MODUL I DIODA. - Kapasitor 10 µf, 47µF, 100µF. - IC Trafo 250 ma, CT ± 12 Volt AC.

Transkripsi

1 MODUL I DIODA A. PENDAHULUAN Dioda adalah divais semikonduktor berupa silikon atau germanium yang memiliki dua buah elektroda dan berlaku sebagai konduktor satu arah. Dioda sendiri mempunyai beberapa jenis yaitu diode tabung, diode sambungan p-n, diode kontak titik, dan lainnya. Pada dioda sambungan p-n, tipe dasar sambungannya terdiri atas bahan tipe-p dan tipe-n yang dipisahkan oleh sebuah junction. B. TUJUAN PRAKTIKUM Tujuan praktikum adalah sebagai berikut: 1. Mengetahui karakteristik i-v dari dioda. 2. Memahami aplikasi dioda dalam rangkaian listrik. 3. Menganalisisfungsi kerja dari aplikasi dioda dalam rangkaian listrik. C. ALAT DAN KOMPONEN Alat dan komponen yang digunakan dalam praktikum adalah sebagai berikut: 1. 1 Set Osiloskop dan Probe Set Multimeter Unit Function Generator Unit DC Power Supply Unit Project Board. 6. Kabel Jumper Unit Tang Potong. 8. Komponen: - Dioda 1N 4002, 1N Resistor 1KΩ, 4K7Ω. - Kapasitor 10 µf, 47µF, 100µF. - IC Trafo 250 ma, CT ± 12 Volt AC. Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 1

2 D. TEORI DASAR Struktur dasar dioda terdiri dari bahan semikonduktor tipe-p yang disambungkan dengan bahan tipe-n. Pada ujung bahan tipe p dijadikan terminal anoda (A), sedangkan ujung lainnya dijadikan terminal katoda (K), sehingga dua terminal inilah yang menyiratkan nama dioda. Pada gambar 1.1 diperlihatkan simbol dan struktur dari dioda. Gambar 1.1.Simbol dan Struktur Dioda A) SAMBUNGAN P-N Bahan tipe-p terbentuk dari muatan intrinsik golongan 3A, sedangkan bahan tipe-n terbentuk dari muatan intrinsik golongan 5A. Pada gambar 1.2, muatan yang diberi lingkaran menyatakan ion, dan muatan ini tetap ditempat, tidak bergerak walaupun diberi muatan listrik. Muatan intrinsik yaitu muatan yang berasal dari ikatan kovalen pada atom silikon yang menjadi bebas oleh karena eksitasi termal. Pembawa muatan yang lain adalah muatan bebas, yaitu hole yang dihasilkan oleh atom akseptor pada bahan tipe-p, dan elektron bebas yang dihasilkan oleh atom donor pada bahan tipe-n. Pembawa muatan bebas ini adalah pembawa muatan ekstrisik. Gambar 1.2.Sambungan P-N Hal yang perlu diperhatikan pada persambungan p-n adalah sebagai berikut: 1. Saat persambungan p-n terbentuk, elektron bebas pada tipe-n akan berdifusi melalui junction, masuk ke dalam tipe-p, dan terjadi rekombinasi dengan hole yang ada di dalam tipe-p. Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 2

3 2. Sebaliknya, hole pada tipe-p akan berdifusi masuk kedalam tipe-n dan berekombinasi dengan elektron yang ada pada tipe-n. 3. Rekombinasi elektron bebas dengan hole disekitar junction saling meniadakan sehingga tepat pada daerah junction, terjadi daerah tanpa muatan bebas yang disebut daerah pengosongan (deplesi). 4. Karena muatan positif dan negatif terpisah, maka didalam daerah deplesi terjadi medan listrik yang melawan proses difusi selanjutnya. Dengan adanya medan listrik ini maka terjadi beda potensial listrik, potensial barier, antara tipe-p dan tipe-n. sehingga secara tidak langsung difusi elektron bebas akan terhenti. 5. Pada suhu ruang, diodasilikon mempunyai potensial barier 0,7 volt dan dioda germanium 0.3 volt. B) PRATEGANGAN (BIAS) PADA DIODA Terdapat karakteristik i-v pada dioda yang terdiri dari prategangan maju (forward bias) dan prategangan balik (reverse bias). 1. Prategangan Maju (Forward Bias) Prategangan maju pada dioda sambungan p-n didapatkan dengan cara menghubungkan tipe-p dengan kutub positif baterai dan tipe-n dengan kutub negatif baterai. Oleh karena itu, elektron bebas dari sisi tipe-n ditolak kearah persambungan demikian pula padatipe-p. Dengan demikian, pada sisi tipe-n akan penuh dengan elektron dan sisi tipe-p penuh dengan hole. Elektron-elektron bebas yang menyebrangi persambungan akan kembali dengan hole yang tiba di persambungan. Hasilnya arus yang kontinu akan berlangsung didalam kristal dan kawat-kawat yang dihubungkan ke kristal tersebut. Prategangan maju menyebabkan daerah deplesi semakin mengecil. Gambar 1.3.Prategangan Maju pada Sambungan P-N Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 3

4 2. Prategangan Balik (Reverse Bias) Prategangan balik didapatkan dengan cara menghubungkan tipe-p dengan kutub negatif baterai dan tipe-n dengan kutub positif baterai. Hole pada tipe-p dan elektron bebas pada tipen akan menjauhi persambungan sehingga memperlebar lapisan pengosongan sampai potensial menyamai potensial terpasang. Dalam keadaan ini pembawa mayoritas akan berhenti mengalir dan dalam beberapa nano-detik arus listrik akan menurun sampai sekitar nol. Gambar 1.4.Prategangan Mundur pada Sambungan P-N C) KURVA KARAKTERISTIK DIODA Pada gambar 1.5, menunjukan dua macam kurva, yaitu dioda germanium (Ge) dan dioda silikon (Si). Bagian kiri bawah dari grafik pada gambar tersebut merupakan kurva karakteristik dioda saat mendapatkan prategangan mundur. Bagian kanan atas dari grafik pada gambar tersebut merupakan kurva karakteristik dioda saat mendapatkan prategangan maju. Gambar 1.5.Kurva Karakteristik dari Dioda Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 4

5 1. Dioda diberi Prategangan Maju Arus I D akan naik dengan cepat setelah V A-K mencapai tegangan cut-in (V g ). Tegangan cut-in ini kira-kira sekitar 0,2 volt untuk dioda Ge dan 0,6 volt untuk dioda Si. Dengan pemberian tegangan baterai sebesar ini, maka potensial penghalang (potensialbarrier) pada persambungan akan teratasi, sehingga arus dioda mulai mengalir dengan cepat. Besarnya arus jenuh mundur (reverse saturation current) I S untuk dioda Ge adalah dalam orde mikro amper (1 ma), sedangkan untuk dioda Si, I S nya dalam orde nano amper (10 na). 2. Dioda diberi Prategangan Mundur Apabila V A-K yang berpolaritas negatif tersebut dinaikan terus, maka suatu saat akan mencapai tegangan patah (breakdown) dimana arus I D akan naik dengan tiba-tiba. Pada saat mencapai tegangan breakdown ini, pembawa minoritas dipercepat hingga mencapai kecepatan yang cukup tinggi untuk mengeluarkan elektron valensi dari atom. Kemudian elektron ini juga dipercepat untuk membebaskan yang lainnya sehingga arusnya semakin besar. Pada diodaprategangana, pencapaian tegangan breakdown ini selalu dihindari karena dioda bisa rusak. Hubungan arus dioda (I D ) dengan tegangan dioda (V D ) dapat dinyatakan dalam persamaan 1.1. ID I S e V / n. V d T 1 Keterangan: I D = Arus dioda (A) I S = Arus jenuh mundur (A) e = Bilangan natural (2,71828 ) V d = Beda tegangan pada dioda (V) n = konstanta, 1 untuk Ge dan 2 untuk Si V T = Tegangan ekivalen temperatur (V) (1.1) Harga I S suatu dioda dipengaruhi oleh temperatur, tingkat doping, dan geometri dari dioda. Konstanta n tergantung pada sifat konstruksi dan parameter fisik dioda. Harga V T kurang lebih 26 mv pada temperatur ruang. Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 5

