BAB V
TRANSISTOR BIPOLAR
(BIPOLAR JUCTION TRANSISTOR)
Setelah mempelajari bab ini, Anda diharapkan dapat:
Mendemontrasikan suatu pengertian tentang hubungan antara arus basis, emitter dan kolektor pada transistor.
Menggambarkan diagram rangkaian CE dan memberi nama tiap terminal, tegangan dan resistansi.
Menggambar kurva basis hipotesis dan sekumpulan kurva kolektor, memberi nama kedua sumbu.
Memberi nama tiga daerah operasi pada kurva kolektor transistor bipolar.
Mendiskusikan karakteristik transistor yang ideal dan perkiraan transistor kedua.
Mengumpulkan beberapa tingkatan transistor bipolar yang dapat digunakan oleh teknisi.
Pada tahun 1951, William Schockley menemukan transistor sambungan pertama, komponen semikonduktor yang dapat menguatkan sinyal elektronik seperti sinyal radio dan televisi. Transistor telah banyak menghasilkan penemuan alat semikonduktor lain termasuk rangkaian terpadu (IC), suatu komponen kecil yang mengandung ribuan transistor miniature. Karena IC-lah, komputer modern dan keajaiban elektronik lainnya dapat terjadi.
Bipolar junction transistor (BJT) dalam praktek sehari-hari sering hanya disebut dengan transistor. Sebutan bipolar junction transistor digunakan untuk membedakan dengan transistor lain, misalnya Field Effect Transistor (FET).
Transistor singkatan dari Trans-Resistor, yang berarti komponen berbasis resistor dengan tahanan yang besarnya dapat diubah-ubah.
Perubahan tahanan pada transistor tersebut berakibat perubahan arus yang
5.1. Struktur dan Simbol Transistor
Struktur transistor dibentuk dari 3 lapis jenis bahan semikonduktor. Sedangkan strukturnya dapat dibagi menjadi dua macam susunan yaitu :
a. Transistor Jenis n-p-n
Struktur transistor jenis n-p-n mempunyai susunan berturut-turut terdiri dari lapisan bahan semikonduktor jenis n, p dan n.
Gambar 5.1. a) Struktur transistor n-p-n; b) Simbol Transistor n-p-n
Dari gambar 5.1a dapat dijelaskan bahwa komponen transistor mempunyai 3 elektroda di masing-masing bahan.
1. Elektroda pada lapisan I disebut Emiter atau Emitter (E).
Lapisan emitter dibuat relatif agak tebal dengan konsentrasi ion donor (elektron bebas) relatif lebih besar.
2. Elektroda pada lapisan II disebut Basis atau Base (B)
Lapisan basis dibuat relative tipis, dengan konsentrasi ion aseptor (hole) relatif sangat kecil.
3. Elektroda pada lapisan III disebut Kolektor atau Collector (C)
Lapisan kolektor dibuat relatif sangat tebal, dengan konsentrasi ion donor (elektron bebas) sedang (dibawah konsentrasi pada lapisan emitter).
a. Transistor Jenis p-n-p
Struktur transistor jenis p-n-p mempunyai susunan berturut-turut terdiri dari lapisan bahan semikonduktor jenis p-n dan p.
Gambar 5.2. a) Struktur transistor p-n-p; b) Simbol Transistor p-n-p
Dari gambar 5.2a dapat dijelaskan bahwa komponen transistor mempunyai 3 elektroda di masing-masing bahan.
1. Elektroda pada lapisan I disebut Emiter atau Emitter (E).
Lapisan emitter dibuat relatif agak tebal dengan konsentrasi ion aseptor (hole) relatif lebih besar.
2. Elektroda pada lapisan II disebut Basis atau Base (B)
Lapisan basis dibuat relative tipis, dengan konsentrasi ion donor (elektron bebas) relatif sangat kecil.
3. Elektroda pada lapisan III disebut Kolektor atau Collector (C)
Lapisan kolektor dibuat relatif sangat tebal, dengan konsentrasi ion aseptor (hole) sedang (dibawah konsentrasi pada lapisan emitter).
5.2. Transistor Tak Bias
Sebuah transistor tidak bias adalah seperti dua dioda yang saling bertolak belakang. Masing-masing dioda memiliki potensi pembawa sebesar 0,7 volt. Jika dihubungkan sumber tegangan luar ke transistor, akan diperoleh arus yang melalui bagian-bagian yang berbeda pada transistor. Gambar 5.3a. menunjukan daerah transistor sebelum terjadi difusi. Elektron bebas pada daerah n akan berdifusi
Gambar. 5.3a. Daerah transistor sebelum terjadi difusi, b) setelah terjadi difusi
Transistor pada gambar 5.3b memiliki dua sambungan, satu antara emitter dan basis dan satu lagi antara kolektor dan basis. Karena itu transistor seperti dua dioda yang saling tolak belakang. Dioda bawah disebut dengan dioda emitter-basis atau disingkat dengan diode emitter. Dioda atas disebut dengan dioda kolektor-basis atau disingkat dioda kolektor.
