Bahan ajar elektronika dasar


Published on

  • Be the first to comment

No Downloads
Total views
On SlideShare
From Embeds
Number of Embeds
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Bahan ajar elektronika dasar

  2. 2. SATUAN ACARA PERKULIAHAN MATA KULIAH ELEKTRONIKA DASAR KODE / SKS : MTK224 / 2 SKS Dosen Pengasuh : Ahamad Fali Oklilas NIP : 132231465 Program Studi : Teknik Komputer Kelas/angkatan : Teknik Komputer/2006Minggu Pokok Bahasan Sub Pokok Tujuan Bahasan Instruksional Khusus1 Tingkat Energi Pada Pengantar Muatan Partikel 1,2 Zat Padat Intensitas, Tegangan dan Energi Transport Sistem Pada Energi Atom Satuan eV untuk Semikonduktor Energi Prinsip Dasar Tingkat Energi Pada Zat Padat Atom Struktur Elektronik dari Element Prinsip Mobilitas dan Semikonduktor Konduktivitas Elektron dan Holes Donor dan Aseptor Kerapatan Muatan Sifat Elektrik2 Karakteristik Dioda Prinsip Dasar Rangkaian terbuka p-n Junction Penyerarah pada p- n Junction3 Karakterisrik Dioda Sifat Dioda Sifat Volt-Ampere Sifat ketergantungan Temperatur Tahanan Dioda Kapaitas
  3. 3. 4 Karakteristik Dioda Jenis Dioda Switching Times Breakdown Dioda Tunnel Dioda Semiconductor Photovoltaic Effect Light Emitting Diodes5 Rangkaian Dioda Dasar Dioda sebagai 1 elemen rangkaian Prinsip garis beban Model dioda Clipping6 Rangkaian Dioda Lanjut Comparator Sampling gate Penyearah Penyearah gelombang penuh Rangkaian lainnyaMID TEST/UTS7 Rangkaian Transistor Sifat Transistor Transistor Junction Komponen Transistor Transistor Sebagai Penguat (Amplifier) Konstruksi Transistor8 Rangkaian Transistor Sifat Transistor Konfigurasi Common Base Konfigurasi Common Emitor CE Cutoff CE Saturasi CE Current Gain Konfigurasi Common Kolektor9 Rangkaian Transistor Transistor Pada Analisis Grafik Frekuensi Konfigurasi CE Rendah Model Two Port Device Model Hybrid Parameter h
  4. 4. 10 Rangkaian Transistor Transistor Pada Thevenin & Norton 1 Frekuensi Emitter Follower Rendah Membandingkan Konfigurasi Amplifier Teori Miller11 Rangkaian Transistor Transistor Pada Model Hybrid frekuensi Field Effect Transistor Tinggi JFET Karakteristik Volt Sifat Dasar Amper FET Rangkaian MOSFET Dasar Voltager Variable Resitor12 Studi Kasus Penerapan Sebagai Osilator Transistor Sebagai Penguat Sebagai SensorFINAL TEST Buku Acuan : 1. Chattopadhyay, D. dkk, Dasar Elektronika, Penerbit Universitas Indonesia, Jakarta:1989. 2. Millman, Halkias, Integrated Electronics, Mc Graw Hill, Tokyo, 1988 3. 4. 5. Palembang, 7 Feb 2007 Dosen Pengampu, Ahmad Fali Oklilas, MT NIP. 132231465
  5. 5. ATURAN PERKULIAHAN ELEKTRONIKA DASARDAFTAR HADIR MIN = 80% X 16= 14KOMPONEN NILAITUGAS/QUIS = 25%UTS = 30%UAS = 45%Nilai Mutlak86 – 100 = A71 – 85 = B56 – 70 = C41 – 55 = D≤ 40 = EKeterlambatan kehadiran dengan toleransi 15 menitBuku Acuan : 1. Chattopadhyay, D. dkk, Dasar Elektronika, Penerbit Universitas Indonesia, Jakarta:1989. 2. Millman, Halkias, Integrated Electronics, Mc Graw Hill, Tokyo, 1988 3. 4. 5.
  6. 6. Tingkat Energi Pada Zat PadatElectron’s Energy Level The NEUTRON is a neutral particle in that it has noelectrical charge. The mass of the neutron isapproximately equal to that of the proton. An ELECTRON’S ENERGY LEVEL is the amount ofenergy required by an electron to stay in orbit. Just bythe electron’s motion alone, it has kinetic energy. Theelectron’s position in reference to the nucleus gives itpotential energy. An energy balance keeps theelectron in orbit and as it gains or loses energy, itassumes an orbit further from or closer to the centerof the atom. SHELLS and SUBSHELLS are the orbits of theelectrons in an atom. Each shell can contain amaximum number of electrons, which can bedetermined by the formula 2n 2. Shells are lettered Kthrough Q, starting with K, which is the closest to thenucleus. The shell can also be split into four subshellslabeled s, p, d, and f, which can contain 2, 6, 10, and14 electrons, respectively. VALENCE is the ability of an atom to combine withother atoms. The valence of an atom is determined bythe number of electrons in the atom’s outermost shell.This shell is referred to as the VALENCE SHELL. Theelectrons in the outermost shell are called VALENCEELECTRONS.
  7. 7. IONIZATION is the process by which an atom losesor gains electrons. An atom that loses some of itselectrons in the process becomes positively chargedand is called a POSITIVE ION. An atom that has anexcess number of electrons is negatively charged andis called a NEGATIVE ION. ENERGY BANDS are groups of energy levels thatresult from the close proximity of atoms in a solid. Thethree most important energy bands are theCONDUCTION BAND, FORBIDDEN BAND, andVALENCE BAND.Electrons and holes in semiconductors As pointed out before, semiconductors distinguishthemselves from metals and insulators by the fact thatthey contain an "almost-empty" conduction band andan "almost-full" valence band. This also means that wewill have to deal with the transport of carriers in bothbands. To facilitate the discussion of the transport in the"almost-full" valence band we will introduce theconcept of holes in a semiconductor. It is important forthe reader to understand that one could deal with onlyelectrons (since these are the only real particlesavailable in a semiconductor) if one is willing to keeptrack of all the electrons in the "almost-full" valenceband. The concepts of holes is introduced based on thenotion that it is a whole lot easier to keep track of themissing particles in an "almost-full" band, rather thankeeping track of the actual electrons in that band. Wewill now first explain the concept of a hole and thenpoint out how the hole concept simplifies the analysis. Holes are missing electrons. They behave asparticles with the same properties as the electronswould have occupying the same states except thatthey carry a positive charge. This definition isillustrated further with the figure below which presents
  8. 8. the simplified energy band diagram in the presence ofan electric field. band1.gif Fig.2.2.12 Energy band diagram in the presence of a uniform electric field. Shown are electrons (red circles) which move against the field and holes (blue circles) which move in the direction of the applied field. A uniform electric field is assumed which causes aconstant gradient of the conduction and valence bandedges as well as a constant gradient of the vacuumlevel. The gradient of the vacuum level requires somefurther explaination since the vacuum level isassociated with the potential energy of the electronsoutside the semiconductor. However the gradient ofthe vacuum level represents the electric field withinthe semiconductor. The electrons in the conduction band arenegatively charged particles which therefore move in adirection which opposes the direction of the field.Electrons therefore move down hill in the conductionband. Electrons in the valence band also move in thesame direction. The total current due to the electronsin the valence band can therefore be written as: (f36)
  9. 9. where V is the volume of the semiconductor, q isthe electronic charge and v is the electron velocity.The sum is taken over all occupied or filled states inthe valence band. This expression can be reformulatedby first taking the sum over all the states in thevalence band and subtracting the current due to theelectrons which are actually missing in the valenceband. This last term therefore represents the sumtaken over all the empty states in the valence band,or: (f37) The sum over all the states in the valence bandhas to equal zero since electrons in a completely filledband do not contribute to current, while the remainingterm can be written as: (f38) which states that the current is due to positivelycharged particles associated with the empty states inthe valence band. We call these particles holes. Keepin mind that there is no real particle associated with ahole, but rather that the combined behavior of all theelectrons which occupy states in the valence band isthe same as that of positively charge particlesassociated with the unoccupied states. The reason the concept of holes simplifies theanalysis is that the density of states function of awhole band can be rather complex. However it can bedramatically simplified if only states close to the bandedge need to be considered. As illustrated by the above figure, the holes movein the direction of the field (since they are positivelycharged particles). They move upward in the energyband diagram similar to air bubbles in a tube filledwith water which is closed on each end.
  10. 10. Distribution functions1. Introduction The distribution or probability density functionsdescribe the probability with which one can expectparticles to occupy the available energy levels in agiven system. While the actual derivation belongs in acourse on statistical thermodynamics it is of interest tounderstand the initial assumptions of such derivationsand therefore also the applicability of the results. The derivation starts from the basic notion thatany possible distribution of particles over the availableenergy levels has the same probability as any otherpossible distribution, which can be distinguished fromthe first one. In addition, one takes into account the fact thatthe total number of particles as well as the totalenergy of the system has a specific value. Third, one must acknowledge the differentbehavior of different particles. Only one Fermion canoccupy a given energy level (as described by a uniqueset of quantum numbers including spin). The numberof bosons occupying the same energy levels isunlimited. Fermions and Bosons all "look alike" i.e.they are indistinguishable. Maxwellian particles can bedistinguished from each other. The derivation then yields the most probabledistribution of particles by using the Lagrange methodof indeterminate constants. One of the Lagrangeconstants, namely the one associated with theaverage energy per particle in the distribution, turnsout to be a more meaningful physical variable than thetotal energy. This variable is called the Fermi energy,EF. An essential assumption in the derivation is thatone is dealing with a very large number of particles.This assumption enables to approximate the factorialterms using the Stirling approximation.
  11. 11. The resulting distributions do have some peculiarcharacteristics, which are hard to explain. First of allthe fact that a probability of occupancy can beobtained independent of whether a particular energylevel exists or not. It would seem more acceptablethat the distribution function does depend on thedensity of available states, since it determines whereparticles can be in the first place. The fact that the distribution function does notdepend on the density of states is due to theassumption that a particular energy level is in thermalequilibrium with a large number of other particles. Thenature of these particles does not need to bedescribed further as long as their number is indeedvery large. The independence of the density of statesis very fortunate since it provides a single distributionfunction for a wide range of systems. A plot of the three distribution functions, theFermi-Dirac distribution, the Maxwell-Boltzmanndistribution and the Bose-Einstein distribution is shownin the figure below, where the Fermi energy was setequal to zero. distrib.xls - distrib.gif Fig. 2.4.1 Occupancy probability versus energy of the Fermi-Dirac (red curve), the Bose-Einstein (green curve) and the Maxwell-Boltzman (blue curve) distribution.
  12. 12. All three distribution functions are almost equal forlarge energies (more than a few kT beyond the Fermienergy). The Fermi-Dirac distribution reaches amaximum of 1 for energies which are a few kT belowthe Fermi energy, while the Bose-Einstein distributiondiverges at the Fermi energy and has no validity forenergies below the Fermi energy.2. An Example To better understand the general derivationwithout going through it, we now consider a systemwith equidistant energy levels at 0.5, 1.5, 2.5, 3.5,4.5, 5.5, .... eV, which each can contain two electrons.The electrons are Fermions so that they areindistinguishable from each other and no more thantwo electrons (with opposite spin) can occupy a givenenergy level. This system contains 20 electrons andwe arbitrarily set the total energy at 106 eV, which is6 eV more than the minimum possible energy of thissystem. There are 24 possible and differentconfigurations, which satisfy these particularconstraints. Six of those configurations are shown inthe figure below, where the red dots represent theelectrons: occdraw.gif Fig. 2.4.2 Six of the 24 possible configurations in which 20 electrons can be placed having an energy of 106 eV.
