BAHAN AJAR
Disusun oleh: Ahm ad Fali Oklilas
PROGRAM DI PLOMA KOMPUTER
UNI VERSI TAS SRI WI JAY
2006
SATUAN ACARA PERKULIAHAN
MATA KULIAH ELEKTRONIKA DASAR
KODE / SKS : MTK224 / 2 SKS
Dosen Pengasuh : Ahamad Fali Oklilas NIP : 132231465
Program Studi : Teknik Komputer Kelas/angkatan : Teknik Komputer/2005
Minggu ke
Pokok Bahasan
Sub Pokok
Bahasan
Tujuan Instruksional Khusus
Ref.
1 Tingkat Energi Pada Zat Padat
Transport Sistem Pada Semikonduktor
Pengantar
Energi Atom
Prinsip Dasar Pada Zat Padat
Prinsip Semikonduktor
Muatan Partikel Intensitas, Tegangan dan Energi
Satuan eV untuk Energi
Tingkat Energi Atom
Struktur Elektronik dari Element
Mobilitas dan Konduktivitas Elektron dan Holes
Donor dan Aseptor Kerapatan Muatan Sifat Elektrik
1,2
2 Karakteristik Dioda Prinsip Dasar Rangkaian terbuka p-n Junction Penyerarah pada p-n Jup-nctiop-n
3 Karakterisrik Dioda Sifat Dioda Sifat Volt-Ampere Sifat
4 Karakteristik Dioda Jenis Dioda Switching Times Breakdown Dioda Tunnel Dioda Semiconductor Photovoltaic Effect Light Emitting Diodes
5 Rangkaian Dioda Dasar Dioda sebagai elemen rangkaian Prinsip garis beban Model dioda Clipping
1
6 Rangkaian Dioda Lanjut Comparator Sampling gate Penyearah Penyearah gelombang penuh Rangkaian lainnya
MID TEST/UTS
7 Rangkaian Transistor Sifat Transistor Transistor Junction Komponen Transistor Transistor Sebagai Penguat
(Amplifier) Konstruksi Transistor
8 Rangkaian Transistor Sifat Transistor Konfigurasi Common Base Konfigurasi Common Emitor CE Cutoff CE Saturasi CE Current Gain Konfigurasi Common Kolektor
9 Rangkaian Transistor Transistor Pada Frekuensi Rendah
Analisis Grafik Konfigurasi CE Model Two Port Device
10 Rangkaian Transistor Transistor Pada Frekuensi Rendah
Thevenin & Norton Emitter Follower Membandingkan Konfigurasi Amplifier Teori Miller
1
11 Rangkaian Transistor
Field Effect Transistor
Transistor Pada frekuensi Tinggi
Sifat Dasar
Rangkaian Dasar
Model Hybrid
JFET
Karakteristik Volt Amper
FET MOSFET Voltager Variable Resitor
12 Studi Kasus Penerapan Transistor
Sebagai Osilator Sebagai Penguat Sebagai Sensor
FINAL TEST
Buku Acuan :
1. Chat t opadhyay, D. dkk, Dasar Elekt ronika,
Penerbit Universit as I ndonesia, Jakart a: 1989.
2. Millm an, Halkias, I nt egrat ed Elect ronics, Mc Graw Hill, Tokyo, 1988
ATURAN PERKULI AHAN ELEKTRON I KA D ASAR
DAFTAR HADI R MI N = 80% X 16= 14 KOMPONEN NI LAI
TUGAS/ QUI S = 25%
UTS = 30%
UAS = 45%
Nilai Mut lak 86 – 100 = A 71 – 85 = B 56 – 70 = C 41 – 55 = D
≤ 40 = E
Ket erlam bat an k ehadiran dengan t oleransi 15 m enit
Buku Acuan :
6. Chat t opadhyay, D. dkk, Dasar Elekt ronika,
Penerbit Universit as I ndonesia, Jakart a: 1989.
7. Millm an, Halkias, I nt egrat ed Elect ronics, Mc Graw Hill, Tokyo, 1988
Tin gk a t Ene r gi Pa da Za t Pa da t
Ele ct ron ’s Ene r gy Le ve l
The NEUTRON is a neut ral part icle in t hat it has no elect rical charge. The m ass of t he neut ron is approxim at ely equal t o t hat of t he prot on.
An ELECTRON’S ENERGY LEVEL is t he am ount of energy required by an elect ron t o st ay in orbit . Just by t he elect ron’s m ot ion alone, it has kinet ic energy. The elect ron’s posit ion in reference t o t he nucleus gives it pot ent ial energy. An energy balance keeps t he elect ron in orbit and as it gains or loses energy, it assum es an orbit furt her from or closer t o t he cent er of t he at om .
SHELLS and SUBSHELLS are t he orbit s of t he elect rons in an at om . Each shell can cont ain a m axim um num ber of elect rons, which can be det erm ined by t he form ula 2n 2. Shells are let t ered K t hrough Q, st art ing wit h K, which is t he closest t o t he nucleus. The shell can also be split int o four subshells labeled s, p, d, and f, which can cont ain 2, 6, 10, and 14 elect rons, respect ively.
I ONI ZATI ON is t he process by which an at om loses or gains elect rons. An at om t hat loses som e of it s elect rons in t he process becom es posit ively charged and is called a POSI TI VE I ON. An at om t hat has an excess num ber of elect rons is negat ively charged and is called a NEGATI VE I ON.
ENERGY BANDS are groups of energy levels t hat result from t he close proxim it y of at om s in a solid. The t hree m ost im port ant energy bands are t he CONDUCTI ON BAND, FORBI DDEN BAND, and VALENCE BAND.
Ele ct ron s an d h oles in se m icon du ctor s
As point ed out before, sem iconduct ors dist inguish t hem selves from m et als and insulat ors by t he fact t hat t hey cont ain an " alm ost -em pt y" conduct ion band and an " alm ost - full" v alence band. This also m eans t hat we will have t o deal wit h t he t ransport of carriers in bot h bands.
To facilit at e t he discussion of t he t ransport in t he " alm ost - full" valence band we will int roduce t he concept of holes in a sem iconduct or. I t is im port ant for t he reader t o underst and t hat one could deal wit h only elect rons ( since t hese are t he only real part icles available in a sem iconduct or) if one is willing t o keep t rack of all t he elect rons in t he " alm ost - full" valence band.
t he sim plified energy band diagram in t he presence of an elect ric field.
band1.gif
Fig.2.2.12
Energy band diagram in the presence
of a uniform electric field. Shown are electrons
(red circles) which move against the field and
holes (blue circles) which move in the direction of
the applied field.
A uniform elect ric field is assum ed which causes a const ant gradient of t he conduct ion and valence band edges as well as a const ant gradient of t he vacuum level. The gradient of t he vacuum level requires som e furt her explainat ion since t he vacuum level is associat ed wit h t he pot ent ial energy of t he elect rons out side t he sem iconduct or. However t he gradient of t he vacuum level represent s t he elect ric field wit hin t he sem iconduct or.
The elect rons in t he conduct ion band are negat ively charged part icles which t herefore m ove in a direct ion which opposes t he direct ion of t he field. Elect rons t herefore m ove down hill in t he conduct ion band. Elect rons in t he valence band also m ove in t he sam e direct ion. The t ot al current due t o t he elect rons in t he valence band can t herefore be writ t en as:
where V is t he volum e of t he sem iconduct or, q is t he elect ronic charge and v is t he elect ron velocit y. The sum is t aken over all occupied or filled st at es in t he v alence band. This expression can be reform ulat ed by first t aking t he sum over all t he st at es in t he valence band and subt ract ing t he current due t o t he elect rons which are act ually m issing in t he valence band. This last t erm t herefore represent s t he sum t aken over all t he em pt y st at es in t he valence band, or:
(f37)
The sum over all t he st at es in t he valence band has t o equal zero since elect rons in a com plet ely filled band do not cont ribut e t o current , while t he rem aining t erm can be writ t en as:
(f38)
which st at es t hat t he current is due t o posit ively charged part icles associat ed wit h t he em pt y st at es in t he valence band. We call t hese part icles holes. Keep in m ind t hat t here is no real part icle associat ed wit h a hole, but rat her t hat t he com bined behavior of all t he elect rons which occupy st at es in t he valence band is t he sam e as t hat of posit ively charge part icles associat ed wit h t he unoccupied st at es.
The reason t he concept of holes sim plifies t he analysis is t hat t he densit y of st at es funct ion of a whole band can be rat her com plex. However it can be dram at ically sim plified if only st at es close t o t he band edge need t o be considered.
D ist r ibu t ion fu nct ion s
1 . I n t r odu ct ion
The dist ribut ion or probabilit y densit y funct ions describe t he probabilit y wit h which one can expect part icles t o occupy t he available energy levels in a given syst em . While t he act ual derivat ion belongs in a course on st at ist ical t herm odynam ics it is of int erest t o underst and t he init ial assum pt ions of such derivat ions and t herefore also t he applicabilit y of t he result s.
