Bipolar Junction Transistor (BJT)

Bipolar Junction Transistor merupakan komponen elektronika yang memiliki tiga terminal yaitu Emitter, Base dan Collector. BJT umunya digunakan sebagai penguat arus listrik atau sakelar yang dikendalikan oleh arus masukan (input) pada BJT.

Tipe BJT

BJT memiliki dua tipe yaitu NPN dan PNP yang ditunjukan pada Gambar 1. PNP ditandai dengan simbol tanda panah pada terminal Collector dengan arah menuju terminal Base, sedangkan NPN memiliki tanda panah pada terminal Emitter dengan arah keluar terminal Emitter.

Gambar 1. Simbol Bipolar Junction Transistor

Prinsip Dasar Kerja BJT

BJT dapat bekerja atau aktif apabila terdapat tegangan minimal sebesar 0,7 Volt pada Base-Emitter atau Collector-Base tergantung dari tipe BJT, kemudian terdapat arus yang mengalir pada Base dengan arah tergantung dari tipe BJT sehingga akan mempengaruhi besarnya arus yang mengalir pada terminal lainnya.

BJT tipe NPN, transistor dapat bekerja jika terdapat arus yang mengalir pada Base-Emitter dengan syarat minimum tegangan Base-Emitter 0,7 Volt. Bekerjanya transistor NPN ditandai dengan adanya arus listrik mengalir dari termintal Collector menuju ke Emitter. Prinsip dasar kerja BJT ditunjukan pada Gambar 2.

 

Gambar 2. Prinsip kerja transistor NPN

BJT tipe PNP, transistor dapat bekerja atau aktif jika terdapat arus listrik dari Collector  menuju ke Base dengan syarat memiliki tegangan Collector-Base minimal 0,7 Volt. Bekerjanya transistor PNP ditandai dengan adanya arus listrik yang mengalir dari Emitter ke Collector. Prinsip dasar kerja transistor PNP ditunjukan pada Gambar 3. 

Gambar 3. Prinsip kerja transistor PNP

Konstruksi BJT 

1. Konstruksi Dasar BJT NPN

Pada BJT tipe NPN memiliki dua P-N Junction yaitu pada Emitter-Base dan Base-Collector dengan konstruksi dasar ditunjukan pada Gambar 4. Emitter dibuat dari bahan semikonduktor tipe N yang memiliki pembawa mayoritas  (majority carrier) elektron dengan konsentrasi tinggi, Collector juga dibuat dari bahan semikonduktor tipe N, akan tetapi memiliki konsentrasi lebih rendah dibanding Emitter. Sedangkan Base dibuat dari bahan semikonduktor tipe P dengan pembawa mayoritas hole.

Gambar 4. Konstruksi BJT tipe NPN

Depletion Layer BJT NPN

Dengan adanya konstruksi BJT yang disusun sedemikianrupa seperti ditunjukan Gambar 4 bahwa elektron dapat melewati atau berpindah dari derah N ke P melalui junction karena terdapat perbedaan konsentrasi elektron pada masing-masing daerah. Proses perpindahan elektron melalui junction disebut sebagai difusi. Proses difusi akan terus terjadi hingga terjadi kesetimbangan, saat kesetimbangan terjadi maka disekitar junction akan terbentuk ion positif dan negatif yang menyebabkan elektron tidak dapat melewati junction lebih lanjut. Daerah yang ditempati ion positif dan ion negatif itulah yang disebut sebagai Depletion Layer atau juga lebih dikenal dengan Depletion Region.

Depletion Layer dapat berubah menjadi lebih lebar jika diberi reverse bias sehingga arus listrik semakin sulit mengalir.

Depletion Layer Emitter-Base NPN

Pada Gambar 5 menunjukan Depletion Layer pada Bipolar Junction Transistor tipe NPN. 

Gambar 5. Depletion layer pada BJT NPN

Untuk lebih mudah memahami bagaimana Depletion Layer terbentuk pada Emitter-base adalah sebagai berikut :
Asumsikan setiap atom pada Emitter memiliki tiga elektron dan setiap atom pada Base memiliki satu hole. Elektron pada Emitter akan selalu berusaha berpindah ke Base karena Base memiliki elektron jauh lebih dedikit dan terjadi proses difusi.


Saat proses difusi atom pada Emitter mendonorkan tiga elektron pada Base, sehingga atom pada Emitter yang kehilangan elektron tadi berubah menjadi satu ion positif. Pada sisi Base setiap atom yang mendapatkan satu elektron sehingga atom tersebut kelebihan elektron berubah menjadi satu ion negatif, karena ada tiga elektron donor dari Emitte maka pada Base terdapat tiga ion negatif. Maka pada daerah dekat junction terdapat ion positif dan ion negatif yang menghalangi perpindahan elektron lebih lanjut. Daerah yang memiliki ion positif dan ion negatif inilah disebut sebagai Depletion Layer atau juga sering disebut sebagai Depletion Region.

