Transistor pertemuan dwikutub

Dari Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebas

Transistor pertemuan

dwikutub (BJT) adalah salah

satu jenis dari transistor. Ini

adalah peranti tiga-saluran yang

terbuat dari bahan semikonduktor

terkotori. Dinamai dwikutub

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.

Transistor pertemuan dwikutub

Simbol

Tipe Komponen aktif

Kategori Transistor

PenemuJohn Bardeen, Walter Houser Brattain dan

William Shockley (Desember 1947)

Pembuatan

pertamaLaboratorium Telepon Bell

Komponen

sejenisFET

Kemasan 3 kaki (basis, kolektor, emitor)

Kotak ini: lihat • bicara

1

Perkenalan

NPN BJT dengan pertemuan E–B dipanjar maju dan pertemuan B–C dipanjar mundur

Transistor NPN dapat dianggap sebagai dua dioda adu punggung tunggal anoda. Pada

penggunaan biasa, pertemuan p-n emitor-basis dipanjar maju dan pertemuan basis-

kolektor dipanjar mundur. Dalam transistor NPN, sebagai contoh, jika tegangan positif

dikenakan pada pertemuan basis-emitor, keseimbangan diantara pembawa terbangkitkan

kalor dan medan listrik menolak pada daerah pemiskinan menjadi tidak seimbang,

memungkinkan elektron terusik kalor untuk masuk ke daerah basis. Elektron tersebut

mengembara (atau menyebar) melalui basis dari daerah konsentrasi tinggi dekat emitor

menuju konsentrasi rendah dekat kolektor. Elektron pada basis dinamakan pembawa

minoritas karena basis dikotori menjadi tipe-p yang menjadikan lubang sebagai pembawa

mayoritas pada basis. Daerah basis pada transistor harus dibuat tipis, sehingga pembawa

tersebut dapat menyebar melewatinya dengan lebih cepat daripada umur pembawa

minoritas semikonduktor untuk mengurangi bagian pembawa yang bergabung kembali

sebelum mencapai pertemuan kolektor-basis. Untuk memastikannya, ketebalan basis

dibuat jauh lebih rendah dari panjang penyebaran dari elektron. Pertemuan kolektor-basis

dipanjar terbalik, jadi sedikit sekali injeksi elektron yang terjadi dari kolektor ke basis,

tetapi elektron yang menyebar melalui basis menuju kolektor disapu menuju kolektor

oleh medan pada pertemuan kolektor-basis

Pengendalian tegangan, arus dan muatan

2

Arus kolektor-emitor dapat dipandang sebagai terkendali arus basis-emitor (kendali arus)

atau tegangan basis-emitor (kendali tegangan). Pandangan tersebut berhubungan dengan

hubungan arus-tegangan dari pertemuan basis-emitor, yang mana hanya merupakan kurva

arus-tegangan eksponensial biasa dari dioda pertemuan p-n.[1] Penjelasan fisika untuk

arus kolektor adalah jumlah muatan pembawa minoritas pada daerah basis.[1][2][3] Model

mendetail dari kerja transistor, model Gummel–Poon, menghitung distribusi dari muatan

tersebut secara eksplisit untuk menjelaskan perilaku transistor dengan lebih tepat. [4]

Pandangan mengenai kendali-muatan dengan mudah menangani transistor-foto, dimana

pembawa minoritas di daerah basis dibangkitkan oleh penyerapan foton, dan menangani

pematian dinamik atau waktu pulih, yang mana bergantung pada penggabungan kembali

muatan di daerah basis. Walaupun begitu, karena muatan basis bukanlah isyarat yang

dapat diukur pada saluran, pandangan kendali arus dan tegangan biasanya digunakan

pada desain dan analisis sirkuit. Pada desain sirkuit analog, pandangan kendali arus

sering digunakan karena ini hampir linier. Arus kolektor kira-kira βF kali lipat dari arus

basis. Beberapa sirkuit dasar dapat didesain dengan mengasumsikan bahwa tegangan

emitor-basis kira-kira tetap, dan arus kolektor adalah beta kali lipat dari arus basis.

Walaupun begitu, untuk mendesain sirkuit BJT dengan akurat dan dapat diandalkan,

diperlukan model kendali-tegangan (sebagai contoh model Ebers–Moll)[1]. Model

kendali-tegangan membutuhkan fungsi eksponensial yang harus diperhitungkan, tetapi

jika ini dilinierkan, transistor dapat dimodelkan sebagai sebuah transkonduktansi, seperti

pada model Ebers–Moll, desain untuk sirkuit seperti penguat diferensial menjadi masalah

linier, jadi pandangan kontrol-tegangan sering diutamakan. Untuk sirkuit translinier,

dimana kurva eksponensiak I-V adalah kunci dari operasi, transistor biasanya dimodelkan

sebagai terkendali tegangan dengan transkonduktansi sebanding dengan arus kolektor.

