3.1 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 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 nanti pada bab berikutnya akan sampai pada analisis yang lebih mendetail.
Disamping itu komponen semikonduktor ini membutuhkan sumber daya yang kecil serta 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 nanti pada bab berikutnya akan sampai pada analisis yang lebih mendetail.
3.2 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 3.1.
Ketiga terminal transistor tersebut dikenal dengan Emitor (E), Basis (B) dan Kolektor (C). Emitor 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.
Gambar 3.1 Struktur dan simbol transistor bipolar
Disamping itu yang perlu diperhatikan adalah bahwa ukuran basis sangatlah tipis dibanding emitor dan kolektor. Perbandingan lebar basis ini dengan lebar emitor 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 3.1. Pada kaki emitor terdapat tanda panah yang nanti bisa diketahui bahwa itu merupakan arah arus konvensional. Pada transistor npn tanda panahnya menuju keluar sedangkan pada transistor pnp tanda panahnya menuju kedalam.
Simbol transitor bipolar ditunjukkan pada gambar 3.1. Pada kaki emitor terdapat tanda panah yang nanti bisa diketahui bahwa itu merupakan arah arus konvensional. Pada transistor npn tanda panahnya menuju keluar sedangkan pada transistor pnp tanda panahnya menuju kedalam.
3.3 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).
Gambar 3.2. Diagram potensial pada transistor tanpa bias
Pada diagram potensial terlihat bahwa terdapat perbedaan potensial antara kaki emitor 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 transistor tidak diberi tegangan bias, maka arus tidak akan mengalir.
Selanjutnya apabila antara terminal emitor dan basis diberi tegangan bias maju (emitor 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 3.3).
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 emitor-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 emitor-basis (P-N) dan dioda basis-kolektor (N-P).
Selanjutnya apabila antara terminal emitor dan basis diberi tegangan bias maju (emitor 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 3.3).
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 emitor-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 emitor-basis (P-N) dan dioda basis-kolektor (N-P).
Gambar 3.3. Transistor dengan tegangan bias aktif
Bila mengikuti prinsip kerja dua dioda yang berbalikan, maka dioda emitor-basis yang mendapat bias maju akan mengalirkan arus dari emitor ke basis dengan cukup besar. Sedangkan dioda basis-kolektor yang mendapat bias mundur praktis tidak mengalirkan arus. Dengan demikian terminal emitor 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 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 emitor (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 3.4.
Namun yang terjadi pada transistor tidaklah demikian. Hal ini disebabkan karena dua hal, yaitu: ukuran 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 emitor (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 3.4.
Gambar 3.4 Diagram potensial pada transistor dengan bias aktif
Tegangan bias maju yang diberikan pada dioda emitor-basis (VEB) akan mengurangi potensial penghalang Vo, sehingga pembawa muatan mayoritas pada emitor 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 basis-kolektor yang semakin tinggi sebagai akibat penerapan bias mundur VCB.
Dengan demikian arus dari emitor (IE) sebagian kecil dilewatkan ke basis (IB) dan sebagian besar lainnya diteruskan kolektor (IC). Sesuai dengan hukum Kirchhoff maka diperoleh persamaan yang sangat penting yaitu:
Dengan demikian arus dari emitor (IE) sebagian kecil dilewatkan ke basis (IB) dan sebagian besar lainnya diteruskan kolektor (IC). Sesuai dengan hukum Kirchhoff maka diperoleh persamaan yang sangat penting yaitu:
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 emitor 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 3.5. Dari gambar tersebut terlihat bahwa arus kolektor merupakan penjumlahan dari arus pembawa mayoritas dan arus pembawa minoritas, yaitu IC = ICmayoritas + ICBOminoritas.
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 3.5. Dari gambar tersebut terlihat bahwa arus kolektor merupakan penjumlahan dari arus pembawa mayoritas dan arus pembawa minoritas, yaitu IC = ICmayoritas + ICBOminoritas.
Gambar 3.5. Diagram aliran arus dalam transistor
3.4 Konfigurasi Transistor
Secara umum terdapat tiga macam variasi rangkaian transistor yang dikenal dengan istilah konfigurasi, yaitu konfigurasi basis bersama (common-base configuration), konfigurasi emitor bersama (common-emitter configuration), dan konfigurasi kolektor bersama (commoncollector configuration). Istilah bersama dalam masing-masing konfigurasi menunjuk pada terminal yang dipakai bersama untuk input (masukan) dan output (keluaran). Gambar 3.6 menunjukkan tiga macam konfigurasi tersebut.
