Transistor adalah perangkat semikonduktor yang digunakan untuk memperkuat atau mengalihkan sinyal listrik dan daya. Transistor adalah salah satu blok bangunan dasar elektronik modern. Transistor terdiri dari bahan semikonduktor, biasanya dengan setidaknya tiga terminal untuk koneksi ke sirkuit elektronik. Tegangan atau arus yang diterapkan pada sepasang terminal transistor mengontrol arus melalui sepasang terminal lainnya. Karena daya yang dikendalikan (output) bisa lebih tinggi daripada daya pengendali (input), transistor dapat memperkuat sinyal. Beberapa transistor dikemas secara individual, tetapi lebih banyak lagi dalam bentuk miniatur yang ditemukan tertanam dalam sirkuit terpadu. Karena transistor adalah komponen aktif utama dalam hampir semua elektronik modern, banyak orang menganggapnya sebagai salah satu penemuan terbesar abad ke-20.
Fisikawan Julius Edgar Lilienfeld mengusulkan konsep transistor efek medan (FET) pada tahun 1926, tetapi pada saat itu belum memungkinkan untuk membuat perangkat yang berfungsi. Perangkat pertama yang berfungsi adalah transistor kontak-titik yang ditemukan pada tahun 1947 oleh fisikawan John Bardeen, Walter Brattain, dan William Shockley di Bell Labs; ketiganya berbagi Hadiah Nobel Fisika tahun 1956 untuk pencapaian mereka. Jenis transistor yang paling banyak digunakan adalah transistor efek medan semikonduktor oksida-logam (MOSFET), yang ditemukan oleh Mohamed Atalla dan Dawon Kahng di Bell Labs pada tahun 1959. Transistor merevolusi bidang elektronika dan membuka jalan bagi radio, kalkulator, komputer, dan perangkat elektronik lainnya yang lebih kecil dan lebih murah.
Sebagian besar transistor dibuat dari silikon yang sangat murni, dan beberapa dari germanium, tetapi bahan semikonduktor tertentu lainnya kadang-kadang digunakan. Sebuah transistor mungkin hanya memiliki satu jenis pembawa muatan dalam transistor efek medan, atau mungkin memiliki dua jenis pembawa muatan dalam perangkat transistor persimpangan bipolar. Dibandingkan dengan tabung vakum, transistor umumnya lebih kecil dan membutuhkan lebih sedikit daya untuk beroperasi. Tabung vakum tertentu memiliki keunggulan dibandingkan transistor pada frekuensi operasi yang sangat tinggi atau tegangan operasi yang tinggi, seperti tabung gelombang perjalanan dan Gyrotron. Banyak jenis transistor yang dibuat dengan spesifikasi standar oleh beberapa produsen.
Sejarah
Triode termionik, tabung vakum yang ditemukan pada tahun 1907, memungkinkan teknologi radio yang diperkuat dan telepon jarak jauh. Akan tetapi, triode ini merupakan perangkat yang rapuh dan mengkonsumsi daya yang besar. Pada tahun 1909, fisikawan William Eccles menemukan osilator dioda kristal. Fisikawan Julius Edgar Lilienfeld mengajukan paten untuk transistor efek medan (FET) di Kanada pada tahun 1925, yang dimaksudkan sebagai pengganti solid-state untuk triode. Dia mengajukan paten yang sama di Amerika Serikat pada tahun 1926 dan 1928. Namun, ia tidak menerbitkan artikel penelitian tentang perangkatnya dan juga tidak mengutip contoh spesifik prototipe yang berfungsi. Karena produksi bahan semikonduktor berkualitas tinggi masih beberapa dekade lagi, ide penguat solid-state Lilienfeld tidak akan menemukan penggunaan praktis pada tahun 1920-an dan 1930-an, bahkan jika perangkat semacam itu telah dibuat. Pada tahun 1934, penemu Oskar Heil mematenkan perangkat yang serupa di Eropa.
