3.1 Menerapkan komponen FET dan MOSFET sebagai penguat

Kompetensi Dasar

3.1 Menerapkan komponen FET dan MOSFET sebagai penguat daya

4.1 Membuat rangkaian dengan menggunakan FET dan MOSFET sebagai penguat daya

MENGAMATI

Amatilah mengenai bentuk fisik JFET (junction-fet) dan MOSFET (Metal Oxide Semiconductor-Fet)! Temukan perbedaan antara keduanya! Pelajarilah buku teks maupun sumber lain yang relevan untuk mendukung pengamatan Anda!

A. KOMPONEN FET DAN MOSFET SEBAGAI PENGUAT DAYA

Rangkaian penguat dengan menggunakan FET selalu diberikan tegangan bias agar dapat bekerja sebagai penguat. Tegangan bias untuk FET dapat diberikan dengan berbagai cara, misalnya rangkaian penguat FET yaitu self-bias. Pemberian tegangan bias yang tepat akan menjamin FET dapat bekerja pada daerah yang aktif.

Transistor FET adalah transistor yang bekerja berdasarkan efek medan elektrik yang dihasilkan oleh tegangan yang diberikan pada kedua ujung terminalnya. FET terdiri dari empat bagian di antaranya sebagai berikut.

1. Sumber (source) adalah terminal di mana pembawa muatan memasuki kanal untuk menyediakan arus dalam kanal. Arus sumber diberi simbol IS. Sumber atau source ekivalen dengan emitter pada BJT.

2. Penguras (drain) adalah terminal di mana arus meninggalkan kanal. Arus drain diberi simbol ID. Drain ekivalen dengan collector pada BJT.

3. Gerbang (gate). Elektroda ini berfungsi mengendalikan konduktivitas kanal antara source dengan drain. Tegangan sinyal input umumnya diberikan ke gate. Tegangan gate diberi simbol VG. Gate ekivalen dengan Basis pada BJT, tetapi tegangan gate mengendalikan medan listrik dalam kanal, sementara arus basis mengendalikan arus kolektor dalam BJT.

4. Kanal (channel) adalah saluran penghubung antara source dengan drain yang memungkinkan muatan bergerak dari source ke drain.

Mekanisme kerja transistor ini berbeda dengan transistor BJT. Pada transistor FET, arus yang dihasilkan/dikontrol dari drain (analogi dengan kolektor pada BJT), dilakukan oleh tegangan antara gate dan source (analogi dengan base dan emiter pada BJT). Bandingkan dengan arus pada base yang digunakan untuk menghasilkan arus kolektor pada transistor BJT. Jadi, FET adalah transistor yang berfungsi sebagai konverter tegangan ke arus. Secara umum komponen ini terbagi menjadi dua yaitu N-Channel dan P-Channel. Tetapi berdasarkan teknologi pembuatannya komponen ini juga terbagi menjadi dua yaitu JFET (Junction Field Effect Transistor) dan MOSFET (Metal Oxide Semiconduction Field Effect Transistor).

1. JFET (Junction Field Effect Transistor)

Dalam sebuah junction FET (JFET) gate membentuk sebuah junction PN dengan saluran. Adapun pada JFET N-Channel penghantar dihubungkan dengan ujung-ujung saluran (N-Channel). Kaki sumber ada di ujung bawah saluran dan kaki pengurasan ada di ujung atas saluran. Karena saluran ini adalah konduktor, maka pada N-Channel pembawa mayoritasnya adalah elektron bebas. Adapun pada P-Channel, pembawa mayoritasnya adalah hole. Bila tidak ada tegangan luar, maka baik N-Channel maupun P-Channel dapat menghantarkan listrik pada kedua arahnya. Dengan kata lain JFET adalah komponen Normally ON.