  13. 13. A complete list of the 24 configurations is shown inthe table below: fddist.xls - occtable.gif Table 2.4.1 All 24 possible configurations in which 20 electrons can be placed having an energy of 106 eV. The average occupancy of each energy level astaken over all (and equally probable) 24 configurationsis compared in the figure below to the expected Fermi-Dirac distribution function. A best fit was obtainedusing a Fermi energy of 9.998 eV and kT = 1.447 eVor T = 16,800 K. The agreement is surprisingly goodconsidering the small size of this system. fddist.xls - occprob.gif
  14. 14. Fig. 2.4.3 Probability versus energy averaged over the 24 possible configurations of the example (red squares) fitted with a Fermi-Dirac function (green curve) using kT = 1.447 eV and EF= 9.998 eV.3. The Fermi-Dirac distribution function The Fermi-Dirac probability density functionprovides the probability that an energy level isoccupied by a Fermion which is in thermal equilibriumwith a large reservoir. Fermions are by definitionparticles with half-integer spin (1/2, 3/2, 5/2 ...). Aunique characteristic of Fermions is that they obey thePauli exclusion principle which states that only oneFermion can occupy a state which is defined by its setof quantum numbers n,k,l and s. The definition ofFermions could therefore also be particles which obeythe Pauli exclusion principle. All such particles alsohappen to have a half-integer spin. Electrons as well as holes have a spin 1/2 andobey the Pauli exclusion principle. As these particlesare added to an energy band, they will fill theavailable states in an energy band just like water fillsa bucket. The states with the lowest energy are filledfirst, followed by the next higher ones. At absolutezero temperature (T = 0 K), the energy levels are allfilled up to a maximum energy which we call the Fermilevel. No states above the Fermi level are filled. Athigher temperature one finds that the transitionbetween completely filled states and completely emptystates is gradual rather than abrupt. The Fermifunction which describes this behavior, is given by: (f18) This function is plotted in the figure below.
  15. 15. fermi.xls - fermi.gif Fig. 2.4.4 Fermi function at an ambient temperature of 150 K (red curve), 300 K (blue curve) and 600 K (black curve). The Fermi function has a value of one for energies,which are more than a few times kT below the Fermienergy. It equals 1/2 if the energy equals the Fermienergy and decreases exponentially for energies whichare a few times kT larger than the Fermi energy. Whileat T =0 K the Fermi function equals a step function,the transition is more gradual at finite temperaturesand more so at higher temperatures.4. Impurity distribution functions The distribution function of impurities differs fromthe Fermi-Dirac distribution function although theparticles involved are Fermions. The difference is dueto the fact that a filled donor energy level containsonly one electron which can have either spin (spin upor spin down) , while having two electrons withopposite spin occupy this one level is not allowed sincethis would leave a negatively charge atom whichwould have a different energy as the donor energy.This yields a modified distribution function for donorsas given by:
  16. 16. (f25) The main difference is the factor 1/2 in front of theexponential term. The distribution function for acceptors differs alsobecause of the different possible ways to occupy theacceptor level. The neutral acceptor contains twoelectrons with opposite spin, the ionized acceptor stillcontains one electron which can have either spin,while the doubly positive state is not allowed since thiswould require a different energy. This restriction wouldyield a factor of 2 in front of the exponential term. Inaddition, one finds that most commonly usedsemiconductors have a two-fold degenerate valenceband, which causes this factor to increase to 4yielding: (f26)5. The Bose-Einstein distribution function (f27)6. The Maxwell-Boltzmann distribution function (f28)
  17. 17. 7. Semiconductor thermodynamics In order to understand the carrier distributionfunctions one must be familiar with a variety ofthermodynamic concepts. These include thermalequilibrium, the difference between the total energyand heat, work and particle energy and the meaningof the Fermi energy. These and other related topicsare discussed in the section on semiconductorthermodynamics. An ideal electron gas is discussed inmore detail as an exampleSemikonduktorPrinsip Dasar Semikonduktor merupakan elemen dasar darikomponen elektronika seperti dioda, transistor dansebuah IC (integrated circuit). Disebut semi atau setengah konduktor, karenabahan ini memang bukan konduktor murni. Bahan- bahan logam seperti tembaga, besi, timahdisebut sebagai konduktor yang baik sebab logammemiliki susunan atom yang sedemikian rupa,sehingga elektronnya dapat bergerak bebas. Sebenarnya atom tembaga dengan lambang kimiaCu memiliki inti 29 ion (+) dikelilingi oleh 29 elektron(-). Sebanyak 28 elektron menempati orbit-orbitbagian dalam membentuk inti yang disebut nucleus. Dibutuhkan energi yang sangat besar untuk dapatmelepaskan ikatan elektron-elektron ini. Satu buahelektron lagi yaitu elektron yang ke-29, berada padaorbit paling luar. Orbit terluar ini disebut pita valensi dan elektronyang berada pada pita ini dinamakan elektron valensi.Karena hanya ada satu elektron dan jaraknya jauhdari nucleus, ikatannya tidaklah terlalu kuat. Hanyadengan energi yang sedikit saja elektron terluar inimudah terlepas dari ikatannya.
  18. 18. ikatan atom tembaga Pada suhu kamar, elektron tersebut dapat bebasbergerak atau berpindah-pindah dari satu nucleus kenucleus lainnya. Jika diberi tegangan potensial listrik,elektron-elektron tersebut dengan mudah berpindahke arah potensial yang sama. Phenomena ini yangdinamakan sebagai arus listrik. Isolator adalah atom yang memiliki elektronvalensi sebanyak 8 buah, dan dibutuhkan energi yangbesar untuk dapat melepaskan elektron-elektron ini. Dapat ditebak, semikonduktor adalah unsur yangsusunan atomnya memiliki elektron valensi lebih dari1 dan kurang dari 8. Tentu saja yang paling"semikonduktor" adalah unsur yang atomnya memiliki4 elektron valensi.Susunan Atom Semikonduktor Bahan semikonduktor yang banyak dikenalcontohnya adalah Silicon (Si), Germanium (Ge) danGalium Arsenida (GaAs). Germanium dahulu adalah bahan satu-satunyayang dikenal untuk membuat komponensemikonduktor. Namun belakangan, silikon menjadipopular setelah ditemukan cara mengekstrak bahanini dari alam. Silikon merupakan bahan terbanyak kedua yang ada dibumi setelah oksigen (O2). Pasir, kaca dan batu-batuan lain adalah bahanalam yang banyak mengandung unsur
  19. 19. silikon. Dapatkah anda menghitung jumlah pasirdipantai. Struktur atom kristal silikon, satu inti atom(nucleus) masing-masing memiliki 4 elektron valensi. Ikatan inti atom yang stabil adalah jika dikelilingioleh 8 elektron, sehingga 4 buah elektron atom kristaltersebut membentuk ikatan kovalen dengan ion-ionatom tetangganya. Pada suhu yang sangat rendah(0oK), struktur atom silikon divisualisasikan sepertipada gambar berikut. struktur dua dimensi kristal Silikon Ikatan kovalen menyebabkan elektron tidak dapatberpindah dari satu inti atom ke inti atom yang lain.Pada kondisi demikian, bahan semikonduktor bersifatisolator karena tidak ada elektron yang dapatberpindah untuk menghantarkan listrik. Pada suhu kamar, ada beberapa ikatan kovalenyang lepas karena energi panas, sehinggamemungkinkan elektron terlepas dari ikatannya.Namun hanya beberapa jumlah kecil yang dapatterlepas, sehingga tidak memungkinkan untukmenjadi konduktor yang baik. Ahli-ahli fisika terutama yang menguasai fisikaquantum pada masa itu mencoba memberikan dopingpada bahan semikonduktor ini.
  20. 20. Pemberian doping dimaksudkan untukmendapatkan elektron valensi bebas dalam jumlahlebih banyak dan permanen, yang diharapkan akandapat mengahantarkan listrik. Kenyataanya demikian,mereka memang iseng sekali dan jenius.Tipe-N Misalnya pada bahan silikon diberi dopingphosphorus atau arsenic yang pentavalen yaitu bahankristal dengan inti atom memiliki 5 elektron valensi.Dengan doping, Silikon yang tidak lagi murni ini(impurity semiconductor) akan memiliki kelebihanelektron. Kelebihan elektron membentuk semikonduktortipe-n. Semikonduktor tipe-n disebut juga donor yangsiap melepaskan elektron. doping atom pentavalenTipe-P Kalau silikon diberi doping Boron, Gallium atauIndium, maka akan didapat semikonduktor tipe-p.Untuk mendapatkan silikon tipe-p, bahan dopingnyaadalah bahan trivalen yaitu unsur dengan ion yangmemiliki 3 elektron pada pita valensi. Karena ion silikon memiliki 4 elektron, dengandemikian ada ikatan kovalen yang bolong (hole). Hole
  21. 21. ini digambarkan sebagai akseptor yang siapmenerima elektron. Dengan demikian, kekuranganelektron menyebabkan semikonduktor ini menjaditipe-p. doping atom trivalenResistansi Semikonduktor tipe-p atau tipe-n jika berdirisendiri tidak lain adalah sebuah resistor. Sama sepertiresistor karbon, semikonduktor memiliki resistansi.Cara ini dipakai untuk membuat resistor di dalamsebuah komponen semikonduktor. Namun besarresistansi yang bisa didapat kecil karena terbatas padavolume semikonduktor itu sendiri.Dioda PN Jika dua tipe bahan semikonduktor ini dilekatkan--pakai lem barangkali ya :), maka akan didapatsambungan P-N (p-n junction) yang dikenal sebagaidioda.Pada pembuatannya memang material tipe Pdan tipe N bukan disambung secara harpiah,melainkan dari satu bahan (monolitic) denganmemberi doping (impurity material) yang berbeda.
  22. 22. sambungan p-n Jika diberi tegangan maju (forward bias), dimanategangan sisi P lebih besar dari sisi N, elektron denganmudah dapat mengalir dari sisi N mengisi kekosonganelektron (hole) di sisi P. forward bias Sebaliknya jika diberi tegangan balik (reversebias), dapat dipahami tidak ada elektron yang dapatmengalir dari sisi N mengisi hole di sisi P, karenategangan potensial di sisi N lebih tinggi. Dioda akan hanya dapat mengalirkan arus satuarah saja, sehingga dipakai untuk aplikasi rangkaianpenyearah (rectifier). Dioda, Zener, LED, Varactor danVaristor adalah beberapa komponen semikonduktorsambungan PN yang dibahas pada kolom khusus.Transistor Bipolar Transistor merupakan dioda dengan duasambungan (junction). Sambungan itu membentuktransistor PNP maupun NPN. Ujung-ujung terminalnyaberturut-turut disebut emitor, base dan kolektor.
  23. 23. Base selalu berada di tengah, di antara emitor dankolektor. Transistor ini disebut transistor bipolar, karenastruktur dan prinsip kerjanya tergantung dariperpindahan elektron di kutup negatif mengisikekurangan elektron (hole) di kutup positif. bi = 2 danpolar = kutup. Adalah William Schockley pada tahun1951 yang pertama kali menemukan transistorbipolar. Transistor npn dan pnp Akan dijelaskan kemudian, transistor adalahkomponen yang bekerja sebagai sakelar (switchon/off) dan juga sebagai penguat (amplifier).Transistor bipolar adalah inovasi yang mengantikantransistor tabung (vacum tube). Selain dimensitransistor bipolar yang relatif lebih kecil, disipasidayanya juga lebih kecil sehingga dapat bekerja padasuhu yang lebih dingin. Dalam beberapa aplikasi, transistor tabung masihdigunakan terutama pada aplikasi audio, untukmendapatkan kualitas suara yang baik, namunkonsumsi dayanya sangat besar. Sebab untuk dapatmelepaskan elektron, teknik yang digunakan adalahpemanasan filamen seperti pada lampu pijar.Bias DC Transistor bipolar memiliki 2 junction yang dapatdisamakan dengan penggabungan 2 buah dioda.
