Bipolar Junction Transistor (BJT) - Konstruksi, dan Detail Operasional

Transistor bipolar atau BJT adalah perangkat semikonduktor 3 terminal yang mampu memperkuat atau mengalihkan tegangan dan arus masukan sinyal kecil ke tegangan dan arus sinyal keluaran yang jauh lebih besar.

Bagaimana BJT Transistor Persimpangan Bipolar Berevolusi

Selama 1904–1947, tabung hampa tak diragukan lagi merupakan perangkat elektronik yang sangat ingin tahu dan berkembang. Pada tahun 1904, dioda tabung hampa diluncurkan oleh J. A. Fleming. Segera setelah itu, pada tahun 1906, Lee De Forest menyempurnakan perangkat tersebut dengan fitur ketiga, yang dikenal sebagai grid kontrol, menghasilkan amplifier pertama, dan dinamai sebagai triode.

Dalam dekade-dekade berikutnya, radio dan televisi menimbulkan inspirasi besar bagi bisnis tabung. Manufaktur meningkat dari sekitar 1 juta tabung pada tahun 1922 menjadi sekitar 100 juta pada tahun 1937. Pada awal tahun 1930-an, 4 elemen tetrode dan 5 elemen pentode memperoleh popularitas dalam bisnis tabung elektron.

Pada tahun-tahun berikutnya, sektor manufaktur berkembang menjadi salah satu sektor terpenting, dan perbaikan cepat diciptakan untuk model-model ini, dalam metode produksi, dalam aplikasi daya tinggi dan frekuensi tinggi, dan dalam arah miniaturisasi.

Akan tetapi, pada tanggal 23 Desember 1947, industri elektronik akan menyaksikan datangnya 'arah minat' dan perbaikan yang benar-benar baru. Ternyata pada tengah hari itu Walter H. Brattain dan John Bardeen memamerkan dan membuktikan fungsi penguatan transistor pertama di Bell Telephone Laboratories.

Transistor pertama (yang berbentuk transistor kontak titik) ditunjukkan pada Gambar 3.1.

Gambar Courtesy: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Replica-of-first-transistor.jpg

Aspek positif dari unit solid-state 3 pin ini berbeda dengan tabung yang langsung terlihat: Ternyata jauh lebih kecil, bisa bekerja tanpa 'pemanas' atau kehilangan panas, tidak bisa pecah dan kuat, lebih efisien dalam hal penggunaan daya, dapat disimpan dan diakses dengan mudah, tidak memerlukan pemanasan awal, dan bekerja pada voltase operasi yang jauh lebih rendah.

KONSTRUKSI TRANSISTOR

Transistor pada dasarnya adalah perangkat yang dibangun dengan 3 lapisan bahan semikonduktor di mana bahan jenis 2 n dan satu jenis p digunakan atau jenis bahan 2 p dan satu lapisan bahan jenis n digunakan. Tipe pertama disebut transistor NPN, sedangkan varian kedua dinamai transistor tipe PNP.

Kedua tipe ini dapat divisualisasikan pada gambar 3.2 dengan bias DC yang sesuai.

Kami telah mempelajari caranya Biasing DC BJT menjadi penting untuk menetapkan wilayah operasional yang diperlukan dan untuk amplifikasi AC. Untuk ini, lapisan sisi emitor dikotori lebih signifikan dibandingkan dengan sisi dasar yang didoping kurang signifikan.

Lapisan luar dibuat dengan lapisan yang jauh lebih tebal dibandingkan dengan bahan yang diapit tipe p atau n. Pada Gambar 3.2 di atas, kita dapat menemukan bahwa untuk jenis ini proporsi lebar total dibandingkan dengan lapisan tengah adalah sekitar 0.150 / 0.001: 150: 1. Doping yang diterapkan di atas lapisan yang diapit juga relatif lebih rendah daripada lapisan luar yang biasanya berkisar 10: 1 atau bahkan lebih kecil.

Tingkat doping yang dikurangi ini menurunkan kapasitas konduksi material dan meningkatkan sifat resistif dengan membatasi jumlah elektron yang bergerak bebas atau pembawa 'bebas'.

Dalam diagram bias kita juga dapat melihat bahwa terminal perangkat ditampilkan menggunakan huruf kapital E untuk emitor, C untuk kolektor dan B untuk basis, dalam pembahasan selanjutnya saya akan menjelaskan mengapa pentingnya ini diberikan ke terminal ini.

Juga, istilah BJT digunakan untuk menyingkat transistor bipolar dan ditujukan untuk 3 perangkat terminal ini. Frase 'bipolar' menunjukkan relevansi lubang dan elektron yang terlibat selama proses doping sehubungan dengan zat yang terpolarisasi berlawanan.

