TENTANG TRANSISTOR, SEJARAHNYA , DAN CARA KERJA TRANSISTOR
oleh FMIFA FISIKA pada 19 Oktober 2010 pukul 6:06 ·
TENTANG TRANSISTOR DAN SEJARAHNYA
Kini
elektonika merupakan salah satu ilmu yang penting. Elektronika telah
banyak mengubah kehidupan kita. Radio, Televisi, Hand-Phone, Komputer
dan Kalkulator saku merupakan contoh peralatan elektronika yang biasa
kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari. Hampir dipastikan setiap
rangkaian elektronika menggunakan satu atau lebih transistor. Apa saja
yang dapat dilakukan oleh benda ajaib mungil bernama transistor itu?
Ternyata tak banyak ! Transistor hanyalah alat untuk mengatur arus
listrik seperti saklar, ia dapat menghubung dan memutus aliran listrik.
Jutaan transistor yang ada dalam komputer hanyalah bekerja sebagai
pemutus dan penghubung arus listrik belaka. Ini cukup mengejutkan bagi
kita mengingat komputer dapat melakukan pekerjaan yang amat rumit yang
mana diwujudkan secara “sederhana” oleh transistor.
Selain
sebagai saklar transistor digunakan juga sebagai penguat. Pada penerima
radio sinyal listrik yang diterima antena radio sangat lemah. Transistor
menguatkan sinyal tersebut sehingga kita dapat mendengar suara penyiar.
Demikian pula sinyal listrik dari microphone yang digunakan penyanyi di
atas panggung. Sinyal listrik yang dihasilkan microphone lemah,
kemudian transistor memperkuat sinyal tersebut sehingga mampu
mengerakkan speaker. Suara penyanyi itupun terdengar sangat keras oleh
penonton.
Ringkasnya transistor mempunyai dua fungsi utama:
- Sebagai saklar (pada komputer)
- sebagai penguat ( pada penerima radio)
Transistor
ditemukan oleh tiga fisikawan Amerika : William Shockley, John Bardeen
dan Walter Brattain pada tahun 1948. Sebelum transistor ditemukan bukan
berarti elektronika belum ada. Sebagai pendahulu transistor orang
menggunakan tabung katup elektronik yang berukuran lebih besar dari pada
transistor. Tabung elektronik pernah mencapai masa keemasan. Tabung
elektronik diproduksi besar-besaran untuk digunakan pada radio dan
televisi. Bahkan komputer (ENIAC,1948,di Amerika Serikat) sempat dibuat
dengan tabung elektronik. Sekalipun mempunyai fungsi yang sama, akan
tetapi cara kerja kedua benda tersebut berbeda. Pada tabung elektronik,
elektron terpancar karena elektroda yang dipanaskan (katoda), kemudian
elektron bergerak di ruang hampa ke elektroda lain (anoda). Diantara
katoda dan anoda diselipkan elektroda lain bernama grid. Fungsi grid
berguna untuk mengatur besarnya arus yang mengalir. Karena membutuhkan
pemanasan itulah, maka tabung elektonik membutuhkan daya yang lebih
besar. Dilain pihak, aliran pembawa muatan transistor mengalir melalui
bahan semikonduktor (setengah penghantar) tanpa membutuhkan pemanasan
sama sekali. Transistor juga mempunyai 3 elektroda, bernama emitor (=
katoda), kolektor (= anoda) dan basis (= grid). Tidak seperti tabung
elektronik yang berukuran relatif besar, transistor dapat dibuat dalam
ukuran yang amat kecil. Jutaan transistror pada prosesor komputer
menempati luas beberapa Cm persegi. Tak mengherankan apabila komputer
kuno yang bernama ENIAC yang terbuat dari tabung elektronik berukuran
lebih besar dari rumah kita dan membutuhkan daya ribuan Watt. Berkat
ukuran transistor yang kecil kita dapat memasukkan Hand-Phone ke dalam
saku. Transistror-transistor ukuran kecil bersama komponen lainnya
dirangkai jadi satu dalam sebuah IC (Integrated Circuits). Kita tidak
dapat melihat transistornya karena IC tertutup dalam kemasan plastik.
Peralatan elektronika kini kebanyakan menggunakan IC karena jauh lebih
ekonomis. Kini penggunaan transistor lepasan (diskrit) jarang ditemui,
kecuali untuk rangkaian sederhana.
Tabung elektronik berawal
ketika Thomas Alva Edison (Amerika serikat) tahun 1883 menciptakan lampu
pijar. Secara tidak sengaja ia menemukan bahwa elektron dapat terpancar
pada filamen lampu pijar yang dipanaskan. Ini kemudian disebut emisi
termionic atau efek Edison. Penemuan Edison dimanfaatkan oleh Fleming
(Inggris) pada tahun 1902 untuk membuat dioda penyearah sebagai detektor
radio. Dioda tabung elektronik Fleming berfungsi sebagai penyearah,
yaitu dapat menghantar pada satu arah tetapi menyumbat pada arah
sebaliknya. Elekton dapat mengalir dari katoda(panas) ke anoda (dingin).