a. Prinsip Kerja JFET

Lebar saluran yang identik dengan kemampuan menghantar arus dari saluran ini dikendalikan dengan tegangan gate. Jika tidak ada tegangan gate, konduktivitas saluran adalah maksimum. Bila tegangan bias balik diterapkan pada gate maka saluran akan menyempit dan konduktivitas menurun. Lebar saluran dan juga resistansi saluran dikendalikan dengan memvariasikan tegangan gate, sehingga dapat mengendalikan arus drain (ID) yang besar. Simbol skematik komponen JFET N-Channel dan JFET P-Channel ditunjukkan pada gambar berikut.

b. Jenis-Jenis JFET

Junction FET (JFET) memiliki dua tipe berdasarkan tipe bahan semikonduktor yang digunakan pada kanalnya, yaitu 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 struktur dasar dan simbol JFET jenis kanal-N dapat ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Saluran atau kanal pada jenis kanal-N terbentuk dari bahan semikonduktor tipe N dengan satu ujungnya sebagai source (S) dan satunya lagi adalah drain (D). Sebagian besar pembawa muatan atau carrier pada JFET jenis kanal-N ini adalah elektron.

Gate atau gerbang pada JFET jenis kanal-N terdiri dari bahan semikonduktor tipe P. Bagian lain yang terbuat dari semikonduktor tipe P pada JFET kanal-N adalah bagian yang disebut subtrate yaitu bagian yang membentuk batas di sisi saluran berlawanan gerbang (G).

Tegangan pada terminal gerbang (G) menghasilkan medan listrik yang memengaruhi aliran pada pembawa muatan yang melalui saluran tersebut. Semakin negatif nilai VG, maka semakin sempit pula salurannya yang mengakibatkan semakin kecil arus pada output (ID).

2) JFET Kanal-P 

Gambar struktur dasar dan simbol JFET jenis kanal-P dapat ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Simbol JFET Kanal P Struktur JFET Kanal D Gerbang Tipe N S Kanal Tipe P Substrate Tipe N

Saluran pada JFET jenis kanal-P terbuat dari semikonduktor tipe P. mayoritas pembawa muatannya adalah hole. Bagian gate atau gerbang (G) dan subtratenya terbuat dari bahan semikonduktor tipe N. Pada JFET kanal-P, semakin positif nilai VG, maka semakin sempit pula salurannya yang mengakibatkan semakin kecilnya arus pada Output JFET (ID)

Simbol JFET dapat digunakan untuk menentukan jenis kanan pada JFET. Anak panah pada simbol JFET kanal-N adalah menghadap ke dalam, adapun anak panah pada simbol JFET kanal-P adalah menghadap keluar.

MENANYA

Tanyakan kepada guru Anda tentang jenis-jenis JFET! Tulis hasil penjelasan dari guru pada buku tugas masing-masing!

c. Karakteristik Transfer dari JFET

Range nilai dari Vos yaitu mulai dari nol sampai dengan Vgs (off) mengontrol besarnya arus drain (ID). Untuk n-channel JFET, Vgs (off) bernilai negatif. Sehingga hubungan antara dua besaran tersebut (VGs dan ID) menjadi penting. Hubungan antara dua besaran VGs dan Ip secara grafis, yang sering disebut dengan kurva transfer karakteristik dari JFET sebagai berikut.

Dari gambar kurva karakteristik transfer dari JFET di atas, terlihat bahwa nilai terendah dari sumbu VGs (bottom end dari kurva) adalah sama dengan Vgs (off), dan nilai tertinggi dari sumbu ID (top end dari kurva) adalah sama dengan IDSS. Sehingga batas titik operasi dari JFET sebagai berikut:

Id = = 0 ketika Vgs = VGS (off) dan ID = Idss ketika VGS = 0 

Kurva karakteristik transfer dapat dikembangkan dari kurva karakteristik drain dengan cara memplot nilai Ip untuk nilai Vos tertentu dari kurva karakteristik drain pada daerah pinch-off.