6 D) APLIKASI DIODA Beberapa aplikasi dioda dalam rangkain listrik dapat dipelajari pada sub-bab berikut ini. a) Dioda Sebagai Saklar Dioda merupakan saklar tertutup saat diberi prategangan maju dan merupakan saklar terbuka saat diberi prategangan mundur. Oleh karenanya, dioda bisa berfungsi seperti sebuah saklar. b) Dioda Sebagai Penyearah Dioda semikonduktor banyak digunakan sebagai penyearah. Penyearah Setengah Gelombang Gambar 1.6.Penyearah Setengah Gelombang Prinsip kerja dari penyearah setengah gelombang adalah bahwa pada saat sinyal input berupa siklus positif maka dioda mendapat prategangan maju sehingga arus (I) mengalir ke beban (R L ), dan sebaliknya bila sinyal input berupa siklus negatif maka dioda mendapat prategangan mundur sehingga arus tidak mengalir. Penyearah Gelombang Penuh dengan Center Tap Pada gambar 1.7, merupakan rangkaian penyearah gelombang penuh dengan menggunakan center tap. Terlihat dengan jelas bahwa rangkaian penyearah gelombang penuh ini merupakan gabungan 2 buah penyearah setengan gelombang yang kerjanya bergantian setiap setengah siklus. Sehingga arus maupun tegangan rata-ratanya adalah 2 x penyearah setengah gelombang, PIV = 2 Vm Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 6

7 Gambar 1.7.Penyearah Gelombang Penuh Prinsip kerjanya yaitu pada terminal sekunder dari trafo CT mengeluarkan 2 buah tegangan output yang sama tapi berbeda fasa, karena fasanya berlawanan dengan titik CT sebagai titik tengahnya. Kedua output ini masing-masing dihubungkan ke D 1 dan D 2, sehingga saat D 1 mendapat sinyal positif maka D 2 mendapat sinyal negatif, dan sebaliknya. Dengan demikian D 1 dan D 2 hidupnya saling bergantian. Namun karena arus i 1 dan i 2 melewati tahanan beban (R L ) dengan arah yang sama, maka i L menjadi satu arah. Penyearah Gelombang Penuh dengan Bridge Gambar 1.8.Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh dengan Bridge Prinsip kerjanya: o Pada saat rangkaian bridge mendapatkan bagian positif dari siklus sinyal AC, makad 1 dan D 3 ON karena mendapat prategangan maju, sedangkan D 2 dan D 4 OFF karena mendapat prategangan mundur. Sehingga arus i 1 mengalir melalui D 1, R L, dan D 3. Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 7

8 o Pada saat rangkaian jembatan mendapatkan bagian negatif dari siklus sinyal AC, makad 2 dan D 4 ON karena mendapat prategangan maju, sedangkan D 1 dan D 3 OFF karena mendapat prategangan mundur. Sehingga arus i 2 mengalir melalui D 2, R L, dan D 4. c) Dioda Sebagai Catu Daya Penyearah gelombang penuh dengan bridge sudah mendapat sinyal dc dari input sinyal ac. Akan tetapi, sinyal yang dihasilkan belum terlalu baik. Oleh karenanya, ada beberapa bagian yang dapat ditambahkan untuk menghasilkan sinyal dc yang lebih baik. Low Pass Filter (Tapis Lolos Rendah) Gambar 1.9. Bentuk Sinyal Output setelah Melewati Low Pass Filter Low Pass Filter (LPF)merupakan suatu rangkaian yang akan melewatkan suatu sinyal tertentu sampai ke suatu frekuensi cut-off dan akan menahan sinyal yang frekuensinya diatas frekuensi cut-off dari rangkaian tersebut. Rangkaian penyearah dengan LPF digunakan agar tegangan DC yang dihasilkan lebih rata. Dengan adanya pemasangan sebuah kapasitor, tegangan output tidak akan segera turun walaupun tegangan input sudah turun. Hal ini disebabkan karena kapasitor memerlukan waktu untuk mengosongkan muatannya. Tegangan yang terjadi dikenal dengan tegangan riak (ripple voltage). Kualitas rangkaian penyearah dengan LPF dinyatakan oleh nisbah riak puncak ke puncak (peak-to-peak ripple ratio / pprr). Vrpp Vp pprr ; VDC rata rata (1.2) V DC rata rata Untuk setengah gelombang : V rpp 1 V frc p Untuk gelombang penuh : V rpp 1 V frc p Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 8

9 dengan Vp adalah tegangan puncak dari tegangan output. Dioda Zener Gambar Simbol dari Dioda Zener Dioda zener dibuat sedemikian rupa sehingga daerah deplesinya lebih besar daripada diodabiasa. Akibatnya, medan listrik yang dihasilkan juga lebih besar. Dioda zener memiliki karakteristik yang sama seperti diodabiasa pada kondisi prategangan maju. Pada dasarnya, tidak ada perbedaan secara struktur dari dioda biasa. Dioda zenerdiberi jumlah doping yang lebih banyak pada sambungan P dan N, sehingga tegangan breakdownbisa semakin cepat tercapai.analisis rangkaian dengan menggunakan dioda zener sama seperti diodabiasa. Perbedaan hanya terletak pada permodelan kondisi ON dan OFF dioda zener dibandingkan diodabiasa. Gambar 1.11.Kurva Karakteristik dari Dioda Zener Pada saat dioda zener mendapat prategangan maju dan tegangannya lebih kecil dari tegangan threshold, maka kondisi dioda zener OFF. Sedangkan pada saat tegangannya lebih besar daripada tegangan threshold, maka kondisi dioda zener ON dimana tegangan dioda zener sama dengan tegangan threshold. Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 9

