bipolar 5 Devais Bipolar

Document Sample
bipolar 5 Devais Bipolar Powered By Docstoc
					          5. Devais Bipolar (DB)
5.1. Pendahuluan
5.2. Aksi Transistor
   5.2.1. Operasi pada Mode Aktif
   5.2.2. Penguatan Arus
5.3. Karakteristik Statik Transistor Bipolar
   5.3.1. Arus-Arus Transistor Ideal
               5.1. Pendahuluan
• DB → devais SK yang didalamnya elektron-2 dan hole
  berperan dalam proses penghantaran (conduction).
• > < dengan Devais Unipolar; pada DU → hanya satu
  jenis pembawa berperan lebih dominan
• Contoh DB:
 – Transistor ( Transfer resistor) bipolar
   ∗ Ditemukan pertama kali oleh Tim Peneliti Lab. Bell
     1947 → ’’tipe kontak ujung/batas’’: dua kawat logam
     dengan ujung-ujung tajam berhubungan dengan sub-
     strat Ge.
• Perkembangan DB modern:
 – Ge digantikan dengan Si;
 – Kontak Ujung → p-n junction ter-coupled secara ter-
   tutup dalam bentuk struktur p-n-p atau n-p-n.
 – Terdapat : Transistor bipolar heterojunction
    Contoh: Thyristor
   ∗ asal nama dari ’’gas thyratron’’ → tabung berisi gas
     dengan karakteristik bistable yang mirip
   ∗ tiga p-n junction ter-coupled tertutup dalam bentuk
     struktur p-n-p-n
   ∗ mempunyai karakteristik bistable dan dapat di-switch
  antara keadaan ’’off ’’ impedansi tinggi dan keadaan
  ’’on’’ impedansi rendah.
∗ Karena mempunyai dua keadaan stabil dan dissipasi
  daya yang rendah → digunakan mulai dari dimmer
  lampu dan kontrol kecepatan dalam alat-alat rumah
  tangga sampai untuk men-switch dan pembalik daya
  dalam jalur tarnsmisi tegangan tinggi.
              5.2. Aksi Transistor
• Struktur 3-D transistor bipolar p-n-p sbb: (lihat gambar
  5.1.1a)
• Fabrikasi → mirip seperti p-n junction yaitu:
  – Pertama dibentuk daerah tipe-n pada subtrat p
  – Kemudian daerah p+dibentuk pada daerah n
  – Kontak logam dibentuk (1) diantara daerah-daerah p+
    dan n melalui celah terbuka pada lapisan Oxide dan (2)
    pada daerah p dari bawah.
  – dst.
• Struktur 1-D (lihat gambar 5.1.1b)
  – Daerah p+terdoped dengan padat/rapat → Emmiter
  – Daerah pusat → Base
  – Daerah p terdoped tidak padat → Collector
  – Asumsi: Konsentrasi doping → unif orm
  – Tanda panah → arah aliran arus pada kondisi operasi
    normal (mode aktif), yaitu junction EB dibias maju dan
    junction CB dibias mundur
  – Ingat Hukum Kirchoff: terdapat → dua arus bebas u/
    devais ini. Jika dua arus ini diketahui → arus ketiga
    dapat dihitung.
  – Kebalikan pnp → npn : aliran arus dan polaritas tegan-
    gan senuanya dibalik.
             5.2.1. Operasi pada Mode Aktif
Kesetimbangan Thermal
• EBC dihubungi ke Ground (Lihat gbr 5.1.2a)
• Gbr 5.1.2b → kerapatan impuriti pada ketiga daerah di-
  mana E didoped lebih padat dibanding C, sedangkan dop-
  ing B lebih sedikit dari doping E, tetapi lebih besar dari
  doping C.
• Gbr. 5.1.2c → profil medan listrik pada dua daerah de-
  plesi
• Gbr. 5.1.2d → pita energi (yang intinya adalah perluasan
  dari kondisi kesetimbangan thermal u/ p-n junction ketika
  diaplikasikan menjadi pasangan junction-2 p+-n dan p-n
  ter-coupled tertutup.)