Bentuk kurva karakteristik transfer adalah mendekati bentuk parabolik, sehingga dapat didekati dengan persamaan sebagai berikut.

d. Transkonduktansi Forward dari JFET

Konduktansi transfer forward (transkonduktansi), gm adalah perubahan arus drain (Δ ID) untuk suatu perubahan tegangan gate-source (Δ VGS) dengan tegangan drain-source (Δ VDs) konstan.

Nilai gm yang lebih besar terletak dekat dengan puncak kurva (dekat dengan Vgs = 0) daripada yang dekat dengan kurva bawah (dekat dengan VGS (off)).

Apabila diberikan nilai gmo, maka dapat dihitung suatu nilai aproksimasi untuk gm pada sembarang titik pada kurva transfer karakteristik dengan menggunakan persamaan berikut.

Jika tidak, maka nilai gm0 dapat dihitung dengan menggunakan nilai IDss dan VGS (off), sebagai berikut.

e. Kelebihan dan Kelemahan FET

Jika dibandingkan dengan transistor bipolar, FET memiliki beberapa kelebihan dan kelemahan. Salah satu kelebihan FET adalah dapat bekerja dengan baik pada rangkaian elektronika yang bersinyal rendah seperti pada perangkat komunikasi dan alat-alat penerima (receiver). FET juga sering digunakan pada rangkaian-rangkaian elektronika yang memerlukan impedansi yang tinggi. Namun pada umumnya, FET tidak dapat digunakan pada perangkat atau rangkaian elektronika yang bekerja untuk penguatan daya tinggi seperti pada perangkat komunikasi berdaya tinggi dan alat-alat pemancar (transmitter).

2. MOSFET (Metal Oxide Semiconduction Field Effect Transistor)

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) adalah suatu transistor dari bahan semikonduktor (silikon) dengan tingkat konsentrasi ketidakmurnian tertentu. Tingkat dari ketidakmurnian ini menentukan jenis transistor tersebut, yaitu transistor MOSFET tipe-N (NMOS) dan transistor MOSFET tipe-P (PMOS). Metal Oxide Semiconductor FET (MOSFET) adalah suatu jenis FET yang mempunyai satu drain, satu source dan satu atau dua gate. MOSFET mempunyai input impedansi yang sangat tinggi oleh karena itu MOSFET hanya digunakan pada bagian-bagian yang benar-benar memerlukannya. Penggunaannya misalnya sebagai RF amplifier pada receiver untuk memperoleh amplifikasi yang tinggi dengan desah yang rendah.

Bahan silikon pada MOSFET digunakan sebagai landasan (substrat) dari penguras (drain), sumber (source), dan gerbang (gate). Selanjutnya transistor dibuat sedemikian rupa agar antara substrat dan gerbangnya dibatasi oleh oksida silikon yang sangat tipis. Lapisan oksidasi pada MOSFET berfungsi untuk menghambat hubungan listrik antara terminal gerbang dengan salurannya. Lapisan oksida ini diendapkan di atas sisi kiri dari kanal, sehingga transistor MOSFET akan mempunyai kelebihan dibanding dengan transistor BJT (Bipolar Junction Transistor), yaitu menghasilkan disipasi daya yang rendah.

Gate pada MOSFET terbuat dari bahan metal seperti aluminium. Oleh karena itu transistor MOSFET dinamakan metal-oxide. Terminal atau elektroda gerbangnya adalah sepotong logam yang permukaannya dioksidasi. Oleh karena itu, MOSFET sering juga disebut Insulated-Gate FET (IGFET). Karena lapisan oksidasi ini bertindak sebagai dielektrik, maka pada dasarnya tidak akan terjadi aliran arus antara gerbang dan saluran. Dengan demikian, impedansi input pada MOSFET menjadi sangat tinggi dan jauh melebihi impedansi input pada JFET.