Tundaan penghidupan, pematian dan penyimpanan

3

Transistor dwikutub mengalami beberapa karakteristik tundaan ketika dihidupkan dan

dimatikan. Hampir semua transistor, terutama transistor daya, mengalami waktu simpan

basis yang panjang sehingga membatasi frekuensi operasi dan kecepatan pensakelaran.

Salah satu cara untuk mengurangi waktu penyimpanan ini adalah dengan menggunakan

penggenggam Baker.

Parameter alfa (α) dan beta (β) transistor

Perbandingan elektron yang mampu melintasi basis dan mencapai kolektor adalah ukuran

dari efisiensi transistor. Pengotoran cerat pada daerah emitor dan pengotoran ringan pada

daerah basis menyebabkan lebih banyak elektron yang diinjeksikan dari emitor ke basis

daripada lubang yang diinjeksikan dari basis ke emitor. Penguatan arus moda tunggal

emitor diwakili oleh βF atau hfe, ini kira-kira sama dengan perbandingan arus DC kolektor

dengan arus DC basis dalam daerah aktif-maju. Ini biasanya lebih besar dari 100 untuk

transistor isyarat kecil, tapi bisa sangat rendah, terutama pada transistor yang didesain

untuk penggunaan daya tinggi. Parameter penting lainnya adalah penguatan arus tunggal-

basis, αF. Penguatan arus tunggal-basis kira-kira adalah penguatan arus dari emitor ke

kolektor dalam daerah aktif-maju. Perbandingan ini biasanya mendekati satu, diantara 0,9

dan 0,998. Alfa dan beta lebih tepatnya berhubungan dengan rumus berikut (transistor

NPN):

Struktur

4

Irisan transistor NPN yang disederhanakan

Kepingan transistor NPN frekuensi tinggi KSY34, basis dan emitor disambungkan

melalui ikatan kawat 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 diantara 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

5

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 diantara 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.

NPN

Simbol NPN BJT.

Struktur dasar transistor NPN

6

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 diantara 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).

PNP

Jenis lain dari BJT adalah PNP.

Simbol PNP BJT.

Struktur dasar transistor PNP

7

Transistor PNP terdiri dari selapis semikonduktor tipe-n diantara 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.

Transistor dwikutub pertemuan-taksejenis

Jalur dalam transistor dwikutub pertemuan-taksejenis. Penghalang menunjukkan elektron

untuk bergerak dari emitor ke basis, dan lubang untuk diinjeksikan kembali dari basis ke

emitor. Transistor dwikutub pertemuan-taksejenis (HBT) adalah sebuah penyempurnaan

BJT sehingga dapat menangani isyarat frekuensi sangat tinggi hingga beberapa ratus

GHz. Sekarang sering digunakan dalam sirkuit ultracepat, terutama sistem RF. [5][6]

Transistor pertemuan-taksejenis mempunyai semikonduktor yang berbeda untuk tiap

unsur dalam transistor. Biasanya emitor dibuat dari bahan yang memiliki celah-jalur lebih

besar dari basis. Ilustrasi menunjukkan perbedaan celah-jalur memungkinkan penghalang

lubang untuk menginjeksikan lubang kembali ke basis (diperlihatkan sebagai Δφp), dan

penghalang elektron untuk menginjeksikan ke basis (Δφn). Susunan penghalang ini

membantu mengurangi injeksi pembawa minoritas dari basis ketika pertemuan emitor-

basis dipanjar terbalik, dan dengan demikian mengupansi arus basis dan menaikkan

efisiensi injeksi emitor. Injeksi pembawa menuju ke basis yang telah diperbaiki

memungkinkan basis untuk dikotori lebih berat, menghasilkan resistansi yang lebih

rendah untuk mengakses elektroda basis. Dalam BJT tradisional, atau BJT pertemuan-

sejenis, efisiensi injeksi pembawa dari emitor ke basis terutama dipengaruhi oleh

perbandingan pengotoran diantaran emitor dan basis, yang berarti basis harus dikotori

ringan untuk mendapatkan efisiensi injeksi yang tinggi, membuat resistansioya relatif

tinggi. Sebagai tambahan, pengotoran basis yang lebih tinggi juga memperbaiki

8

karakteristik seperti tegangan mula dengan membuat basis lebih sempit. Pembedaan

tingkat komposisi dalam basis, misalnya dengan menaikkan jumlah germanium secara

progresif pada transistor SiGe, menyebabkan gradien dalam celah-jalur di basis netral