The derivat ion st art s from t he basic not ion t hat any possible dist ribut ion of part icles over t he available energy levels has t he sam e probabilit y as any ot her possible dist ribut ion, which can be dist inguished from t he first one.
I n addit ion, one t akes int o account t he fact t hat t he t ot al num ber of part icles as well as t he t ot al energy of t he syst em has a specific value.
Third, one m ust acknowledge t he different behavior of different part icles. Only one Ferm ion can occupy a given energy level ( as described by a unique set of quant um num bers including spin) . The num ber of bosons occupying t he sam e energy levels is unlim it ed. Ferm ions and Bosons all "look alike" i.e. t hey are indist inguishable. Maxwellian part icles can be dist inguished from each ot her.
The derivat ion t hen yields t he m ost probable dist ribut ion of part icles by using t he Lagrange m et hod of indet erm inat e const ant s. One of t he Lagrange const ant s, nam ely t he one associat ed wit h t he average energy per part icle in t he dist ribut ion, t urns out t o be a m ore m eaningful physical variable t han t he t ot al energy. This variable is called t he Ferm i energy,
EF.
The result ing dist ribut ions do have som e peculiar charact erist ics, which are hard t o explain. First of all t he fact t hat a probabilit y of occupancy can be obt ained independent of whet her a part icular energy level exist s or not . I t would seem m ore accept able t hat t he dist ribut ion funct ion does depend on t he densit y of available st at es, since it det erm ines where part icles can be in t he first place.
The fact t hat t he dist ribut ion funct ion does not depend on t he densit y of st at es is due t o t he assum pt ion t hat a part icular energy level is in t herm al equilibrium wit h a large num ber of ot her part icles. The nat ure of t hese part icles does not need t o be described furt her as long as t heir num ber is indeed very large. The independence of t he densit y of st at es is very fort unat e since it provides a single dist ribut ion funct ion for a wide range of syst em s.
A plot of t he t hree dist ribut ion funct ions, t he Ferm i- Dirac dist ribut ion, t he Maxwell-Bolt zm ann dist ribut ion and t he Bose-Einst ein dist ribut ion is shown in t he figure below, where t he Ferm i energy was set equal t o zero.
distrib.xls - distrib.gif
Fig. 2.4.1 Occupancy probability versus energy of the Fermi-Dirac (red curve), the Bose-Einstein (green curve)
All t hree dist ribut ion funct ions are alm ost equal for large energies ( m ore t han a few kT beyond t he Ferm i energy) . The Ferm i- Dirac dist ribut ion reaches a m axim um of 1 for energies which are a few kT below t he Ferm i energy, while t he Bose-Einst ein dist ribut ion diverges at t he Ferm i energy and has no validit y for energies below t he Ferm i energy.
2 . An Ex a m ple
To bet t er underst and t he general derivat ion wit hout going t hrough it , we now consider a syst em wit h equidist ant energy levels at 0.5, 1.5, 2.5, 3.5, 4.5, 5.5, .... eV, which each can cont ain t wo elect rons. The elect rons are Ferm ions so t hat t hey are indist inguishable from each ot her and no m ore t han t wo elect rons ( wit h opposit e spin) can occupy a given energy level. This syst em cont ains 20 elect rons and we arbit rarily set t he t ot al energy at 106 eV, which is 6 eV m ore t han t he m inim um possible energy of t his syst em . There are 24 possible and different configurat ions, which sat isfy t hese part icular const raint s. Six of t hose configurat ions are shown in t he figure below, where t he red dot s represent t he elect rons:
occdraw.gif
Fig. 2.4.2 Six of the 24 possible configurations in which 20
A com plet e list of t he 24 configurat ions is shown in t he t able below:
fddist.xls - occtable.gif
Table 2.4.1 All 24 possible configurations in which 20 electrons can be placed having an energy of 106 eV.
The average occupancy of each energy level as t aken over all ( and equally probable) 24 configurat ions is com pared in t he figure below t o t he expect ed Ferm i-Dirac dist ribut ion funct ion. A best fit was obt ained using a Ferm i energy of 9.998 eV and kT = 1.447 eV or T = 16,800 K. The agreem ent is surprisingly good considering t he sm all size of t his syst em .
Fig. 2.4.3 Probability versus energy averaged over the 24 possible configurations of the example (red squares) fitted with a Fermi-Dirac function (green curve) using kT = 1.447
eV and EF= 9.998 eV.
3 . Th e Fer m i- D ir a c dist r ibu t ion fun ct ion
The Ferm i- Dirac probabilit y densit y funct ion provides t he probabilit y t hat an energy level is occupied by a Ferm ion which is in t herm al equilibrium wit h a large reservoir. Ferm ions are by definit ion part icles wit h half-int eger spin ( 1/ 2, 3/ 2, 5/ 2 ...) . A unique charact erist ic of Ferm ions is t hat t hey obey t he Pauli exclusion principle which st at es t hat only one Ferm ion can occupy a st at e which is defined by it s set of quant um num bers n,k,l and s. The definit ion of Ferm ions could t herefore also be part icles which obey t he Pauli exclusion principle. All such part icles also happen t o have a half-int eger spin.
Elect rons as well as holes have a spin 1/ 2 and obey t he Pauli exclusion principle. As t hese part icles are added t o an energy band, t hey will fill t he available st at es in an energy band j ust like wat er fills a bucket . The st at es wit h t he lowest energy are filled first , followed by t he next higher ones. At absolut e zero t em perat ure (T = 0 K) , t he energy levels are all filled up t o a m axim um energy which we call t he Ferm i level. No st at es above t he Ferm i level are filled. At higher t em perat ure one finds t hat t he t ransit ion bet ween com plet ely filled st at es and com plet ely em pt y st at es is gradual rat her t han abrupt . The Ferm i funct ion which describes t his behavior, is given by:
(f18)
fermi.xls - fermi.gif
Fig. 2.4.4 Fermi function at an ambient temperature of 150
K (red curve), 300 K (blue curve) and 600 K (black curve).
The Ferm i funct ion has a v alue of one for energies, which are m ore t han a few t im es kT below t he Ferm i energy. I t equals 1/ 2 if t he energy equals t he Ferm i energy and decreases exponent ially for energies which are a few t im es kT larger t han t he Ferm i energy. While at T = 0 K t he Ferm i funct ion equals a st ep funct ion, t he t ransit ion is m ore gradual at finit e t em perat ures and m ore so at higher t em perat ures.
4 . I m pu r it y dist r ibu t ion fun ct ion s
(f25)
The m ain difference is t he fact or 1/ 2 in front of t he exponent ial t erm .
The dist ribut ion funct ion for accept ors differs also because of t he different possible ways t o occupy t he accept or level. The neut ral accept or cont ains t wo elect rons wit h opposit e spin, t he ionized accept or st ill cont ains one elect ron which can have eit her spin, while t he doubly posit ive st at e is not allowed since t his would require a different energy. This rest rict ion would yield a fact or of 2 in front of t he exponent ial t erm . I n addit ion, one finds t hat m ost com m only used sem iconduct ors have a t wo- fold degenerat e valence band, which causes t his fact or t o increase t o 4 yielding:
(f26)
5 . Th e Bose - Ein ste in dist r ibu t ion fu nct ion
(f27)
6 . Th e M a x w e ll- Bolt z m a n n dist r ibu t ion fun ct ion
7 . Se m icon du ctor t he r m odyna m ics
I n order t o underst and t he carrier dist ribut ion funct ions one m ust be fam iliar wit h a variet y of t herm odynam ic concept s. These include t herm al equilibrium, t he difference bet ween t he t ot al energy and heat , work and part icle energy and t he m eaning of t he Ferm i energy. These and ot her relat ed t opics are discussed in t he sect ion on sem iconduct or t herm odynam ics. An ideal elect ron gas is discussed in m ore det ail as an exam ple
Se m ik on du k tor
Pr in sip D a sa r
Sem ikondukt or m erupakan elem en dasar dari kom ponen elekt ronika sepert i dioda, t ransist or dan sebuah I C (int egrat ed circuit) .
Disebut sem i at au set engah kondukt or, karena bahan ini m em ang bukan k ondukt or m urni.
Bahan- bahan logam sepert i t em baga, besi, t im ah disebut sebagai kondukt or yang baik sebab logam m em iliki susunan at om yang sedem ikian rupa, sehingga elekt ronnya dapat bergerak bebas.
Sebenarnya at om t em baga dengan lam bang kim ia Cu m em iliki int i 29 ion ( + ) dikelilingi oleh 29 elekt ron ( - ) . Sebanyak 28 elekt ron m enem pat i orbit - orbit bagian dalam m em bent uk int i y ang disebut nucleus.
