ELEKTRONIKA DASAR Pertemuan Ke-4 Bipolar Junction Transistor (BJT)
ALFITH, S.Pd,M.Pd 1
Stuktur divais dan cara kerja fisik Struktur yang Disederhanakan dan Mode Operasi
Gambar 1. Struktur sederhana transistor npn
Gambar 2. Struktur sederhana transistor pnp
2
Mode kerja BJT Mode
EBJ
CBJ
Cutoff
Reverse
Reverse
Active
Forward
Reverse
Reverse Active
Reverse
Forward
Saturation
Forward
Forward
Cara Kerja Transistor npn Pada Mode Aktif
Gambar 3: Aliran arus pada transistor npn pada mode aktif
3
Gambar 4: Profil pembawa muatan minioritas pada base dan emitter pada transistor npn yang bekerja pada mode aktif. n
p
0
n
p 0
e
v
BE
/ V
T
np(0) = konsentrasi pembawa muatan minoritas (elektron) pada base vBE = tegangan forward bias base-emitter VT = tegangan termal → 25 mV pada suhu ruangan. 4
Pengurangan pembawa muatan minoritas menyebabkan elektron yang disuntikkan ke base akan merembas melalui base ke collector. Arus elektron ini sebanding dengan koefisien arah dari profil konsentrasi I
n
A
A
dn
qD
E
qD
E
n
( x )
p
n
dx n
( 0 ) W p
AE = luas penampang base-emitter junction q = muatan elektron Dn = kemampuan difusi elektron pada base W = lebar efektif base Tanda (-) menunjukkan bahwa arah arus In adalah dari kanan ke kiri (arah x negatif).
iC
I
IS Arus Collector n I
p 0
S
S
A A
v
e E
qD
n
i
n
2
E
N
/ V
BE
N
qD
n
p 0
W
A n
A
T
n
2 i
W
ni = kerapatan pembawa instrinsik NA = konsentrasi doping pada base
5
Perhatikan: arus iC tidak tergantung dari vCB. Arus jenuh IS berbanding terbalik dengan lebar base W. IS sebanding dengan luas penampang EBJ → scale current. IS mempunyai harga antara 10-18 A sampai 10-12 A. IS sebanding dengan ni2 yang merupakan fungsi suhu, kira-kira menjadi dua kali setiap kenaikan suhu 5°C
Arus Base Terdiri dari iB1 yang disebabkan oleh holes yang disuntikkan dari base ke emitter dan iB2 yang disebabkan oleh holes yang dicatu dari rangkaian luar untuk menggantikan holes yang hilang akibat proses rekombinasi i
B 1
A
qD
E
N
n
p D
L
2 i
e
v
BE
/ V
T
p
Dp = kemampuan difusi holes di emitter Lp = panjang difusi holes di emitter ND = konsentrasi doping di emitter
6
i
Q
B 2
n b
τb = waktu rata-rata bagi sebuah elektron (minoritas) ber-rekombinasi dengan sebuah holes (mayoritas) di base. (disebut minority-carrier lifetime) Qn = muatan pembawa minoritas yang ber-rekombinasi dengan holes pada waktu τb Pada gambar (4) Qn digambarkan dengan luas segitiga di bawah distribusi garis lurus pada base.n 0 W Q A q n
Q i i
A
n
E
1 2
B 2
B
I
S
D D
iC
B
i
B
IS
1
p
2
qWn 2 N A
i
1 2
E
i
v
e
/ V
BE
T
A 2
qWn b N
E
N N
p n
i
e
v
/ V
BE
T
A
W L
A D
1 2
p
W D n
e
2
b
v
BE
/ V
T
e D D
v
p n
/ V
BE
N N
A D
T
W L
p
1 2
W D n
2
b
7
β adalah suatu konstanta untuk transistor tertentu. Untuk transistor npn, harga β berkisar antara 50 – 200. Untuk divais khusus β bisa mencapai 1000. β disebut penguatan arus common-emitter. β dipengaruhi oleh: lebar dari daerah base, W, dan perbandingan doping daerah base dan daerah emitter (NA/ND). iE iC iB Arus Emitter i
E
i
E
iC
i
E
1
1
i
iC I
S
e
v
/ V
BE
T
E
1
IS
e
v
BE
/ V
T
1
8
α≈1 Perubahan yang kecil pada α menyebabkan perubahan yang besar pada β. α disebut penguatan arus common-base. Karena α dan β menunjukkan karakteristik transistor yang bekerja pada mode ‘forward active’, kadang dituliskan sebagai αF dan βF. Rekapitulasi dan Model Rangkaian Pengganti •Tegangan forward bias vBE menyebabkan arus iC mengalir ke collector mempunyai hubungan eksponensial. •Arus iC tidak tergantung dari tegangan vCB selama CBJ reverse bias, vCB ≥ 0 •Pada mode aktif, collector berkelakuan seperti sebuah sumber arus ideal yang konstan di mana harga arus ditentukan oleh vBE. •iB = 1/βF x iC •iE = iB + iC •Karena iB << iC → iE ≈ iC •iE = αF x iC •αF ≈ 1 9
Gambar 5: Model rangkaian pengganti sinyal besar untuk BJT npn yang bekerja pada mode forward active.