Transistor bipolar
Dari 17 November hingga 23 Desember 1947, John Bardeen dan Walter Brattain di Bell Labs AT&T di Murray Hill, New Jersey, melakukan eksperimen dan mengamati bahwa ketika dua kontak titik emas diterapkan pada kristal germanium, sebuah sinyal dihasilkan dengan daya output lebih besar dari input. Pemimpin Solid State Physics Group William Shockley melihat potensi dalam hal ini, dan selama beberapa bulan ke depan bekerja untuk memperluas pengetahuan semikonduktor. Istilah transistor diciptakan oleh John R. Pierce sebagai kontraksi dari istilah transresistensi. Menurut Lillian Hoddeson dan Vicki Daitch, Shockley mengusulkan agar paten pertama Bell Labs untuk transistor harus didasarkan pada efek medan dan dia dinamai sebagai penemunya. Setelah menemukan paten Lilienfeld yang tidak jelas beberapa tahun sebelumnya, para pengacara di Bell Labs menyarankan agar usulan Shockley tidak diterima karena ide transistor efek medan yang menggunakan medan listrik sebagai "kisi-kisi" bukanlah hal yang baru. Sebaliknya, apa yang ditemukan oleh Bardeen, Brattain, dan Shockley pada tahun 1947 adalah transistor kontak-titik pertama. Untuk mengakui pencapaian ini, Shockley, Bardeen, dan Brattain bersama-sama menerima Hadiah Nobel Fisika tahun 1956 "untuk penelitian mereka tentang semikonduktor dan penemuan mereka tentang efek transistor."
Tim Shockley pada awalnya mencoba membangun transistor efek medan (FET) dengan mencoba memodulasi konduktivitas semikonduktor, tetapi tidak berhasil, terutama karena masalah pada kondisi permukaan, ikatan yang menjuntai, dan bahan senyawa germanium dan tembaga. Mencoba memahami alasan misterius di balik kegagalan ini, mereka malah menciptakan transistor kontak-titik dan persimpangan bipolar.
Pada tahun 1948, transistor kontak-titik ditemukan secara independen oleh fisikawan Herbert Mataré dan Heinrich Welker ketika bekerja di Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse, anak perusahaan Westinghouse di Paris. Mataré memiliki pengalaman sebelumnya dalam mengembangkan penyearah kristal dari silikon dan germanium dalam upaya radar Jerman selama Perang Dunia II. Dengan pengetahuan ini, ia mulai meneliti fenomena "interferensi" pada tahun 1947. Pada bulan Juni 1948, dengan menyaksikan arus yang mengalir melalui kontak-titik, dia memberikan hasil yang konsisten dengan menggunakan sampel germanium yang diproduksi oleh Welker, mirip dengan apa yang telah dicapai oleh Bardeen dan Brattain sebelumnya pada bulan Desember 1947. Menyadari bahwa para ilmuwan Bell Labs telah menemukan transistor, perusahaan tersebut bergegas untuk membuat "transistron" untuk digunakan di jaringan telepon Prancis, mengajukan permohonan paten transistor pertamanya pada tanggal 13 Agustus 1948.
Transistor persimpangan bipolar pertama ditemukan oleh William Shockley dari Bell Labs, yang mengajukan permohonan paten (2.569.347) pada tanggal 26 Juni 1948. Pada tanggal 12 April 1950, ahli kimia Bell Labs, Gordon Teal dan Morgan Sparks berhasil memproduksi transistor germanium penguat sambungan NPN bipolar yang berfungsi. Bell mengumumkan penemuan transistor "sandwich" baru ini dalam siaran pers pada tanggal 4 Juli 1951.
Transistor frekuensi tinggi pertama adalah transistor germanium penghalang permukaan yang dikembangkan oleh Philco pada tahun 1953, yang mampu beroperasi pada frekuensi hingga 60 MHz. Transistor ini dibuat dengan mengetsa cekungan ke dalam basis germanium tipe-n dari kedua sisi dengan semburan Indium (III) sulfat hingga tebalnya hanya sepersepuluh ribu inci. Indium yang disetrum ke dalam cekungan membentuk kolektor dan emitor.
AT&T pertama kali menggunakan transistor dalam peralatan telekomunikasi di Sistem Switching Palang Tol No. 4A pada tahun 1953, untuk memilih sirkuit trunk dari informasi routing yang dikodekan pada kartu penerjemah. Pendahulunya, Western Electric No. 3A phototransistor, membaca pengkodean mekanis dari kartu logam berlubang.
