TRANSISTOR JFET (junction FET) dan MOSFET (metal-oxide semiconductor FET)

Field-Effect Transistor (FET) adalah piranti tiga-terminal seperti halnya transistor BJT. Perbedaan utama dari kedua transistor ini  adalah bahwa BJT adalah piranti yang dikontrol oleh arus, sedangkan FET adalah piranti yang dikontrol tegangan.

      Karakteristik

      High Input Impedance

      Temperature Stable

      Small size -> Integrated Circuit

      Type

      Junction FET

      MOSFET (Metal Oxide Semikonductor FET)

Transistor yang telah kita pelajari sebelumnya adalah transistor bipolar. Ada jenis transistor lain yaitu transistor efek-medan (FET). Komponen ini dinamakan komponen unipolar karena hanya dipengaruhi oleh satu jenis pembawa muatan.

Umumnya untuk aplikasi linear,  transistor bipolar lebih disukai, namun transistor FET sering digunakan juga karena memiliki impedansi input (input impedance) yang sangat besar. Terutama jika digunakan sebagai switch, FET lebih baik karena resistansi dan disipasi dayanya yang kecil.   

Ada dua jenis transistor FET yaitu JFET (junction FET) dan MOSFET (metal-oxide semiconductor FET).  Pada dasarnya kedua jenis transistor memiliki prinsip kerja yang sama, namun tetap ada perbedaan yang mendasar pada struktur dan karakteristiknya

1.   JFET

Transistor JFET dibagi menjadi dua, yaitu JFET kanal-n dan kanal-p. Kanal n dibuat dari bahan semikonduktor tipe n dan kanal p dibuat dari semikonduktor tipe p. Ujung atas dinamakan Drain dan ujung bawah dinamakan Source. Pada kedua sisi kiri dan kanan terdapat implant semikonduktor yang berbeda tipe. Terminal  kedua sisi implant ini terhubung satu dengan lainnya secara internal dan dinamakan Gate.

Istilah field efect (efek medan listrik) sendiri berasal dari prinsip kerja transistor ini yang berkenaan dengan lapisan deplesi (depletion layer). Lapisan ini terbentuk antara semikonduktor tipe n dan tipe p, karena bergabungnya elektron dan hole di sekitar daerah perbatasan. Sama seperti medan listrik, lapisan deplesi ini bisa membesar atau mengecil tergantung dari tegangan antara gate dengan source.         

                          

                                                                                                     

          Gambar 7.1 a. JFET kanal-n                               Gambar 7.1 b. JFET kanal-p

Untuk mengambarkan JFET  pada skema rangkaian elektronika, bisa dipakai simbol seperti pada gambar di bawah berikut. 

Simbol komponen (a)JFET-n (b)JFET-p

Karena struktur yang sama, terminal drain dan source untuk aplikasi frekuensi rendah dapat dibolak balik. Namun biasanya tidak demikian untuk aplikasi frekuensi tinggi. Umumnya JFET untuk aplikasi frekuensi tinggi memperhitungkan kapasitansi bahan antara gate dengan drain dan juga antara gate dengan source. Dalam pembuatan JFET, umumnya ada perbedaan kapasitansi gate terhadap drain dan antara gate dengan source.

JFET kanal-n memiliki daerah p sebagai gate, dan daerah n sebagai drain dan source. Sumber tegangan akan mengalirkan electron bebas dari source ke drain. Tegangan gate akan mengontrol lebar kanal dimana electron mengalir sehingga dapat mengatur besarnya aliran ini.

Transistor JFET kanal-p memiliki prinsip yang sama dengan JFET kanal-n, hanya saja kanal yang digunakan adalah semikonduktor tipe p. Dengan demikian polaritas tegangan dan arah arus berlawanan jika dibandingkan dengan transistor JFET kanal-n. Simbol rangkaian untuk tipe p juga sama, hanya saja dengan arah panah yang berbeda.