10
Struktur Transistor
Gambar 6. Tampak melintang sebuah BJT jenis npn Collector mengelilingi emitter sehingga sulit untuk elektron yang disuntikkan ke base yang tipis untuk tidak terkumpul pada collector → αF ≈ 1 dan βF besar. Divais tidak simetris berarti jika collector dan emitter ditukar dan transistor bekerja pada mode reverse active, α = αR dan β = βR yang mempunyai harga yang berbeda dengan αF dan βF. Karena divais dirancang untuk bekerja optimum pada mode forward active, αR << αF dan βR << βF. αR berkisar antara 0,01 – 0, 5 dan βR berkisar antara 0,01 – 1. 11
Gambar 7: Model transistor npn yang bekerja pada mode reverse active. Struktur pada gambar (6) terlihat bahwa CBJ mempunyai luas yang lebih besar dari EBJ. Pada gambar 7 dioda DC menunjukkan CBJ yang mempunyai arus skala ISC >> arus skala ISE dari dioda DE. Kedua arus ini berbanding lurus dengan luas junction . αFISE = αRISC = IS ISC yang besar mempunyai dampak bahwa untuk arus yang sama, CBJ mempunyai penurunan tegangan yang lebih kecil jika di-bias maju daripada12 penurunan tegangan maju pada EBJ, VBE.
Model Ebers-Moll
Gambar 8: Model Ebers – Moll dari transistor npn iE = iDE – αRiDC IC = - IDC + αFiDE IB =(1 – αF) iDE + (1 – αR) iDC
13
i
DE
I
SE
i
DC
I
SC
i
E
iC i
I
I
F
R
BE
V
T
1
v
BC
V
T
F v
e
F
BE
BE
V
1
T
1
T
v
V
T
I
I 1
S R
S
e
v
BC
V
T
1
v
BC
V
T
1
e
I
S R
e
v
BC
V
T
1
F
1
v
V
BE
S
1
v
e
S
e
S
I
B
e e
F
R
1
R
Penggunaan pertama dari model EM adalah untuk memperkirakan arus pada terminal dari transistor yang bekerja pada mode forward active. vBE positif antara 0,6 – 0,8 V dan vBC negatif. e
v
BC
V
T
kecil dan dapat diabaikan
14
i
E
I
iC
I
i
I
B
S
e
S F v
e S
F
v
V
BE
e
BE
BE
V
I
T
I
T
v
V
S
T
S
1 R I
S
1
1
F
1 1 F
1
R
Dari ketiga persamaan di atas, suku kedua dapat diabaikan. Selama ini, kondisi untuk cara kerja mode forward active adalah vCB ≥ 0 agar CBJ dalam keadaan reverse bias. Pada kenyataannya, sebuah pn junction tidak dalam keadaan forward bias jika tegangannya tidak melebihi kira-kira 0,5 V. Jadi cara kerja transistor npn pada mode forward active masih tetap bisa dicapai bila vCB turun sampai mencapai – 0.4 V.
