transistor

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.