Bipolar Junction Transistor

Pengertian Bipolar Junction Transistor

Bipolar Junction Transistor (BJT) adalah salah satu jenis dari transistor. Ini adalah peranti tiga-saluran yang terbuat dari bahan semikonduktor terkotori. Dinamai bipolar karena operasinya menyertakan baik elektron maupun lubang elektron, berlawanan dengan transistor ekakutub seperti FET yang hanya menggunakan salah satu pembawa. Walaupun sebagian kecil dari arus transistor adalah pembawa mayoritas, hampir semua arus transistor adalah dikarenakan pembawa minoritas, sehingga BJT diklasifikasikan sebagai peranti pembawa-minoritas.

Strukur Bipolar Junction Transistor

BJT terdiri dari tiga daerah semikonduktor yang berbeda pengotorannya, yaitu daerah emitor, daerah basis dan daerah kolektor. Daerah-daerah tersebut adalah tipe-p, tipe-n dan tipe-p pada transistor PNP, dan tipe-n, tipe-p dan tipe-n pada transistor NPN. Setiap daerah semikonduktor disambungkan ke saluran yang juga dinamai emitor (E), basis (B) dan kolektor (C). Basis secara fisik terletak di antara emitor dan kolektor, dan dibuat dari bahan semikonduktor terkotori ringan resistivitas tinggi. Kolektor mengelilingi daerah emitor, membuat hampir tidak mungkin untuk mengumpulkan elektron yang diinjeksikan ke daerah basis untuk melarikan diri, membuat harga α sangat dekat ke satu, dan juga memberikan β yang lebih besar. Irisan dari BJT menunjukkan bahwa pertemuan kolektor-basis jauh lebih besar dari pertemuan kolektor-basis. Transistor pertemuan dwikutub tidak seperti transistor lainnya karena biasanya bukan merupakan peranti simetris. Ini berarti dengan mempertukarkan kolektor dan emitor membuat transistor meninggalkan moda aktif-maju dan mulai beroperasi pada moda terbalik. Karena struktur internal transistor dioptimalkan untuk operasi moda aktif-maju, mempertukarkan kolektor dan emitor membuat harga α dan β pada operasi mundur jauh lebih kecil dari harga operasi maju, seringkali α bahkan kurang dari 0.5. Buruknya simetrisitas terutama dikarenakan perbandingan pengotoran pada emitor dan kolektor. Emitor dikotori berat, sedangkan kolektor dikotori ringan, memungkinkan tegangan panjar terbalik yang besar sebelum pertemuan kolektor-basis bobol. Pertemuan kolektor-basis dipanjar terbalik pada operasi normal. Alasan emitor dikotori berat adalah untuk memperbesar efisiensi injeksi, yaitu perbandingan antara pembawa yang diinjeksikan oleh emitor dengan yang diinjeksikan oleh basis. Untuk penguatan arus yang tinggi, hampir semua pembawa yang diinjeksikan ke pertemuan emitor-basis harus datang dari emitor. Perubahan kecil pada tegangan yang dikenakan membentangi saluran basis-emitor menyebabkan arus yang mengalir di antara emitor dan kolektor untuk berubah dengan signifikan. Efek ini dapat digunakan untuk menguatkan tegangan atau arus masukan. BJT dapat dianggap sebagai sumber arus terkendali tegangan, lebih sederhana dianggap sebagai sumber arus terkendali arus, atau penguat arus, dikarenakan rendahnya impedansi pada basis. Transistor-transistor awal dibuat dari germanium tetapi hampir semua BJT modern dibuat dari silikon. Beberapa transistor juga dibuat dari galium arsenid, terutama untuk penggunaan kecepatan tinggi.

Jenis-Jenis Bipolar Junction Transistor

1.      NPN

NPN adalah satu dari dua tipe BJT, dimana huruf N dan P menunjukkan pembawa muatan mayoritas pada daerah yang berbeda dalam transistor. Hampir semua BJT yang digunakan saat ini adalah NPN karena pergerakan elektron dalam semikonduktor jauh lebih tinggi daripada pergerakan lubang, memungkinkan operasi arus besar dan kecepatan tinggi. Transistor NPN terdiri dari selapis semikonduktor tipe-p di antara dua lapisan tipe-n. Arus kecil yang memasuki basis pada tunggal emitor dikuatkan di keluaran kolektor. Dengan kata lain, transistor NPN hidup ketika tegangan basis lebih tinggi daripada emitor. Tanda panah dalam simbol diletakkan pada kaki emitor dan menunjuk keluar (arah aliran arus konvensional ketika peranti dipanjar maju).