PENGOPERASIAN TRANSISTOR

Sekarang mari kita pahami cara kerja dasar BJT dengan bantuan versi PNP pada Gambar 3.2. Prinsip operasi mitra NPN akan sama persis jika partisipasi elektron dan lubang hanya dipertukarkan.

Seperti dapat dilihat pada Gambar 3.3, transistor PNP telah digambar ulang, menghilangkan bias basis ke kolektor. Kita dapat memvisualisasikan bagaimana daerah penipisan terlihat menyempit lebarnya karena bias yang diinduksi, yang menyebabkan aliran besar-besaran pembawa mayoritas melintasi p- ke bahan tipe n.

Jika bias basis-ke-emitor dari transistor pnp dihilangkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.4, aliran pembawa mayoritas menjadi nol, yang memungkinkan aliran hanya pembawa minoritas.

Secara singkat kita dapat memahami itu, dalam situasi yang bias satu persimpangan p-n dari sebuah BJT menjadi bias balik sedangkan persimpangan lainnya bias maju.

Pada Gambar 3.5 kita dapat melihat kedua tegangan bias diterapkan pada transistor pnp, yang menyebabkan aliran pembawa mayoritas dan minoritas yang ditunjukkan. Di sini, dari lebar daerah penipisan kita dapat dengan jelas memvisualisasikan persimpangan mana yang bekerja dengan kondisi bias maju dan mana yang bias balik.

Seperti yang ditunjukkan pada gambar, sejumlah besar pembawa mayoritas akhirnya menyebar melintasi persimpangan p-n bias maju ke dalam bahan tipe-n. Hal ini menimbulkan pertanyaan di benak kami, dapatkah operator ini memainkan peran penting untuk mempromosikan IB arus pangkalan atau memungkinkannya untuk mengalir langsung ke materi tipe-p?

Mengingat bahwa konten tipe-n yang diapit sangat tipis dan memiliki konduktivitas minimal, sangat sedikit dari operator ini yang akan mengambil rute khusus ini dengan resistansi tinggi melintasi terminal dasar.

Tingkat arus basis biasanya di sekitar mikroampere daripada miliampere untuk arus emitor dan kolektor.

Kisaran yang lebih besar dari pembawa mayoritas ini akan berdifusi di sepanjang persimpangan bias-balik ke bahan tipe p yang dipasang ke terminal kolektor seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.5.

Penyebab sebenarnya di balik kemudahan relatif ini di mana pembawa mayoritas diizinkan untuk melintasi persimpangan bias balik dengan cepat direalisasikan dengan contoh dioda bias balik di mana pembawa mayoritas yang diinduksi muncul sebagai pembawa minoritas dalam material tipe-n.

Dengan kata lain, kami menemukan pengenalan pembawa minoritas ke dalam material wilayah dasar tipe-n. Dengan pengetahuan ini dan bersama dengan fakta bahwa untuk dioda semua pembawa minoritas di daerah penipisan melewati persimpangan bias balik, menghasilkan aliran elektron, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.5.

Dengan asumsi transistor pada Gambar 3.5 menjadi node tunggal, kita dapat menerapkan hukum arus Kirchhoff untuk mendapatkan persamaan berikut:

Yang menunjukkan bahwa arus emitor sama dengan penjumlahan arus basis dan arus kolektor.

Namun arus kolektor terdiri dari beberapa elemen yaitu pembawa mayoritas dan minoritas seperti yang dibuktikan pada Gambar 3.5.

Elemen pembawa arus minoritas di sini merupakan arus bocor, dan dilambangkan sebagai ICO (IC saat ini memiliki terminal emitor terbuka).

Akibatnya, arus kolektor bersih ditetapkan seperti yang diberikan dalam persamaan 3.2 berikut:

IC arus kolektor diukur dalam mA untuk semua transistor tujuan umum, sedangkan ICO dihitung dalam uA atau nA.

ICO akan berperilaku seperti dioda bias terbalik dan oleh karena itu dapat rentan terhadap perubahan suhu, dan oleh karena itu harus dijaga dengan tepat saat pengujian, terutama di sirkuit yang dirancang untuk bekerja dalam berbagai skenario kisaran suhu, atau hasilnya bisa sangat besar. dipengaruhi karena faktor suhu.

Karena itu, karena banyak peningkatan lanjutan dalam tata letak konstruksi transistor modern, ICO berkurang secara signifikan dan dapat diabaikan sepenuhnya untuk semua BJT saat ini.

Di bab selanjutnya kita akan mempelajari cara mengkonfigurasi BJT dalam mode basis umum.

Referensi: https://en.wikipedia.org/wiki/John_Bardeen