Cara Kerja Transistor NPN, PNP, JFET, dan MOSFET

Transistor adalah komponen elektronika aktif yang terbuat dari semikonduktor dan dapat digunakan untuk menghantarkan serta memutus arus atau tegangan listrik.

Transistor pada dasarnya berperan seperti saklar dan penguat. Dengan demikian, transistor dapat diartikan sebagai perangkat mini yang digunakan untuk mengatur arus dan dikendalikan secara elektrik.

Bahan dasar pembuatan transistor antara lain Germanium, Silikon, Galium Arsenide. Untuk bahan kemasannya biasanya terbuat dari plastik, metal, dan surface mount.

Bagian-bagian Transistor

Transistor terdiri dari tiga lapisan bahan semikonduktor, di mana setiap lapisan memiliki terminal (kaki) sendiri sehingga total terdapat tiga terminal.

Peran terminal itu ialah untuk membantu membuat koneksi ke sirkuit eksternal dan membawa arus.

Dari ketiga terminal tersebut, terdapat satu terminal yang fungsinya untuk mengontrol besar arus yang mengalir untuk kedua terminal lainnya.

Untuk lebih jelasnya, di bawah ini adalah penamaan dari ketiga terminal beserta fungsinya:

• Emitter/emitor (E) berfungsi untuk memancarkan/menyebarkan elektron.
• Base/basis (B) berfungsi untuk mengendalikan/mengatur elektron.
• Collector/kolektor (C) berfungsi untuk mengumpulkan/mengeluarkan elektron.

Fungsi Transistor

Seperti halnya komponen elektronika pada umumnya, transistor juga memiliki fungsi-fungsi yang berguna untuk setiap rangkaian elektronika.

Berikut ini adalah beberapa fungsi dari transistor:

• Sebagai penguat
• Sebagai saklar
• Meratakan arus
• Pembangkit frekuensi
• Membagi tegangan
• Mengatur stabilitas tegangan

Jenis Transistor dan Cara Kerjanya

Secara sederhana cara kerja transistor adalah sama seperti yang sudah dijelaskan di atas, yaitu satu terminal dari ketiga terminal yang dimiliki berperan untuk mengontrol besar arus yang mengalir untuk kedua terminal lainnya.

Untuk yang mengatur besar kecilnya arus adalah base (B) sehingga apabila terdapat arus pada base maka arus dapat mengalir dari Emitter (E) menuju Collector (C).

Walau begitu, transistor terdapat dua jenis, yakni Bipolar Junction Transistors (BJT) dan Field Effect Transistors (FET) keduanya secara garis besar cara kerjanya hampir sama, tetapi keduanya juga memiliki beberapa perbedaan pada sistem cara kerjanya yang membuat setiap transistor memiliki ciri khas tersendiri.

Transistor BJT terbagi menjadi dua, yaitu NPN dan PNP. Transistor FET juga terbagi menjadi dua, yaitu JFET dan MOSFET.

Berikut ini adalah penjelasan mengenai jenis transistor beserta cara kerjanya.

A. Bipolar Junction Transistors

Bipolar Junction Transistors (BJT) adalah perangkat semikonduktor tiga terminal yang terdiri dari dua sambungan P-N dan dapat diaplikasikan untuk memperkuat atau memperbesar sinyal. Ketiga terminal transistor BJT tersebut adalah Emitter, Base, dan Collector.

Transistor BJT pada umumnya sering digunakan untuk memperkuat arus. Ini membuat transistor BJT berguna sebagai saklar atau amplifier.

Transistor BJT memiliki aplikasi yang luas dalam perangkat elektronik, seperti ponsel, televisi, pemancar radio, dan kontrol industri.

Terdapat tiga wilayah operasi transistor BJT, yaitu:

• Wilayah aktif: Wilayah di mana transistor beroperasi sebagai penguat.
• Wilayah saturasi: Wilayah di mana transistor sepenuhnya menyala dan beroperasi sebagai saklar.
• Wilayah cut-off: Wilayah di mana transistor mati sepenuhnya dan arus kolektor sama dengan nol.

Mengapa transistor ini dinamakan bipolar? Jadi, pada transistor BJT pembawa muatan utamanya ada dua, hole dan elektron. Transistor BJT memiliki dua jenis, yakni PNP dan NPN.

Pada jenis NPN pembawa mayoritas muatannya adalah elektron dan pembawa minoritas adalah hole. Kemudian, jenis PNP pembawa mayoritas muatannya adalah hole dan pembawa minoritas adalah elektron.

Berikut penjelasan tentang pengertian dan cara kerja dari transistor PNP dan NPN.

1. Pengertian Transistor PNP dan Cara Kerjanya

Transistor PNP adalah transistor yang dibuat terdiri dari satu semikonduktor tipe-N dan dua semikonduktor tipe-P. Transistor PNP merupakan kependekan dari Positif-Negatif-Positif.