2.      PNP

Transistor PNP terdiri dari selapis semikonduktor tipe-n di antara dua lapis semikonduktor tipe-p. Arus kecil yang meninggalkan basis pada moda tunggal emitor dikuatkan pada keluaran kolektor. Dengan kata lain, transistor PNP hidup ketika basis lebih rendah daripada emitor. Tanda panah pada simbol diletakkan pada emitor dan menunjuk kedalam.

Prinsip Kerja Bipolar Junction Transistor

BJT (Bipolar Junction Transistor) tersusun atas tiga material semikonduktor terdoping yang dipisahkan oleh dua sambungan pn. Ketiga material semikonduktor tersebut dikenal dalam BJT sebagai emitter, base dan kolektor (Gambar 1). Daerah base merupakan semikonduktor dengan sedikit doping dan sangat tipis bila dibandingkan dengan emitter (doping paling banyak) maupun kolektor (semikonduktor berdoping sedang). Karena strukturnya fisiknya yang seperti itu, terdapat dua jenis BJT. Tipe pertama terdiri dari dua daerah n yang dipisahkan oleh daerah p (npn), dan tipe lainnya terdiri dari dua daerah p yang dipisahkan oleh daerah n (pnp). Sambungan pn yang menghubungkan daerah base dan emitter dikenal sebagai sambungan base-emiter (base-emitter junction), sedangkan sambungan pn yang menghubungkan daerah base dan kolektor dikenal sebagai sambungan base-kolektor (base-collector junction).

Gambar 2 menunjukkan simbol skematik untuk bipolar junction transistor tipe npn dan pnp. Istilah bipolar digunakan karena adanya elektron dan hole sebagai muatan pembawa (carriers) didalam struktur transistor.

Gambar 3 menunjukkan rangkaian kedua jenis transistor npn dan pnp dalam mode operasi aktif transistor sebagai amplifier. Pada kedua rangkaian, sambungan base-emiter (BE) dibias maju (forward-biased) sedangkan sambungan base-kolektor (BC) dibias mundur (reverse-biased).

Sebagai gambaran dan ilustrasi kerja transistor BJT, misalkan pada transistor npn (gambar 4). Ketika base dihubungkan dengan catu tegangan positif dan emiter dicatu dengan tegangan negatif maka daerah depletion BE akan menyempit. Pencatuan ini akan mengurangi tegangan barrier internal sehingga muatan mayoritas (tipe n) mampu untuk melewati daerah sambungan pn yang ada. Beberapa hole dan elektron akan mengalami rekombinasi di daerah sambungan sehingga arus mengalir melalui device dibawa oleh hole pada base(daerah tipe-p) dan elektron pada emiter (daerah tipe-n ). Karena derajat doping pada emiter (daerah tipe n) lebih besar daripada base (daerah tipe p), arus maju akan dibawa lebih banyak oleh elektron. Aliran dari muatan minoritas akan mampu melewati sambungan pn sebagai kondisi reverse bias tetapi pada skala yang kecil sehingga arus yang timbul pun sangat kecil dan dapat diabaikan.

Elektron banyak mengalir dari emiter ke daerah base yang tipis. Karena daerah base berdoping sedikit, elektron pada hole tidak dapat berekombinasi seluruhnya tetapi berdifusi ke dalam daerah depletion BC. Karena base dicatu negatif dan kolektor dicatu positif (reverse bias), maka depletion BC akan melebar. Pada daerah depletion BC, elektron yang mengalir dari emiter ke base akan terpampat pada daerah depletion BC. Karena pada daerah kolektor terdapat muatan minoritas (ion positif) maka pada daerah sambungan BC akan terbentuk medan listrik oleh gaya tarik menarik antara ion positif dan ion negatif sehingga elektron tertarik kedaerah kolektor. Arus listrik kemudian akan mengalir melalui device.