15
Gambar 9: Karakteristik iC – vCB dari transistor npn yang dicatu dengan arus IE yang tetap. Pada gambar 9 terlihat, arus iC tetap konstan pada αFiE untuk vCB sampai – 0,4 V Di bawah harga ini,CBJ akan ‘on’ dan meninggalkan mode forward active memasuki daerah kerja mode jenuh, di mana iC menurun. 16
Cara Kerja pada Mode Jenuh Pada gambar 9 terlihat jika vCB berkurang sampai di bawah –0,4 V, BJT memasuki cara kerja mode jenuh. Pada keadaan ideal, dalam mode forward active, vCB tidak mempengaruhi iC, tetapi pada mode jenuh, dengan meningkatnya vCB ke arah negatif, iC berkurang. iC
I
S
e
v
BE
V
T
I
S R
e
v
BC
V
T
Suku pertama adalah hasil dari forward-biased EBJ, dan suku kedua adalah hasil dari forward-biased CBJ. Jika vBC melebihi 0,4 V, iC akan berkurang dan akhirnya mencapai nol.
17
Gambar 10: Profil konsentrasi pembawa muatan minoritas (elektron) pada base dari sebuah transistor npn vBE VT
e Karena CBJ forward biased, konsentrasi elektron pada sisi collector tidak nol, tapi sebanding dengan
Koefisien arah dari profil konsentrasi sebanding dengan pengurangan iC 18
Transistor pnp
Gambar 11: Aliran arus pada transistor pnp untuk bekeja pada mode forward active.
19
Gambar 12: Model sinyal besar untuk transistor pnp yang bekerja pada mode aktif. Hubungan arus – tegangan pada transistor pnp sama dengan pada transistor npn hanya vBE diganti dengan vEB. Gambar 12 menunjukkan rmodel angkaian pengganti sinyal besar, yang juga mungkin digantikan dengan sumber arus yang dikendalikan sumber arus, CCCS, αFiE. Transistor pnp dapat bekerja pada mode jenuh seperti pada transistor npn 20
Karakteristik Arus – Tegangan
Gambar 13: Simbol rangkaian BJT
Gambar 14: Polaritas tegangan dan aliran arus dalam transistor yang di bias dalam mode aktif 21
Ringkasan hubungan arus – tegangan dari BJT pada mode aktif iC
I
S
e
v
BE
V
T
I S v BE V T e B iC I iE S e v BE V T Catatan: untuk transistor pnp, gantilah vBE dengan vEB
iC
iC
i
iC
iB 1
i
E
i i
B
1
E
iE
1 i
i
E
1
B
1
VT = tegangan termal = kT/q ≈ 25 mV pada suhu kamar
22
Konstanta n Untuk BJT, konstanta n mendekati satu kecuali pada kasus tertentu: • pada arus yang tinggi, hubungan iC – vBE menunjukkan harga n mendekati 2 • pada arus yang rendah, hubungan iB – vBE menunjukkan harga n mendekati 2 Jika tidak disebutkan n=1
Arus balik collector – base (ICBO) Adalah arus balik dari collector menuju base dengan emitter hubung terbuka. Arus ini mempunyai harga dalam orde nanoamper. ICBO mempunyai komponen arus bocor, dan harganya tergantung dari vCB. ICBO sangat tergantung pada suhu, rata-rata harganya menjadi dua kali lipat dengan kenaikan 10°C.
23
Contoh soal 1:
Gambar 15: Rangkaian untuk contoh soal 1 Transistor pada gambar (15.a) mempunyai β = 100 dan vBE = 0,7 V pada iC =1mA. Rancanglah rangkaian sehingga arus 2 mA mengalir melalui collector dan tegangan pada collector = +5 V 24
Jawab: VC = 5 V → CBJ reverse bias → BJT pada mode aktif VC = 5 V → VRC = 15 – 5 = 10 V IC = 2 mA → RC = 5 kΩ vBE = 0,7 V pada iC = 1 mA → harga vBE pada iC = 2 mA: V
BE
0 ,7
2 ln 1
0 , 717
V
VB = 0 V → VE = -0,717 V β = 100 → α = 100/101 =0,99 I
E
I
C
2 0 , 99
2 , 02
mA
Harga RE diperoleh dari: V E 15 R E
I
E
0 , 717 2 , 02
15
7 , 07
k
25
Penampilan Grafis dari Karakteristik Transistor
Gambar 16: Karakteristik iC – vBE dari sebuah transistor npn iC
I
S
e
v
BE
V
T
Karakteristik iC – vBE identik dengan karakteristik i – v pada dioda. Karakteristik iE – vBE dan iB – vBE juga exponensial dengan IS yang berbeda: IS/α untuk iE dan IS/β untuk iB. Karena konstanta dari karakteristik ekponensial, 1/VT, cukup tinggi (≈ 40), kurva meningkat sangat tajam. Untuk vBE < 0,5 V, arus sangat kecil dan dapat diabaikan. Untuk harga arus normal, vBE berkisar antara 0,6 V – 0,8 V. Untuk perhitungan awal, vBE = 0,7 V. Untuk transistor pnp, karakteristik iC- vBE tampak identik, hanya vBE diganti dengan vEB. 26
Gambar 17: Pengaruh suhu pada karakteristik iC – vBE Seperti pada dioda silikon, tegangan pada junction base - emitter menurun 2 mV untuk setiap kenaikan suhu 1°C pada arus yang tetap.