Pada beberapa jenis MOSFET impedansi dapat mencapai triliunan ohm (1012 Ohm). Dalam Bahasa Indonesia, MOSFET disebut juga Transistor efek medan semikonduktor logam-oksida. Salah satu kelemahan pada MOSFET adalah tipisnya lapisan oksidasi sehingga sangat rentan rusak karena adanya pembuangan elektrostatik (electrostatic discharge). Dalam pengemasan dan perakitan dengan menggunakan MOSFET perlu diperhatikan bahwa komponen ini tidak tahan terhadap elektrostatik, sehingga harus digunakan kertas timah untuk mengemasnya, pematriannya menggunakan jenis solder yang khusus untuk pematrian MOSFET. MOSFET

a. Jenis-Jenis MOSFET

Bila dilihat dari cara kerjanya, transistor MOSFET dapat dibagi menjadi dua, yaitu transistor mode pengosongan (transistor mode depletion) dan transistor mode peningkatan (transistor mode enhancement). 

1) Transistor Mode Pengosongan (Transistor Mode Depletion)

Pada transistor mode depletion, antara drain dan source terdapat saluran yang menghubungkan dua terminal tersebut, di mana saluran tersebut mempunyai fungsi sebagai saluran tempat mengalirnya elektron bebas. Lebar dari saluran itu sendiri dapat dikendalikan oleh tegangan gerbang. Transistor MOSFET mode pengosongan terdiri dari tipe-N dan tipe-P.

a) Struktur MOSFET Depletion Mode 

Pada sebuah kanal semikonduktor tipe N terdapat semikonduktor tipe P dengan menyisakan sedikit celah. Dengan demikian diharapkan elektron akan mengalir dari source menuju drain melalui celah sempit ini. Gate terbuat dari metal (seperti aluminium) dan terisolasi oleh bahan oksida tipis SiO2 yaitu kaca.

Semikonduktor tipe P di sini disebut subtrat P dan biasanya di hubung singkat dengan source. Seperti pada transistor JFET lapisan deplesi mulai membuka jika VGS = 0.

Dengan menghubungkan singkat subtrat P dengan source diharapkan ketebalan lapisan deplesi yang terbentuk antara subtrat dengan kanal adalah maksimum. Sehingga ketebalan lapisan deplesi selanjutnya hanya akan ditentukan oleh tegangan gate terhadap source.

Semakin negatif tegangan gate terhadap source, akan semakin kecil arus drain yang bisa mengalir atau bahkan menjadi 0 pada tegangan negatif tertentu. Karena lapisan deplesi telah menutup kanal. Selanjutnya jika tegangan gate dinaikkan sama dengan tegangan source, maka arus akan mengalir. Karena lapisan deplesi mulai membuka.

Karena gate yang terisolasi, tegangan kerja Vas boleh bernilai positif. Jika VGs semakin positif, arus elektron yang mengalir dapat semakin besar. Di sini letak perbedaannya dengan JFET, transistor MOSFET depletion mode bisa bekerja sampai tegangan gate positif. 

b) Penampang D-MOSFET Depletion Mode

Berikut ini adalah penampang MOSFET depletion mode yang dibuat di atas sebuah lempengan semikonduktor tipe P.

Implant semikonduktor tipe N dibuat sedemikian rupa sehingga terdapat celah kanal tipe N. Kanal ini menghubungkan drain dengan source dan tepat berada di bawah gate. Gate terbuat dari metal aluminium yang diisolasi dengan lapisan SiO2 (kaca). Transistor MOSFET depletion mode disebut juga D-MOSFET.

c) Kurva drain MOSFET Depletion Mode

Analisa kurva drain MOSFET depletion mode dilakukan dengan mencoba beberapa tegangan gate Vos konstan, lalu dibuat grafik hubungan antara arus drain In terhadap tegangan Vds. Adapun kurva drain MOSFET depletion mode adalah sebagai berikut. DS.

Dari kurva terlihat jelas bahwa transistor MOSFET depletion mode dapat bekerja (ON) mulai dari tegangan Vos negatif sampai positif. Terdapat dua daerah kerja, yang pertama adalah daerah ohmic di mana resistansi drain-source adalah fungsi berikut.

