Modul Ajar Piranti Elektronika (Bipolar Junction Transistors) PDF

Hand-out: Piranti Elektronika (Bipolar Juncton Transistors) Prodi Teknik Telekomunikasi 2024  Pokok Bahasan 6: Bipolar Juncton Transistors (BJT)  Pendahuluan  Transistor adalah jenis piranti elektronik yang mampu melakukan penguatan s...

Hand-out: Piranti Elektronika (Bipolar Juncton Transistors) Prodi Teknik Telekomunikasi 2024  Pokok Bahasan 6: Bipolar Juncton Transistors (BJT)  Pendahuluan  Transistor adalah jenis piranti elektronik yang mampu melakukan penguatan sinyal lemah yang lebih unggul daripada yang dihasilkan oleh vacuum tubes.  Ukuran transistor jauh lebih kecil dari vacuum tubes, tidak memiliki filamen sehingga tidak memerlukan daya pemanas dan dapat dioperasikan dalam posisi apapun.  Konstruksi transistor kuat secara mekanis, memiliki masa pakai yang praktis tidak terbatas dan dapat melakukan beberapa pekerjaan lebih baik daripada vacuum tubes.  Diciptakan tahun 1948 oleh J. Bardeen dan W.H. Brattain dari Bell Telephone Laboratories, U.S.A.  Transistor kini telah menjadi jantung dari sebagian besar aplikasi elektronik, yang dengan cepat menggantikan vacuum tubes di hampir semua aplikasi.  Transistor  Transistor terdiri dari dua pn junction yang dibentuk dengan mengapit semi-kondukto tipe-p atau tipe-n di antara sepasang tipe yang berlawanan.  Dengan demikian ada dua jenis transistor yaitu; a) transistor n-p-n b) transistor p-n-p  Transistor n-p-n terdiri dari dua semikonduktor tipe-n yang dipisahkan oleh bagian tipis tipe-p, sebaliknya transistor p-n-p dibentuk oleh dua bagian-p yang dipisahkan oleh bagian tipis tipe-n  Asal Nama Transistor  Ketika piranti ini baru ditemukan, para ilmuwan memberikan nama yang akan mendeskripsikan piranti dengan tepat.  Transistor memiliki dua pn junction.  Satu junction forward bias dan yang lainnya reverse.  Junction forward bias memiliki jalur resistansi rendah sedangkan junction reverse bias memiliki jalur resistansi tinggi.  Sinyal lemah diumpankan di rangkaian resistansi rendah dan output diambil dari rangkaian resistansi tinggi.  Sehingga transistor mentransfer sinyal dari resistansi rendah ke resistansi tinggi.  Awalan 'trans' berarti transfer sinyal, sementara 'istor‘ sama dengan resistor.  Penamaan Terminal Transistor  Transistor (pnp atau npn) memiliki tiga bagian semikonduktor yang di doping.  Bagian sisi-sisinya adalah emitter dan collector, dan bagian tengah nya adalah base, dan membentuk dua junction antara emitter dan collector.  Penamaan Terminal Transistor Emitter  Bagian yang memasok pembawa muatan (electrons atau hole) disebut emitter.  Emitter selalu di bias forward terhadap base, sehingga dapat memasok sejumlah besar mayoritas carriers.  Gambar kiri, emitor (tipe-p) transistor pnp dibiaskan forward dan memasok muatan hole ke junctionnya dengan base.  Demikian pula, pada gambar kanan, emitter (tipe-n) dari transistor npn dengan forward bias dan memasok elektron bebas ke junctionnya dengan base. Collector  Bagian yang mengumpulkan muatan disebut collector.  Collector selalu reverse bias.  Fungsinya untuk menghilangkan muatan dari junctionnya dengan base.  Penamaan Terminal Transistor  Gambar kiri menunjukkan bahwa collector (p-type) dari transistor pnp di bias reverse dan menerima muatan hole yang mengalir ke output rangkaian.  Dengan cara yang sama, gambar kanan menunjukkan collector (n-type) dari transistor npn dengan bias reverse menerima electron. Base  Bagian tengah yang membentuk dua pn-junctions antara emitter dan collector disebut base.  Junction base-emitter di bias forward, memungkinkan resistansi rendah untuk rangkaian emitter.  Junction base-collector di bias reverse biased dan menyediakan resistansi tinggi pada rangkaian collector.  