10 Pada saat dioda zener mendapat prategangan mundur dan tegangannya lebih kecil dari tegangan zener, maka kondisi dioda zener OFF. Sedangkan pada saat tegangannya lebih besar daripada tegangan zener, maka kondisi dioda zener ON dimana tegangan dioda zener sama dengan tegangan zener. Tegangan yang menyebabkan munculnya arus mundur yang sangat besar disebut tegangan dadal (breakdown voltage). Dimana pada saat terjadi tegangan tersebut, daerah deplesinya lebar dan arus yang bertambah cepat akibat dua hal berikut ini: a. Zener Breakdown Dengan adanya tegangan mundur yang relatif tinggi, medan listriknya dapat menarik keluar elektron dari ikatan kovalen sehingga terjadi pembentukan pasangan elektron dan hole sebagai pengangkut muatan yang memungkinkan terjadinya arus mundur. b. AvalancheBreakdown. Elektron dan hole yang dibangkitkan dipercepat oleh medan listrik yang tinggi, karena kecepatan yang tinggi menabrak ikatan kovalen sehingga menambah pembangkitan beruntun pasangan elektron-hole sehingga mempercepat pertambahan arus mundur. Salah satu aplikasi dari dioda zener adalah sebagai regulator tegangan. Seperti pada gambar 1.12, tegangan sumber adalah 12V, tetapi tegangan yang terukur pada R load adalah 9V sama dengan nilai tegangan pada dioda zener. Gambar 1.12.Contoh Rangkaian Regulator Tegangan dengan Menggunakan Dioda Zener IC 78xx / IC 79xx IC 78xx merupakan regulator tegangan positif dc sedangkan IC79xx merupakan regulator tegangan negatif dc. Tanda xx menyatakan nilai dari tegangan output yang dihasilkan. Misalkan IC 7812 menyatakan regulator tegangan +12 V DC, sementara 7912 menyatakan regulator tegangan -12 V DC. Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 10

11 (a) (b) Gambar (a) Penggunaan IC 7812 pada Rangkaian; dan (b) Kaki-Kaki yang terdapat pada IC 7812 d) Dioda Sebagai Clipper Rangkaian clipper (pemotong) digunakan untuk memotong atau menghilangkan sebagian sinyal input yang berada dibawah atau diatas level tertentu. Rangkaian ini adalah rangkaian yang digunakan untuk membatasi tegangan agar tidak melebihi dari suatu nilai tegangan tertentu. Secara umum rangkaian clipper dapat digolongkan menjadi 2, yaitu seri dan paralel. Rangkaian clipper seri berarti dioda-nya dipasang secara seri dengan beban, sedangkan clipper paralel berarti dioda-nya dipasang paralel dengan beban.sedangkan untuk masingmasing jenisnya dibagi menjadi clippernegatif, memotong bagian negatif, dan clipper positif, memotong bagian positif. Petunjuk untuk menganalisis rangkaian clippersecara seri adalah sebagai berikut: a. Perhatikan arah dioda Bila arah dioda kekanan, maka bagian positif dari sinyal input akan dilewatkan, dan bagian negatif akan dipotong, berarti clippernegatif. Bila arah dioda kekiri, maka bagian negatif dari sinyal input akan dilewatkan, dan bagian positif akan dipotong, berarti clipper positif. b. Perhatikan polaritas baterai, bila ada. c. Gambarlah sinyal output dengan sumbu nol pada level baterai, yang sudah ditentukan pada langkah 2 diatas. d. Batas pemotongan sinyal adalah pada sumbu nol semula, sesuai dengan sinyal input. Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 11

12 Gambar 1.14.Clipper Positif secara Seri Gambar 1.15.Clipper Negatif secara Seri Petunjuk untuk menganalisis rangkaian clipper secara paralel adalah sebagai berikut: a. Perhatikan arah dioda: Bila arah dioda kebawah, maka bagian positif dari sinyal input akan dipotong, berarti clipper positif. Bila arah dioda keatas, maka bagian negatif dari sinyal input akan dipotong, berarti clippernegatif. b. Perhatikan polaritas baterai, bila ada. c. Gambarlah sinyal output dengan sumbu nol sesuai dengan input. d. Batas pemotongan sinyal adalah pada level baterai. Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 12

13 Gambar 1.16.Clipper Positif secara Paralel Gambar 1.17.Clipper Negatif secara Paralel e) Dioda Sebagai Clamper Rangkaian clamper adalah rangkaian yang digunakan untuk memberikan offset tegangan DC. Dengan demikian, tegangan yang dihasilkan adalah tegangan inputdan tegangan DC. Rangkaian ini disebut juga rangkaian penggeser yang digunakan untuk menggeser suatu sinyal ke level DC yang lain. Rangkaian ini paling tidak harus mempunyai sebuah kapasitor, dioda, dan resistor, disamping itu bisa pula ditambahkan sebuah baterai. Harga R dan C harus dipilih sedemikian rupa sehingga konstanta waktu RC cukup besar agar tidak terjadi pengosongan muatan yang cukup berarti saat dioda tidak menghantar. Sebuah rangkaian clamper sederhana, tanpa baterai, terdiri atas R, D, dan C terlihat pada gambar Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 13

14 Gambar 1.18.Rangkaian Clamper Keterangan: (a) Gelombang kotak yang menjadi sinyal input rangkaian clamper. (b) Pada saat 0 T/2, sinyal input adalah positif sebesar +V, sehingga dioda ON. Kapasitor mengisi muatan dengan cepat melalui tahanan dioda yang rendah, seperti hubung singkat karena dioda ideal. (c) Sinyal output merupakan penjumlahan tegangan input V dan tegangan pada kapasitor V sehingga sebesar -2V. Terlihat pada gambar 1.18, bahwa sinyal output merupakan bentuk gelombang kotak, seperti gelombang input, yang level DC-nya sudah bergeser kearah negatif sebesar V. Besarnya penggeseran ini bisa divariasi dengan menambahkan sebuah baterai secara seri dengan dioda. Dan juga arah penggeseran bisa dibuat kearah positif dengan cara dioda dibalik. Gambar 1.19.Rangkaian ClamperNegatif dan Positif Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 14

15 f) Dioda Sebagai Rangkaian Logika Aplikasi lain dari dioda adalah dapat digunakan sebagai rangkaian logika AND dan OR. Pada gambar 1.20 terdapat rangkaian gerbang logika AND dan OR. Gambar 1.20.Rangkaian AND dan Rangkaian OR dengan Menggunakan Dioda g) Light Emitting Diode (LED) LED merupakan komponen yang dapat mengeluarkan emisi cahaya. Struktur LED sama dengan dioda, tetapi belakangan ditemukan bahwa elektron yang menerjang sambungan P-N juga melepaskan energy berupa energy panas dan energy cahaya. Gambar Simbol LED h) Photodiode Photodioda adalah dioda yang bekerja berdasarkan intensitas cahaya, jika photodioda terkena cahaya maka photodioda bekerja seperti dioda pada umumnya, tetapi jika tidak mendapat cahaya maka photodioda akan berperan seperti resistor dengan nilai tahanan yang besar sehingga arus listrik tidak dapat mengalir. Gambar Contoh Aplikasi LED dan Photodiode dalam Optocoupler Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 15

16 E. PROSEDUR PRAKTIKUM Lakukan dan amati setiap percobaan yang akan dilakukan. Ikuti instruksi khusus dari Asisten Praktikum dengan baik dan seksama. 1. KARAKTERISTIK DIODA a. Rangkaian A Gambar Rangkaian A Langkah kerja: 1. Rangkailah rangkaian seperti pada gambar Hubungkan titik 1 dan titik 2 dengan amperemeter DC dengan orde ma. 3. Hubungkan titik 3 dan titik 4 dengan voltmeter DC. 4. Naikkan tegangan sumber DC (Vs) dari 0 5 volt dengan kenaikan 0,5 volt. Khusus tegangan dari 1 2 volt, kenaikan tegangan 0,1 volt. 5. Catat nilai arus (I d ) dan tegangan pada dioda (V d ) kemudian masukkan ke dalam tabel Gambarkan grafik I d terhadap V d pada Gambar 1.1. b. Rangkaian B Gambar Rangkaian B Langkah kerja: 1. Rangkailah rangkaian seperti pada gambar Hubungkan titik 1 dan titik 2 dengan amperemeter DC dengan orde ma. Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 16

