DIVAIS MIKROELEKTRONIKA

BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR

Disusun oleh :

Mardani Triyono

Arya Pramudianto

Dayferi Satria Jonie

Ayudhia Damas Rini

Dian Singgih Prakoso

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS BENGKULU

2015

BAB 1

Pendahuluan

1.1. Penjelasan Umum

Transistor adalah piranti atau komponen elektronika aktif yang mempunyai tiga

terminal yang terbuat dari bahan semikonduktor. Transistor dapat bersifat isolator atau

konduktor, kemampuan transistor ini memungkinkan transistor digunakan untuk

"switching" (pada elektronika digital) atau "amplification (penguatan)" (pada

elektronika analog).

Transistor adalah sebuah akronim dari “Transfer Resistor” yang

menggambarkan fungsinya, yaitu suatu komponen yang nilai resistansi antara

terminalnya dapat diatur.

BJT adalah sebuah divais 3 terminal yang dipakai untuk berbagai pemakaian

seperti penguatan sinyal, perancangan rangkaian logika digital dan rangkaian memori.

Prinsip dasarnya adalah penggunaan tegangan antara dua terminal untuk mengendalikan

arus pada terminal ketiga. Jadi BJT dapat digunakan untuk membuat sebuah sumber

terkendali.

BJT banyak dipakai dalam aplikasi rangkaian analog terutama untuk rangkaian

frekuensi tinggi (RF) untuk sistem nirkabel. Untuk rangkaian logika digital kecepatan

tinggi, penggunaan BJT dikenal dengan emitter-couple-logic.

Kombinasi antara MOSFET dan BJT (BiCMOS) mempunyai keunggulan yaitu:

resistansi input dan penggunaan daya rendah dari MOSFET dan pengoperasian pada

frekuensi tinggi dan kemampuan arus ‘driving’ yang tinggi dari BJT.

1.1. Tujuan

1. Mengetahui pengaplikasian dari transistor bjt

2. Memahami prinsip penguatansinyal oleh transistor bjt

Bab 2

Landasan Teori

Transistor merupakan komponen yang sangat penting dalam dunia elektronik modern.

Dalam rangkaian analog, transistor digunakan dalam amplifier (penguat). Rangkaian

analog melingkupi pengeras suara, sumber listrik stabil (stabilisator) dan penguat sinyal

radio.

1. Konstruksi Transistor bipolar

Transistor Bipolar - Bipolar Junction Transistor (BJT) memiliki 3 terminal,

yaitu Basis (B), Emitor (E) dan Kolektor (C).

Bipolar Junction Transistor (BJT) dibentuk dari 2 buah “P-N Junction”,

sehingga transistor ini dapat dianalogikan sebagai penggabungan 2 buah dioda. “P-N

Junction” pertama adalah Emiter-Basis dan “P-N junction” kedua adalah Basis-

Kolektor. Seperti pada dioda, arus hanya akan mengalir hanya jika diberi bias positif

(forward bias). Jadi untuk bekerja transistor juga membutuhkan arus bias. Jadi prinsip

kerja transistor adalah arus bias basis-emiter yang kecil mengatur besar arus kolektor-

emiter.

Ada dua jenis konstruksi transistor bipolar yaitu PNP dan NPN, beda keduanya

terletak pada susunan semikonduktor tipe-P dan tipe-N transistor tersebut. Dengan

perbedaan susunan ini maka operasi kedua transistor ini juga berbeda. Simbol antara

BJT jenis PNP dan NPN juga berbeda, PNP mempunyai symbol dengan tanda panah

pada emitter ke arah dalam sedangkan NPN sebaliknya panah pada emitter berarah

keluar.

Gambar 1. Struktur sederhana transistor npn

Gambar 2. Struktur sederhana transistor pnp

Transistor terdiri dari 2 pn junction: emitter-base junction (EBJ) dan collector-base

junction (CBJ).

Bipolar Junction Transistor (BJT) merupakan “current-amplifying device”, artinya BJT

mengontrol jumlah arus yang mengalir pada basis dengan cara mengatur arus zyang

mengalir pada kolektor.

2. Mode kerja BJT

Gambar 1. Kurva Hubungan VCE, IC dan IB

Berdasarkan Gambar 1. kurva Hubungan VCE, IC dan IB ada beberapa region

yang menunjukkan daerah kerja transistor. Pertama adalah daerah saturasi, lalu daerah

cut-off, kemudian daerah aktif dan seterusnya daerah breakdown.