Karakteristik tegangan masukan gate terhadap source dan tegangan keluaran pada drain dan source pada beberapa JFET dapat diilustrasikan pada gambar berikut:

  

Gambar 7.2. Peta tegangan masukan/keluaran JFET dan transistor

Arus drain (I_D) yang melalui JFET dikontrol oleh tegangan antara gate dan source (V_GS). Pengontrolan I_D dilakukan dengan memberikan tegangan reverse antara gate dan source. Pembawa muatan negative pada kanal-n akan bergerak menuju terminal positif V_DD. Dan electron dari terminal negative V_DD akan bergerak menuju source ke kanal-n. Dengan menambah tegangan V_GG maka lebar kanal-n akan menyempit hingga tidak ada arus yang lewat.

2. MOSFET

Mirip seperti JFET, transistor MOSFET (Metal oxide FET) memiliki drain, source dan gate. Namun perbedaannya gate terisolasi oleh suatu bahan oksida. Gate sendiri terbuat dari bahan metal seperti aluminium. Oleh karena itulah transistor ini dinamakan metal-oxide. Karena gate yang terisolasi, sering jenis transistor ini disebut juga IGFET yaitu insulated-gate FET.

Ada dua jenis MOSFET, yang pertama jenis depletion-enhancement dan yang kedua jenis enhancement.  Jenis MOSFET yang kedua adalah komponen utama dari gerbang logika dalam bentuk IC (integrated circuit), uC (micro controller) dan uP (micro processor) yang tidak lain adalah komponen utama dari komputer modern saat ini.

            MOSFET tersusun dari material tipe n, sebagian daerah p, dan gate yang teisolasi. Daerah p dinamakan substrat.

                                                                                                                                                                   Gambar 7.3. Konstruksi MOSFET tipe (a) enhancement dan (b) depletion-enhancement

Enhancement-Type MOSFET

           

           

            Sumber tegangan akan mengalirkan electron bebas dari source ke drain. Aliran electron ini mengalir melalui sebelah kiri/substrat P. Tegangan gate akan mengontrol lebar kanal dimana electron mengalir.

Garis putus-putus pada simbol transistor MOSFET menunjukkan struktur transistor yang terdiri drain, source dan subtrat serta gate yang terisolasi. Arah panah pada subtrat menunjukkan type lapisan yang terbentuk pada subtrat ketika transistor ON sekaligus menunjukkan type kanal transistor tersebut.

Simbol MOSFET

Simbol di atas dapat digunakan untuk mengambarkan D-MOSFET maupun E-MOSFET.

3. MENGUKUR I_DSS DAN VP

            V_GS = 0 ; V_DS (+)

I_DSS adalah arus drain-source maksimum (saturasi)  Pada V_GS = 0 dan V_DS > |V_P|

Vp = Tegangan Pinch-off

V_GS < 0

Nilai VGS yang menghasilkan ID=0 adalah VGS-VP, dimana VP (-) untuk n-channel JFET

            Parameter yang penting dari sebuah JFET adalah I_DSS dan V_P. Dengan mengetahui kedua parameter ini kita dapat memperkirakan karakteristik transfer dari hubungan I_D dan I_DS.

            Karakteristik Transfer (Karakteristik ini tidak dipengaruhi oleh rangkaian)

             Percobaan berikut ini kita akan mengukur I_DSS dan V_P tanpa menggunakan curve tracer.

            Perhatikan gambar 7.4. Bila V_DD diubah dari 0 hingga 15 V, maka arus yang terbaca pada amperemeter juga berubah membesar. Mula-mula cepat lalu lama-kelamaan akan menunjukkan harga yang tetap walau V_DD terus diperbesar. Inilah kira-kira arus I_DSS.

            Karakteristik transver (transconductance) memberikan hubungan antara I_D dan I_DS. Perhatikan gambar 7.5. Jika wiper potensiometer berada di B maka V_GS=0 dan aros I_D=I_DSS. Bila wiper kita gerakkan ke A maka pada suatu saat harga V_GS tertentu akan menunjukkan I_D=0. Harga V_GS dimana I_D mulai=0 adalah tegangan pinch off (V_P).