17 3. Hubungkan titik 3 dan titik 4 dengan voltmeter DC 4. Naikkan tegangan sumber DC (Vs) dari 0 5 volt dengan kenaikan 0,5 volt. 5. Catat nilai arus (I d ) dan tegangan pada dioda (V d ) kemudian masukkan ke dalam tabel Gambarkan grafik I d terhadap V d pada Gambar DIODA SEBAGAI PENYEARAH SETENGAH GELOMBANG a. Rangkaian A Gambar Rangkaian Dioda sebagai Penyearah Setengah Gelombang Langkah kerja: 1. Rangkailah rangkaian seperti pada gambar Sumber tegangan AC dari Signal Generator. 2. Berikan tegangan 4 V pp, dengan frekuensi 1 KHz. 3. Pada osiloskop, hubungkan channel 1 dengan input sumber AC, probe positif pada titik 1 dan probe negatif pada titik 3. Hubungkan channel 2 dengan output, probe positif pada titik 2 dan probe negatif pada titik Gambarkan bentuk sinyal input dan output pada gambar 2.1. b. Rangkaian B Gambar Rangkaian Dioda sebagai Penyearah Setengah Gelombang Langkah kerja: 1. Rangkailah rangkaian seperti pada gambar Sumber tegangan AC dari Signal Generator. 2. Berikan tegangan 4 V pp, dengan frekuensi 1 KHz. Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 17

18 3. Pada osiloskop, hubungkan channel 1 dengan input sumber AC, probe positif pada titik 1 dan probe negatif pada titik 3. Hubungkan channel 2 dengan output, probe positif pada titik 2 dan probe negatif pada titik Gambarkan bentuk sinyal input dan output pada gambar DIODA SEBAGAI PENYEARAH GELOMBANG PENUH DENGAN CENTERTAP Gambar Rangkaian Dioda sebagai Penyearah Gelombang Penuh dengan Center Tap Langkah kerja: 1. Rangkailah rangkaian seperti pada gambar Pada osiloskop, hubungkan channel 1 dengan input sumber AC, probe positif pada titik 1 dan probe negatif pada titik 3. Hubungkan channel 2 dengan output, probe positif pada titik 2 dan probe negatif pada titik Gambarkan bentuk sinyal input dan output pada gambar DIODA SEBAGAI PENYEARAH GELOMBANG PENUH DENGAN BRIDGE Gambar Rangkaian Dioda sebagai Penyearah Gelombang Penuh dengan Bridge Langkah kerja: 1. Rangkailah rangkaian seperti pada gambar Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 18

19 2. Pada osiloskop, hubungkan channel 1 dengan input sumber AC, probe positif pada titik 1 dan probe negatif pada titik 3. Hubungkan channel 2 dengan output, probe positif pada titik 2 dan probe negatif pada titik Gambarkan bentuk sinyal input dan output pada gambar DIODA SEBAGAI CATU DAYA Gunakan dan lanjutkan skema rangkaian pada gambar 1.28 untuk percobaan berikut ini. a. LPF Gambar Rangkaian Catu Daya dengan LPF Langkah kerja: 1. Tambahkan rangkaian LPF dengan menggunakan resistor 1 KΩ dan kapasitor 470 µf, seperti pada gambar Pada osiloskop, hubungkan channel 1 dengan input sumber AC, probe positif pada titik 1 dan probe negatif pada titik 3. Hubungkan channel 2 dengan output, probepositif pada titik 2 dan probenegatif pada titik Gambarkan bentuk sinyal input dan output, serta hitung tegangan ripple-nya. b. Regulator dengan Dioda Zener Langkah kerja: Gambar Rangkaian Catu Daya dengan Dioda Zener Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 19

20 1. Tambahkan dioda zener pada gambar rangkaian 1.29 seperti rangkaian pada gambar Catat nilai arus dan tegangan pada beban R L. 3. Ubahlah nilai R L dari yang paling besar menuju nol. c. Regulator dengan IC 78** Gambar 1.31 Rangkaian Catu Daya dengan Regulator IC 78** Langkah kerja: 1. Tambahkan regulator IC 78** pada gambar rangkaian 1.29 seperti rangkaian pada gambar Catat nilai arus dan tegangan pada beban R L. 3. Ubahlah nilai R L sesuai dengan kebutuhan. 6. DIODA SEBAGAI CLIPPER Gambar Rangkaian Dioda sebagai Clipper Langkah kerja: 1. Atur Signal Generator agar tegangannya 10 V pp dengan frekuensi 1 KHz. 2. Beri sumber tegangan DC 4 V dan 2 V pada masing-masing dioda dengan arah yang berlawanan, seperti pada gambar diatas. 3. Pada osiloskop, hubungkan channel 1 dengan input sumber AC, probe positif pada titik 1 dan probe pada titik 3.Hubungkan channel 2 dengan output, probepositif pada titik 2 dan probenegatif pada titik 3. Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 20

21 4. Gambarkan sinyal input dan output. 7. DIODA SEBAGAI CLAMPER Gambar Rangkaian Dioda sebagai Clamper Langkah kerja: 1. Atur Signal Generator dengan sinyal masukkan berupa sinyal kotak yang tegangannya 10 V pp dengan frekuensi 1 KHz. 2. Pada osiloskop, hubungkan channel 1 dengan input sumber AC, probe positif pada titik 1 dan probe pada titik 3.Hubungkan channel 2 dengan output, probepositif pada titik 2 dan probenegatif pada titik Gambarkan sinyal input dan output. 8. DIODA SEBAGAI RANGKAIAN LOGIKA Gambar Rangkaian Dioda sebagai Rangkaian Logika Langkah kerja: 1. Rangkailah rangkaian seperti pada gambar Berikan input pada V 1 dan V 2 dengan kombinasi 0 V dan 5 V. 3. Ukurlah arus dan tegangan pada resistor. Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 21

22 MODUL 2 BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR (BJT) A. PENDAHULUAN Pada prinsipnya suatu transistor terdiri dari dua buah dioda yang disatukan. Agar transistor dapat bekerja pada kaki-kakinya harus diberikan tegangan. Sambungan kedua dioda tersebut membentuk transistor PNP dan NPN. Transistor yang dibahas ini adalah Bipolar Junction Transistor (BJT) karena struktur dan prinsip kerjanya tergantung dari perpindahan elektron di kutub negatif mengisi kekurangan elektron ( hole) dikutub positif. Sifat transistor adalah bahawa antara Collector dan Emitor akan ada arus (transistor akan menghantar) bila ada arus Basis. Pada transistor PNP tegangan Basis dan Collector negatif terhadap Emitor sedangkan pada transistor NPN tegangan Basis dan Collector positif terhadap Emitor. B. TUJUAN PRAKTIKUM Tujuan praktikum adalah sebagai berikut: 1. Memahami dan menggambarkan kurva karakteristik transistor. 2. Mengidentifikasi daerah kerja transistor berdasarkan pada kurva karakteristik transistor 3. Mengaplikasikan transistor sebagai penguat dan saklar berdasarkan pada daerah kerja transistor dan datasheet-nya 4. Pengenalan aplikasi TTL (Transistor-Transistor Logic) C. ALAT DAN KOMPONEN Alat dan komponen yang digunakan dalam praktikum adalah sebagai berikut: 1. 1 Set Osiloskop dan Probe Set Multimeter Unit Function Generator Unit DC Power Supply Unit Project Board. 6. Kabel Jumper Unit Tang Potong. 8. Komponen: Transistor BJT BC 140 Resistor 100 kω, 470 kω, 47 kω, 10 kω, 1 kω, 27k Ω, 10 Ω, 50Ω dan 4k7 Ω Kapasitor ELCO 4.7 µf,100µf dan 470 µf Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 22

