Pengantar Elektronika
Pertemuan 6 & 7

Transistor Bipolar Junction (BJT)

Memahami struktur, prinsip operasi, daerah kerja, rangkaian bias DC, tiga konfigurasi dasar, serta parameter hybrid BJT sebagai komponen penguat aktif fundamental.

Estimasi 40 menit 4 contoh soal 6 pertanyaan
 Pertemuan 6 — Struktur dan Pembiasaan

4.1 Struktur BJT: NPN dan PNP

BJT (Bipolar Junction Transistor) terdiri dari tiga lapisan semikonduktor yang membentuk dua junction PN: emitter-base (EB) dan collector-base (CB). Ketiga terminal disebut Emitter (E), Base (B), dan Collector (C). Istilah "bipolar" merujuk pada keterlibatan dua jenis pembawa muatan (elektron dan hole) dalam operasinya.

N P N Emitter Base Collector NPN P N Emitter Base PNP
Gambar 4.1 — Struktur lapisan BJT NPN dan PNP

Perbedaan fisik utama antara ketiga lapisan:

RegionDopingLebarFungsi
EmitterSangat tinggiSedangMenginjeksikan pembawa muatan mayoritas
BaseRendahSangat tipisMengontrol arus emitter ke collector
CollectorSedangLebarMengumpulkan pembawa muatan dari emitter
Desain Asimetris
BJT bukan dua dioda yang disatukan. Perbedaan kritis: base sangat tipis dan lightly doped agar mayoritas carrier dari emitter dapat "menembus" base dan sampai ke collector sebelum berekombinasi. Jika base tebal, hampir semua carrier akan rekombinasi di base dan BJT tidak akan berfungsi sebagai penguat.

4.2 Operasi Dasar BJT (Active Mode)

Untuk NPN di active mode: junction EB di-forward bias, junction CB di-reverse bias. Prosesnya:

  1. 1.Injeksi — Elektron dari emitter menembus junction EB (forward-biased) masuk ke base
  2. 2.Transport — Karena base tipis dan lightly doped, hanya sedikit elektron yang rekombinasi dengan hole di base
  3. 3.Koleksi — Mayoritas elektron (~95–99%) tertarik medan listrik junction CB (reverse-biased) ke collector

Hubungan Arus BJT

Arus-Emiter (KCL di transistor) $$I_E = I_B + I_C$$
Penguatan Arus DC (Common-Emitter) $$\beta_{DC} = h_{FE} = \frac{I_C}{I_B}$$
Penguatan Arus DC (Common-Base) $$\alpha_{DC} = \frac{I_C}{I_E}$$

Relasi antara $\alpha$ dan $\beta$

Penurunan Relasi α–β
$$\alpha = \frac{I_C}{I_E} = \frac{I_C}{I_B + I_C} = \frac{I_C/I_B}{I_C/I_B + 1} = \frac{\beta}{\beta + 1}$$
$$\beta = \frac{\alpha}{1 - \alpha}$$
Nilai Tipikal
Untuk BJT silikon umum: $\beta$ berkisar antara 50 hingga 400 (tergantung jenis dan arus operasi). $\alpha$ selalu sedikit di bawah 1, tipikal 0,95 – 0,998. Misal $\beta = 100$ → $\alpha = 100/101 \approx 0,990$.

4.3 Daerah Operasi BJT

Kombinasi bias pada kedua junction menentukan daerah operasi BJT:

DaerahJunction EBJunction CB$V_{CE(sat)}$Aplikasi
CutoffReverseReverse$V_{CE} \approx V_{CC}$Saklar terbuka (OFF)
ActiveForwardReverse$V_{CE} > V_{CE(sat)}$Penguat (amplifier)
SaturationForwardForward$V_{CE(sat)} \approx 0{,}2\text{ V}$Saklar tertutup (ON)
Inverse ActiveReverseForward—Rarely used
$I_C$ $V_{CE}$ 0 Saturation Cutoff ($I_B = 0$) Active Region Load Line $I_{B1}$ $I_{B2}$ $I_{B3}$ $I_{B4}$ Q $V_{CE(sat)}$
Gambar 4.2 — Daerah operasi BJT pada kurva keluarga $I_C$ vs $V_{CE}$

4.4 Rangkaian Bias DC

Untuk mengoperasikan BJT sebagai penguat, kita perlu menetapkan titik kerja DC (quiescent point / Q-point) di daerah active. Beberapa konfigurasi bias yang umum:

A. Fixed Bias (Bias Tetap)

Konfigurasi paling sederhana — satu resistor base $R_B$ dari $V_{CC}$ ke base.

