MengenaL FIELD EFFECT TRANSISTOR (FET)

FIELD EFFECT TRANSISTOR (FET)

          a. JFET

          FET pertemuan (Junction FET) adalah transistor kutup tunggal. Cara kerjanya hanya memerlukan pembawa muatan mayoritas (majority carrier). Transitor kutub tunggal ini lebih mudah dipahami dari pada transistor bipolar.

gambar 8.1

         

          Gambar 9.1 menunjukan bagian dari suatu JFET. Ujung bawah disebut sumber (source) dan ujung atas disebut cerat (drain), diantara cerat dan sumber adalah celah  yang disebur kanal (chanel). Pada gambar 9.1a di gunanakan bahan tipe n, sehingga pembawa mayoritas elektron pita konduksi.

          Dengan memasang dua daerah p pada sisi kanal, kita memperoleh JFET tipe n seperti pada gambar 9.2.b. Daerah p ini disebut sebagai gerbang (gate). Jika kedua gerbang tersebut dihubungkan dengan kawat luar secara terpisah maka disebut JFET gerbang ganda. Penggunaan JFET gerbang ganda tersebut adalah untuk pencampur (mixer). Jika kedua gerbang tersebut dihubungkan dibagian dalam maka kita peroleh JFET gerbang tunggal, seperti gambar 9.1.c. Jika menggunakan simbol gambar 9.1c , kita harus ingat bahwa daerah p tersebut mempunyai potensial yang sama.

  

a                                                       b

gambar 8.2

(a). Bias normal dari JFET

(b) lapisan pengosongan (depletion layers)

          Gambar 9.2 menunjukkan polaritas normal untuk bias suatu JFET kanal-n. Caranya adalah menggunakan tegangan negatif antara gerbang dan sumber, ini membias reverse gerbang tersebut. Karena gerbang dibias reverse, arus yang mengalir dalam penghubung gerbang hanyalah suatu arus yang kecil dan dapat diabaikan. Untuk pendekatan pertama, arus gerbang adalah nol.

          Nama efek medan (field effect) di hubungkan dengan lapisan-lapisan pengosongan (deplation layer) disekitar tiap sambungan pn. Gambar 9.2 b menunjukkan lapisan-lapisan pengosongan tersebut. Arus dari sumber ke cerat (drain) harus mengalir melalui kanal sempit antara lapisan-lapisan pengosongan. Ukuran dari lapisan-lapisan pengosongan tersebut menentukan lebar dari saluran konduksi. Makin negatif tegangan gerbang, saluran konduksi semakin sempit karena lapisan-lapisan pengosongan satu sama lain menjadi lebih dekat. Dengan perkatan lain, tegangan gerbang  mengendalikan arus antara sumber dan cerat. Makin negatif tegangan gerbang, arus makin kecil.

          Pebedaan kunci antar suatu JFET dan suatu transistor bipolar adalah gerbang dibias reverse sedangkan basis dibias forward. Perbedaan penting ini berarti JFET bekerja seperti suatu alat yang tegangannya dapat di kendalikan. Secara ideal, tegangan input mengendalikan arus output. Hal ini ini bebeda dengan transistor bipolar yang arus inputnya mengendalikan arus outpunya. Perbedaan yang lan , FET mempunyai impedansi input yang tinggi.

          FET mempunyai beberapa keuntungan bila dibandingkan dengan transistor, antara lain:

1.    mempunyai stabilitas thermis yang tinggi.

2.    Mempunyai impedansi input yang tinggi.

3.    Relatif lebih tahan terhadap radiasi

4.    Noise yang dihasilkan lebih rendah

5.    Bekerja berdasarkan aliran pembawa minoritas saja.

gambar 8.3

Simbol skematik JFET kanal n

Sebagian besar dari JFET, sumber dan ceratnya dapat ditukar. Dengan demikian, kita dapat menggunakan salah satu ujung sebagai sumber dan ujung yang lain sebagai cerat atau sebaliknya. Karena alasan ini, simbol JFET pada gambar 9.3 adalah simetris, titik gerbang dan titik tengah kanal. Jika kita menggunakan simbol JFET simetris, kita dapat memberi nama pada terminal  JFET seperti pada gambar 9.3.

Pada gambar 9.4 ditunjukkan JFET kanal P dan simol skematisnya:

gambar 8.4

Simbol skematis untuk JFET kanal p

Seperti yang telah dibahas terdahulu, untuk operasi normal dari JFET terminal gerbang selalu di bias reverse. Pada kasus tertentu , tegangan gerbang dibuat nol. Dengan kata lain, kita dapat mengurangi V­_GS menjadi nol . Keadaan ini disebut kondisi gerbang dihubung singkat (shorted gate).

Grafik arus cerat terhadap tegangan cerat untuk kondisi gerbang yang hubung singkat menyerupai kurva kolektor. Arus cerat mula-mula naik dengan cepat, tetapi kemudian mendatar. Dalam daerah Vp dan V_DS (maks) arus cerat hampir konstan. Jika tegangan cerat terlalu besar, maka JFET akan mengalami braeakdown.

Tegangan pinchoff V_p adalah tegangan cerat ; diatas tegangan ini, arus cerat menjadi konstan. Jika tegangan cerat sama dengan V_p, kanal menjadi sempit dan lapisan pengosongan hampir menyentuh. Saluran kecil antara lapisan pengosongan cenderung untuk membatasi arus. Penambahan tergangan cerat lebih lanjut, hanya mengakibatkan penambahan sedikit arus cerat. Inilah sebabnya arus cerat dalam daerah aktif hampir konstan.