  24. 24. Emiter-Base adalah satu junction dan Base-Kolektorjunction lainnya. Seperti pada dioda, arus hanya akanmengalir hanya jika diberi bias positif, yaitu hanya jikategangan pada material P lebih positif daripadamaterial N (forward bias). Pada gambar ilustrasi transistor NPN berikut ini,junction base-emiter diberi bias positif sedangkanbase-colector mendapat bias negatif (reverse bias). arus elektron transistor npn Karena base-emiter mendapat bias positif makaseperti pada dioda, elektron mengalir dari emitermenuju base. Kolektor pada rangkaian ini lebih positifsebab mendapat tegangan positif. Karena kolektor inilebih positif, aliran elektron bergerak menuju kutupini. Misalnya tidak ada kolektor, aliran elektronseluruhnya akan menuju base seperti pada dioda.Tetapi karena lebar base yang sangat tipis, hanyasebagian elektron yang dapat bergabung dengan holeyang ada pada base. Sebagian besar akan menembus lapisan basemenuju kolektor. Inilah alasannya mengapa jika duadioda digabungkan tidak dapat menjadi sebuahtransistor, karena persyaratannya adalah lebar baseharus sangat tipis sehingga dapat diterjang olehelektron. Jika misalnya tegangan base-emitor dibalik
  25. 25. (reverse bias), maka tidak akan terjadi aliran elektrondari emitor menuju kolektor. Jika pelan-pelan keran base diberi bias maju(forward bias), elektron mengalir menuju kolektor danbesarnya sebanding dengan besar arus bias base yangdiberikan. Dengan kata lain, arus base mengaturbanyaknya elektron yang mengalir dari emiter menujukolektor. Ini yang dinamakan efek penguatantransistor, karena arus base yang kecil menghasilkanarus emiter-colector yang lebih besar. Istilah amplifier (penguatan) menjadi salahkaprah, karena dengan penjelasan di atas sebenarnyayang terjadi bukan penguatan, melainkan arus yanglebih kecil mengontrol aliran arus yang lebih besar.Juga dapat dijelaskan bahwa base mengaturmembuka dan menutup aliran arus emiter-kolektor(switch on/off).Pada transistor PNP, fenomena yangsama dapat dijelaskan dengan memberikan biasseperti pada gambar berikut. Dalam hal ini yangdisebut perpindahan arus adalah arus hole. arus hole transistor pnp Untuk memudahkan pembahasan prinsip biastransistor lebih lanjut, berikut adalah terminologi
  26. 26. parameter transistor. Dalam hal ini arah arus adalahdari potensial yang lebih besar ke potensial yang lebihkecil. arus potensialIC : arus kolektorIB : arus baseIE : arus emitorVC : tegangan kolektorVB : tegangan baseVE : tegangan emitorVCC : tegangan pada kolektorVCE : tegangan jepit kolektor-emitorVEE : tegangan pada emitorVBE : tegangan jepit base-emitorICBO : arus base-kolektorVCB : tegangan jepit kolektor-base Perlu diingat, walaupun tidak perbedaan padadoping bahan pembuat emitor dan kolektor, namunpada prakteknya emitor dan kolektor tidak dapatdibalik. penampang transistor bipolar
  27. 27. Dari satu bahan silikon (monolitic), emitor dibuatterlebih dahulu, kemudian base dengan doping yangberbeda dan terakhir adalah kolektor. Terkadangdibuat juga efek dioda pada terminal-terminalnyasehingga arus hanya akan terjadi pada arah yangdikehendaki.DIODA Kita dapat menyelidiki karakteristik statik dioda,dengan cara memasang dioda seri dengan sebuahcatu daya dc dan sebuah resistor.Kurva karakteristik statik diodamerupakan fungsi dari arus ID, arus yang melaluidioda, terhadap tegangan VD, beda tegang antara titika dan b (lihat gambar 1 dan gambar 2)karakteristik statik dioda Karakteristik statik dioda dapat diperoleh denganmengukur tegangan dioda (Vab) dan arus yangmelalui dioda, yaitu ID. Dapat diubah dengan duacara, yaitu mengubah VDD.Bila arus dioda ID kitaplotkan terhadap tegangan dioda Vab, kita perolehkarakteristik statik dioda. Bila anoda berada pada
  28. 28. tegangan lebih tinggi daripada katoda (VD positif)dioda dikatakan mendapat bias forward. Bila VDnegatip disebut bias reserve atau bias mundur.Pada gambar 2 VC disebut cut-in-voltage, IS arussaturasi dan VPIV adalah peak-inverse voltage. Bila harga VDD diubah, maka arus ID dan VD akanberubah pula. Bila kita mempunyai karakteristik statikdioda dan kita tahu harga VDD dan RL, maka hargaarus ID dan VD dapat kita tentukan sebagai berikut.Dari gambar 1.VDD = Vab + (I· RL) atauI = -(Vab/RL) + (VDD / RL) Bila hubungan di atas kita lukiskan padakarakteristik statik dioda kita akan mendapatkan garislurus dengan kemiringan (1/RL). Garis ini disebutgaris beban (loadline). Ini ditunjukkan pada gambar 3. Kita lihat bahwa garis beban memotong sumbu Vdioda pada harga VDD yaitu bila arus I=0, danmemotong sumbu I pada harga (VDD/RL).Titik potong antara karakteristik statik dengan garisbeban memberikan harga tegangan dioda VD(q) danarus dioda ID(q).
  29. 29. Dengan mengubah harga VDD kita akanmendapatkan garis-garis beban sejajar seperti padagambar 3. Bila VDD<0 dan |VDD| < VPIV maka arus diodayang mengalir adalahkecil sekali, yaitu arus saturasi IS. Arus ini mempunyaiharga kira-kira 1 µA untuk dioda silikon.Pengenalan vacuum Tube Pada bagian ini penulis bermaksud mengajak pararekan rekan tube mania untuk ngobrol mengenaiprinsip kerja dari Tabung.1. Emisi Electron Membahas mengenai cara kerja tabung tak akanbisa lepas dari Proses Emisi Electron karenasesungguhnya cara kerja tabung yang palingmendasar ialah proses emisi elektron danpengendaliannya. Emisi elektron ialah prosespelepasan elektron dari permukaan suatu substansi atau material yang disebabkan karena elektron elektron tersebut mendapat energi dari luar. Dalam realita yang ada proses emisi elektron cenderung terjadi pada logam dibandingkan pada bahan lainnya, hal ini disebabkan karena logambanyak memiliki elektron bebas yang selalu bergeraksetiap saat. Banyaknya elektron bebas pada logamdisebabkan karena daya tarik ini atom logam terhadapelektron, terutama pada elektron yang terletak padakulit terluar dari atom logam (elektron valensi) tidakterlalu kuat dibandingkan yang terjadi pada bahanlainnya. Akan tetapi walaupun daya tarik tesebut tidak
  30. 30. terlalu kuat, masihlah cukup untuk menahan elektronagar tidak sampai lepas dari atom logam.Agar supaya elektron pada logam bisa melompatkeluar melalui permukaan logam, sehingga terjadiproses emisi elektron, maka diperlukanlah sejumlahenergi untuk mengatasi daya tarik inti atom terhadapelektron. Besarnya energi yang diperlukan olehsebuah elektron untuk mengatasi daya tarik inti atomsehingga bisa melompat keluar dari permukaanlogam, didefinisikan sebagai Fungsi Kerja (WorkFunction).Fungsi kerja biasanya dinyatakan dalamsatuan eV (electron volt), besarnya fungsi kerjaadalah berbeda untuk setiap logam. Proses penerimaan energi luar oleh elektron agarbisa beremisi dapat terjadi dengan beberapa cara, danjenis proses penerimaan energi inilah yangmembedakan proses emisi elektron yaitu :1. Emisi Thermionic (Thermionic emission)2. Emisi medan listrik (Field emission)3. Emisi Sekunder (Secondary emission)4. Emisi Fotolistrik (Photovoltaic emission)2. Emisi Thermionic Pada emisi jenis ini, energi luar yang masuk kebahan ialah dalam bentuk energi panas. Oleh elektronenergi panas ini diubah menjadi energi kinetik.Semakin besar panas yang diterima oleh bahan makaakan semakin besar pula kenaikan energi kinetik yangterjadi pada elektron, dengan semakin besarnyakenaikan energi kinetik dari elektron maka gerakanelektron menjadi semakin cepat dan semakin tidakmenentu. Pada situasi inilah akan terdapat elektronyang pada ahirnya terlepas keluar melalui permukaanbahan. Pada proses emisi thermionic dan juga pada prosesemisi lainnya, bahan yang digunakan sebagai asalataupun sumber elektron disebut sebagai "emiter"
  31. 31. atau lebih sering disebut "katoda" (cathode),sedangkan bahan yang menerima elektron disebutsebagai anoda. Dalam konteks tabung hampa(vacuum tube) anoda lebih sering disebut sebagai"plate". Dalam proses emisi thermionik dikenal duamacam jenis katoda yaitu :a) Katoda panas langsung (Direct Heated Cathode, disingkat DHC)b) Katoda panas tak langsung (Indirect Heated Cathode, disingkat IHC) Pada Figure 2 dapat dilihat struktur yang disederhanakan dan juga simbol dari DHC, pada katoda jenis ini katoda selain sebagai sumber elektron juga dialiri oleh arusheater (pemanas). Struktur yang disederhanakan dan juga simbol dariIHC dapat dilihat pada Figure 3. Katoda jenis ini tidakdialiri langsung oleh arus heater, panas yangdibutuhkan untuk memanasi katoda dihasilkan olehheater element (elemen pemanas) dan panas inidialirkan secara konduksi dari heater elemen kekatoda dengan perantaraan insulasi listrik, yaitubahan yang baik dalam menghantarkan panas tetapitidak mengalirkan arus listrik.Pada proses emisi thermionik bahan yang akandigunakan sebagai katoda harus memiliki sifat sifatyang memadai untuk berperan dalam proses yaitu :a. Memiliki fungsi kerja yang rendah, dengan fungsi kerja yang rendah maka energi yang dibutuhkan
  32. 32. untuk menarik elektron menjadi lebih kecil sehingga proses emisi lebih mudah terjadi. b. Memiliki titik lebur (melting point) yang tinggi. Pada proses emisi thermionic katoda harus dipanaskan pada suhu yang cukup tinggi untuk memungkinkan terjadinya lompatan elektron, dan suhu ini bisa mencapaai 1500 derajat celcius.C. Memiliki ketahanan mekanik (mechanical strenght) yang tinggi Pada saat terjadinya emisi maka terjadi pula lompatan ion positif dari plate menuju ke katoda. Lompatan ion positif tersebut oleh katoda akan dirasakan sebagai benturan, sehingga agar supaya katoda tidak mengalami deformasi maka bahan dari katoda harus memiliki mechanical strenght yang tinggi. Pada aplikasi yang sesungguhnya ada tiga jenis material yang digunakan untuk membuat katoda, yaitu :3. Tungsten Material ini adalah material yang pertama kalidigunakan orang untuk membuat katode. Tungstenmemiliki dua kelebihan untuk digunakan sebagaikatoda yaitu memiliki ketahanan mekanik dan jugatitik lebur yang tinggi (sekitar 3400 derajat Celcius),sehingga tungsten banyak digunakan untuk aplikasikhas yaitu tabung X-Ray yang bekerja pada tegangansekitar 5000V dan temperature tinggi. Akan tetapiuntuk aplikasi yang umum terutama untuk aplikasiTabung Audio dimana tegangan kerja dan temperature