Karakteristik Common – Base Gambar (18.a) menunjukkan cara kerja BJT dengan membuat kurva iC – vCB dengan iE yang berbeda. Pada pengukuran ini tegangan base tetap dan base berperan sebagai terminal bersama (common) masukan dan keluaran. Jadi kurva ini disebut juga kurva karakteristik common – base 27
Gambar 18: karakteristik iC – vCB dari sebuah transistor npn
28
Dalam daerah aktif, vCB ≥ –0,4 V, kurva iC – vCB berbeda dengan yang diharapkan karena: – Kurva tidak tidak datar tapi menunjukkan koefisien arah yang positif. Hal ini disebabkan adanya ketergantungan iC terhadap vCB – Pada harga vCB yang relatif besar, iC meningkat dengan cepat, karena terjadinya ‘breakdown’ Pada gambar (18.b), setiap kurva karakteristik memotong sumbu vertikal pada harga arus = αIE (IE konstan untuk setiap kurva). α untuk sinyal besar = iC/iE yang merupakan penguatan arus common-base. α untuk sinyal kecil ≡ ∆iC/∆iE. Dengan menggunakan persamaan Ebers-Moll, untuk daerah jenuh: iE = IE:
iC
E
I
E
I
S
1 R
F
e
v
BC
V
T
CBJ lebih besar dari EBJ, penurunan tegangan vBC akan lebih kecil dari vBE, sehingga menghasilkan tegangan vCE jenuh pada vCE = 0,1 V – 0,3 V.
29
Ketergantungan iC pada tegangan collector – The Early effect
Gambar 19.(a): Rangkaian konseptual untuk mengukur karakteristik iC – vCE dari sebuah BJT (b): Karakteristik iC – vCE dari sebuah BJT
30
iC
Ketergantungan linier iC terhadap vCE: v CE I S e v BE V T 1 V A Koefiisien arah dari kurva iC – vCE yang tidak nol menunjukkan bahwa resistansi keluaran dilihat ke arah collector mempunyai harga tertentu (≠∞)
r r
o
o
i C v CE V A V IC
v
kons
BE
1
tan
CE
IC dan vCE adalah koordinat titik kerja BJT pada kurva iC – vCE . r
o
V I
I
' C
I
A ' C S
e
v
BE
V
T
31
Gambar 20: Model rangkaian pengganti sinyal besar dari BJT npn yang bekerja di daerah aktif dalam konfigurasi common-emitter. 32
Karakteristik Common-Emitter
Gambar 21: Karakteristik common-emitter
33
Penguatan arus common-emitter β. β didefinisikan sebagai perbandingan antara total arus pada collector dan total arus pada base. β mempunyai harga yang konstan untuk sebuah transistor, tidak tergantung dari kondisi kerja. Pada gambar 21, sebuah transistor bekerja pada daerah aktif di titik Q yang mempunyai arus collector ICQ, arus base IBQ dan tegangan collector – emitter VCEQ. Perbandingan arus collector dan arus base adalah β sinyal I CQ dc besar atau dc. I BQ
βdc juga dikenal sebagai hFE. Pada gambar 21 terlihat, dengan tegangan vCE tetap perubahan iB dari IBQ menjadi (IBQ + ∆iB) menghasilkan kenaikan pada iC dari ICQ menjadi (ICQ + ∆iC)
ac
iC iB
v
CE
kons
tan
βac disebut β ‘incremental’. 34
βac dan βdc biasanya berbeda kira-kira 10% – 20%. βac disebut juga β sinyal kecil yang dikenal juga dengan hfe. β sinyal kecil didefinisikan dan diukur pada vCE konstan, artinya tidak ada komponen sinyal antara collector dan emitter, sehingga dikenal juga sebagai penguatan arus hubung singkat common-emitter.
