Transistor Bjt

TRANSISTOR : Bipolar Junction Transistor Konstruksi Transistor adalah piranti semikonduktor tiga terminal yang dibangun dari : • dua material tipe p dan satu material tipe n, atau • dua material tipe n dan satu material tipe p. Gambar :

Heavily doped

E

C

p

n

p

B

E

C

n

p

n

B

simbol Collector Base

Emitter

(a) Transistor tipe pnp

Collector Base

Emitter

(b) transistor tipe npn

Doping pada bagian tengah diberikan lebih sedikit dibandingkan dengan bagian luar (sekitar 10:1). Doping rendah ini mengurangi konduktiviti material dengan membatasi jumlah elektron bebas. Istilah bipolar berasal dari kenyataan bahwa elektron dan holes berpartisipasi dalam proses pembangkitan arus. Operasi Transistor Transistor beroperasi dengan memberikan bias pada kedua junction (base-emitter dan base-collector). Pada transistor PNP, bias maju pada junction base-emitter menyebabkan sejumlah besar majority carrier pada materi tipe p (holes) yang terhubung ke terminal emitter terdifusi melewati junction menuju materi tipe n (basis). Karena ketersediaan elektron bebas pada materi tipe n lebih sedikit dari hole yang terdifusi (n di-doping rendah), hanya sedikit holes yang berkombinasi dengan elektron dan menghasilkan arus pada terminal basis.

E

C

n

p

n

E

C

p

B

VEE

n

p

B

VCC

VEE

VCC

Sebagian besar hole akan begerak melewati depletion region pada junction base-collector (junction base-collector di-bias mundur) dan keluar pada terminal collector.

Total arus dari terminal emitter sama dengan arus pada terminal collector ditambah arus pada terminal basis. IE = IC + IB Arus collector IC terdiri dari dua komponen, yang berasal dari majority carrier dan minority carrier. Arus dari minority carrier disebut dengan ICO ( arus collector dengan terminal emitter open). IC =ICmajority +ICOminority ICO bernilai sangat kecil dan umumnya bisa diabaikan Tegangan base-emitter (VBE) bisa dianggap sebagai variabel pengontrol dalam menentukan operasi transistor.

Arus collector IC proporsional terhadap arus IB dengan hubungan IC = β IB. Semakin besar arus IB maka semakin besar juga arus IC, seolaholah ada penguatan arus. Data spesifikasi transistor (dari pabrik) di-set nilai maksimum yang tidak boleh dilampaui dalam operasi. Spesifikasi ini memberi batasan operasi transistor dalam rangkaian. Contoh spesifikasi transistor silikon 2N2222 • • • • •

Collector-Base Voltage = 60 v Collector-Emitter Voltage = 30 v Base-Emitter Voltage = 5 v Power dissipation = 500 mW Temperature 125 C

Konfigurasi Common Base Penamaan common base berasal dari kondisi dimana basis digunakan bersama dalam input dan output. npn

IE E

IC C

B IB VEE

VCC

Arah arus yang ditunjukkan adalah arah arus konvensional. Karakteristik penguatan seperti ini dijabarkan dalam kurva karakteristik input dan kurva karakteristik output. Karakteristik input menghubungkan antara arus input IE terhadap tegangan VBE untuk beberapa nilai tegangan output VCB. Karakteristik output menghubungkan arus output IC terhadap tegangan output VCB untuk beberapa nilai IE.

IE (mA) VCB = 20V 10 V

8 7

1V

6 5 4 3 2 1 0,2

0

0,4

0,6

0,8

VBE (V)

Karakteristik input Derah saturasi IC (mA) Derah aktif IE = 7 mA

7 6 5 4

IE = 5 mA

3

IE = 3 mA

2 1

IE = 1 mA

IE = 0 mA 0

5

10

VCB (V)

15

Derah cut-off

Karakteristik output

Karakteristik output mempunyai tiga daerah kerja, yaitu aktif, cut-off dan saturasi. Daerah aktif adalah daerah dimana penguatan linear terjadi. Secara khusus dinyatakan : Dalam daerah aktif, junction basis-collector di bias mundur sedangkan junction basis-emitter di bias maju.