Tak lama berselang, tahun 1906 Lee De Forest(Amerika Serikat)
menambahkan elektroda ke 3 yang bernama Grid, lahirlah tabung elektronik
Trioda.
Dioda penyearah dapat pula dibuat dari bahan
semikonduktor, hal tersebut telah lama diketahui. Usaha untuk membuat
trioda semikonduktor telah dimulai tahun 1920an oleh banyak orang di
berbagai negara. Akan tetapi baru berhasil pada tahun 1950an oleh 3
sekawan tadi. William Shockley, John Bardeen dan Walter Brattain
menerima hadiah Nobel untuk bidang Fisika karena berhasil menemukan
transistor. Perkembangan tabung elektronik dari Dioda menjadi Trioda
berlangsung dalam waktu yang singkat. Akan tetapi perkembangan dari
dioda semikonduktor menjadi trioda “transistor” semikonduktor memerlukan
waktu yang lebih lama. Ini mungkin disebabkan teori semikonduktor pada
saat itu masih gelap. Marilah sekarang kita membahas teori semikonduktor
seterang mungkin.
SEMIKONDUKTOR
Transistor
dibuat dari bahan semikonduktor. Bahan semikonduktor yang terpenting
adalah Silikon dan Germanium. Silikon lebih banyak digunakan sebagai
bahan semikonduktor dibanding Germanium, karena Silikon mempunyai
sifat-sifat yang lebih disukai dibanding dengan Germanium.
Disebut
Semikonduktor (setengah penghantar) karena material ini dapat
menghantar listrik namun tidak sebaik konduktor (penghantar).
Telah
kita ketahui konduktor listrik adalah logam. Listrik dapat mengalir
dalam logam karena dalam logam terdapat banyak sekali elektron bebas
yang dapat dengan mudah bergerak diantara inti atom. Dapat kita
umpamakan aliran elektron bebas sebagai aliran air dalam tabung filter
air. Media berpori kita andaikan sebagai inti atom, sedang partikel air
kita andaikan sebagai elektron. Demikianlah elektron bebas dapat
mengalir dengan mudah diantara celah-celah inti atom.
Bahan
Isolator seperti halnya Plastik tidak dapat menghantar listrik karena
tidak mempunyai elektron bebas. Elektron-elektron pada isolator terikat
kuat pada inti atom. Pada Isolator diperlukan energi yang besar untuk
membuat elektron terlepas dari ikatannya. Jadi pada isolator tidak ada
pembawa muatan yang dapat bergerak.
Semikonduktor dapat
menghantar listrik, namun daya hantarnya sangat kecil jika dibandingkan
dengan logam. Hal tersebut disebabkan kosentrasi pembawa muatan pada
semikonduktor jauh lebih kecil dibanding kosentrasi pembawa muatan pada
logam.
DUA MACAM PEMBAWA MUATAN
Cara semikonduktor menghantar berbeda dengan logam. Ada dua macam pembawa muatan pada semikonduktor.
- Pembawa muatan positif
- pembawa muatan negatif
Pembawa
muatan negatif adalah elektron bebas. Elektron semikonduktor terikat
pada inti atom tetapi tidak sekuat ikatan pada isolator. Bila kebetulan
elektron menerima energi panas yang cukup, elektron ini dapat terlepas
dari ikatan atom induk. Jadilah elektron bebas. Elektron bebas pada
semikonduktor bergerak seperti halnya elektron bebas pada logam, dapat
bergerak menyusup diantara inti atom.
Pembawa muatan positif
adalah lubang. Ketika elektron bebas terbentuk yakni elektron terlepas
dari ikatannya, tempat yang ditinggalkannya menjadi kosong. Terbentuklah
lubang. Sama seperti elektron bebas lubang ini dapat pula menghantar
listrik. Lubang menghantar listrik dengan cara yang unik.
Mula-mula
Fisikawan sempat dibingungkan oleh kehadiran partikel bermuatan positif
pada semikonduktor. Mereka menemukan gerakan partikel yang arah
geraknya berlawanan dengan arah gerakan elektron. Jika misalnya elektron
bergerak kekiri menjauhi kutup negatif baterai (mendekati kutup positif
baterai), maka partikel asing ini bergerak dalam arah sebaliknya.
Karena itu Fisikawan memberi tanda muatan partikel ini positif,
berlawanan tanda dengan elektron bebas yang bertanda negatif. Adanya
pergerakan dua macam partikel berbeda tanda pada semikonduktor ini dapat
diamati pada percobaan efek Hall.
terlihat kendaraan dan "lubang" bergerak ke arah yang berlawanan
Ternyata
kehadiran partikel bermuatan positif adalah ilusi. Partikel bermuatan
positif itu adalah lubang atau longaran! Ceritanya adalah demikian:
Elektron-elektron pada semikonduktor tak dapat bergerak terikat kuat
oleh inti atom (kecuali telah menjadi elektron bebas). Ketika elektron
bebas terbentuk, tempat yang ditinggalkan terjadi lubang atau longaran.
