Download - Tugas 5-MOSFET
A. Pendahuluan
Gambar dibawah ini menunjukkan klasifikasi Transistor, dan yang akan
dibahas lebih jauh pada tulisan ini adalah mengenai MOSFET.
Klasifikasi Transistor
Gambar 1. Klasifikasi Transistor
Field Effect Transistor mempunyai penguatan tegangan yang baik sekali
karena transistor jenis ini memiliki Impedansi Input yang tinggi, Konsumsi daya
yang rendah, dan range frekuensi yang bagus.
B. FET (Field Effect Transistor)
Transistor efek medan atau FET (Field Effect Transistor) adalah suatu
komponen elektronika yang prinsip kerjanya berdasarkan pengaturan arus dengan
medan listrik. FET disebut juga “transistor unipolar” karena cara kerjanya hanya
berdasarkan aliran pembawa muatan mayoritas saja, artinya arus yang mengalir
arus yang mengalir hanya arus lubang (hole) atau arus elektron saja. FET
mempunyai beberapa keuntungan dibandingkan dengan transistor bipolar biasa,
antara lain:
a. Bekerja berdasarkan aliran pembawa muatan mayoritas saja.
b. Relatif lebih tahan terhadap radiasi.
c. Mempunyai impedansi input yang tinggi beberapa Mega Ohm.
d. Noise lebih rendah daripada noise tabung atau transistor bipolar.
e. Mempunyai stabilitas thermis yang baik.
1
C. Klasifikasi FET
FET dapat diklasifikasikan menjadi dua macam, yaitu:
1. Junction Field Effect Transistor disingkat JFET atau FET saja.
2. Metal Oxida Semikonduktor FET disingkat MOSFET.
D. MOSFET
1. Dasar Pembentukan MOSFET
Mosfet adalah singkatan dari (Metal – Oxide Semi Conductor FET atau
FET semikonduktor Oksida Logam). Mosfet mempunyai kaki-kaki :
Sumber (Source) = S
Cerat (Drain) = D
Gerbang (Gate) = G
Adapun susunan pembentukan Mosfet dapat digambarkan sebagai berikut:
1) Semikonduktor konruktor type N diberi terminal cerat (D) dan sumber (S)
2) Kedalamnya ditambahkan semikonduktor type P yang dinamakan
Substrate
3) Kemudian pada bagian lain di lekatkan lapisan oksida logam tipis (Si O2)
dan dinamakan gerbang (gate) Si O2 bersifat isolator.
2
Pada gambar 40(e) menunjukkan antara Substrate dan source digabungkan
dan didapatkan sebagai Source (S). Ini biasa dilakukan oleh pabrik pembuatnya.
Jadi di pasaran banyak dijumpai Mosfet dengan 3 kaki. Tetapi biasa juga Mosfet
mempunyai 4 kaki. Untuk mosfet 4 kaki, biasa dipastikan mempunyai 2 gerbang
(G1 dan G2), kaki-kaki yang lain adalah Drain (D) dan Source (S).
2. Macam - Macam MOSFET
MOSFET adalah singkatan dari Metal Oxida Semikonduktor FET, dan
sering juga disebut Insulated Gate FET. Hal ini disebabkan karena gate pada
3
MOSFET tidak langsung berhubungan dengan saluran, tetapi diisolasi oleh suatu
lapisan oksida logam yang tipis (biasanya Silikon Oksida).
Untuk mempelajari sifat-sifat dasar Mosfet, harus mengenal macam-
macam mosfet yang dibedakan menjadi dua jenis. Dua macam MOSFET yang
dikenal, yaitu:
a. Depletion Enhanchement MOSFET (DE MOSFET).
b. Enhachement MOSFET (E MOSFET).
Kedua jenis Mosfet tersebut dibedakan berdasarkan cara pemberian
lapisan Substratenya. Pada Depletion Mosfet lapisan substrate dipasang dalam
kanal tidak menyentuh oksida logam (Si O2) sehingga ada sisa kanal yang sempit.
Pada jenis kedua Enhancement Mosfet. Lapisan substrate dipasang pada
kanal langsung menembus lapisan oksida logam (Si O2) sehingga kanal tertutup
sedang anatara Drain dan Source terpisah oleh substrate. Bahan yang digunakan
sebagai kanal dan substrate sama-sama semikonduktor tapi tipe berlawanan.