  – Dengan demikian: hasil-hasil atau karakteristik p-n junc-
    tion secara sama dapat digunakan u/ junction EB dan
    BC.
• Tidak ada aliran arus → Tingkat Fermi KONSTAN.
Dibias dalam mode aktif
• Gbr. 5.1.3a → skematik transistor terkoneksi sebagai Pen-
  guat dengan konfigurasi common-base (basis-umum) yaitu
  B milik bersama (umum) rangkaian-rangkain masukan
  dan keluaran
• Gbr. 5.1.3b & c → rapat muatan dan medan listrik pada
  kondisi terbias
• Catatan: lebar lapisan deplesi junction EB lebih sempit
  dan lebar junction CB lebih lebar jika dibandingkan den-
  gan kondisi setimbang.
• Gbr. 5.1.3d → pita energi pada mode aktif.
  – Karena junction EB dibias maju → hole terinjeksi atau
    teremisi dari p+E ke B, dan elektron terijeksi dari B n
    ke E
  – Pandang kondisi dioda ideal yaitu tidak terdapat arus
    GR pada daerah deplesi → dua komponen arus ini mem-
    bentuk arus E total.
  – Junction CB dibias balik, dan arus saturasi balik yang
    kecil → mengalir melalui junction.
  – Namun, jika lebar B cukup kecil → hole yang terin-
    jeksi dari E akan berdifusi melalu B u/ mencapai batas
    deplesi BC dan kemudian mengapung keatas menuju ke
    C
  – Dari mekanisme ini muncul istilah E (pengemisi atau
    penginjeksi pembawa) dan Kollekor (pengumpul pem-
    bawa yang diinjeksi dari junction sebelahnya)
  – Jika kebanyakan hole terinjeksi dapat mencapai C tanpa
    rekombinasi dengan elektron di daerah B → arus hole
    C ' arus hole E.
  – Karena pembawa terinjeksi dari E → aliran arus yang
    besar pada junction C yang terbias balik, hal inilah meru-
    pakan transistor action (tenaga/kekuatan transistor).
    ∗ Dapat direalisasi hanya jika antara dua junction cukup
      dekat secara fisik agar dapat berinteraksi seperti pen-
      jelasan diatas
  – Catatan: Jika jarak antara dua junction cukup jauh:
    ∗ seluruh hole terinjeksi akan ber-rekombinasi dgn elek-
      tron B sebelum dapat mencapai juntion BC, dan
    ∗ akibatnya : transistor action hilang dan struktur pnp
      mencul tidak lebih sebagai dua dioda terhubung ujung-
      ujung belakangnya (back to back)
                  5.2.2. Penguatan Arus

• Gbr. 5.1.4 → komponen-2 berbagai arus dalam transistor
  pnp ideal yang terbias dalam mode aktif. (tidak ada arus
  GR di daerah deplesi)
• Hole terinjeksi dari E → arus IEp (merupakan komponen
  arus terbesar dari transistor yang didesain secara baik.
• Kebanyak hole akan mencapai → C → menaikan arus
  ICp.
• Terdapat → 3 komponen arus B IEn, IBB , dan ICn
 – IEn: arus yang muncul dari elektron yang terinjeksi dari
   B ke E
   ∗ Catatan:arus ini sebenarnya tidak diharapkan dan da-
     pat diperkecil melalui pendoping E lebih padat atau
     melalui junction heteropolar.
 – IBB : elektron yang harus disupply oleh B u/ menganti
   elektron yang berekombinasi dengan hole (yaitu IEn =
   IEp − ICp)
 – ICn: elektron tergenerasi secara thermal yang batas junc-
   tion CB dan menghanyut dari C ke B.
• Tampak pada Gbr., arah arus elektron berlawanan dengan
  arah aliran elektron.
