISTOR SBG BUFER OP-AMP
Input 1
relay
+
R
Input 2
_
R harus bisa membatasi arus agar arus yang dikeluarkan
op-amp tak terlalu besar.
R harus masih dapat membuat transistor jenuh.
25
Pilihan R tergantung
kemampuan IC
relay
mengeluarkan arus
(source)
atau
dimasuki arus
(sink)
R
25mA
relay
100mA
R
relay
200mA
26
Tegangan VCE vs Hambatan Basis
2500
Tegangan VCE (mV)
2000
Eka Ardi
Daerah
Tak stabil
1500
1000
500
0 1
10
2
10
3
10
RB (Ohm)
4
10
5
10
27
Arus Basis vs Hambatan Basis
90
80
Arus Basis (mA)
70
Eka Ardi
60
50
40
BC107
30
20
10
0 1
10
2
10
3
10
RB (Ohm)
4
10
5
10
28
Arus Basis, Tegangan VCE dan Hambatan Basis
Arus Basis (mA)/ Tegangan VCE (mV)
120
100
80
60
40
20
0 2
10
3
10
RB (Ohm)
4
10
29
Arus Basis, Tegangan VCE dan Hambatan Basis
45
IB
Arus Basis (mA)/ Tegangan VCE (mV)
40
35
1
30
25
2
20
3
15
VCE
10
5
0
100
200
300
400
500
600
RB (Ohm)
700
800
900
1000 30
LM 339/239
VCC
Rpull-up
Beban
OPEN
COLLECTOR
31
12V
AND
+
1K
_
+
_
32
12V
4,7K
+
8,2K
1K
_
Lampu
Vin
12V
+
4,7K
_
1K
33
34
IC 555
35
LM 741
36
LM 358
37
TOTEM POLE OUTPUT
LM 358
38
SOURCE CURRENT
39
SINK CURRENT
40
LM 124/234/324
41
IC 555
42
PROYEK KITA
relay
DIODA
FOTO
KOMPARATOR
SCHMITT
R
43
Field Effect Transistor - FET
Mengapa kita masih perlu transistor jenis
lain?
BJT mempunyai sedikit masalah.
BJT selalu memerlukan arus basis IB,
walaupun arus ini kecil, tetapi tidak bisa
diabaikan, terutama sekali saat BJT
digunakan sebagai saklar, pasti dibutuhkan
arus yang cukup besar untk membuat
transistor jenuh.
44
Field Effect Transistor - FET
Apakah ada jenis transistor lain yang bisa
digerakkan dengan tegangan tanpa
membutuhkan arus ?
Jawabannya ada di FET.
Dengan perantaraan FET, kita dapat menghubungkan
peralatan komputer atau transduser yang tidak bisa
menghasilkan arus, dengan alat yang lebih besar.
FET bisa digunakan sbg bufer, sehingga tidak
membutuhkan arus dari komputer/trasduser.
Teknologi modern pembuatan IC, ternyata dimensi transistor
FET bisa dibuat sangat kecil, sehingga pembuatan IC saat 45ini
berdasarkan transistor FET ini.
FET vs BJT
FET
BJT
Gate (G)
Drain(D)
Source(S)
Base (B)
Collector (C)
Emitter(E)
Gate Voltage
Drain current
Drain-source voltage
Base current
Collector current
Collector-Emitter Voltage
46
Jenis-jenis FET
•
•
•
•
JFET (Junction FET)
MOSFET (Metal Oxide Silikon FET)
PMOS ( MOS saluran P)
NMOS (MOS saluran N)
• Masih banyak lagi
47
ID
FET
VDS
FET
Parameter FET : ID, VGS, VDS.
VGS
Dasar pemikiran FET:
IS
Ada arus ID = IS yang mengalir melalui
saluran, yang besarnya saluran dikendalikan
oleh tegangan VGS.
Karena arus lewat saluran (yang berupa
hambatan) maka ada tegangan VDS.
48
Junction FETs
49
JFET saluran N
50
Daerah deplesi membesar dengan bertambahnya tegangan balik
51
52
Saluran N
53
54
55
56
Arus Drain current vs tegangan drain-ke-source
(tegangan gate-source = 0)
57
n-Channel FET for vGS = 0.
58
Typical drain characteristics of an n-channel JFET.
59
If vDG exceeds the breakdown voltage VB,
drain current increases rapidly.
60
61
KURVA KARAKTERISTIK Junction FET
Hubungan
VGS dan ID
I D  k VGS  VP 
2
k : konstanta
VP : tegangan pinch-off atau threshold.
Arus dibatasi hanya saat tegangan VGS = 0
62
Junction FET – Sumber Arus
VDD
RLoad
RS
Kurva tak dipengaruhi tegangan VDS.
Arus hanya dipengaruhi VGS bukan VDS.
RS membuat VGS selalu negatip.
Misalnya RS = 4K,  VGS = -4 V.
Arus di Rload = 1 mA.
63
KURVA VDS-ID Junction FET
Linear
Ada dua daerah operasi
:
Saturation
saturation
linear.
Linear
Saturation
I D  k VGS  VP 
2


VDS
I D  2k VGS  VP VDS 

2


2
64
JFET - variable resistor
VDD
For low values of VDS the
slopes, change from
RD
VGS
RG
a resistance
(~5v/2.7mA~1.9k) to
a resistance
(5v/10mA~0.5k).
A resistance is
controlled by an
input voltage.
VDS, DRAIN-SOURCE
VOLTAGE, (Volts)
This makes it possible to have an element in a
circuit that can be electronically adjusted.
65
JFET - variable resistor (2)
VDD
RD
VGS
RG
Now lets analyze the circuit. In the linear region
we had a relationship between ID and VDS.
2


VDS
I D  2k VGS  VT VDS 

2


To find the effective resistance this is the voltage
across the channel divided by the current through
the channel.