Secara umum terdapat tiga macam variasi rangkaian transistor yang dikenal dengan istilah konfigurasi, yaitu konfigurasi basis bersama (common-base configuration), konfigurasi emitor bersama (common-emitter configuration), dan konfigurasi kolektor bersama (commoncollector configuration). Istilah bersama dalam masing-masing konfigurasi menunjuk pada terminal yang dipakai bersama untuk input (masukan) dan output (keluaran). Gambar 3.6 menunjukkan tiga macam konfigurasi tersebut.
Gambar 3.6. Konfigurasi transistor; (a) basis bersama; (b) emitor bersama;
(c) kolektor bersama
(c) kolektor bersama
Pada konfigurasi basis bersama (common base = CB) sinyal input dimasukkan ke emitor dan sinyal output diambil pada kolektor dengan basis sebagai ground-nya. Faktor penguatan arus pada basis bersama disebut dengan ALPHA (a). adc (alpha dc) adalah perbandingan arus IC dengan arus IE pada titik kerja. Sedangkan aac (alpha ac) atau sering juga disebut alpha (a) saja merupakan perbandingan perubahan IC dengan IE pada tegangan VCB tetap.
Dari diagram aliran arus pada gambar 3.5 dapat diketahui bahwa harga a adalah kurang dari satu, karena arus IE sebagian dilewatkan menjadi IB dan lainnya menuju kolektor menjadi IC. Harga tipikal dari a adalah 0,90 hingga 0,998. Umumnya harga a untuk setiap transistor dicantumkan dalam buku data.
Dengan memasukan arus bocor ICBO kedalam perhitungan, maka besarnya arus IC menjadi:
Dengan memasukan arus bocor ICBO kedalam perhitungan, maka besarnya arus IC menjadi:
Pada konfigurasi emitor bersama (common emitter = CE) sinyal input diumpankan
pada basis dan output diperoleh dari kolektor dengan emitor sebagai groundnya. Faktor penguatan
arus pada emitor bersama disebut dengan BETA (b). Seperti halnya pada a, istilah b
juga terdapat bdc (beta dc) maupun bac (beta ac). Definisi bac (atau b saja) adalah:
pada basis dan output diperoleh dari kolektor dengan emitor sebagai groundnya. Faktor penguatan
arus pada emitor bersama disebut dengan BETA (b). Seperti halnya pada a, istilah b
juga terdapat bdc (beta dc) maupun bac (beta ac). Definisi bac (atau b saja) adalah:
Istilah b sering dikenal juga dengan hfe yang berasal dari parameter hibrid untuk faktor penguatan arus pada emitor bersama. Data untuk harga hfe maupun b ini lebih banyak dijumpai dalam berbagai buku data dibanding dengan a. Umumnya transistor mempunyai harga b dari 50 hingga lebih dari 600 tergantung dari jenis transistornya.
Dalam perencanaan rangkaian transitor perlu diperhatikan bahwa harga b dipengaruhi oleh arus kolektor. Demikian pula variasi harga b 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 b yang sama.
Hubungan antara a dan b dapat dikembangkan melalui beberapa persamaan berikut:
Dalam perencanaan rangkaian transitor perlu diperhatikan bahwa harga b dipengaruhi oleh arus kolektor. Demikian pula variasi harga b 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 b yang sama.
Hubungan antara a dan b dapat dikembangkan melalui beberapa persamaan berikut:
Apabila dimasukan kedalam persamaan:
IE = IC + IB
maka diperoleh:
maka diperoleh:
Dengan memasukan arus bocor ICBO kedalam perhitungan, maka besarnya arus IC dalam kaitannya dengan a adalah seperti dalam persamaan 3.3, yaitu: IC = aIE + ICBO. Sedangkan arus IC dalam hubungannya dengan b dapat dijelaskan sebagai berikut. Dengan memasukkan persamaan 3.1: IE = IC + IB ke dalam persamaan 3.3 tersebut diperoleh:
Bila persamaan 3.5 dan 3.6 dimasukkan, maka diperoleh harga IC sebesar:
Dalam persamaan 3.7 di atas terdapat arus bocor sebesar (b + 1)ICBO atau sering disebut dengan istilah ICEO. Arus bocor ICEO ini adalah arus kolektor ke emitor dengan basis terbuka. Arus bocor ICBO dan ICEO dapat dilukiskan seperti pada gambar 3.7.
Gambar 3.7 Diagram arus bocor (a) ICBO dan (b) ICEO
3.5 Kurva Karakteristik Transistor
Seperti halnya dioda semikonduktor, sebagai komponen non-linier transistor bipolar mempunyai karakteristik yang bisa dilukiskan melalui beberapa kurva. Namun karena transistor mempunyai tiga terminal, maka karakteristik transistor tersebut biasanya dilukiskan dalam bentuk kurva parametrik. 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 silikon dapat dilihat pada gambar 3.8. Kurva ini menggambarkan hubungan antara arus input IE dengan 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 hampir menyerupaikurva dioda pada saat mendapat bias maju. Hal yang terjadi pada transistor juga demikian, karena persambungan emitor-basis mendapat bias maju. Pada saat tegangan VBE sekitar 0,7 Volt (tegangan cut-in) arus IE akan naik dengan cepat.
