III - 1

BAGIAN III

TRANSISTOR BIPOLAR

3 - 1. Pendahuluan

Bila dua buah PN junction disambung seperti terlihat pada gambar 3-1, maka

didapatkan transistor bipolar.

Keterangan gambar:

JE = Junction antara emiter dan base

JC = Junction antara kolektor dan base

E = Emiter

B = Base

C = Colector

Pada gambar 3-2 terlihat simbol dari transistor dan notasi dari arus dan tegangan

statis yang digunakan pada rangkaian.

E C

B

P P N

JE JC

E C

B

N N P

JE JC

(a) (b)

Gambar 3-1

a). Transistor PNP

b). Transistor NPN

B

C E IC

IB

IE

VCB VEB

VCE

B

C E IC

IB

IE

VCB VEB

VCE

(a) (b)

Gambar 3-2

a). Transistor PNP

b). Transistor NPN

III - 2

Tanda panah pada terminal emiter menunjukkan arah arus sebenarnya, bila junction

JE diberi prategangan maju.

Pada kedua macam transistor tersebut, bila arah mengalirnya arus adalah ke dalam

transistor, maka arus adalah positif dan bila arah mengalirnya arus adalah ke luar, maka

arus adalah negatif.

Bila transistor digunakan sebagai penguat, biasanya junction JE diberi prategangan

maju dan junction JC diberi prategangan mundur seperti terlihat pada gambar 3-3. Pada

keadaan ini, transistor berada pada keadaan aktif.

Bila transistor tidak diberi prategangan, maka ketiga arus transistor adalah nol. Pada

transistor selalu berlaku persamaan berikut:

0 EBC III …....................................................................................(3-1)

Pada transistor PNP, arus IE adalah positif dan arus IB dan IC adalah negatif,

sedangkan tegangan VEB adalah positif dan tegangan VCB adalah negatif.

Pada transistor PNP, arus IE adalah negatif dan arus IB dan IC adalah positif,

sedangkan tegangan VEB adalah negatif dan tegangan VCB adalah positif.

3 - 2. Arus didalam transistor

Pada gambar 3-4 terlihat arus yang mengalir didalam transistor PNP.

IC

IB

IE

VCB VEB VEE

VCC

RL

Gambar 3-4

Arus Dalam Transistor PNP JC JE

B

E C

P N P

IE IC

IpE

InE

ICBO

IpE - IPC1 IpCo

InCo

VEE VCC

Gambar 3-3

Transistor Sebagai Penguat

III - 3

Arus emitter IE terdiri dari arus hole yang mengalir dari emitter ke base (IpE)

dan arus electron yang mengalir dari base ke emitter InE.

Jadi, IE = IpE + InE ……………………………….......…………… (3-2)

Pada gambar 3-4 terlihat bahwa tidak semua arus IpE terus mengalir ke kolektor, karena

sebagian dari hole akan berkombinasi dengan elektron pada base. Arus IpE yang sampai

ke kolektor disebut IpC1.

Bila terminal emitter dibuka, sedangkan JC diberi prategangan mundur, maka

arus pada kolektor hanya akan terdiri dari CBOI . Arus CBOI terdiri dari arus yang

disebabkan karena elektron (pembawa muatan minoritas) yang mengalir dari kolektor ke

base ( nCOI ) dan arus hole (pembawa muatan minoritas) yang mengalir dari base ke

kolektor, jadi dapat dituliskan persamaan berikut:

pCOnCOCBO III ...…………………………………......…………… (3-3)

Bila transistor bekerja pada daerah aktif, maka arus kolektor adalah:

EdcCBOpCCBOC IIIII 1

……………………………......………. (3-4)

dimana dc adalah perbandingan antara arus hole dari emitter yang sampai ke kolektor

dengan arus emitter total (IE).

Dari persamaan (3-4) dapat didefinisikan bahwa penguatan arus untuk sinyal besar untuk

common base, adalah perbandingan antara arus kolektor dengan arus emitter terhadap

harga cut-off nya )0( ECBOC danIII , seperti terlihat pada persamaan (3-5).

OI

II

E

CBOC

dc

………………………………………….....………... (3-5)

Karena IC dan IE mempunyai tanda berlawanan, maka dc selalu positif dan merupakan

fungsi dari arus IE, VCB dan temperatur.

Untuk membuat persamaan arus kolektor yang lebih umum, yaitu dimana junction

CJ diberi prategangan maju maupun prategangan mundur, maka akan digunakan

III - 4

persamaan (2-1). ID pada persamaan (2-1), mengganti CBOI pada persamaan (3-4), dengan

tanda yang berlawanan, karena arus CBOI dan DI arahnya adalah berlawanan.