Depletion Layer Base-Collector NPN

Depletion layer pada Base-Collector ditunjukan pada Gambar 5 juga terbenttuk karena perbedaan konsentrasi semikonduktor tipe N pada Collector dan semikonduktor tipe P pada Base. Semikonduktor tipe N pada Collector memiliki konsentrasi lebih rendah dibanding Emitter. Untuk memahami bagaimana depletion layer pada Base-Collector terbentuk maka asumsikan setiap atom pada Collector memiliki dua elektron, dan pada Base satu atom memiliki satu hole.

Perbedaan konsentrasi elektron maupun hole pada Base-Collector menyebabkan proses difusi terjadi dimana satu atom pada Collector mendonorkan dua elektron pada Base, atom yang mendonorkan dua elektron menjadi satu ion positif. Pada daerah Base, satu atom mendapatkan satu elektron, karena mendapatkan dua elektron donor maka dua atom pada Base menjadi dua ion negatif.

Pada Collector memiliki daerah lebih lebar dan konsntrasi lebih rendah dibanding Emitter sehingga sekitar daerah junction dapat memuat elektron dan hole lebih banyak. Hal ini ditunjukan pada depletion layer memiliki dua ion positif dan empat ion negatif. Daerah yang memiliki ion positif dan ion negatif disebut sebgai Depletion Layer.

Tegangan Bias BJT NPN

Transistor NPN akan aktif jika sumber dc dihubungkan pada terminal transistor seperti ditunjukan pada Gambar 6 yang memberikan forward bias pada Base-Emitter dan reverse bias pada Base-Collector.

Gambar 6. Bias transistor NPN

Saat Base-Emitter mendapatkan forward bias, elektron pada Emitter akan tertolak oleh kutub negatif sumber tegangan dc pada tterminal Emitter kemudian elektron melewati depletion layer menuju ke terminal Collector, dan sedikit elektron akan melewati Base menuju sumber tegangan yang disebabkan karena Base memiliki konsentrasi elektron sangat sedikit dan tentu saja jumlah elektron yang sangat sedikit tadi tertarik oleh kutub positif sumber tegangan pada terminal Base. Dengan adanya elektron bergerak dari Emitter menuju terminal Base lalu ke sumber tegangan menyebabkan arus listrik mengalir dari Base (IB) menuju ke terminal Emitter lalu menuju kutub negatif sumber tegangan (IE). Arah arus listrik berlawanan dengan arah pergerakan elektron.

Elektron dari Emitter melewati depletion layer menuju ke terminal Collector terjadi karena elektron tertarik oleh kutub positif sumber tegangan pada terminal Collector dan adanya elektron dari ion negatif yang meninggalkan depletion layer menuju ke Base sehingga tempat yang ditinggalkan elektron tadi diisi elektron dari Emitter untuk selanjutnya dapat pindah ke Collector.

Dari penjelasan diatas dapat dilihat bahwa arus listrik dari terminal Collector  mengalir menuju terminal Emitter, arus pada Base juga menuju ke Emitter sehingga IE = IB+ IC.

2. Konstruksi Dasar BJT PNP

Transistor PNP dibuat dari dua semikonduktor bahan P yang mengapit semikonduktor bahan N seperti ditunjukan pada Gambar 7. Daerah semikonduktor tipe P Emitter dan Collector memiliki pembawa mayoritas hole  dan pembawa minoritas elektron sehingga konesentrasi elektron jauh lebih sedikit dibanding hole, sedangkan semikonduktor tipe N pada Base memiliki pembawa muatan mayoritas elektron dan pembawa minoritas hole. Pada Base, konsentrasi elektron pada Emitter lebih tinggi dibanding Collector.

Gambar 7. Konstruksi BJT tipe PNP

Kita tahu bahwa pada perbedaan konsentrasi pembawa muatan elektron maupun hole menyebabkan elektron selalu berusaha pindah ke daerah yang memiliki elektron dengan konsentrasi lebih rendah (daerah dengan konsentrasi hole lebih tinggi).
Dapat dilihat bahwa pada PNP mayoritas pembawa adalah hole dan karena secara fisik yang berpindah atau bergerak adalah elektron bukan hole maka penjelasan selanjutnya akan menggunakan pergerakan elektron

Depletion Layer BJT PNP

Saat transistor PNP tidak diberi bias elektron akan selalu berusaha berpindah ke daerah dengan konsentrasi elektron lebih rendah atau konsentrasi hole tinggi yang disebabkan oleh perbedaan konsentrasi muatan listrik bahan. Sehingga pada konstruksi Gambar 7 saat transistor tidak diberi tegangan bias atau diberi tegangan 0 Volt maka akan membentuk daerah yang disebut Depletion layer.