Seperti halnya dioda semikonduktor, sebagai komponen non-linier transistor bipolar mempunyai karakteristik yang bisa dilukiskan melalui beberapa kurva. Namun karena transistor mempunyai tiga terminal, maka karakteristik transistor tersebut biasanya dilukiskan dalam bentuk kurva parametrik. 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 silikon dapat dilihat pada gambar 3.8. Kurva ini menggambarkan hubungan antara arus input IE dengan 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 hampir menyerupaikurva dioda pada saat mendapat bias maju. Hal yang terjadi pada transistor juga demikian, karena persambungan emitor-basis mendapat bias maju. Pada saat tegangan VBE sekitar 0,7 Volt (tegangan cut-in) arus IE akan naik dengan cepat.
Gambar 3.8 Kurva karakteristik input untuk CB
Perubahan tegangan VCB dari 1 Volt ke 20 Volt mempunyai pengaruh yang sangat sedikit terhadap kurva. Sehingga secara pendekatan dapat dikatakan bahwa arus emitor hanya dipengaruhi oleh tegangan VBE. Disamping itu karena bentuk kurvanya hampir tegak lurus, maka pada saat transistor aktif tegangan VBE bisa dianggap sebesar 0,7 Volt. Masih dalam konfigurasi basis bersama (CB), gambar 3.9 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 tegangan bias sedemikian rupa sehingga bekerja pada daerah aktif.
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 tegangan bias sedemikian rupa sehingga bekerja pada daerah aktif.
Gambar 3.9 Kurva karakteristik output untuk CB
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 hampir sama dengan arus IC yaitu IC/IE = a, dimana a bernilai hampir 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 = aIE + ICBO. Sehingga pada saat IE = 0, yaitu pada daerah mati, maka sebenarnya pada kolektor mengalir arus bocor sebesar ICBO. Lihat gambar 3.7 (a)
Selanjutnya untuk kurva karakteristik input pada konfigurasi emitor bersama (CE) untuk transistor npn bahan silikon dapat dilihat pada gambar 3.10. 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.
Apabila arus bocor ikut diperhitungkan, maka menurut persamaan 3.3 besarnya arus IC adalah sama dengan IC = aIE + ICBO. Sehingga pada saat IE = 0, yaitu pada daerah mati, maka sebenarnya pada kolektor mengalir arus bocor sebesar ICBO. Lihat gambar 3.7 (a)
Selanjutnya untuk kurva karakteristik input pada konfigurasi emitor bersama (CE) untuk transistor npn bahan silikon dapat dilihat pada gambar 3.10. 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.
Gambar 3.10 Kurva karakteristik input untuk CE
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 emitor bersama adalah pada gambar 3.11. 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.
Dari kurva terlihat bahwa meskipun arus basis IB = 0 yakni pada saat transistor mati, pada kolektor masih mengalir arus bocor ICEO sebesar (b + 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.
Kurva karakteristik output untuk konfigurasi emitor bersama adalah pada gambar 3.11. 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.
Dari kurva terlihat bahwa meskipun arus basis IB = 0 yakni pada saat transistor mati, pada kolektor masih mengalir arus bocor ICEO sebesar (b + 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 3.9 Kurva karakteristik output untuk CE
Satu lagi kurva untuk emitor bersama yang juga penting untuk diperhatikan adalah kurva transfer yang melukiskan hubungan antara arus output IC dengan tegangan input VBE. Gambar 3.10 menunjukkan kurva karakteristik tersebut untuk transistor npn bahan silikon.
Gambar 3.10 Kurva transfer untuk CE transistor silikon
Transistor silikon akan mati (cut-off) apabila tegangan VBE = 0 Volt atau basis dalam keadaan hubung singkat (dengan emitor). 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 sama. Dan bahkan karena kecilnya nilai arus bocor ini, biasanya dalam perhitungan praktis sering diabaikan.
Tegangan cut-in Vg adalah tegangan VBE yang menyebabkan arus kolektor kira-kira mengalir sebesar 1 persent dari arus maksimum. Besarnya Vg 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 3.2 memberikan beberapa tegangan pada persambungan transistor baik untuk germanium maupun silikon.
Tegangan cut-in Vg adalah tegangan VBE yang menyebabkan arus kolektor kira-kira mengalir sebesar 1 persent dari arus maksimum. Besarnya Vg 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 3.2 memberikan beberapa tegangan pada persambungan transistor baik untuk germanium maupun silikon.
