Transistor 6m4b1i

OLEH RITA ARISTA AISYAH LESTARI RESKI KILALA FARID NAHRIR JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS HASANUDDIN 2012 1

DAFTAR ISI KATA PENGANTAR DAFTAR ISI BAB 1. KARAKTERISTIK TRANSISTOR 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7.

Pendahuluan………………………………………… 1 Konstruksi Transistor Bipolar……………….. 2 Kerja Transitor…………………………………….. 3 Konfigurasi Transistor…………………………. 11 Kurva Karakteristik Transistor……………… 17 Pengaruh Temperatur…………………………. 26 Transistor FET……………………………………… 30

BAB 2. RANGKAIAN DAN BIAS TRANSISTOR 2.2.

2.3. 2.4. 2.5. 2.6.

Rangkaian Sumber Tegangan................ 44 Rangkaian Sumber Arus........................ 50 Rangkaian Bias Basis............................. 55 Rangkaian Pembagi Tegangan (Voltage Divider)................................. 56 Rangkaian Umpan Balik Kolektor......... 62

DAFTAR PUSTAKA

2

BAB 1 KARAKTERISTIK TRANSISTOR 1.1 Pendahuluan Walter H. Brattain dan John Bardeen pada akhir Desember 1947 di Bell Telephone Laboratories berhasil menciptakan suatu komponen yang mempunyai sifat menguatkan yaitu yang disebut dengan Transistor. Keuntungan komponen transistor ini dibanding dengan pendahulunya, yakni tabung hampa, adalah ukuran fisiknya yang sangat kecil dan ringan. Bahkan dengan teknologi sekarang ini ratusan ribu transistor dapat dibuat dalam satu keping silikon. Disamping itu komponen semikonduktor ini membutuhkan sumber daya yang kecil serta efesiensi yang tinggi. Pada bab ini akan dibahas struktur transistor bipolar dan karakteristiknya. Pemberian bias yang benar akan dapat menentukan daerah kerja transistor. Beberapa macam konfigurasi transistor juga dikenalkan, sebelum

3

nanti pada bab berikutnya akan sampai pada analisis yang lebih mendetail. 1.2 Konstruksi Transistor Bipolar Transistor adalah komponen semikonduktor yang terdiri atas sebuah bahan type p dan diapit oleh dua bahan tipe n (transistor NPN) atau terdiri atas sebuah bahan tipe n dan diapit oleh dua bahan tipe p (transistor PNP). Sehingga transistor mempunyai tiga terminal yang berasal dari masing-masing bahan tersebut. Struktur dan simbol transistor bipolar dapar dilihat pada gambar 1. Ketiga terminal transistor tersebut dikenal dengan Emitter (E), Basis (B) dan Kolektor (C). Emitter merupakan bahan semikonduktor yang diberi tingkat doping sangat tinggi. Bahan kolektor diberi doping dengan tingkat yang sedang. Sedangkan basis adalah bahan dengan dengan doping yang sangat rendah. Perlu diingat bahwa semakin rendah tingkat doping suatu bahan, maka semakin kecil konduktivitasnya.

Hal

ini

karena

jumlah

pembawa

mayoritasnya (elektron untuk bahan n; dan hole untuk bahan p) adalah sedikit.

4

Gambar 1

Disamping itu yang perlu diperhatikan adalah bahwa ukuran basis sangatlah tipis dibanding emitter dan kolektor. Perbandingan lebar basis ini dengan lebar emitter dan kolektor kurang lebih adalah 1 : 150. Sehingga ukuran basis yang sangat sempit ini nanti akan mempengaruhi kerja transistor. Simbol transitor bipolar ditunjukkan pada gambar 1. Pada kaki emitter terdapat tanda panah yang nanti bisa diketahui bahwa itu merupakan arah arus

5

konvensional. Pada transistor npn tanda panahnya menuju keluar sedangkan pada transistor pnp tanda panahnya menuju kedalam.

1.3 Kerja Transitor Apabila pada terminal transistor tidak diberi tegangan bias dari luar, maka semua arus akan nol atau tidak ada arus yang mengalir. Sebagai mana terjadi pada persambungan dioda, maka pada persambungan emiter dan basis (JE) serta pada persambungan basis dan kolektor (JC) terdapat daerah pengosongan. Tegangan penghalang (barrier potensial) pada masing-masing persambungan dapat dilihat pada gambar 3.2. Penjelasan kerja berikut ini didasarkan pada transistor jenis PNP (bila NPN maka semua polaritasnya adalah sebaliknya).

6

Gambar 2 Pada diagram potensial terlihat bahwa terdapat perbedaan potensial antara kaki emitter dan basis sebesar Vo, juga antara kaki basis dan kolektor. Oleh karena potensial ini berlawanan dengan muatan pembawa pada masing-masing bahan tipe P dan N, maka arus rekombinasi hole-elektron tidak akan mengalir. Sehingga pada saat

7

transistor tidak diberi tegangan bias, maka arus tidak akan mengalir. Selanjutnya apabila antara terminal emitter dan basis diberi tegangan bias maju (emitter positip dan basis negatip) serta antara terminal basis dan kolektor diberi bias mundur (basis positip dan kolektor negatip), maka transistor disebut mendapat bias aktif (lihat gambar 2). Pada bab selanjutnya juga akan dibahas pemberian tegangan bias selain bias aktif seperti misalnya bias mati (cut-off) dan saturasi (jenuh). Setelah transistor diberi tegangan bias aktif, maka daerah pengosongan pada persambungan emitter-basis menjadi semakin sempit karena mendapatkan bias maju. Sedangkan daerah pengosongan pada persambungan basis-kolektor menjadi semakin melebar karena mendapat bias mundur. Pemberian tegangan bias seperti ini menjadikan kerja transistor berbeda sama sekali bila dibanding dengan dua dioda yang disusun berbalikan, meskipun sebenarnya struktur transistor adalah mirip seperti dua dioda yang disusun berbalikan, yakni dioda emitter-basis (P-N) dan dioda basis-kolektor (N-P).

8

Gambar 3

Bila mengikuti prinsip kerja dua dioda yang berbalikan, maka dioda emitterbasis yang mendapat bias maju akan mengalirkan arus dari emitter ke basis dengan cukup

besar.