1
ID
VDS 

 2k VGS  VT  

RDS VDS
2


If it wasn’t for the last term, we would have a value of 1/RDS that was
proportional to VGS, the control voltage and didn’t depend on VDS
(remember VT is a constant of the FET, the pinch off voltage). This is like
a resistor, and it forms a VOLTAGE DIVIDER with RD.
66
n-Channel depletion MOSFET.
67
n-Channel enhancement MOSFET
showing channel length L and channel width W.
68
n-Channel depletion MOSFET
showing channel length L and channel width W.
69
enhancement-mode n-channel MOSFET
70
vGS < Vto  pn junction antara drain dan
body  reverse biased  iD=0.
71
Terbentuk saluran N
vGS < Vto  pn junction antara drain dan
body  reverse biased  iD=0.
72
For vGS < Vto the pn junction between drain and body
is reverse biased and iD=0.
73
vGS >Vto  terbentuk saluran n.
vGS bertambah  saluran membesar.
vDS kecil ,I D sebanding dengan vDS.
resistor tergantung nilai vGS.
74
vDS bertambah, saluran mengecil di drain dan
Laju pertambahan iD : melambat
Saat vDS> vGS -Vto,  iD tetap
75
Threshold Voltage
Vto (VP)
76
Kurva karakteristik transistor NMOS
77
Drain characteristics
78
Rangkaian penguat sederhana menggunakan NMOS .
79
Drain characteristics and load line
80
vDS versus time.
81
82
Graphical solution
83
84
The more nearly horizontal bias line results in less change in the Q-point.
85
Sinyal campuran
86
Rangkaian Ekivalen FET
87
Rangkaian ekivalen FET ( iD terpengaruh vDS)
88
Penentuan gm dan rd
89
Common-source amplifier.
90
Rangkaian Ekivalen Common-Source amplifier.
91
Common-source amplifier dengan nilai R
92
vo(t) dan vin(t) versus time
93
Gain magnitude versus frequency
94
Source follower.
95
Rangkaian Ekivalen Source Follower.
96
Common-gate amplifier.
97
n-Channel depletion MOSFET.
98
Drain current versus vGS in the saturation region
for n-channel devices.
99
p-Channel FET circuit symbols.
Sama = n-channel devices,
kecuali arah panah
100
MOSFET-switch
VDD
RLOAD
RG
VGS
IRF510
Power MOSFET dapat dialiri arus
besar sampai 75 A, dan daya 150 W.
Saat ON punya hambatan sekitar 10
Ohm.
Contoh : IRF510
Mempunyai arus maksimum 5,6 A
dab hambatan saat ON 0,4 Ohm. 101
MOSFET-switch (2)
Note the
log scale!
Kurva ID vs. VGS.
Ideal saklar:
ON
saat OFF  Arus =0.
Dari kuva terlihat :
Tegangan VGS
< 3 volt,  ID = 0
>5V
 arus besar.
OFF
102
PMOS
gate
In this device the gate controls hole
flow from source to drain.
source
It is made in n-type silicon.
|VGS |>|Vt |
+
gate
drain
P-MOS
p
drain
p
n-type Si
What if we apply a big negative
voltage on the gate?
If |VGS |>|Vt | (both negative)
p
p
source
n-type Si
then we induce a + charge on
the surface (holes)
103
NMOS and PMOS Compared
NMOS
“Body”
– p-type
Source – n-type
Drain
– n-type
VGS
– positive
VT
– positive
VDS
– positive
ID
– positive (into drain)
G
S
D
ID
n
n
p
ID
B
ID
VGS=3V
1 mA
(for IDS =
1mA)
2
3
4
VGS= 3V
1 mA
(for IDS =
-1mA)
VGS=0
1
PMOS
“Body”
– n-type
Source – p-type
Drain
– p-type
VGS
– negative
VT
– negative
VDS
– negative
ID
– negative (into drain)
G
S
D
ID
p
n
B
VGS=0
VDS
1
2
3
4
VDS
104
CIRCUIT SYMBOLS
D
G
D
G
S
NMOS circuit symbol
S
PMOS circuit symbol
A small circle is drawn at the gate
to remind us that the polarities are
reversed for PMOS.
105
PMOS Transistor Switch Model
Operation compared to NMOS: It is complementary.
VDD
S
G
VDD
S
S
G
G
VDD
VG =0
VG = VDD
V=0
D
Switch OPEN
D
Switch CLOSED
D
For PMOS for the normal circuit connection is to connect
S to VDD (The function of the device is a “pull up”)
Switch is closed: Drain (D) is connected to Source (S) when VG =0
Switch is open :
Drain (D) is disconnected from Source (S) when VG = VDD
106