Transistor | Definisi, Jenis, Simbol, dan Sejarah

Hampir semua perangkat elektronik modern didasarkan pada komponen fundamental yang disebut transistor. Komponen dasar sistem tertanam modern juga merupakan transistor yang berfungsi sebagai komponen fundamental untuk mengendalikan pemrosesan data. Transistor merupakan komponen penting dalam sirkuit terpadu (IC), mikroprosesor, dan mikrokontroler, serta hampir di setiap perangkat elektronik.  

Transistor adalah perangkat semikonduktor tiga terminal yang digunakan untuk mengontrol aliran arus. Ketika tegangan atau arus diberikan ke terminal input transistor, transistor akan mengontrol atau menguatkan sinyal input untuk menghasilkan sinyal output. Transistor terbuat dari bahan semikonduktor seperti germanium atau silikon. Memahami transistor, jenis-jenisnya, simbol transistor, dan cara kerjanya sangat penting bagi insinyur listrik untuk merancang sistem elektronik modern.

Apa itu Transistor?

Transistor adalah perangkat elektronik yang mengontrol aliran arus. Transistor memiliki tiga terminal, yaitu Basis, Emitor, dan Kolektor. Transistor pada umumnya memiliki dua mode operasi: dapat berfungsi sebagai sakelar atau sebagai perangkat penguat. Dalam mode sakelar, transistor memungkinkan aliran arus. Sedangkan, dalam mode penguatan, transistor memperkuat sinyal masukan yang kecil untuk menghasilkan sinyal keluaran yang lebih besar.

Transistor terdiri dari tiga lapisan material semikonduktor seperti silikon dan germanium. Lapisan-lapisan ini dapat berupa PNP atau NPN. Tumpukan lapisan material inilah yang menentukan jenis transistor, apakah transistor PNP atau transistor NPN. Transistor pada umumnya memiliki tiga terminal yang dikenal sebagai Basis, Emitor, dan Kolektor. Jenis transistor ini dikenal sebagai Transistor Bipolar Junction (BJT). Simbol dan gambar transistor BJT pada umumnya ditunjukkan di bawah ini.

Lapisan transistor	Simbol Transistor	Paket transistor

Gbr-1: Gambar dan simbol Transistor

Jenis-jenis Transistor dan Simbol Transistor

Transistor diklasifikasikan menjadi tiga jenis, yaitu Transistor Bipolar Junction (BJT), Transistor Efek Medan (FET), dan Transistor Bipolar Gerbang Terisolasi (IGBT). Transistor-transistor ini kemudian dibagi lagi menjadi beberapa subtipe. Detail masing-masing jenis transistor akan dibahas nanti di artikel ini.

Transistor Persimpangan Bipolar (BJT)

Transistor BJT memiliki tiga terminal, yaitu basis, emitor, dan kolektor. Aliran arus pada transistor BJT disebabkan oleh elektron atau hole bebas. Arus yang kecil antara terminal basis dan emitor pada transistor BJT dapat mengendalikan aliran arus yang besar antara terminal emitor dan kolektor. Transistor BJT diklasifikasikan menjadi transistor NPN dan PNP.

Gambar 2: Simbol Transistor BJT

Pada transistor PNP, material semikonduktor tipe-N diapit di antara dua material semikonduktor tipe-P. Susunan ini menghasilkan dua sambungan transistor yang dikenal sebagai Sambungan Basis-Emiter (Je) dan Sambungan Basis-Kolektor (Jc). Dalam aplikasi transistor pada umumnya, sambungan basis-emitor diberi bias maju dan sambungan basis-kolektor diberi bias mundur. Pada transistor tipe PNP, aliran arus disebabkan oleh lubang sebagai pembawa muatan mayoritas.

Sementara itu, pada transistor NPN, material semikonduktor tipe-P diapit di antara dua material semikonduktor tipe-N. Pada transistor tipe NPN, aliran arus disebabkan oleh elektron sebagai pembawa muatan mayoritas.  

Ketika sebuah masukan diterapkan di antara dua terminal transistor, masukan tersebut akan diperkuat di terminal keluaran. Satu terminal transistor berfungsi sebagai masukan dan satu lagi sebagai keluaran. Terminal transistor lainnya berfungsi sebagai ground. TOleh karena itu, tiga konfigurasi transistor dirancang.