Dibut uhkan energi yang sangat besar unt uk dapat m elepaskan ikat an elekt ron- elekt ron ini. Sat u buah elekt ron lagi yait u elekt ron yang ke-29, berada pada orbit paling luar.
ikat an at om t em baga
Pada suhu kam ar, elekt ron t ersebut dapat bebas bergerak at au berpindah- pindah dari sat u nucleus ke nucleus lainnya. Jika diberi t egangan pot ensial list rik, elekt ron- elekt ron t ersebut dengan m udah berpindah ke arah pot ensial yang sam a. Phenom ena ini yang dinam akan sebagai arus list rik.
I solat or adalah at om yang m em iliki elekt ron valensi sebanyak 8 buah, dan dibut uhkan energi yang besar unt uk dapat m elepaskan elekt ron- elekt ron ini.
Dapat dit ebak, sem ikondukt or adalah unsur yang susunan at om nya m em iliki elekt ron valensi lebih dari 1 dan kurang dari 8. Tent u saj a yang paling " sem ikondukt or" adalah unsur yang at om nya m em iliki 4 elekt ron v alensi.
Su sun a n At om Se m ikon du k tor
Bahan sem ikondukt or yang banyak dikenal cont ohnya adalah Silicon (Si) , Germ anium ( Ge) dan Galium Arsenida (GaAs) .
Germ anium dahulu adalah bahan sat u- sat unya yang dikenal unt uk m em buat kom ponen sem ikondukt or. Nam un belakangan, silikon m enj adi popular set elah dit em ukan cara m engekst rak bahan ini dari alam . Silikon m erupakan bahan t erbanyak ke dua y ang ada dibum i set elah oksigen (O2) .
silikon. Dapat kah anda m enghit ung jum lah pasir dipant ai.
St rukt ur at om krist al silikon, sat u int i at om (nucleus) m asing- m asing m em iliki 4 elekt ron v alensi.
I kat an int i at om yang st abil adalah j ika dikelilingi oleh 8 elekt ron, sehingga 4 buah elekt ron at om krist al t ersebut m em bent uk ikat an kovalen dengan ion-ion at om t et angganya. Pada suhu yang sangat rendah ( 0oK) , st rukt ur at om silikon divisualisasikan sepert i
pada gam bar berikut .
st rukt ur dua dim ensi krist al Silikon
I kat an kovalen m enyebabkan elekt ron t idak dapat berpindah dari sat u int i at om ke int i at om yang lain. Pada kondisi dem ikian, bahan sem ikondukt or bersifat isolat or karena t idak ada elekt ron yang dapat berpindah unt uk m enghant arkan list rik.
Pada suhu kam ar, ada beberapa ikat an kovalen yang lepas karena energi panas, sehingga m em ungkinkan elekt ron t erlepas dari ikat annya. Nam un hanya beberapa jum lah kecil yang dapat t erlepas, sehingga t idak m em ungkinkan unt uk m enj adi k ondukt or y ang baik.
Pem berian doping dim aksudkan unt uk m endapat kan elekt ron valensi bebas dalam j um lah lebih banyak dan perm anen, yang diharapkan akan dapat m engahant arkan list rik. Kenyat aanya dem ikian, m ereka m em ang iseng sekali dan j enius.
Tipe - N
Misalnya pada bahan silikon diberi doping
phosphorus at au arsenic yang pent avalen yait u bahan krist al dengan int i at om m em iliki 5 elekt ron valensi. Dengan doping, Silikon yang t idak lagi m urni ini (im purit y sem iconduct or) akan m em iliki kelebihan elekt ron.
Kelebihan elekt ron m em bent uk sem ikondukt or t ipe-n. Sem ikondukt or t ipe-n disebut j uga donor yang siap m elepaskan elekt ron.
doping at om pent avalen
Tipe - P
Kalau silikon diberi doping Boron, Gallium at au
I ndium, m aka akan didapat sem ikondukt or t ipe-p. Unt uk m endapat kan silikon t ipe-p, bahan dopingnya adalah bahan t rivalen yait u unsur dengan ion yang m em iliki 3 elekt ron pada pit a v alensi.
ini digam barkan sebagai a k se pt or yang siap m enerim a elekt ron. Dengan dem ikian, kekurangan elekt ron m enyebabkan sem ikondukt or ini m enj adi t ipe-p.
doping at om t rivalen
Re sist an si
Sem ikondukt or t ipe- p at au t ipe-n j ika berdiri sendiri t idak lain adalah sebuah resist or. Sam a sepert i resist or karbon, sem ikondukt or m em iliki resist ansi. Cara ini dipakai unt uk m em buat resist or di dalam sebuah kom ponen sem ikondukt or. Nam un besar resist ansi y ang bisa didapat kecil k arena t erbat as pada volum e sem ikondukt or it u sendiri.
D ioda
D ioda PN
sam bungan p-n
Jika diberi t egangan m aj u (forward bias) , dim ana t egangan sisi P lebih besar dari sisi N, elekt ron dengan m udah dapat m engalir dari sisi N m engisi kekosongan elekt ron (hole) di sisi P.
forward bias
Sebaliknya j ika diberi t egangan balik (reverse bias) , dapat dipaham i t idak ada elekt ron yang dapat m engalir dari sisi N m engisi hole di sisi P, karena t egangan pot ensial di sisi N lebih t inggi.
Dioda akan hanya dapat m engalirkan arus sat u arah saj a, sehingga dipakai unt uk aplikasi rangkaian penyearah (rect ifier) . Dioda, Zener, LED, Varact or dan Varist or adalah beberapa kom ponen sem ikondukt or sam bungan PN y ang dibahas pada k olom khusus.
Ku r va k a r a k t er ist ik st a t ik dioda
m erupakan fungsi dari arus I D, arus yang m elalui dioda, t erhadap t egangan VD, beda t egang ant ara t it ik a dan b ( lihat gam bar 1 dan gam bar 2)
k a r a k t e r ist ik sta t ik dioda
Karakt erist ik st at ik dioda dapat diperoleh dengan m engukur t egangan dioda ( Vab) dan arus yang m elalui dioda, yait u I D. Dapat diubah dengan dua cara, yait u m engubah VDD.Bila arus dioda I D kit a plot kan t erhadap t egangan dioda Vab, kit a peroleh karakt erist ik st at ik dioda. Bila anoda berada pada t egangan lebih t inggi daripada kat oda ( VD posit if) dioda dikat akan m endapat bias forward. Bila VD negat ip disebut bias reserve at au bias m undur.
Pada gam bar 2 VC disebut cut - in- volt age, I S arus sat urasi dan VPI V adalah peak- inverse v olt age.
Bila harga VDD diubah, m aka arus I D dan VD akan berubah pula. Bila kit a m em punyai karakt erist ik st at ik dioda dan kit a t ahu harga VDD dan RL, m aka harga arus I D dan VD dapat kit a t ent ukan sebagai berikut . Dari gam bar 1.
VDD = Vab + (I · RL) at au I = - (Vab/ RL) + (VDD / RL)
lurus dengan kem iringan (1/ RL) . Garis ini disebut garis beban ( load
line) . I ni dit unj ukkan pada gam bar 3.
Kit a lihat bahwa garis beban m em ot ong sum bu V dioda pada harga VDD yait u bila arus I = 0, dan m em ot ong sum bu I pada harga (VDD/ RL) .
Tit ik pot ong ant ara karakt erist ik st at ik dengan garis beban m em berikan harga t egangan dioda VD(q) dan arus dioda I D( q) .
Dengan m engubah harga VDD kit a akan m endapat kan garis- garis beban sej aj ar sepert i pada gam bar 3.
Bila VDD< 0 dan | VDD| < VPI V m aka arus dioda yang m engalir adalah
kecil sekali, y ait u arus sat urasi I S. Arus ini m em punyai harga kira-kira 1 µA unt uk dioda silikon.
Tr a nsist or Bipola r
Transist or ini disebut t ransist or bipolar, karena st rukt ur dan prinsip kerj anya t ergant ung dari perpindahan elekt ron di kut up negat if m engisi kekurangan elekt ron ( hole) di kut up posit if. bi = 2 dan polar = kut up. Adalah William Schockley pada t ahun 1951 yang pert am a kali m enem ukan t ransist or bipolar.
Transist or npn dan pnp
Akan dij elaskan kem udian, t ransist or adalah kom ponen yang bekerj a sebagai sakelar (swit ch on/ off) dan juga sebagai penguat (am plifier) . Transist or bipolar adalah inovasi yang m engant ikan t ransist or t abung (vacum t ube) . Selain dim ensi t ransist or bipolar yang relat if lebih kecil, disipasi dayanya j uga lebih kecil sehingga dapat bekerja pada suhu y ang lebih dingin.