(ditunjukkan sebagai ΔφG), memberikan medan terpatri didalam yang membantu

pengangkutan elektron melewati basis. Komponen alir tersebut membantu pengangkutan

sebaran normal, menaikkan respons frekuensi transistor dengan memperpendek waktu

pemindahan melewati basis. Dua HBT yang paling sering digunakan adalah silikon-

germanium dan aluminium arsenid, tetapi jenis semikonduktor lain juga bisa digunakan

untuk struktur HBT. Struktur HBT biasanya dibuat dengan teknik epitaksi, seperti

epitaksi fasa uap logam-organik dan epitaksi sinar molekuler.

Daerah operasi

Batas operasi aman transistor, biru: batas IC maksimum, merah: batas VCE maksimum,

ungu: batas daya maksimum

Transistor dwikutub mempunyai lima daerah operasi yang berbeda, terutama dibedakan

oleh panjar yang diberikan:

Aktif-maju (atau aktif saja): pertemuan emitor-basis dipanja maju dan pertemuan

basis-kolektor dipanjar mundur. Hampir semua transistor didesain untuk

mencapai penguatan arus tunggal emitor yang terbesar (βF) dalam moda aktif-

maju. in forward-active mode. Dalam keadaan ini arus kolektor-emitor beberapa

kali lipat lebih besar dari arus basis.

Aktif-mundur (atau aktif-terbalik atau terbalik): dengan membalik pemanjaran

pada moda aktif-maju, transistor dwikutub memasuki moda aktif-mundur. Pada

9

moda ini, daerah emitor dan kolektor bertukar fungsi. Karena hampir semua BJT

didesain untuk penguatan arus moda aktif-maju yang maksimal, βF pada moda

terbalik beberapa kaki lipat lebih rendah. Moda transistor ini jarang digunakan,

dan hanya diperhitungkan untuk kondisi kegagalan dan untuk beberapa jenis

logika dwikutub. Tegangan tembus panjar terbalik pada basis mungkin lebih

rendah pada moda ini.

Jenuh: dengan semua pertemuan dipanjar maju, BJT memasuki moda jenuh dan

memberikan konduksi arus yang besar dari emitor km kolektor. Moda ini

berkorespondensi dengan logika hidup, atau sakelar yang tertutup.

Putus: pada keadaan putus, pemanjaran bertolak belakang dengan keadaan jenuh

(semua pertemuan dipanjar terbalik). Arus yang mengalir sangat kecil, dengan

demikian berkorespondensi dengan logika mati, atau sakelar yang terbuka.

Tembusan bandang

Walaupun daerah-daerah tersebut didefinisikan dengan baik untuk tegangan yang cukup

besar, mereka bertumpang tindih jika tegangan panjar yang dikenakan terlalu kecil

(kurang dari beberapa ratus milivolt).

Transistor dalam moda aktif-maju

Transistor BJT NPN dalam moda aktif-maju

Diagram disamping menunjukkan transistor NPN disambungkan ke dua sumber

tegangan. Untuk membuat transistor menghantar arus yang kentara dari C ke E, VBE harus

diatas harga minimum yang sering disebut sebagai tegangan potong. Tegangan potong

biasanya kira-kira 600 mV untuk BJT silikon pada suhu ruang, tetapi ini juga bisa

berbeda-beda bergantung pada tipe transistor dan teknik pemanjaran. Tegangan yang

10

dikenakan ini membuat pertemuan P-N bagian bawah berubah menjadi hidup dan

memungkinkan aliran elektron dari emitor ke basis. Pada moda aktif, medan listrik yang

terdapat diantara basis dan kolektor (disebabkan oleh VCE) akan menyebabkan mayoritas

elektron untuk melintasi pertemuan P-N bagian atas menuju ke kolektor untuk

membentuk arus kolektor IC. Elektron yang tertinggal bergabung kembali dengan lubang

yang merupakan pembawa mayoritas pada basis sehingga menimbulkan arus melalui

sambungan basis untuk membentuk arus basis, IB. Seperti yang diperlihatkan pada

diagram, arus emitor IE, adalah arus transistor total, yang merupakan penjumlahan arus