Jika tegangan Vos tetap dan Vds terus dinaikkan, transistor selanjutnya akan berada pada daerah saturasi. Jika keadaan ini tercapai, arus Ips adalah konstan. Terjadi tegangan VGS (maks), yang diperbolehkan. Karena jika lebih dari tegangan maks ini akan dapat merusak isolasi gate yang tipis atau merusak transistor itu sendiri. 

2. Transistor Mode Peningkatan (Transistor Mode Enhancement)

Transistor mode enhancement pada fisiknya tidak memiliki saluran antara drain dan source-nya karena lapisan bulk meluas dengan lapisan SiO2 pada terminal gate. Transistor MOSFET mode peningkatan terdiri dari tipe-N dan tipe-P.

a) Struktur MOSFET Enhancement Mode

Gate MOSFET enhancement mode terbuat dari metal aluminium dan terisolasi oleh lapisan SiO2 sama seperti transistor MOSFET depletion mode. Perbedaan struktur yang mendasar adalah, subtrat Pada transistor MOSFET enhancement mode dibuat sampai menyentuh gate.

Gambar atas ini adalah transistor MOSFET enhancement mode kanal N. Jika tegangan gate Vos dibuat negatif, arus elektron tidak dapat mengalir. Juga ketika VGs = 0, arus belum juga bisa mengalir, karena tidak ada lapisan deplesi maupun celah yang bisa dialiri elektron. Apabila tegangan gate Vos positif, maka arus elektron akan dapat mengalir. Karena subtrat terhubung dengan source, maka jika tegangan gate positif berarti tegangan gate terhadap subtrat juga positif.

Tegangan positif ini akan menyebabkan elektron tertarik ke arah subtrat P. Elektron-elektron akan bergabung dengan hole yang ada pada subtrat P. Karena potensial gate lebih positif, maka elektron terlebih dahulu tertarik dan menumpuk di sisi subtrat yang berbatasan dengan gate. Elektron akan terus menumpuk dan tidak dapat mengalir menuju gate karena terisolasi oleh bahan insulator SiO2 (kaca).

Jika tegangan gate cukup positif, maka tumpukan elektron akan menyebabkan terbentuknya semacam lapisan n yang negatif dan seketika itulah arus drain dan source dapat mengalir. Lapisan yang terbentuk ini disebut inversion layer. Inversion layer adalah lapisan dengan tipe yang berbalikan. Di sini karena subtratnya adalah tipe P, maka lapisan inversion yang terbentuk adalah bermuatan negatif atau

tipe N. Akan dihasilkan tegangan minimum di mana lapisan inversion n mulai terbentuk. Tegangan minimum ini disebut tegangan threshold Vos(in). Tegangan VGS(th) oleh pabrik pembuat tertera di dalam data sheet

Letak perbedaan utama prinsip kerja transistor MOSFET enhancement mode dibandingkan dengan JFET yaitu jika pada tegangan Vos = 0, transistor JFET sudah bekerja atau ON, maka transistor MOSFET enhancement mode masih OFF. Sehingga dapat dikatakan JFET adalah komponen normally ON dan MOSFET adalah komponen normally OFF. Transistor MOSFET enhacement mode disebut juga E-MOSFET.

Sama seperti MOSFET depletion mode, tetapi perbedaannya adalah pada MOSFET enhancement mode tidak ada kanal yang menghubungkan drain dengan source. Kanal N akan terbentuk (enhanced) dengan memberi tegangan Vos di atas tegangan threshold tertentu. Inilah struktur transistor yang paling banyak diterapkan dalam IC digital.

c) Kurva Drain MOSFET Enhacement-Mode

Mirip seperti kurva D-MOSFET, namun kurva drain transistor EMOSFET nilai VGs semua bernilai positif. Garis kurva paling bawah adalah garis kurva di mana transistor mulai ON. Tegangan Vos pada garis kurva ini disebut tegangan threshold Vgs (th).