Sedangkan

dioda

basis-kolektor

yang

mendapat bias mundur praktis tidak mengalirkan arus. Dengan demikian terminal emitter dan basis akan mengalir arus yang besar dan terminal kolektor tidak mengalirkan arus. Namun yang terjadi pada transistor tidaklah demikian. Hal ini disebabkan karena dua hal, yaitu: ukuran

9

fisik basis yang sangat sempit (kecil) dan tingkat doping basis yang sangat rendah. Oleh karena itu konduktivitas basis sangat rendah atau dengan kata lain jumlah pembawa mayoritasnya (dalam hal ini adalah elektron) sangatlah sedikit dibanding dengan pembawa mayoritas emitter (dalam hal ini adalah hole). Sehingga jumlah hole yang berdifusi ke basis sangat sedikit dan sebagian besar tertarik ke kolektor dimana pada kaki kolektor ini terdapat tegangan negatip yang relatif besar. Prinsip kerja transistor ini akan lebih jelas lagi apabila dilihat diagram potensial pada gambar 3. Tegangan bias maju yang diberikan pada dioda emitter-basis (VEB) akan mengurangi potensial penghalang Vo, sehingga pembawa muatan mayoritas pada emitter akan mudah untuk berekombinasi ke basis. Namun karena konduktivitas basis yang rendah dan tipisnya basis, maka sebagian besar pembawa muatan akan tertarik ke kolektor. Disamping itu juga dikuatkan oleh adanya beda potensial pada basiskolektor yang semakin tinggi sebagai akibat penerapan bias mundur VCB.

10

Gambar 4

Dengan demikian arus dari emitter (IE) sebagian kecil dilewatkan ke basis (IB) dan sebagian besar lainnya diteruskan kolektor (IC). Sesuai dengan hokum Kirchhoff maka diperoleh persamaan yang sangat penting yaitu:

IE = IC + IB

11

Karena besarnya arus IC kira-kira 0,90 sampai 0,998 dari arus IE, maka dalam praktek umumnya dibuat IE ≅ IC. Disamping ketiga macam arus tersebut yang pada dasarnya adalah disebabkan karena aliran pembawa mayoritas, di dalam transistor sebenarnya masih terdapat aliran arus lagi yang relatif sangat kecil yakni yang disebabkan oleh pembawa minoritas. Arus ini sering disebut dengan arus bocor atau ICBO (arus kolektor-basis dengan emitter terbuka). Namun dalam berbagai analisa praktis arus ini sering diabaikan. Seperti

halnya

pada

dioda,

bahwa

dalam

persambungan PN yang diberi bias mundur mengalir arus bocor Is karena pembawa minoritas. Demikian juga dalam trannsistor dimana persambungan kolektor-basis yang diberi bias mundur VCB akan mengalir arus bocor (ICBO). Arus bocor ini sangat peka terhadap temperatur, yakni akan naik dua kali untuk setiap kenaikan temperatur 10 oC. Diagram aliran arus IE, IB, IC dan ICBO dalam transistor dapat dilihat pada gambar 5. Dari gambar tersebut

terlihat

bahwa

arus

kolektor

merupakan

12

penjumlahan dari arus pembawa mayoritas dan arus pembawa minoritas, yaitu IC = ICmayoritas + ICBOminoritas.

Gambar 5 1.4 Konfigurasi Transistor Secara umum terdapat tiga macam variasi rangkaian transistor yang dikenal dengan istilah konfigurasi, yaitu konfigurasi basis bersama (common-base configuration), konfigurasi

emitter

bersama

(common-emitter

configuration), dan konfigurasi kolektor bersama (commoncollector

configuration).

Istilah

bersama

dalam

masingmasing konfigurasi menunjuk pada terminal yang dipakai bersama untuk input (masukan) dan output

13

(keluaran). Gambar 6 menunjukkan tiga macam konfigurasi tersebut.

Gambar 6

14

Pada konfigurasi basis bersama (common base = CB) sinyal input dimasukkan ke emitter dan sinyal output diambil pada kolektor dengan basis sebagai ground-nya. Faktor penguatan arus pada basis bersama disebut dengan ALPHA (α). αdc (alpha dc) adalah perbandingan arus IC dengan arus IE pada titik kerja. Sedangkan αac (alpha ac) atau sering juga disebut alpha (α) saja merupakan perbandingan perubahan IC dengan IE pada tegangan VCB tetap. ΔIC α = ⎯⎯⎯ ΔIE

VCB = konstan

Dari diagram aliran arus pada gambar 3.5 dapat diketahui bahwa harga α adalah kurang dari satu, karena arus IE sebagian dilewatkan menjadi IB dan lainnya menuju kolektor menjadi IC. Harga tipikal dari α adalah 0,90 hingga 0,998. Umumnya harga α

untuk setiap transistor

dicantumkan dalam buku data. Dengan memasukan arus

15

bocor ICBO kedalam perhitungan, maka besarnya arus IC menjadi: IC = αIE + ICBO

Pada konfigurasi emitter bersama (common emitter = CE) sinyal input diumpankan pada basis dan output diperoleh dari kolektor dengan emitter sebagai groundnya. Faktor penguatan arus pada emitter bersama disebut dengan BETA (β). Seperti halnya pada α, istilah β juga terdapat βdc (beta dc) maupun βac (beta ac). Definisi βac (atau β saja) adalah: ΔIC β = ⎯⎯⎯ ΔIB

VCE = konstan

Istilah β sering dikenal juga dengan hfe yang berasal dari parameter hibrid untuk faktor penguatan arus pada emitter bersama. Data untuk harga hfe maupun β ini lebih banyak dijumpai dalam berbagai buku data dibanding

16

dengan α. Umumnya transistor mempunyai harga β dari 50 hingga lebih dari 600 tergantung dari jenis transistornya. Dalam perencanaan rangkaian transitor perlu diperhatikan bahwa harga β dipengaruhi oleh arus kolektor. Demikian pula variasi harga β juga terjadi pada pembuatan di pabrik. Untuk dua tipe dan jenis transistor yang sama serta dibuat dalam satu pabrik pada waktu yang sama, belum tentu mempunyai β yang sama. Hubungan antara α dan β dapat dikembangkan melalui beberapa persamaan berikut: β = IC/IB ⎯⎯⎯> IB = IC/β α = IC/IE ⎯⎯⎯> IE = IC/α Apabila dimasukan kedalam persamaan: IE = IC + IB maka diperoleh: α β = ⎯⎯⎯ 1-α β α = ⎯⎯⎯ β+1