Elektron dari atom tetangga, meskipun dalam ikatan inti atom apabila
terdorong oleh medan listrik ikatan inti dapat terputus dan jatuh
kedalam lubang. Kemudian tempat yang ditinggalkan elektron itu menjadi
lubang baru. Elektron lain kemudian jatuh pula pada lubang baru dan
seterusnya. Peristiwa ini boleh kita umpamakan jalan raya yang macet.
Mobil-mobil yang tidak dapat bergerak ini kita samakan dengan
elektron-elektron dalam ikatan inti atom. Namun mobil-mobil yang tak
dapat bergerak kemudian dapat bergerak asalkan ada lubang. Gambar diatas
kiranya dapat memperjelas apa yang dimaksud. Perhatikanlah lubang
bergerak ke arah berlawanan dengan gerak mobil atau pembawa muatan
sejati. ”Partikel” yang bergerak berlawanan dengan gerak elektron bebas,
sebenarnya bukanlah partikel tetapi lubang.
SEMI KONDUKTOR DENGAN PENGOTOR
Semikonduktor
murni dapat menghantar listrik, tetapi daya hantarnya buruk maklumlah
karena kosentrasi pembawa muatan sangat kecil. Hal tersebut berbeda
dengan logam yang mempunyai pembawa muatan berlimpah.
Kristal
silikon murni (disebut semikonduktor intrinsik) yang sedikit menghantar
listrik ini akan meningkat hantaran listriknya dengan cukup berarti
apabila diberi bahan pengotor. Penambahan bahan pengotor ini hanya perlu
dalam jumlah yang amat sedikit. Namun hal tersebut telah mengubah sifat
asli dari semikonduktor yang bersangkutan (hantaran listriknya jauh
lebih besar dari sebelumnya). Semikonduktor berpengotor ini disebut
semikonduktor ekstrinsik. Selanjutnya penambahan bahan pengotor ini kita
sebut doping. Kita mengenal dua jenis semikonduktor ekstrinsik yaitu :
- Semikonduktor jenis N
- Semikonduktor jenis P.
Umumnya
kita tidak menyukai ketidak murnian. Pada semikonduktor doping justru
diperlukan. Doping sangat berguna menjadikan semikonduktor tersebut
lebih mudah menghantar listrik.
Atom-atom silikon saling
mengikat satu sama lain membentuk kristal padat. Ikatan pada atom
silikon disebut ikatan kovalen. Atom silikon mempunyai 4 elektron
terluar. Ikatan kovalen terbentuk dengan cara setiap atom terluar
berpasangan dengan elektron terluar atom tetangga. Ikatan kovalen atom
silikon yang pada kenyataanya berbentuk 3 dimensi digambarkan secara
simbolik seperti gambar dibawah ini.
Semikonduktor Jenis N
Semikonduktor
jenis N terbentuk dengan menambah unsur doping berupa Phosfor (P),
Arsenik (As) atau Atimon (Sb). Atom pada unsur-unsur tersebut mempunyai
elektron terluar sebanyak 5 buah. Elektron kelima dari atom sisipan ini
tidak mempunyai ikatan, sehingga elektron ini berlaku sebagai elektron
bebas. Semi konduktor jenis N dapat menghantar listrik karena adanya
elektron bebas tersebut. Elektron bermuatan negatif, karena itu
semikonduktor jenis ini disebut semikonduktor jenis N.
Tidak
seperti semikonduktor murni yang sulit menghantar listrik, semikonduktor
jenis N dapat menghantar listrik dengan mudah. Tak mengherankan karena
semikonduktor N kaya dengan elektron bebas. Pembawa muatan utama pada
semikonduktor N adalah elektron bebas.
Pada semikonduktor N,
lubang ikut pula membawa muatan, tetapi jumlahnya sangat kecil
dibandingkan dengan elektron bebas. Lubang merupakan pembawa muatan
minoritas. Mekanisme terbentuknya lubang sama seperti yang terjadi pada
semikondutor murni.
Semikonduktor Jenis P
Untuk
membentuk semikonduktor jenis P, kali ini digunakan unsur doping
Boron(B), Alumunium (Al), Indium (In) atau galium (Ga). Atom-atom
tersebut mempunyai elektron terluar sebanyak 3 buah. Penyisipan ini akan
mengakibatkan lubang dimana elektron terluar silikon tidak mempunyai
teman untuk menbentuk ikatan
Tidak seperti semikonduktor murni
yang sulit menghantar listrik, semikonduktor jenis P dapat menghantar
listrik dengan mudah. Tak mengherankan karena semikonduktor P kaya
dengan lubang. Pembawa muatan utama pada semikonduktor P adalah lubang.
Elektron bebas merupakan pembawa muatan minoritas
0 komentar:
Posting Komentar