3.6 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 10oC.
Pada transistor silikon dimana harga arus bocornya dalam orde nanoampere umumnya mampu untuk dipakai sampai temperatur 200o C. Sedangkan transistor germanium yang arus bocornya dalam orde mikroamper mampu untuk dipakai hingga suhu 100o C.
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 3.11. Demikian juga faktor penguatan arus a dan b akan cenderung untuk naik terhadap perubahan temperatur. Pengaruh temperatur terhadap b atau hfe dapat dilihat pada gambar 3.12.
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 10oC.
Pada transistor silikon dimana harga arus bocornya dalam orde nanoampere umumnya mampu untuk dipakai sampai temperatur 200o C. Sedangkan transistor germanium yang arus bocornya dalam orde mikroamper mampu untuk dipakai hingga suhu 100o C.
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 3.11. Demikian juga faktor penguatan arus a dan b akan cenderung untuk naik terhadap perubahan temperatur. Pengaruh temperatur terhadap b atau hfe dapat dilihat pada gambar 3.12.
Gambar 3.11 Pengaruh perubahan temperatur terhadap arus kolektor IC.
Disamping itu perubahan temperatur juga mempengaruhi besarnya tegangan VBE. Apabila temperatur naik, maka tegangan bias maju VBE untuk menghasilkan arus kolektor IC tertentu akan menurun. Koefisien perubahan temperatur terhadap tegangan VBE ini adalah sebesar -2.5 mV/o C. Artinya bahwa untuk menghasilkan arus kolektor IC tertentu tegangan VBE yang diperlukan akan turun sebesar 2,5 mV setiap kenaikan suhu 1o C.
Gambar 3.12: Variasi b (hfe) terhadap IC dan temperatur
Apabila pada temperatur T1 = 25o C tegangan VBE suatu transistor 0,7 Volt dapat menghasilkan IC sebesar 10 mA, maka untuk mencapai arus IC yang sama pada temperatur T2 = 50o C diperlukan tegangan VBE sebagai berikut.
Jadi pada suhu 50o C dibutuhkan tegangan VBE = 0.637 V untuk menghasilkan arus IC = 10 mA. Lihat gambar 3.13.
Gambar 3.13 Pengaruh temperatur terhadap VBE
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.
3.7 Ringkasan
Struktur transistor terdiri atas sebuah bahan type p yang diapit oleh dua bahan tipe n (transistor NPN) atau terdiri atas sebuah bahan tipe n yang diapit oleh dua bahan tipe p (transistor PNP). Meskipun strukturnya mirip seperti dua buah dioda yang disambung berbalikan, namun prinsip kerjanya sama sekali berbeda. Hal ini disebabkan karena ukuran fisik basis yang sangat sempit (kecil) dan tingkat doping basis yang sangat rendah.
Terdapat tiga macam variasi rangkaian transistor yang dikenal dengan istilah konfigurasi, yaitu konfigurasi basis bersama (CB), konfigurasi emitor bersama (CE), dan konfigurasi kolektor bersama (CC). Pada konfigurasi CE sinyal input diumpankan pada basis dan output diperoleh dari kolektor dengan emitor sebagai groundnya. Faktor penguatan arus pada emitor bersama disebut dengan BETA (b). Kurva karakteristik transistor yang paling penting adalah karakteristik input dan karakteristik output.
Struktur transistor terdiri atas sebuah bahan type p yang diapit oleh dua bahan tipe n (transistor NPN) atau terdiri atas sebuah bahan tipe n yang diapit oleh dua bahan tipe p (transistor PNP). Meskipun strukturnya mirip seperti dua buah dioda yang disambung berbalikan, namun prinsip kerjanya sama sekali berbeda. Hal ini disebabkan karena ukuran fisik basis yang sangat sempit (kecil) dan tingkat doping basis yang sangat rendah.
Terdapat tiga macam variasi rangkaian transistor yang dikenal dengan istilah konfigurasi, yaitu konfigurasi basis bersama (CB), konfigurasi emitor bersama (CE), dan konfigurasi kolektor bersama (CC). Pada konfigurasi CE sinyal input diumpankan pada basis dan output diperoleh dari kolektor dengan emitor sebagai groundnya. Faktor penguatan arus pada emitor bersama disebut dengan BETA (b). Kurva karakteristik transistor yang paling penting adalah karakteristik input dan karakteristik output.
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 10o C. Akibatnya maka arus kolektor juga cenderung untuk naik apabila temperatur naik. Disamping itu perubahan temperatur juga mempengaruhi besarnya tegangan VBE. Apabila temperatur naik, maka tegangan bias maju VBE untuk menghasilkan arus kolektor IC tertentu akan menurun.