23 Resistor variable 100kΩ Led D. TEORI DASAR Transistor yang dibahas ini adalah Bipolar Junction Transistor (BJT) karena struktur dan prinsip kerjanya tergantung dari perpindahan elektron di kutub negatif mengisi kekurangan elektron ( hole) dikutub positif. Sifat transistor adalah bahawa antara Collector dan Emitor akan ada arus (transistor akan menghantar) bila ada arus Basis. Pada transistor PNP tegangan Basis dan Collector negatif terhadap Emitor sedangkan pada transistor NPN tegangan Basis dan Collector positif terhadap Emitor. A) TIPE TRANSISTOR Transistor NPN Tipe NPN terdiri dari selapis semikonduktor tipe-p di antara dua lapisan tipe-n. Arus kecil yang memasuki basis pada tunggal emitor dikuatkan di keluaran kolektor. Dengan kata lain, transistor NPN hidup ketika tegangan basis lebih tinggi daripada emitor. Transistor PNP Tipe PNP terdiri dari selapis semikonduktor tipe-n di antara dua lapis semikonduktor tipe-p. Arus kecil yang meninggalkan basis pada moda tunggal emitor dikuatkan pada keluaran kolektor. Dengan kata lain, transistor PNP hidup ketika basis lebih rendah daripada emitor. Gambar 2.1. Transistor PNP dan NPN B) OPERASI TRANSISTOR Pengoperasian transistor disesuaikan dengan tipe dari transistor tersebut, yakni PNP atau NPN. Transistor memiliki tiga daerah operasi yang sering dimanfaatkan yakni, daerah aktif, saturasi, dan cut off. Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 23

24 Transistor Tipe PNP Mode EBJ CBJ Cut Off Reverse Reverse Aktif Forward Reverse Saturasi Forward Forward Transistor Tipe NPN Mode EBJ CBJ Cut Off Reverse Reverse Aktif Forward Reverse Saturasi Forward Forward C) ANALISA PRATEGANGAN Ada beberapa macam prategangan/bias yang biasanya digunakan dalam berbagai macam transistor baik itu NPN maupun PNP. Berikut ini akan dijelaskan secara singkat beberapa bias yang sering digunakan. Fixed Bias Pada konfigurasi ini, catuan transistor dihubungkan hanya ke satu sumber teganganyang biasanya dinotasikan dengan Vcc. Di bawah ini akan dijelaskan secara umum mengenai konfigurasi fixed bias. Gambar 2.2. Rangkaian Fixed Bias Emiter Stabilized Bias Pada dasarnya konfigurasi pra tegangan ini hampir mirip dengan fixed bias, namun di sini ditambahi lagi resistor pada kaki emitor. Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 24

25 Gambar 2.3. Rangkaian Emitter Stabilized Bias Voltage Divider Bias Pada konfigurasi ini, catuan tegangan untuk basis didapatkan melalui pembagian tegangan antara dua buah resistor yang terhubung dengan kaki basis. Gambar 2.4. Rangkaian Voltage Divider Bias D) KONFIGURASI PENGUAT TRANSISTOR Transistor merupakan komponen dasar untuk sistem penguat. Untuk bekerja sebagai penguat, transistor harus berada dalam kondisi aktif. Kondisi aktif dihasilkan dengan memberikan bias pada transistor. Bias dapat dilakukan dengan memberikan arus yang konstan pada basis atau pada kolektor. Jika pada kondisi aktif transistor diberikan sinyal (input) yang kecil, maka akan dihasilkan sinyal keluaran (output) yang lebih besar. Ada 3 macam konfigurasi dari rangkaian penguat transistor yaitu : Common Emitter (CE), Common Base (CB), dan Common Collector (CC). Konfigurasi umum transistor bipolar penguat ditunjukkan oleh gambar berikut ini. Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 25

26 Penguat Common Emitter Gambar 2.5. Rangkaian Penguat Common Emitter Penguat Common Base Gambar 2.6. Rangkaian Penguat Common Base Penguat Common Collector Gambar 2.7. Rangkaian Penguat Common Collector Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 26

27 E) APLIKASI TRANSISTOR Sebelum melangkah ke aplikasi dari transistor,ada baiknya menelaah terlebih dahulu kurva karakteristik transistor berikut ini. Gambar 2.8. Kurva Karakteristik Transistor Fungsi transistor sebagai penguat telah sedikit dibahas sebelumnya. Yang sekarang akan dibahas adalah transistor sebagai saklar dan inverter dengan memanfaatkan daerah saturasi dan cut-off dari transistor tersebut. Transistor Sebagai Inverter Pada rangkaian ini, transistor masih bekerja pada kondisi saturasi maupun cut-off. Layaknya gerbang logika NOT(inverter), transistor dapat mengubah input High(bit 1) menjadi Low(bit 0) ataupun sebaliknya. Ketika ada arus input pada kaki basis(dalam hal ini isyarat 1) maka transistor akan ON dan arus mengalir dari kolektor ke emitor, sehingga output F akan bernilai 0. Sebaliknya jika tidak ada arus input pada kaki Basis maka transistor akan OFF. Tidak akan ada arus mengalir menuju emitor,sehingga arus akan dialirkan ke output. Output bernilai 1. Gambar 2.9. Transistor Sebagai Inverter Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 27

28 Menentukan nilai R B dan R C : - Asumsi h FE = 100, I c sat = 10 ma dan V BE = 0,7 V (sebaiknya melihat datasheet transistor yang digunakan) - Maka akan didapatkan R C = atau R C = 500Ω - Untuk mencari nilai R B, maka akan ditentukan dulu nilai I b I b = atau I b = 0.1 ma - Terakhir akan didapatkan R B = atau R B = 43 kω Transistor Sebagai Saklar Pada prinsipnya, switching menggunakan transistor sama halnya dengan switching menggunakan saklar ataupun relay. Di sini fungsi transistor digunakan untuk menyambung ataupun memutuskan arus pada suatu rangkaian listrik. Agar transistor dapat berfungsi sebagai saklar, maka harus di set dulu komponen-komponen yang digunakan serta tegangan pencatu yang digunakan agar transistor berada pada daerah saturasi (saklar on) dan juga cut off (saklar off). Berikut ini sedikit ilustrasinya. Gambar 2.9. Transistor Sebagai Saklar Dari gambar diatas dan dari keterangan sebelumnya, saat transistor berada pada kondisi saturasi (saklar ON), maka kaki collector dan emmitor akan terhubung sehingga V CE = 0, namun sebaliknya jika berada pada kondisi cut off (saklar OFF), maka akan didapat V CE = V CC. Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 28