  33. 33. tidak terlalu tinggi maka tungsten bukan materialyang ideal, hal ini disebabkan karena tungstenmemiliki fungsi kerja yang tinggi( 4,52 eV) dan jugatemperature kerja optimal yang cukup tinggi (sekitar2200 derajat celcius)4. Thoriated Tungsten Material ini ialah campuran antara tungsten danthorium. Thorium adalah material yang secaraindividual memiliki fungsi kerja 3,4 eV, campuranantara thorium dan tungsten memiliki fungsi kerja2,63eV, yaitu suatu nilai fungsi kerja yang lebihrendah dibandingan dengan fungsi kerja tungstenataupun thorium dalam keadaan tidak dicampur.Selain itu hasil pencampuran kedua logam tersebutmemiliki temperature kerja optimal yang lebih rendahdaripada tungsten yaitu 1700 derajat celcius hal iniberarti besarnya energi yang dibutuhkan untukpemanasan pada aplikasi pemakaian logam campuranini juga lebih rendah.5. Katoda berlapis oksida (Oxide-CoatedCathode) Katoda tipe ini terbuat dari lempengan nickel yangdilapis dengan barium dan oksida strontium. Sebagaihasil dari pelapisan tersebut maka dihasilkanlahkatoda yang memiliki fungsi kerja yang dantemperature kerja optimal rendah yaitu sekitar 750derajat celsius. Katoda jenis ini umumnya digunakanuntuk aplikasi yang menggunakan tegangan tidaklebih dari 1000 V. 5. Emisi Medan Listrik (Field Emission) Pada emisi jenis ini yang menjadi penyebab lepasnya elektron dari
  34. 34. bahan ialah adanya gaya tarik medan listrik luar yangdiberikan pada bahan. Pada katoda yang digunakanpada proses emisi ini dikenakan medan listrik yangcukup besar sehingga tarikan yang terjadi dari medanlistrik pada elektron menyebabkan elektron memilikienergi yang cukup untuk lompat keluar daripermukaan katoda. Emisi medan listrik adalah salahsatu emisi utama yang terjadi pada vacuum tubeselain emisi thermionic.6. Emisi Sekunder ( Secondary emission) Pada emisi sekunder ini energi yang menjadi penyebab lepasnya elektron datang dalam bentuk energi mekanik yaitu energi yang diberikan dalam proses tumbukan antara elektron luar yang datang dengan elektron yang ada pada katoda. Pada proses tumbukan terjadi pemindahan sebagian energi kinetik dari elektron yang datang ke elektron yang ada pada katodasehingga elektron yang ada pada katoda tersebutterpental keluar dari permukaan katoda. Padakenyataannya proses emisi sekunder tidak dapatberlangsung sukses dengan sendirinya untukmelepaskan elektron dari permukaan akan tetapiproses emisi ini masih membutuhkan dukungan dariemisi jenis lainnya secara bersamaan yaitu emisimedan listrik. Dukungan proses emisi medan listrikdibutuhkan pada proses emisi sekunder, karenawalaupun elektron sudah terpental keluar daripermukaan katoda akan tetapi energi yang dimilikioleh elektron ini seringkali tidak cukup untuk
  35. 35. menjangkau anoda sehingga dibutuhkanlah dukunganenergi dari proses emisi medan listrik. 7. Emisi Fotolistrik (Photo Electric Emission) Pada emisi fotolistrik energi diberikan ke elektron pada katoda melalui foton yaitu paket paket energi cahaya, yang oleh elektron kemudian diubah menjadi energimekanik sehingga elektron tersebut dapat terlepasdari permukaan katoda.Sama seperti proses emisi sekunder emisi fotolistrikjuga tidak dapat berjalan dengan sempurna tanpabantuan proses emisi medan listrik, hal ini disebabkankarena energi yang didapat oleh elektron dari fotonbelum cukup untuk membuat elektron tersebutmampu menjangkau anoda. Sampai pada bagian ini kita baru sajameyelesaikan obrolan kita mengenai emisi electrondan sekarang obrolan akan kita lanjutkan kepembahasan mengenai vacuum tube dan carakerjanya. Yang dimaksud dengan vacuum tube ialahperalatan elektronik dimana aliran elektron terjadipada ruang hampa. Ada beberapa jenis vacuum tubeyang umum digunakan yaitu- Dioda- Trioda
  36. 36. - Tetroda- PentodaREFERENSI“Elektronika : teori dasar dan penerapannya”, jilid 1,Bandung: Penerbit ITB, 1986”Dioda HubunganHubungan p-nLihat gambar diatas i. hubungan berangsur-tangga atau ii. hubungan berangsur-linier Hubungan berangsur-tangga, rapat pencampuranakseptor atau donor dalam semikondktor tetap sampaimencapai hubungan. Pencampuran denganpemanasan pada temperature tinggi dlm waktusingkat. Dalam hubungan berangsur-linier, rapatpencampuran berubah secara linier menurut jarakmenjauh dari hubungan. Terbentuk dg menarik kristaltunggal dari lelehan germanium yang pd saat dimulaiproses sudah berisi pencampuran dari satu jenis.Hubungan p-n tanpa catu
  37. 37. Lihat gambar atas Elektron berdifusi lewat hubungan ke kiri danlobang-lobang berdifusi ke kanan. Setelah melewatihubungan mereka bergabung dg membiarkan ion-iontidak bergerak disekelilingnya tidak ternetralkan.mereka dinama muatan tidak tercakup, yangmenghasilkan medan listrik lewat hubungan. Medan inidiarahkan dari sisi n ke sisi p dan dinamakan medanhalangan. Medan ini melawan gerakan difusi elektrondan lubang lewat hubungan. Tebal daerah kosong sekitar 0,5 mikrometer.Karena ada medan halangan lewat hubungan,perpindahan elektron dari sisi n ke sisi p memerlukansejumlah energi yang dinamakan energi halangan(barrier) (Eb). Potensial halangan ekivalen VB diberikanoleh Eb=eVB berdasarkan energi halangan tergantungpada lebar daerah tidak tercakup. Jumlah energinyasama kalau lobang dari daerah p berpindah ke daerahn. Daerah P terdiri dari elektron sbg pembawaminoritas dan daerah n berisi lubang sebagaipembawa minoritas. Medan halangan berperansehingga elektron dari sisi p dan lubang dari sisi n dgmudah melewati hubungan. Krn itu gerakan pembawaminoritas membentuk aliran arus. Diagram pita energidari hubungan p-n tanpa dicatu, lihat gambar bawah.Hubungan p-n yang dicatu Jika + batere dihub ke sisi jenis p dan – batere kesisi jenis n. Hubungan akan mengalir arus besar.Dikatakan jenis hubungan p-n dicatu maju (forwardbiased).
  38. 38. Jika dibalik +batere ke sisi n dan –batere ke sisi p.Hubungan akan mengalir arus kecil. Dikatakan jenishubungan p-n dicatu balik (reverse biased).Sifat-sifat diatas cocok untuk penyearahan.Hubungan p-n dicatu majuGambar lihat samping kanan Tegangan catu maju mengakibatkan gaya padalubang di sisi jenis p dan pada electron di sisi jenis n.Gaya ini mengakibatkan lubang dan electron bergerakmenuju hubungan. Akibatnya lebar muatan tidaktercakup berkurang dan halangan berkurang, yaknienergi halangannya.gambar samping kiri.PENYEARAH1. Pendahuluan Penggunaan dioda yang paling umum adalahsebagai penyearah . Penyearah adalah suaturangkaian yang berfungsi untuk mengubah teganganbolak-balik menjadi tegangan searah. Penyearahdengan dioda mengikuti sifat dioda yang akanmenghantar pada satu arah dengan drop teganganyang kecil yaitu sebesar 0,7 volt. Ada dua type rangkaian penyearah denganmenggunakan dioda yaitu penyearah gelombangpenuh dan penyearah setengah gelombang yangmana kedua rangkaian tersebut akan diuji padapraktikum
  39. 39. 2. Penyearah Setengah Gelombang A K Dioda silikon 12 VAC 10K V V Voltmeter 50 Hz2.1. Penyearah Setengah Gelombang denganKapasitor Untuk mendapatkan suatu tegangan DC yangbaik dimana bentuk tegangan hasil penyearahanadalah mendekati garis lurus maka tegangan keluarandari suatu rangkaian penyearah seperti terlihat padagambar 1.1 dihubungkan dengan suatu kapasitorsecara paralel terhadap beban seperti pada gambar1.2 dimana arus dari keluaran rangkaian penyearahselain akan melewati beban juga akan mengisikapasitor sehingga pada saat tegangan hasilpenyearahan mengalami penurunan maka kapasitorakan membuang muatannya kebeban dan teganganbeban akan tertahan sebelum mencapai nol. Hal inidapat dijelaskan pada gambar berikut: Hasil penyearahan yang tidak ideal akanmengakibatkan adanya ripple seperti terlihat padagambar diatas dimana tegangan ripple yang dihasilkandapat ditentukan oleh persamaan berikut : Ripple (peak to peak) = Idc . (T / C) Dimana Idc dalam hal ini adalah tegangankeluaran dibagi dengan R beban. T adalah periode
  40. 40. tegangan ripple (detik) dan C adalah nilai kapasitor(Farad) yang digunakan. A K Dioda silikon + 12 VAC C 10K V V Voltmeter 50 Hz -3. Penyearah Gelombang Penuh 12 VAC 50 Hz 10K V V Voltmeter3.1. Penyearah Setengah Gelombang denganKapasitor 12 VAC 50 Hz + C 10K V V Voltmeter -
  41. 41. DIODA ZENER1. Pendahuluan Sebagian dioda semikonduktor biladihubungkan dengan suatu tegangan balik yangcukup akan melakukan suatu arus balik. Hal ini tidakditunjukkan sebelumnya karena biasanya akanmerusak dioda. Akan tetapi dioda Zener justru adalahsuatu dioda yang dirancang untuk bisa melakukanarus balik dengan aman dan dengan drop teganganhanya beberapa volt saja. Simbol dioda zener adalahseperti pada gambar 2.1 dimana bentuk simboltersebut menyerupai dioda biasa kecuali garismelintang pada kepala panah yang digunakan untukmenyatakan sudut karakteristik balik. Pada arah majudioda zener berperilaku seperti dioda biasa. A K2. Karakteristik maju dioda Zener 100 Ohm + - A + Supply DC Zener Voltmeter Variabel V V 12V -
  42. 42. 3. Karakteristik balik dioda Zener Reverse Zener +10V Current (mA) Current 60 50 40 I 30 Resistor for zener dioda 20 10 V Reverse V Voltage 0V 5 10 15 (a) (b) (c)Tugas perorangan:Buat resume tentang 1. konsep elektron, atom, pita energi. 2. konduktor, isolator, semikonduktor 3. semi konduktor murni 4. rekombinasi 5. semikonduktor tidak murni 6. pengaruh temperatur pada semikonduktor 7. efek hall. 8. dioda dan hubungan-hubungannya 9. s.d. hubungan p-n yang dicatu.Tolong diketik yang rapi dan menarik dijilid. Silahkanambil dari referensi mana saja dan media apa saja.