Karena transistor MOSFET umumnya digunakan sebagai sakelar (switch), parameter yang penting pada transistor E-MOSFET adalah resistansi drain-source. Biasanya yang tercantum pada datasheet adalah resistansi pada saat transistor ON. Resistansi ini dinamakan RDS (on). Besar resistansi bervariasi mulai dari 0,3 Ohm sampai puluhan Ohm. Untuk aplikasi power switching, semakin kecil resistansi RDS (on), maka semakin baik transistor tersebut. Karena akan memperkecil kerugian disipasi daya dalam bentuk panas. Parameter arus drain maksimum ID (mak) dan disipasi daya maksimum PD (max).

Dilihat dari jenis saluran yang digunakan, transistor MOSFET dapat dikelompokkan menjadi tiga, yaitu NMOS, PMOS, dan CMOS Complementary MOS).

(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 digunakan adalah NMOS jenis enhancement, di mana pada jenis ini source NMOS sebagian besar akan dihubungkan dengan -Vss karena struktur dari MOS hampir tidak memungkinkan untuk dihubungkan dengan +VDD.

Dalam aplikasi gerbang NMOS dapat dikombinasikan dengan resistor, PMOS, atau dengan NMOS lainnya sesuai dengan karakteristik gerbang yang akan dibuat. Misalnya, sebuah NMOS dan resistor digabungkan menjadi sebuah gerbang NOT.

Negatif MOS adalah MOSFET yang mengalirkan arus penguras sumber menggunakan saluran dari bahan elektron, sehingga arus yang mengalir jika tegangan gerbang lebih positif dari substrat dan nilai mutlaknya lebih besar dari VI (Voltage Treshold). Adapun skematik MOSFET tipe N ditunjukkan dalam gambar berikut.

2) PMOS

Transistor PMOS terbuat dari substrat dasar tipe N dengan daerah source dan drain didifusikan tipe pt dan daerah kanal terbentuk pada permukaan tipe P. Positif MOS adalah MOSFET yang mengalirkan arus penguras sumber melalui saluran positif berupa hole, di mana arus akan mengalir jika tegangan gerbang lebih negatif terhadap substrat dan nilai mutlaknya lebih besar dari Vī. PMOS yang umumnya banyak digunakan adalah PMOS jenis enhancement, di mana pada jenis ini source PMOS sebagian besar akan dihubungkan dengan +Vpp karena struktur dari MOS hampir tidak memungkinkan untuk dihubungkan dengan - Vss.

Dalam aplikasi gerbang PMOS dapat dikombinasikan dengan resistor, NMOS, atau PMOS lainnya sesuai dengan karakteristik gerbang yang akan dibuat. Misalnya, sebuah PMOS dan resistor digabungkan menjadi sebuah gerbang NOT. 3) CMOS (Complementary MOS)

CMOS (Complementary MOS) mengalirkan arus penguras sumber melalui saluran tipe-n dan tipe-p secara bergantian sesuai dengan tegangan yang dimasukkan pada gerbangnya (gate). CMOS adalah evolusi dari komponen digital yang paling banyak digunakan karena memiliki karakteristik konsumsi daya yang sangat kecil. Struktur CMOS terdiri dari dua jenis transistor PMOS dan NMOS. Keduanya adalah transistor MOS tipe enhacement mode.

Inverter gerbang NOT dengan struktur CMOS adalah sebagai berikut. Beban RL yang sebelumnya menggunakan transistor NMOS tipe depletion-mode, digantikan oleh transistor PMOS enhancement-mode.

Q, bukan merupakan beban, tetapi kedua transistor berfungsi sebagai complementary switch yang bekerja secara bergantian. Jika input 0 (low), maka transistor Q, menutup dan sebaliknya Q2 membuka, sehingga keluaran tersambung ke Vpp (high). Sebaliknya, jika input 1 (high) maka transistor Qı akan membuka dan Q2 menutup, sehingga keluaran terhubung dengan ground 0 volt (low).