DE MOSFET adalah semacam MOSFET yang dapat beroperasi dengan
depletion action (aksi pengosongan) dan enhanchement action (aksi peningkatan).
E MOSFET adalah semacam MOSFET yang hanya beroperasi dengan
enhanchement action (aksi peningkatan) saja. Sesuai dengan kanalnya DE
MOSFET dapat dibedakan menjadi DE MOSFET kanal P dan kanal N, begitu
juga dengan E MOSFET kanal P dan kanal N. Susunan dan simbol dari macam-
macam MOSFET ini dapat dilihat pada gambar 42 berikut ini:
4
3. Cara Kerja DE MOSFET
Gambar 43 merupakan rangkaian kerja DE MOSFET Kanal N, dengan
kerja sebagai berikut:
a. Tegangan positif maupun negatif yang diberikan pada gate tidak akan
menyebabkan adanya metal oxida antara gate dan saluran.
b. Bila gate diberi tegangan negatif, maka muatan negatif pada gate ini akan
menolak elektron-elektron yang ada pada saluran, sehingga arus drain ID
akan berkurang.
c. Pada tegangan gate tertentu, semua elektron bebas pada saluran akan
terusir, sehingga menyebabkan tidak mengalirnya arus drain ID. Karena
itu operasi dengan tegangan gate negatif disebut depletion action (aksi
pengosongan).
d. Bila gate diberi tegangan positif, maka muatan positif ini akan menarik
electron-elektron bebas pada saluran antara gate dan substrat. Hal ini akan
5
meningkatkan arus drain ID, karena itu operasi ini dinamakan
enhanchement action (aksi peningkatan).
e. Karena MOSFET ini dapat beroperasi dengan depletion action dan
enhancement action, maka MOSFET ini dikatakan DE MOSFET
( Depletion Enhanchement MOSFET).
DE MOSFET dapat bekerja dalam mode depletion dan mode
enhancement. Gambar 13 menunjukan operasi DE MOSFET dengan konstruksi
yang disederhanakan. Jika VGS = 0Volt (gate dan source dihubung singkat),
maka nilai ID = IDSS. Jika VGS negatif maka diinduksikan muatan positif ke
dalam kanal tipe N melewati SiO2 dari kapasitor gate. Arus yang melewati kanal
adalah pembawa mayoritas (elektron untuk bahan tipe N), muatan positif induksi
ini akan berekombinasi dengan pembawa mayoritas sehingga pembawa mayoritas
berkurang. Hal ini menyebabkan lebar kanal berkurang dan resistansi kanal
bertambah dan nilai ID akan lebih kecil daripada IDSS.
Jika VGS positif maka akan diinduksikan muatan negatif sehingga
konduktivitas kanal bertambah (resistansi kanal berkurang) dan nilai ID lebih
besar dari pada IDSS. Mode operasi ini disebut mode enhancement. Jika VGS
positif lubang-lubang pada substrat tipe P ditolak sedangkan elektron-elektron
bidang konduksi sebagai pembawa minoritas disubstrat ditarik ke kanal sehingga
lebar kanal menjadi besar dan ID >> IDSS.
6
Kesimpulannya adalah bahwa DE MOSFET dapat beroperasi (bekerja)
dengan memberikan tegangan gate positif maupun negatif. Penjabaran di atas
merupakan prinsip/cara kerja DE MOSFET kanal N, sedangkan untuk DE
MOSFET kanal P semua polaritas baik tegangan maupun arus adalah kebalikan
dari DE MOSFET kanal N.
4. Cara kerja E MOSFET
Perhatikan gambar 2.14 di atas:
a. Substrat (St) menutup seluruh jalan (saluran) antara Source (S) dan Drain
(D). E MOSFET ini adalah sejenis MOSFET yang hanya bekerja dengan
aksi peningkatan saja.
b. Pada saat VGS = nol, tidak ada arus drain ID yang mengalir walaupun
VDD ada tegangannya, karena bahan P tidak mempunyai pembawa
muatan.
c. Apabila Gate diberi tegangan positif yang cukup besar, maka akan
mengalirlah arus drain ID. Bila gate mendapat tegangan positif maka akan
terinduksikan muatan negatif pada substrat. Muatan negatif ini adalah
berupa ion-ion negatif yang ada pada bahan P tersebut.
d. 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 ID naik.
