Transistor sambungan bipolar pertama kali ditemukan di Bell Laboratories pada tahun 1947. Istilah "bipolar" merujuk pada sifat bipolar, sehingga dinamakan transistor sambungan bipolar (BJT). BJT adalah perangkat tiga terminal yang terdiri dari kolektor (C), basis (B), dan emitor (E).
Saat ini terdapat dua jenis transistor junction bipolar, yaitu transistor NPN dan PNP. Dalam artikel ini, kami akan membahas struktur, prinsip kerja, dan aplikasi transistor PNP.
Apa itu Transistor PNP?
Transistor PNP adalah jenis transistor sambungan bipolar (BJT) yang terdiri dari tiga lapisan semikonduktor yang telah didoping. Pada transistor PNP, pembawa muatan mayoritas adalah lubang, yang mengalir dari emitor ke basis, lalu ke kolektor. Transistor PNP banyak digunakan dalam rangkaian elektronik sebagai sakelar atau penguat.
Struktur Transistor PNP
Untuk menggambarkan struktur transistor PNP, perhatikan diagram berikut:
Transistor PNP terdiri dari tiga lapisan bahan semikonduktor tipe-P dan tipe-N yang disusun secara bergantian. Ketiga lapisan tersebut disebut emitor (E), basis (B), dan kolektor (C). Lapisan-lapisan tersebut disusun dalam struktur seperti sandwich dengan dua lapisan tipe-P yang mengapit lapisan tipe-N, sehingga dinamakan PNP.
Pada diagram ini, emitor berada di sebelah kiri, kolektor di sebelah kanan, dan basis di tengah. Basis sangat tipis dan memiliki doping yang rendah, sedangkan emitor dan kolektor memiliki doping yang tinggi. Doping pada lapisan-lapisan tersebut menciptakan sambungan di antara mereka, yang bertanggung jawab atas fungsi transistor.
Ketika tegangan diterapkan pada basis transistor PNP, arus kecil mengalir dari emitor ke basis. Arus ini menyebabkan arus yang jauh lebih besar mengalir dari kolektor ke emitor, yang dapat digunakan untuk mengendalikan sirkuit eksternal.
Bagaimana Cara Kerja Transistor PNP?
Sebagaimana disebutkan di atas, transistor adalah perangkat pengatur arus yang memiliki dua lapisan deplesi dengan potensial penghalang tertentu yang diperlukan untuk mendifusikan lapisan-lapisan tersebut. Potensial penghalang transistor silikon adalah 0,7 V pada suhu 25°C, sedangkan transistor germanium adalah 0,3 V pada suhu 25°C. Jenis transistor yang paling umum digunakan adalah transistor silikon karena silikon merupakan unsur yang paling melimpah di Bumi setelah oksigen.
Cara Kerja Internal:
Struktur transistor PNP adalah bahwa daerah kolektor dan emitor didoping dengan bahan tipe-p, dan daerah basis didoping dengan lapisan tipis bahan tipe-n. Daerah emitor didoping secara intensif dibandingkan dengan daerah kolektor. Ketiga daerah ini membentuk dua sambungan, yaitu sambungan kolektor-basis (CB) dan sambungan basis-emitor.
Ketika tegangan negatif VBE yang turun dari 0V diterapkan pada sambungan basis-emitor, elektron dan lubang mulai menumpuk di daerah deplesi. Ketika tegangan diturunkan lebih lanjut di bawah 0,7V, tegangan penghalang tercapai dan difusi terjadi. Oleh karena itu, elektron mengalir menuju kutub positif, dan arus basis (IB) berlawanan arah dengan aliran elektron. Selain itu, jika tegangan VCE diterapkan pada terminal kolektor, arus mulai mengalir dari emitor ke kolektor. Oleh karena itu, transistor PNP dapat berfungsi sebagai sakelar dan penguat.