5.3. Transistor Bias
Sebuah transistor tidak bias adalah seperti dioda yang saling bertolak belakang.
Masing-masing memiliki potensi pembawa 0,7 V. Jika sumber tegangan luar dihubungkan ke transistor akan diperoleh arus yang melaui bagian-bagian yang berbeda pada transistor.
5.3.1. Elektron Emitter
Gambar 5.4 menunjukkan sebuah transistor bias.
• = electron bebas ο = hole
RB = tahanan basis RC = tahanan kolektor
VBB = sumber tegangan basis VCC = sumber tegangan kolektor VCE = tegangan kolektor-emiter VBE = tegangan basis-emiter
Gambar 5.4. Transistor yang dibias
Emiter yang sangat yang sangat dikotori bertugas mengeluarkan/menginjeksikan electron bebas ke basis. Basis yang sedikit dikotori akan melewatkan elektron bebas yang diinjeksikan oleh emitter ke kolektor.
Kolektor akan mengumpulkan kebanyakan electron bebas dari basis. Gambar 5.4 adalah cara yang biasa digunakan untuk membias sebuah transistor. Sumber tegangan VBB membias maju dioda emitter dan sumber tegangan VCC membias balik dioda kolektor.
5.3.2. Elektron Basis
Pada saat bias maju electron bebas dalam emitter akan memasuki daerah basis. Jika VBB lebih besar dari pada potensial penghalang emitter-basis seperti pada gambar 5.4 maka elektron emitter akan memasuki daerah basis. Secara teori electron bebas dapat mengalir kekiri dan keluar dari basis memalui tahanan RB menuju terminal positif sumber tegangan VBB. Elektron bebas dapat juga mengalir menuju ke kolektor.
Pengotoran yang sedikit elektron bebas memiliki masa hidup yang lama di basis.
Karena basis yang sangat tipis, elektron bebas hanya memiliki jarak yang pendek untuk menuju kolektor. Karena itu hampir semua elektron yang diinjeksikan oleh emitter akan melewati basis menuju kolektor. Hanya sedikit elektron bebas yang akan bergabung dengan hole di basis yang sedikit dikotori. Kemudian sebagai elektron valensi akan mengalir melalui resistor basis menuju sisi posotif VBB.
5.3.3. Elektron Kolektor
Hampir semua elektron bebas pergi ke kolektor. Setelah berada di kolektor elektron bebas ini akan ditarik oleh tegangan sumber VCC, elektron bebas mengalir melalui kolektor dan tahanan RC menuju terminal positif VCC.
Ringkasnya:
VBB membias maju dioda emitter, memaksa elektron bebas pada emiter untuk memasuki basis. Basis yang tipis dan sedikit dikotori akan memberikan waktu
5.4. Arus Transistor
Gambar 5.5 menunjukkan symbol skematik untuk sebuah transistor.
Gambar 5.5. Tiga arus transistor
Terdapat tiga arus yang berbeda pada sebuah transistor; arus emiter IE, arus Basis IB dan arus kolektor IC.
- Hubungan Arus-Arus
Hukum Kirchhoff mengatakan bahwa jumlah semua arus yang masuk ke suatu titik atau sambungan sama dengan jumlah semua arus yang keluar dari titik atau sambungan itu. Menurut hukum arus Kirchhoff :
IE = IC + IB (5-1) Karena arus basis sangat kecil, maka :
IC ≈ IE ≈ hampir sama/mendekati Dan :
IB << IC << jauh lebih kecil dari pada
- ALPHA DC
Alpha dc didefinisikan :
= ( 5 − 2 )
E C dc
I α I
Karena IC ≈ IE, αdc sedikit lebih kecil dari pada 1
- Transistor daya rendah αdc biasanya lebih besar dari 0,99.
- Transistor daya tinggi αdc biasanya lebih besar dari 0,95.
- BETA DC
Beta dc didefinisikan :
= (5−3)
B C dc I
β I βdc = hFE
βdc juga dikenal sebagai penguat arus, karena IB yang kecil dapat menghasilkan IC
yang jauh lebih besar. Penguatan arus adalah keuntungan utama dari sebuah transistor dan telah dipakai pada bayak aplikasi.
- Transistor daya rendah (dibawah 1 watt) βdc atau penguat arus biasanya 100-300.
- Transistor daya tinggi (diatas 1 watt) βdc atau penguat arus biasanya 20 - 100.
Contoh:
Suatu transistor mempunyai arus kolektor IC 10 mA dan arus basis IB 40 µA. Berapa penguatan arus transistor?
Contoh:
Suatu transistor mempunyai penguatan arus βdc 175 Jika arus basis IB 0,1 mA.Berapa arus kolektor IC?