Pada prinsipnya, transistor ini adalah perangkat elektronika yang dikendalikan oleh arus, di mana besar kecilnya arus yang mengalir dari emitter ke collector dikendalikan oleh sejumlah kecil arus di base.

Cara Kerja Transistor PNP:

Terminal positif dari sumber tegangan dihubungkan dengan Emitter (tipe-P) dan terminal negatif dihubungkan dengan terminal Base (tipe-N). Oleh karena itu, persimpangan Emitter-Base terhubung dalam bias maju (forward bias).

Selain itu, terminal positif sumber tegangan lainnya dihubungkan dengan terminal Base (tipe-N) dan terminal negatif dihubungkan dengan terminal Collector (tipe-P). Oleh karena itu, persimpangan Base-Collector terhubung dalam bias terbalik (reverse bias).

Karena dengan terjadinya bias, depletion region di persimpangan tipe-P (emitter) dan tipe-N (base) menjadi sempit, karena terhubung secara bias maju.

Sementara itu, pertemuan tipe-N (base) dan tipe-P (collector) berada dalam bias terbalik, karenanya depletion region menjadi lebih lebar.

(Sumber gambar: www.toppr.com)

Jadi, karena sambungan tipe-P (emitter) dan tipe-N (base) diberi bias maju, sejumlah besar hole dari tipe-P (emitter) melintasi daerah P-N Junction dan masuk ke tipe-N (base).

Secara bersamaan, sangat sedikit elektron yang masuk ke tipe-P (emitter) dari tipe-N (base) untuk bergabung kembali dengan hole yang ada di tipe-P (emitter).

Hilangnya hole di tipe-P (emitter) sama dengan jumlah elektron yang ada di lapisan tipe-N (base), tetapi jumlah elektron di tipe-N (base) sangat kecil karena merupakan daerah yang didoping sangat ringan dan tipis.

Hole adalah pembawa muatan mayoritas untuk mengalirkan arus dari tipe-P (emitter) ke tipe-N (base). Hole yang tersisa karena kelebihan untuk bergabung dengan elektron yang ada di tipe-N (base), akan melanjutkan perjalanan ke tipe-P (collector), ini terjadi akibat adanya tarikan dari terminal negatif sumber tegangan.

2. Pengertian Transistor NPN dan Cara Kerjanya

Transistor NPN adalah transistor yang dibuat terdiri dari satu semikonduktor tipe-P dan dua semikonduktor tipe-N. Transistor NPN merupakan kependekan dari Negatif-Positif-Negatif.

Pada prinsipnya, transistor ini adalah perangkat elektronika yang dikendalikan oleh arus, di mana besar kecilnya arus yang mengalir dari collector ke emitter dikendalikan oleh sejumlah kecil arus di base.

Cara Kerja Transistor NPN:

Persimpangan basis-emitter terhubung dalam kondisi bias maju dengan tegangan suplai. Dan sambungan base-collector dihubungkan dalam kondisi bias mundur dengan tegangan suplai.

Dalam kondisi bias maju, terminal negatif tegangan suplai terhubung ke semikonduktor tipe-N (emitter).

Sementara itu, dalam kondisi bias terbalik, terminal positif dari tegangan suplai terhubung ke semikonduktor tipe-N (collector).

Karena mengalami bias maju, depletion region pada junction tipe-N (emitter) dan tipe-P (base) lebih tipis, dibandingkan dengan depletion region di junction tipe-P (base) dan tipe-N (collector) yang mengalami bias mundur.

Maka dari itu, perlu adanya tegangan pemicu pada base, supaya arus dapat mengalir dari emitter ke collector.

(Sumber gambar: www.toppr.com)

Dalam tipe-N, pembawa muatan mayoritas adalah elektron, sedangkan tipe-P pembawa mayoritasnya hole.

Dengan begitu, karena base sudah diberi pemicu (sumber tegangan), elektron dalam jumlah banyak mulai mengalir dari tipe-N (emitter) ke tipe-P (base).

Namun, hanya sebagian kecil elektron saja yang akan mengalir ke terminal base, sedangkan sisa elektron yang masih banyak akan mengalir ke collector, akibat tertarik dari terminal positif sumber tegangan.

Dengan kata lain, arus base kecil diamplifikasi ke arus collector tinggi. Selain itu, jika arus base ditingkatkan maka arus pada collector juga akan meningkat secara proporsional.

B. Field Effect Transistors

Field Effect Transistor (FET) atau transistor efek medan adalah salah satu jenis transistor yang menggunakan medan listrik untuk mengendalikan konduktivitas suatu kanal/saluran (channel) dari jenis pembawa muatan tunggal dalam bahan semikonduktor.