17

Dengan memasukan arus bocor ICBO kedalam perhitungan, maka besarnya arus IC dalam kaitannya dengan α adalah seperti dalam persamaan 3.3, yaitu: IC = αIE + ICBO. Sedangkan arus IC dalam hubungannya dengan β dapat dijelaskan sebagai berikut. Dengan memasukkan persamaan 3.1: IE = IC + IB ke dalam persamaan 3.3 tersebut diperoleh: IC = α(IC + IB) + ICBO = αIC + αIB + ICBO α ICBO = ⎯⎯⎯ IB + ⎯⎯⎯ 1-α 1-α Bila persamaan 3.5 dan 3.6 dimasukkan, maka diperoleh harga IC sebesar: IC = βIB + (β + 1)ICBO

Dalam persamaan 7 di atas terdapat arus bocor sebesar (β + 1)ICBO atau sering disebut dengan istilah ICEO. Arus bocor ICEO ini adalah arus kolektor ke emitter dengan basis terbuka. Arus bocor ICBO dan ICEO dapat dilukiskan seperti pada gambar 7.

18

Gambar 7

1.5 Kurva Karakteristik Transistor Seperti halnya 19iode semikonduktor, sebagai komponen

non-linier

transistor

bipolar

mempunyai

karakteristik yang 19iod dilukiskan melalui beberapa kurva. Namun karena transistor mempunyai tiga terminal, maka karakteristik transistor tersebut biasanya dilukiskan dalam bentuk kurva 19iode191919ic. Kurva karakteristik transistor yang paling penting adalah karakteristik input dan karakteristik output. Kurva karakteristik input untuk transistor dengan konfigurasi basis bersama (CB) untuk transistor npn bahan 19iode1919 dapat dilihat pada gambar 8. Kurva ini menggambarkan hubungan antara arus input IE dengan

19

tegangan input VBE untuk berbagai variasi tegangan output VCB. Dalam hal ini tegangan VCB sebagai parameter. Apabila kurva karakteristik input CB ini diperhatikan, maka bentuknya 20iode20 menyerupai kurva 20iode pada saat mendapat bias maju. Hal yang terjadi pada transistor juga

demikian,

karena

persambungan

emitter-basis

mendapat bias maju. Pada saat tegangan VBE sekitar 0,7 Volt (tegangan cut-in) arus IE akan naik dengan cepat.

Gambar 8

20

Perubahan tegangan VCB dari 1 Volt ke 20 Volt mempunyai pengaruh yang sangat sedikit terhadap kurva. Sehingga secara pendekatan dapat dikatakan bahwa arus emitter hanya dipengaruhi oleh tegangan VBE. Disamping itu karena bentuk kurvanya hampir tegak lurus, maka pada saat transistor aktif tegangan VBE bias dianggap sebesar 0,7 Volt. Masih dalam konfigurasi basis bersama (CB), gambar 9 menunjukkan

kurva

karakteristik

output.

Kurva

ini

menggambarkan hubungan antara arus output IC dengan tegangan output VCB untuk berbagai variasi arus input IE. Dalam hal ini arus IE disebut sebagai parameter. Dalam kurva output ditunjukkan adanya tiga daerah kerja transistor, yaitu daerah aktif, daerah jenuh (saturasi) dan daerah mati (cut-off). Daerah kerja transistor ini ditentukan berdasarkan pemberian tegangan bias pada masing-masing persambungannya. Tabel 3.1 menunjukkan kaitan daerah kerja dan tegangan bias tersebut. Agar dapat digunakan sebagai penguat linier transistor perlu diberi

21

tegangan bias sedemikian rupa sehingga bekerja pada daerah aktif.

Gambar 9

Tabel 1

22

Pada daerah aktif, kurva terlihat mendatar dan lurus. Hal ini sesuai dengan kurva input bahwa kenaikan tegangan VCB akan berpengaruh sedikit sekali terhadap arus IE. Padahal arus IE adalah 23ilico sama dengan arus IC yaitu IC/IE = α, dimana α bernilai 23ilico satu. Dengan demikian pada masing-masing kurva dengan harga IE tertentu besarnya arus IC terlihat sama dengan IE tersebut. Apabila arus bocor ikut diperhitungkan, maka menurut persamaan 3.3 besarnya arus IC adalah sama dengan IC = αIE + ICBO. Sehingga pada saat IE = 0, yaitu pada daerah mati, maka sebenarnya pada kolektor mengalir arus bocor sebesar ICBO. Lihat gambar 7 Selanjutnya untuk kurva karakteristik input pada konfigurasi emitter bersama (CE) untuk transistor npn bahan 23ilicon dapat dilihat pada gambar 10. Kurva ini menunjukkan hubungan antara arus input IB dengan tegangan input VBE untuk berbagai variasi tegangan output VCE. Dalam hal ini VCE disebut sebagai parameter.

23

Gambar 10 Bentuk kurva input CE ini hampir sama dengan kurva input pada CB. Pada tegangan VBE sekitar 0,7 Volt transistor diangap bekerja pada daerah aktif. Hal ini terlihat bahwa arus IB bergerak naik dengan cepat. Dan perubahan tegangan VCE juga tidak begitu mempengaruhi kurva ini. Kurva karakteristik output untuk konfigurasi emitter bersama adalah pada gambar 11. Kurva ini menunjukkan hubungan antara arus output IC dengan tegangan output VCE untuk berbagai variasi harga arus IB. Dalam kurva ini juga terlihat adanya tiga daerah kerja transistor, yaitu: aktif, jenuh dan mati.

24

Dari kurva terlihat bahwa meskipun arus basis IB = 0 yakni pada saat transistor mati, pada kolektor masih mengalir arus bocor ICEO sebesar (β + 1)ICBO (lihat persamaan 3.7). Hal ini juga sesuai dengan diagram arus bocor pada gambar 3.7 (b). Namun dalam analisis praktek, nilai arus bocor ini cukup kecil sehingga bisa diabaikan

Gambar 11 Satu lagi kurva untuk emitter bersama yang juga penting untuk diperhatikan adalah kurva transfer yang melukiskan hubungan antara arus output IC dengan

25

tegangan input VBE. Gambar 3.12 menunjukkan kurva karakteristik tersebut untuk transistor npn bahan silikon.