Gambar 22: Ketergantungan β pada IC dan suhu
35
Tegangan jenuh VCEsat dan Resistansi jenuh RCEsat
Gambar 23: Karakteristik common-emitter pada daerah jenuh Pada daerah jenuh kenaikan β lebih kecil dibandingkan dengan di daerah aktif. Perhatikan titik kerja X di daerah jenuh → arus base IB, arus collector ICsat dan tegangan collector – emitter VCEsat. ICsat < βFIB 36
Karena harga ICsat ditentukan oleh perancang rangkaian, sebuah transistor jenuh dikatakan bekerja pada ‘forced β’
forced
forced
I
Csat
I
B F
Perbandingan antara βF dan βforced disebut ‘overdrive factor’. Makin besar ‘overdrive factor’, makin dalam transistor dipaksa ke daerah jenuh dan makin kecil VCEsat. Kurva iC – vCE pada daerah jenuh cukup tajam menunjukkan bahwa transistor jenuh mempunyai resistansi collector – emitter,RCEsat yang rendah: v R
CEsat
CE
iC
i i
B C
I I
B Csat
RCEsat mempunyai harga berkisar beberapa ohm sampai beberapa puluh ohm.
37
Gambar 24. (a) transistor npn beroperasi pada mode jenuh dengan arus base yang tetap IB. (b) Kurva karakteristik iC – vCE pada iB = IB dengan koefisien arah 1/RCEsat. (c) Rangkaian ekivalen transistor jenuh (d) Model rangkaian ekivalen yang disederhanakan dari transistor jenuh 38
Perhatikan pada gambar (24.b): • kurva memotong sumbu vCE pada VTln (1/αR). Harga ini sama untuk semua kurva iC – vCE • tangent pada titik kerja X sama dengan 1/RCEsat. Jika diekstrapolasikan, tangent ini akan memotong sumbu vCE pada tegangan VCEsat yang mempunyai harga kira-kira 0,1V. Pada gambar (24.c) pada sisi collector, transistor direpresentasikan dengan RCEsat diserikan dengan sebuah batere VCEsat. Jadi: VCEsat = VCEoff + ICsatRCEsat Harga VCEsat berkisar antara 0,1V – 0,3V. Tegangan offset pada transistor jenuh menyebabkan BJT kurang menarik untuk dijadikan saklar jika dibandingkan dengan MOSFET. Gunakan modelv Ebers-Moll untuk ekspresi analisis untuk I S menurunkan V V e v iC I S e 1 1 karakteristik sebuah transistor R jenuh. BE
i
B
I
e
S F
BC
T
v
BE
V
T
1
I
T
S R
e
v
BC
V
T
1
39
Gantikan iB = IB dan abaikan suku yang tidak mempunyai fungsi eksponensial I
I
B
iC
I
S
S
v
e
V
BE
I
T
F
e
v
V
BE
T
I
S
S
v
e
V
BC
T
R
e
v
V
BC
T
R
Bagilah persamaan IB dengan persamaan iC dan tulis vBE =vBC+vCE , sehingga diperoleh: iC
F
I
B
e e
v
v
CE
V
CE
V
T
T
1 R F R
Ini adalah persamaan kurva karakteristik iC – vCE yang diperoleh jika base dipaksa dengan arus tetap IB.