E MOSFET hanya dapat beroperasi dalam mode enhancement, maka
tegangan gate harus positif terhadap source. Pada saat VGS=0Volt, maka tidak
ada kanal yang menghubungkan source dan drain. Ketika VGS positif, maka
7
lubang-lubang bidang valensi pada substrat ditolak dan elektron-elektron
pembawa minoritas pada substrat tipe P ditarik ke arah gate dan kanal N antara
source dan drain. Jika nilai VGS diperbesar maka kanal menjadi lebih lebar dan
ID bertambah. Sebaliknya jika VGS diperkecil maka kanal menjadi sempit dan
arus drain berkurang. Tegangan VGS minimum untuk membuat E MOSFET
menghantar disebut tegangan ambang (threshold) VGS(th). (Widodo,2002:87)
5. Bias Mosfet
Untuk mengoperasikan hidup (on) dan mati (off) dari sebuah mosfet
diperlukan bias tegangan pada gate dan source (Ugs) dan tegangan catu antara
Drain dan Source (Udd).
Bias Vgs dibedakan menjadi dua macam,
1) Bias peningkatan (Enhancement) Mosfet ? Ugs + (Positif)
2) Bias pengosongan (Defletion) Mosfet ? Ugs - (negatif)
6. Contoh Penggunaan
6.1 Rangkaian Gerbang Digital MOS
a. Rangkaian Inverter Digital
Suatu membalikkan digital adalah satu yang menyangkut hal-hal paling
mendasar rangkaian pada suatu VLSI alat. Dalam format paling sederhana terdiri
dari dari suatu gaya peningkatan MOSFET dan “Pull-Up" resistor ditunjukkan di
8
dalam Gambar 1.3. Di dalam Gambar 1.3, VDD adalah tegangan sumber yang
secara khas + 5 volt, Vi, adalah voltase masukan, dan VO adalah voltase keluaran.
Jika kita menggunakan analogi tombol, manakala Vi > Vth karena suatu VDD
yang tetap, tombol terpasang (yang tertutup) dan V0 kira-kira pada 0 volt. Jika
logika 1 masukan (Vi > Vth), V0= 0. Manakala Vi < Vth, tombol mulai terbuka
dan V0 jadilah "Pulled Up" sampai resistor R ke VDD. Jika V0 impedansi masuk
didalam V0 akan sama halnya VDD. Jika Vi< Vth dipertimbangkan suatu logika 0
masukan V0 akan merupakan suatu logika 1. Rangkaian, oleh karena itu,
menerapkan suatu membalikkan digital.
Karena gaya peningkatan MOSFET dan resistor R berfungsi sebagai suatu
pembagi tegangan, nilai R harus besar cukup untuk membuat V0 kurang dari Vth
manakala MOSFET terpasang. Sebab dalam 1C memerlukan area secara relatif
besar untuk menerapkan membalikkan R, suatu gaya penghabisan MOSFET
digunakan sebagai suatu pull up resistor. Pemilihan ilmu ukur yang sesuai, suatu
gaya penghabisan MOSFET dapat dipasang dengan suatu tegangan gate-to-source
tetap dan bertindak sebagai pull-up resistor. Oleh ikatan gerbang kepada sumber
tersebut, Vgs akan 0 V. Pengingatan Vth dari suatu gaya penghabisan MOSFET
kurang dari 0 V, kita temukan bahwa suatu Vgs nol akan menyalakan transistor.
Jika MOSFET dirancang dengan baik, perbandingan MOSFET dan penurunan-
voltase ke seberang itu (Vds/Ids) akan menyediakan yang diinginkan pull-up
resistor.