Gambar 8. Depletion Layer BJT tipe PNP

Gambar 8 menunjukan bahwa elektron dapat berpindah melewati junction dari daerah P ke N (difusi) karena terdapat perbedaan konsentrasi elektron pada masing-masing daerah. Proses difusi akan terus terjadi hingga mencapai kesetimbangan, saat kesetimbangan terjadi maka disekitar junction akan terbentuk ion positif dan negatif yang menyebabkan elektron tidak dapat melewati junction lebih lanjut. Daerah yang ditempati ion positif dan ion negatif itulah disebut sebagai Depletion Layer atau juga lebih dikenal dengan Depletion Region yang ditunjukan pada Gambar 7.

Depeltion layer Emitter-Base PNP
Untuk mempermudah memahami bagaimana depletion layer pada Emitter-Base terbentuk, asusmsikan bahwa pada satu atom daerah P memiliki tiga hole dan setiap atom bahan P memiliki satu elektron.

Pada proses difusi, satu atom pada daerah Base mendonorkan satu elektron pada setiap atom pada Emitter, karena satu atom pada Emitter memiliki tiga hole maka memerlukan tiga elektron. Oleh karena itu setiap atom pada Emitter membutuhkan tiga elektron dari Base. Setiap atom pada Base yang mendonorkan elektronnya akan menjadi satu ion positif, sedangkan satu atom pada Emitter mendapatkan tiga elektron akan menjadi satu ion negatif. Hal ini terjadi hingga keadaan setimbang tercapai. Dengan adanya ion positif dan ion negatif disekitar junction Emitter-Base menghalangi perpindahan elektron selanjutnya. Daerah yang memiliki ion positif dan ion negatif pada Emitter-Base inilah yang disebut sebagai depeltion layer Emitter-Base. Depletion layer dapat berubah menjadi lebih lebar jika diberi reverse bias menyebabkan arus listrik semakin sulit untuk mengalir.

Depeltion layer Base-Collector PNP

Untuk mempermudah untuk memahami bagaimana depletion layer pada Base-Collector terbentuk, asusmsikan bahwa pada satu atom pada Collector memiliki dua hole dan setiap atom bahan pada Base sama seperti penjelasan sebelumnya yaitu satu atom memiliki satu elektron.

Saat proses difusi satu atom pada Base mendonorkan satu elektron pada Collector. Sedangkan pada Collector membutuhkan dua elektron (memiliki dua hole). Sehingga dua atom pada Base mendonorkan elektronnya pada Collector, hasilnya adalah  dua atom pada Base yang mendonorkan elektronnya menjadi dua ion positif, pada Collector satu atom yang menerima dua elektron menjadi satu ion negatif. Dikarenakan daerah Collector memiliki memiliki daerah lebih lebar dibanding Emitter dan memiliki konsentrasi Hole lebih sedikit dibanding Emitter dapat menampung ion positif dan negatif lebih banyak sehingga memiliki daerah depletion layer lebih lebar yang ditunjukan pada Gambar 7.

Tegangan Bias BJT PNP

Untuk mengaktifkan transistor PNP diperlukan tegangan bias seperti ditunjukan pada Gambar 9. Saat Emitter – Base diberi forward bias dan Base-Collector diberi reverse bias, elektron dari sumber tegangan akan bergerak menuju terminal Base, kemudian elektron melewati depletion layer menuju terminal Emitter. dengan pergerakan elektron dari terminal Base menuju terminal Emitter maka arus listrik mengalir dari Emitter menuju Base.

Gambar 9. Bias transistor PNP

Kemudian elektron pada sumber tegangan  pada terminal Collector  mengalir menuju Emitter melewati depeltion layer, hal ini disebabkan elektron pada Base tertarik ke Emitter, dengan tertariknya elektron dari Base ke Emitter maka pada Base terdapat hole (akibat ditinggalkan elektron) dimana hole tersebut digunakan elektron lain dari terminal Collector untuk melintasi Base. Jika semakin banyak elektron pada Base tertarik menuju Emitter maka elektron yang melintas dari Collector ke Emitter juga akan semakin banyak sehingga arus listrik yang mengalir dari Emitter ke Collector juga akan semakin besar.

EoF