Contoh:
Suatu transistor mempunyai arus kolektor IC 2 mA. Jika penguatan arus βdc 135. Berapa arus basis IB ?
5.4. Hubungan Emitter Bersama (Common Emitter/CE) Ada 3 cara untuk menghubungkan sebuah transistor :
- Emiter bersama (common emitter/CE) - Kolektor bersama (common collector/CC) - Basis bersama (common base/CB)
5.4.1. Emiter Bersama (Common Emitter/CE)
Pada bab ini akan dibahas adalah emiter bersama, karena hubungan ini yang paling banyak digunakan. Disebut hubungan emitter bersama (CE) karena ground pada sumber tegangan dihubungkan ke emiter. Rangkaian ini memiliki 2 loop. Loop kiri adalah loop basis dan loop kanan adalah loop kolektor.
VCE = VC –VE
VCB = VC – VB
VBE = VB - VE
Gambar 5.6. Hubung emiter bersama
Karena VE = 0 pada hubungan emitter bersama maka : VCE = VC
VCB = VC – VB
VBE = VB
5.4.1.1 Arus Basis
Dengan menerapkan hukum ohm terhadap tahanan basis RB pada gambar 5.6 akan didapatkan :
VBB – IBRB – VBE = 0 VBB –VBE = IBRB
− (5−4)
B BE BB
B R
V I V
Gambar 5.7. Grafik dioda basis (IB vs VBE)
Jika menggunakan dioda ideal, VBE = 0, dengan pendekatan kedua VBE = 0,7 V.
Pendekatan kedua memiliki akurasi yang lebih baik.
Contoh:
Gunakan pendekatan kedua untuk menghitung arus basis IB pada rangkaian emiter bersama pada gambar 5.8 dibawah ini. Berapa tegangan pada resistor basis VRB, arus kolektor IC jika βdc = 160.
Gambar 5.8. Contoh rangkaian emiter bersama
5.4.1.2. Kurva Kolektor
Lihat loop kolektor pada gambar 5-9, VBB dan VCC dapat dubah-ubah untuk menghasilkan tegangan dan arus yang berbeda
Gambar 5.9 a) Rangakaian hubung emiter bersama; b) Kurva kolektor
Misalnya VBB diganti untuk memperoleh IB = 10 µA. Dengan besar arus IB yang tetap VCC dapat diubah dan menghitung arus IC dan VCE. Pada saat tegangan VCE=0 dioda kolektor tidak dibias balik, maka arus IC = 0. Jika tegangan VCE > 0, arus IC
naik dengan tajam. Saat VCE 1/10 volt IC hampir konstan ( 1mA). Daerah arus IC
konstan karena setelah dioda kolektor terbias balik, ia mengumpulkan semua elektron bebas yang mencapai lapis depleksinya.
Kenaikan tegangan VCE tidak dapat menaikkan arus IC, karena kolektor hanya dapat mengumpulkan electron bebas yang di injeksikan oleh emitter ke basis.
Jumlah electron bebas yang dinjeksikan ini tergantung hanya pada rangkaian basis, tidak pada rangkaian kolektor. Karena itulah mengapa I konstan antara V
Transistor Bipolar 10
Jika VCE > 40 V dioda kolektor akan breakdown dan kerja transistor normal akan hilang. Karena itu salah satu tingkatan maksimum yang harus dilihat pada lembar data (data sheet) transistor adalah tegangan breakdown kolektor-emiter VCE(max). Jika transistor breakdown, maka transistor akan rusak.
- Tegangan dan Daya Kolektor
Lihat gambar 5-9a pada loop kolektor, hukum Kirchhoff tegangan : VCC – ICRC – VCE = 0
VCE = VCC – ICRC (5-5)
- Disipasi Daya Transistor PD = VCE . IC (5-6)
5.4.1.3. Daerah Operasi
Pada 5.9b kurva kolektor memperlihatkan daerah operasi yang berbeda dimana kerja transistor berubah.
a. Daerah aktif adalah daerah dimana VCE = 1 V sampai dengan 40 V. Daerah kerja normal transistor
b. Daerah breakdown adalah daerah dimana VCE > 40 V. Transistor tidak boleh beroperasi pada daerah ini karena akan rusak.
c. Daerah saturasi adalah daerah dimana VCE antara 0 V dan 1/10 V (bagian nai diawal kurva). Pada daerah ini arus IB > dari normalnya dan penguatan arus βdc <
dari normalnya.
Daerah aktif sangat penting karena penguatan sinyal hanya mungkin terjadi pada daerah aktif. Daerah aktif disebut juga daerah linier, karena perubahan pada sinyal input menghasilkan perubahan yang proporsional terhadap sinyal output.
- Kurva Tambahan
Jika beberapa kurva digambarkan untuk IB yang berbeda, akan didapatkan sekelompok kurva kolektor seperti pada gambar 5-10.