9
Diagram sirkit dari suatu membalikkan digital yang memanfaatkan suatu
gaya penghabisan MOSFET sebagai pull up resistor ditunjukkan di dalam Gambar
1.4. Dalam rangka mendiskusikan area Q1 dan Q2 ketika diterapkan dalam
silisium, kita dapat mengacu pada tata ruang phisik yang disederhanakan dari
suatu n-channel (NMOS) MOS transistor didalam Gambar 1.5. Transistor jenis ini
tegangan positif pada gerbang berkenaan dengan sumber (Vgs) mempengaruhi
muatan negatif didaerah saluran. Muatan negatif ini kemudian menyediakan suatu
alur yang menghubungkan saluran antara n-type sumber dan daerah saluran. Suatu
p-channel (PMOS) MOS transistor dibangun secara serupa, tetapi dengan jenis p-
type dan n-type material membalikkan. Suatu muatan negatif pada gerbang
berkenaan dengan sumber mempengaruhi muatan positif didalam daerah saluran
dari suatu PMOS transistor. Ratio Length-To-Width, L/W, dari suatu MOSFET
pada umumnya dilambangkan Z. Jika suatu membalikkan digital akan
membalikkan suatu keluaran, ratio length-towidth, Zpu, tentang gaya penghabisan
pull up transistor pada umumnya dirancang menjadi 4 kali yaitu Zpd, ratio length-
to-width dari gaya peningkatan meruntuhkan transistor. Dengan kata lain,
Perbandingan masukan membalikkan mengukur permulaan adalah transisi
keluaran membalikkan dari satu logika mengukur yang kira-kira antara ground
dan VDD.
10
b. Rangkaian NAND dan NOR
Rangkaian-rangkaian digital yang menggunakan MOSFET dibagi menjadi
tiga kategori yaitu P MOS yang hanya menggunakan P kanal enhancement
MOSFET, N MOS yang hanya mengguakan N kanal enhancement MOSFET dan
CMOS yang menggunakan kedua-duanya N dan P kanal. Gambar 15 merupakan
gerbang NAND CMOS. Cara kerjanya adalah sebagai berikut jika A rendah Q1
menyala (dan Q4 mati), dan menyebabkan keluaran mempunyai tegangan sama
dengan tegangan catu VDD (logika 1). Demikian juga halnya jika B rendah, Q2
menyala dan keluarannya tinggi. Jika A dan B keduanya tinggi Q3 dan Q4 akan
menyala, dan menyebabkan keluarannya bernilai logika 0 sehingga keluarannya
merupakan fungsi NAND.
Rangkaian logika lainnya dapat dibuat dengan berkembangnya rangkaian
membalikkan dasar. Suatu rangkaian logika MOS NOR disampaikan dalam
Gambar 1.6 dan rangkain MOS NAND dalam Gambar 1.7. Dari Gambar 1.6 jika
masukan A maupun B atau kedua-duanya A dan B adalah pada suatu logika 1,
keluaran T diruntuhkan (mengarah) ke ground. Jika A dan B adalah pada suatu
logika 0, T memperbaiki posisi VDD suatu logika 1. Begitu NOR berfungsi
diterapkan.
Dengan cara yang sama, keluaran rangkaian NAND di dalam Gambar 1.7
diruntuhkan (mengarah) ke logika 0 atau ground jika masukan A dan B secara
serempak pada suatu logika 1 tingkatan.
11
6.2 Rangkaian Osilator dengan MOSFET
Mosfet dalam penggunaannya dapat difungsikan seperti transistor bipolar.
Ia dapat berperan sebagai komponen aktif. Seperti transistor bipolar hanya saja
dalam operasinya pengendalian arus outputnya dikendalikan oleh tegangan Gate
dan Source (Ugs), bisa positif bisa juga negatif.
Gambar 40 berikut ini merupakan modifikasi dari osilator yang dikontrol
dengan Kristal Gambar 40c menunjukkan rangkaian feed back (umpan balik)
antara gate source dan drain source memberi kapasitas yang memparalel kristal,
yang mana akan memberikan faktor kualitas yang tinggi pada resonansi paralel.
Untuk mengetahui frekwensi yang teliti, pertama harus mengetahui kapasitas Cp
dan L dalam gambar 40b.