MENGEKSPLORASI

Buatlah sebuah kelompok, kemudian kumpulkan informasi dari berbagai sumber tentang jenis-jenis MOSFET!

b. Bentuk Dasar MOSFET

Bentuk dasar MOSFET terdiri atas NMOS tipe Enhancement dan PMOS tipe Enhancement.

1) NMOS tipe Enhancement

Struktur transistor NMOS terdiri atas substrat tipe P dengan daerah source dan drain diberi difusi N". Di antara daerah source dan drain terdapat suatu daerah sempit dari substrat P yang disebut channel. Channel ditutupi oleh lapisan penghantar (isolator) yang terbuat dari SiO2. Panjang channel disebut length (L) dan lebarnya disebut width (W). Gerbang (gate) terbuat dari polisilikon dan ditutup oleh penyekat yang diendapkan.

Struktur transistor NMOS terdiri atas substrat tipe P dan tipe N. Kedua parameter ini sangat penting untuk mengontrol MOSFET. Selain itu, terdapat parameter lain yaitu ketebalan lapisan oksida yang menutupi daerah channel (tox). Di atas lapisan insulating tersebut didepositkan polycrystalline silicon (polisilikon) electrode, yang disebut gerbang (gate). Struktur fisik NMOSFET tipe enhancement sebagai berikut.

2) PMOS Tipe Enhancement

Struktur transistor PMOS terdiri atas substrat tipe N dengan daerah source dan drain diberi difusi P, dan untuk kondisi yang lain adalah sama dengan NMOS.

c. Karakteristik dan Operasi MOSFET

Grafik karakteristik MOSFET (NMOS) arus Ip sebagai fungsi Vos dengan parameter VGS sebagai berikut.

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, 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).

Bentuk operasi untuk MOSFET saluran P adalah sama seperti pada transistor MOSFET saluran N. Pernyataan arus drain identik dengan polaritas tegangan dan arah arus terbalik.

d.Persambungan MOSFET

Dalam persambungan MOSFET, untuk membedakan dengan terminal sumber S, terminal gerbang diberi simbol G dan terminal substrat diberi simbol B (bulk/body).

Besarnya potensial statik di antara gerbang dan substrat tergantung pada konsentrasi atom ketidakmurniannya dan tidak bergantung pada bahan di antaranya. Keberadaan potensial statik menyebabkan muatan timbul pada kedua sisi isolator, dalam hal ini silikon dioksida. Muatan batas ini akan hilang jika potensial total dalam loop tertutup gerbang SiO2 substrat gerbang sama dengan nol. Pada rangkaian tertutup persambungan MOS terdapat empat macam tegangan, yaitu sebagai berikut.

1) Tegangan sumber luar. 

2) Tegangan oksida silikon. 

3) Tegangan permukaan. 

4) Tegangan kontak.

Tegangan sumber luar yang besarnya tidak sama menimbulkan tegangan permukaan di permukaan substrat. Hal ini terjadi untuk mencapai keadaan setimbang. Variasi nilai Voo dan Vfb memberikan empat macam keadaan pada persambungan MOS, yaitu sebagai berikut. 

1) Kondisi pita datar (Flat Band Condition)  Pada kondisi ini muatan permukaan dan tegangan permukaan tidak timbul atau sama dengan nol.

2) Akumulasi (accumulation) Kondisi akumulasi tercapai pada saat VGB < VFB. Pada saat ini muatan pada gerbang relatif lebih negatif terhadap muatan pada saat VGB = VfB. Oleh karena itu, lubang akan tertumpuk di permukaan sebagai akibatnya timbul muatan dan tegangan di permukaan. 

3) Pengosongan (Depletion) Jika VGB < VfB, maka muatan positif ditimbulkan di gerbang. Akibatnya lubang-lubang di permukaan ditekan ke bawah dan meninggalkan ion-ion akseptor bermuatan negatif. Muatan yang ditimbulkan oleh ion-ion ini disebut sebagai muatan pengaturan. 