FET biasa juga disebut sebagai Unipolar Junction Transistor (UJT) atau transistor ekakutub. Ini karena transistor FET hanya mempunyai satu pembawa mutan utama, yaitu elektron saja atau hole saja.

Inilah yang membedakan dengan transistor BJT, karena BJT Pembawa muatan mayoritasnya dua, yaitu hole dan elektron.

Transistor FET memiliki terminal Source (S,) Drain (D), dan Gate (G) yang peranannya sama dengan emitter, collector, dan base pada transistor BJT.

Namun, kebanyakan FET memiliki terminal keempat yang disebut body/bulk/substrat. Terminal keempat ini berfungsi untuk membuat bias transistor beroperasi, terminal body jarang digunakan dalam desain sirkuit, tetapi keberadaannya penting saat menyiapkan tata letak fisik sirkuit terpadu.

Pemanfaatan FET juga banyak digunakan di Integrated Circuits (IC) karena ukurannya yang ringkas dan konsumsi daya yang jauh lebih rendah.

Selain itu, FET juga digunakan dalam aplikasi switching daya tinggi, sebagai voltage-variable resistor (VVR) di penguat operasional (Op-Amps), operational amplifiers (Op-Amps), tone controls, mixer operation FM dan TV receiver, dan di logic circuits.

Transistor FET diklasifikasikan menjadi dua jenis, yaitu transistor Junction Field Effect Transistor (JFET) dan Transistor Efek Medan Metal-Oxide-Semiconductor (MOSFET). Berikut adalah penjelasan dari kedua transistor tersebut.

1. Pengertian JFET (Junction Field Effect Transistor), Jenis, dan Cara Kerjanya

Junction Field Effect Transistor (JFET) atau transistor efek medan sambungan adalah jenis paling awal dan paling sederhana dari transistor FET.

Pada transistor ini, arus mengalir melalui kanal/saluran (channel) yang aktif antara terminal source dan drain. Pada Gate diberikan tegangan yang berguna untuk mengatur aliran arus dari source ke drain.

Dengan menerapkan tegangan bias balik pada terminal gate maka terciptalah depletion layer sehingga arus listrik dapat diatur besar kecilnya. Itulah sebabnya JFET disebut sebagai perangkat normally on.

Mengapa JFET dinamai perangkat normally on? Karena ketika JFET dihubungkan ke sirkuit, arus pada JFET mengalir melintasi source ke drain secara teratur, bahkan tanpa adanya tegangan yang diterapkan ke terminal gate sekalipun.

Ini berbeda dengan transistor BJT yang disebut sebagai perangkat normally off. BJT hanya menghantarkan arus melintasi persimpangan emitter ke collector hanya ketika base diberi arus. Dengan tidak adanya arus pada base, BJT mati dan arus tidak melintasi persimpangan emitter—collector.

Transistor JFET memiliki 2 tipe, yaitu kanal-N dan kanal-P.

Transistor JFET Kanal-N

Pada JFET kanal-N, semikonduktor yang berperan sebagai kanal, didoping hingga menjadi kanal-N (negatif). Oleh karena itu, arus yang mengalir melalui kanal adalah dalam bentuk elektron.

Di tengah kanal terdapat substrat kanal-P (positif) yang sisinya saling berhadapan, pada kanal-P inilah terminal gate terhubung.

Untuk terminal source dan drain terhubung pada ujung kanal kanal-N.

Cara kerja transistor JFET kanal-N:

Ketika tidak ada tegangan yang diterapkan di terminal gate, kanal menjadi jalur terbuka lebar bagi elektron untuk mengalir. Oleh karena itu, arus secara maksimum dapat mengalir dari terminal source ke gate.

Besarnya aliran arus ditentukan oleh beda potensial antara terminal source dan gate dan resistansi internal kanal.

Namun, hal sebaliknya terjadi ketika tegangan negatif diterapkan ke terminal gate yang berhubungan dengan terminal source, membuat sambungan P-N bias mundur.

Dengan begitu, terciptalah depletion layer yang membuat kanal menjadi lebih sempit sehingga meningkatkan resistansi kanal. Dan pada akhirnya aliran arus menjadi lebih sedikit.

Transistor JFET Kanal-P

Hampir sama dengan kanal-N, pada JFET kanal-P semikonduktor yang berperan sebagai kanal, didoping hingga menjadi kanal-P (positif). Dengan demikian, arus yang mengalir melalui kanal adalah dalam bentuk hole.

Di tengah kanal terdapat substrat kanal-N (negatif) yang sisinya saling berhadapan, pada kanal-N inilah terminal gate terhubung.

Sementara itu, untuk terminal source dan drain terhubung pada kedua ujung kanal kanal-P.

Cara kerja transistor JFET kanal-P:

Pada prinsip kerja JFET kanal-P juga mirip dengan JFET kanal-N. Perbedaan yang paling mencolok adalah pada kanal-P untuk membuat besar kecilnya resistansi pada kanal, yaitu dengan memberikan tegangan posistif pada terminal gate yang terhubung dengan terminal source.