Dalam beberapa aplikasi, t ransist or t abung m asih digunakan t erut am a pada aplikasi audio, unt uk m endapat kan kualit as suara yang baik, nam un konsum si dayanya sangat besar. Sebab unt uk dapat m elepaskan elekt ron, t eknik yang digunakan adalah pem anasan filam en sepert i pada lam pu pij ar.
Bia s D C
m engalir hanya j ika diberi bias posit if, y ait u hanya j ika t egangan pada m at erial P lebih posit if daripada m at erial N (forward bias) .
Pada gam bar ilust rasi t ransist or NPN berikut ini, j unct ion base- em it er diberi bias posit if sedangkan base- colect or m endapat bias negat if (reverse bias) .
arus elekt ron t ransist or npn
Karena base-em it er m endapat bias posit if m aka sepert i pada dioda, elekt ron m engalir dari em it er m enuj u base. Kolekt or pada rangkaian ini lebih posit if sebab m endapat t egangan posit if. Karena kolekt or ini lebih posit if, aliran elekt ron bergerak m enuj u kut up ini. Misalnya t idak ada kolekt or, aliran elekt ron seluruhnya akan m enuj u base sepert i pada dioda. Tet api karena lebar base yang sangat t ipis, hanya sebagian elekt ron yang dapat bergabung dengan hole yang ada pada base.
Jika pelan- pelan 'keran' base diberi bias m aj u (forward bias) , elekt ron m engalir m enuj u kolekt or dan besarnya sebanding dengan besar arus bias base y ang diberikan. Dengan kat a lain, arus base m engat ur banyaknya elekt ron yang m engalir dari em it er m enuj u kolekt or. I ni yang dinam akan efek penguat an t ransist or, karena arus base yang kecil m enghasilkan arus em it er- colect or y ang lebih besar.
I st ilah am plifier ( penguat an) m enj adi salah kaprah, karena dengan penj elasan di at as sebenarnya yang t erj adi bukan penguat an, m elainkan arus yang lebih kecil m engont rol aliran arus yang lebih besar. Juga dapat dij elaskan bahwa base m engat ur m em buka dan m enut up aliran arus em it er- kolekt or (swit ch on/ off) .Pada t ransist or PNP, fenom ena yang sam a dapat dij elaskan dengan m em berikan bias sepert i pada gam bar berikut . Dalam hal ini yang disebut perpindahan arus adalah arus hole.
arus hole t ransist or pnp
dari pot ensial yang lebih besar ke pot ensial yang lebih kecil.
arus pot ensial
I C : arus k olekt or I B : arus base
I E : arus em it or VC : t egangan k olekt or VB : t egangan base VE : t egangan em it or
VCC : t egangan pada k olekt or VCE : t egangan j epit k olekt or-em it or VEE : t egangan pada em it or VBE : t egangan j epit base- em it or I CBO : arus base- kolekt or VCB : t egangan j epit kolekt or- base
Perlu diingat , walaupun t idak perbedaan pada doping bahan pem buat em it or dan kolekt or, nam un pada prakt eknya em it or dan kolekt or t idak dapat dibalik.
penam pang t ransist or bipolar
Dari sat u bahan silikon (m onolit ic) , em it or dibuat t erlebih dahulu, kem udian base dengan doping yang berbeda dan t erakhir adalah kolekt or. Terkadang dibuat juga efek dioda pada t erm inal-t erm inalnya sehingga arus hanya akan t erj adi pada arah yang dikehendaki.
Pe n gen a la n va cu u m Tu be
Pada bagian ini penulis berm aksud m engaj ak para rekan rekan t ube m ania unt uk ngobrol m engenai prinsip k erj a dari Tabung.
1 . Em isi Ele ctr on
Mem bahas m engenai cara kerj a t abung t ak akan bisa lepas dari Proses Em isi Elect ron karena sesungguhnya cara kerj a t abung yang paling m endasar ialah proses em isi elekt ron dan pengendaliannya. Em isi elekt ron ialah proses pelepasan elekt ron dari perm ukaan suat u subst ansi at au m at erial yang disebabkan karena elekt ron elekt ron t ersebut m endapat energi dari luar.
t erlalu kuat , m asihlah cukup unt uk m enahan elekt ron agar t idak sam pai lepas dari at om logam . Agar supaya elekt ron pada logam bisa m elom pat keluar m elalui perm ukaan logam , sehingga t erj adi proses em isi elekt ron, m aka diperlukanlah sej um lah energi unt uk m engat asi daya t arik int i at om t erhadap elekt ron. Besarnya energi yang diperlukan oleh sebuah elekt ron unt uk m engat asi daya t arik int i at om sehingga bisa m elom pat keluar dari perm ukaan logam , didefinisikan sebagai Fungsi Kerj a ( Work Funct ion) .Fungsi kerj a biasanya dinyat akan dalam sat uan eV ( elect ron volt ) , besarnya fungsi kerj a adalah berbeda unt uk set iap logam . Proses penerim aan energi luar oleh elekt ron agar bisa berem isi dapat t erj adi dengan beberapa cara, dan j enis proses penerim aan energi inilah yang m em bedakan proses em isi elekt ron y ait u :
1. Em isi Therm ionic ( Therm ionic em ission) 2. Em isi m edan list rik ( Field em ission)
3. Em isi Sekunder (Secondary em ission) 4. Em isi Fot olist rik ( Phot ovolt aic em ission)
2 . Em isi Th er m ion ic
Pada em isi j enis ini, energi luar yang m asuk ke bahan ialah dalam bent uk energi panas. Oleh elekt ron energi panas ini diubah m enj adi energi kinet ik. Sem akin besar panas yang dit erim a oleh bahan m aka akan sem akin besar pula kenaikan energi kinet ik yang t erj adi pada elekt ron, dengan sem akin besarnya kenaikan energi kinet ik dari elekt ron m aka gerakan elekt ron m enj adi sem akin cepat dan sem akin t idak m enent u. Pada sit uasi inilah akan t erdapat elekt ron yang pada ahirnya t erlepas keluar m elalui perm ukaan bahan.
at au lebih sering disebut " kat oda" ( cat hode) , sedangkan bahan yang m enerim a elekt ron disebut sebagai anoda. Dalam kont eks t abung ham pa ( vacuum t ube) anoda lebih sering disebut sebagai " plat e" . Dalam proses em isi t herm ionik dikenal dua m acam j enis kat oda yait u :
a) Kat oda panas langsung ( Direct Heat ed Cat hode, disingkat DHC)
b) Kat oda panas t ak langsung (I ndirect Heat ed Cat hode, disingkat I HC)
Pada Figure 2 dapat dilihat st rukt ur yang disederhanakan dan j uga sim bol dari DHC, pada kat oda j enis ini kat oda selain sebagai sum ber elekt ron j uga dialiri oleh arus heat er ( pem anas) .
St rukt ur y ang disederhanakan dan juga sim bol dari I HC dapat dilihat pada Figure 3. Kat oda j enis ini t idak dialiri langsung oleh arus heat er, panas yang dibut uhkan unt uk m em anasi kat oda dihasilkan oleh heat er elem ent ( elem en pem anas) dan panas ini dialirkan secara konduksi dari heat er elem en ke kat oda dengan perant araan insulasi list rik, yait u bahan yang baik dalam m enghant arkan panas t et api
t idak m engalirkan arus list rik.
Pada proses em isi t herm ionik bahan yang akan digunakan sebagai kat oda harus m em iliki sifat sifat yang m em adai unt uk berperan dalam proses y ait u :
unt uk m enarik elekt ron m enj adi lebih kecil sehingga proses em isi lebih m udah t erj adi.
b. Mem iliki t it ik lebur ( m elt ing point ) yang t inggi. Pada proses em isi t herm ionic kat oda harus dipanaskan pada suhu yang cukup t inggi unt uk m em ungkinkan t erj adinya lom pat an elekt ron, dan suhu ini bisa m encapaai 1500 deraj at celcius.
C. Mem iliki ket ahanan m ekanik ( m echanical st renght ) yang t inggi Pada saat t erj adinya em isi m aka t erj adi pula lom pat an ion posit if dari plat e m enuju ke kat oda. Lom pat an ion posit if t ersebut oleh kat oda akan dirasakan sebagai bent uran, sehingga agar supaya kat oda t idak m engalam i deform asi m aka bahan dari kat oda harus m em iliki m echanical
st renght yang t inggi.