Bipolar Junction Transistor (BJT) merupakan “current-amplifying device”, artinya BJT mengontrol jumlah arus yang mengalir pada basis dengan cara mengatur arus yang mengalir pada kolektor

Mode Operasi BJT

Berdasarkan kurva Hubungan V_CE, I_C dan I_B ada beberapa region yang menunjukkan daerah kerja transistor. Pertama adalah daerah saturasi, lalu daerah cut-off, kemudian daerah aktif dan seterusnya daerah breakdown.

Table.  Mode Operasi Transistor Bipolar

Mode	Junction Emitter-Base	Junction  Collector-Base	Function
Aktif	Forward bias	Reverse bias	Normal Amplifier (Sering digunakan)
Cut-off	Reverse bias	Reverse bias	Open switch
Saturation	Forward bias	Forward bias	Close switch
Breakdown	Reverse bias	Forward bias	Low gain amplifier

Ket

• Daerah Aktif >> Transistor beroperasi sebagai penguat dan Ic = β.Ib

Daerah kerja transistor yang normal adalah pada daerah aktif, yaitu ketika  arus IC konstans terhadap berapapun nilai VCE. Dari kurva ini diperlihatkan bahwa arus IC hanya tergantung dari besar arus IB. Daerah kerja ini biasa juga disebut daerah linear (linear region).

• Saturation   >>   Transistor "fully-ON", Ic = I(saturation)

Daerah saturasi adalah mulai dari VCE  = 0 volt sampai kira-kira 0.7 volt (transistor silikon). Ini diakibatkan oleh efek p-n junction kolektor-basis yang membutuhkan tegangan yang cukup agar mampu mengalirkan elektron sama seperti dioda.  

• Cut-off   >>  Transistor menjadi "fully-OFF", Ic = 0

Daerah dimana Vce masih cukup kecil sehingga Arus IC = 0 atau IB = 0. Transistor dalam kondisi off

• Daerah Breakdown

Dari kurva kolektor, terlihat jika tegangan VCE  lebih dari 40 V, arus IC menanjak naik dengan cepat. Transistor pada daerah ini disebut berada pada daerah breakdown. Seharusnya transistor tidak boleh bekerja pada daerah ini, karena akan dapat merusak transistor tersebut. Untuk berbagai jenis transistor nilai tegangan VCE max  yang diperbolehkan sebelum breakdown bervariasi.

Konfigurasi Bipolar Junction Transistor

Karena Bipolar Transistor merupakan komponen atau piranti yang mempunyai tiga terminal, maka dimungkinkan memiliki 3 konfigurasi rangkaian dengan satu terminal menjadi input dan output yang sama.

Setiap konfigurasi mempunya respon yang berbeda untuk setiap sinyal input dalam rangkaian

1.      Common Base Configuration - Mempunyai “Voltage Gain” tanpa “Current Gain”.

2.      Common Emitter Configuration - Mempunyai “Current dan Voltage Gain”.

3.      Common Collector Configuration-Mempunyai “Current Gain Tanpa Voltage Gain”.

Karakteristik Arus Bipolar Junction Transistor

1. Alpha (α) >> αdc = IC/IE

Alpha (α) adalah perbandingan arus kolektor terhadap arus emitor. idealnya besar α dc adalah = 1 (satu). Namun umumnya transistor yang ada di pasaran memiliki α dc kurang lebih antara 0.95 sampai 0.99.

2. Beta (β) >> β = IC/IB 

Beta (β) didefenisikan sebagai besar perbandingan antara arus kolektor dengan arus basis. Artinya Beta (β)adalah parameter yang menunjukkan kemampuan penguatan arus (current gain) dari suatu transistor. 

Pabrikasi BJT

Pabrikasi BJT dapat dilakukan dengan dua teknik, yaitu struktur transistor-alloy melalui difusi dan struktur transistor planar. 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, 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).

Pembiasan Pada Transistor NPN

Transistor bipolar memiliki dua junction yaitu junction Emitor – Basis dan Junction Basis-Kolektor. Seperti pada dioda, arus listrik akan mengalir jika material P diberi bias positif, yaitu jika tegangan pada material P lebih positif dari material N. Pada gambar ilustrasi transistor NPN berikut ini, junction basis-emiter diberi bias positif (forward bias) sedangkan basis-kolektor mendapat bias negatif (reverse bias).

