Penerapan rangkaian elektronika - Field Effect Transistor (FET)

Pengertian FET dan MOSFET

1. Pengertian FET

FET singkatan dari Field Effect Transistor, adalah suatu komponen semi konduktor yang tergolong dalam keluarga Transistor yang memilki tiga terminal kaki yaitu Gate (G), Drain (D) dan Source (S). cara kerjanya berdasarkan pengendalian arus drain dengan medan listrik pada gate. FET disebut transistor unipolar karena cara kerjanya hanya berdasarkan aliran pembawa muatan mayoritas saja. Sedangkan transistor disebut bipolar junction transistor karena bekerja berdasarkan aliran pembawa muatan mayoritas dan minoritas.

Junction FET atau sering disingkat dengan JFET memiliki 2 tipe berdasarkan tipe bahan semikonduktor yang digunakan pada saluran atau kanalnya. JFET tipe N-Channel (Kanal N) terbuat dari bahan Semikonduktor tipe N dan P-Channel (Kanal P) yang terbuat dari Semikonduktor tipe P.

1) JFET Kanal-N

Gambar 1. Struktur dan Simbol FET Kanal N

Saluran atau Kanal pada jenis ini terbentuk dari bahan semikonduktor tipe N dengan satu ujungnya adalah Source (S) dan satunya lagi adalah Drain (D). Mayoritas pembawa muatan atau Carriers pada JFET jenis Kanal-N ini adalah Elektron.

Gate atau Gerbang pada JFET jenis Kanal-N ini terdiri dari bahan semikonduktor tipe P. Bagian lain yang terbuat dari Semikonduktor tipe P pada JFET Kanal-N ini adalah bagian yang disebut dengan Subtrate yaitu bagian yang membentuk batas di sisi saluran berlawanan Gerbang (G).

Tegangan pada Terminal Gerbang (G) menghasilkan medan listrik yang mempengaruhi aliran pada pembawa muatan yang melalui saluran tersebut. Semakin Negatifnya V_G, semakin sempit pula salurannya yang akhirnya mengakibatkan semakin kecil arus pada outputnya (I_D).

2) JFET Kanal-P

Gambar 2. Struktur dan Simbol FET Kanal N

Saluran pada JFET jenis Kanal-P terbuat dari Semikonduktor tipe P. Mayoritas pembawa muatannya adalah Hole. Bagian Gate atau Gerbang (G) dan Subtrate-nya terbuat dari bahan Semikonduktor tipe N. JFET Kanal-P, semakin Positifnya V_G, semakin sempit pula salurannya yang akhirnya mengakibatkan semakin kecilnya arus pada Output JFET (I_D). Dari Simbolnya, kita dapat mengetahui mana yang JFET Kanal-N dan JFET Kanal-P. Anak Panah pada simbol JFET Kanal-N adalah menghadap ke dalam sedangkan anak panah pada simbol JFET Kanal-P menghadap keluar.

a. Pengertian MOSFET

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) adalah suatu transistor dari bahan semikonduktor (silikon) dengan tingkat konsentras ketidak murnian tertentu. Tingkat dari ketidak murnian ini akan menentukan jenis transistor tersebut, yaitu transistor MOSFET tipe-N (NMOS) dan transistor MOSFET tipe-P (PMOS). Bahan silicon ini yang akan digunakan sebagai landasan (substrat) penguras (drain), sumber (source), dan gerbang (gate). Selanjutnya transistor ini dibuat sedemikian rupa agar antara substrat dan gerbangnya dibatasi oleh oksida silicon yang sangat tipis. Oksida ini diendapkan di atas sisi kiri kanal, sehingga transistor MOSFET akan mempunyai kelebihan dibanding dengan transistor BJT (Bipolar Junction Transistor), yaitu menghasilkan disipasi daya yang rendah.

1) NMOS

Transistor NMOS terbuat dari substrat dasar tipe p dengan daerah source dan drain didifusikan tipe n+ dan daerah kanal terbentuk pada permukaan tipe n. NMOS yang umumnya banyak digunakan adalah NMOS jenis enhancement, dimana pada jenis ini source NMOS sebagian besar akan dihubungkan dengan –Vss mengingat struktur dari MOS itu sendiri hampir tidak memungkinkan untuk dihubungkan dengan +Vdd.

Aplikasi gerbang NMOS dapat dikombinasikan dengan resistor, PMOS, atau dengan NMOS lainnya sesuai dengan karakteristik gerbang yang akan dibuat. Sebagai contoh sebuah NMOS dan resistor digabungkan menjadi sebuah gerbang NOT. Negatif MOS adalah MOSFET yang mengalirkan arus penguras sumber menggunakan saluran dari bahan electron, sehinga arus yang mengalir jika tegangan gerbang lebih positif dari substrat dan nilai mutlaknya lebih besar dari VT(Voltage Treshold).