Gambar 12 Transistor silikon akan mati (cut-off) apabila tegangan VBE = 0 Volt atau basis dalam keadaan hubung singkat (dengan emitter). Pada saat ini pada kolektor mengalir arus bocor sebesar ICES. Apabila basis terbuka (tergantung) yang berarti IB = 0 dimana sebenarnya VBE = 0.06 Volt, maka pada kolektor mengalir arus bocor sebesar ICEO. Dalam gambar terlihat bahwa ICES dan ICEO hampir

26

sama. Dan bahkan karena kecilnya nilai arus bocor ini, biasanya dalam perhitungan praktis sering diabaikan. Tegangan cut-in Vγ adalah tegangan VBE yang menyebabkan arus kolektor kira-kira mengalir sebesar 1 persent dari arus maksimum. Besarnya Vγ ini untuk silikon adalah 0.5 Volt dan untuk germanium adalah 0.1 Volt. Besarnya arus kolektor pada saat VBE belum mencapai tegangan cut-in adalah sangat kecil, yakni dalam orde nanoamper

untuk

silikon

dan

mikroamper

untuk

germanium. Setelah VBE mencapai tegangan cut-in ini transistor masuk ke daerah aktif dimana arus IC mulai naik dengan cepat. Untuk silikon daerah aktif ini antara 0.5 - 0.8 Volt, dan pada umumnya tegangan VBE aktif dianggap sebesar 0.7 Volt. Tegangan VBE lebih besar dari 0,8 Volt (atau 0,3 Volt untuk germanium) menyebabkan transistor masuk daerah jenuh (saturasi). Tabel 2 memberikan beberapa tegangan pada persambungan transistor baik untuk germanium maupun silikon.

27

Tabel 2 1.6 Pengaruh Temperatur Mengingat bahwa sifat-sifat kelistrikan bahan semikonduktor sangat peka terhadap temperatur, maka demikian juga transistor yang terbuat dari bahan semikonduktor.

Semua

karakteristik

transistor

yang

dibicarakan di depan sangat dipengaruhi oleh perubahan temperatur. Apabila temperatur naik, maka arus bocor ICBO, ICEO, dan ICES akan cenderung untuk naik. Arus-arus bocor ini akan naik dua kali lipat untuk setiap kenaikan temperatur 10 oC. Pada transistor silikon dimana harga arus bocornya dalam orde nanoampere umumnya mampu untuk dipakai sampai temperatur 200 oC. Sedangkan transistor germanium yang

28

arus bocornya dalam orde mikroamper mampu untuk dipakai hingga suhu 100 oC. Akibat kenaikan arus bocor ini, maka arus kolektor juga cenderung untuk naik apabila temperatur naik. Pengaruh perubahan temperatur terhadap arus kolektor IC dapat dilihat pada gambar 12. Demikian juga faktor penguatan arus α dan β akan cenderung untuk naik terhadap perubahan temperatur. Pengaruh temperatur terhadap β atau hfe dapat dilihat pada gambar 14.

Gambar 13

29

Disamping itu perubahan mempengaruhi

besarnya

30emperature

tegangan

VBE.

juga

Apabila

30emperature naik, maka tegangan bias maju VBE untuk menghasilkan arus kolektor IC tertentu akan menurun. Koefisien perubahan 30emperature terhadap tegangan VBE ini adalah sebesar -2.5 mV/oC. Artinya bahwa untuk menghasilkan arus kolektor IC tertentu tegangan VBE yang diperlukan akan turun sebesar 2,5 mV setiap kenaikan suhu 1 oC.

Gambar 14

30

Apabila pada temperatur T1 = 25 oC tegangan VBE suatu transistor 0,7 Volt dapat menghasilkan IC sebesar 10 mA, maka untuk mencapai arus IC yang sama pada temperatur T2 = 50 oC diperlukan tegangan VBE sebagai berikut. VBE(T2)

= VBE(T1) - (T2 - T1)(2.5mV/oC)

VBE (50 oC)

= 0.7 V - (50 - 25)(2.5mV/oC) = 0.7 V - 0.0625 V = 0.637 V = 637 mV

Jadi pada suhu 50 oC dibutuhkan tegangan VBE = 0.637 V untuk menghasilkan arus IC = 10 mA. Lihat gambar 3.15.

Gambar 15

31

Masalah pengaruh temperatur terhadap berbagai karakteristik transistor sungguh tidak dapat diabaikan begitu saja. Perubahan temperatur akan bisa merubah titik kerja yang sudah ditetapkan pada suhu ruang. Hal ini bisa jadi akan juga mempengaruhi faktor penguatan tegangan dari suatu rangkaian penguat. Disamping itu sinyal output akan bisa menjadi cacat atau distorsi karena perubahan temperatur yang meyakinkan. Olehkarena itu dalam rangkaian penguat transistor perlu adanya berbagai kompensasi, yang nanti akan dijelaskan dalam bab berikutnya.

1.7. Transistor FET Transistor Bipolar dinamakan demikian karena bekerja dengan 2 (bi)bmuatan yang berbeda yaitu elektron sebagai pembawa muatan negatif dan hole sebagai pembawa muatan positif. Ada satu jenis transistor lain yang dinamakan FET (Field Efect Transistor). Berbeda dengan prinsip kerja transistor bipolar, transistor FET bekerja bergantung dari satu pembawa muatan, apakah itu

32

electron atau hole. Karena hanya bergantung pada satu pembawa muatan saja, transistor ini disebut komponen unipolar. Umumnya untuk aplikasi linear, transistor bipolar lebih disukai, namun transistor FET sering digunakan juga karena memiliki impedansi input (input impedance) yang sangat besar. Terutama jika digunakan sebagai switch, FET lebih baik karena resistansi dan disipasi dayanya yang kecil. Ada dua jenis transistor FET yaitu JFET (junction FET) dan MOSFET (metal-oxide semiconductor FET). Pada dasarnya kedua jenis transistor memiliki prinsip kerja yang sama, namun tetap ada perbedaan yang mendasar pada struktur dan karakteristiknya. Namun dari keduanya yg sering banyak dipakai adalah jenis MOSFET makanya yang akan dibahas disini adalah jenis MOSFET. Mirip seperti JFET, transistor MOSFET (Metal oxide FET) memiliki drain, source dan gate. Namun perbedaannya gate terisolasi oleh suatu bahan oksida. Gate sendiri terbuat dari bahan metal seperti aluminium. Oleh karena itulah transistor ini dinamakan metal-oxide. Karena gate

33

yang terisolasi, sering jenis transistor ini disebut juga IGFET yaitu insulated-gate FET. Ada dua jenis MOSFET, yang pertama jenis depletion-mode dan yang kedua jenis enhancement-mode. Jenis MOSFET yang kedua adalah komponen utama dari gerbang logika dalam bentuk IC (integrated circuit), uC (micro controller) dan uP (micro processor) yang tidak lain adalah komponen utama dari komputer modern saat ini.