Analisis Fixed Bias (NPN) $$I_B = \frac{V_{CC} - V_{BE}}{R_B} \qquad I_C = \beta I_B \qquad V_{CE} = V_{CC} - I_C R_C$$
Kelemahan Fixed Bias
Q-point sangat bergantung pada $\beta$. Karena $\beta$ bervariasi antar transistor (bahkan dengan tipe yang sama) dan terhadap suhu, fixed bias menghasilkan stabilitas Q-point yang buruk. Tidak direkomendasikan untuk aplikasi serius.

B. Voltage Divider Bias (Bias Pembagi Tegangan)

Konfigurasi paling umum dan stabil. Dua resistor ($R_1$, $R_2$) membentuk pembagi tegangan di base, membuat $I_B$ menjadi faktor kecil dalam persamaan — Q-point hampir independen terhadap $\beta$.

Tegangan Thevenin di Base $$V_{TH} = V_{CC} \frac{R_2}{R_1 + R_2} \qquad R_{TH} = R_1 \parallel R_2 = \frac{R_1 R_2}{R_1 + R_2}$$
Analisis Voltage Divider (approximation, jika $\beta R_E \gg R_{TH}$) $$V_B \approx V_{TH} \qquad I_E \approx \frac{V_B - V_{BE}}{R_E} \qquad I_C \approx I_E$$ $$V_{CE} = V_{CC} - I_C(R_C + R_E)$$
Mengapa Lebih Stabil?
Jika suhu naik → $\beta$ naik → $I_C$ cenderung naik → $V_E = I_E R_E$ naik → $V_{BE} = V_B - V_E$ turun → $I_B$ turun → $I_C$ turun kembali. Ini adalah negative feedback DC yang dihasilkan oleh $R_E$, disebut emitter degeneration. Resistor $R_E$ sangat penting untuk stabilitas termal.

C. Collector-to-Base Feedback Bias

Resistor $R_B$ dihubungkan dari collector ke base (bukan dari $V_{CC}$). Jika $I_C$ naik, $V_C$ turun, mengurangi $I_B$, sehingga menstabilkan $I_C$. Stabilitasnya berada di antara fixed bias dan voltage divider bias.

Collector Feedback Bias $$I_B = \frac{V_{CC} - V_{BE} - I_C R_C}{R_B} \approx \frac{V_{CC} - V_{BE}}{R_B + \beta R_C}$$
 Pertemuan 7 — Konfigurasi dan Karakteristik

4.5 Tiga Konfigurasi BJT

BJT memiliki tiga terminal, sehingga ada tiga cara mengkonfigurasi rangkaian — tergantung terminal mana yang menjadi common (ground/bersama) antara input dan output.

KonfigurasiInputOutputCommonKarakteristik Utama
Common Emitter (CE)BaseCollectorEmitterPenguat tegangan & arus tinggi, pembalik fasa 180°
Common Base (CB)EmitterCollectorBasePenguat tegangan tinggi, impedansi input sangat rendah, tanpa pembalikan fasa
Common Collector (CC)BaseEmitterCollectorPenguat arus, impedansi input tinggi, impedansi output rendah, buffer
Konfigurasi Paling Populer
Common Emitter (CE) adalah konfigurasi yang paling banyak digunakan karena memberikan penguatan daya tertinggi ($A_v \times A_i$). Common Collector (CC), juga disebut emitter follower, populer sebagai buffer karena impedansi input tinggi dan output rendah.