Beberapa Fakta tentang Transistor a) Transistor memiliki tiga daerah, yaitu; emitter, base dan collector. Base nya jauh lebih tipis dari pada emitter dan collector, sedangkan collector lebih lebar dari keduanya. b) Emitter doping nya lebih banyak sehingga dapat memberikan sejumlah besar pembawa muatan (elektron atau hole) ke dalam base. Base nya doping nya sedikit dan sangat tipis; yang melewatkan sebagian besar pembawa muatan dari emitter ke collector. Collector doping nya secukupnya.  Beberapa Fakta tentang Transistor c) Transistor memiliki dua pn junction, yaitu seperti dua dioda. Junction antara emitter dan base disebut dioda base-emitter, atau diode emitter saja. Junction antara base dan collector disebut dioda collector-base, atau dioda collector saja. d) Dioda emitter selalu forward bias, sedangkan dioda collector selalu reverse bias. e) Hambatan dioda emitter (forward bias) sangat kecil dibandingkan dengan dioda collector (reverse bias). Oleh karena itu, forward bias yang diberikan pada dioda emitter umumnya sangat kecil, sedangkan reverse bias pada dioda collector jauh lebih tinggi.  Transistor Action  Junction base-emitter dari transistor adalah forward bias, sedangkan junction base-collector adalah reverse bias.  Jika untuk sesaat, diabaikan keberadaan junction base-emitter, maka secara praktis tidak ada arus yang akan mengalir di rangkaian collector karena reverse bias.  Namun, jika junction base-emitter ada, maka forward bias menyebabkan arus emitor mengalir.  Terlihat bahwa arus emitter ini hampir seluruhnya mengalir di rangkaian collector.  Oleh karena itu, arus dalam rangkaian collector bergantung pada arus emitter.  Jika arus emitter nol, maka arus collector hampir nol.  Namun, jika arus emitter 1 mA, maka arus collector juga sekitar 1 mA.  Kerja Transistor npn  Transistor npn dengan forward bias ke junction base emitter dan reverse bias ke junction base collector.  Forward bias menyebabkan elektron dalam emitter tipe-n mengalir menuju base, yang selanjutnya disebut arus emitter IE.  Kerja Transistor npn  Karena elektron-elektron ini mengalir melalui base tipe-p, mereka cenderung bergabung dengan hole.  Karena base dikotori ringan dan sangat tipis, oleh karena itu, hanya beberapa elektron (kurang dari 5%) yang bergabung dengan hole untuk membentuk arus basis IB.  Sisanya (lebih dari 95%) menyeberang ke daerah collector untuk membentuk arus kolektor IC.  Dengan cara ini, hampir seluruh arus emitor mengalir di rangkaian collector.  Jelas bahwa arus emitor adalah jumlah arus collector dan arus base yaitu :  Kerja Transistor pnp  Forward bias menyebabkan hole di emitter tipe-p mengalir menuju base, yang selanjutnya merupakan arus emitter IE.  Saat hole-hole ini menyeberang ke base tipe-n, mereka cenderung bergabung dengan elektron.  Kerja Transistor pnp  Karena base nya dikotori ringan dan sangat tipis, oleh karena itu, hanya beberapa lubang (kurang dari 5%) yang bergabung dengan elektron.  Sisanya (lebih dari 95%) menyeberang ke daerah collector untuk membentuk arus collector IC.  Dengan cara ini, hampir seluruh arus emitor mengalir di rangkaian collector.  Dapat dicatat bahwa konduksi arus dalam transistor pnp adalah dengan hole.  Namun, pada kabel penghubung eksternal, arusnya masih oleh elektron.  Yang penting dari kerja transistor  Rangkaian input (yaitu junction base-emitor) memiliki resistansi rendah karena forward bias, sedangkan rangkaian output (yaitu junction base collector) memiliki resistansi tinggi karena reverse bias.  Arus input emitter hampir seluruhnya mengalir di rangkaian collector.  Oleh karena itu, transistor mentransfer arus sinyal input dari rangkaian resistansi rendah ke rangkaian resistansi tinggi.  Ini adalah faktor kunci untuk memperkuat kemampuan transistor. Catatan  Ada dua tipe transistor dasar : bipolar junction transistor (BJT) dan field effect transistor (FET).  Kedua tipe transistor ini berbeda dalam karakteristik operasi dan konstruksi internalnya.  Ketika kita menggunakan istilah transistor, itu berarti bipolar junction transistor (BJT).  