1. Konfigurasi Emitor Umum: Dalam konfigurasi emitor umum a transistor, input diterapkan pada itu  terminal basis transistor, keluaran diambil di kolektor dan emitor dihubungkan ke ground.

2. Konfigurasi Basis Umum:  Pada konfigurasi basis umum transistor, masukan diberikan pada terminal emitor transistor, keluaran diambil pada kolektor, dan basis dihubungkan dengan ground.

3. Konfigurasi Kolektor Umum: Pada konfigurasi kolektor umum transistor, masukan diberikan pada terminal basis transistor, keluaran diambil pada emitor, dan kolektor dihubungkan dengan ground.

Transistor Efek Medan (FET)

Transistor FET menggunakan medan listrik untuk mengendalikan aliran arus. Jenis transistor ini memiliki tiga terminal: gerbang, drain, dan source. Transistor FET bersifat unipolar, tidak seperti transistor BJT yang merupakan transistor bipolar. Transistor FET banyak digunakan dalam berbagai aplikasi karena impedansinya yang tinggi (hingga Mega Ohm), konsumsi daya yang rendah, disipasi panas yang rendah, dan rentang frekuensi switching yang tinggi hingga Mega Hertz. Transistor FET diklasifikasikan menjadi dua jenis: transistor MOSFET dan JFET.

MOSFET

MOSFET adalah singkatan dari Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor. Transistor ini banyak digunakan dalam aplikasi elektronika daya. Transistor ini merupakan perangkat yang dikontrol tegangannya. Transistor MOSFET terbuat dari tiga lapisan: logam, oksida, dan semikonduktor. Lapisan oksida (SiO₂) pada transistor menunjukkan adanya lapisan tipis terisolasi di antara lapisan logam dan semikonduktor. Oleh karena itu, MOSFET menggunakan medan listrik untuk mengontrol aliran arus antara lapisan logam dan semikonduktor. Tidak seperti BJT, transistor MOSFET hanya dapat menggunakan elektron (Tipe N) atau lubang (Tipe P) sebagai pembawa muatan dalam operasinya.

Gambar 3: Simbol MOSFET N-Channel dan P-Channel

Transistor ini menawarkan impedansi masukan yang sangat tinggi dan impedansi keluaran yang rendah karena arus dikontrol oleh medan listrik. Impedansi masukan yang tinggi pada transistor ini membuatnya cocok untuk rangkaian elektronika daya, Sirkuit Terpadu (IC), Penguat Operasional (Op-Amp), Osilator, filter, dan perangkat frekuensi switching tinggi.

Gambar 4: Paket Lubang Tembus MOSFET Khas

Seperti BJT, Transistor MOSFET juga memiliki tiga konfigurasi operasi.

1.     Konfigurasi Gerbang Umum (Gerbang adalah Ground, Input di Sumber, Output di Drain)

2.     Konfigurasi Drainase Umum (Drain adalah Ground, Input di Gate, Output di Source)

3.     Konfigurasi Sumber Umum (Sumber adalah Ground, Input di Gate, Output di Drain)

Transistor MOSFET diklasifikasikan lebih lanjut menjadi MOSFET Tipe Peningkatan, MOSFET Tipe Deplesi, Transistor PMOS, dan Transistor NMOS.

·       MOSFET Tipe Deplesi: Transistor MOSFET deplesi juga dikenal sebagai transistor D-MOSFET. Arus mengalir antara terminal sumber dan drain transistor yang dikenal sebagai kanal. Pada D-MOSFET, kanal sudah dibangun dalam proses manufaktur. Transistor D-MOS biasanya beroperasi dalam kondisi ON tanpa menerapkan tegangan gerbang. Oleh karena itu, transistor dalam kondisi ini disebut perangkat ON. Namun, ketika tegangan gerbang diterapkan pada input transistor, kanalnya menjadi resistif. Setelah tegangan dinaikkan, arus kanal terus menurun hingga arus transistor dari drain ke sumber berhenti.