Karena basis-emiter mendapat bias foward seperti pada dioda, elektron mengalir dari emiter menuju basis. Kolektor pada rangkaian ini lebih positif sebab mendapat tegangan positif. Karena kolektor ini lebih positif, aliran elektron bergerak menuju kutub + battery . Bila tidak ada kolektor, seluruh aliran elektron akan menuju basis, seperti pada dioda. Karena lebar basis yang sangat tipis, maka hanya sebagian kecil elektron yang dapat bergabung dengan hole yang ada pada basis. Sebagian besar elektron akan menembus lapisan basis menuju kolektor. Inilah alasannya mengapa jika dua dioda digabungkan tidak dapat menjadi sebuah transistor.Persyaratannya adalah lebar basis harus sangat tipis sehingga dapat ditembus oleh elektron.

Jika tegangan basis-emitor dibalik (reverse bias), tidak akan terjadi aliran elektron dari emitor menuju kolektor. Jika basis – emitor diberi bias maju (forward bias), maka elektron pada emitor akan mengalir menuju kolektor dan besarnya sebanding dengan besar arus bias basis yang diberikan. Dengan demikian ternyata, arus basis mengatur banyaknya elektron yang mengalir dari emitor menuju kolektor. Ini yang dinamakan efek penguatan transistor, karena arus basis yang kecil menghasilkan arus emitor-kolektor yang lebih besar. Istilah amplifier (penguatan) menjadi kurang tepat, karena dengan penjelasan tersebut sebenarnya yang terjadi bukan penguatan, melainkan arus yang lebih kecil mengontrol aliran arus yang lebih besar. Juga dapat dijelaskan bahwa basis mengatur, membuka dan menutup aliran arus emiter-kolektor sehingga berfungsi sebagai saklar (switch on/off).

Pembiasan Pada Transistor PNP

Pada transistor PNP, fenomena yang sama dapat dijelaskan dengan memberikan bias seperti pada gambar berikut. Dalam hal ini yang disebut perpindahan arus adalah arus hole. Karena emitor-basis mendapat bias foward maka seperti pada dioda, hole mengalir dari emitor menuju basis. Kolektor pada rangkaian ini lebih negatif sebab mendapat tegangan negatif. Karena kolektor ini lebih negatif, aliran holehole akan menuju basis seperti pada dioda. Tetapi karena lebar basis yang sangat tipis, hanya sebagian kecil hole yang dapat bergabung dengan elektron yang ada pada basis. Sebagian besar akan menembus lapisan basis menuju kolektor. Inilah alasannya mengapa jika dua dioda digabungkan tidak dapat menjadi sebuah transistor. Persyaratannya adalah lebar basis harus sangat tipis sehingga dapat dilalui oleh hole.bergerak menuju kutub negatif baterai ini. Bila tidak ada kolektor, seluruh aliran.

Penggunaan

BJT tetap menjadi peranti pilihan untuk beberapa penggunaan, seperti sirkuit diskrit, karena tersedia banyak jenis BJT, transkonduktansinya yang tinggi serta resistansi kekuasannya yang tinggi dibandingkan dengan MOSFET. BJT juga dipilih untuk sirkuit analog khusus, terutama penggunaan frekuensi sangat tinggi (VHF), seperti sirkuit frekuensi radio untuk sistem nirkabel. Transistor dwikutub dapat dikombinasikan dengan MOSFET dalam sebuah sirkuit terpadu dengan menggunakan proses BiCMOS untuk membuat sirkuit inovatif yang menggunakan kelebihan kedua tipe transistor.

Sensor suhu

Karena ketergantungan suhu dan arus pada tegangan panjar maju pertemuan basis-emitor yang dapat dihitung, sebuah BJT dapat digunakan untuk mengukur suhu dengan menghitung perbedaan dua tegangan pada dua arus panjar yang berbeda dengan perbandingan yang diketahui.

Pengubah logaritmik

Karena tegangan basis-emitor berubah sebagai fungsi logaritmik dari arus basis-emitor dan kolektor-emitor, sebuah BJT dapat juga digunakan untuk menghitung logaritma dan anti-logaritma. Sebuah dioda sebenarnya juga dapat melakukan fungsi ini, tetapi transistor memberikan fleksibilitas yang lebih besar.

