Apa itu transistor dan apa kegunaannya: jenis, sejarah, dan kegunaan

Informatec Digital » Sumber daya » Apa itu transistor dan apa kegunaannya: jenis, sejarah, dan kegunaan

Jika Anda membawa ponsel di saku Anda hari ini, mendengarkan musik di sistem stereo kompak, atau terhubung ke internet dari komputer ultra-tipis , itu semua berkat penemuan kecil namun hebat: transistor. Sejak kemunculannya pada akhir tahun 40-an, perangkat semikonduktor ini telah mendorong miniaturisasi dan kekuatan elektronik modern. Dalam artikel ini, kami akan menjelaskan secara detail apa itu transistor dan untuk apa digunakan , bagaimana cara kerjanya secara internal, berbagai jenis yang tersedia, parameter mana yang benar-benar penting, dan mengapa sejarahnya menandai titik balik dalam teknologi.

Meskipun definisi dasarnya dapat diringkas dalam satu kalimat, cakupannya sangat luas: transistor mengontrol atau memodifikasi aliran arus antara dua terminal sebagai respons terhadap sinyal yang diterapkan pada terminal ketiga. Inilah sebabnya mengapa transistor berfungsi sebagai penguat , sakelar , osilator , atau bahkan penyearah , dalam berbagai aplikasi mulai dari speaker rumahan hingga pemindai medis. Mari kita bahas langkah demi langkah.

Apa itu transistor?

Kata transistor berasal dari ungkapan bahasa Inggris "transfer resistor ". Dalam praktiknya, transistor adalah komponen semikonduktor dengan setidaknya tiga terminal yang mampu memungkinkan arus mengalir lebih banyak atau lebih sedikit antara dua terminal mana pun tergantung pada apa yang terjadi pada terminal ketiga. Kontrol atas arus atau konduktansi saluran inilah yang memungkinkan transistor untuk memperkuat sinyal lemah atau bertindak sebagai sakelar yang sangat cepat.

Dalam bentuk klasiknya, transistor persimpangan bipolar (BJT) memiliki emitor, basis, dan kolektor . Arus kecil yang masuk melalui basis mengontrol arus yang jauh lebih besar antara emitor dan kolektor. Dalam kasus transistor efek medan (FET), kontrol dicapai dengan menerapkan tegangan ke gerbang, memodulasi konduktansi saluran antara sumber dan drain dengan impedansi input yang sangat tinggi.

Sebagian besar terbuat dari silikon , meskipun juga ada yang terbuat dari germanium, galium arsenida (GaAs), atau paduan silikon-germanium, yang banyak tertanam dalam sirkuit terpadu (mikrochip) atau dikemas sebagai komponen terpisah. Kemasannya biasanya disegel secara hermetis , dengan casing plastik atau logam dan tiga pin, dan merupakan elemen aktif dasar dari hampir semua elektronik modern.

Sedikit sejarah penting

Impian untuk mengendalikan arus dalam rangkaian solid-state sudah ada sebelum realisasi industrinya. Pada tahun 1925, Julius Edgar Lilienfeld mendaftarkan paten di Kanada dan kemudian di AS untuk perangkat yang mengantisipasi FET, tetapi bahan semikonduktor tersebut kurang berkualitas untuk aplikasi praktis. Pada tahun 1934, Oskar Heil mematenkan sesuatu yang serupa di Eropa, dan eksperimen dengan kristal semakin berkembang. Meskipun demikian, baru pada tahun 1947 John Bardeen dan Walter Brattain, di Bell Laboratories, mengamati peningkatan sinyal dengan dua ujung emas pada kristal germanium.

Pada bulan-bulan berikutnya, William Shockley mendalami lebih jauh fisika semikonduktor dan mengusulkan transistor persimpangan bipolar , yang permohonan paten pertamanya diajukan pada tahun 1948. Pada tahun yang sama, di Prancis, Herbert Mataré dan Heinrich Welker secara independen mengembangkan "transistron" untuk jaringan telepon. Tak lama kemudian, pada tahun 1953, Philco memperkenalkan transistor frekuensi tinggi pertama (hingga 60 MHz), dan pada tahun 1954 transistor silikon operasional pertama berhasil dibuat di Bell Labs (Morris Tanenbaum), dengan model komersial pertama diproduksi di Texas Instruments (Gordon Teal).