·       Jenis Peningkatan MOSFET: Enhancement MOSFET juga dikenal sebagai transistor E-MOS. Tidak seperti transistor D-MOS, kanalnya belum terbentuk. Dalam kondisi normal, tidak ada arus yang mengalir antara terminal drain dan source transistor. Namun, ketika tegangan gate diberikan ke transistor, arus terus meningkat dan membuat kanal transistor kurang resistif.

·  

        Transistor PMOS dan NMOS: Sama seperti MOSFET, transistor PMOS dan NMOS juga memiliki tiga terminal gate, drain, dan source. Perbedaan utama antara transistor PMOS dan NMOS adalah bahwa pada transistor NMOS, lapisan sumber dan drain didoping dengan material tipe-N. Sedangkan pada transistor PMOS, lapisan sumber dan drain didoping dengan material tipe-P.

Tipe MOS	Символ
NMOS
PMOS

JFET

JFET adalah perangkat yang dikontrol tegangan dan merupakan singkatan dari Junction Field Effect Transistor. JFET adalah salah satu transistor pertama dalam FET dan yang paling sederhana. Aliran arus pada transistor JFET hanya disebabkan oleh pembawa muatan mayoritas, tidak seperti transistor pertemuan bipolar, aliran arus disebabkan oleh pembawa muatan mayoritas dan minoritas. Transistor JFET diklasifikasikan menjadi N-JFET dan P-JFET. Transistor ini memiliki tiga terminal: gerbang, sumber, dan pembuangan.

Dalam operasi transistor normal, ketika tegangan gerbang nol, elektron dengan mudah berpindah dari sumber ke drain transistor. Namun, ketika tegangan gerbang diberikan pada terminal sumber dan gerbang transistor, sambungan PN menjadi bias terbalik dan meningkatkan lebar lapisan deplesi. Hal ini akan menyebabkan JFET berada pada kondisi "pinch off" (mati total).

Apa fungsi Transistor?

Transistor adalah perangkat elektronik yang mengontrol aliran arus. Transistor memiliki dua fungsi utama, yaitu sebagai sakelar atau perangkat penguat. Transistor memiliki tiga mode operasi, yaitu mode cut-off, saturasi, dan aktif. Transistor berfungsi sebagai sakelar atau penguat berdasarkan mode operasinya. Jika transistor dioperasikan pada mode cut-off dan saturasi, ia bertindak sebagai sakelar. Namun, jika dioperasikan pada mode aktif, ia bertindak sebagai penguat.

·       Transistor sebagai sakelar: Dengan kombinasi kondisi saturasi dan cut-off, transistor berfungsi sebagai perangkat switching. Ketika berada di kondisi cut-off, arus tidak mengalir sama sekali dan transistor berada dalam kondisi bias balik. Oleh karena itu, transistor tetap dalam kondisi OFF. Ketika berada di kondisi saturasi, arus akan mengalir dan transistor berada dalam kondisi bias maju. Oleh karena itu, transistor akan berada dalam kondisi ON. Transistor memiliki aplikasi yang luas, di mana ia dioperasikan sebagai perangkat switching seperti kedipan LED, motor DC, gerbang logika, penggerak frekuensi tinggi, pengaturan daya presisi, dan relai.

·       Transistor sebagai Penguat: Ketika transistor digunakan secara tepat di daerah aktif, transistor tersebut berfungsi sebagai penguat. Faktor penting yang berkontribusi terhadap penguatan adalah penguatan (beta) transistor. Faktor ini biasanya tercantum dalam lembar data transistor. Semakin tinggi penguatan, semakin tinggi pula penguatan transistor. Faktor lain yang juga berkontribusi terhadap kinerja penguat adalah rasio tegangan masukan dan keluaran, resistansi masukan dan keluaran, penguatan arus, dan penguatan daya. Transistor sebagai penguat banyak digunakan dalam sinyal radio, komunikasi nirkabel, penguat operasional, perangkat audio, penguat instrumen, perangkat medis, dan komunikasi serat optik.

Bagaimana Transistor Bekerja?

Transistor telah merevolusi dunia modern. Di dunia saat ini, transistor digunakan di mana-mana, mulai dari ponsel pintar hingga mesin roket, prosesor modern, perangkat memori, dan server internet.