Tabel 1. Mode Operasi Transistor Bipolar

Electrode

VoltagesMode

Junction

Emitter-Base

Junction

Collector-

Base

Function

E < B < C Aktif Forward bias Reverse biasNormal Amplifier (Sering

digunakan)

E > B < C Cut-off Reverse bias Reverse bias Open switch

E < B > C Saturation Forward bias Forward bias Close switch

E > B > C 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.

3. Konfigurasi Bipolar Junction Transistor

Karena Bipolar Transistor merupakan komponen atau piranti yang mempunyai

tiga terminal, maka dimungkinkan memiliki 3 konfigurasi rangkaian yaitu common

base, common collector dan common emitter, ketika merancang suatu rangkaian

transistor tiga konfigurasi inilah yang digunakan. Perancangan rangkaian transistor

mengacu pada sifat dan karakteristik masing-masing konfigurasi transistor.

Perancangan rangkaian transistor biasanya mengacu pada beberapa parameter

berikut:

      Voltage Gain (Penguatan Tegangan)

      Current Gain (Penguatan Arus)

      Impedansi input

      Impedansi output

      Frekuensi respon

Tabel 2. Rangkuman konfigurasi transistor dan karakteristiknya

Transistor Configuration Common Base Common Collector Common Emitter

Voltage gain High Low Medium

Current gain Low High Medium

Power gain Low Medium High

Input / output phase 0° 0° 180°

Input resistance Low High Medium

Voltage gain High Low Medium

Setiap konfigurasi mempunyai respon yang berbeda untuk setiap sinyal input dalam

rangkaian

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

Konfigurasi transistor penguat basis biasanya digunakan pada aplikasi di mana

diperlukan impedansi input yang rendah.

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

Konfigurasi transistor penguat emiter merupakan konfigurasi transistor yang paling

banyak digunakan. Konfigurasi ini sering terlihat sebagai format umum untuk transistor

penguat tegangan. Konfigurasi transistor penguat emiter digunakan untuk penguat dan

sebagai output logika.

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

Gain”. Konfigurasi transistor penguat collector digunakan pada banyak aplikasi.

konfigurasi CC ini bisa berfungsi sebagai buffer.

Gambar 3. Konfigurasi rangkaian CB, CE dan CC

4. Karakteristik Arus – Tegangan

Polaritas dari transistor ditunjukkan oleh arah panah pada emitter. Arah panah ini

menunjukkan aliran arus normal pada emitter yang juga menunjukkan arah maju dari

EBJ. Gambar 4 menunjukkan arah arus yang sama dengan arah arus normal. Dalam hal

ini tidak ada harga negatif untuk iE, iB dan iC.

Gambar 4: Simbol rangkaian BJT

Sebuah transistor npn yang EBJ nya forward bias akan bekerja pada mode aktif jika

tegangan collector tidak lebih rendah 0,4 V dari tegangan base. Jika lebih rendah dari

0,4 V, transistor akan bekerja pada mode jenuh.

Sebuah transistor pnp yang EBJ nya forward bias akan bekerja pada mode aktif jika

tegangan collector tidak lebih tinggi 0,4 V dari tegangan base. Jika lebih tinggi dari 0,4

V, transistor akan bekerja pada mode jenuh.

5. Karakteristik Arus – Tegangan

Gambar 5: Polaritas tegangan dan aliran arus dalam transistor yang di bias dalam mode

aktif

Polaritas dari transistor ditunjukkan oleh arah panah pada emitter. Arah panah ini

menunjukkan aliran arus normal pada emitter yang juga menunjukkan arah maju dari

EBJ.

Gambar 5. menunjukkan arah arus yang sama dengan arah arus normal. Dalam hal ini

tidak ada harga negatif untuk iE, iB dan iC.

Sebuah transistor npn yang EBJ nya forward bias akan bekerja pada mode aktif jika

tegangan collector tidak lebih rendah 0,4 V dari tegangan base. Jika lebih rendah dari

0,4 V, transistor akan bekerja pada mode jenuh.

Sebuah transistor pnp yang EBJ nya forward bias akan bekerja pada mode aktif jika

tegangan collector tidak lebih tinggi 0,4 V dari tegangan base. Jika lebih tinggi dari 0,4

V, transistor akan bekerja pada mode jenuh.