40
Gambar 25: Plot iC (normalisasi) terhadap vCE untuk transistor npn dengan βF = 100 dan αR = 0,1
41
Kurva dapat didekati dengan garis lurus pada titik βforced/βF = 0,5. Koefisien arah pada titik ini kira-kira 10 V-1, tidak tergantung dari parameter transistor. RCEsat = 1/10βFIB 1 1 R Ganti iC = ICsat = βforced V CEsat IVB Tdan ln vCE = Vforced Csat, diperoleh: 1 forced F
Transistor breakdown Tegangan maksimum yang dapat dipasangkan pada sebuah BJT dibatasi oleh efek breakdown pada EBJ dan CBJ. Pada konfigurasi common-base, karakteristik iC –vCB menunjukkan bahwa untuk iE = 0 (emitter hubung terbuka), CBJ breakdown pada tegangan BVCBO. Untuk iE > 0, breakdown terjadi pada tegangan lebih kecil dari BVCBO. Biasanya BVCBO > 50 V 42
Untuk konfigurasi common-emitter, breakdown terjadi pada tegangan BVCEO. Harga BVCEO kira-kira setengah harga BVCBO. Pada lembaran data transistor, BVCBO disebut ‘sustaining voltage’, LVCEO Breakdown pada CBJ baik pada konfigurasi common-emitter atau common-base tidak merusak selama daya disipasi pada divais masih dalam batas normal. Breakdown pada EBJ yang disebabkan fenomena avalanche terjadi pada tegangan BVEBO yang jauh lebih kecil dari BVCBO. Biasanya BVEBO berkisar antara 6 V – 8 V, dan breakdown ini merusak dalam arti β dari transistor berkurang secara permanen. Cara ini tidak mencegah pemakaian EBJ sebagai sebuah dioda zener untuk menghasilkan tegangan rujukan dalam perancangan IC. Dalam aplikasi ini tidak dilihat sebagai efek βdegeneration.
43
Ringkasan Karakteristik arus – tegangan dari BJT Simbol rangkaian dan arah aliran arus Transistor npn
Transistor pnp
Cara kerja pada mode aktif (untuk pemakaian sebagai penguat) Kondisi: 1. EBJ forward biased: npn: vBE > VBEon; VBEon ≈ 0,5 V biasanya vBE = 0,7 V pnp: vEB > VEBon; VEBon ≈ 0,5 V biasanya vEB = 0,7 V 44
2. CBJ reverse biased npn: vBC ≤ VBCon : VBCon ≈ 0,4 V → vCE ≥ 0,3 V pnp: vCB ≤ VCBon : VCBon : ≈ 0,4 V → vEC ≥ 0,3 V V I S e –v tegangan: Hubungan npn: i C arus BE
i
B
iC
i
E
iC
pnp:
T
1
iC
iC
iC
I
i
B
IS
iC
I
r
V
e
S
v
V
EB
T
iB iC 1
Model rangkaian ekivalen sinyal besar npn:
o
e
S
A
e v
BE
I
S
v
BE
V
T
e
V
T
1 v
BE
V
v V T
CE A
45
pnp B
IS
iC
I
i
r
o
Model Ebers-Moll npn
i
DE
I
SE
i
DC
I
SC
e e
v v
BE
BC
S
V
e
e v
EB
I
A
S
v
EB
V
T
e
V
T
1 v
V
EB
v V T
EC A
pnp
V V
T
T
I I
F SC SE
1
1
i
DE
I
SE
i
DC
I
SC
I
SE
F R
R
I
SC
luas luas
I
e e
1
v
EB
V
T
1
v
CB
V
T
S
CBJ EBJ
46
Cara kerja pada mode jenuh Kondisi: 1. EBJ forward biased: npn: vBE > VBEon; VBEon ≈ 0,5 V biasanya vBE = 0,7 – 0,8 V pnp: vEB > VEBon; VEBon ≈ 0,5 V biasanya vEB = 0,7 – 0,8 V 2. CBJ forward biased npn: vBC ≥ VBCon : VBCon ≈ 0,4 V biasanya: vBC = 0,5 – 0,6 V → vCE = VCEsat = 0,1 – 0,2 V pnp: vCB ≥ VCBon : VCBon ≈ 0,4 V biasanya: vCB = 0,5 – 0,6 V → vEC = VECsat = 0,1 – 0,2 V Arus:
ICsat = βforcedIB βforced ≤ βF
F
forced
Overdrive factor 47
Rangkaian ekivalen npn
V
CEsat
pnp
V
T
1 forced ln 1 forced
Untuk: βforced = βF/2;
1
F
F
RCEsat = 1/10βFIB
48