1.7.1. MOSFET Depletion-Mode Gambar

berikut

menunjukkan

struktur

dari

transistor jenis ini. Pada sebuah kanal semikonduktor tipe n terdapat semikonduktor tipe p dengan menyisakan sedikit celah. Dengan demikian diharapkan elektron akan mengalir dari source menuju drain melalui celah sempit ini. Gate terbuat dari metal (seperti aluminium) dan terisolasi oleh bahan oksida tipis SiO2 yang tidak lain adalah kaca.

34

Gambar 16 Semikonduktor tipe p di sini disebut 35ias35ron p dan biasanya dihubung singkat dengan source. Ingat seperti pada transistor JFET lapisan deplesi mulai membuka jika V GS = 0. Dengan menghubung singkat 35ias35ron p dengan source

diharapkan

terbentuk

antara

ketebalan

lapisan

deplesi

35ias35ron

dengan

kanal

yang adalah

maksimum. Sehingga ketebalan lapisan deplesi selanjutnya hanya akan ditentukan oleh tegangan gate terhadap source. Pada gambar, lapisan deplesi yang dimaksud ditunjukkan pada daerah yang berwarna kuning. Semakin 35ias35ron tegangan gate terhadap source, akan semakin kecil arus drain yang 35ias lewat atau bahkan menjadi 0 pada tegangan 35ias35ron tertentu. Karena

35

lapisan deplesi telah menutup kanal. Selanjutnya jika tegangan gate dinaikkan sama dengan tegangan source, arus akan mengalir. Karena lapisan deplesi muali membuka. Sampai di sini prinsip kerja transistor MOSFET depletionmode tidak berbeda dengan transistor JFET. Karena gate yang terisolasi, tegangan kerja VGS boleh positif. Jika VGS semakin positif, arus 36ias36ron yang mengalir dapat semakin besar. Di sini letak perbedaannya dengan JFET, transistor MOSFET depletion-mode 36ias bekerja sampai tegangan gate positif. Pabrikasi MOSFET depletion-mode

Gambar 17 Struktur ini adalah penampang MOSFET depletionmode

yang

dibuat

di

atas

sebuah

lempengan

36

semikonduktor tipe p. Implant semikonduktor tipe n dibuat sedemikian rupa sehingga terdapat celah kanal tipe n. Kanal ini menghubungkan drain dengan source dan tepat berada di bawah gate. Gate terbuat dari metal aluminium yang diisolasi dengan lapisan SiO2 (kaca). Dalam beberapa buku, transistor MOSFET depletion-mode disebut juga dengan nama D-MOSFET.

1.7.2. Kurva drain MOSFET depeletion mode Analisa kurva drain dilakukan dengan mencoba beberapa tegangan gate VGS konstan, lalu dibuat grafik hubungan antara arus drain ID terhadap tegangan VDS.

Gambar 18

37

Dari kurva ini terlihat jelas bahwa transistor MOSFET depletion-mode dapat bekerja (ON) mulai dari tegangan VGS negatif sampai positif. Terdapat dua daerah kerja, yang pertama adalah daerah ohmic dimana resistansi drainsource adalah fungsi dari : RDS(on) = VDS/IDS Jika tegangan VGS tetap dan VDS terus dinaikkan, transistor selanjutnya akan berada pada daerah saturasi. Jika keadaan ini tercapai, arus IDS adalah konstan. Tentu saja ada tegangan VGS(max), yang diperbolehkan. Karena jika lebih dari tegangan ini akan dapat merusak isolasi gate yang tipis alias merusak transistor itu sendiri.

1.7.3. MOSFET Enhancement-mode Jenis transistor MOSFET yang kedua adalah MOSFET enhancementmode. Transistor ini adalah pengembangan dari MOSFET depletion-mode. Gate terbuat dari metal aluminium dan terisolasi oleh lapisan SiO2 sama seperti transistor MOSFET depletion-mode. Perbedaan struktur yang mendasar adalah, subtrat pada transistor MOSFET

38

enhancement-mode sekarang dibuat sampai menyentuh gate, seperti terlihat pada gambar berikut ini.

Gambar 19

Gambar

diatas

adalah

transistor

MOSFET

enhancement mode kanal n. Jika tegangan gate VGS dibuat negatif, tentu saja arus elektron tidak dapat mengalir. Juga ketika VGS=0 ternyata arus belum juga bisa mengalir, karena tidak ada lapisan deplesi maupun celah yang bisa dialiri elektron. Satu-satunya jalan adalah dengan memberi tegangan VGS positif. Karena subtrat terhubung dengan source, maka jika tegangan gate positif berarti tegangan gate terhadap subtrat juga positif.

39

Tegangan positif ini akan menyebabkan elektron tertarik ke arah subtract p. Elektron-elektron akan bergabung dengan hole yang ada pada subtrat p. Karena potensial gate lebih positif, maka elektron terlebih dahulu tertarik dan menumpuk di sisi subtrat yang berbatasan dengan gate. Elektron akan terus menumpuk dan tidak dapat mengalir menuju gate karena terisolasi oleh bahan insulator SiO2 (kaca). Jika tegangan gate cukup positif, maka tumpukan elektron akan menyebabkan terbentuknya semacam lapisan n yang negatif dan seketika itulah arus drain dan source dapat mengalir. Lapisan yang terbentuk ini disebut dengan istilah inversion layer. Kira-kira terjemahannya adalah lapisan dengan tipe yang berbalikan. Di sini karena subtratnya tipe p, maka lapisan inversion yang terbentuk adalah bermuatan negatif atau tipe n. Tentu ada tegangan minimum dimana lapisan inversion n mulai terbentuk. Tegangan minimun ini disebut tegangan threshold VGS(th). Tegangan VGS(th) oleh pabrik pembuat tertera di dalam datasheet.

