Piranti tiga terminal atau lebih dikenal sebagai “transistor”. Pada bagian ini kita akan pertama-tama membahas transistor bipolar atau BJT (bipolarjunction transistor). Berikutnya akan kita bahas transistor unipolar seperti misalnya FET (field-effect transistor).
Dibandingkan dengan FET, BJT dapat memberikan penguatan yang jauh lebih besar dan tanggapan frekuensi yang lebih baik. Pada BJT baik pembawa muatan mayoritas maupun pembawa muatan minoritas mempunyai peranan yang sama pentingnya.
Terdapat dua jenis kontruksi dasar BJT, yaitu jenis n-p-n dan jenis p-n-p. Untuk jenis n-p-n, BJT terbuat dari lapisan tipis semikonduktor tipe-p dengan tingkat doping yang relatif rendah, yang diapit oleh dua lapisan semikonduktor tipe-n. Karena alasan sejarah pembuatannya, bagian di tengah disebut “basis” (base), salah satu bagian tipe-n (biasanya mempunyai dimensi yang kecil) disebut “emitor” (emitter) dan yang lainya sebagai “kolektor” (collector). Secara skematik kedua jenis transistor diperlihatkan padagambar Tanda panah pada gambar 9.1 menunjukkan kaki emitor dan titik dari material tipe-p ke material tipe-n. Perhatikan bahwa untuk jenis n-p-n, transistor terdiri dari dua sambungan p-n yang berperilaku seperti diode. Setiap diode dapat diberi panjar maju atau berpanjar mundur, sehingga transistor dapat memiliki empat modus pengoperasian.
Salah satu modus yang banyak digunakan disebut “modus normal”, yaitu sambungan emitor-basis berpanjar maju dan sambungan kolektor-basis berpanjar mundur. Modus ini juga sering disebut sebagai pengoperasian transistor pada “daerah aktif”.
Pabrikasi BJT
Pabrikasi BJT dapat dilakukan dengan dua teknik, yaitu struktur transistor-alloy melalui difusi dan struktur transistor planar. Gambar 9.2-a menunjukkan struktur transistor alloy n-p-n. Kolektor terbuat dari chip semikonduktor tipe-n dengan ketebalan kurang dari 1 mm2. Daerah basis dibuat dengan proses difusi kemudian dibuat kontak logam untuk dihubungkan dengan kaki basis. Daerah emitor dibuat dengan teknik alloy pada daerah basis. Sebagai hasilnya berupa sebuah pasangan sambungan p-n yang dipisahkan oleh daerah basis kira-kira setebal kertas.
Untuk struktur planar (gambar -b), suatu lapisan tipe-n dengan tingkat doping rendah ditumbuhkan di atas substrat n+ (tanda + menunjukkan tingkat doping sangat tinggi). Setelah melalui proses oksidasi pada permukaan, sebuah jendela (window) dibuka dengan proses penggerusan (etching) dan suatu pengotor (p) dimasukkan ke kristal dengan proses difusi untuk membentuk sambungan (junction). Sekali lagi setelah melalui reoksidasi, sebuah jendela kecil dibuka untuk proses difusi pembentukan daerah emitor (n).
Secara konvensional simbol transistor n-p-n diperlihatkan pada gambar 9.-c dilengkapi dengan tanda panah pada emitor yang menunjukkan aliran muatan positif. Walaupun sebuah transistor n-p-n akan bekerja dengan kedua daerah n dapat berfungsisebagai emitor, namun karena kedua daerah mempunyai tingkat doping dan geometri yang berbeda, maka daerah n yang dimaksud harus diberi label.
Pengoperasian Transistor
Pada gambar 9.3-a diperlihatkan keping horizontal transistor jenis n-p-n. Pengoperasian transistor dapat diterangkan secara kualitatif dalam hal distribusi potensial pada sambungan (gambar 9.3-b). Sambungan emitor berpanjar maju, dengan efek dari tegangan panjar EBV terjadi penurunan tegangan penghalang pada sambungan emitor dan memberi kesempatan pada elektron melakukan injeksi ke basis dimana pada daerah ini miskin elektron (minoritas).
Sambungan kolektor berpanjar mundur; sebagai efek dari pemasangan tegangan panjar CBV akan menaikkan potensial penghalang pada sambungan kolektor. Karena daerah basis sangat tipis, hampir semua elektron yang terinjeksi pada basis tersapu ke kolektor dimana mereka melakukan rekombinasi dengan lubang yang “disediakan” dengan pemasangan baterai luar. (Sebenarnya terjadi pengambilan elektron oleh baterai eksternal, meninggalkan lubang untuk proses rekombinasi). Sebagai hasilnya terjadi transfer arus dari rangkaian emitor ke rangkaian kolektor yang besarnya hampir tidak tergantung pada tegangan kolektor-basis. Seperti akan kita lihat, transfer tersebut memungkinkan pemasangan hambatan beban yang besar untuk mendapatkan penguatan tegangan.