4.6 Model Parameter Hybrid (h)

Parameter hybrid menyediakan model rangkaian dua-port yang akurat untuk analisis sinyal kecil. Persamaan hybrid untuk konfigurasi CE:

Persamaan Hybrid (CE) $$V_{be} = h_{ie} I_b + h_{re} V_{ce}$$ $$I_c = h_{fe} I_b + h_{oe} V_{ce}$$
ParameterNamaSatuanArti FisikNilai Tipikal
$h_{ie}$Input impedanceΩResistansi input (base)1 – 5 kΩ
$h_{re}$Reverse voltage ratio—Umpan balik tegangan (kecil)$10^{-4}$ – $10^{-5}$
$h_{fe}$Forward current gain—$\beta$ AC — penguatan arus50 – 400
$h_{oe}$Output admittanceS (Siemens)Konduktansi output (sloped $I_C$ curve)1 – 50 µS

Penguatan dari h-Parameter (CE)

Penguatan Tegangan, Arus, dan Daya (approx.)
$$A_v = \frac{V_{ce}}{V_{be}} \approx \frac{-h_{fe} R_C}{h_{ie}} \qquad \text{(negatif = pembalikan fasa)}$$
$$A_i = \frac{I_c}{I_b} \approx h_{fe}$$
$$A_p = |A_v \times A_i| \approx \frac{h_{fe}^2 R_C}{h_{ie}}$$
$$Z_{in} \approx h_{ie} \qquad Z_{out} \approx \frac{1}{h_{oe}}$$
Aproksimasi Valid?
Aproksimasi di atas valid jika $h_{re} \approx 0$ dan $h_{oe} R_C \ll 1$. Dalam kebanyakan kasus praktis, asumsi ini memadai. $h_{re}$ dan $h_{oe}$ sering diabaikan untuk menyederhanakan analisis.

4.7 Kurva Karakteristik Common Emitter

Kurva Input ($I_B$ vs $V_{BE}$)

Mirip dengan kurva dioda forward karena junction EB pada dasarnya adalah dioda. Slight dependence terhadap $V_{CE}$ (Early effect) menyebabkan kurva bergeser sedikit.

Resistansi Input Dinamis (dari kurva input) $$h_{ie} = r_{\pi} = \frac{\Delta V_{BE}}{\Delta I_B} \approx \frac{\beta V_T}{I_{CQ}}$$

Kurva Output ($I_C$ vs $V_{CE}$)

Kurva keluarga output menunjukkan $I_C$ untuk beberapa nilai $I_B$ tetap. Tiga daerah terlihat jelas: saturation (kiri), active (tengah), dan cutoff (bawah).

Efek Early

Dalam daerah active, kurva $I_C$ vs $V_{CE}$ tidak perfectly horizontal — sedikit miring naik. Ini disebut Early effect (base-width modulation) dan dimodelkan dengan tegangan Early $V_A$:

Model Early $$I_C = \beta I_B \left(1 + \frac{V_{CE}}{V_A}\right)$$

$V_A$ tipikal: 50 – 300 V untuk transistor diskrit. Output admittance: $h_{oe} \approx I_C / V_A$.

Load Line dan Q-Point

Garis beban DC ditentukan oleh resistor collector $R_C$ dan digambar pada kurva output. Titik potong garis beban dengan kurva $I_B$ yang sesuai adalah Q-point.

Persamaan Load Line DC $$I_C = \frac{V_{CC}}{R_C} - \frac{V_{CE}}{R_C}$$

Dua titik ujung load line: Saturation point $(V_{CE} \approx 0, I_C = V_{CC}/R_C)$ dan Cutoff point $(V_{CE} = V_{CC}, I_C = 0)$. Q-point harus ditempatkan di tengah-tengah load line di daerah active untuk swing sinyal maksimum tanpa kliping.

4.8 Perbandingan Tiga Konfigurasi

ParameterCECBCC (Emitter Follower)
$A_v$Tinggi (−$\beta R_C/h_{ie}$)Tinggi ($\alpha R_C/r_e$)$\approx 1$ (sedikit < 1)
$A_i$Tinggi ($\beta$)$\alpha$ (< 1)Tinggi ($\beta + 1$)
$Z_{in}$Sedang ($h_{ie}$)Sangat rendah ($r_e$)Tinggi ($\beta R_E$)
$Z_{out}$Sedang–TinggiTinggiRendah ($R_E \parallel r_e$)
Fasa180° (terbalik)0° (same)0° (same)
Aplikasi utamaPenguat umumRF, frekuensi tinggiBuffer, impedansi matching
Emitter Follower = Buffer Ideal
Konfigurasi CC memiliki $A_v \approx 1$ tetapi $Z_{in}$ sangat tinggi dan $Z_{out}$ sangat rendah. Ini membuatnya ideal sebagai buffer — mencegah sumber sinyal dari "loading" oleh beban berat, tanpa mengubah amplitudo sinyal. Analogi: transformer impedansi tanpa kumparan.