Revolusi besar berikutnya adalah MOSFET , yang dibangun pada tahun 1960 oleh Dawon Kahng dan Martin Atalla, yang menjadi kunci untuk mengintegrasikan jutaan transistor per sentimeter persegi. Sebagai pengakuan atas tonggak sejarah ini, Shockley, Bardeen, dan Brattain menerima Hadiah Nobel Fisika pada tahun 1956 atas penelitian mereka dan penemuan efek transistor. Sejak itu, elektronika telah mengalami ledakan dalam garis waktu sejarah komputer : dari radio portabel hingga komputer, dan mencakup telekomunikasi dan kedokteran.

Struktur, sinyal dan cara kerja BJT

Transistor BJT terdiri dari tiga daerah yang didoping yang menciptakan dua sambungan PN : emitor, basis, dan kolektor. Transistor ini dibangun sebagai NPN atau PNP (huruf tengah menunjukkan jenis basis), dan doping setiap daerah dikontrol dengan cermat: biasanya, emitor didoping lebih berat daripada kolektor. Dalam pengoperasiannya, arus kolektor kira-kira sebanding dengan arus basis, yang ditentukan oleh parameter beta (β) , atau penguatan arus.

Di antara basis dan emitor, ia berperilaku seperti dioda bias maju , dengan tegangan V _{_BE} tipikal sebesar 0,6–0,8 V pada silikon dan ~0,4 V pada germanium. Dioda ini menjadikan basis sebagai pengendali yang membuka atau menutup aliran pembawa muatan dari emitor ke kolektor. Secara konseptual, basis mengatur "aliran" elektron atau lubang, sehingga arus kontrol kecil mengelola arus yang lebih besar pada output.

Mode operasi: aktif, cut-off, dan saturasi

Transistor dapat beroperasi sebagai penguat linier di daerah aktif , di mana ia memungkinkan arus mengalir sebanding dengan eksitasi basis. Jika basis tidak menerima eksitasi yang cukup, perangkat akan mati dan tidak menghantarkan arus. Jika eksitasinya tinggi, transistor akan jenuh dan memungkinkan arus maksimum yang diizinkan oleh rangkaian. Fleksibilitas ini membuatnya cocok sebagai sakelar cepat atau penguat sinyal lemah.

NPN vs PNP secara singkat

Pada transistor NPN, elektron biasanya mengalir dari kolektor ke emitor , dan perangkat diaktifkan dengan meningkatkan arus basis dengan referensi positif; pada transistor PNP, arah praktisnya terbalik (emitor ke kolektor), dan logika biasnya komplementer, memungkinkan konfigurasi simetris di banyak tahap analog atau switching.

Jenis transistor yang akan Anda temui

Kategori ini luas, tetapi semuanya memiliki prinsip dasar yang sama dalam mengendalikan aliran listrik. Berikut adalah beberapa yang paling umum , beserta beberapa contoh historis yang patut diketahui:

• Kontak tepat waktuPioneer (1947), dengan dua ujung germanium. Sulit diproduksi, rapuh, dan berisik, tetapi untuk pertama kalinya menunjukkan peningkatan. Kini, benda ini menjadi koleksi museum.
• Transistor sambungan bipolar (BJT)Transistor NPN/PNP klasik pada kristal semikonduktor tunggal, didoping dengan pengotor donor (arsenik, fosfor) atau pengotor akseptor (aluminium, indium, galium). Ini adalah perangkat yang dikendalikan arus.
• Transistor efek medan (FET): JFET (gerbang persimpangan PN), IGFET dan MOSFET (pintu yang diisolasi oleh karat). Mereka adalah tegangan terkontrol, dengan impedansi masukan yang sangat tinggi; landasan integrasi skala besar.
• Fototransistor: peka cahaya, dimana pencahayaan bertindak sebagai arus dasar; sempurna untuk deteksi jarak jauh oleh radiasi elektromagnetik.
• IGBT:gerbang terisolasi bipolar, banyak digunakan di kekuasaan dengan menggabungkan keunggulan BJT dan MOSFET.
• Pasangan DarlingtonDua BJT yang terhubung dalam paket yang sama sangat meningkatkan keuntungan global.