  43. 43. Transistor The transistor, invented by three scientists at theBell Laboratories in 1947, rapidly replaced the vacuumtube as an electronic signal regulator. A transistorregulates current or voltage flow and acts as a switchor gate for electronic signals. A transistor consists ofthree layers of a semiconductor material, each capableof carrying a current. A semiconductor is a materialsuch as germanium and silicon that conductselectricity in a "semi-enthusiastic" way. Itssomewhere between a real conductor such as copperand an insulator (like the plastic wrapped aroundwires). The semiconductor material is given specialproperties by a chemical process called doping. Thedoping results in a material that either adds extraelectrons to the material (which is then called N-typefor the extra negative charge carriers) or creates"holes" in the materials crystal structure (which isthen called P-type because it results in more positivecharge carriers). The transistors three-layer structurecontains an N-type semiconductor layer sandwichedbetween P-type layers (a PNP configuration) or a P-type layer between N-type layers (an NPNconfiguration). A small change in the current or voltage at theinner semiconductor layer (which acts as the controlelectrode) produces a large, rapid change in thecurrent passing through the entire component. Thecomponent can thus act as a switch, opening andclosing an electronic gate many times per second.Todays computers use circuitry made withcomplementary metal oxide semiconductor (CMOS)technology. CMOS uses two complementarytransistors per gate (one with N-type material; the
  44. 44. other with P-type material). When one transistor ismaintaining a logic state, it requires almost no power. Transistors are the basic elements in integratedcircuits (ICs), which consist of very large numbers oftransistors interconnected with circuitry and bakedinto a single silicon microchip or "chip."Jenis TransistorBerbagai macam Transistor (Dibandingkan denganpita ukur centimeter) Transistor adalah alat semikonduktor yangdipakai sebagai penguat, pemotong (switching),stabilisasi tegangan, modulasi sinyal atau fungsilainnya. Transistor dapat berfungsi semacam kranlistrik, dimana berdasarkan arus inputnya (BJT) atautegangan inputnya (FET), memungkinkan pengaliranlistrik yang sangat akurat dari sirkuit sumberlistriknya. Pada umumnya, transistor memiliki 3 terminal.Tegangan atau arus yang dipasang di satu terminalnyamengatur arus yang lebih besar yang melalui 2terminal lainnya. Transistor adalah komponen yangsangat penting dalam dunia elektronik modern. Dalamrangkaian analog, transistor digunakan dalamamplifier (penguat). Rangkaian analog melingkupi
  45. 45. pengeras suara, sumber listrik stabil, dan penguatsinyal radio. Dalam rangkaian-rangkaian digital,transistor digunakan sebagai saklar berkecepatantinggi. Beberapa transistor juga dapat dirangkaisedemikian rupa sehingga berfungsi sebagai logicgate, memori, dan komponen-komponen lainnya.Cara Kerja Semikonduktor Pada dasarnya, transistor dan tabung vakummemiliki fungsi yang serupa; keduanya mengaturjumlah aliran arus listrik. Untuk mengerti cara kerja semikonduktor,misalkan sebuah gelas berisi air murni. Jika sepasangkonduktor dimasukan kedalamnya, dan diberikantegangan DC tepat dibawah tegangan elektrolisis(sebelum air berubah menjadi Hidrogen dan Oksigen),tidak akan ada arus mengalir karena air tidak memilikipembawa muatan (charge carriers). Sehingga, airmurni dianggap sebagai isolator. Jika sedikit garamdapur dimasukan ke dalamnya, konduksi arus akanmulai mengalir, karena sejumlah pembawa muatanbebas (mobile carriers, ion) terbentuk. Menaikankonsentrasi garam akan meningkatkan konduksi,namun tidak banyak. Garam dapur sendiri adalah non-konduktor (isolator), karena pembawa muatanya tidakbebas. Silikon murni sendiri adalah sebuah isolator,namun jika sedikit pencemar ditambahkan, sepertiArsenik, dengan sebuah proses yang dinamakandoping, dalam jumlah yang cukup kecil sehingga tidakmengacaukan tata letak kristal silikon, Arsenik akanmemberikan elektron bebas dan hasilnyamemungkinkan terjadinya konduksi arus listrik. Inikarena Arsenik memiliki 5 atom di orbit terluarnya,sedangkan Silikon hanya 4. Konduksi terjadi karenapembawa muatan bebas telah ditambahkan (olehkelebihan elektron dari Arsenik). Dalam kasus ini,sebuah Silikon tipe-n (n untuk negatif, karena
  46. 46. pembawa muatannya adalah elektron yang bermuatannegatif) telah terbentuk. Selain dari itu, Silikon dapat dicampur dengnBoron untuk membuat semikonduktor tipe-p. KarenaBoron hanya memiliki 3 elektron di orbit palingluarnya, pembawa muatan yang baru, dinamakan"lubang" (hole, pembawa muatan positif), akanterbentuk di dalam tata letak kristal silikon. Dalam tabung hampa, pembawa muatan (elektron)akan dipancarkan oleh emisi thermionic dari sebuahkatode yang dipanaskan oleh kawat filamen. Karenaitu, tabung hampa tidak bisa membuat pembawamuatan positif (hole). Dapat disimak bahwa pembawa muatan yangbermuatan sama akan saling tolak menolak, sehinggatanpa adanya gaya yang lain, pembawa-pembawamuatan ini akan terdistribusi secara merata di dalammateri semikonduktor. Namun di dalam sebuahtransistor bipolar (atau diode junction) dimana sebuahsemikonduktor tipe-p dan sebuah semikonduktor tipe-n dibuat dalam satu keping Silikon, pembawa-pembawa muatan ini cenderung berpindah ke arahsambungan P-N tersebut (perbatasan antarasemikonduktor tipe-p dan tipe-n), karena tertarik olehmuatan yang berlawanan dari seberangnya. Kenaikan dari jumlah pencemar (doping level)akan meningkatkan konduktivitas dari materisemikonduktor, asalkan tata-letak kristal Silikon tetapdipertahankan. Dalam sebuah transistor bipolar,daerah terminal emiter memiliki jumlah doping yanglebih besar dibandingkan dengan terminal basis. Rasioperbandingan antara doping emiter dan basis adalahsatu dari banyak faktor yang menentukan sifatpenguatan arus (current gain) dari transistor tersebut. Jumlah doping yang diperlukan sebuahsemikonduktor adalah sangat kecil, dalam ukuran satuberbanding seratus juta, dan ini menjadi kunci dalamkeberhasilan semikonduktor. Dalam sebuah metal,populasi pembawa muatan adalah sangat tinggi; satu
  47. 47. pembawa muatan untuk setiap atom. Dalam metal,untuk merubah metal menjadi isolator, pembawamuatan harus disapu dengan memasang suatu bedategangan. Dalam metal, tegangan ini sangat tinggi,jauh lebih tinggi dari yang mampumenghancurkannya. Namun, dalam sebuahsemikonduktor hanya ada satu pembawa muatandalam beberapa juta atom. Jumlah tegangan yangdiperlukan untuk menyapu pembawa muatan dalamsejumlah besar semikonduktor dapat dicapai denganmudah. Dengan kata lain, listrik di dalam metal adalahinkompresible (tidak bisa dimampatkan), sepertifluida. Sedangkan dalam semikonduktor, listrikbersifat seperti gas yang bisa dimampatkan.Semikonduktor dengan doping dapat dirubah menjadiisolator, sedangkan metal tidak. Gambaran di atas menjelaskan konduksidisebabkan oleh pembawa muatan, yaitu elektron ataulubang, namun dasarnya transistor bipolar adalah aksikegiatan dari pembawa muatan tersebut untukmenyebrangi daerah depletion zone. Depletion zoneini terbentuk karena transistor tersebut diberikantegangan bias terbalik, oleh tegangan yang diberikandi antara basis dan emiter. Walau transistor terlihatseperti dibentuk oleh dua diode yang disambungkan,sebuah transistor sendiri tidak bisa dibuat denganmenyambungkan dua diode. Untuk membuattransistor, bagian-bagiannya harus dibuat darisepotong kristal silikon, dengan sebuah daerah basisyang sangat tipis.Cara Kerja Transistor Dari banyak tipe-tipe transistor modern, padaawalnya ada dua tipe dasar transistor, bipolar junctiontransistor (BJT atau transistor bipolar) dan field-effecttransistor (FET), yang masing-masing bekerja secaraberbeda. Transistor bipolar dinamakan demikian karenakanal konduksi utamanya menggunakan dua polaritas
  48. 48. pembawa muatan: elektron dan lubang, untukmembawa arus listrik. Dalam BJT, arus listrik utamaharus melewati satu daerah/lapisan pembatasdinamakan depletion zone, dan ketebalan lapisan inidapat diatur dengan kecepatan tinggi dengan tujuanuntuk mengatur aliran arus utama tersebut. FET (juga dinamakan transistor unipolar) hanyamenggunakan satu jenis pembawa muatan (elektronatau hole, tergantung dari tipe FET). Dalam FET, aruslistrik utama mengalir dalam satu kanal konduksisempit dengan depletion zone di kedua sisinya(dibandingkan dengan transistor bipolar dimanadaerah Basis memotong arah arus listrik utama). Danketebalan dari daerah perbatasan ini dapat dirubahdengan perubahan tegangan yang diberikan, untukmerubah ketebalan kanal konduksi tersebut. Lihatartikel untuk masing-masing tipe untuk penjelasanyang lebih lanjut.Jenis-Jenis Transistor P- PNP channel N- NPN channel BJT JFET Simbol Transistor dari Berbagai Tipe Secara umum, transistor dapat dibeda-bedakanberdasarkan banyak kategori:
  49. 49. • Materi semikonduktor: Germanium, Silikon, Gallium Arsenide • Kemasan fisik: Through Hole Metal, Through Hole Plastic, Surface Mount, IC, dan lain-lain • Tipe: UJT, BJT, JFET, IGFET (MOSFET), IGBT, HBT, MISFET, VMOSFET, MESFET, HEMT, dan lain-lain • Polaritas: NPN atau N-channel, PNP atau P- channel • Maximum kapasitas daya: Low Power, Medium Power, High Power • Maximum frekwensi kerja: Low, Medium, atau High Frequency, RF transistor, Microwave, dan lain-lain • Aplikasi: Amplifier, Saklar, General Purpose, Audio, Tegangan Tinggi, dan lain-lainBJT BJT (Bipolar Junction Transistor) adalah salah satudari dua jenis transistor. Cara kerja BJT dapatdibayangkan sebagai dua dioda yang terminal positifatau negatifnya berdempet, sehingga ada tigaterminal. Ketiga terminal tersebut adalah emiter (E),kolektor (C), dan basis (B). Perubahan arus listrik dalam jumlah kecil padaterminal basis dapat menghasilkan perubahan aruslistrik dalam jumlah besar pada terminal kolektor.Prinsip inilah yang mendasari penggunaan transistorsebagai penguat elektronik. Rasio antara arus padakoletor dengan arus pada basis biasanyadilambangkan dengan β atau hFE. β biasanya berkisarsekitar 100 untuk transistor-transisor BJT.FET FET dibagi menjadi dua keluarga: Junction FET(JFET) dan Insulated Gate FET (IGFET) atau jugadikenal sebagai Metal Oxide Silicon (atauSemiconductor) FET (MOSFET). Berbeda denganIGFET, terminal gate dalam JFET membentuk sebuah
  50. 50. dioda dengan kanal (materi semikonduktor antaraSource dan Drain). Secara fungsinya, ini membuat N-channel JFET menjadi sebuah versi solid-state daritabung vakum, yang juga membentuk sebuah diodaantara antara grid dan katode. Dan juga, keduanya(JFET dan tabung vakum) bekerja di "depletion mode",keduanya memiliki impedansi input tinggi, dankeduanya menghantarkan arus listrik dibawah kontroltegangan input. FET lebih jauh lagi dibagi menjadi tipeenhancement mode dan depletion mode. Modemenandakan polaritas dari tegangan gatedibandingkan dengan source saat FET menghantarkanlistrik. Jika kita ambil N-channel FET sebagai contoh:dalam depletion mode, gate adalah negatifdibandingkan dengan source, sedangkan dalamenhancement mode, gate adalah positif. Untuk keduamode, jika tegangan gate dibuat lebih positif, aliranarus di antara source dan drain akan meningkat.Untuk P-channel FET, polaritas-polaritas semuadibalik. Sebagian besar IGFET adalah tipeenhancement mode, dan hampir semua JFET adalahtipe depletion mode.Operational AmplifierKarakteristik Op-Amp
  51. 51. kalau perlu mendesain sinyal level meter,histeresis pengatur suhu, osilator, pembangkit sinyal,penguat audio, penguat mic, filter aktif semisal tapisnada bass, mixer, konverter sinyal, integrator,differensiator, komparator dan sederet aplikasilainnya, selalu pilihan yang mudah adalah denganmembolak-balik data komponen yang bernama op-amp. Komponen elektronika analog dalam kemasan IC(integrated circuits) ini memang adalah komponenserbaguna dan dipakai pada banyak aplikasi hinggasekarang. Hanya dengan menambah beberapa resitordan potensiometer, dalam sekejap (atau dua kejap)sebuah pre-amp audio kelas B sudah dapat jadidirangkai di atas sebuah proto-board.Penguat diferensial Op-amp dinamakan juga dengan penguatdiferensial (differential amplifier). Sesuai denganistilah ini, op-amp adalah komponen IC yang memiliki2 input tegangan dan 1 output tegangan, dimanategangan output-nya adalah proporsional terhadapperbedaan tegangan antara kedua inputnya itu.Penguat diferensial seperti yang ditunjukkan padagambar-1 merupakan rangkaian dasar dari sebuah op-amp.