Di bagian bawah daerah aktif, dimana arus emitter IE = 0, arus collector hanya berasal dari arus saturasi balik ICO yang nilainya sangat kecil ( dalam mikro ampere), sehingga bisa diabaikan. (dalam data sheet ICO sering ditulis sebagai ICBO). ICO, seperti halnya IS dalam diode, adalah sensitif terhadap temperatur. Pada temperatur tinggi efek dari ICBO bisa berpengaruh karena ICBO meningkat sangat pesat terhadap kenaikan temperatur. Perhatikan bahwa saat IE berada di atas nol, arus collector IC meningkat dengan cepat mendekati nilai IE. Perhatikan juga bahwa pada daerah aktif, kenaikan VCB tidak memberi pengaruh terhadap arus collector. Daerah cut-off didefinisikan sebagai daerah dimana arus IC = 0 A. Atau : Daerah cut-off terjadi jika junction basis-collector dan junction basis-emitter di bias mundur. Daerah saturasi adalah daerah dimana nilai tegangan VCB negatif . Daerah saturasi adalah daerah dimana junction basis-collector dan junction basis-emitter di bias maju. Daerah saturasi didefinisikan : Dari karakteristik input terlihat bahwa untuk nilai VCB tetap, ketika tegangan basis-emitter (VBE) meningkat, arus emitter naik seperti halnya pada diode. Menaikkan tegangan VCB mempunyai dampak yang sangat kecil sehingga bisa diabaikan. Model ekivalen dari kurva karakteristik input adalah seperti gambar berikut : IE (mA) 8

Sembarang nilai VCB

7 6 5 4 3 2 1 0

0,2

0,4

0,6

0,8

VBE (V)

Dalam analisis selanjutnya, ketika transistor sudah berada dalam kondisi “on”, maka disumsikan tegangan basis-emitter : VBE = 0,7 Volt. Asumsi ini memberikan kemudahan dalam analisis DC rangkaian seperti pada contoh berikut : (a) Tentukan arus collector jika arus emitter 3 mA dan VCB =10 V (b) Tentukan VBE jika IC = 2 mA dan VCB = 20 V Solusi : (a) Karena tidak ada parameter lain yang diketahui, bisa diasumsikan bahwa IC = IE = 3 mA. (b) VCB tidak memberi pengaruh ketika transistor sudah bekerja, maka VBE = 0,7 V. Alpha Dalam mode DC, level arus IC dan IE yang berasal dari majority carrier mempunyai hubungan : I α dc = C IE Karena α hanya ditentukan dari majority carrier, maka IC = αIE + ICBO ICBO umumnya sangat kecil sehingga bisa diabaikan. Untuk arus ac, α didefinisikan :

α ac =

∆I C ∆I E

VCB = kons tan

αac secara formal dikenal dengan nama common base, chort circuit, amplification factor. Nilai αac dan αdc cukup dekat, sehingga sering dinyatakan sebagai α saja.

Penguatan Tegangan dalam Common Base Dalam contoh di bawah, analisis difokuskan pada nilai-nilai AC. Untuk konfigurasi Common-Base, resistansi AC pada input umumnya bernilai antara 10~100 Ω. Sedangkan resistansi output cukup besar dengan nilai tipikal antara 50 KΩ ~ 1 MΩ. Perbedaan resistansi ini disebabkan oleh bias maju pada input ( base-emitter) dan bias mundur pada output ( base-collector). Contoh : Cari penguatan tegangan AV rangkaian common base berikut.