Persamaan (3-4) menjadi sebagai berikut:

)1(kT

VqIII CB

CBOEC ………………………………......……. (3-6)

Bila CBV adalah negatif dan jauh lebih besar dari q

kT, maka persamaan (3-6) menjadi

persamaan (3-4).

3-3. Konfigurasi Penguat Transistor

Sebelum membicarakan karakteristik statis transistor, maka akan dipelajari dahulu

ketiga macam konfigurasi penguat transistor, yaitu konfigurasi common-base, common

emitter dan common collector, yang selanjutnya dinyatakan dengan CB, CE dan CC.

Pada gambar (3-5) terlihat ketiga konfigurasi penguat transistor.

RL Out put In put

(a)

RL Out put In put

(b)

RL Out put In put

(c)

Gambar 3-5

Konfigurasi penguat

transistor

a). Common Base (CB)

b). Common Emiter (CE)

c). Common Collector (CC)

III - 5

Pada penguat common base, terminal input adalah antara emitter dan base,

sedangkan terminal output adalah antara kolektor dan base. Jadi base merupakan titik

pertemuan antara terminal input dan output.

Pada penguat common emitter terminal input adalah antara base dan emitter,

sedangkan terminal output adalah antara antara kolektor dan emitter, sehingga emitter

menjadi titik pertemuan antara terminal input dan output.

Pada penguat common collector, terminal input adalah antara base dan

kolektor, sedangkan terminal output adalah antara emitter dan kolektor, sehingga kolektor

merupakan titik pertemuan antara terminal input dan output. Konfigurasi common

collector juga disebut emitter follower.

3 – 4. Karakteristik Common-Base

Dari persamaan (3-6) terlihat bahwa IC adalah fungsi dari IE dan VCB dan

persamaan tersebut dapat dituliskan sebagai berikut:

),(1 ECBC IVFI …………………………………………………......…. (3-7)

Persamaan (3-7) disebut persamaan karakteristik output (kolektor) statis.

Selain persamaan (3-7), transistor juga mempunyai persamaan karakteristik input

(emiter) statis seperti terlihat pada persamaan (3-8).

),(2 CBEEB VIfV …………………………………………......………... (3-8)

Pada persamaan (3-8) terlihat, bahwa bila VCB dan IE diubah-ubah, maka tegangan input

VEB akan berubah-rubah.

Pada gambar 3-8 dan 3-9 terlihat karakteristik input statis dan karakteristik

output statis untuk transistor germanium PNP.

VBB

IE

RL

IC

IB

VCC

VEB VCB

Gambar 3-7

Konfigurasi Common Base

III - 6

Bentuk karakteristik output untuk CB seperti terlihat pada gambar 3-9 dan

akan diterangkan sebagai berikut. Pada gambar tersebut terlihat bahwa daerah kerja

transistor dapat dibagai tiga, yaitu daerah cut-off, daerah aktif dan daerah jenuh.

Transistor akan bekerja pada daerah aktif bila junction Jc mendapat tegangan mundur dan

junction JE mendapat tegangan maju. Bila junction JC dibuka, maka arus IE = 0 dan arus

IC = ICBO. Bila junction JE diberi tegangan maju, dan junction JC mendapat tegangan

mundur, maka arus kolektor adalah sama dengan pada persamaan (3-4), yaitu

EdcCBOc III . Jadi bila arus IE diperbesar, maka arus IC juga membesar, dan kurva

IE

VEB 0,4 0,2 0,6

10

20

30

40

50

0

VCB = 0 -3 -2 C-B terbuka (IC = 0)

IE = 0

IC

VCB

-10 10

20

30

40

50 mA

0

ICBO

-4 -2

-30

-20

-40

-50

-6

Daerah aktif

Daerah cut off

Daerah

jenuh

Gambar 3-8

Karakteristik Input Statis

Transistor PNP

Gambar 3-9

Karakteristik Output Statis

Transistor PNP

III - 7

karakteristik bergeser ke atas. Harga arus Ic adalah sedikit lebih kecil daripada arus IE.

Bila harga mutlak tegangan VCB diperbesar, maka Ic akan bertambah sedikit. Jadi kurva

karakteristik tidak horisontal. Transistor akan berada pada daerah jenuh bila kedua

junction JC dan JE, mendapat tegangan maju. Karena junction JC mendapat tegangan maju,

maka arus IC akan berubah menjadi positif dan pada keadaan ini arus IC berubah dengan

cepat.