Pada aplikasi yang sesungguhnya ada t iga j enis m at erial yang digunakan unt uk m em buat kat oda, yait u :
3. Tungsten
t idak t erlalu t inggi m aka t ungst en bukan m at erial yang ideal, hal ini disebabkan karena t ungst en m em iliki fungsi kerj a yang t inggi( 4,52 eV) dan j uga t em perat ure kerj a opt im al yang cukup t inggi (sekit ar 2200 deraj at celcius)
4. Thoriated Tungsten
Mat erial ini ialah cam puran ant ara t ungst en dan t horium . Thorium adalah m at erial yang secara individual m em iliki fungsi kerj a 3,4 eV, cam puran ant ara t horium dan t ungst en m em iliki fungsi kerj a 2,63eV, yait u suat u nilai fungsi kerj a yang lebih rendah dibandingan dengan fungsi kerj a t ungst en at aupun t horium dalam keadaan t idak dicam pur. Selain it u hasil pencam puran kedua logam t ersebut m em iliki t em perat ure kerj a opt im al yang lebih rendah daripada t ungst en yait u 1700 deraj at celcius hal ini berart i besarnya energi yang dibut uhkan unt uk pem anasan pada aplikasi pem akaian logam cam puran ini j uga lebih rendah.
5. Katoda berlapis oksida (Oxide-Coated
Cathode)
Kat oda t ipe ini t erbuat dari lem pengan nickel yang dilapis dengan barium dan oksida st ront ium . Sebagai hasil dari pelapisan t ersebut m aka dihasilkanlah kat oda yang m em iliki fungsi kerj a yang dan t em perat ure kerj a opt im al rendah yait u sekit ar 750 deraj at celsius. Kat oda j enis ini um um nya digunakan unt uk aplikasi yang m enggunakan t egangan t idak lebih dari 1000 V.
5. Emisi Medan Listrik
(Field Emission)
bahan ialah adanya gaya t arik m edan list rik luar yang diberikan pada bahan. Pada kat oda yang digunakan pada proses em isi ini dikenakan m edan list rik yang cukup besar sehingga t arikan yang t erj adi dari m edan list rik pada elekt ron m enyebabkan elekt ron m em iliki energi yang cukup unt uk lom pat keluar dari perm ukaan kat oda. Em isi m edan list rik adalah salah sat u em isi ut am a yang t erj adi pada vacuum t ube
selain em isi t herm ionic.
6. Emisi Sekunder ( Secondary emission)
m enj angkau anoda sehingga dibut uhkanlah dukungan energi dari proses em isi m edan list rik.
7. Emisi
Fotolistrik (Photo
Electric
Emission)
Pada em isi fot olist rik energi diberikan ke elekt ron pada kat oda m elalui fot on yait u paket paket energi cahaya, yang oleh elekt ron kem udian diubah m enj adi energi m ekanik sehingga elekt ron t ersebut dapat t erlepas
dari perm ukaan kat oda.
Sam a sepert i proses em isi sekunder em isi fot olist rik j uga t idak dapat berj alan dengan sem purna t anpa bant uan proses em isi m edan list rik, hal ini disebabkan karena energi yang didapat oleh elekt ron dari fot on belum cukup unt uk m em buat elekt ron t ersebut m am pu m enj angkau anoda.
Sam pai pada bagian ini kit a baru saj a m eyelesaikan obrolan kit a m engenai em isi elect ron dan sekarang obrolan akan kit a lanjut kan ke pem bahasan m engenai vacuum t ube dan cara kerj anya.
Yang dim aksud dengan vacuum t ube ialah peralat an elekt ronik dim ana aliran elekt ron t erj adi pada ruang ham pa. Ada beberapa j enis vacuum t ube yang um um digunakan yait u
- Tet roda - Pent oda
REFEREN SI
“ Elekt ronika : t eori dasar dan penerapannya” , j ilid 1, Bandung: Penerbit I TB, 1986”
D ioda H u bu n gan
H u bu n ga n p- n
Lihat gam bar diat as
i. hubungan berangsur-t angga at au ii. hubungan berangsur-linier
Hubungan berangsur-t angga, rapat pencam puran aksept or at au donor dalam sem ikondkt or t et ap sam pai m encapai hubungan. Pencam puran dengan pem anasan pada t em perat ure t inggi dlm wakt u singkat . Dalam hubungan berangsur-linier, rapat pencam puran berubah secara linier m enurut j arak m enj auh dari hubungan. Terbent uk dg m enarik krist al t unggal dari lelehan germ anium yang pd saat dim ulai proses sudah berisi pencam puran dari sat u j enis.
Lihat gam bar at as
Elekt ron berdifusi lewat hubungan ke kiri dan lobang-lobang berdifusi ke kanan. Set elah m elewat i hubungan m ereka bergabung dg m em biarkan ion-ion t idak bergerak disekelilingnya t idak t ernet ralkan. m ereka dinam a m uat an t idak t ercakup, yang m enghasilkan m edan list rik lewat hubungan. Medan ini diarahkan dari sisi n ke sisi p dan dinam akan m edan halangan. Medan ini m elawan gerakan difusi elekt ron dan lubang lewat hubungan.
Tebal daerah kosong sekit ar 0,5 m ikrom et er. Karena ada m edan halangan lewat hubungan, perpindahan elekt ron dari sisi n ke sisi p m em erlukan sej um lah energi yang dinam akan energi halangan ( barrier) ( Eb) . Pot ensial halangan ekivalen VB diberikan
oleh Eb= eVB berdasarkan energi halangan t ergant ung
pada lebar daerah t idak t ercakup. Jum lah energinya sam a kalau lobang dari daerah p berpindah ke daerah n. Daerah P t erdiri dari elekt ron sbg pem bawa m inorit as dan daerah n berisi lubang sebagai pem bawa m inorit as. Medan halangan berperan sehingga elekt ron dari sisi p dan lubang dari sisi n dg m udah m elewat i hubungan. Krn it u gerakan pem bawa m inorit as m em bent uk aliran arus. Diagram pit a energi dari hubungan p-n t anpa dicat u, lihat gam bar bawah.
H u bu n ga n p- n ya n g dica tu
Jika dibalik + bat ere ke sisi n dan –bat ere k e sisi p. Hubungan akan m engalir arus kecil. Dikat akan j enis hubungan p- n dicat u balik ( reverse biased) .
Sifat - sifat diat as cocok unt uk penyearahan.
H u bu n ga n p- n dica tu m a j u
Gam bar lihat sam ping k anan
Tegangan cat u m aj u m engakibat kan gaya pada lubang di sisi j enis p dan pada elect ron di sisi j enis n. Gaya ini m engakibat kan lubang dan elect ron bergerak m enuj u hubungan. Akibat nya lebar m uat an t idak t ercakup berkurang dan halangan berkurang, yakni energi halangannya.gam bar sam ping kiri.
PEN YEARAH
1 . Pe n dah u lu a n
Penggunaan dioda yang paling um um adalah sebagai penyearah . Penyearah adalah suat u rangkaian yang berfungsi unt uk m engubah t egangan bolak- balik m enj adi t egangan searah. Penyearah dengan dioda m engikut i sifat dioda yang akan m enghant ar pada sat u arah dengan drop t egangan yang kecil y ait u sebesar 0,7 volt .
2 . Pe n yea r a h Se t en ga h Ge lom ban g
12 VAC
50 Hz VV
A K
Dioda silikon
10K Voltmeter
2.1. Penyearah Set engah Gelom bang dengan Kapasit or
Unt uk m endapat kan suat u t egangan DC yang baik dim ana bent uk t egangan hasil penyearahan adalah m endekat i garis lurus m aka t egangan keluaran dari suat u rangkaian penyearah sepert i t erlihat pada gam bar 1.1 dihubungkan dengan suat u kapasit or secara paralel t erhadap beban sepert i pada gam bar 1.2 dim ana arus dari keluaran rangkaian penyearah selain akan m elewat i beban juga akan m engisi k apasit or sehingga pada saat t egangan hasil penyearahan m engalam i penurunan m aka kapasit or akan m em buang m uat annya kebeban dan t egangan beban akan t ert ahan sebelum m encapai nol. Hal ini dapat dij elaskan pada gam bar berikut :
Hasil penyearahan yang t idak ideal akan m engakibat kan adanya ripple sepert i t erlihat pada gam bar diat as dim ana t egangan ripple y ang dihasilkan dapat dit ent ukan oleh persam aan berikut :
Ripple (peak to peak) = Idc . (T / C)
t egangan ripple ( det ik) dan C adalah nilai kapasit or ( Farad) y ang digunakan.
12 VAC
50 Hz VV
A K
Dioda silikon
10K +
-C Voltmeter
3 . Pe n yea r a h Ge lom ba n g Pe n uh
12 VAC 50 Hz
V V
10K Voltmeter
3.1. Penyearah Gelom bang Penuh dengan Kapasit or
12 VAC 50 Hz
V V
10K Voltmeter
+
D I OD A ZEN ER
1 . Pe n dah u lu a n
Sebagian dioda sem ikondukt or bila dihubungkan dengan suat u t egangan balik yang cukup akan m elakukan suat u arus balik. Hal ini t idak dit unjukkan sebelum nya karena biasanya akan m erusak dioda. Akan t et api dioda Zener j ust ru adalah suat u dioda yang dirancang unt uk bisa m elakukan arus balik dengan am an dan dengan drop t egangan hanya beberapa volt saj a. Sim bol dioda zener adalah sepert i pada gam bar 2.1 dim ana bent uk sim bol t ersebut m enyerupai dioda biasa kecuali garis m elint ang pada kepala panah yang digunakan unt uk m enyat akan sudut karakt erist ik balik. Pada arah m aj u dioda zener berperilaku sepert i dioda biasa.