Daerah Operasi dan Mode Operasi:
- Daerah aktif: IC = βxIB – operasi penguat
- Daerah saturasi: IC = arus saturasi – operasi pengalihan (sepenuhnya aktif)
- Daerah cut-off: IC=0—operasi sakelar (sepenuhnya tertutup)
Contoh Penerapan Transistor PNP
1. Transistor PNP sebagai Sakelar
Transistor PNP sering digunakan sebagai sakelar dalam rangkaian. Dalam contoh ini, kita menggunakan model PSPICE dan transistor PN2907A. Pertama-tama, ingatlah untuk menggunakan resistor pembatas arus pada basis. Arus basis yang terlalu tinggi dapat merusak BJT. Menurut lembar data di bawah ini, arus kolektor kontinu maksimum adalah 600mA dan penguatan yang sesuai (hFE atau β) diberikan dalam lembar data sebagai kondisi pengujian. Tegangan saturasi dan arus basis yang sesuai juga tersedia.
Langkah-langkah memilih komponen:
1. Tentukan arus kolektor, yaitu arus yang ditarik oleh beban. Dalam kasus ini, arus tersebut sebesar 200mA (paralel dengan LED atau beban) dan resistansi = 60 ohm.
2. Untuk menggerakkan transistor ke keadaan jenuh, arus basis yang cukup harus ditarik agar transistor sepenuhnya menyala. Hitung arus basis dan resistor yang sesuai untuk digunakan. Berikut ini adalah rumus perhitungan arus basis dan resistansi basis pada transistor PNP:
IB=IC/β=-200 mA / 90=-2,2 mA≈-2,5mA
RB = VBE / IB = -5 / -2,5 mA = 2000 Ohm ≈ 2,2 kOhm
Untuk saturasi penuh, arus basis sekitar 2,5 mA (tidak terlalu tinggi atau terlalu rendah). Jadi di bawah ini adalah rangkaian untuk 12V ke basis, sama seperti untuk emitor ke ground, selama sakelar dimatikan.
Secara teoritis, sakelar tersebut sepenuhnya terbuka, tetapi dalam praktiknya arus bocor dapat diamati. Arus ini dapat diabaikan karena satuan nilainya adalah pA atau nA. Untuk lebih memahami pengendalian arus, transistor dapat dipandang sebagai resistor variabel yang terhubung antara kolektor (C) dan emitor (E), yang resistansinya berubah sesuai dengan arus yang mengalir melalui basis (B).
Awalnya, ketika tidak ada arus yang mengalir melalui basis, resistansi di antara CE begitu tinggi sehingga tidak ada arus yang mengalir melaluinya. Ketika beda potensial sebesar 0,7 V atau lebih muncul di terminal basis, sambungan BE mengalami difusi dan menyebabkan sambungan CB juga mengalami difusi. Kini, arus yang mengalir dari emitor ke kolektor sebanding dengan arus yang mengalir dari emitor ke basis, yang merupakan gain.
Sekarang mari kita lihat bagaimana mengontrol arus keluaran dengan mengontrol arus basis. Dengan IC tetap = 100mA, meskipun beban sebesar 200mA, gain yang tercantum dalam datasheet berkisar antara 100 dan 300, dan dengan menggunakan rumus yang sama di atas, kita mendapatkan:
IB=IC/β=-100 mA/250=-0,4 mA
RB = VBE / IB = -5 / (-0,4 mA) = 12.500 Ohm ≈ 13 kOhm
Perbedaan antara nilai aktual dan nilai yang dihitung disebabkan oleh penurunan tegangan pada transistor dan beban resistif yang digunakan. Selain itu, nilai resistor standar 13k0hm digunakan pada basis, bukan 12,5kohm.