Kerawanan

Pemaparan transistor ke radiasi menyebalan kerusakan radiasi. Radiasi menyebabkan penimbunan molekul cacat di daerah basis yang berlaku sebagai pusat penggabungan kembali. Hasil dari pengurangan umur pembawa minoritas menyebabkan transistor kehilangan penguatan.

BJT daya beresiko mengalami moda kegagalan yang dinamakan dobrakan sekunder. Pada moda kegagalan ini, beberapa titik pada kepingan semikonduktor menjadi panas dikarenakan arus yang mengalirinya. Bahang yang ditimbulkan menyebabkan pembawa lebih mudah bergerak. Sebagai hasilnya, bagian terpanas dari kepingan semikonduktor menghantarkan lebih banyak lagi arus. Proses regeneratif ini akan terus berlanjut hingga transistor mengalami kegagalan total atau pencatu daya mengalami kegagalan.

Pemodelan Bipolar Junction Transistor

Dalam menganalisa rangkaian transistor, ada dua hal yang harus diketahui yaitu analisa dc dan ac. Analisa dc dalam hal ini pembiasan dc transistor BJT sudah dibahas di Elektronika 1. Dalam bab ini akan dibahas respon ac sinyal kecil (small-signal) penguat BJT dengan menggunakan pemodelan yang paling sering digunakan untuk menganalisa sebuah transistor dalam hal sinusoidal ac.

Salah satu perhatian pertama kita dalam  menganalisa sinusoidal ac rangkaian transistor adalah besarnya sinyal input. Ini akan menentukan apakah teknik sinyal kecil atau sinyal besar yang seharusnya digunakan. Ada dua model yang umum digunakan di institusi pendidikan dan di industri dalam analisa ac sinyal kecil rangkaian transistor yaitu model r_e dan model hybrid. Persamaan-persamaan untuk memperoleh parameter Zi dan Zo dengan menggunakan model r_e dan model hybrid dalam bab ini adalah persamaan untuk memperoleh impedansi input dan impedansi output untuk sebuah transistor itu sendiri, belum merupakan impedansi input dan impedansi output untuk sebuah rangkaian keseluruhan yang menggunakan komponen transistor.

1. MODEL r_e

Model r_e menggunakan sebuah dioda dan sebuah sumber arus yang dikendalikan untuk menjelaskan prinsip kerja sebuah transistor dalam wilayah kerjanya. Sumber arus di output merupakan  arus yang dikendalikan oleh arus input transistor. Karena transistor terbuat dari tiga bahan semikonduktor ekstrinsik yang disusun dengan polaritas saling berlawanan sehingga dianggap seperti dua dioda yang merupakan gabungan dua bahan semikonduktor yang berlawanan polaritas sebagaimana yang telah dijelaskan di Elektronika 1 mengenai konstuksi sebuah dioda.

Gambar 1.1 memperlihatkan sebuah konfigurasi dasar common basis. Sebagaimana kita ketahui bahwa pada wilayah kerja aktif sebuah transistor, sebuah junction dibias maju sementara yang lain dibias balik. Junction yang dibias maju berfungsi seperti sebuah dioda.

Tahanan ac dioda dapat ditentukan dengan persamaan r_ac = 26 mV / I_D, dimana I_D adalah arus dc yang melalui dioda pada titik kerja transistor (titik Q). Pada transistor arus dioda sama dengan arus emiter sehingga persamaannya menjadi:

Re = 26 mV / Ie 

2. Konfigurasi Common Emiter

Untuk konfigurasi dasar common emiter seperti pada gambar 1.4, transistor yang akan dianalisa adalah transistor npn dengan terminal input adalah antara basis dan emiter sementara terminal output adalah antara kolektor dan emiter, dimana emiter menjadi common antara input dan output. Model pendekatan konfigurasi ini terlihat pada gambar 1.5 dan jika dioda diganti dengan r_e akan dihasilkan rangkaian seperti gambar 1.6. Pada konfigurasi ini, arus basis adalah arus input sementara arus output adalah Ic.

3. Konfigurasi Common Kolektor

Untuk konfigurasi common kolektor, model konfigurasi common emiter dapat digunakan dengan menukar posisi kolektor ke emiter dan sebaliknya sehingga arah arus basis dan arus kolektor berlawanan dengan arah arus pada konfigurasi common emiter. Pada konfigurasi ini kolektor dipakai bersama antara terminal input (basis) dan terminal output (emiter).