40

Di sini letak perbedaan utama prinsip kerja transitor MOSFET enhancement-mode dibandingkan dengan JFET. Jika pada tegangan VGS = 0 , transistor JFET sudah bekerja atau ON, maka transistor MOSFET enhancementmode masih OFF. Dikatakan bahwa JFET adalah komponen normally ON dan MOSFET adalah komponen normally OFF.

1.7.4. Pabrikasi MOSFET enhancement-mode Transistor MOSFET enhacement mode dalam beberapa literatur disebut juga dengan nama E-MOSFET.

Gambar 20 Gambar diatas adalah bagaimana transistor MOSFET enhancement-mode

dibuat.

Sama

seperti

MOSFET

depletion-mode, tetapi perbedaannya disini tidak ada kanal

41

yang menghubungkan drain dengan source. Kanal n akan terbentuk (enhanced) dengan memberi tegangan VGS diatas tegangan threshold tertentu. Inilah struktur transistor yang paling banyak di terapkan dalam IC digital.

1.7.5. Kurva Drain MOSFET enhacement-mode Mirip

seperti

kurva

D-MOSFET,

kurva

drain

transistor E-MOSFET adalah seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut. Namun di sini VGS semua bernilai positif. Garis kurva paling bawah adalah garis kurva dimana transistor mulai ON. Tegangan VGS pada garis kurva ini disebut tegangan threshold VGS(th).

Gambar 21

42

Karena transistor MOSFET umumnya digunakan sebagai saklar (switch), parameter yang penting pada transistor

E-MOSFET

adalah

resistansi

drain-source.

Biasanya yang tercantum pada datasheet adalah resistansi pada saat transistor ON. Resistansi ini dinamakan RDS(on). Besar resistansi bervariasi mulai dari 0.3 Ohm sampai puluhan Ohm. Untuk aplikasi power switching, semakin kecil resistansi RDS(on) maka semakin baik transistor tersebut. Karena akan memperkecil rugi-rugi disipasi daya dalam bentuk panas. Juga penting diketahui parameter arus drain maksimum ID(max) dan disipasi daya maksimum PD(max).

1.7.6. Simbol transistor MOSFET Garis putus-putus pada simbol transistor MOSFET menunjukkan struktur transistor yang terdiri drain, source dan subtrat serta gate yang terisolasi. Arah panah pada subtrat menunjukkan type lapisan yang terbentuk pada subtrat ketika transistor ON sekaligus menunjukkan type kanal transistor tersebut.

43

Gambar 22

Kedua simbol di atas dapat digunakan untuk mengambarkan D-MOSFET maupun E-MOSFET. Transistor FET termasuk perangkat yang disebut voltage-controlled device yang mana tegangan masukan (input) mengatur arus keluaran (output). Pada transistor FET, besar tegangan gate-source (VGS) menentukan jumlah arus yang dapat mengalir antara drain dan source. Transistor MOSFET yang dikenal dengan sebutan transistor MOS umumnya gampang rusak. Ada kalanya karena tegangan gate yang melebihi tegangan VGS(max). Karena lapisan oksida yang amat tipis, transistor MOS rentan terhadap tegangan statik (static voltage) yang bisa mencapai ribuan volt. Untuk itulah biasanya MOS dalam

44

bentuk transistor maupun IC selalu dikemas menggunakan anti static.Terminal atau kaki-kakinya di hubung singkat untuk menghindari tegangan statik ini. Transistor MOS yang mahal karena RDS(on) yang kecil, biasanya dilengkapi dengan zener didalamnya. Zener diantara gate dan source ini berfungsi sebagai proteksi tegangan yang berlebih. Walapun zener ini sebenarnya akan menurunkan impedansi input gate, namun cukup seimbang antara performance dan harganya itu.

45

BAB 2 RANGKAIAN DAN BIAS TRANSISTOR

Buku ini menjelaskan tentang perbedaan rangkaian transistor yang difungsikan sebagai sumber tegangan dan sumber arus. Sebuah LED akan diletakan pada rangkaian untuk menguji perbedaan fungsi tersebut. Perhitungan dan analisa akan diturunkan untuk memperjelas perbedaan ini. Selain itu, beberapa bias transistor juga akan diperkenalkan pada modul ini. Keunggulan masing-masing bias akan dianalisa. Beberapa bias yang umum untuk operasi linear adalah Bias Basis, Bias Pembagi Tegangan (Voltage Divider) dan Bias Umpan Balik Kolektor (Collector ). 2.1. Rangkaian Sumber Tegangan Sebuah transistor dirangkai seperti yang tampak pada Gambar 12.1 di bawah ini, dimana RB = 3 Kohm, RC = 1 Kohm, VBB = 5 volt dan VCC = 5 volt. Sebuah LED dipasangkan pada rangkaian output untuk pengujian, yang memiliki

46

tegangan jatuh VLED antara 1.5 hingga 2 volt. Secara global, rangkaian

ini merupakan

rangkaian transistor

yang

berfungsi sebagai switch.

RC 1.0k

LED1 Q1 RB

VCC 12 V

3.0k

VBB 5V

2N1711

Gambar 2.1 Rangkaian Transistor sebagai Sumber Tegangan Persamaan Lup Emiter:

47

 VBB  I B RB  VBE  0 I B RB  VBB  VBE IB 

VBB  VBE RB

(2.1) sehingga:

IB 

5  0.7  1.43 mA 3K

Persamaan Lup Kolektor:  VCC  I C RC  VLED  VCE  0 I C RC  VCC  VCE  VLED IC 

VCC  VCE  VLED RC

(2.2) Dari persamaan ini, dapat dibuatkan garis beban, dimana Ic sat (VCE = 0) adalah:

48

I Csat 

VCC  VLED RC (2.3)

dan VCE cut-off (IC = 0) adalah: VCEcutoff  VCC  VLED

(2.4) Jika, VLED dianggap 1.5 volt, maka berdasarkan persamaan (2.3) dan (2.4), harga ICsat dan VCEcut-off adalah:

I Csat 

VCC  VLED 5  1.5   3.5 mA RC 1K

VCEcutoff  VCC  VLED  5  1.5  3.5 volt

Jika diasumsikan bahwa rangkaian berada pada daerah aktif, maka:

49

IC = β IB = 100 * 1.43 = 143 mA, Karena IC > IC sat, maka dapat disimpulkan bahwa rangkaian transistor ini bekerja pada daerah saturasi, dengan IB = 1.43 mA, IC = 3.5 mA dan VCE = 0 volt. Namun,

jika

VLED

dianggap

2.5

volt,

maka

berdasarkan persamaan (2.3) dan (2.4), harga ICsat dan VCEcut-off adalah yang baru adalah:

I Csat 

VCC  VLED 5  2.5   2.5 mA RC 1K

VCEcutoff  VCC  VLED  5  2.5  2.5 volt

Persamaan garis beban untuk harga VLED yang berbeda ditampilkan pada Gambar 2.2 di bawah ini.