Prototipe radio transistor saku pertama diperlihatkan oleh INTERMETALL, sebuah perusahaan yang didirikan oleh Herbert Mataré pada tahun 1952, di Internationale Funkausstellung Düsseldorf dari tanggal 29 Agustus hingga 6 September 1953. Radio transistor saku model produksi pertama adalah Regency TR-1, yang dirilis pada bulan Oktober 1954. Diproduksi sebagai perusahaan patungan antara Divisi Kabupaten Rekanan Teknik Pengembangan Industri, IDEA, dan Texas Instruments dari Dallas, Texas, TR-1 diproduksi di Indianapolis, Indiana. Radio ini berukuran hampir seukuran saku dengan empat transistor dan satu dioda germanium. Desain industri dialihdayakan ke perusahaan Painter, Teague dan Petertil di Chicago. Pada awalnya, radio ini dirilis dalam salah satu dari enam warna: hitam, gading, merah mandarin, abu-abu awan, mahoni, dan hijau zaitun. Warna-warna lain segera menyusul.
Radio mobil all-transistor produksi pertama dikembangkan oleh perusahaan Chrysler dan Philco dan diumumkan di The Wall Street Journal edisi 28 April 1955. Chrysler membuat model Mopar 914HR tersedia sebagai pilihan mulai musim gugur 1955 untuk lini baru mobil Chrysler dan Imperial tahun 1956, yang sampai di ruang pamer dealer pada tanggal 21 Oktober 1955.
Sony TR-63, dirilis pada tahun 1957, adalah radio transistor pertama yang diproduksi secara massal, yang mengarah pada adopsi radio transistor secara luas. Tujuh juta TR-63 terjual di seluruh dunia pada pertengahan 1960-an. Keberhasilan Sony dengan radio transistor menyebabkan transistor menggantikan tabung hampa udara sebagai teknologi elektronik yang dominan pada akhir 1950-an.
Transistor silikon yang berfungsi pertama kali dikembangkan di Bell Labs pada tanggal 26 Januari 1954, oleh Morris Tanenbaum. Transistor silikon komersial produksi pertama diumumkan oleh Texas Instruments pada bulan Mei 1954. Ini adalah hasil karya Gordon Teal, seorang ahli dalam menumbuhkan kristal dengan kemurnian tinggi, yang sebelumnya bekerja di Bell Labs.
Transistor efek medan
Prinsip dasar transistor efek medan (FET) pertama kali diusulkan oleh fisikawan Julius Edgar Lilienfeld ketika dia mengajukan paten untuk perangkat yang mirip dengan MESFET pada tahun 1926, dan untuk transistor efek medan gerbang terisolasi pada tahun 1928. Konsep FET kemudian juga diteorikan oleh insinyur Oskar Heil pada tahun 1930-an dan oleh William Shockley pada tahun 1940-an.
Pada tahun 1945 JFET dipatenkan oleh Heinrich Welker. Mengikuti perlakuan teoritis Shockley pada JFET pada tahun 1952, JFET praktis yang berfungsi dibuat pada tahun 1953 oleh George C. Dacey dan Ian M. Ross.
Pada tahun 1948, Bardeen mematenkan nenek moyang MOSFET, sebuah gerbang terisolasi FET (IGFET) dengan lapisan inversi. Paten Bardeen, dan konsep lapisan inversi, menjadi dasar teknologi CMOS saat ini.
MOSFET (transistor MOS)
Pada tahun-tahun awal industri semikonduktor, perusahaan berfokus pada transistor persimpangan, perangkat yang relatif besar yang sulit diproduksi secara massal, membatasinya untuk beberapa aplikasi khusus. Transistor efek medan (FET) diteorikan sebagai alternatif potensial, tetapi para peneliti tidak dapat membuatnya bekerja dengan baik, sebagian besar karena penghalang keadaan permukaan yang mencegah medan listrik eksternal menembus material.
Pada tahun 1957, insinyur Bell Labs, Mohamed Atalla, mengusulkan metode baru fabrikasi perangkat semikonduktor: melapisi wafer silikon dengan lapisan isolasi silikon oksida sehingga listrik dapat mengatasi kondisi permukaan dan secara andal menembus silikon semikonduktor di bawahnya. Proses ini, yang dikenal sebagai pasivasi permukaan, menjadi sangat penting bagi industri semikonduktor, karena memungkinkan produksi massal sirkuit terpadu silikon. Berdasarkan metode ini, ia mengembangkan proses metal-oksida-semikonduktor (MOS), dan mengusulkan agar proses ini dapat digunakan untuk membuat FET silikon yang pertama kali bekerja.
