Transistor
Transistor adalah alat semikonduktor yang dipakai sebagai penguat, sebagai sirkuit
pemutus dan penyambung (switching), stabilisasi tegangan, modulasi sinyal atau
sebagai fungsi lainnya. Transistor dapat berfungsi semacam kran listrik, dimana
berdasarkan arus inputnya (BJT) atau tegangan inputnya (FET), memungkinkan
pengaliran listrik yang sangat akurat dari sirkuit sumber listriknya.
Pada umumnya, transistor memiliki 3 terminal, yaitu
Basis (B), Emitor (E) dan Kolektor (C). Tegangan yang di satu terminalnya
misalnya Emitor dapat dipakai untuk mengatur arus dan tegangan yang lebih besar
daripada arus input Basis, yaitu pada keluaran tegangan dan arus output
Kolektor.
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. Dalam
rangkaian-rangkaian digital, transistor digunakan sebagai saklar berkecepatan tinggi. Beberapa transistor juga
dapat dirangkai sedemikian rupa sehingga berfungsi sebagai logic gate,
memori dan fungsi rangkaian-rangkaian lainnya.
Cara kerja semikonduktor
Pada dasarnya, transistor dan tabung vakum memiliki
fungsi yang serupa; keduanya mengatur jumlah aliran arus listrik.
Untuk mengerti cara kerja semikonduktor, misalkan sebuah
gelas berisi air murni. Jika sepasang konduktor dimasukan kedalamnya, dan
diberikan tegangan DC tepat dibawah tegangan elektrolisis (sebelum air
berubah menjadi Hidrogen dan Oksigen), tidak akan ada arus mengalir karena air tidak memiliki pembawa muatan
(charge carriers). Sehingga, air murni dianggap sebagai isolator. Jika sedikit garam
dapur dimasukan ke dalamnya, konduksi arus akan mulai mengalir, karena sejumlah
pembawa muatan bebas (mobile carriers, ion) terbentuk. Menaikan konsentrasi garam
akan meningkatkan konduksi, namun tidak banyak. Garam dapur sendiri adalah
non-konduktor (isolator), karena pembawa
muatanya tidak bebas.
Silikon murni sendiri
adalah sebuah isolator, namun jika sedikit pencemar ditambahkan, seperti Arsenik, dengan sebuah proses
yang dinamakan doping, dalam jumlah yang cukup kecil sehingga tidak mengacaukan
tata letak kristal silikon, Arsenik akan memberikanelektron bebas dan
hasilnya memungkinkan terjadinya konduksi arus listrik. Ini karena Arsenik
memiliki 5 atom di orbit terluarnya, sedangkan Silikon hanya 4. Konduksi
terjadi karena pembawa muatan bebas telah ditambahkan (oleh kelebihan elektron
dari Arsenik). Dalam kasus ini, sebuah Silikon tipe-n (n untuk negatif, karena
pembawa muatannya adalah elektron yang bermuatan negatif) telah terbentuk.
Selain dari itu, silikon dapat dicampur dengan Boron untuk membuat semikonduktor
tipe-p. Karena Boron hanya memiliki 3 elektron di orbit paling luarnya, pembawa
muatan yang baru, dinamakan "lubang" (hole, pembawa muatan positif),
akan terbentuk di dalam tata letak kristal silikon.
Dalam tabung hampa, pembawa muatan (elektron) akan
dipancarkan oleh emisi thermionic dari
sebuah katode yang dipanaskan
oleh kawat filamen. Karena itu, tabung hampa tidak bisa membuat pembawa muatan
positif (hole).
Dapat dilihat bahwa pembawa muatan yang bermuatan sama
akan saling tolak menolak, sehingga tanpa adanya gaya yang lain,
pembawa-pembawa muatan ini akan terdistribusi secara merata di dalam materi
semikonduktor. Namun di dalam sebuah transistor bipolar (atau diode junction)
dimana sebuah semikonduktor tipe-p dan sebuah semikonduktor tipe-n dibuat dalam
satu keping silikon, pembawa-pembawa muatan ini cenderung berpindah ke arah
sambungan P-N tersebut (perbatasan antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n),
karena tertarik oleh muatan yang berlawanan dari seberangnya.
Kenaikan dari jumlah pencemar (doping level) akan
meningkatkan konduktivitas dari materi semikonduktor, asalkan tata-letak
kristal silikon tetap dipertahankan. Dalam sebuah transistor bipolar, daerah
terminal emiter memiliki jumlah doping yang lebih besar dibandingkan dengan
terminal basis. Rasio perbandingan antara doping emiter dan basis adalah satu
dari banyak faktor yang menentukan sifat penguatan arus (current gain) dari
transistor tersebut.