Parameter dan bahan yang membuat perbedaan

Saat memilih transistor, jenisnya bukanlah satu-satunya faktor penting; parameter listriknya juga sangat penting : tegangan tembus (kolektor-emitor, basis-emitor, kolektor-basis), daya maksimum, disipasi panas, frekuensi operasi , β (tegangan transformator-emitor β), dan resistansi dinamis internal. Pada BJT sinyal kecil, β biasanya berkisar antara 100 hingga 300. VBE _{(tegangan transformator-} emitor) menurun seiring dengan suhu sekitar −2,1 mV/°C pada silikon, sehingga beberapa desain menggabungkan sensor termal atau mekanisme kompensasi.

Material juga penting: germanium menawarkan mobilitas yang lebih tinggi daripada silikon, tetapi kebocoran dan suhu yang diizinkan lebih buruk; silikon mendominasi karena kekokohan dan kemudahan fabrikasinya; GaAs unggul pada frekuensi tinggi berkat mobilitas elektroniknya. Perangkat seperti HEMT , dengan noise yang sangat rendah dan kecepatan tinggi, dibangun di atas GaAs/AlGaAs dan digunakan dalam penerima satelit sekitar 12 GHz dan, dengan nitrida, dalam aplikasi daya generasi berikutnya.

Cara lain yang berguna untuk memvisualisasikan BJT adalah model Ebers-Moll : dua dioda, satu bias maju basis-emitor dan yang lainnya bias terbalik basis-kolektor. Ini membantu memahami mengapa VBE tipikal (0,6-0,8 V Si) muncul _dan bagaimana perilakunya di luar wilayah linier. Pada JFET dan MOSFET, tegangan gerbang dominan: membuat gerbang lebih negatif pada JFET-GS akan menutup kanal; pada MOSFET, gerbang idealnya tidak menarik arus DC, dan sinyal mengontrol konduktansi kanal antara sumber dan drain.

Konfigurasi amplifier yang paling umum digunakan

Dalam hal BJT, biasanya kita berpikir dalam tiga topologi klasik. Masing-masing mengoptimalkan kualitas yang berbeda (tegangan, arus, atau impedansi), itulah sebabnya BJT masih banyak ditemukan di buku-buku dan proyek-proyek terkait.

• emitor umumPenguatan tegangan dan arus, dengan inversi fasa; inilah yang paling dibutuhkan. Sebuah resistor emitor menstabilkan Dan, jika dijembatani dengan kapasitor, ia memulihkan penguatan AC.
• Kolektor umum (pengikut emitor): penguatan tegangan mendekati 1, impedansi masukan tinggi dan keluaran rendah; ideal sebagai adaptor impedansi.
• Basis umum: penguatan arus, tanpa inversi fasa dan impedansi masukan sangat rendahIa bersinar dengan sumber sinyal impedansi rendah, seperti mikrofon dinamis dalam pengaturan tertentu.

Contoh praktis (emitor umum terpolarisasi dengan pembagi)

Bayangkan Anda mendesain panggung dengan V_CC=20 V, saya_CQ=10 mA, V_CEQ=8 V dan β=100. Jika Anda mengatur tegangan emitor sekitar 1/10 V_CC (2 V), Anda mendapatkan R_E≈200 ΩPenurunan R_C akan menjadi V_RC=V_CCV_CEV_E=10 V, dengan I_C=10 mA, maka R_C=1 kΩBasisnya tetap di V_B=V_E+V_BE≈2,7 V. Jika Anda mengukur pembagi dengan arus sekitar sepuluh kali arus basis, Anda mendapatkan R₂≤ 2 kΩ dan, sebanding dengan V_CC, R₁≈12,8 kΩ.