4) Kondisi pembalikan (inversion)

Jika VGB > VFB, maka akan tertarik ke permukaan. Sehingga di permukaan substrat bertipe sebaiknya (N). elektron di dalam substrat sebagai pembawa minoritas.

f. Karakteristik Arus Tegangan

Bila VGs lebih besar dari Vī terdapat sebuah saluran penghantar dan Vos menyebabkan arus hanyut (ID) mengalir dari drain ke source. Tegangan Vos menyebabkan prategangan balik (reverese bias) yang besar dari drain ke body daripada dari source ke body. Jadi, terdapat lapisan pengosongan yang lebih lebar pada drain.

g. Kelebihan dan Kelemahan MOSFET 

Adapun kelebihan MOSFET di antaranya sebagai berikut. 

1) MOSFET adalah peranti terkendali tegangan.

 2) MOSFET mudah dikendalikan, 

3) Memiliki impedansi input yang tinggi. 

4) MOSFET juga merupakan peranti unipolar.

5) Bila digunakan sebagai switch, maka MOSFET adalah peranti switching berkecepatan tinggi.

6) MOSFET memiliki save operating area (SOA) yang lebih lebar dibandingkan dengan bipolar transistor (BJT) tegangan tinggi dan arus dapat digunakan secara simultan dalam durasi waktu yang singkat. 

7) Mudah apabila digunakan secara parallel.

Adapun kekurangan MOSFET yaitu pada aplikasi-aplikasi tegangan dadal (breakdown) yang tinggi (di atas 200 volt), loss konduksi pada MOSFET lebih lebar dibandingkan pada BJT. Pada tegangan dan tingkat arus yang sama dapat mencapai kondisi drop tegangan.

3. Membuat Rangkaian dengan Menggunakan FET dan MOSFET sebagai Penguat Daya

Prinsip yang digunakan dalam transistor sebagai penguat adalah arus kecil pada basis digunakan untuk mengontrol arus yang lebih besar yang diberikan ke kolektor melewati transistor tersebut. Fungsi dari transistor hanya sebagai penguat ketika arus basis akan berubah. Perubahan arus kecil pada basis mengontrol inilah yang dinamakan perubahan besar pada arus yang mengalir dari kolektor ke emitter. Kelebihan dari transistor penguat tidak hanya dapat menguatkan sinyal, tetapi transistor ini juga bisa di gunakan sebagai penguat arus, penguat tegangan dan penguat daya.

Penguat daya merupakan suatu rangkaian yang digunakan untuk menguatkan atau memperbesar sinyal masukan. Akan tetapi, proses yang terjadi sebenarnya adalah sinyal input di replika atau di copy lalu direka kembali menjadi sebuah sinyal yang lebih besar dan lebih kuat. Penguat daya biasanya digunakan pada rangkaian elektronika sebagai penguat sinyal informasi sebelum dikirimkan.

Salah satu contoh yaitu penguat daya audio (power amplifier) yang merupakan pesawat elektronika yang memiliki fungsi sebagai penguat sinyal suara yang berasal dari tape recorder, radio, CD player, preamp mic atau sebagainya. Pada saat tertentu alat elektronika tersebut akan mengalami penurunan akibat sering digunakan atau lainnya, penurunan tersebut dapat berupa kekuatan suara yang keluar dari perangkat tersebut. Agar pada rangkaian penguat daya kembali memiliki output besar, maka harus didorong dengan perangkat tambahan.

Rangkaian Dasar Penguat/Amplifier MOSFET

Konfigurasi penguat MOSFET mode Common Source sederhana ini menggunakan pasokan tunggal pada saluran pembuangan dan menghasilkan tegangan gerbang yang diperlukan, VG menggunakan pembagi resistor. Kita ingat bahwa untuk MOSFET, tidak ada arus yang mengalir ke terminal gerbang dan dari sini kita dapat membuat asumsi dasar berikut tentang kondisi operasi DC amplifier MOSFET.