A K
2 . Ka r a k t e r ist ik m a j u dioda Ze n er
V V
100 Ohm
Voltmeter A
Zener 12V
Supply DC Variabel
+
-+
-3 . Ka r a k t e r ist ik ba lik dioda Ze n er
60
50
30 20 10 40
5 10 15 V Reverse
Current (mA)
Reverse Voltage V
I Zener
Current
+10V
0V Resistor for zener dioda
(a) (b) (c)
Tu ga s per or an ga n :
Buat resum e t ent ang
1. konsep elekt ron, at om , pit a energi. 2. kondukt or, isolat or, sem ikondukt or 3. sem i k ondukt or m urni
4. rekom binasi
5. sem ikondukt or t idak m urni
6. pengaruh t em perat ur pada sem ikondukt or 7. efek hall.
8. dioda dan hubungan-hubungannya 9. s.d. hubungan p-n y ang dicat u.
Tr a nsist or
The t ransist or, invent ed by t hree scient ist s at t he Bell Laborat ories in 1947, rapidly replaced t he vacuum t ube as an elect ronic signal regulat or. A t ransist or regulat es current or volt age flow and act s as a swit ch or gat e for elect ronic signals. A t ransist or consist s of t hree layers of a sem iconduct or m at erial, each capable of carrying a current . A sem iconduct or is a m at erial such as germ anium and silicon t hat conduct s elect ricit y in a " sem i-ent husiast ic" way. I t 's som ewhere bet ween a real conduct or such as copper and an insulat or ( like t he plast ic wrapped around wires) .
The sem iconduct or m at erial is given special propert ies by a chem ical process called doping. The doping result s in a m at erial t hat eit her adds ext ra elect rons t o t he m at erial ( which is t hen called N- t ype
for t he ext ra negat ive charge carriers) or creat es " holes" in t he m at erial's cryst al st ruct ure ( which is t hen called P- t ype because it result s in m ore posit ive charge carriers) . The t ransist or's t hree- layer st ruct ure cont ains an N- t ype sem iconduct or layer sandwiched bet ween t ype layers ( a PNP configurat ion) or a P-t ype layer bet ween N-t ype layers ( an NPN configurat ion) .
ot her wit h P-t ype m at erial) . When one t ransist or is m aint aining a logic st at e, it requires alm ost no power. Transist ors are t he basic elem ent s in int egrat ed circuit s (I Cs) , which consist of very large num bers of t ransist ors int erconnect ed wit h circuit ry and baked int o a single silicon m icroch ip or " chip."
Je n is Tr an sistor
Berbagai m acam Transist or ( Dibandingkan dengan pit a ukur cent im et er)
Tr a nsist or adalah alat sem ikondukt or yang dipakai sebagai penguat , pem ot ong ( swit ching) , st abilisasi t egangan, m odulasi sinyal at au fungsi lainnya. Transist or dapat berfungsi sem acam kran list rik, dim ana berdasarkan arus input nya ( BJT) at au t egangan input nya ( FET) , m em ungkinkan pengaliran list rik yang sangat akurat dari sirkuit sum ber list riknya.
pengeras suara, sum ber list rik st abil, dan penguat sinyal radio. Dalam rangkaian- rangkaian digit al, t ransist or digunakan sebagai saklar berkecepat an t inggi. Beberapa t ransist or juga dapat dirangkai sedem ikian rupa sehingga berfungsi sebagai logic ga t e, m em ori, dan kom ponen-kom ponen lainnya.
Cara Kerj a Sem ikondukt or
Pada dasarnya, t ransist or dan t abung vakum m em iliki fungsi yang serupa; keduanya m engat ur j um lah aliran arus list rik.
Unt uk m engert i cara kerj a sem ikondukt or, m isalkan sebuah gelas berisi air m urni. Jika sepasang kondukt or dim asukan kedalam nya, dan diberikan t egangan DC t epat dibawah t egangan elekt rolisis ( sebelum air berubah m enj adi Hidrogen dan Oksigen) , t idak akan ada arus m engalir karena air t idak m em iliki pem bawa m uat an ( charge carriers) . Sehingga, air m urni dianggap sebagai isolat or. Jika sedikit garam dapur dim asukan ke dalam nya, konduksi arus akan m ulai m engalir, karena sej um lah pem bawa m uat an bebas (m obile carriers, ion) t erbent uk. Menaikan konsent rasi garam akan m eningkat kan konduksi, nam un t idak banyak. Garam dapur sendiri adalah non-kondukt or (isolat or) , karena pem bawa m uat anya t idak bebas.
pem bawa m uat annya adalah elekt ron yang berm uat an negat if) t elah t erbent uk.
Selain dari it u, Silikon dapat dicam pur dengn Boron unt uk m em buat sem ikondukt or t ipe- p. Karena Boron hanya m em iliki 3 elekt ron di orbit paling luarnya, pem bawa m uat an yang baru, dinam akan " lubang" (hole, pem bawa m uat an posit if) , akan t erbent uk di dalam t at a let ak k rist al silikon.
Dalam t abung ham pa, pem bawa m uat an ( elekt ron) akan dipancarkan oleh em isi t herm ionic dari sebuah kat ode yang dipanaskan oleh kawat filam en. Karena it u, t abung ham pa t idak bisa m em buat pem bawa m uat an posit if (hole) .
Dapat disim ak bahwa pem bawa m uat an yang berm uat an sam a akan saling t olak m enolak, sehingga t anpa adanya gaya yang lain, pem bawa- pem bawa m uat an ini akan t erdist ribusi secara m erat a di dalam m at eri sem ikondukt or. Nam un di dalam sebuah t ransist or bipolar ( at au diode j unct ion) dim ana sebuah sem ikondukt or t p dan sebuah sem ikondukt or t ipe-n dibuat dalam sat u kepiipe-ng Silikoipe-n, pem bawa-pem bawa m uat an ini cenderung berpindah ke arah sam bungan P- N t ersebut ( perbat asan ant ara sem ikondukt or t ipe- p dan t ipe- n) , karena t ert arik oleh m uat an y ang berlawanan dari seberangnya.
Kenaikan dari j um lah pencem ar ( doping level) akan m eningkat kan kondukt ivit as dari m at eri sem ikondukt or, asalkan t at a-let ak krist al Silikon t et ap dipert ahankan. Dalam sebuah t ransist or bipolar, daerah t erm inal em it er m em iliki j um lah doping yang lebih besar dibandingkan dengan t erm inal basis. Rasio perbandingan ant ara doping em it er dan basis adalah sat u dari banyak fakt or yang m enent ukan sifat penguat an arus ( current gain) dari t ransist or t ersebut .
pem bawa m uat an unt uk set iap at om . Dalam m et al, unt uk m erubah m et al m enj adi isolat or, pem bawa m uat an harus disapu dengan m em asang suat u beda t egangan. Dalam m et al, t egangan ini sangat t inggi, j auh lebih t inggi dari yang m am pu m enghancurkannya. Nam un, dalam sebuah sem ikondukt or hanya ada sat u pem bawa m uat an dalam beberapa j ut a at om . Jum lah t egangan yang diperlukan unt uk m enyapu pem bawa m uat an dalam sej um lah besar sem ikondukt or dapat dicapai dengan m udah. Dengan k at a lain, list rik di dalam m et al adalah inkom presible (t idak bisa dim am pat kan) , sepert i fluida. Sedangkan dalam sem ikondukt or, list rik bersifat sepert i gas yang bisa dim am pat kan. Sem ikondukt or dengan doping dapat dirubah m enj adi isolat or, sedangkan m et al t idak.
Gam baran di at as m enj elaskan konduksi disebabkan oleh pem bawa m uat an, y ait u elekt ron at au lubang, nam un dasarnya t ransist or bipolar adalah aksi kegiat an dari pem bawa m uat an t ersebut unt uk m enyebrangi daerah deplet ion zone. Deplet ion zone ini t erbent uk karena t ransist or t ersebut diberikan t egangan bias t erbalik, oleh t egangan yang diberikan di ant ara basis dan em it er. Walau t ransist or t erlihat sepert i dibent uk oleh dua diode yang disam bungkan, sebuah t ransist or sendiri t idak bisa dibuat dengan m enyam bungkan dua diode. Unt uk m em buat t ransist or, bagian- bagiannya harus dibuat dari sepot ong krist al silikon, dengan sebuah daerah basis yang sangat t ipis.