2. Transistor PNP sebagai Penguat
Amplifikasi adalah proses mengubah sinyal lemah menjadi bentuk yang dapat digunakan. Proses amplifikasi merupakan langkah penting dalam berbagai aplikasi, seperti transmisi sinyal nirkabel, penerimaan sinyal nirkabel, pemutar MP3, telepon seluler, dan sebagainya. Transistor dapat menguatkan daya, tegangan, dan arus dalam berbagai konfigurasi.
Beberapa konfigurasi yang digunakan dalam rangkaian penguat transistor adalah:
- penguat emitor umum
- penguat kolektor umum
- penguat basis umum
Di antara jenis-jenis di atas, tipe emitor umum adalah konfigurasi yang paling umum digunakan. Operasi ini terjadi di daerah aktif, contohnya adalah rangkaian penguat emitor umum satu tahap. Titik bias dc yang stabil dan penguatan ac yang stabil penting untuk desain penguat. Nama penguat satu tahap digunakan ketika hanya satu transistor yang digunakan.
Di atas adalah penguat satu tahap, di mana sinyal lemah yang diterapkan pada terminal basis diubah menjadi beta kali lipat dari sinyal sebenarnya pada terminal kolektor.
Konfigurasi Sirkuit Penguat Transistor PNP
Sirkuit penguat tersedia dalam tiga konfigurasi: emitor bersama (CE), basis bersama (CB), dan kolektor bersama (CC). Konfigurasi-konfigurasi ini menggunakan elemen kapasitif dan resistif yang berbeda untuk penguatan dan stabilisasi sinyal.
Emitor umum (CE)
Konfigurasi CE (common emitter) mencakup kapasitor penghubung (CIN) dan kapasitor penghubung keluaran (COUT). CIN menghubungkan sinyal masukan ke basis transistor, sehingga memungkinkan sinyal AC melewati sementara mengisolasi sinyal DC. COUT menghubungkan sinyal keluaran transistor ke rangkaian beban dan hanya memungkinkan sinyal AC melewatinya. Konfigurasi CE juga menggunakan kapasitor bypass sebagai jalur berresistansi rendah bagi sinyal yang telah diperkuat.
Pada konfigurasi CE, R2 dan RE digunakan untuk menjamin stabilitas penguat, sedangkan R1 dan R2 bersama-sama berfungsi sebagai pembagi tegangan untuk memastikan stabilitas pada titik bias DC.
Basis Umum (CB)
Pada penguat CB, sinyal masukan diterapkan pada terminal emitor, sedangkan sinyal keluaran diambil dari terminal kolektor. Terminal emitor diberi bias maju, sedangkan terminal kolektor diberi bias mundur. Kondisi bias pada penguat CB menghasilkan impedansi masukan yang rendah dan impedansi keluaran yang tinggi.
Rangkaian penguat basis umum dapat direpresentasikan oleh persamaan berikut: Av = -gmRc, di mana Av adalah gain tegangan, gm adalah parameter transkonduktansi, dan Rc adalah resistor beban. Gain tegangan penguat basis umum lebih kecil dari satu, tetapi penguat ini memiliki gain arus yang tinggi dan bandwidth yang luas.
Kolektor Bersama (CC)
Penguat CC juga dikenal sebagai pengikut emitor karena tegangan keluaran mengikuti tegangan masukan dengan sangat dekat. Dalam rangkaian penguat CC, terminal emitor selalu diberi bias pada tegangan yang sedikit lebih rendah daripada tegangan basis, biasanya sekitar 0,6 V untuk transistor silikon. Hal ini memastikan bahwa transistor berada di daerah aktif dan dapat memperkuat sinyal masukan.
Penguat CC memiliki impedansi masukan yang tinggi dan impedansi keluaran yang rendah, sehingga cocok untuk aplikasi penyesuaian impedansi dan penguatan tegangan. Penguat ini juga menawarkan penguatan arus yang tinggi dan lebar pita penguatan satuan yang luas, sehingga sangat ideal untuk berfungsi sebagai penyangga sinyal antar tahap pada sebuah penguat.