Untuk sinyal kecil, resistansi dinamis emitor internal (r _{_e}) pada 10 mA adalah ~26 mV/I ≈ 2,6 Ω, memberikan penguatan tegangan ideal perkiraan A_{_v} ≈ −RC _/ r _{_e} ≈ −385. Dengan beban 5 kΩ pada kolektor, impedansi keluaran efektif sekitar 830 Ω dan penguatan turun menjadi ≈ −319. Impedansi yang terlihat pada basis adalah r _{_e} · β ≈ 260 Ω, dan impedansi masukan total, dengan mempertimbangkan pembagi dan basis secara paralel, adalah ≈ 226 Ω. Kapasitor kopling dan emitor dipilih sedemikian rupa sehingga reaktansinya dapat diabaikan dalam pita operasi.

Contoh ini merangkum konsep garis beban dan titik Q : Anda memilih titik diam (seringkali VCE _≈VCC / 2 tanpa RE ₎ yang memungkinkan pergeseran sinyal simetris. Dari situ, Anda menyesuaikan penguatan, impedansi, dan stabilitas sesuai dengan aplikasinya_.

FET dan MOSFET: kontrol tegangan

Pada FET, tidak ada arus basis per se, melainkan tegangan gerbang yang mengontrol lebar kanal. JFET dasar terdiri dari batang material tipe-N atau tipe-P, dengan kontak ohmik di ujungnya (drain dan source) dan dua daerah difusi yang membentuk gerbang. Saat tegangan gerbang menjadi lebih negatif (pada JFET tipe-N), kanal menyempit dan konduksi berhenti.

Di sisi lain, MOSFET mengisolasi gerbang dengan dielektrik oksida dan mencapai impedansi input yang sangat besar. Hal ini, dikombinasikan dengan proses manufakturnya yang kompatibel dengan integrasi, menjelaskan mengapa MOSFET menjadi raja chip modern dan mengapa MOSFET mendorong generasi prosesor : MOSFET memungkinkan integrasi ratusan ribu hingga miliaran transistor yang saling terhubung per sentimeter persegi dalam beberapa lapisan.

Aplikasi praktis: dari kehidupan sehari-hari hingga industri

Mencantumkan semuanya adalah hal yang mustahil, tetapi ada baiknya mengingat yang paling representatif. Sebagai penguat , transistor meningkatkan sinyal dalam radio, televisi, dan peralatan audio. Sebagai sakelar , mereka mengontrol catu daya mode sakelar, pengontrol motor, dan sistem penerangan. Dalam osilator , mereka menghasilkan sinyal frekuensi radio untuk komunikasi. Dan, tentu saja, mereka adalah blok bangunan dasar sirkuit terpadu di komputer, ponsel pintar, dan semua jenis perangkat digital.

Di bidang profesional, peran mereka sangat penting dalam telekomunikasi , elektronik medis, otomatisasi industri, dan robotika. Kemampuan mereka untuk menciptakan sirkuit yang lebih kecil dan lebih efisien telah mengubah desain dan manufaktur produk, menghasilkan peralatan yang lebih portabel, bertenaga, dan hemat energi.

Keunggulan dibandingkan katup termidion (dan mengapa katup ini masih terkadang digunakan)

Sebelum transistor, tabung vakum mendominasi. Namun, tabung vakum membutuhkan tegangan yang sangat tinggi dan berbahaya , mengonsumsi banyak energi, berukuran besar dan berat (rangka dan transformator), lebih rentan terhadap kerusakan akibat panas berlebih, dan membutuhkan waktu lama untuk mencapai suhu operasi karena pemanasan filamen. Selain itu, tabung vakum mengalami efek mikrofonik dan beroperasi pada impedansi tinggi . Transistor menghadirkan konsumsi daya rendah, tegangan rendah, ukuran yang ringkas, ketahanan, dan biaya yang lebih rendah sejak awal.

Fakta sejarah menggambarkan perbedaannya: ENIAC, salah satu komputer digital pertama, memiliki berat lebih dari 30 ton dan mengonsumsi sekitar 200 kW untuk memberi daya pada sekitar 18.000 tabung vakum, dengan kerusakan harian. Meskipun demikian, tabung vakum bertahan di ceruk tertentu: beberapa penguat radio atau audio daya tinggi (karena linearitas tingkat tinggi dan karakteristik harmoniknya), peralatan yang tahan terhadap pulsa elektromagnetik , dan aplikasi daya ekstrem. Seiring waktu, elektronik solid-state juga menaklukkan banyak bidang ini.