Cara Kerj a Transist or
Dari banyak t ipe-t ipe t ransist or m odern, pada awalnya ada dua t ipe dasar t ransist or, bipolar j unct ion t ransist or ( BJT at au t ransist or bipolar) dan field- effect t ransist or ( FET) , yang m asing- m asing bekerj a secara berbeda.
pem bawa m uat an: elekt ron dan lubang, unt uk m em bawa arus list rik. Dalam BJT, arus list rik ut am a harus m elewat i sat u daerah/ lapisan pem bat as dinam akan deplet ion zone, dan ket ebalan lapisan ini dapat diat ur dengan kecepat an t inggi dengan t ujuan unt uk m engat ur aliran arus ut am a t ersebut .
FET ( j uga dinam akan t ransist or unipolar) hanya m enggunakan sat u j enis pem bawa m uat an ( elekt ron at au hole, t ergant ung dari t ipe FET) . Dalam FET, arus list rik ut am a m engalir dalam sat u kanal konduksi sem pit dengan deplet ion zone di kedua sisinya ( dibandingkan dengan t ransist or bipolar dim ana daerah Basis m em ot ong arah arus list rik ut am a) . Dan ket ebalan dari daerah perbat asan ini dapat dirubah dengan perubahan t egangan yang diberikan, unt uk m erubah ket ebalan kanal konduksi t ersebut . Lihat art ikel unt uk m asing-m asing t ipe unt uk penjelasan yang lebih lanj ut .
Je n is- Je n is Tr a nsist or
PNP
P-channel
NPN
N-channel
BJT JFET
Sim bol Transist or dari Berbagai Tipe
• Mat eri sem ikondukt or: Germ anium , Silikon, Gallium Arsenide
• Kem asan fisik: Through Hole Met al, Through Hole Plast ic, Surface Mount , I C, dan lain- lain
• Tipe: UJT, BJT, JFET, I GFET (MOSFET) , I GBT, HBT, MI SFET, VMOSFET, MESFET, HEMT, dan lain- lain
• Polarit as: NPN at au N- channel, PNP at au P-channel
• Maxim um k apasit as daya: Low Power, Medium Power, High Power
• Maxim um frekwensi k erj a: Low, Medium , at au High Frequency, RF t ransist or, Microwave, dan lain- lain
• Aplikasi: Am plifier, Saklar, General Purpose, Audio, Tegangan Tinggi, dan lain-lain
BJT
BJT (Bipolar Junct ion Transist or) adalah salah sat u dari dua j enis t ransist or. Cara kerj a BJT dapat dibayangkan sebagai dua dioda yang t erm inal posit if at au negat ifnya berdem pet , sehingga ada t iga t erm inal. Ket iga t erm inal t ersebut adalah em it er ( E) , kolekt or ( C) , dan basis ( B) .
Perubahan arus list rik dalam j um lah kecil pada t erm inal basis dapat m enghasilkan perubahan arus list rik dalam j um lah besar pada t erm inal kolekt or. Prinsip inilah yang m endasari penggunaan t ransist or sebagai penguat elekt ronik. Rasio ant ara arus pada kolet or dengan arus pada basis biasanya dilam bangkan dengan β at au hFE. β biasanya berkisar
sekit ar 100 unt uk t ransist or- t ransisor BJT.
FET
FET dibagi m enj adi dua keluarga: Jun ct ion FET
(JFET) dan I n su la t e d Ga t e FET (I GFET) at au j uga dikenal sebagai Me t a l Ox ide Silicon ( at au
dioda dengan kanal (m at eri sem ikondukt or ant ara Source dan Drain) . Secara fungsinya, ini m em buat N-channel JFET m enj adi sebuah versi solid-st at e dari t abung vakum , yang j uga m em bent uk sebuah dioda ant ara ant ara grid dan kat ode. Dan j uga, keduanya ( JFET dan t abung v akum ) bekerj a di " deplet ion m ode" , keduanya m em iliki im pedansi input t inggi, dan keduanya m enghant arkan arus list rik dibawah kont rol t egangan input .
FET lebih j auh lagi dibagi m enj adi t ipe
e n h a nce m e n t m ode dan de ple t ion m ode. Mode m enandakan polarit as dari t egangan gat e dibandingkan dengan source saat FET m enghant arkan list rik. Jika kit a am bil N- channel FET sebagai cont oh: dalam deplet ion m ode, gat e adalah negat if dibandingkan dengan source, sedangkan dalam enhancem ent m ode, gat e adalah posit if. Unt uk kedua m ode, j ika t egangan gat e dibuat lebih posit if, aliran arus di ant ara source dan drain akan m eningkat . Unt uk P- channel FET, polarit as- polarit as sem ua dibalik. Sebagian besar I GFET adalah t ipe enhancem ent m ode, dan ham pir sem ua JFET adalah t ipe deplet ion m ode.
Ope r a t ion a l Am plifie r
kalau perlu m endesain sinyal level m et er, hist eresis pengat ur suhu, osilat or, pem bangkit sinyal, penguat audio, penguat m ic, filt er akt if sem isal t apis nada bass, m ixer, konvert er sinyal, int egrat or, differensiat or, kom parat or dan sederet aplikasi lainnya, selalu pilihan yang m udah adalah dengan m em bolak- balik dat a kom ponen yang bernam a op-am p. Kom ponen elekt ronika analog dalop-am kem asan I C (int egrat ed circuit s) ini m em ang adalah kom ponen serbaguna dan dipakai pada banyak aplikasi hingga sekarang. Hanya dengan m enam bah beberapa resit or dan pot ensiom et er, dalam sekej ap ( at au dua kej ap) sebuah pre- am p audio kelas B sudah dapat j adi dirangkai di at as sebuah prot o- board.
Pe n gu at dife r en sia l
gambar-1 : penguat diferensial
Pada rangkaian yang dem ikian, persam aan pada t it ik Vout adalah Vout = A( v1- v2) dengan A adalah nilai
penguat an dari penguat diferensial ini. Tit ik input v1
dikat akan sebagai input non-ivert ing, sebab t egangan vout sat u phase dengan v1. Sedangkan sebaliknya t it ik
v2 dikat akan input invert ing sebab berlawanan phasa
dengan t engangan vout.
D ia gr a m Op- a m p
Op- am p di dalam nya t erdiri dari beberapa bagian, yang pert am a adalah penguat diferensial, lalu ada t ahap penguat an (gain) , selanj ut nya ada rangkaian penggeser level (level shift er) dan kem udian penguat akhir yang biasanya dibuat dengan penguat push- pull
kelas B. Gam bar- 2( a) berikut m enunj ukkan diagram dari op- am p yang t erdiri dari beberapa bagian t ersebut .
gambar-2 (a) : Diagram blok Op-Amp
[image:52.420.128.349.452.497.2]gambar-2 (b) : Diagram schematic simbol Op-Amp
Sim bol op- am p adalah sepert i pada gam bar- 2( b) dengan 2 input , non- invert ing ( + ) dan input invert ing
( - ) . Um um nya op- am p bekerj a dengan dual supply
( + Vcc dan –Vee) nam un banyak j uga op- am p dibuat
dengan single supply (Vcc – ground) . Sim bol rangkaian
di dalam op- am p pada gam bar- 2( b) adalah param et er um um dari sebuah op- am p. Rin adalah resit ansi input
yang nilai idealnya infinit (t ak t erhingga) . Rout adalah
resist ansi out put dan besar resist ansi idealnya 0 ( nol) . Sedangkan AOL adalah nilai penguat an open loop dan
nilai idealnya t ak t erhingga.
[image:53.420.157.292.58.203.2]tabel-1 : parameter op-amp yang penting
Pe n gu at a n Ope n - loop
Op- am p idealnya m em iliki penguat an open-loop
( AOL) yang t ak t erhingga. Nam un pada prakt eknya
op-am p sem isal LM741 m em iliki penguat an yang t erhingga kira- kira 100.000 kali. Sebenarnya dengan penguat an yang sebesar ini, sist em penguat an op-am p m enj adi t idak st abil. I nput diferensial yang op-am at kecil saj a sudah dapat m em buat out put nya m enj adi sat urasi. Pada bab berikut nya akan dibahas bagaim ana um pan balik bisa m em buat sist em penguat an op- am p m enj adi st abil.
Un it y- ga in fr e que n cy
Op- am p ideal m est inya bisa bekerj a pada frekuensi berapa saj a m ulai dari sinyal dc sam pai frekuensi giga Herzt . Param et er unit y- gain frequency
m enj adi pent ing j ika op- am p digunakan unt uk aplikasi dengan frekuensi t ert ent u. Param et er AOL biasanya
aplikasi pada frekeunsi t inggi, m aka pilihlah op- am p yang m em iliki unit y- gain frequency lebih t inggi.