Phasa output pada drain berlawanan dengan input pada gate. Jenis osilaotr
ini akan menghasilkan frekwensi yang bermanfaat untuk VHF dan UHF, pada
frekwensi dibawah 2 MHz. Kapasitansi CGS dan CDS dari rangkaian feed back
tidak cukup memberikan osilator. Oleh karena itu harus ditambahkan kapasitor
luar yang akan menambahkan kapasitansi pada transistor mosfet
12
6.3 Switch Analog MOS
Gagasan yang ada dibalik switch analog adalah hanya mempergunakan
dua titik pada garis beban yaitu titik putus atau titik jenuh. Secara ideal MOS
bekerja sebagai switch yang tertutup bila dalam keadaan jenuh dan sebagai switch
yang terbuka bila dalam keadaan terputus.
MOS bekerja sebagai switch dengan cara memberikan tegangan VGS.
Pemberian tegangan VGS akan mengontrol nilai rds(on) yang akan
mempengaruhi tegangan keluaran, sehingga keluaran dapat diubah secara
kontinyu antara tegangan minimum dan maksimum.
13
Gambar 15.a memperlihatkan sebuah penggerak MOSFET dan beban
pasif (tahanan RD). Dalam rangkaian switch ini, Vin adalah rendah atau tinggi
dan MOSFET akan bekerja sebagai switch yang tersambung atau putus. Apabila
Vin rendah, MOSFET itu putus dan Vout sama dengan tegangan catu daya,
sedangkan untuk Vin yang tinggi MOSFET menghantar dan Vout menjadi
rendah.
Gambar 15.b memperlihatkan penggerak MOSFET dengan beban aktif.
Q2 sebagai switch sedangkan Q1 sebagai beban aktif. Apabila Vin rendah, Q2
putus dan Vout sama dengan tegangan catu daya, sedangkan untuk Vin yang
tinggi Q2 menghantar dan Vout menjadi rendah. (Malvino,1986:370-371)
6.4 Pass Transistor
Rangkaian MOSFET dimanfaatkan untuk menggunakan transistor pass. Di
dalam aplikasi MOSFETS dihubungkan secara urut ketika tombol untuk
menyebarkan isyarat. Gambar 1.8 menggambarkan sejumlah langkah-langkah
transistor pass yang digunakan untuk pergeseran data biner.
Karena transistor bertindak sebagai kapasitansi dan perlawanan rangkaian
pada landasan, isyarat penyebaran ditunda melalui masing-masing langkah.
Dalam rangka mengembalikan waveshape isyarat memancarkan melalui suatu
rangkaian transistor pass, langkah-langkah membalikkan disisipi dalam rantai
14
transistor pass. Umumnya akan menyisipkan suatu langkah membalikkan
manakala keterlambatan langkah transistor pass yang kumulatif memadai sama
dengan suatu penundaan langkah membalikkan secara khas. Hal ini
mengakibatkan suatu membalikkan yang sedang dimasukkan setelah tiga atau
empat transistor pass, yang digambarkan di dalam Gambar 1.9.
Tidak sama dengan inverters, transistor pass tidak punya pengusiran kuasa
statis, oleh karena itu menguntungkan untuk digunakan Logika diterapkan dengan
transistor pass dikenal sebagai mengendarai logika, sedangkan logika diterapkan
dengan gerbang membalikkan dikenal sebagai logika perbandingan.
Manakala suatu membalikkan digunakan sebagai suatu tukang reparasi
tingkatan antara transistor pass, perbandingan itu Zpu/Zpd harus ditingkatkan dari
4:1 ke 8: 1.
Perubahan ini perlu, karena penurunan-voltase ke seberang pass transistor
mengurangi gerbang membalikkan masuk voltase. Begitu gaya peningkatan yang
dikemudikan MOSFET dipasang kurang jika dikemudikan secara langsung dari
keluaran dari suatu gerbang pembalikan. Suatu nilai 8 untuk Zpu/Zpd
(menyangkut) membalikkan yang dikemudikan memastikan bahwa V0 sama
dengan V0 dari membalikkan yang terdahulu dari transistor pass.
15
DAFTAR PUSTAKA
http://ermach.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/16147/BAB5.pdf
http://kambing.ui.ac.id/onnopurbo/orari-diklat/pemula/teknik/komponen-
elektronik.pdf
http://p_musa.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/8048/Komponen.pdf
http://pustaka.ictsleman.net/teknik_listrik/teknik_listrik_pembangkit/
12_pemeliharaan_rangkaian_elektronik.pdf
http://p_musa.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/5114/lecKK-012325-2-1.pdf
16