29 E. PROSEDUR PRAKTIKUM 1. KURVA KARAKTERISTIK TRANSISTOR Gambar Karakterisasi Transistor Langkah kerja: 1. Susunlah komponen-komponen yang digunakan pada project board sesuai dengan rangkaian skematik di atas (R B =100kΩ, R C = 470 kω) 2. Karena hanya ada satu buah multimeter, maka untuk mengukur arus maupun tegangan dilakukan secara bergantian 3. Perhatikan rangkian sebelah kiri dan susun seperti pada gambar di atas dengan menyambung secara seri multimeter yang digunakan dengan R B serta V BB, sedangkan rangkaian di sebelah kanan dibiarkan saja terbuka dengan tidak membentuk satu loop tertutup. 4. Set V BB agar arus yang terukur di multimeter (I B ) tersebut sama dengan 0.02 ma. Jika sudah pindahkan multimeter ke rangkaian sebelah kanan dan biarkan untuk sementara waktu rangkaian di sebelah kiri dalam keadaan open circuit 5. Sekarang perhatikan rangkaian sebelah kanan, pasang multimeter secara seri untuk mengukur arus (I C ) yang melewati rangkaian sebelah kanan 6. Sambunglah rangkaian sebelah kiri yang terputus tersebut dengan jumper kabel dan kemudian amati nilai I C yang terukur dengan mengubah nilai V CC dari 0 V 10 V 7. Jika telah mendapatkan nilai I C, sekarang amati nilai V CE dengan memasang secara parallel multimeter tersebut,dengan terlebih dahulu menyambungkan kembali rangkaian sebelah kanan dengan jumper 8. Ulangi lagi langkah di atas untuk nilai I b yang berbeda ( mA) 9. Catat hasilnya dalam jurnal Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 29

30 10. Gambarkan hasil yang didapat ke dalam grafik kurva karakteristik transistor menggunakan kertas yang tersedia 11. Tentukan juga I c saturasi dan V CE saturasi dari masing-masing kurva 2. PENGUAT COMMON BASE Gambar Penguat Common Base Langkah Kerja : 1. Susunlah komponen-komponen yang digunakan pada project board sesuai dengan rangkaian skematik di atas. 2. Berikan sinyal input dan ukur harganya (Vi). Dengan amplitude kurang dari 50mV (sinyal kecil) dan frekuensi 1kHz. 3. Sambungkan Probe Ch1 Osiloskop pada input dan Ch2 pada output. 4. Amati sinyal output dan hitung berapa penguatannya. 5. Ukur tahanan masukan (Rin) dan tahanan luaran (Rout) menggunakan potensiometer. 6. Potensiometer dipasang seri antara generator sinyal dan kapasitor C1 (4.7uF) untuk mendapatkan nilai Rin. Ubah-ubah nilai potensiometer sehingga didapat nilai sinyal input Vi = ½ Vi. Dengan nilai Vi adalah tegangan yang terukur setelah C1 7. Lepaskan potensiometer, lalu ukur potensiometer tersebut menggunakan multimeter. Nilai yang terukur tersebut adalah nilai Rin. 8. Pengukuran Rout dilakukan dengan memasang potensiometer pada output. 9. Pasang potensiometer sebagai beban. 10. Berikan input, kemudian ukur output sebelum dipasang potensiometer. Nilai ini adalah Vo 11. Ukur Vo (tegangan pada potensiometer yang telah terpasang pada output) dan ubah nilai potensiometer sampai didapat Vo2 = 1/2Vo1 (input tidak diubah). Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 30

31 12. Lakukan seperti nomor 7. Nilai yang terukur tersebut adalah nilai Rout. 3. PENGUAT COMMON EMITTER Gambar Penguat Common Emitter Langkah Kerja : 1. Susunlah komponen-komponen yang digunakan pada project board sesuai dengan rangkaian skematik di atas. 2. Berikan sinyal input dan ukur harganya (Vi). Dengan amplitude kurang dari 50mV (sinyal kecil) dan frekuensi 1kHz. 3. Sambungkan Probe Ch1 Osiloskop pada input dan Ch2 pada output. 4. Amati sinyal output dan hitung berapa penguatannya. 5. Ukur tahanan masukan (Rin) dan tahanan luaran (Rout) menggunakan potensiometer. Cara pengukuran Rin dan Rout sama seperti praktikum PENGUAT COMMON COLLECTOR Gambar Penguat Common Collector Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 31

32 Langkah Kerja : 1. Susunlah komponen-komponen yang digunakan pada project board sesuai dengan rangkaian skematik di atas. 2. Berikan sinyal input dan ukur harganya (Vi). Dengan amplitude kurang dari 50mV (sinyal kecil) dan frekuensi 1kHz. 3. Sambungkan Probe Ch1 Osiloskop pada input dan Ch2 pada output. 4. Amati sinyal output dan hitung berapa penguatannya. 5. Ukur tahanan masukan (Rin) dan tahanan luaran (Rout) menggunakan potensiometer. Cara pengukuran Rin dan Rout sama seperti praktikum 3 dan TRANSISTOR SEBAGAI INVERTER Gambar Transistor Sebagai Inverter Langkah Kerja : 1. Susunlah komponen-komponen yang digunakan pada project board sesuai dengan rangkaian skematik di atas. 2. Atur nilai VCC = 5 V. 3. Sambungkan sinyal generator pada Rb dengan amplitude 2 Vpp dan frekuensi 1 khz. 4. Sambungkan probe Ch1 osiloskop pada sinyal masukan dan Ch2 pada sinyal keluaran di kaki colletor BJT. 5. Amati bentuk sinyal dan Gambarkan. 6. Tuliskan hasil pengamatan pada jurnal. 7. Lakukan variasi bentuk sinyal (Segitiga, Kotak, Persegi) 8. Amati bentuk sinyal dan Gambarkan. Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 32

33 6. TRANSISTOR SEBAGAI SAKLAR Gambar Transistor Sebagai Saklar Langkah Kerja : 1. Susunlah komponen-komponen yang digunakan pada project board sesuai dengan rangkaian skematik di atas. 2. Atur nilai VCC = 5 V. 3. Set potensiometer sehingga nilai V BE = 0. Ukur resistansinya. 4. Putar Potensiometer hingga led indicator menyala. Cabut potensioter dan ukur resistansinya saat led menyala. 5. Kemudian ukur nilai tegangan di kolektor. Tulis Hasil Pengamatan pada jurnal. Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 33

34 MODUL III MOSFET A. PENDAHULUAN Dalam bab ini akan dibahas transistor efek medan (Field Effect Transistor FET). Ada dua macam FET, yaitu FET sambungan (junction FET = JFET) dan Transistor Efek Medan Logam-Oksida-Semikonduktor (metal-oxide-semiconductor field effect transistor-mosfet). Prinsip dasar perangkat ini pertama kali diusulkan oleh Julius Edgar Lilienfeld pada tahun MOSFET mencakup kanal dari bahan semikonduktor tipe-n dan tipe-p, dan disebut NMOSFET atau PMOSFET (juga biasa nmos, pmos). B. TUJUAN PRAKTIKUM Tujuan praktikum adalah sebagai berikut: 1. Mengetahui dan mempelajari karakteristik transistor MOSFET. 2. Memahami konfigurasi MOSFET sebagai penguat untuk konfigurasi Common Source dan Common Drain. 3. Mengaplikasikan MOSFET sebagai saklar. C. ALAT DAN KOMPONEN Alat dan komponen yang digunakan dalam praktikum adalah sebagai berikut: 1. 1 Set Osiloskop dan Probe 2. 1 Set Multimeter 3. 1 Set Function Generator 4. 1 Set DC Power Supply 5. Kabel Jumper 6. Tang Potong 7. Project Board 8. Komponen Transistor MOSFET Enhancement Mode (IRF530) Resistor (100KΩ dan 2K2Ω) Kapasitor 100μF Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 34