4.9 Contoh Soal

Contoh 4.1 — Fixed Bias DC Analysis
Rangkaian fixed bias NPN dengan $V_{CC} = 12\text{ V}$, $R_B = 300\text{ k}\Omega$, $R_C = 2\text{ k}\Omega$, dan $\beta = 100$. Tentukan Q-point $(I_{CQ}, V_{CEQ})$.
Langkah 1 — Hitung $I_B$:
$$I_B = \frac{V_{CC} - V_{BE}}{R_B} = \frac{12 - 0{,}7}{300.000} = \frac{11{,}3}{300.000} \approx 37{,}67\ \mu\text{A}$$
Langkah 2 — Hitung $I_C$:
$$I_C = \beta I_B = 100 \times 37{,}67 \times 10^{-6} = 3{,}767\text{ mA}$$
Langkah 3 — Hitung $V_{CE}$:
$$V_{CE} = V_{CC} - I_C R_C = 12 - (3{,}767 \times 10^{-3})(2000) = 12 - 7{,}534 = 4{,}466\text{ V}$$
Verifikasi daerah active: $V_{CE} = 4{,}47\text{ V} > V_{CE(sat)} \approx 0{,}2\text{ V}$ ✅
Jawaban Q-point: $I_{CQ} \approx 3{,}77\text{ mA}$, $V_{CEQ} \approx 4{,}47\text{ V}$
Contoh 4.2 — Voltage Divider Bias
Voltage divider bias dengan $V_{CC}=15\text{ V}$, $R_1=47\text{ k}\Omega$, $R_2=10\text{ k}\Omega$, $R_C=2{,}2\text{ k}\Omega$, $R_E=1\text{ k}\Omega$, $\beta=150$. Hitung Q-point.
Langkah 1 — Tegangan Thevenin di base:
$$V_{TH} = V_{CC}\frac{R_2}{R_1+R_2} = 15 \times \frac{10}{47+10} = 15 \times \frac{10}{57} \approx 2{,}632\text{ V}$$
Langkah 2 — Cek apakah approximation valid:
$$R_{TH} = R_1 \parallel R_2 = \frac{47 \times 10}{47+10} = \frac{470}{57} \approx 8{,}25\text{ k}\Omega$$ $$\beta R_E = 150 \times 1000 = 150\text{ k}\Omega \gg R_{TH} = 8{,}25\text{ k}\Omega$$ ✅ Approximation valid.
Langkah 3 — Hitung $I_E$ dan $I_C$:
$$I_E \approx \frac{V_{TH} - V_{BE}}{R_E} = \frac{2{,}632 - 0{,}7}{1000} = \frac{1{,}932}{1000} \approx 1{,}932\text{ mA}$$ $$I_C \approx I_E = 1{,}932\text{ mA}$$
Langkah 4 — Hitung $V_{CE}$:
$$V_{CE} = V_{CC} - I_C(R_C + R_E) = 15 - (1{,}932 \times 10^{-3})(2200 + 1000)$$ $$= 15 - (1{,}932 \times 10^{-3})(3200) = 15 - 6{,}182 \approx 8{,}818\text{ V}$$
Jawaban Q-point: $I_{CQ} \approx 1{,}93\text{ mA}$, $V_{CEQ} \approx 8{,}82\text{ V}$
Contoh 4.3 — Penguatan CE dari h-Parameter
Transistor dengan $h_{ie} = 1{,}5\text{ k}\Omega$, $h_{fe} = 120$, $h_{re} \approx 0$, $h_{oe} \approx 20\ \mu\text{S}$, dioperasikan dengan $R_C = 4{,}7\text{ k}\Omega$. Hitung $A_v$, $A_i$, $Z_{in}$, dan $Z_{out}$.
Penguatan tegangan:
$$A_v \approx \frac{-h_{fe} R_C}{h_{ie}} = \frac{-120 \times 4700}{1500} = -376$$
Penguatan arus:
$$A_i \approx h_{fe} = 120$$
Impedansi input:
$$Z_{in} \approx h_{ie} = 1{,}5\text{ k}\Omega$$
Impedansi output:
$$Z_{out} \approx \frac{1}{h_{oe}} = \frac{1}{20 \times 10^{-6}} = 50\text{ k}\Omega$$
Penguatan daya:
$$A_p = |A_v \times A_i| = 376 \times 120 = 45.120$$
Jawaban $A_v = -376$  |  $A_i = 120$  |  $Z_{in} = 1{,}5\text{ k}\Omega$  |  $Z_{out} = 50\text{ k}\Omega$
Contoh 4.4 — Emitter Follower (CC)
Emitter follower dengan $V_{CC}=12\text{ V}$, $R_E=1{,}2\text{ k}\Omega$, $\beta=80$, dan sinyal input $v_{in}=2\sin(\omega t)\text{ V}$ (peak-to-peak 4V). Hitung $A_v$, $Z_{in}$, dan verifikasi bahwa output tidak kliping.
Analisis DC terlebih dahulu (asumsikan bias yang sesuai menghasilkan $I_C \approx 5\text{ mA}$):
$$r_e = \frac{V_T}{I_E} \approx \frac{26\text{ mV}}{5\text{ mA}} = 5{,}2\ \Omega$$
Penguatan tegangan CC:
$$A_v = \frac{R_E}{R_E + r_e} = \frac{1200}{1200 + 5{,}2} \approx 0{,}996 \approx 1$$
Impedansi input:
$$Z_{in} \approx \beta(R_E + r_e) = 80 \times (1200 + 5{,}2) \approx 96{,}4\text{ k}\Omega$$
Output swing:
$v_{out} = A_v \times v_{in} \approx 0{,}996 \times 2\sin(\omega t) \approx 1{,}99\sin(\omega t)\text{ V}$
DC voltage pada emitter: $V_E \approx I_C R_E - V_{CC} = 12 - 6 = 6\text{ V}$ (tergantung bias).
Output swing ±2V dari ~6V → berkisar 4V–8V, masih jauh dari rail ✅ Tidak kliping.
Jawaban $A_v \approx 0{,}996$  |  $Z_{in} \approx 96{,}4\text{ k}\Omega$  |  Output ≈ ±2V tanpa kliping