Jumlah doping yang diperlukan sebuah semikonduktor
adalah sangat kecil, dalam ukuran satu berbanding seratus juta, dan ini menjadi
kunci dalam keberhasilan semikonduktor. Dalam sebuah metal, populasi pembawa
muatan adalah sangat tinggi; satu pembawa muatan untuk setiap atom. Dalam
metal, untuk mengubah metal menjadi isolator, pembawa muatan harus disapu
dengan memasang suatu beda tegangan. Dalam metal, tegangan ini sangat tinggi,
jauh lebih tinggi dari yang mampu menghancurkannya. Namun, dalam sebuah
semikonduktor hanya ada satu pembawa muatan dalam beberapa juta atom. Jumlah
tegangan yang diperlukan untuk menyapu pembawa muatan dalam sejumlah besar
semikonduktor dapat dicapai dengan mudah. Dengan kata lain, listrik di dalam
metal adalah inkompresible (tidak bisa dimampatkan), seperti fluida. Sedangkan
dalam semikonduktor, listrik bersifat seperti gas yang bisa dimampatkan.
Semikonduktor dengan doping dapat diubah menjadi isolator, sedangkan metal
tidak.
Gambaran di atas menjelaskan konduksi disebabkan oleh
pembawa muatan, yaitu elektron atau lubang, namun dasarnya transistor bipolar
adalah aksi kegiatan dari pembawa muatan tersebut untuk menyebrangi daerah
depletion zone. Depletion zone ini terbentuk karena transistor tersebut
diberikan tegangan bias terbalik, oleh tegangan yang diberikan di antara basis
dan emiter. Walau transistor terlihat seperti dibentuk oleh dua diode yang
disambungkan, sebuah transistor sendiri tidak bisa dibuat dengan menyambungkan dua
diode. Untuk membuat transistor, bagian-bagiannya harus dibuat dari sepotong
kristal silikon, dengan sebuah daerah basis yang sangat tipis.
Cara kerja transistor
Dari banyak tipe-tipe transistor modern, pada awalnya
ada dua tipe dasar transistor, bipolar junction
transistor (BJT atau transistor bipolar) dan field-effect transistor (FET), yang
masing-masing bekerja secara berbeda.
Transistor bipolar dinamakan demikian karena kanal
konduksi utamanya menggunakan dua polaritas pembawa muatan: elektron dan
lubang, untuk membawa arus listrik. Dalam BJT, arus listrik utama harus
melewati satu daerah/lapisan pembatas dinamakan depletion
zone, dan ketebalan lapisan ini dapat diatur dengan kecepatan tinggi
dengan tujuan untuk mengatur aliran arus utama tersebut.
FET (juga dinamakan transistor unipolar) hanya
menggunakan satu jenis pembawa muatan (elektron atau hole, tergantung dari tipe
FET). Dalam FET, arus listrik utama mengalir dalam satu kanal konduksi sempit
dengan depletion zone di kedua sisinya (dibandingkan dengan transistor bipolar
dimana daerah Basis memotong arah arus listrik utama). Dan ketebalan dari
daerah perbatasan ini dapat diubah dengan perubahan tegangan yang diberikan,
untuk mengubah ketebalan kanal konduksi tersebut. Lihat artikel untuk masing-masing
tipe untuk penjelasan yang lebih lanjut.
Jenis-jenis transistor
Secara umum, transistor dapat dibeda-bedakan
berdasarkan banyak kategori:Simbol Transistor dari
Berbagai Tipe
BJT
BJT (Bipolar Junction Transistor) adalah salah satu dari dua jenis
transistor. Cara kerja BJT dapat dibayangkan sebagai dua diode yang terminal
positif atau negatifnya berdempet, sehingga ada tiga terminal. Ketiga terminal
tersebut adalah emiter (E), kolektor (C), dan basis (B).
Perubahan arus listrik dalam jumlah kecil pada
terminal basis dapat menghasilkan perubahan arus listrik dalam jumlah besar
pada terminal kolektor. Prinsip inilah yang mendasari penggunaan transistor
sebagai penguat elektronik. Rasio antara arus pada koletor dengan arus pada
basis biasanya dilambangkan dengan β atau hfe. β biasanya berkisar
sekitar 100 untuk transistor-transisor BJT.
FET
FET dibagi menjadi dua keluarga: Junction FET (JFET) dan Insulated Gate FET (IGFET)
atau juga dikenal sebagai Metal Oxide Silicon (atau Semiconductor) FET (MOSFET). Berbeda dengan IGFET, terminal gate
dalam JFET membentuk sebuah diode dengan kanal (materi semikonduktor
antara Source dan Drain). Secara fungsinya, ini membuat N-channel JFET menjadi
sebuah versi solid-state dari tabung vakum, yang juga membentuk sebuah diode
antara grid dan katode. Dan juga, keduanya (JFET dan tabung
vakum) bekerja di "depletion mode", keduanya memiliki impedansi input
tinggi, dan keduanya menghantarkan arus listrik dibawah kontrol tegangan input.
FET lebih jauh lagi dibagi menjadi tipe enhancement
mode dan depletion mode. Mode menandakan polaritas dari
tegangan gate dibandingkan dengan source saat FET menghantarkan listrik. Jika
kita ambil N-channel FET sebagai contoh: dalam depletion mode, gate adalah
negatif dibandingkan dengan source, sedangkan dalam enhancement mode, gate
adalah positif. Untuk kedua mode, jika tegangan gate dibuat lebih positif,
aliran arus di antara source dan drain akan meningkat. Untuk P-channel FET,
polaritas-polaritas semua dibalik. Sebagian besar IGFET adalah tipe enhancement
mode, dan hampir semua JFET adalah tipe depletion mode.