Namun, pada JFET kanal-N memiliki konduktivitas arus yang lebih besar karena resistansi saluran yang lebih rendah daripada kanal-P.

Selain itu, elektron memiliki mobilitas yang lebih tinggi melalui konduktor dibandingkan dengan hole. Ini membuat JFET kanal-N lebih efisien daripada kanal-P.

2. Pengertian MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), Jenis, dan Cara Kerjanya

Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor atau biasa disebut sebagai MOSFET adalah perangkat empat terminal, yaitu Source (S), Gate (G), Drain (D), dan Body (B).

Walau begitu, terminal pada body MOSFET umumnya terhubung dengan terminal source sehingga hanya terlihat membentuk perangkat semikonduktor tiga terminal layaknya Field-Effect Transistor lainnya.

Selain itu, MOSFET juga dapat dirancang sekecil mungkin sehingga memungkin juga untuk dibuat sebagai Integrated Circuit (IC) dan Chip.

Sama seperti transistor JFET, transistor MOSFET juga dikendalikan oleh tegangan.

Namun, perbedaannya adalah MOSFET memiliki elektroda Metal-Oxide Gate yang diisolasi secara elektrik dari kanal pembawa arus utama antara drain dan source oleh lapisan yang sangat tipis.

Biasanya bahan untuk isolasi tersebut adalah silikon dioksida atau umumnya dikenal sebagai bahan baku kaca/gelas.

Cara kerja transistor MOSFET:

Seperti yang sudah disebutkan di atas. Terminal body umumnya terhubung ke terminal source, body bekerja untuk memvariasikan lebar kanal/saluran di mana pembawa muatan mengalir (elektron atau hole).

Pembawa muatan memasuki kanal dari source dan keluar melalui drain.

Lebar kanal yang dapat dilalui pembawa muatan, dikendalikan oleh tegangan pada terminal/elektroda gate yang terletak di antara source dan drain.

Antara gate dan kanal diisolasi dengan lapisan oksida logam yang sangat tipis.

(Sumber gambar: www.components101.com)

Permukaan semikonduktor pada lapisan oksida di bawah, terletak di antara terminal source dan drain dapat dibalik dari kanal-P ke kanal-N dengan menerapkan tegangan positif atau negatif pada gate.

Ketika pada gate diberi tegangan positif maka hole yang ada di bawah lapisan oksida dengan gaya tolak didorong ke bawah (substrat).

Kemudian, depletion region diisi oleh muatan negatif yang terkait dengan atom akseptor (acceptor). Dengan begitu, elektron dapat mencapai kanal yang sudah terbentuk.

Tegangan positif juga menarik elektron dari source dan mengalirkannya ke drain. Jika sudah begitu, apabila tegangan diterapkan di source dan drain maka arus akan mengalir bebas dari source ke drain, dan gate berperan untuk mengontrol aliran elektron.

Namun, Jika menerapkan tegangan negatif pada gate, kanal hole akan terbentuk di bawah lapisan oksida.

Jenis MOSFET:

I. Depletion MOSFET

Depletion mode adalah jenis MOSFET yang ketika tidak ada tegangan melintasi terminal gate, kanal menunjukkan konduktansi maksimumnya.

Namun, ketika terdapat tegangan melintasi terminal gate positif atau negatif maka konduktivitas saluran menurun.

II. Enhancement MOSFET

Enhancement mode adalah MOSFET yang ketika tidak ada tegangan melintasi terminal gate maka transistor tidak berfungsi.

Namun, ketika ada tegangan maksimum melintasi terminal gate maka transistor menunjukkan konduktivitas yang meningkat.

(Sumber gambar: www.etechnog.com)

Depletion mode dan Enhancement mode dibedakan menjadi dua, yaitu kanal-P dan kanal-N. Berikut adalah penjelasannya:

a. Kanal-N MOSFET

MOSFET kanal-N memiliki kanal tipe-N antara terminal source dan drain.

Di sini terminal source dan gate banyak didoping dengan semikonduktor tipe-N dan substrat didoping dengan bahan semikonduktor tipe-P.

Oleh karena itu, aliran arus antara source dan drain adalah elektron, dan aliran arus dikendalikan oleh tegangan pada gate.

b. Kanal-P MOSFET

MOSFET kanal-P memiliki kanal tipe-P antara terminal source dan drain.

Di sini terminal source dan gate banyak didoping dengan semikonduktor tipe-P, dan substrat didoping dengan bahan semikonduktor tipe-N.

Oleh karena itu, aliran arus antara source dan drain adalah hole, dan aliran arus dikendalikan oleh tegangan pada gate.

Jadi, kanal-P adalah kebalikan dari kanal-N saja.

Share :