Fitur dan detail konstruksi

Secara umum, transistor diskrit adalah perangkat semikonduktor tertutup dengan tiga terminal yang terlihat. Transistor ini dapat dikonfigurasi secara bertahap untuk berfungsi sebagai penguat, sakelar, osilator, atau penyearah . Silikon lebih disukai dalam banyak desain karena sifat termal dan kebocorannya, tetapi ada juga keluarga transistor germanium dan senyawa untuk tugas-tugas spesifik, seperti aplikasi gelombang mikro atau kecepatan sangat tinggi.

Pada BJT, seiring peningkatan suhu, tegangan sambungan maju menurun dan arus bocor dapat meningkat, sehingga pembuangan panas dan pemilihan peringkat daya maksimum sangat penting. Pada FET daya, proses manufaktur dapat menciptakan dioda parasit (seperti dioda Schottky antara sumber dan drain), sesuatu yang perlu dipertimbangkan dalam desain rangkaian.

Perbandingan cepat bahan

Jika Anda bertanya-tanya mengapa beberapa material lebih cepat daripada yang lain, pertimbangkan mobilitas elektron dan lubang . Ge memiliki mobilitas tinggi tetapi suhu maksimum lebih rendah, kebocoran lebih besar, dan toleransi lebih rendah terhadap tegangan tinggi ; Si menawarkan keseimbangan yang sangat baik dan suhu sambungan tipikal 150-200 °C; GaAs meningkatkan standar pada frekuensi tinggi, meskipun fabrikasinya lebih menantang. Itulah mengapa masing-masing unggul di segmennya masing-masing.

Penggunaan digital: dari peralihan sempurna ke logika

Dalam switching digital, transistor beroperasi dengan bergantian antara kondisi cutoff dan saturasi , di mana idealnya ia berperilaku seperti rangkaian terbuka atau tertutup. Kecepatan switching dan konsumsi daya yang rendah ini memungkinkan gerbang logika dan sistem biner , dan, secara berurutan, CPU dan memori. Dengan teknologi MOSFET dan CMOS, konsumsi daya statis sangat rendah karena gerbang tidak menghantarkan arus DC dan arus hanya dikonsumsi selama transisi.

Keuntungan praktis dalam instalasi dan perangkat

Untuk penggunaan sehari-hari, transistor menawarkan ukuran kecil (membuat peralatan lebih mudah diangkut dan diintegrasikan), umur pakai yang panjang (membutuhkan lebih sedikit perawatan), kecepatan (kunci dalam prosesor dan komunikasi), biaya rendah (mengurangi biaya sistem), dan efisiensi energi (kerugian minimal). Di rumah, setiap hal kecil sangat membantu: mulai dari catu daya yang stabil dan teratur hingga otomatisasi dan penghematan energi.

Pertanyaan yang sering diajukan yang harus dijawab

Apakah transistor hanya digunakan untuk penguatan? Tidak. Transistor juga merupakan sakelar yang sangat senyap dan sangat cepat , blok bangunan rangkaian logika, detektor cahaya (fototransistor), atau bagian dari osilator . Fleksibilitasnya adalah keunggulan terbesarnya.

Di industri mana teknologi ini sangat penting saat ini? Hampir di semua industri: telekomunikasi dan jaringan , peralatan medis, otomotif, energi, manufaktur, dan elektronik konsumen. Kombinasi daya, miniaturisasi, dan kontrol telah melipatgandakan dampaknya.

Mengapa sebagian orang berbicara tentang "hidup/mati"? Ini adalah cara percakapan sehari-hari untuk merujuk pada keadaan terputus (mati) dan menghantarkan arus (aktif atau jenuh). Dalam praktiknya, ini adalah posisi logis yang memungkinkan aliran arus untuk dihidupkan atau dimatikan .

Tujuh puluh tahun lebih setelah kelahirannya, transistor tetap menjadi jantung elektronika: dari kontak titik pertama pada germanium hingga generasi MOSFET terbaru, telah ada ribuan tonggak sejarah, tetapi ide sentralnya tidak berubah: untuk mengontrol secara tepat bagaimana listrik mengalir untuk menciptakan sinyal yang lebih kuat dan bersih atau logika yang andal dalam ruang yang semakin kecil.