Istilah transistor bipolar, karena ada dua jenis pembawa muatan yang berperan dalam konduksi arus, yaitu elektron dan hole.  Bi berarti dua dan polar mengacu pada polaritas.  Field effect transistor secara sederhana disebut sebagai FET.  Transistor Symbols Pada diagram sebelumnya, transistor telah ditampilkan dalam bentuk diagram. Namun, demi kenyamanan, transistor diwakili oleh diagram skematik. Simbol yang digunakan untuk transistor npn dan pnp adalah :  Transistor Symbols  Dari gambar diatas emitor ditunjukkan oleh panah yang menunjukkan arah aliran arus konvensional dengan forward bias.  Untuk koneksi npn, jelas bahwa arus konvensional mengalir keluar dari emitor, yang ditunjukkan oleh panah keluar.  Demikian pula untuk koneksi pnp, arus konvensional mengalir ke emitor seperti yang ditunjukkan oleh panah ke dalam.  Transistor Circuit as an Amplifier  Transistor menguatkan sinyal yang lemah, sehingga dapat dikatakan bahwa transistor bertindak sebagai amplifier.  Sinyal yang lemah dicatukan diantara junction emitter-base, dan output nya diambil di beban RC yang terhubung ke rangkaian collector.  Untuk mencapai amplifikasi yang tepat, rangkaian input harus selalu diberi bias forward.  Transistor Circuit as an Amplifier  Untuk itu tegangan dc VEE dicatukan di rangkaian input, selain sinyal nya itu sendiri.  Tegangan dc ini dikenal dengan tegangan bias dan besarnya sedemikian sehingga selalu membuat rangkaian input forward bias, terlepas dari polaritas sinyal.  Karena rangkaian input memiliki resistansi rendah, maka perubahan kecil pada tegangan sinyal menyebabkan perubahan yang cukup besar pada arus emitter.  Hal ini menyebabkan perubahan arus collector yang hampir sama denga arus emitter.  Arus collector yang mengalir melalui RC (resistansi beban tinggi) akan menghasilkan tegangan yang besar.  Dengan demikian, sinyal lemah di rangkaian input, muncul dalam bentuk yang sudah diperkuat di rangkaian collector. Contoh 1. Suatu amplifier transistor common base, mempunyai resistansi input 20 Ω dan resistansi output 100 kΩ. Resistansi beban di collector 1 kΩ. Apabila suatu sinyal 500 mV dicatukan antara emitter dan base, carilah penguatan tegangannya, Diasumsikan nilai ac mendekati satu. Solusi :  Arus input,  Karena ac mendekati satu, maka arus output, IC = IE = 25 mA.  Tegangan output, Vout = IC × RC = 25 mA × 1 kΩ = 25 V  Penguatan tegangan,  Transistor Connections  Ada tiga cabang dalam transistor yaitu, terminal emitter, base dan collector.  Namun, ketika transistor akan dihubungkan dalam sebuah rangkaian, seringkali dibutuhkan empat terminal; dua untuk input dan dua untuk output.  Kesulitan ini diatasi dengan membuat satu terminal common (bersama) untuk input dan output.  Input diumpankan antara terminal common dengan salah satu dari dua terminal lainnya.  Output diperoleh antara terminal common dan terminal yang tersisa.  Shg. transistor dapat dihubungkan ke rangkaian dengan 3 cara, yaitu : a) Koneksi common base b) Koneksi common emitter c) Koneksi common collector  Setiap koneksi memiliki kelebihan dan kekurangan tertentu.  Dari tiga koneksi rangkaian tsb., emitter selalu forward bias, dan collector selalu reverse bias.  Common Base Connection Dalam susunan rangkaian ini, input diberikan antara emitter dan base, sedangkan output diambil dari collector dan base. Gambar berikut untuk common base npn dan pnp. Current amplification factor (α).  Adalah rasio antara arus output dengan arus input.  Arus input = arus emitter, IE dan arus output = arus collector, IC  Common Base Connection  Rasio dari perubahan arus collector dengan arus emitter, untuk tegangan collector-base, VCB konstan :  Dari persamaan diatas bahwa faktor amplifikasi arus kurang dari satu.  Nilai ini dapat ditingkatkan (tetapi tidak lebih dari satu) dengan mengurangi arus basis.  Ini dicapai dengan membuat base-nya tipis dan menggunakan doping ringan.  Nilai praktis α dalam transistor komersial berkisar antara 0,9 hingga 0,99.  