Ringkasan hubungan arus – tegangan dari BJT pada mode aktif

Catatan: untuk transistor pnp, gantilah vBE dengan vEB

VT = tegangan termal = kT/q ≈ 25 mV pada suhu kamar

6. Tampilan Grafis dari Karakteristik Transistor

Gambar 6: Karakteristik iC – vBE dari sebuah transistor npn

7. Karakteristik Common-Emitter

Gambar 7. Karakteristik common-emitter

Pada kurva ini yang menjadi parameter adalah arus base iB. Setiap kurva iC – vCE diukur

dengan mencatu base dengan arus IB yang konstan. Kurva yang dihasilkan tampak sama

dengan karakteristik pada Gambar 7. hanya di sini terlihat gejala breakdown dan

koefisien arah pada kurva berbeda dengan kurva pada Gambar 7.

8. 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 7, 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 besar atau dc.

βdc juga dikenal sebagai hFE.

Pada gambar 9 terlihat, dengan tegangan vCE tetap perubahan iB dari IBQ menjadi (IBQ +

∆iB) menghasilkan kenaikan pada iC dari ICQ menjadi (ICQ + ∆iC)

βac disebut β ‘incremental’. 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

BAB 3

PEMBAHASAN

Rangkaian dasar penguat common-emitter terlihat pada Gambar 8.

– Tegangan masukan total vI (bias + sinyal) dipasang di antara base dan emitter (ground)

– Tegangan keluaran total vO (bias + sinyal) diambil di antara collector dan emitter (ground)

– Resistor RC mempunyai 2 fungsi:

• Untuk menentukan bias yang diinginkan pada collector

• Mengubah arus collector, iC, menjadi tegangan keluaran vOC atau vO

Gambar 8. (a) Rangkaian dasar penguat common – emitter

(b) Karakteristik transfer dari rangkaian (a)

– Tegangan catu VCC diperlukan untuk memberi bias pada BJT dan untuk mencatu daya yang diperlukan untuk kerja penguat.

Karakteristik transfer tegangan dari rangkaian CE terlihat pada gambar 8(b).

vO = vCE = VCC – RCiC

Mode aktif berakhir ketika vO = vCE turun sampai 0,4 V di bawah tegangan base

(vBE atau vI) → CBJ ‘on’ dan transistor memasuki mode jenuh (lihat titik Z pada kurva).

Pada daerah jenuh kenaikan vBE menyebabkan vCE turun sedikit saja. vCE = VCEsat berkisar

antara 0,1 – 0,2 V. ICsat juga konstan pada harga:

Pada daerah jenuh, BJT menunjukkan resistansi yang rendah, RCEsat antara collector dan

emitter. Jadi ada jalur yang mempunyai resistansi rendah antara collector dan ground,

sehingga dapat dianggap sebagai saklar tertutup.

Sedangkan ketika BJT dalam keadaan cut off, arus sangat kecil (idealnya nol), jadi

beraksi seperti saklar terbuka, memutus hubungan antara collector dan ground.

Jadi keadaan saklar ditentukan oleh harga tegangan kendali vBE.

Penguatan Penguat.

Agar BJT bekerja sebagai penguat, maka harus diberi bias pada daerah aktif yang

ditentukan oleh tegangan dc base – emitter VBE dan tegangan dc collector – emitter VCE.

Arus collector IC pada keadaan ini:

Jika sinyal vi akan diperkuat, sinyal ini ditumpangkan pada VBE dan harus dijaga kecil

(lihat gambar 10(b)) agar tetap pada segmen yang linier dari kurva transfer di sekitar

titik bias Q.

Koefiesin arah dari segmen linier ini sama dengan penguatan teg,angan dari penguat

untuk sinyal kecil di sekitar titik Q.

Prinsip kerja transistor pada contoh rangkaian di bawah adalah, arus kecil pada basis (B) yang merupakan input dikuatkan beberapa kali setelah melalui Transistor. Arus output yang telah dikuatkan tersebut diambil dari terminal Collector (C). Besar kecilnya penguatan atau faktor pengali ditentukan oleh beberapa perhitungan resistor yang dihubungkan pada setiap terminal transistor dan disesuaikan dengan tipe dan karakteristik transistor. Signal yang diperkuat dapat berupa arus DC (searah) dan arus AC (bolak-balik) tetapi maksimal tegangan output tidak akan lebih dari tegangan sumber (Vcc) Transistor.

Pada gambar pertama (Transistor Sebagai Penguat), tegangan pada Basis (dalam mV) dikuatkan oleh Transistor menjadi besar (dalam Volt). Perubahan besarnya tegangan output pada Collector akan mengikuti perubahan tegangan input pada Basis. Pada gambar kedua dapat terlihat perubahan dan bentuk gelombang antara input dan output yang telihat melalui Osciloscope.