Atalla dan koleganya dari Korea, Dawon Kahng, mengembangkan transistor efek medan semikonduktor oksida-oksida (MOSFET), atau transistor MOS, pada tahun 1959, transistor pertama yang dapat diminiaturisasi dan diproduksi secara massal untuk berbagai macam penggunaan. Dalam proses CMOS yang disejajarkan sendiri, sebuah transistor dibentuk di mana pun lapisan gerbang (polisilikon atau logam) melintasi lapisan difusi.: hal. 1 (lihat Gbr. 1.1)Dengan skalabilitasnya yang tinggi, konsumsi daya yang jauh lebih rendah, dan kepadatan yang lebih tinggi daripada transistor persimpangan bipolar, MOSFET memungkinkan untuk membangun sirkuit terintegrasi dengan kepadatan tinggi, memungkinkan integrasi lebih dari 10.000 transistor dalam satu IC.
CMOS ( MOS komplementer) ditemukan oleh Chih-Tang Sah dan Frank Wanlass di Fairchild Semiconductor pada tahun 1963. Laporan pertama MOSFET gerbang mengambang dibuat oleh Dawon Kahng dan Simon Sze pada tahun 1967. MOSFET gerbang ganda pertama kali didemonstrasikan pada tahun 1984 oleh peneliti Laboratorium Elektroteknik Toshihiro Sekigawa dan Yutaka Hayashi. FinFET (transistor efek medan sirip), jenis MOSFET multi-gerbang non-planar 3D, berasal dari penelitian Digh Hisamoto dan timnya di Laboratorium Penelitian Pusat Hitachi pada tahun 1989.
Pentingnya
Karena transistor adalah komponen aktif utama dalam hampir semua elektronik modern, banyak orang menganggapnya sebagai salah satu penemuan terbesar abad ke-20.
Penemuan transistor pertama di Bell Labs dinobatkan sebagai Tonggak Sejarah IEEE pada tahun 2009. Tonggak Sejarah lainnya termasuk penemuan transistor pers impangan pada tahun 1948 dan MOSFET pada tahun 1959.
MOSFET sejauh ini merupakan transistor yang paling banyak digunakan, dalam aplikasi mulai dari komputer dan elektronik hingga teknologi komunikasi seperti ponsel pintar. Telah dianggap sebagai transistor yang paling penting, mungkin penemuan paling penting dalam elektronik, dan perangkat yang memungkinkan elektronik modern. Ini telah menjadi dasar elektronik digital modern sejak akhir abad ke-20, membuka jalan menuju era digital. Kantor Paten dan Merek Dagang AS menyebutnya sebagai "penemuan terobosan yang mengubah kehidupan dan budaya di seluruh dunia." Kemampuannya untuk diproduksi secara massal dengan proses yang sangat otomatis(fabrikasi perangkat semikonduktor), dari bahan yang relatif mendasar, memungkinkan biaya per transistor yang sangat rendah. MOSFET adalah benda buatan yang paling banyak diproduksi dalam sejarah, dengan lebih dari 13 triliun diproduksi pada tahun 2018.
Meskipun beberapa perusahaan masing-masing memproduksi lebih dari satu miliar transistor MOS yang dikemas secara individual (dikenal sebagai transistor diskrit) setiap tahun, sebagian besar diproduksi di sirkuit terpadu (juga dikenal sebagai IC, microchip, atau hanya chip), bersama dengan dioda, resistor, kapasitor, dan komponen elektronik lainnya, untuk menghasilkan sirkuit elektronik yang lengkap. Gerbang logika terdiri dari sekitar 20 transistor, sedangkan mikroprosesor tingkat lanjut, pada tahun 2022, dapat berisi sebanyak 57 miliar MOSFET. Transistor sering kali disusun ke dalam gerbang logika dalam mikroprosesor untuk melakukan komputasi.