Expression for collector current.  Tidak seluruh arus emitter mencapai collector.  Sebagian kecil menjadi arus base, sebagai akibat dari kombinasi electron- hole yang terjadi di daerah base.  Selain itu, karena junction collector-base reverse bias, sehingga, beberapa arus bocor mengalir, karena minority carriers.  Sehingga arus collector total terdiri dari: a) Bagian dari arus emitter yang mencapai terminal kolektor yaitu α IE. b) Kebocoran arus Ileakage, disebabkan oleh pergerakan minority carriers yg melintasi junction base-collector karena reverse bias. Ini biasanya jauh lebih kecil daripada α IE  Total arus collector, IC = α IE + Ileakage  Expression for collector current.  Jika IE = 0 (rangkaian emitor terbuka), arus bocor kecil masih mengalir di rangkaian collector.  ICBO artinya arus collector base dengan emitter terbuka. Ileakage disingkat ICBO  Persamaan diatas dapat digunakan untuk mencari IC.  Arus collector dapat dikontrol oleh arus emitter atau base.  Expression for collector current.  Dalam konfigurasi CB, arus collector kecil mengalir meskipun arus emitter nol.  Ini adalah arus collector bocor (arus collector saat emitter terbuka) dan dilambangkan dengan ICBO.  Ketika tegangan emitor VEE juga diberikan, berbagai arus muncul. Contoh 2. Pada koneksi common base, IE = 1mA dan IC = 0.95mA. Hitunglah nilai arus IB Solusi : Dengan menggunakan hubungan, IE = IB + IC maka : 1 = IB + 0,95 jadi : IB = 1 - 0,95 = 0,05 mA Contoh 3. Pada koneksi common base, faktor penguatan arusnya adalah 0.9. Jika arus emitter adalah 1 mA, tentukan besarnya arus base. Solusi : atau IC =  IE = 0,9 × 1 = 0,9 mA Padahal, IE = IB + IC sehingga : IB = IE - IC = 1 – 0,9 = 0,1 mA Contoh 4. Pada koneksi common base, IC = 0.95 mA dan IB = 0.05 mA. Carilah nilai dari . Solusi : Dengan menggunakan hubungan, IE = IB + IC maka : IE = 0,95 + 0,05 = 1 mA Sehingga faktor penguatan arus : Contoh 5. Pada koneksi common base, arus emitter adalah 1 mA. Apabila rangkaian emitter terbuka, dan arus collector nya adalah 50 µA. Carilah total arus collector. Diberikan α = 0.92.. Solusi : Total arus collector, IC =  IE + ICBO = 0,92 × 1 + 50 × 10-3 = 0,92 + 0,05 = 0,97 mA Contoh 6. Pada koneksi common base, α = 0.95. Tegangan pada resistor 2 kΩ yang terhubung ke collector adalah 2V. Carilah besarnya arus base. Solusi : The voltage drop across RC (=2 kΩ) adalah 2V, maka : Dimana : Atau : Contoh 7. Untuk rangkaian common base dibawah ini, tentukan IC dan VCB. Asumsikan transistor adalah silicon. Solusi : Solusi : Karena transistor silicon, VBE = 0.7 V. Dengan menggunakan hukum Kirchhoff’s tegangan untuk loop sisi emitter, didapat, Dengan menggunakan hukum Kirchhoff’s tegangan untuk loop sisi collector, didapat,  Karakteristik Common Base  Perilaku kelistrikan transistor dijelaskan secara grafis melalui kurva arus dan tegangan yang dikenal sebagai karakteristik transistor.  Karakteristik yang paling penting dari common base adalah karakteristik input dan output.  Karakteristik input adalah kurva antara arus emitter IE dan tegangan emitter-base VEB, untuk tegangan collector-base VCB constant.  IE meningkat dengan cepat dengan peningkatan kecil pada VEB, artinya resistansi masukan sangat kecil.  Karakteristik Common Base  IE hampir tidak bergantung pada VCB. Hal ini mengarah pada kesim- pulan bahwa IE (dan juga IC) hampir tidak tergantung pada VC.  Resistansi Input adalah rasio dari ΔVEB dengan ΔIE untuk VCB konstan. untuk VCB konstan  Resistansi input adalah oposisi yang ditawarkan terhadap arus sinyal. Karena VEB yang sangat kecil sudah cukup untuk menghasilkan aliran arus emitor yang besar yaitu IE, oleh karena itu, resistansi input cukup kecil, dengan orde beberapa ohm saja.  Karakteristik Common Base  Karakteristik output adalah kurva antara arus collector IC dan tegangan collector-base VCB, untuk arus emitter IE constant.  IC bervariasi dengan VCB hanya pada tegangan yang sangat rendah (