Sle w r a t e
Di dalam op- am p kadang dit am bahkan beberapa kapasit or unt uk kom pensasi dan m ereduksi noise. Nam un kapasit or ini m enim bulkan kerugian yang m enyebabkan response op- am p t erhadap sinyal input m enj adi lam bat . Op- am p ideal m em iliki param et er slew- rat e yang t ak t erhingga. Sehingga j ika input berupa sinyal kot ak, m aka out put nya j uga kot ak. Tet api karena ket idak idealan op- am p, m aka sinyal out put dapat berbent uk ekponensial. Sebagai cont oh prakt is, op- am p LM741 m em iliki slew- rat e sebesar 0.5V/ us. I ni berart i perubahan out put op- am p LM741 t idak bisa lebih cepat dari 0.5 volt dalam wakt u 1 us.
Pa r a m e te r CMRR
Ada sat u param et er yang dinam akan CMRR (Com m om Mode Rej ect ion Rat io) . Param et er ini cukup pent ing unt uk m enunj ukkan kinerj a op- am p t ersebut . Op- am p dasarnya adalah penguat diferensial dan m est inya t egangan input yang dikuat kan hanyalah selisih t egangan ant ara input v1 (non- invert ing)
dengan input v2 (invert ing) . Karena ket idak- idealan
op- am p, m aka t egangan persam aan dari kedua input ini ikut j uga dikuat kan. Param et er CMRR diart ikan sebagai kem am puan op- am p unt uk m enekan penguat an t egangan ini (com m on m ode) sekecil-kecilnya. CMRR didefenisikan dengan rum us CMRR = ADM/ ACM yang dinyat akan dengan sat uan dB.
Cont ohnya op- am p dengan CMRR = 90 dB, ini art inya penguat an ADM (different ial m ode) adalah kira- kira
diaplikasikan secara real, m isalkan t egangan input v1
= 5.05 volt dan t egangan v2 = 5 volt , m aka dalam hal
ini t egangan diferensialnya (different ial m ode) = 0.05 volt dan t egangan persam aan- nya (com m on m ode) adalah 5 volt . Pem baca dapat m engert i dengan CMRR yang m akin besar m aka op- am p diharapkan akan dapat m enekan penguat an sinyal yang t idak diinginkan (com m on m ode) sekecil- kecilnya. Jika kedua pin input dihubung singkat dan diberi t egangan, m aka out put op- am p m est inya nol. Dengan kat a lain, op- am p dengan CMRR yang sem akin besar akan sem akin baik.
LM714 t erm asuk j enis op- am p yang sering digunakan dan banyak dij um pai dipasaran. Cont oh lain m isalnya TL072 dan keluarganya sering digunakan unt uk penguat audio. Tipe lain sepert i LM139/ 239/ 339 adalah opam p yang sering dipakai sebagai kom parat or. Di pasaran ada banyak t ipe op- am p. Cara yang paling baik pada saat m endesain aplikasi dengan am p adalah dengan m elihat dulu karakt erist ik op-am p t ersebut . Saat ini banyak op- op-am p yang dilengkapi dengan kem am puan sepert i current sensing, current lim m it er, rangkaian kom pensasi t em perat ur dan lainnya. Ada j uga op- am p unt uk aplikasi khusus sepert i aplikasi frekuesi t inggi, open colect or out put,
high power out put dan lain sebagainya. Dat a karakt erist ik op- am p yang lengkap, ya ada di dat asheet .
An a lisa Ran gk a ia n Op- Am p Popu la r
Operat ional Am plifier at au di singkat op- am p
( um pan balik) negat if m em egang peranan pent ing. Secara um um , um panbalik posit if akan m enghasilkan osilasi sedangkan um panbalik negat if m enghasilkan penguat an y ang dapat t erukur.
Op- a m p ide a l
Op- am p pada dasarnya adalah sebuah different ial am plifier ( penguat diferensial) yang m em iliki dua m asukan. I nput ( m asukan) op- am p sepert i yang t elah dim aklum i ada yang dinam akan input invert ing dan non-invert ing. Op- am p ideal m em iliki open loop gain
( penguat an loop t erbuka) yang t ak t erhingga besarnya. Sepert i m isalnya op- am p LM741 yang sering digunakan oleh banyak prakt isi elekt ronika, m em iliki karakt erist ik t ipikal open loop gain sebesar 104 ~ 105. Penguat an yang sebesar ini m em buat
op-am p m enj adi t idak st abil, dan penguat annya m enj adi t idak t erukur (infinit e) . Disinilah peran rangkaian
negat ive feedback (um panbalik negat if) diperlukan, sehingga op- am p dapat dirangkai m enj adi aplikasi dengan nilai penguat an y ang t erukur (finit e) . I m pedasi input op- am p ideal m est inya adalah t ak t erhingga, sehingga m est inya arus input pada t iap m asukannya adalah 0. Sebagai perbandingan prakt is, op- am p LM741 m em iliki im pedansi input Zin = 106 Ohm . Nilai
im pedansi ini m asih relat if sangat besar sehingga arus input op- am p LM741 m est inya sangat kecil.
Ada dua at uran pent ing dalam m elakukan analisa rangkaian op- am p berdasarkan karakt erist ik op- am p ideal. At uran ini dalam beberapa lit erat ur dinam akan
golden rule, yait u :
At u r an 1 : Perbedaan t egangan ant ara input v+ dan
v- adalah nol (v+ - v- = 0 at au v+ = v- )
At u r an 2 : Arus pada input Op- am p adalah nol ( i+ = i-
= 0)
I n ve r t in g a m plifie r
Rangkaian dasar penguat invert ing adalah sepert i yang dit unjukkan pada gam bar 1, dim ana sinyal m asukannya dibuat m elalui input invert ing. Sepert i t ersirat pada nam anya, pem baca t ent u sudah m enduga bahwa fase keluaran dari penguat invert ing ini akan selalu berbalikan dengan input nya. Pada rangkaian ini, um panbalik negat if di bangun m elalui resist or R2.
[image:58.420.142.306.183.303.2]gambar 1 : penguat inverter
I nput non-invert ing pada rangkaian ini dihubungkan ke ground, at au v+ = 0. Dengan
m engingat dan m enim bang at uran 1 ( lihat at uran 1) , m aka akan dipenuhi v- = v+ = 0. Karena nilainya = 0
nam un t idak t erhubung langsung ke ground, input op-am p v- pada rangkaian ini dinam akan virt ual ground.
Dengan fakt a ini, dapat dihit ung t egangan j epit pada R1 adalah vin – v- = vin dan t egangan j epit pada reist or
R2 adalah vout – v- = vout. Kem udian dengan
m enggunakan at uran 2, di ket ahui bahwa : iin + iout = i- = 0, karena m enurut at uran 2, arus
m asukan op- am p adalah 0. iin + iout = vin/ R1 + vout/ R2 = 0
Selanj ut nya
vout/ R2 = - vin/ R1 .... at au
Jika penguat an G didefenisikan sebagai perbandingan t egangan keluaran t erhadap t egangan m asukan, m aka dapat dit ulis
…( 1)
I m pedansi rangkaian invert ing didefenisikan sebagai im pedansi input dari sinyal m asukan t erhadap ground. Karena input invert ing ( - ) pada rangkaian ini diket ahui adalah 0 (virt ual ground) m aka im pendasi rangkaian ini t ent u saj a adalah Zin = R1.
N on - I n ver t in g a m plifie r
Prinsip ut am a rangkaian penguat non- invert ing
[image:59.420.151.298.324.478.2]adalah sepert i yang diperlihat kan pada gam bar 2 berikut ini. Sepert i nam anya, penguat ini m em iliki m asukan yang dibuat m elalui input non- invert ing. Dengan dem ikian t egangan keluaran rangkaian ini akan sat u fasa dengan t egangan input nya. Unt uk m enganalisa rangkaian penguat op- am p non invert ing, caranya sam a sepert i m enganalisa rangkaian invert ing.
gambar 2 : penguat non-inverter
Dengan m enggunakan at uran 1 dan at uran 2, kit a uraikan dulu beberapa fakt a y ang ada, ant ara lain :
vin = v+
v+ = v- = vin ... lihat at uran 1.
Dari sini k et ahui t egangan j epit pada R2 adalah vout
– v- = vout – vin, at au iout = ( vout- vin) / R2. Lalu t egangan
j epit pada R1 adalah v- = vin, yang berart i arus iR1 =
vin/ R1.
Hukum kirchkof pada t it ik input invert ing m erupakan fakt a yang m engat akan bahwa :
iout + i( - ) = iR1
At uran 2 m engat akan bahwa i( - ) = 0 dan jika
disubsit usi ke rum us yang sebelum nya, m aka diperoleh
iout = iR1 dan Jika dit ulis