50

IC

IC sat 3.5 mA IC sat 2.5 mA

VCE cut-off 2.5 volt

VCE cut-off 3.5 volt

VCE

Gambar 2.2. Garis Beban Rangkaian Sumber Tegangan

Dari garis beban pada Gambar 2.2, tampak bahwa arus yang jatuh pada LED berubah sesuai dengan tegangan jatuh VLED (3.5 mA untuk VLED = 1.5 volt dan 2.5 mA untuk VLED = 2.5 volt). Hal ini akan mengakibatkan terangnya LED akan berubah-ubah pula. Berarti, rangkaian ini berfungsi sebagai sumber tegangan saja (switch) namun tidak dapat mempertahankan harga arus kolektor (IC).

51

2.7. Rangkaian Sumber Arus Pada rangkaian ini, tahanan di lup Emiter, tahanan Basis, RB, dipindahkan menjadi tahanan Emiter, RE. Rangkaian tersebut ditampilkan pada Gambar 12.3 di bawah ini, dimana RE = 3 Kohm, RC = 1 Kohm, VBB = 2 volt dan VCC = 5 volt.

RC 1.0k

LED1 Q1 VCC 12 V

VBB 2V

2N1711

RE 3.0k

Gambar 2.3 Rangkaian Transistor sebagai Sumber Arus Persamaan Lup Emiter:

52

 VBB  I E RE  VBE  0 I E RE  VBB  VBE IE 

VBB  VBE RB

(2.5) Sehingga:

IE 

2  0.7  0.43 mA 3K

Persamaan Lup Kolektor:

 VCC  I C RC  VLED  VCE  I E RE  0 (12.6) Karena α biasanya mendekati 1, maka IC = IE, sehingga

 VCC  I C RC  VLED  VCE  I E RE  0 I C RC  I C RE  VCC  VCE  VLED I C ( RC  RE )  VCC  VCE  VLED IC 

VCC  VCE  VLED ( RC  RE ) (2.7)

53

Dari persamaan ini, dapat dibuatkan garis beban, dimana Ic sat (VCE = 0) adalah:

I Csat 

VCC  VLED ( RC  RE ) (2.8)

dan

VCE cut-off (IC = 0) adalah: VCEcutoff  VCC  VLED

(2.9) Jika, VLED dianggap 1.5 volt, maka berdasarkan persamaan (2.12) dan (2.9), harga ICsat dan VCEcut-off adalah:

I Csat 

VCC  VLED 5  1.5   0.875 mA ( RC  RE ) 4K

54

VCEcutoff  VCC  VLED  5  1.5  3.5 volt

Dan, jika VLED dianggap 2.5 volt, maka berdasarkan persamaan (12.8) dan (12.9), harga ICsat dan VCEcut-off adalah yang baru adalah:

I Csat 

VCC  VLED 5  2.5   0.625 mA ( RC  RE ) 4K

VCEcutoff  VCC  VLED  5  2.5  2.5 volt

Karena harga arus IC (untuk kedua harga VLED) lebih kecil dari kedua harga IC sat IC < IC sat, maka dapat disimpulkan bahwa rangkaian transistor ini bekerja pada daerah aktif. Persamaan garis beban untuk harga VLED yang berbeda ditampilkan pada Gambar 2.4 di bawah ini.

55

IC IC sat 0.875 mA IC sat 0.625 mA IC

0.43 mA

Q2

Q1

VCE cut-off 2.5 volt

VCE cut-off 3.5 volt

VCE

Gambar 2.4. Garis Beban Rangkaian Sumber Arus

Dari garis beban pada Gambar 12.3, tampak bahwa arus yang jatuh pada LED memiliki harga yang sama, yaitu IC = 0.43 mA, baik untuk VLED = 1.5 volt dan VLED = 2.5 volt. Hal ini akan mengakibatkan LED akan memiliki terang yang sama,

tidak

perduli

terhadap

perubahan

tegangan

jatuhnya.

56

2.8. Rangkaian Bias Basis Rangkaian transistor yang telah dibahas pada modul-modul sebelumnya adalah sebuah Rangkaian Bias Basis, seperti yang tampak pada Gambar 2.5 di bawah ini.

VCC 15V

RC 3.0k

RC 3.0k

Q RB

Q1

VCC 10 V

200k

RB

2N1711

VBB

200k

5V

2N1711

(a)

(b)

Gambar 2.5 (a) Rangkaian Bias Basis dan (b) Bentuk Lain Rangkaian Bias Basis Pada rangkaian ini, sumber tegangan VBB membias forward dioda emitter melalui tahanan RB yang membatasi

57

arus IB. Sedangkan dalam rangkaian kolektor, sumber tegangan VCC membias reverse dioda kolektor melalui tahanan RC. Dari rangkaian kolektor ini, dapat diturunkan sebuah persamaan garis, yang dikenal dengan istilah Garis Beban (Load Line). Pada garis ini, tegangan kolektor-emiter (VCE) dan arus kolektor (IC) dianggap sebagai variabel. Karena telah dibahas pada modul sebelumnya, rangkaian ini tidak diperbincangkan lagi pada modul ini.

2.9. Rangkaian Pembagi Tegangan (Voltage Divider) Gambar 12.3 menunjukkan bias pembagi tegangan, bias yang paling banyak digunakan dalam rangkaianrangkaian diskrit linear. Nama ’pembagi tegangan’ berasal dari pembagi tegangan yang dibentuk oleh R1 dan R2. Tegangan pada R2 membias forwar dioda emiter. Seperti rangkaian lainnya, catu VCC membias reverse dioda kolektor.