 – Dari uraian di atas, maka ekspresi arus-arus:
                     IE = IEp + IEn                     (1)
                     IC = ICp + ICn                     (2)
            IB = IE − IC
                = IEn + (IEp − ICp) + ICn               (3)
 – Parameter penting sbg pengkarakter transistor bipolar
   → penguat arus common base α0
                               ICp
                         α0 ≡                        (4)
                               IE
 – Substitusi pers. (1) ke pers.(4) :
                            µ           ¶µ ¶
                 ICp              IEp     ICp
       α0 ≡               =                          (5)
              IEp + IEn       IEp + IEn   IEp
  dimana suku I → efisiensi emitter γ (ukuran perbandin-
  gan arus hole terinjeksi dan arus E total):
                      IEp       IEp
                γ≡        =                             (6)
                      IE     IEp + IEn
  suku II → faktor tranport basis αT (ratio arus hole yang
  mencapai C terhadap arus hole yang terinjeksi dari E):
                             ICp
                       αT ≡                             (7)
                             IEp
  sehingga,
                       α0 = γαT                         (8)
– U/ transistor yang didesain secara baik: keduanya γ dan
  αT mendekati 1, sehingga α0 ≈ 1.
– Ekspresi arus C dalam α0, substitusi pers. (6) & (7) ke
  (2):
       IC = ICp + ICn = αT IEp + ICn
                   µ ¶
                     IEp
           = αT γ          + ICn = α0IE + ICn         (9)
                      γ
  dimana ICn → arus CB yang mengalir dengan kondisi
  emitter open-circuited (IE = 0)
  ∗ Perlu dinyatakan ICn sebagai ICB0,dimana CB → dua
    terminal diantaranya arus diukur; dan 0 → keadaan
    terminal ketiga terhadap terminal kedua.
      Dalam hal ini ICB0 → arus bocoran antara C dan B
    dengan junction EB terbuka.
∗ Jadi, arus C u/ konfigurasi common-base:
                 IC = α0IE + ICn             (10)
   5.3. Karakteristik Statik Transistor
                Bipolar
             5.3.1. Arus-Arus Transistor Ideal
   U/ menurunkan ekspresi V-I dari transistor ideal, dia-
sumsikan:
• Devais mempunyai doping yang uniform u/ setiap daerah.
• Injeksi tingkat rendah.
• Tidak terdapat arus-arus GR didaerah deplesi.
• Tidak terdapat hambatan seri di dalam devais.
     Asumsi diatas dapat digunakan u/ memperoleh karak-
teristik V-I dari junction EB dan junction CB (spt halnya
pada dioda ideal)
Mode Aktif
• Gbr. 5.1.3d → distribusi medan listrik yang melintas daerah
  deplesi.
• Distribusi pembawa minoritas didaerah netral dideskrip-
                   Kontinuitas steady-state bebas medan
  sikan oleh Pers. µ      ¶
                      2
                     d pn     pn − pno
               Dp           −           =0            (11)
                     dx2          τp
• Solusi umum pers. (11)
            pn(x) = pno + C1ex/Lp + C2e−x/Lp
                p                                     (12)
  dimana Lp = Dpτ p = janhgkauan difusi hole dan C1
  dan C2 konstanta yang ditentukan melalu syarat-2 batas
  u/ aktif mode sbb:
                 pn(0) = pnoeqVEB /kT dan          (13)
                pn(W ) = 0                         (14)
  dimana pno = konsentrasi pembawa minoritas setimbang
  dalam B = n2/NB
              i
   NB = konsentrasi donor uniform dalam B.
• Syarat batas I → pada kondisi bias maju konsentrasi pem-
  bawa minoritas pada batas daerah deplesi EB (x = 0)
  ⇑ diatas nilai setimbangnya dengan faktor eksponensial
  eqVEB /kT .
• Syarat batas II → pada kondisi bias mundur konsentrasi
  pembawa minoritas pada batas daerah deplesi BC (x =
  W ) =⇒ 0.