  52. 52. gambar-1 : penguat diferensial Pada rangkaian yang demikian, persamaan padatitik Vout adalah Vout = A(v1-v2) dengan A adalah nilaipenguatan dari penguat diferensial ini. Titik input v1dikatakan sebagai input non-iverting, sebab teganganvout satu phase dengan v1. Sedangkan sebaliknya titikv2 dikatakan input inverting sebab berlawanan phasadengan tengangan vout.Diagram Op-amp Op-amp di dalamnya terdiri dari beberapa bagian,yang pertama adalah penguat diferensial, lalu adatahap penguatan (gain), selanjutnya ada rangkaianpenggeser level (level shifter) dan kemudian penguatakhir yang biasanya dibuat dengan penguat push-pullkelas B. Gambar-2(a) berikut menunjukkan diagramdari op-amp yang terdiri dari beberapa bagiantersebut. gambar-2 (a) : Diagram blok Op-Amp
  53. 53. gambar-2 (b) : Diagram schematic simbol Op-Amp Simbol op-amp adalah seperti pada gambar-2(b)dengan 2 input, non-inverting (+) dan input inverting(-). Umumnya op-amp bekerja dengan dual supply(+Vcc dan –Vee) namun banyak juga op-amp dibuatdengan single supply (Vcc – ground). Simbol rangkaiandi dalam op-amp pada gambar-2(b) adalah parameterumum dari sebuah op-amp. Rin adalah resitansi inputyang nilai idealnya infinit (tak terhingga). Rout adalahresistansi output dan besar resistansi idealnya 0 (nol).Sedangkan AOL adalah nilai penguatan open loop dannilai idealnya tak terhingga. Saat ini banyak terdapat tipe-tipe op-amp dengankarakterisktik yang spesifik. Op-amp standard type741 dalam kemasan IC DIP 8 pin sudah dibuat sejaktahun 1960-an. Untuk tipe yang sama, tiap pabrikanmengeluarkan seri IC dengan insial atau nama yangberbeda. Misalnya dikenal MC1741 dari motorola,LM741 buatan National Semiconductor, SN741 dariTexas Instrument dan lain sebagainya. Tergantungdari teknologi pembuatan dan desain IC-nya,karakteristik satu op-amp dapat berbeda dengan op-amp lain. Tabel-1 menunjukkan beberapa parameterop-amp yang penting beserta nilai idealnya dan jugacontoh real dari parameter LM714.
  54. 54. tabel-1 : parameter op-amp yang pentingPenguatan Open-loop Op-amp idealnya memiliki penguatan open-loop(AOL) yang tak terhingga. Namun pada prakteknya op-amp semisal LM741 memiliki penguatan yangterhingga kira-kira 100.000 kali. Sebenarnya denganpenguatan yang sebesar ini, sistem penguatan op-amp menjadi tidak stabil. Input diferensial yang amatkecil saja sudah dapat membuat outputnya menjadisaturasi. Pada bab berikutnya akan dibahasbagaimana umpan balik bisa membuat sistempenguatan op-amp menjadi stabil.Unity-gain frequency Op-amp ideal mestinya bisa bekerja padafrekuensi berapa saja mulai dari sinyal dc sampaifrekuensi giga Herzt. Parameter unity-gain frequencymenjadi penting jika op-amp digunakan untuk aplikasidengan frekuensi tertentu. Parameter AOL biasanyaadalah penguatan op-amp pada sinyal DC. Responsepenguatan op-amp menurun seiring denganmenaiknya frekuenci sinyal input. Op-amp LM741misalnya memiliki unity-gain frequency sebesar 1MHz. Ini berarti penguatan op-amp akan menjadi 1kali pada frekuensi 1 MHz. Jika perlu merancang
  55. 55. aplikasi pada frekeunsi tinggi, maka pilihlah op-ampyang memiliki unity-gain frequency lebih tinggi.Slew rate Di dalam op-amp kadang ditambahkan beberapakapasitor untuk kompensasi dan mereduksi noise.Namun kapasitor ini menimbulkan kerugian yangmenyebabkan response op-amp terhadap sinyal inputmenjadi lambat. Op-amp ideal memiliki parameterslew-rate yang tak terhingga. Sehingga jika inputberupa sinyal kotak, maka outputnya juga kotak.Tetapi karena ketidak idealan op-amp, maka sinyaloutput dapat berbentuk ekponensial. Sebagai contohpraktis, op-amp LM741 memiliki slew-rate sebesar0.5V/us. Ini berarti perubahan output op-amp LM741tidak bisa lebih cepat dari 0.5 volt dalam waktu 1 us.Parameter CMRR Ada satu parameter yang dinamakan CMRR(Commom Mode Rejection Ratio). Parameter ini cukuppenting untuk menunjukkan kinerja op-amp tersebut.Op-amp dasarnya adalah penguat diferensial danmestinya tegangan input yang dikuatkan hanyalahselisih tegangan antara input v1 (non-inverting)dengan input v2 (inverting). Karena ketidak-idealanop-amp, maka tegangan persamaan dari kedua inputini ikut juga dikuatkan. Parameter CMRR diartikansebagai kemampuan op-amp untuk menekanpenguatan tegangan ini (common mode) sekecil-kecilnya. CMRR didefenisikan dengan rumus CMRR =ADM/ACM yang dinyatakan dengan satuan dB.Contohnya op-amp dengan CMRR = 90 dB, ini artinyapenguatan ADM (differential mode) adalah kira-kira30.000 kali dibandingkan penguatan ACM (commommode). Kalau CMRR-nya 30 dB, maka artinyaperbandingannya kira-kira hanya 30 kali. Kalau
  56. 56. diaplikasikan secara real, misalkan tegangan input v1= 5.05 volt dan tegangan v2 = 5 volt, maka dalam halini tegangan diferensialnya (differential mode) = 0.05volt dan tegangan persamaan-nya (common mode)adalah 5 volt. Pembaca dapat mengerti dengan CMRRyang makin besar maka op-amp diharapkan akandapat menekan penguatan sinyal yang tidakdiinginkan (common mode) sekecil-kecilnya. Jikakedua pin input dihubung singkat dan diberi tegangan,maka output op-amp mestinya nol. Dengan kata lain,op-amp dengan CMRR yang semakin besar akansemakin baik. LM714 termasuk jenis op-amp yang seringdigunakan dan banyak dijumpai dipasaran. Contoh lainmisalnya TL072 dan keluarganya sering digunakanuntuk penguat audio. Tipe lain seperti LM139/239/339adalah opamp yang sering dipakai sebagaikomparator. Di pasaran ada banyak tipe op-amp. Carayang paling baik pada saat mendesain aplikasi denganop-amp adalah dengan melihat dulu karakteristik op-amp tersebut. Saat ini banyak op-amp yang dilengkapidengan kemampuan seperti current sensing, currentlimmiter, rangkaian kompensasi temperatur danlainnya. Ada juga op-amp untuk aplikasi khususseperti aplikasi frekuesi tinggi, open colector output,high power output dan lain sebagainya. Datakarakteristik op-amp yang lengkap, ya ada didatasheet.Analisa Rangkaian Op-Amp Popular Operational Amplifier atau di singkat op-ampmerupakan salah satu komponen analog yang populardigunakan dalam berbagai aplikasi rangkaianelektronika. Aplikasi op-amp popular yang palingsering dibuat antara lain adalah rangkaian inverter,non-inverter, integrator dan differensiator. Pada pokokbahasan kali ini akan dipaparkan beberapa aplikasi op-amp yang paling dasar, dimana rangkaian feedback
  57. 57. (umpan balik) negatif memegang peranan penting.Secara umum, umpanbalik positif akan menghasilkanosilasi sedangkan umpanbalik negatif menghasilkanpenguatan yang dapat terukur.Op-amp ideal Op-amp pada dasarnya adalah sebuah differentialamplifier (penguat diferensial) yang memiliki duamasukan. Input (masukan) op-amp seperti yang telahdimaklumi ada yang dinamakan input inverting dannon-inverting. Op-amp ideal memiliki open loop gain(penguatan loop terbuka) yang tak terhinggabesarnya. Seperti misalnya op-amp LM741 yangsering digunakan oleh banyak praktisi elektronika,memiliki karakteristik tipikal open loop gain sebesar104 ~ 105. Penguatan yang sebesar ini membuat op-amp menjadi tidak stabil, dan penguatannya menjaditidak terukur (infinite). Disinilah peran rangkaiannegative feedback (umpanbalik negatif) diperlukan,sehingga op-amp dapat dirangkai menjadi aplikasidengan nilai penguatan yang terukur (finite). Impedasiinput op-amp ideal mestinya adalah tak terhingga,sehingga mestinya arus input pada tiap masukannyaadalah 0. Sebagai perbandingan praktis, op-ampLM741 memiliki impedansi input Zin = 106 Ohm. Nilaiimpedansi ini masih relatif sangat besar sehingga arusinput op-amp LM741 mestinya sangat kecil. Ada dua aturan penting dalam melakukan analisarangkaian op-amp berdasarkan karakteristik op-ampideal. Aturan ini dalam beberapa literatur dinamakangolden rule, yaitu :Aturan 1 : Perbedaan tegangan antara input v+ dan v- adalah nol (v+ - v- = 0 atau v+ = v- )Aturan 2 : Arus pada input Op-amp adalah nol (i+ = i- = 0) Inilah dua aturan penting op-amp ideal yangdigunakan untuk menganalisa rangkaian op-amp.
