ALL ABOUT TRANSISTOR - RESUME

1.    Dasar-dasar Transistor

Pada  postingan sebelumnya telah laras sharing tentang karakteristik dasar  diode,  sebuah piranti  dua terminal  (karenanya  disebut  di-ode) beserta aplikasinya. Pada bagian  ini  akan laras posting karakteristik piranti tiga  terminal  atau  lebih dikenal  sebagai  “transistor”.  Pertama-tama  membahas  transistor  bipolar  atau  BJT  (Bipolar Junction  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.

Gambar 1 Diagram BJT : a) Jenis n-p-n dan b) Jenis p-n-p

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 semi konduktor  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 pada gambar diagram BJT diatas.

Tanda  panah pada  gambar  1  menunjukkan kaki  emitor  dan  titik dari material tipe-pke 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”.

2.      Pabrikasi BJT

Pabrikasi BJT dapat dilakukan dengan dua teknik, yaitu struktur transistor-alloy melalui difusi  dan  struktur  transistor  planar.    Gambar  2.a) diatas  menunjukkan  struktur  transistor alloy  n-p-n.  Kolektor  terbuat  dari  chip  semikonduktor  tipe-n dengan  ketebalan kurang dari  1  . 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  2.b)), suatu lapisan tipe-n dengan tingkat doping rendah ditumbuhkan di  atas substrat   (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).

Gambar 2 Transistor : a) Sumber alloy , b) Sumber planar dan c) Simbol rangkaian

Secara  konvensional  simbol transistor  n-p-n diperlihatkan pada  gambar 2-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  berfungsi sebagai  emitor, namun karena  kedua  daerah  mempunyai tingkat  doping  dan  geometri yang berbeda, maka daerah n yang dimaksud harus diberi label.

3.    Pengoperasian Transistor

Pada gambar 3-a diperlihatkan keping horizontal transistor jenis n-p-n.  Pengoperasian transistor  dapat  diterangkan  secara  kualitatif  dalam  hal  distribusi  potensial  pada sambungan  (gambar  3-b).  Sambungan  emitor  berpanjar  maju,  dengan  efek dari tegangan panjar  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    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.

Gambar 3 Pengoperasian transistor n-p-n

Gambar 4 Skema pergerakan pembawa muatan pada pengoperasian transistor n-p-n.

4.    Karakteristik DC

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 4 Komponen  terbesar  dari  arus  emitor  (ϒ) terdiri  atas  elektron  yang  mengalir melewati  penurunan  tegangan potensial  () 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% electron 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     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 pada  sambungan  emitor-basis, kita  menginjeksi  arus  yang  diberikan oleh persamaan  arus diode