Transistor pada umumnya berfungsi sebagai sakelar atau penguat. Transistor terbuat dari tiga lapisan bahan semikonduktor, yaitu Tipe-N dan Tipe-P. Jadi, bagaimana cara kerja transistor?

Transistor pada umumnya memiliki tiga terminal: basis, emitor, dan kolektor. Tujuan transistor adalah untuk mengontrol aliran arus. Transistor mengontrol aliran arus dengan menggunakan prinsip pembawa muatan. Mayoritas pembawa muatan adalah elektron atau lubang. Ketiga lapisan tersebut ditempatkan bersama sehingga terdapat dua Tipe N dan satu Tipe P di antaranya. Hal ini menjadikan transistor NPN, dan sebaliknya berlaku untuk transistor PNP.

Operasi dasar transistor didasarkan pada sambungan basis-emitor dan sambungan basis-kolektor. Sambungan ini terbentuk ketika sinyal basis diberikan pada terminal basis-emitor transistor. Ketika arus kecil diberikan pada input transistor, arus besar dapat mengalir dari sambungan basis-kolektor. Hal ini dikenal sebagai penguatan transistor. Transistor dalam mode penguatan dicapai dengan membuat sambungan basis-emitor terbias maju dan sambungan basis-kolektor terbias mundur.

Ketika tidak ada sinyal basis yang diberikan pada input (terminal basis-emitor) transistor, hal ini menyebabkan sambungan basis-emitor dan basis-kolektor mengalami bias balik. Oleh karena itu, tidak ada arus yang akan mengalir dari emitor ke kolektor dan transistor akan berada dalam kondisi MATI. Transistor pada area operasi ini disebut sebagai area cut-off.

Ketika sinyal basis diberikan pada input transistor, arus mengalir dari emitor ke kolektor. Baik sambungan basis-emitor maupun basis-kolektor dalam operasi ini diberi bias maju dan kolektor akan berada dalam kondisi ON. Transistor dalam wilayah operasi ini disebut sebagai wilayah saturasi.

Sejarah Transistor

Asal usul transistor berakar dari tabung vakum termionik. Tabung vakum termionik ditemukan pada tahun 1907 dan terutama digunakan untuk teknologi radio dan sistem radar. Ini adalah jenis transistor pertama, tetapi mengonsumsi daya yang berlebihan dan berukuran besar. Tabung vakum ini menggunakan sinyal masukan untuk mengontrol aliran arus keluaran melalui elektroda. 

Kapan & Siapa Penemu Transistor

Pada bulan Oktober 1925, seorang ilmuwan Austria di Kanada menerbitkan paten pertama untuk transistor efek medan. Namun, karyanya diabaikan pada saat itu karena kurangnya artikel penelitian yang dipublikasikan. Namun, pada masa Perang Dunia, Bell Labs berupaya memproduksi kristal germanium murni untuk digunakan dalam radar dan sinyal pencampur frekuensi.

Pada tahun 1947, John Bardeen dan William Shockley di Bell Labs, New Jersey, Amerika Serikat, menemukan transistor pertama yang berfungsi. Kemudian, pada tahun 1958, Bell Labs memperkenalkan transistor MOSFET. Penemuan MOSFET telah merevolusi elektronika modern karena merupakan transistor planar pertama dengan drain dan source yang berada pada permukaan yang sama. Penemuan MOSFET kemudian secara luas menggantikan transistor konvensional di hampir semua perangkat elektronik, termasuk prosesor, perangkat memori, dan mikrokontroler.

Kesimpulan

Kesimpulannya, transistor adalah salah satu penemuan besar abad ke-20.^th Abad yang telah mengubah elektronika modern. Elektronika tertanam modern seperti prosesor, mikrokontroler, dan perangkat digital terdiri dari transistor. Transistor merupakan komponen vital dalam elektronika modern seperti radar, komunikasi serat optik, perangkat medis, dan penguat instrumen. Oleh karena itu, memahami operasi transistor, prinsip kerja, dan jenis-jenisnya sangat penting bagi para insinyur untuk merancang aplikasi mutakhir.