58

VCC 30V

R1

RC

20k

3.9k

Q1

2N1711

R2

RE

10k

5.1k

Gambar 2.6 Rangkaian Bias Pembagi Tegangan

Rangkaian bias pembagi tegangan bekerja sebagai berikut. Arus basis, IB, dalam rangkaian ini kecil sekali dibandingkan dengan arus dalam R1 dan R2. Akibatnya, kita dapat menggunakan teorema pembagi tegangan untuk mendapatkan tegangan pada R2, yaitu:

59

V2 

R2 VCC R1  R2 (2.10)

sehingga pada lup emiter terjadi persamaan tegangan sebagai berikut:

 V2  VBE  I E RE  0, atau IE 

V2  VBE RE (2.11)

Sementara itu, persamaan tegangan pada lup kolektor adalah:

 VCC  I C RC  VCE  I E RE  0 (2.12) karena IC dan IE hampir sama, maka persamaan (12.3) dapat dituliskan kembali:

60

 VCC  I C RC  VCE  I C RE  0  VCC  I C ( RC  RE )  VCE  0 IC 

VCC  VCE ( RC  RE )

(12.4) Sebagaimana rangkaian bias basis, pada rangkaian bias ini juga dapat digambarkan Garis Beban. Juga dapat diturunkan arus ICsat, yaitu:

I Csat 

VCC RC  RE (2.13)

dan tegangan VCEcut-off, yaitu: VCEcutoff  VCC

(2.14) Sebuah transistor dirangkai secara bias pembagi tegangan, seperti tampak pada Gambar 2.3, dimana R1 = 20 Kohm, R2 = 10 Kohm, RC = 4 Kohm, RE = 5 kohm dan VCC = 30 volt. Gambarkan garis beban untuk rangkaian ini!

61

Tegangan pada V2 adalah: V2 

R2 VCC R1  R2

10 Kohm 30 20 Kohm  10 Kohm V2  10volt V2 

sehingga pada lup emiter terjadi persamaan tegangan sebagai berikut:

 V2  VBE  I E RE  0, atau IE 

V2  VBE 10  0.7   1.86 mA RE 5Kohm

Sementara itu, persamaan tegangan pada lup kolektor adalah:

 VCC  I C RC  VCE  I E RE  0

karena IC dan IE hampir sama, maka:

62

 VCC  I C RC  VCE  I E RE  0 VCE  VCC  I E ( RC  RE ) VCE  30  1.86 * 9  13.3 volt

dan

IC 

VCC  VCE ( RC  RE )

Sehingga:

I Csat 

VCC 30   3.33 mA RC  RE (4 Kohm  5Kohm)

VCEcutoff  VCC  30 volt

Maka, persamaan garis beban dan titik operasinya digambarkan pada Gambar 2.7 di bawah ini.

63

IC

IC sat 3.33 mA

1.86 mA

13.3 volt

VCE cut-off 30 volt

VCE

Gambar 12.7 Garis Beban Rangkaian Bias Pembagi Tegangan pada Gambar 2.6

2.10. Rangkaian Umpan Balik Kolektor Rangkain Bias Umpan Balik Kolektor ditunjukan pada Gambar 12.8 di bawah ini. Bias ini memberikan kesederhanaan (hanya 2 resistor) dan respon frekuensi rendah yang baik. Pada rangkaian ini, tahanan basis, RB, dikembalikan ke kolektor dan bukan ke pencatu daya.

64

Untuk menggerakan tahanan basis, tidak digunakan tegangan catu yang tetap, tetapi menggunakan tegangan kolektor. Ini memasukan konsep umpan balik yang membantu mengurangi efek dari β terhadap titik operasi, Q. VCC 15V

RC 1.0k

Q1 RB 200k 2N1711

Gambar 2.8 Rangkaian Bias Umpan Balik Kolektor Persamaan tegangan pada lup basis adalah:

I B RB  VBE  VCE  0, atau V CE  I B RB  VBE (2.15)

65

karena β = IC/IB, maka IB = IC/ β, sehingga VCE 

IC



R B VBE

(2.16) Sedangkan persamaan tegangan pada lup kolektor adalah:

VCE  VCC  I C RC  0 VCE  VCC  I C RC (2.17) Jika setiap bagian kanan dari persamaan (12.8) dan (12.9), maka akan didapatkan: IC

 IC



R B  V BE  VCC  I C RC R B  I C RC  VCC  V BE

IC (

RB



IC 

 RC )  VCC  V BE

VCC  V BE ( R B /  )  RC

(2.18)

66

Dari persamaan (2.10) inilah dapat dibuatkan Garis Beban dari rangkaian bias umpan balik kolektor ini.

Sebuah transistor dirangkai secara bias umpan balik kolektor, seperti tampak pada Gambar 12.5, dimana RB = 200 Kohm, RC = 1 Kohm dan VCC = 15 volt. Gambarkan garis beban untuk rangkaian ini, jika β berubah dari 100 menjadi 300! Berdasarkan persamaan (2.10), dimana:

IC 

VCC  VBE ( RB /  )  RC

maka: 15  0.7  4.77 mA, untuk   100 (200 / 100)  1 15  0.7 IC   8.58 mA, untuk   300 (200 / 300)  1 IC 

dan berdasarkan persamaan (2.9), dimana:

67

VCE  VCC  I C RC maka: VCEcut-off = 15 volt ICsat = 15 mA Garis Beban dari rangkaian ini adalah: IC

IC sat 15 mA

8.58 mA 4.77 mA

13.3 volt

VCE cut-off 150 volt

VCE

Gambar 2.9 Garis Beban Rangkaian Bias Umpan Balik Kolektor pada Gambar 2.8

68

Dari garis beban diatas, dapat disimpulkan bahwa bias ini memiliki keunggulan karena tidak sensitif terhadap perubahan β.

69

DAFTAR PUSTAKA Malvino, Albert Paul. 1984. Prinsip-Prinsip Elektronika. Jakarta: Erlangga Millman,Jacob & Cristos C. Jalkias. 1986.Elektronika Terpadu. Jakarta: Erlangga Http:\\.id.wikipedia.org/wiki/transistor

70