• Dengan kedua syarat tsb. persamaan (12):
                                        ³     ´
                                    sinh WL−x 
                                            p
      pn(x) = pno(eqVEB /kT − 1)         ³ ´ +
                                           W
                                      sinh Lp
                              ³ ´
                                 x
                          sinh Lp 
                pno 1 −       ³ ´               (15)
                                W
                           sinh Lp
                    x   −x
  – Ingat sinh x = e +e ; ex = sinh x + cosh x
                      2
• Gbr. 5.1.5 → hasil perhitungan pers.(15), dimana konsen-
  trasi pembawa minoritas ternormalisasi doplot vs jarak u/
  nilai-2 berbeda dari W/Lp di daerah B.
  – Jika W/Lp À 1, distribusi mendekati distribusi ek-
    sponesial dari suatu p-n kuction terisolasi
  – Jika W/Lp ¿ 1, distribusi mendekati garis lurus →
 pn(x) = pno(0)(1−x/W ) = pnoeqVEB /kT (1−x/W ) (16)
• Distribusi pada E dan C dengan cara yg sama dapat diper-
  oleh; Syarat batas:
             nE (x = −xE ) = nEoeqVEB /kT dan         (17)
             nC (x = xC ) = nCoeq|VCB |/kT = 0        (18)
  dimana nEo, nCo konsentrasi elektron setimbang pada E
  dan C
  – Asumsikan: lebar E WE dan lebar C WC lebih besar
    dari LE dan LC
  – Substitusi syarat batas ini ke pers.(12):
                                        x + xE
nE (x) = nEo +nEo(eqVEB /kT −1) exp             u/ x 6 −xE
                                          LE
                                                       (19)
                                 x − xC
    nC (x) = nCo − nCo exp −              u/ x > xC    (20)
                                   LC
• Hal menarik : muatan minoritas tersimpan di B.
  – Muatan pembawa minoritas excess total di B:
                    ZW

             QB = qA [pn(x) − pno] dx                 (21)
                         0
   dimana A luas devais
  – U/ pn(0) À pno, pers.(21) dapat diaproksimasikan oleh
    luas segitiga, dengan 0 - W → lebar B dan pn(0) am-
    plitudo:
                           qAW pn(0)
                     QB '                            (22)
                                2
• Apabila distribusi-2 pembawa diketahui → komponen-2
  arus dapat dihitung
  – Total arus hole IEp(terinjeksi dari E x = 0) ≈ gradien
    konsentrasi pembawa minoritas
           ·            ¯ ¸
                   dpn ¯¯
IEp = A −qDp
                   dx ¯x=0
                                ·                               ¸
            Dppno                                        1
     = qA         coth (W/Lp) (eqVEB /kT − 1) +              (23)
              Lp                                    cosh(W/Lp)
    atau dengan menggunakan ekpansi fungsi hiperbolik (coth y '
    1/y ; sinh y ' y dan sech y = 1 − y 2/2 u/ y ¿ 1) u/
    W/Lp ¿ 1 dan ganti pno dgn n2/NB →
                                     i
                     2
              qADpni qVEB /kT             qADpn2i
      IEp '            (e        − 1) +                (24)
               W NB                        W NB
  – Arus hole terkumpul pada C (x = W ):
           ·            ¯   ¸
                   dpn ¯¯
ICp = A −qDp
                   dx ¯x=W
        qADppno           1     h                              i
     =                           (eqVEB /kT − 1) + cosh(W/Lp)
                                                            (25)
            Lp sinh (W/Lp)
   atau
       qADpn2 qVEB /kT
             i                qADpn2i
ICp '          (e      − 1) +         u/ W/Lp ¿ 1
        W NB                   W NB
                                              (26)
 – Arus elektron IEn(disebabkan oleh aliran elektron dari
   B ke E) dan arus ICn (disebabkan aliran elektron dari C
   ke B):             "                   #
                                   ¯
                               dnE ¯
                                   ¯
           IEn = A −qDE
                                dx ¯x=−xE
                    qADE nEo qVEB /kT
                =             (e         − 1)         (27)
                       LE
                        "                 #