35 D. TEORI DASAR Field Effect Transistor (FET) adalah piranti tiga terminal seperti BJT. Istilah field effect (efek medan listrik) sendiri berasal dari prinsip kerja transistor ini yang berkenaan dengan lapisan deplesi (depletion layer). Lapisan ini terbentuk antara semikonduktor tipe-n dan tipe- P, karena bergabungnya elektron dan hole disekitar daerah perbatasan. Sama seperti medan listrik, lapisan deplesi ini bisa membesar atau mengecil tergantung dari tegangan antara Gate dan Source. Namun, perbedaan utama dari kedua transistor ini adalah BJT merupakan piranti yang dikontrol oleh arus sedangan FET merupakan piranti yang cara kerjanya berdasarakan pengendalian arus listrik oleh tegangan. Perbedaan lainnya terdapat pada prinsip kerja kedua jenis transistor tersebut. FET disebut juga transistor unipolar, yaitu transistor yang prinsip kerjanya berdasarkan salah satu pembawa muatan, elektron atau hole. Sedangkan pada BJT (Bipolar Junction Transistor) prinsip kerjanya berdasarkan dua muatan yang berbeda, yaitu pembawa muatan positif (hole) dan pembawa muatan negatif (elektron). Untuk dapat lebih memahami, perhatikan gambar berikut : Gambar 3.1 : (a) Current Controller (b) Voltage Controller Pada gambar 3.1 (a) (BJT), nilai I C (arus Collector) bergantung pada nilai dari I B (arus Basis), sedangkan pada gambar (b) (FET), I D (arus Drain) nilainya bergantung pada tegangan V GS. Pada gambar 3.1 juga terlihat bahwa kaki D (Drain) pada FET dapat dianalogikan dengan kaki Collector pada BJT. Selain itu, kaki G (Gate) pada FET dapat dianalogikan dengan kaki Base pada BJT dan kaki S (Source) dapat dianalogikan dengan kaki Emiter.Transistor FET bekerja berdasarkan efek medan elektrik yang dihasilkan oleh tegangan yang diberikan pada kedua ujung terminalnya. Pada transistor ini, arus yang muncul pada kaki Drain dihasilkan oleh tegangan antara Gate dan Source. Jadi, dapat dikatakan bahwa FET adalah transistor yang berfungsi sebagai konverter tegangan ke arus. Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 35

36 Karakteristik transistor efek medan dibandingkan transistor bipolar : 1. Operasinya tergantung pada aliran pembawa mayoritas saja. 2. Ukurannya kecil (yang terdapat di dalam IC). 3. Impedansi input tinggi (ratusan MW). 4. Stabil terhadap temperatur. Ada dua jenis transistor FET, yaitu JFET (Junction FET) dan MOSFET (Metal-oxide Semikonduktor FET). Kedua jenis transistor tersebut sebenarnya memiliki karakteristik umum yang serupa, namun tetap ada perbedaan yang mendasar pada struktur dan karakteristiknya. Transistor yang akan digunakan pada praktikum kali ini adalah transistor MOSFET. A) JFET Junction FET terdiri atas dua jenis, yaitu JFET kanal-n dan JFET kanal-p. Kanal-N dibuat dari bahan semikonduktor tipe-n dan kanal-p dibuat dari semikonduktor tipe-p. Ujung ata dinamakan Drain dan ujung bawah dinamakan Source. Pada kedua sisi kiri dan kanan terdapat implant semikonduktor yang berbeda tipe. Terminal kedua sisi implant ini terhubung satu dengan lainnya secara internal dan dinamakan Gate. Gambar di bawah ini menggambarkan struktur JFET kanal-n dan JFET kanal-p. Gambar 3.2 : Struktur JFET (A) Kanal-N (B) Kanal-P Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, istilah field effect transistor berasal dari prinsip kerja transistor yang berkaitan dengan lapisan deplesi. Pada gambar di atas, lapisan deplesi ditunjukan dengan warna kuning di sisi kiri dan kanan. Pada skema rangkaian elektronika, JFET disimbolkan seperti pada gambar dibawah ini: Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 36

37 (a) (b) Gambar 3.3 : Simbol Komponen (a) JFET-N (b) JFET-P JFET kanal-n Salah satu JFET adalah JFET kanal-n. Prinsip kerja JFET dapat ditinjau dari transistor JFET kanal-n. Drain dan Source transistor ini dibuat dengan semikonduktor tipe-n dan Gate dengan tipe-p. Gambar dibawah ini menunjukan bagaimana transistor ini diberi tegangan bias. Tegangan bias antara Gate dan Source adalah tegangan reverse bias atau bias negatif. Tegangan bias negatif berarti tegangan Gate lebih negatif terhadap Source. Pada transistor ini, kedua Gate terhubung satu dengan lainnya. Gambar 3.4 : Lapisan Deplesi Jika Gate-Source Diberi Bias Negatif Elektron yang mengalir dari Source menuju Drain harus melewati lapisan deplesi. Disini lapisan deplesi berfungsi seperti keran air. Banyaknya elektron yang mengalir dari Source menuju Drain tergantung dari ketebalan lapisan deplesi. Lapisan deplesi bisa menyempit, melebar atau terbuka tergantung dari tegangan Gate terhadap Source. Jika Gate semakin negatif terhadap Source, maka lapisan deplesi akan semakin menebal. Lapisan deplesi bisa saja menutup seluruh kanal transistor bahkan dapat menyentuh Drain dan Source. Pada kondisi ini, arus Drain yang muncul akan sangat kecil,atau bahkan Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 37

38 tidak ada arus yang muncul sama sekali. Jadi jika tegangan Gate semakin negatif terhadap Source maka semakin kecil arus yang bisa melewati kanal Drain dan Source. Jika Gate lebih positif dari Source, maka daerah deplesi akan semakin menyempit, sehingga arus Drain akan selalu muncul tanpa dapat dikontrol oleh tegangan GS. Gambar 3.5 : Lapisan Deplesi Pada Saat Tegangan Gate-Source = 0 Volt Jika pada sisi G-S tidak diberi bias (V GS = 0), ternyata lapisan deplesi mengecil hingga muncul celah sempit. Arus elektron akan mengalir melalui celah sempit ini dan terjadilah konduksi Drain dan Source. Arus yang terjadi pada keadaan ini merupakan arus maksimun yang dapat mengalir berapapun tegangan Drain terhadap Source. Hal ini karena celah lapisan deplesi sudah maksimum tidak bisa lebih lebar lagi. Tegangan Gate tidak bisa dinaikkan menjadi positif, karena apabila nilainya positif maka Gate-Source tidak lain hanya sebagai dioda. Karena tegangan bias yang negatif, maka arus Gate yang disebut I G akan sangat kecil sekali. Dengan nilai arus yang sangat kecil, resistansi input (input impedance) Gate akan sangat besar. Impedansi input transisitor FET umumnya bisa mencapai satuan MOhm. Dari prinsip kerja FET, dapat disimpulkan seperti pada gambar kurva karakteristik dibawah ini : Gambar 3.6 : Kurva Karakteristik JFET N-Channel Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 38