Karakteristik DC dari BJT dapat diprediksi dengan melihat aliran pembawa muatan melewati sambungan dan ke basis. Dengan sambungan emitor berpanjar maju dan sambungan kolektor berpanjar mundur (biasa disebut operasi normal, pengoperasian di daerah aktif), gerakan pembawa muatan pada transistor n-p-n seperti diskemakan pada gambar 9.4. Komponen terbesar dari arus emitor Ei terdiri atas elektron yang mengalir melewati penurunan tegangan potensial ( EBo VV − ) ke sambungan emitor-basis. Efisiensi emitor (γ) berharga mendekati satu sehingga arus hampir terdiri atas semua elektron yang terinjeksi dari emitor. Komponen lain adalah aliran lubang dari basis yang juga difasilitasi oleh penurunan tegangan penghalang tersebut. Daerah basis memiliki tingkat doping yang lebih rendah dibandingkan daerah emitor, sehingga arus lubang relatif lebih rendah. Kedua jenis muatan mengalir melalui proses difusi. Elektron yang “terinjeksi” dari emitor ke basis dapat mengalir melalui sambungan emitor-basis secara bebas karena beberapa sebab
i) tidak ada tegangan yang melawannya,
ii) hanya terdapat jarak yang pendek pada daerah basis (tipis) dan
iii) hanya terdapat jumlah lubang yang relatif rendah sehingga tidak banyak elektron yang tertangkap lubang dan hilang, yaitu dengan proses rekombinasi.
Dengan proses pabrikasi transistor yang benar, kurang lebih 99 - 99,9% elektron yang terinjeksi berhasil mencapai sambungan basis-kolektor (faktor α biasanya berharga sekitar 0,98). Elektron tersebut tidak mengalami kesulitan akibat penurunan tegangan penghalang.Arus elektron Eiα mendominasi besarnya arus kolektor. Komponen lain dari arus kolektor berupa arus drift melewati sambungan kolektor-basis dari pembawa muatan minoritas hasil generasi termal. Jika kita memasang tegaangan EBv pada sambungan emitor-basis, kita menginjeksi arus yang diberikan oleh persamaan arus diode
dimana mV25=TV pada temperatur ruang. CBOI adalah penulisan yang benar namun biasanya lebih sering ditulis sebagai oI . Fuge factor (η) untuk transistor biasanya tidak diperlukan. Tanda negatif hanya untuk memenuhi perjanjian konvensional, tidak perlu terlalu dirisaukan. Harga arus Ei sangat tergantung pada tegangan EBv .
Sebagian besar elektron mencapai kolektor atau
β disebut penguatan arus (current gain), dimana harganya akan sangat bervariasi dari satu transistor ke yang lain walaupun mempunyai seri dan tipe yang sama. β d apat berharga serendah 20 dan dapat berharga setinggi 2000, namun biasanya berharga sekitar 100-200.
Untuk rangkaian transistor seperti terlihat pada gambar 9.5, kita melihat bahwa EBv mengontrol arus emitor ( ) Bi1+β , tetapi hanya mencatu arus basis Bi yang relatif rendah. Karena terminal emitor dipakai bersama oleh EBv dan CEv , maka ragkaian tersebut disebut konfigurasi emitor-bersama (common-emitter configuration). Besarnya arus kolektor sepenuhnya tergantung pada tegangan kolektor sepanjang sambungan kolektor-basis berpaanjar mundur. Karenanya arus Ci dapat ditempatkan pada resistor LR menghasilkan tegangan LC Ri yang dapat berharga beberapa volt. Transistor dapat difungsikan untuk penguat arus, tengangan dan daya. Ini akan kita lihat lebih lanjut pada bagian selanjutnya. Hubungan antara Ci dan EBv dapat diukur dengan mudah sama seperti halnya hubungan antara Ei dan EBv . Gambar 9.6 menunjukkan plot Ci dan EBv untuk dua tipe transistor yang relatif murah dalam skala semilogaritmik (linier-logaritma). Nampak bahwa kedua transistor menunjukkan karakteristik eksponensial.
Perlu diperhatikan bahwa EBv adalah tegangan dari emitor ke basis, yaitu
Hubungan antara Ci dan EBv untuk transistor jenis 2N3053 dan BC 107
dalam skala semilogaritmik.
i) Arus emitor ditentukan oleh tegangan
emitor-basis dan keduanya memiliki hubungan eksponensial.
ii) Arus kolektor berharga hampir sama dengan arus emitor dan hampir tidak dipengaruhi oleh tegangan kolektor (jika 0≥CBv ).
iii) Arus basis merupakan fraksi kecil dari arus kolektor dengan faktor BC ii /=β , dimana β adalah merupakan konstanta untuk suatu transistor tertentu.