2) PMOS

Transistor PMOS terbuat dari substrat dasar tipe-n dengan daerah source dan drain didifusikan tipe p+ dan deerah kanal terbentuk pada permukaan tipe p. Positif MOS adalah MOSFET yang mengalirkan arus penguras sumber melalui saluran positif berupa hole, dimana arus akan mengalir jika tegangan gerbang lebih negative terhadap substrat dan nilai mutlaknya lebih besar dari VT.

PMOS yang umumnya banyak digunakan adalah PMOS jenis enhancement, dimana pada jenis ini source PMOS sebagian besar akan dihubungkan dengan +Vdd mengingat struktur dari MOS itu sendiri hampir tidak memungkinkan untuk dihubungkan dengan -Vss. Dalam aplikasi gerbang PMOS dapat dikombinasikan dengan resistor, NMOS, atau dengan PMOS lainnya sesuai dengan karakteristik gerbang yang akan dibuat. Sebagai contoh sebuah PMOS dan resistor digabungkan menjadi sebuah gerbang NOT

2. Karakteristik FET dan MOSFET sebagai Penguat

a. Karakteristik FET

Karakteristik output dari JFET menggambarkan hubungan antara Arus drain (ID) dan UDS dengan parameter berbagai besaran UGS Untuk mengetahui sifat dasar FET dibutuhkan rangkaian penguji FET seperti yang ditunjukkan pada gambar 3 pada kaki gate di berikan tegangan yang dapat diatur tegangannya mulai 0V sampai ke minus (- V/ bias negatif), sedangkan pada kaki D-S diberikan supply positif Pada Gambar 4 menunjukkan bahwa makin negative tegangan Gate-Source UGS, maka makin kecil pula arus Drain ID. Pada kondisi normal JFET selalu bekerja pada bagian karakteristik linier datar, atau dengan kata lain JFET dioperasikan pada tegangan Drain yang lebih besar dari tegangan knee UK.,tetapi lebih kecil dari tegangan breakdown-nya.

UDS harus dibuat lebih besar dari 4 Volt tetapi lebih kecil dari 30 V. Dengan demikian UGS harus letakkan antara ( 0 s/d 4V ). Tegangan knee untuk lengkung karakteristik yang paling atas disebut pinch off voltage (Up), jadi bila pada lembar data tertulis Up=4 Volt, JFET tersebut harus dioperasikan dengan tegangan UDS yang lebih besar dari 4 Volt. Dari gambar kurva 6, dapat kita lihat bahwa pada tegangan UGS= -4 V arus drain hampir = 0. Nilai UGS yang menyebabkan ID = 0 ini disebut Gate Source Cut Off Voltage (UGS = Off). Up dan UGS (off) memiliki hubungan penting yaitu nilai mutlak Up = nilai mutlak UGS (off) hanya tandanya yang berbeda;

Up = 4 V

UGSoff = -4 V

Hal ini berlaku untuk semua JFET dan harus diingat bahwa pada lembaran data JFET hanya akan disebutkan nilai (UGS off) saja. Lengkung karakteristik yang paling atas dibuat dengan tegangan gate = 0, keadaan sama dengan keadaan dimana gate dihubung singkat dengan source. Arus drain hampir datar dan dianggap sama, walau tegangan drain diubah-ubah dan pada lembar data arus ini disebut Idss. Pada gambar kurva tampak bahwa jarak antara garis-garis mendatar itu tidak sama meskipun selisih UGS untuk tiap-tiap garis tetap 1 Volt.

b. Karakteristik MOSFET

karakteristik MOSFET (NMOS) arus ID sebagai fungsi VDS dengan parametr VGS ditunjukkan dalam Gambar 7. Pada MOSFET terdapat tiga daerah operasi yaitu daerah cut-off, linear dan saturasi. Pada daerah cut-off, tegangan gerbang lebih kecil dari tegangan ambang, sehingga tidak terbentuk saluran, dan arus tidak dapat mengalir (ID = 0). Pada daerah linear, pada awalnya gerbang diberi tegangan hingga terbentuk saluran. Apabila drain diberi tegangan yang kecil, maka elektron akan mengalir dari source menuju drain atau arus akan mengalir dari drain ke source. Selanjutnya saluran tersebut akan bertindak sebagai suatu tahanan, sehingga arus drain (ID) akan sebanding dengan tegangan drain.

Apabila tegangan drain terus ditingkatkan hingga tegangan pada gate menjadi netral, lapisan inversi saluran pada sisi drain akan hilang, dan mencapai suatu titik yang disebut titik pinch-off. Pada titik pinch-off ini merupakan permulaan dari daerah kerja saturasi. Apabila melebihi titik ini, peningkatan tegangan drain tidak akan mengubah arus drain, sehingga arus drain tetap (konstan)