Biaya, fleksibilitas, dan keandalan transistor yang rendah telah membuatnya ada di mana-mana. Sirkuit mekatronik transistor telah menggantikan perangkat elektromekanis dalam mengendalikan peralatan dan mesin. Seringkali lebih mudah dan lebih murah untuk menggunakan mikrokontroler standar dan menulis program komputer untuk menjalankan fungsi kontrol daripada merancang sistem mekanis yang setara.
Pengoperasian yang disederhanakan
Sebuah transistor dapat menggunakan sinyal kecil yang diterapkan di antara sepasang terminalnya untuk mengontrol sinyal yang jauh lebih besar di sepasang terminal lainnya, sebuah properti yang disebut penguatan. Hal ini dapat menghasilkan sinyal output yang lebih kuat, tegangan atau arus, sebanding dengan sinyal input yang lebih lemah, yang bertindak sebagai penguat. Transistor juga dapat digunakan sebagai sakelar yang dikontrol secara elektrik, di mana jumlah arusnya ditentukan oleh elemen sirkuit lainnya.
Ada dua jenis transistor, dengan sedikit perbedaan dalam cara penggunaannya:
-
Transistor persimpangan bipolar (BJT) memiliki terminal yang diberi label basis, kolektor, dan emitor. Arus kecil pada terminal basis, mengalir antara basis dan emitor, dapat mengontrol atau mengalihkan arus yang jauh lebih besar antara kolektor dan emitor.
-
Transistor efek medan (FET) memiliki terminal yang diberi label gerbang, sumber, dan pembuangan. Tegangan pada gerbang dapat mengontrol arus antara sumber dan drain.
Muatan mengalir antara terminal emitor dan kolektor tergantung pada arus di basis. Karena sambungan basis dan emitor berperilaku seperti dioda semikonduktor, penurunan tegangan terjadi di antara keduanya. Jumlah penurunan ini, ditentukan oleh bahan transistor, disebut sebagai VBE.
Transistor sebagai sakelar
Transistor biasanya digunakan dalam sirkuit digital sebagai sakelar elektronik yang dapat berada dalam kondisi "hidup" atau "mati", baik untuk aplikasi berdaya tinggi seperti catu daya mode sakelar maupun untuk aplikasi berdaya rendah seperti gerbang logika. Parameter penting untuk aplikasi ini termasuk arus yang dialihkan, tegangan yang ditangani, dan kecepatan pengalihan, yang ditandai dengan waktu naik dan turun.
Dalam rangkaian sakelar, tujuannya adalah untuk mensimulasikan, sedekat mungkin, sakelar ideal yang memiliki sifat sirkuit terbuka saat mati, korsleting saat hidup, dan transisi sesaat antara dua status. Parameter dipilih sedemikian rupa sehingga output "mati" terbatas pada arus bocor yang terlalu kecil untuk memengaruhi sirkuit yang terhubung, resistansi transistor dalam keadaan "hidup" terlalu kecil untuk memengaruhi sirkuit, dan transisi antara dua status cukup cepat untuk tidak memiliki efek yang merugikan.
Dalam rangkaian transistor emitor yang diarde, seperti rangkaian sakelar lampu yang ditunjukkan, saat tegangan dasar naik, arus emitor dan kolektor naik secara eksponensial. Tegangan kolektor turun karena berkurangnya resistansi dari kolektor ke emitor. Jika perbedaan tegangan antara kolektor dan emitor adalah nol (atau mendekati nol), arus kolektor hanya akan dibatasi oleh hambatan beban (bola lampu) dan tegangan suplai. Ini disebut saturasi karena arus mengalir dari kolektor ke emitor secara bebas. Ketika jenuh, sakelar dikatakan aktif.
Penggunaan transistor bipolar untuk aplikasi pengalihan memerlukan pembiasan transistor sehingga beroperasi di antara daerah cut-off dalam keadaan mati dan daerah saturasi(hidup). Hal ini membutuhkan arus penggerak basis yang cukup. Karena transistor memberikan penguatan arus, transistor memfasilitasi peralihan arus yang relatif besar di kolektor dengan arus yang jauh lebih kecil ke terminal basis. Rasio arus ini bervariasi tergantung pada jenis transistor, dan bahkan untuk jenis tertentu, bervariasi tergantung pada arus kolektor. Dalam contoh rangkaian sakelar lampu, seperti yang ditunjukkan, resistor dipilih untuk menyediakan arus basis yang cukup untuk memastikan transistor jenuh. Nilai resistor basis dihitung dari tegangan suplai, penurunan tegangan persimpangan C-E transistor, arus kolektor, dan faktor penguatan beta.