39 Dari gambar diatas, terlihat bahwa nilai I D = 0 ma saat nilai V GS = V P, dengan nilai V P pada JFET kanal-n adalah negatif dan nilai V P pada JFET kanal-p adalah positif. JFET kanal-p Transistor JFET kanal-p memiliki prinsip yang sama dengan JFET kanal-n, hanya saja sisi Drain dan Source dibuat dengan semikonduktor tipe-p, dan Gate dari semikonduktor tipe- N. Dengan demikian polaritas tegangan dan arah arus berlawanan jika dibandingkan dengan transistor JFET kanal-n. B) MOSFET Sebenarnya MOSFET (Metal-oxide semiconduktor FET) memiliki kemiripan dengan JFET, yaitu memiliki kaki Drain, Source, dan Gate. Namun perbedaannya Gate terisolasi oleh bahan oksida. Gate tersebut terbuat dari bahan metal seperti Aluminium. Oleh karena itulah transistor ini dinamakan metal-oxide. Karena Gate yang terisolasi, transistor ini disebut juga IGFET yaitu Insulated-Gate FET. Ada dua jenis MOSFET, yaitu depletion-mode dan enhancement-mode. Jenis MOSFET yang kedua adalah komponen utama dari gerbang logika dalam bentuk IC (Integrated Circuit), µc (Mikro Controller) dan µp (Mikro Processor) yang merupakan komponen utama dari komputer modern saat ini. Kedua jenis MOSFET tersebut juga memiliki dua jenis, yaitu jenis MOSFET tipe-n dan jenis MOSFET tipe P. Transistor MOSFET dalam berbagai referensi disingkat dengan nama MOS. Dua jenis tipe-n atau P dibedakan dengan nama NMOS dan PMOS. Simbol untuk menggambarkan MOS tipe depletion-mode dibedakan dengan tipe enchancement-mode. Perbedaan simbol tersebut dapat terlihat pada gambar dibawah ini : Simbol transistor (a) NMOS (b) PMOS tipe depletion mode Simbol transistor (a) NMOS (b) PMOS tipe enhancement mode Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 39

40 MOSFET Depletion Mode Pada gambar dibawah ini, terlihat struktur dari transistor depletion-mode. Pada sebuah kanal semikonduktor tipe-n terdapat semikonduktor tipe-p dengan menyisakan sedikit celah. Hal tersebut bertujuan agar elektron mengalir dari Source menuju Drain melalui celah sempit tersebut. Gate terbuat dari metal (seperti Aluminium) dan terisolasi oleh bahan oksida tipis SiO 2 (kaca). Gambar 3.7 : Struktur MOSFET Depletion-Mode Semikonduktor tipe-p pada transistor ini disebut substrat-p dan biasanya dihubung singkat dengan Source. Seperti pada transistor JFET, lapisan deplesi akan muncul saat V GS = 0. Dengan menghubung singkat substrat-p dengan Source diharapkan ketebalan lapisan deplesi yang terbentuk antara substrat dengan kanal adalah maksimum. Sehingga ketebalan lapisan deplesi selanjutnya hanya akan ditentukan oleh tegangan Gate terhadap Source. Pada gambar, lapisan deplesi yang dimaksud ditunjukkan pada daerah yang berwarna kuning. Saat tegangan Gate terhadap Source semakin negatif, arus Drain yang bias mengalir akan semakin kecil, bahkan bias jadi tidak ada arus yang mengalir sama sekali. Hal ini disebabkan karena lapisan deplesi telah menutup kanal. Saat tegangan Gate dinaikkan sama dengan tegangan Source, arus akan mengalir. Karena lapisan deplesi mulai membuka. Karena Gate yang terisolasi, tegangan kerja V GS boleh positif. Jika V GS semakin positif, arus elektron yang mengalir dapat semakin besar. Hal inilah yang merupakan perbedaan antara JFET dengan MOSFET depletion-mode, transistor MOSFET depletionmode bisa bekerja sampai tegangan Gate positif. Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 40

41 Kurva Drain MOSFET Depletion Mode Analisa kurva Drain dilakukan dengan mencoba beberapa tegangan Gate V GS konstan, lalu dibuat grafik hubungan antara arus Drain I D terhadap tegangan V DS. Gambar 3.8 : Kurva Drain Transistor MOSFET Depletion-Mode Dari kurva ini terlihat jelas bahwa transistor MOSFET depletion-mode dapat bekerja (ON) mulai dari tegangan V GS negatif sampai positif. Terdapat dua daerah kerja, yang pertama adalah daerah aktif/ohmic. Jika tegangan V GS tetap dan V DS terus dinaikkan, transistor selanjutnya akan berada pada daerah saturasi. Jika keadaan ini tercapai, arus I DS adalah konstan. Tentu saja ada tegangan V GS(maks), yang diperbolehkan. Karena jika lebih dari tegangan ini akan dapat merusak isolasi Gate yang tipis atau akan merusak transistor itu sendiri. MOSFET Enhancement Mode Jenis transistor MOSFET yang kedua adalah MOSFET enhancement-mode. Transistor ini dapat dikatakan merupakan evolusi dari MOSFET depletion-mode. Gate terbuat dari metal Aluminium dan terisolasi oleh lapisan SiO 2 sama seperti transistor MOSFET depletion-mode. Perbedaan struktur yang mendasar adalah substrat pada transisitor MOSFET enhancementmode dibuat sampai menyentuh Gate. Seperti terlihat pada gambar dibawah ini. Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 41

42 Gambar 3.9 : Struktur Mosfet Enhancement-Mode Gambar di atas menunjukkan struktur transistor MOSFET enhancement-mode kanal-n. Jika tegangan Gate V GS dibuat negatif, arus elektron tidak dapat mengalir. Juga ketika V GS = 0 ternyata arus belum juga bisa mengalir, karena tidak ada lapisan deplesi maupun celah yang bisa dialiri elektron. Satu-satunya jalan adalah dengan memberi tegangan V GS positif. Karena substrat terhubung dengan Source, maka jika tegangan Gate positif berarti tegangan Gate terhadap substrat juga positif. Tegangan positif ini akan menyebabkan elektron tertarik kearah substrat-p. Elektronelektron akan bergabung dengan hole yang ada pada substrat-p. Karena potensial Gate lebih positif, maka elektron terlebih dahulu tertarik dan menumpuk di sisi substrat yang berbatasan dengan Gate. Elektron akan terus menumpuk dan tidak dapat mengalir menuju Gate karena terisolasi oleh bahan insulator SiO 2 (kaca). Jika tegangan Gate cukup positif, maka tumpukan elektron akan menyebabkan terbentuknya semacam lapisan-n yang negatif dan seketika itulah arus Drain dan Source dapat mengalir. Lapisan yang terbentuk ini disebut dengan istilah inversion layer. Kira-kira terjemahannya adalah lapisan dengan tipe yang berkebalikan. Disini karena substratnya tipe- P, maka lapisan inversion yang terbentuk adalah bermuatan negatif atau tipe-n. Tentu ada tegangan minimum dimana lapisan inversion N mulai terbentuk. Tegangan minimum ini disebut tegangan threshold V GS(th). Hal inilah yang merupakan perbedaan utama prinsip kerja transistor MOSFET enhancement-mode dibandingkan dengan JFET. Jika pada tegangan V GS = 0, transistor JFET sudah bekerja atau ON, maka transistor MOSFET enhancement-mode masih OFF. Dikatakan bahwa JFET adalah komponen normally ON dan MOSFET adalah komponen normally OFF. Laboratorium Sistem Elektronika Modul Praktikum Elektronika 42