4.10 Pertanyaan Latihan

Jawablah pertanyaan-pertanyaan berikut.

Soal 1
Mengapa base BJT harus tipis dan lightly doped? Apa yang terjadi pada penguatan arus jika base dibuat tebal dan heavily doped?
Soal 2
Sebuah BJT memiliki $\alpha = 0,98$. Hitung $\beta$. Jika $I_B = 25\ \mu\text{A}$, hitung $I_C$ dan $I_E$.
Soal 3
Rangkaian fixed bias dengan $V_{CC}=10\text{ V}$, $R_B=200\text{ k}\Omega$, $R_C=1\text{ k}\Omega$, $\beta=200$. Hitung Q-point. Jika $\beta$ berubah menjadi 100 karena perubahan suhu, berapa Q-point yang baru? Apakah perubahan signifikan?
Soal 4
Voltage divider bias: $V_{CC}=20\text{ V}$, $R_1=56\text{ k}\Omega$, $R_2=12\text{ k}\Omega$, $R_C=3{,}3\text{ k}\Omega$, $R_E=1{,}5\text{ k}\Omega$, $\beta=120$. Hitung Q-point. Lalu gambar load line dan tentukan apakah Q-point berada di tengah active region.
Soal 5
Transistor dengan $h_{ie}=2\text{ k}\Omega$, $h_{fe}=100$ dihubungkan dalam konfigurasi CE dengan $R_C=5\text{ k}\Omega$. Hitung $A_v$. Jika sinyal input memiliki amplitude 5 mV, berapa amplitude output? Mengapa fasa output terbalik 180° dari input?
Soal 6
Sebuah emitter follower dengan $R_E=2{,}2\text{ k}\Omega$ dan $\beta=75$ digunakan untuk menghubungkan sumber dengan impedansi internal $10\text{ k}\Omega$ ke beban $500\ \Omega$. Hitung $Z_{in}$ rangkaian CC dan jelaskan mengapa konfigurasi ini lebih baik dibanding menghubungkan beban langsung ke sumber.
Bab Sebelumnya
Dioda: Prinsip Dasar
Bab Selanjutnya
FET: JFET dan Karakteristik
Simpan sebagai PDF