Ii Vi 200 mV

E

C

IL

B

IB

5 KΩ

Ri 20Ω Ro 100 Ω Solusi : Ii =

Vi 200 mV = = 10mA Ri 20Ω

Dengan asumsi αdc = 1 Î ( IE = IC) Maka : IL = Ii = 10 mA Dan VL = ILR = 10 mA x 5000 = 50 V Penguatan tegangan : V 50V AV = L = = 250 Vi 200mV

Nilai tipikal penguatan tegangan konfigurasi common base adalah antara 50 – 300 kali. Dasar dari penguatan diperoleh dengan mengalihkan (transfer) suatu arus I dari rangkaian dengan resistansi tinggi ke rangkaian resistansi rendah. Kombinasi kedua istilah memberikan penamaan pada transistor : Transistor = transfer resistor Konfigurasi Common Emitter Konfigurasi transistor yang paling umum dijumpai adalah konfigurasi Common Emitter (CE). Disebut CE karena pemakaian bersama emitter pada sisi input dan output.

IC

IC

C

p

IB

C

n

IB

n B

IE

B

p E

IE

p n E

Dalam konfigurasi ini, hubungan antara arus basis, collector dan emitter adalah tetap. IE = IB + IC Pada konfigurasi CE, karakteristik output adalah kurva antara arus output IC terhadap tegangan output VCE pada suatu rentang nilai arus input IB. Karakteristik input adalah kurva arus input IB terhadap tegangan input VBE pada nilai tegangan output VCE.

Derah saturasi

70 µA 60 µA Derah aktif

50 µA

7 6

40 µA

5 30 µA

4 3

20 µA

2 1

10 µA IB = 0 µA

0

5

10

VCE (V)

15 Derah cut-off

ICEO=βICBO

VCE-SAT

Kurva Karakteritik Output

IB (µA) VCE = 1V 10 V 20 V

70 60 50 40 30 20 10 0

0,2

0,4

0,6

0,8

VBE (V)

Kurva Karakteritik Input

Perhatikan bahwa pada kurva karakteristik output, arus IB tidak horisontal seperti halnya IE dalam konfigurasi common base, yang

mengindikasikan bahwa tegangan collector-emiter (VCE) mempengaruhi besaran arus collector. Daerah aktif untuk konfigurasi common emitter adalah daerah di bagian atas kanan dimana kurva arus IB mendekati garis lurus (linear). Pada gambar, daerah ini berada di sebelah kanan VCE-sat dan di atas kurva IB = 0. Daerah di sebelah kiri VCE-sat adalah daerah saturasi. Arus collector pada kondisi IB = 0 dinyatakan sebagai berikut :

I CEO =

I CBO 1− α

I B = 0 µA

Dalam mode DC, level IC dan IB dihubungkan dengan suatu besaran beta yang didefinisikan :

β dc =

IC IB

Dalam spesifikasi/data sheet, βdc ditulis hFE. Untuk mode ac :

β ac =

∆I C ∆I B

VCE = kons tan

βac juga dikenal sebagai hfe. (perhatikan perbedaan dengan hFE) Umumnya βdc dan βac bernilai sama dan ditulis sebagai β saja. Hubungan antara β dan α adalah sebagai berikut : α=

β β +1

β=

α 1− α

Dan

Dengan IC = βIB juga bisa diturunkan : IE = IC + IB = βIB + IB = (1+β)IB

Konfigurasi Common Collector Konfigurasi Common Collector umumnya dipakai sebagai rangkaian penyesuai impedansi karena mempunyai impedansi input yang tinggi dan impedansi output rendah, berlawanan dengan dua konfigurasi sebelumnya (CB dan CE). Karakteristik input konfigurasi CC adalah sama dengan karakteristik pada konfigurasi CE. Karakteristik output adalah plot antara IE dengan VEC untuk nilai-nilai IB, dengan bentuk kurva yang sama seperti karakteristik output CE.

IE VBB

IE

E

n

IB

B

p

B

VEE IC

n C

IC

C

IE VBB

E

IB

IE

E

p

IB B

IC

E

IB

n

VEE

p

B IC

C

C