Transistor akan berada pada daerah cut-off yaitu dimana transistor tidak bekerja,

bila kedua junction JC dan JE mendapat tegangan mundur. Jadi batas daerah cut-off adalah

keadaan dimana arus IE = 0 dan IC = ICBO. dengan pemberian prategangan seperti pada

gambar 3-10 (a), maka lebar base efektif akan berubah, Bila tegangan VCB diperbesar,

maka lebar base efektif akan berkurang, dan arus base yang mengalir makin kecil, karena

makin sedikit hole dan emiter yang berkombinasi dengan elektron pada base. Base dari

transistor mempunyai resistansi yang disebut base-spreading resistance rbb’ dan besarnya

tergantung dari lebar base efektif, yaitu antara 50 ohm sampai 100 ohm.

3 – 5. Karakteristik Common-Emitter

Pada gambar 3-10, terlihat transistor PNP, dengan konfigurasi common-emitter.

Seperti pada konfigurasi common base maka untuk konfigurasi common-emitter

juga terdapat karakteristik input dan karakteristik output yang persamaannya adalah

sebagai berikut:

Karaktenistik input : VBE = f3 (IB , VCE) ……………….........………… ( 3-9 )

Karakteristik output : IC = f4 (VCE , IB) ……………………….........… (3-10)

Pada gambar 3-12 terlihat karakteristik input dan penguat common emitter.

Bila VCE = 0 dan junction JE mendapatkan tegangan maju (VBE = 0), maka terlihat bahwa

kurva karakteristik input adalah sama dengan karakteristik maju dan junction JE.

RL

VCC

VCE

IE

IB

IC

VBE E

B

Gambar 3-10

Konfigurasi Common Emiter

III - 8

Harga mutlak tegangan VCE diperbesar, sedangkan tegangan VBE dibuat konstan,

maka karena adanya efek Early, arus IB akan mengecil. Pada Gambar 2-12 terlihat bahwa

kurva karakteristik input, bergeser ke atas, bila |VCE | diperbesar.

Pada gambar 3-13 terlihat karakteristik output dari penguat common emiter.

Gambar 3-12

Karakteristik input dari

penguat common emitter

Gambar 3-13

Karakteristik output dari penguat common-emiter

dengan garis beban dc

IC

VCE

IB = 0

IB

IB = IB(sat)

IB > IB(sat)

SATURASI

TITIK-SUMBAT

(CUTOFF)

Q

0 VCC

VCC

RC

GARIS BEBAN DC

IB

VBE

0,7

III - 9

Dari rangkaian pada gambar 3-11 dengan Vcc = 10 Volt dan RL= 0,5 K ohm. Pada

gambar tersebut terlihat bahwa pada karakteristik output untuk common emitter juga

terdapat tiga daerah kerja, yaitu daerah cutoff, daerah aktif dan daerah jenuh.

Transistor berada pada daerah cutoff, bila junction JE dan JC mendapat

prategangan mundur dan pada daerah ini arus emitter IE = 0. Dari persamaan (3-1) dan

(3-4), bila IE = 0, maka didapat:

IC = -IB = ICBO ………………………………………………..........……. (3-11)

Transistor berada pada daerah aktif, bila junction JE mendapat prategang maju,

dan junction JC mendapat prategangan mundur. Pada daerah ini, perubahan arus input

(IB) yang kecil, akan memberikan perubahan arus output (Ic) yang besar. Bila IE pada

persamaan (3-1) disubstitusikan pada persamaan (3-4) didapat:

)( CBdcCBOC IIII

atau )1()1( dc

Bdc

dc

CBO

C

III

.………………………………….........………… (3-12)

dimana dc

dc

dc

1.….………………………………………........………… (3-13)

dc adalah penguatan arus untuk sinyal besar untuk penguat common-emitter. Bila dc

pada persamaan (3-13) disubstitusikan pada persamaan (3-12), didapat:

BdcCBOdcc III )1( ………………………………….........………... (3-14)

Dari persamaan (III.14), didapat:

)( CBOB

CBOC

dCII

II

……………………………………........…………... (3-15)

~ at

Karena biasanya IB jauh lebih besar dari ICBO, maka pada persamaan (3-14)

(1+ dc ) ICBO dapat diabaikan terhadap dc IB sehingga persamaan (3-14) menjadi

sebagai berikut:

BdcC II …………………................................................................................... (3-16)

FE

B

C

dc hI

I ………………......................................................................(3-17)

III - 10

Pada persamaan (3-15) dan (3-17) terlihat bahwa penguatan arus untuk sinyal

besar adalah sama dengan penguatan arus dc. Misalkan dc berubah dari 0,98 menjadi

0,985, maka ßdc akan berubah dari 4998,01

98,0

menjadi 66

985,01

985,0

.