  58. 58. Inverting amplifier Rangkaian dasar penguat inverting adalah sepertiyang ditunjukkan pada gambar 1, dimana sinyalmasukannya dibuat melalui input inverting. Sepertitersirat pada namanya, pembaca tentu sudahmenduga bahwa fase keluaran dari penguat invertingini akan selalu berbalikan dengan inputnya. Padarangkaian ini, umpanbalik negatif di bangun melaluiresistor R2. gambar 1 : penguat inverter Input non-inverting pada rangkaian inidihubungkan ke ground, atau v+ = 0. Denganmengingat dan menimbang aturan 1 (lihat aturan 1),maka akan dipenuhi v- = v+ = 0. Karena nilainya = 0namun tidak terhubung langsung ke ground, input op-amp v- pada rangkaian ini dinamakan virtual ground.Dengan fakta ini, dapat dihitung tegangan jepit padaR1 adalah vin – v- = vin dan tegangan jepit pada reistorR2 adalah vout – v- = vout. Kemudian denganmenggunakan aturan 2, di ketahui bahwa :iin + iout = i- = 0, karena menurut aturan 2, arusmasukan op-amp adalah 0.iin + iout = vin/R1 + vout/R2 = 0Selanjutnyavout/R2 = - vin/R1 .... atauvout/vin = - R2/R1
  59. 59. Jika penguatan G didefenisikan sebagaiperbandingan tegangan keluaran terhadap teganganmasukan, maka dapat ditulis …(1) Impedansi rangkaian inverting didefenisikansebagai impedansi input dari sinyal masukan terhadapground. Karena input inverting (-) pada rangkaian inidiketahui adalah 0 (virtual ground) maka impendasirangkaian ini tentu saja adalah Zin = R1.Non-Inverting amplifier Prinsip utama rangkaian penguat non-invertingadalah seperti yang diperlihatkan pada gambar 2berikut ini. Seperti namanya, penguat ini memilikimasukan yang dibuat melalui input non-inverting.Dengan demikian tegangan keluaran rangkaian iniakan satu fasa dengan tegangan inputnya. Untukmenganalisa rangkaian penguat op-amp non inverting,caranya sama seperti menganalisa rangkaianinverting. gambar 2 : penguat non-inverter
  60. 60. Dengan menggunakan aturan 1 dan aturan 2, kitauraikan dulu beberapa fakta yang ada, antara lain : vin = v+ v+ = v- = vin ..... lihat aturan 1. Dari sini ketahui tegangan jepit pada R2 adalah vout– v- = vout – vin, atau iout = (vout-vin)/R2. Lalu teganganjepit pada R1 adalah v- = vin, yang berarti arus iR1 =vin/R1. Hukum kirchkof pada titik input invertingmerupakan fakta yang mengatakan bahwa : iout + i(-) = iR1 Aturan 2 mengatakan bahwa i(-) = 0 dan jikadisubsitusi ke rumus yang sebelumnya, makadiperoleh iout = iR1 dan Jika ditulis dengan tegangan jepitmasing-masing maka diperoleh (vout – vin)/R2 = vin/R1 yang kemudian dapatdisederhanakan menjadi : vout = vin (1 + R2/R1) Jika penguatan G adalah perbandingan tegangankeluaran terhadap tegangan masukan, maka didapatpenguatan op-amp non-inverting : … (2) Impendasi untuk rangkaian Op-amp non invertingadalah impedansi dari input non-inverting op-amptersebut. Dari datasheet, LM741 diketahui memilikiimpedansi input Zin = 108 to 1012 Ohm.Integrator Opamp bisa juga digunakan untuk membuatrangkaian-rangkaian dengan respons frekuensi,misalnya rangkaian penapis (filter). Salah satucontohnya adalah rangkaian integrator seperti yangditunjukkan pada gambar 3. Rangkaian dasar sebuahintegrator adalah rangkaian op-amp inverting, hanya
  61. 61. saja rangkaian umpanbaliknya (feedback) bukanresistor melainkan menggunakan capasitor C. gambar 3 : integrator Mari kita coba menganalisa rangkaian ini.Prinsipnya sama dengan menganalisa rangkaian op-amp inverting. Dengan menggunakan 2 aturan op-amp (golden rule) maka pada titik inverting akandidapat hubungan matematis : iin = (vin – v-)/R = vin/R , dimana v- = 0 (aturan1) iout = -C d(vout – v-)/dt = -C dvout/dt; v- = 0 iin = iout ; (aturan 2) Maka jika disubtisusi, akan diperoleh persamaan : iin = iout = vin/R = -C dvout/dt, atau dengan kata lain ...(3) Dari sinilah nama rangkaian ini diambil, karenasecara matematis tegangan keluaran rangkaian inimerupakan fungsi integral dari tegangan input. Sesuaidengan nama penemunya, rangkaian yang demikiandinamakan juga rangkaian Miller Integral. Aplikasiyang paling populer menggunakan rangkaianintegrator adalah rangkaian pembangkit sinyal segitigadari inputnya yang berupa sinyal kotak.
  62. 62. Dengan analisa rangkaian integral serta notasiFourier, dimana f = 1/t dan …(4) penguatan integrator tersebut dapatdisederhanakan dengan rumus …(5) Sebenarnya rumus ini dapat diperoleh dengan caralain, yaitu dengan mengingat rumus dasar penguatanopamp invertingG = - R2/R1. Pada rangkaian integrator (gambar 3)tersebut diketahui Dengan demikian dapat diperoleh penguatanintegrator tersebut seperti persamaan (5) atau agarterlihat respons frekuensinya dapat juga ditulisdengan …(6) Karena respons frekuensinya yang demikian,rangkain integrator ini merupakan dasar dari low passfilter. Terlihat dari rumus tersebut secara matematis,penguatan akan semakin kecil (meredam) jikafrekuensi sinyal input semakin besar. Pada prakteknya, rangkaian feedback integratormesti diparalel dengan sebuah resistor dengan nilaimisalnya 10 kali nilai R atau satu besaran tertentuyang diinginkan. Ketika inputnya berupa sinyal dc(frekuensi = 0), kapasitor akan berupa saklar terbuka.Jika tanpa resistor feedback seketika itu jugaoutputnya akan saturasi sebab rangkaian umpanbalikop-amp menjadi open loop (penguatan open loopopamp ideal tidak berhingga atau sangat besar). Nilairesistor feedback sebesar 10R akan selalu menjamin
  63. 63. output offset voltage (offset tegangan keluaran)sebesar 10x sampai pada suatu frekuensi cutofftertentu.Differensiator Kalau komponen C pada rangkaian penguatinverting di tempatkan di depan, maka akan diperolehrangkaian differensiator seperti pada gambar 4.Dengan analisa yang sama seperti rangkaianintegrator, akan diperoleh persamaan penguatannya : …(7) Rumus ini secara matematis menunjukkan bahwategangan keluaran vout pada rangkaian ini adalahdifferensiasi dari tegangan input vin. Contoh praktisdari hubungan matematis ini adalah jika teganganinput berupa sinyal segitiga, maka outputnya akanmengahasilkan sinyal kotak. gambar 4 : differensiator Bentuk rangkain differensiator adalah mirip denganrangkaian inverting. Sehingga jika berangkat darirumus penguat inverting G = -R2/R1 dan pada rangkaian differensiator diketahui :
  64. 64. maka jika besaran ini disubtitusikan akan didapatrumus penguat differensiator …(8)Dari hubungan ini terlihat sistem akan meloloskanfrekuensi tinggi (high pass filter), dimana besarpenguatan berbanding lurus dengan frekuensi. Namundemikian, sistem seperti ini akan menguatkan noiseyang umumnya berfrekuensi tinggi. Untuk praktisnya,rangkain ini dibuat dengan penguatan dc sebesar 1(unity gain). Biasanya kapasitor diseri dengan sebuahresistor yang nilainya sama dengan R. Dengan cara iniakan diperoleh penguatan 1 (unity gain) pada nilaifrekuensi cutoff tertentu.Penutup Uraian diatas adalah rumusan untuk penguatanopamp ideal. Pada prakteknya ada beberapa hal yangmesti diperhatikan dan ditambahkan pada rangkaianopamp. Antara lain, Tegangan Ofset (Offset voltage),Arus Bias (Bias Current), Arus offset (offset current)dan lain sebagainya. Umumnya ketidak ideal-an op-amp dan bagaimana cara mengatasinya diterangkanpada datasheet opamp dan hal ini spesifik untukmasing-masing pabrikan.Dari Mikro ke Nano Orde mikro (m) dalam satuan menunjukkan nilaisepersejuta (10-6). Satu mikrometer (1mm) misalnya,nilainya sama dengan sepersejuta meter (10-6 m).Sedang nano (n) menunjukkan nilai seper satu milyar(10-9). Satu nano gram (1 ng) nilainya sama denganseper satu milyar gram (10-9 g). Orde mikro adalah1000 kali lebih besar dibandingkan orde nano, atau
  65. 65. sebaliknya orde nano adalah seperseribu dari ordemikro. Kalau dalam dunia elektronika kita mengenalkomponen yang disebut mikrochip, berarti di dalamchip elektronik itu terdapat ribuan bahkan jutaankomponen renik berorde mikro. Jika teknologielektronika kini mulai bergeser dari mikroelektronikake nanoelektronika, hal ini berarti bahwa komponen-komponen elektronik yang digunakan berode nanoatau setingkat molekuler, bagian terkecil dari suatumateri. Berarti pula seribu kali lebih kecildibandingkan ukuran komponen yang ada dalammikrochip saat ini. Sekitar tahun 1920-an, lahir konsep baru dibeberapa pusat penelitian fisika di Heidelberg,Gottingen, dan Kopenhagen. Konsep baru tersebutadalah kuantum mekanika atau kuantum fisika yangsemula dipelopori oleh Max Planck dan Albert Einstein,kemudian dilanjutkan oleh ilmuwan seperti Niels Bohr,Schrodinger, Max Born, Samuel A. Goudsmith,Heisenberg dan lain-lain. Konsep ini secarafundamental mengubah prinsip kontinuitas energimenjadi konsep diskrit yang benar-benar mengubahfikiran yang sudah berjalan lebih dari satu abad. Sisilain yang tak kalah mengejutkan sebagai akibatlahirnya konsep kuantum in adalah lahirnya fisika zatpadat oleh F. Seitz dan fisika semikonduktor oleh J.Bardeen di Amerika Serikat, W.B. Sockley di Inggrisdan Love di Rusia pada tahun 1940. Kemajuan riset dalam bidang fisika telahmengantarkan para fisikawan dapat meneliti danmempelajari berbagai sifat kelistrikan zat padat. Daripenelitian ini telah ditemukan bahan semikonduktoryang mempunyai sifat listrik antara konduktor danisolator. Penemuan bahan semikonduktor kemudiandisusul dengan penemuan komponen elektronik yangdisebut transistor. Dalam perjalanan berikutnya,transistor tidak hanya mengubah secara mencolokberbagai aspek kehidupan moderen, tetapi transistor