saluran lainnya (IE = IB + IC). Pada diagram, tanda panah menunjukkan arah dari arus

konvensional, aliran elektron mengalir berlawanan dengan tanda panah. Pada moda aktif,

perbandingan dari arus kolektor-ke-basis dengan arus basis disebut dengan penguatan

arus DC. Pada perhitungan, harga dari penguatan arus DC disebut dengan hFE, dan harga

penguatan arus AC disebut dengan hfe. Walaupun begitu, ketika cakupan frekuensi tidak

diperhitungkan, simbol β sering digunakan. Perlu diperhatikan bahwa arus emitor

berhubungan dengan VBE secara eksponensial. Pada suhu ruang, peningkatan VBE sebesar

kurang-lebih 60 mV meningkatkan arus emitor dengan faktor 10 kali lipat. Kerena arus

basis kurang lebih sebanding dengan arus kolektor dan emitor, ini juga berubah dengan

fungsi yang sama. Untuk transistor PNP, secara umum cara kerjanya adalah sama,

kecuali polaritas tegangan panjar yang dibalik dan fakta bahwa pembawa muatan

mayoritas adalah lubang elektron.

Transistor PNP dalam moda aktif-maju

Transistor PNP moda aktif

Sejarah

11

Transistor pertama

Transistor dwikutub titik-sentuh diciptakan pada Desember 1947[7] di Bell Telephone

Laboratories oleh John Bardeen dan Walter Brattain dibawah arahan William Shockley.

Versi pertemuan diciptakan pada tahun 1948[8]. Setelah menjadi peranti pilihan untuk

berbagai rangkaian, sekarang penggunaannya telah banyak digantikan oleh FET, baik

pada sirkuit digital (oleh CMOS) ataupun sirkuit analog (oleh MOSFET dan JFET).

Transistor germanium

Transistor germanium sering digunakan pada tahun 1950-an dan 1960-an. Karena

transistor jenis ini mempunyai tegangan potong yang rendah, membuatnya cocok untuk

beberapa penggunaan isyarat tegangan rendah. Transistor ini memiliki kemungkinan

lebih besar untuk mengalami thermal runaway

Teknik produksi

Berbagai motoda untuk memproduksi transistor pertemuan dwikutub telah dikembangkan

Transistor pertemuan tumbuh, teknik pertama untuk memproduksi transistor

pertemuan dwikutub[10]. Diciptakan oleh William Shockley di Bell Labs pada 23

Juni 1948[11]. Hak paten didapatkan pada 26 Juni 1948.

Transistor pertemuan, butiran paduan emitor dan kolektor dilelehkan ke basis.

Dikembangkan oleh General Electric dan RCA[12] in 1951.

12

o Transistor paduan mikro, tipe kecepatan tinggi dari transistor pertemuan

paduan. Dikembangkan oleh Philco[13].

o Transistor paduan mikro terdifusi, tipe kecepatan tinggi dari transistor

pertemuan paduan. Dikembangkan oleh Philco.

o Transistor paduan terdifusi tonggak, tipe kecepatan tinggi dari transistor

pertemuan paduan. Dikembangkan oleh Philips.

Transistor tetroda, varian kecepatan tinggi dari transistor pertemuan tumbuh[14]

atau transistor pertemuan paduan[15] dengan dua sambungan ke basis.

Transistor penghalang permukaan, transistor penghalang logam kecepatan tinggi.

Dikembangkan oleh Philco[16] in 1953[17].

Transistor medan-alir, transistor pertemuan dwikutub kecepatan tinggi.

Diciptakan oleh Herbert Kroemer[18][19] di Central Bureau of Telecommunications

Technology of the German Postal Service pada tahun 1953.

Transistor difusi, transistor pertemuan dwikutub tipe modern. Prototip[20]

dikembangkan di Bell Labs pada tahun 1954.

o Transistor basis terdifusi, implementasi pertama dari transistor difusi.

o Transistor Mesa, dikembangkan oleh Texas Instruments pada tahun 1957.

o Transistor planar, teknik produksi yang memungkinkan produksi sirkuit

terpadu monolitik secara masal. Dikembangkan oleh Dr. Jean Hoerni[21] di

Fairchild Semiconductor pada tahun 1959.

Transistor epitaksial[22], transistor pertemuan dwikutub yang dibuat menggunakan

deposisi fasa uap epitaksi. Memungkinkan pengendalian tingkat pengotoran dan

gradien secara teliti.

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

13

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.[23].

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.

14