                                     ¯
                                 dnc ¯
                                     ¯
             ICn = A −qDC
                                 dx ¯x=xC
                  qADC nCo
               =                                 (28)
                     LC
   dimana DE dan DC konstanta difusi dalam E dan C
 – Arus-Arus terminal dengan demikian sbb:
  (i) Arus E → penjumlahan pers(23) dan (27):
             IE = a11(eqVEB /kT − 1) + a12           (29)
      dimana     ·             · ¸            ¸
                   Dppno        W      DE nEo
       a11 = qA          coth        +
                    Lp          Lp       Lp
                 ·                 ¸
                   Dpn2 DE nEo
                       i                 W
           ' qA          +            u/    ¿1       (30)
                   W NB        Lp        Lp
                       Dppno   1
            a12   = qA         h i
                        Lp sinh W
                                  Lp
                       Dpn2  i    W
                 ' qA          u/    ¿1           (31)
                       W NB Lp
(ii) Arus E → penjumlahan pers(25) dan (28):
            IC = a21(eqVEB /kT − 1) + a22         (32)
     dimana
                       Dppno      1
             a21 = qA              h i
                        Lp sinh W
                                    Lp
                          Dpn2i     W
                   ' qA          u/   ¿1          (33)
                         W NB Lp
                   ·            · ¸             ¸
                     Dppno        W      DC nCo
       a22 = qA            coth       +
                      Lp          Lp       LC
                   ·                 ¸
                     Dpn2 DC nCo
                         i                 W
            ' qA           +            u/    ¿ 1 (34)
                     W NB       LC         Lp
       Catatan: a12 = a21.
(iii) Arus B → mengurangi pers.(29) dengan pers.(32):
   IB = (a11 − a21)(eqVEB /kT − 1) + (a21 − a22)  (35)
      Dengan menggunkan pers.(22) dan (32), IC da-
      pat diekspresikan dalam QB ( muatan pembawa
      minoritas tersimpan di B): ·      ¸
                   qADppn(0)        2Dp
             IC '               =     2
                                          QB      (36)
                       W            W
(iv) Dengan demikian, arus C ≈ muatan pembawa
      minoritas tersimpan dalam B.
  – Catatan:
    ∗ arus-arus terminal dgn kata lain berkaitan dengan dis-
      tribusi pembawa minoritas di daerah B
    ∗ Ekspresi u/ arus E dan arus C statik mereduksi ke
      faktor-2 yang proporsional dengan gradien pembawa
      minoritas (dp/dx) pada x = 0 dan x = W.
• Ringkasan diskusi di atas:
 (a) Potensial yang diberikan mengontrol kerapatan-2
     batas melalui faktor exp(qV /kT )
 (b) Arus-arus E dan C dapat dinyatakan dalamgradien
     pembawa minoritas pada batas-2 junction (x = 0 dan
     x = W ). Arus-2 ini ≈ muatan tersimpan dalam B.
 (c) Arus B merupkan perbedaan antara arus E dan arus C.
• Efisiensi emitter dapat diperoleh dari pers.(24) dan (27)
                IEp                Dppno/W
       γ ≡               '
             IEp + IEn Dppno/W + DE nEo/LE
                   1
         =       DE nEo W
                                                       (37)
             1 + Dp pno LE
  atau
                                1
                     γ=        DE NB W
                                                       (38)
                           1 + DpNE LE
  dimana NB = n2/pno yaitu doping impuriti pada B; NE =
                  i
  ni /nEo yaitu doping impuriti dalam emitter.
    2
 – Catatan: memperbesar γ → menurunkan ratio NB /NE ,
   yaitu doping pada E harus lebih padat/banyak diband-
   ingkan pada B
• Faktor transport Basis dapat diperoleh dari pers.(23)
  dan pers.(25):        µ ¶
            ICp          W
     αT ≡        ' sech        ' 1 − W 2/2Lp       (39)
            IEp          Lp
   U/ memperbesar αT nilai feadible W/Lp harus terkecil.
  Karena Lp ≈Konstan, maka kita harus mereduksi W.

				
DOCUMENT INFO
Shared By:
Stats:
views:47
posted:6/16/2010
language:Indonesian
pages:18