  66. 66. tergolong salah satu dari beberapa penemuanmoderen yang memajukan teknologi dengan biayarendah. Transistor dapat dihubungkan pada rangkaianelektronik sebagai komponen terpisah atau dalambentuk terpadu pada suatu chip. Pada tahun 1958,insinyur di dua perusahaan elektronik, Kilby (TexasInstrument) dan Robert Noyce (Fairchild) telahmemperkenalkan ide rangkaian terpadu monolitikyang dikenal dengan nama IC (integrated circuit).Kemajuan dalam bidang mikroelektronika ini tidakterlepas dari penemuan bahan semikonduktor maupuntransistor. Komputer digital berkecepatan tinggi bisaterwujud berkat penggunaan transistor dalam IC yangmerupakan kumpulan jutaan transistor renik yangmenempati ruangan sangat kecik, yang semula hanyabisa ditempati oleh sebuah transistor saja.Serba Kecil Berbagai produk monumental dari perkembanganteknologi elektronika hadir di sekeliling kita. Namunteknologi mikroelektronika bukan sekedarmenghadirkan produk, tetapi juga menampilkanproduk itu dalam bentuk dan ukuran yang makin lamamakin kecil dengan kemampuan kerja yang lebihtinggi. Dapat kita sebut disini sebagai contoh adalahmunculnya komputer dan telepon seluler (ponsel).Bentuk dini komputer moderen telah menggunakanelektronika pada rangkaian-rangkaian logika, memoridan sistim angka biner. Komputer yang dibuat oleh J.Presper Eckert dan John W. Mauchly itu diberi namaABC (Atonosoff-Berry Computer) yang diperkenalkanpada tahun 1942. Komputer ini berukuran sangatbesar, sebesar salah satu kamar di rumah kita, karenadi dalamnya menggunakan 18 ribu tabung hampa. Komputer elektronik generasi pertama yang diberinama ENIAC (Electronic Numerical Integrator AndComputer) dikembangkan pada zaman Perang DuniaKedua dan dipakai untuk menghitung tabel lintasan
  67. 67. peluru dalam kegiatan militer. Pergeseran pentingdalam elektronika telah terjadi pada akhir tahun 1940-an. Fungsi tabung-tabung elektronik saat itu mulaidigantikan oleh transistor yang dibuat dari bahansemikonduktor. Penggunaan transistor yang mulaimencuat ke permukaan pada tahun 70-an ternyatamemiliki beberapa kelebihan dibandingkan tabunghampa elektronik, antara lain : • Transistor lebih sederhana sehingga dapat diproduksi dengan biaya lebih rendah. • Transistor mengkonsumsi daya yang lebih rendah dibandingkan tabung hampa. • Transistor dapat dioperasikan dalam keadaan dingin sehingga tidak perlu waktu untuk pemanasan. • Ukuran transistor jauh lebih kecil dibandingkan tabung hampa. • Daya tahan transistor lebih lama dan dapat mencapai beberapa dasawarsa. • Transistor mempunyai daya tahan yang tinggi tehadap goncangan dan getaran. Komputer generasi kedua yang telahmenggunakan transistor adalah IBM 1401 yangdiluncurkan oleh IBM pada tahun 1959. Sebelumnyajuga telah diluncurkan IBM 701 pada tahun 1953 danIBM 650 pada tahun 1954. Munculnya rangkaianterpadu atau integrated circuit (IC) ternyata telahmenggusur dan mengakhiri riwayat keberadaantransistor. Komputer generasi ketiga adalah sistim360 yang juga diluncurkan oleh IBM. Dalam komputerini telah menggunakan IC, yang kemudian disusuldengan penggunaan large scale integration (LSI), danselanjutnya very large scale integration (VLSI).Pada tahun 1971, MITS Inc. meluncurkan ALTAIR,komputer mikro pertama yang menggunakanmikroprosesor Intel 8080. Komputer elektronikgenerasi berikutnya dikembangkan dengan
  68. 68. menggunakan mikroprosesor yang makin reniksehingga secara fisik tampil dengan ukuran yang lebihkecil, namun dengan kecepatan kerja yang jauh lebihtinggi. Pengaruh kemajuan dalam teknologielektronika ini demikian pesatnya mengubah wajahteknologi dalam bidang telekomunikasi danautomatisasi. Kemajuan dalam kedua bidang tersebutmenyebabkan kontribusi sain ke dalam teknologi yangsangat besar, hampir mencapai 50 % dalam proses,sehingga teknologi semacam ini disebut High-Technology. Selain pada komputer, kita juga bisa menyaksikanproduk elektronik berupa ponsel yang prosesminiaturisasinya seakan tak pernah berhenti, baikdalam aspek disain produknya maupun dalam aspekteknologi mikroelektronikanya. Sebagai anak kandungjagad mikroelektronika, kehadiran ponsel selalumengikuti perkembangan teknologi mikroelektronikasehingga dapat tampil semakin mungil dan lebih multifungsi dibandingkan generasi sebelumnya.Mengecilnya ponsel juga didukung oleh kemampuanpara ahli dalam mengintegrasikan berbagai komponenbaru yang ukurannya lebih kecil seperti mikrochip,yang kemampuannya selalu meningkat seiring denganperjalanan waktu, dan semakin banyak fungsi yangdapat dijalankannya. Kini ponsel dengan berbagaifasilitas di dalamnya bisa masuk ke dalam genggamantangan.Beralih ke Nanoteknologi Perkembangan teknologi telah mengantarkanelektronika beralih dari orde mikro ke nano, yangberarti komponen elektronika kelak dapat dibuatdalam ukuran seribu kali lebih kecil dibandingkangenerasi mikroelektronika sebelumnya. Pada awaltahun 90-an, Dr. Rohrer, penemu tunneling electronmicroscope dan pemenang hadiah Nobel bidang fisikatahun 1986, meramalkan bahwa mikroelektronikaakan segera digantikan oleh nanoelektronika atau
  69. 69. quantum dot. Sedang prof. Petel (president UCLA)meramalkan bahwa teknologi photonik akanmenggantikan mikroelektronika di awal abad 21 ini.Feyman pada akhir tahun 1959 juga telahmeramalkan akan hadirnya teknologi ini pada abad21. Para perintis nanoteknologi, suatu bidang baruteknologi miniatur, telah melihat kemungkinanpenggunaan materi seukuran molekul untuk membuatkomponen elektronika di masa depan. Dalamteknologi ini, ukuran sirkuit-sirkuit elektronika bisajadi akan lebih kecil dibandingkan garis tengahpotongan rambut atau bahkan seukuran dengandiameter sel darah manusia. Ukuran transistor dimasa mendatang akan menjadi sangat kecil berskalaatom yang disebut quantum dot. Suatu ketika di bulam Mei 1988, dalam acarakonferensi pengembangan antariksa di Pittsburg, K.Eric Drexler, pakar komputer dari UniversitasStanford, Amerika Serikat, mengemukakan tentangpeluang pengembangan nanoteknologi di masamendatang. Teknologi ini didasarkan padakemampuan membuat perangkat elektronika denganketelitian setingkat ukuran atom. Drexler melihatbahwa makhluk hidup merupakan bukti adanyananoteknologi. Dexler menguraikan kemungkinanpembuatan alat seukuran molekul yang proseskerjanya menyerupai molekul dari protein yangmenjalankan fungsinya di dalam tubuh manusia.Drexler juga meramalkan bahwa zaman nanoteknologiakan dimulai memasuki awal milenium tiga ini. Dengan beralih ke nanoteknologi ini, tentu sajabidang yang paling banyak dipengaruhi adalah dalamdisain komputer. Molekul-molekul akan dihimpunsehingga membentuk komponen elektronika yangmampu menjalankan tugas tertentu. Suatu terobosanbesar akan terjadi bila para pakar dapat mewujudkanhal tersebut untuk membuat nanokomputer. Dengankomponen seukuran molekul, nanokomputer dapat
  70. 70. masuk ke dalam kotak seukuran satu mikrometer.Komputer ini mampu bekerja ratusan ribu kali lebihcepat dibandingkan mikrokomputer elektronik yangada saat ini. Penelitian yang kini sedang dilakukan oleh parapakar adalah mengembangkan metode penggantiandengan materi protein terhadap molekul, alat memoridan struktur lain yang kini ada di dalam komputer.Jacob Hanker, profesor rekayasa biomedik dariUniversitas North Caroline, AS, telah berhasilmelakukan percobaan membuat komponensemikonduktor dengan bahan-bahan biologis.Mesin-mesin elektronik yang dinamai juga kuantumelektronik akan memiliki kemampuan mengolah pulsayang jauh lebih besar. Kuantum teknologi ini akanmampu menerobos keterbatasan dan kejenuhanmikroelektronika yang ada saat ini. Perusahaankomputer IBM saat ini sedang merancang komputerdengan teknologi kuantum yang disebut kuantumkomputer. Jika komputer tersebut telah memasukipasar, maka komputer generasi pendahulu yangmasih menggunakan teknologi mikroelektronika bakaltersingkir. Teknologi baru ini bakal segera mengubahsistim jaringan telekomunikasi di awal milenium tigaini. Teknologi ini juga akan membawa dunia kepadaciri-ciri baru dalam perangkat teknologinya, yaitu :berukuran sangat kecil, berkerapatan tinggi,kecepatan kerjanya tinggi, bermulti fungsi, memilikikontrol yang serba automatik, hemat dalam konsumsienergi dan ramah lingkungan.
  71. 71. KapasitorPrinsip dasar dan spesifikasi elektriknya Kapasitor adalah komponen elektronika yang dapatmenyimpan muatan listrik. Struktur sebuah kapasitorterbuat dari 2 buah plat metal yang dipisahkan olehsuatu bahan dielektrik. Bahan-bahan dielektrik yangumum dikenal misalnya udara vakum, keramik, gelasdan lain-lain. Jika kedua ujung plat metal diberitegangan listrik, maka muatan-muatan positif akanmengumpul pada salah satu kaki (elektroda) metalnyadan pada saat yang sama muatan-muatan negatifterkumpul pada ujung metal yang satu lagi. Muatanpositif tidak dapat mengalir menuju ujung kutupnegatif dan sebaliknya muatan negatif tidak bisamenuju ke ujung kutup positif, karena terpisah olehbahan dielektrik yang non-konduktif. Muatan elektrikini "tersimpan" selama tidak ada konduksi pada ujung-ujung kakinya. Di alam bebas, phenomena kapasitorini terjadi pada saat terkumpulnya muatan-muatanpositif dan negatif di awan. prinsip dasar kapasitorKapasitansi Kapasitansi didefenisikan sebagai kemampuan darisuatu kapasitor untuk dapat menampung muatanelektron. Coulombs pada abad 18 menghitung bahwa1 coulomb = 6.25 x 1018 elektron. Kemudian Michael
  72. 72. Faraday membuat postulat bahwa sebuah kapasitorakan memiliki kapasitansi sebesar 1 farad jika dengantegangan 1 volt dapat memuat muatan elektronsebanyak 1 coulombs. Dengan rumus dapat ditulis : Q = CV …………….(1)Q = muatan elektron dalam C (coulombs)C = nilai kapasitansi dalam F (farads)V = besar tegangan dalam V (volt) Dalam praktek pembuatan kapasitor, kapasitansidihitung dengan mengetahui luas area plat metal (A),jarak (t) antara kedua plat metal (tebal dielektrik) dankonstanta (k) bahan dielektrik. Dengan rumusandapat ditulis sebagai berikut : C = (8.85 x 10-12) (k A/t) ...(2) Berikut adalah tabel contoh konstanta (k) daribeberapa bahan dielektrik yang disederhanakan. Udara vakum k=1 Aluminium oksida k=8 Keramik k = 100 - 1000 Gelas k=8 Polyethylene k=3 Untuk rangkain elektronik praktis, satuan faradsadalah sangat besar sekali. Umumnya kapasitor yangada di pasar memiliki satuan uF (10-6 F), nF (10-9 F)dan pF (10-12 F). Konversi satuan penting diketahuiuntuk memudahkan membaca besaran sebuahkapasitor. Misalnya 0.047uF dapat juga dibaca sebagai47nF, atau contoh lain 0.1nF sama dengan 100pF.