Jadi terlihat bahwa bila dc bertambah dengan 0,5 %, maka dc bertambah dengan

34 %.

Bila transistor bekerja pada daerah aktif, maka dari gambar 3-11 dapat dituliskan

persamaan dari beban dc sebagai berikut:

VCC + IC RL +VCE =0 ……………………................................................…. (3-18)

Bila VCE = 0, maka IC = L

CC

R

V dan bila IC = 0, maka VCE = VCC.

Misalkan rangkaian pada gambar 3-11 harga RL= 0,5 K ohm dan Vcc = 10

Volt, maka pada gambar 3-13 terlihat bahwa garis beban dc melalui titik (-10 V, 0 ) dan

(0, -20 mA). Transistor berada pada daerah jenuh bila junction JE dan JC mendapat

prategangan maju. Pada daerah ini, transistor mempunyai resistansi jenuh, yang biasanya

dinyatakan dengan RCES, RCS atau RCE,sat.

Harga resistansi jenuh adalah sama dengan tegangan antara kolektor dan emiter

pada keadaan jenuh VCES dibagi dengan arus kolektor pada keadaan tersebut. Pada

gambar 3-13, terlihat bahwa, resistansi jenuh dari transistor adalah sama, yaitu kira-kira

21 ohm, karena VCE,sat = - 0,4 Volt dan IC = -19 mA.

Pada gambar 3-14 terlihat bahwa, batas daerah jenuh dan aktif akan tergantung

dari harga-harga arus base IB.

IB = - 0,05 mA

IC

VCE

-10

0 -0,1

-30

-20

-40

-50

Garis beban

- 0,10

- 0,15

- 0,20

- 0,25

- 0,30

- 0,35

-0,2 -0,3 -0,4 -0,5

0

Gambar 3-13

Karakteristik output dari

penguat CE, untuk daerah

dengan tegangan rendah

III - 11

Gambar 3-13 adalah karakteristik output dan penguat common-emitter untuk

harga tegangan rendah, jadi pada gambar ini skala tegangan diperbesar.

Bila hFE diketahui, maka dapat dihitung arus IB minimum (batas daerah jenuh)

supaya transistor berada pada keadaan jenuh. Pada daerah jenuh, arus kolektor adalah

kira-kira sebesar VCC/RL, sehingga dari persamaan (3-17) didapat:

FE

LCC

dc

C

Bh

RVII

/min

………………………...................................... (3-19)

Pada tabel 3-1 terlihat tegangan junction dari suaru transistor NPN pada suhu o25 C.

VoltV satCE VoltV satBE VoltV activeBE VoltV cutoffBE VoltV cutinBE

Si 0,2 0,8 0,7 0 0,5

Ge 0,1 0,3 0,2 -0,1 0,1

Contoh soal

Ditanyakan :

Selidikilah apakah transistor bekerja pada daerah aktif.

Pensamaan Kinchhoff untuk tegangan (KVL) pada rangkaian input adalah :

-5 V + 50 K IB + 0,7 V = 0 IB = 0,086 mA

IC BdcI = 100 x 0,086 mA = 8,6 mA

Persamaan Kirhhoff untuk tegangan (KVL) pada rangkaian output adalah

-10 V + 3K IC + VCE = 0 VCE = -15,8 Volt

VCB = VCE - VBE = - l5,8 V - 0,7 V = -15,l Volt.

Diketahui :

rangkaian pada gambar.

Transistor yang digunakan

adalah transistor Silikon dengan

dc = 100 dan ICBO = 20 nA

VCC = 10 Volt, VBB = 5 Volt

RB = 50 K Ohm dan

RC = 3 K Ohm

IC

VBB

VCC

VBE

VCE IB

Rb

Rc

III - 12

karena tegangan VCB negatif, maka. JC mendapat prategangan maju jadi transistornya

berada pada keadaan jenuh.

Cara II :

Misalnya transistor berada pada keadaan jenuh.

KVL pada rangkaian input menjadi :

-5 V + 50 K IB + VBE sat = 0

IB = 0,084 mA

Pada keadaan jenuh, arus kolektor adalah kira-kira sama dangan :

VCC /RL = K

V

3

10 = 3,33 mA

Dari persamaan (III.19) didapat :

mAh

RVI

FE

Lcc

B 033,0100

33,3/min

Karena arus IB= 0,084 mA adalah lebih besar daripada IB min = 0,033 mA, maka transistor

berada pada keadaan jenuh.