Transistor sebagai penguat
Penguat emitor bersama dirancang sedemikian rupa sehingga perubahan kecil pada tegangan(Vin) mengubah arus kecil yang melalui basis transistor yang penguatan arusnya dikombinasikan dengan sifat-sifat rangkaian berarti bahwa perubahan kecil padaVin menghasilkan perubahan besar pada Vout.
Berbagai konfigurasi penguat transistor tunggal dimungkinkan, dengan beberapa memberikan penguatan arus, beberapa penguatan tegangan, dan beberapa keduanya.
Dari telepon seluler hingga televisi, banyak sekali produk yang menyertakan amplifier untuk reproduksi suara, transmisi radio, dan pemrosesan sinyal. Amplifier audio transistor diskrit pertama hampir tidak memasok beberapa ratus miliwatt, tetapi daya dan ketepatan audio secara bertahap meningkat seiring dengan tersedianya transistor yang lebih baik dan berkembangnya arsitektur amplifier.
Amplifier audio transistor modern hingga beberapa ratus watt adalah hal yang umum dan relatif murah.
Perbandingan dengan tabung vakum
Sebelum transistor dikembangkan, tabung vakum (elektron) (atau di Inggris "katup termionik" atau hanya "katup") adalah komponen aktif utama dalam peralatan elektronik.
Keuntungan
Keuntungan utama yang memungkinkan transistor untuk menggantikan tabung vakum di sebagian besar aplikasi adalah
-
Tidak ada pemanas katoda (yang menghasilkan cahaya oranye khas tabung), mengurangi konsumsi daya, menghilangkan penundaan saat pemanas tabung memanas, dan kebal dari keracunan dan penipisan katoda.
-
Ukuran dan berat yang sangat kecil, mengurangi ukuran peralatan.
-
Sejumlah besar transistor yang sangat kecil dapat diproduksi sebagai satu sirkuit terpadu.
-
Tegangan operasi rendah yang kompatibel dengan baterai yang hanya terdiri dari beberapa sel.
-
Sirkuit dengan efisiensi energi yang lebih besar biasanya dimungkinkan. Untuk aplikasi berdaya rendah (misalnya, amplifikasi tegangan) khususnya, konsumsi energi bisa sangat jauh lebih sedikit daripada tabung.
-
Perangkat pelengkap tersedia, memberikan fleksibilitas desain termasuk sirkuit simetri komplementer, tidak mungkin dilakukan dengan tabung vakum.
-
Sensitivitas yang sangat rendah terhadap guncangan dan getaran mekanis, memberikan ketahanan fisik dan secara virtual menghilangkan sinyal palsu yang diakibatkan oleh guncangan (misalnya, mikrofon dalam aplikasi audio).
-
Tidak rentan terhadap pecahnya selubung kaca, kebocoran, gas buang, dan kerusakan fisik lainnya.
Keterbatasan
Transistor mungkin memiliki keterbatasan sebagai berikut:
-
Mereka tidak memiliki mobilitas elektron yang lebih tinggi yang diberikan oleh kekosongan tabung vakum, yang diinginkan untuk operasi berdaya tinggi dan frekuensi tinggi - seperti yang digunakan di beberapa pemancar televisi over-the-air dan dalam tabung gelombang perjalanan yang digunakan sebagai amplifier di beberapa satelit
-
Transistor dan perangkat solid-state lainnya rentan terhadap kerusakan akibat peristiwa listrik dan termal yang sangat singkat, termasuk pelepasan muatan listrik statis saat penanganan. Tabung vakum secara elektrik jauh lebih kokoh.
-
Mereka sensitif terhadap radiasi dan sinar kosmik (chip khusus yang dikeraskan dengan radiasi digunakan untuk perangkat pesawat ruang angkasa).
-
Dalam aplikasi audio, transistor tidak memiliki distorsi harmonik yang lebih rendah - yang disebut suara tabung - yang merupakan karakteristik tabung vakum, dan lebih disukai oleh beberapa orang.
Disadur dari: en.wikipedia.org