Kurva cerat tampak sangat mirip dengan kurva kolektor. Gambar 9.5menunjukkan kurva cerat untuk sebuat JFET. Kurva yang paling atas adalah untuk V_GS = 0 pada kondisi gerbang hubung singkat. Tegangan pinchoff terdekat 4 Volt. Dan tegagan breakdown adalah 30 Volt. Jadi daerah aktif untuk JFET tersebut adalah 4 V<V_DS<30 V.

Gambar 8.5 Kurva Cerat JFET

Seperti yang kita lihat, I_DS adalah 10 mA untuk V_DS sebesar 15 V.

Suatu tegangan negatif yang dihasilkan kurva cerat yang lain.  Untuk nilai V_GS sebesar -1 V, menurunkan arus cerat kira-kira 5,62 mA dan seterusnya. Kurva yang paling bawah untuk V_GC sebesar -4V dapat mengurangi arus cerat mendekati nol. Tegangan ini disebut titik sumbat gerbang sumber (gate source cut off voltage) dn dinyatakan dengan notasi V_GS (cut OFF).

JFET mempunyai jangkauan harga V_GS­  (off) yang lebar. Lembar data menjelaskan V_GS (off) menghasilkan arus cerat yang sangat kecil. Misalnya lembar data JFET MPF 102 memberikan V_GS (off) maksimum sebesar 8 V untuk arus cerat 2 nA.

Seperti yang telah kita lihat sebelumnya bahwa V_P adalah harga tegangan cerat yang mengambil arus untuk kondisi gerbang hubung singkat. Karena hal ini :

Lembar data tidak memberikan harga V_P , tetapi menyajikan V_GS(off) yang ekivalen dengan V_P. Karena kondisi gerbang hubung singkat memberikan kurva cerat paling tinggi dan V­_GS(off) menghasilkan kurva cerat paling rendah, jangkauan normal dari V_GS adalah:

Jika V_GS­ dalam jangkauan ini, I_D harus dalam interval:

Sebagai contoh, dalam gamba 9.6 jangkauan normal dari tengangan cerat adalah antara 4 dan 30 V , jangkauan normal dari arus cerat adalah antara 0 dan 10 mA.

b. MOSFET

MOSFET adalah singkatan dari Metal Oxida Semikonduktor Field Effect Transistor. Sering juga disebut Insulated Gate FET (IGFET). Hal ini disebabkan gate pada MOSFET tidak berhubungan langsung dengan kanal, tetapi diisolasi oleh suatu lapisan oksida logam yang tipis (biasanya silikon oksida). Kita mengenal dua macam MOSFET yaitu:

1.       DE MOSFET (Depletion Enhanchement MOSFET)

2.       E MOSFET ( (Enhanchemen MOSFET)

DEMOSFET adalah semacam MOSFET yang dapat beraksi dengan deplation action (aksi pengosongan).  Dan enhanchement action (aksi peningkatan). Oleh karena itu disebut DEMOSFET.

ENHANCHEMENT MOSFET adalah semacam MOSFET yang hanya beroperasi dengan enhanchement action (aksi peningkatan) saja. Gambar 9.7 adalah simbol-simbol DEMOSFET dan EMOSFET.

gambar 8.7 simbol-simbol MOSFET

Di bawah ini adalah rangkaian kerja DEMOSFET kanal n:

Gambar 8.8

Rangkaian kerja DE MOSFET

Baik tegangan positif maupun negatif yang diberikan pada gate, tidak akan menyebabkan adanya arus gate karena adanya metal oxida antara gate dan saluran.

Bila gate diberi muatan negatif maka muatan negatif tersebut pada gate ini akan menolak elektron-elektron yang ada pada saluran, sehingga arus drain I_D akan berkurang (sama dengan JFET).

Pada tegangan gate tertentu, semua elektron bebas pada saluran akan terusir, sehingga menyebabkan tidak mengalirnya arus drain I_D. Karena itu, operasi dengan tegangan gate negatif disebut deplation action  (aksi pengosongan).

Bila gate diberi tengangan positif, maka muatan positif ini menarik elektron-elektron babas pada saluran antara gate dan substrat. Hal ini akan meningkatkan arus drain I_D. Karena itu, operasi ini dinamakan enhanchement action  , maka MOSFET ini dikatakan DE MOSFET (Deplation Enhancement MOSFET).

Kesimpulannya adalah bahwa DE MOSFET dapat beroperasi (bekerja) dengan memberikan tegangan gate positif maupun negatif. Diatas adalah prinsip atau cara kerja DE MOSFET kanal n, sedangkan cara kerja DE MOSFET kanal p semua polaritas baik tegangan maupun arus adalah kebalikan dari uraian diatas.

gambar 9.9 Rangkaian kerja E MOSFET

Pada gambar di atas terlihat bahwa substrat (St) menutup seluruh jalan (saluran) antara source dan drain. E MOSFET yang hanya bekerja dengan aksi peningkatan saja.

Pada saat V_GS = 0 , tidak ada arus drain I_D yang mengalir walaupun V_DD ada tegangannya. Karena bahan p tidak dapat mempunyai pembawa muatan atau hanya sedikit sekali yang disebabkan agitasi thermis.

Apabila gate  diberi tengangan posistif yang cukup besar, maka akan mengalirlah arus drain I_D. Karena bila gate mendapat tegangan positif  maka akan terinduksikan muatan negatif pada substrat. Muatan negatif ini berupa ion-ion  negatif yang ada pada bahan p tersebut.

Selanjutnya bila tegangan positif pada gate dinaikkan hingga mencapai suatu harga tertentu, maka elektron-elektron bebas akan membentuk lapisan tipis yang berfungsi sebagai pembawa muatan yang mengakibatkan arus drain I_D naik.