MOSFET [PDF]

Citation preview

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)



Anggota Kelompok : 1. Didit Ardiyansah (14050874004) 2. Satya Hadi Suroso (14050874019)



UNIVERSITAS NEGERI SURABAYA FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK ELEKTRO PRODI S1 TEKNIK ELEKTRO 2014



1



KATA PENGANTAR



Puji syukur kami panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena dengan pertolonganNya kami dapat menyelesaikan laporan yang berjudul “MOSFET”. Meskipun banyak rintangan dan hambatan yang kami alami dalam proses pengerjaannya, tapi kami berhasil menyelesaikannya dengan baik. Seiring perkembangan zaman yang semakin maju, tuntuntan akan kebutuhan alat elektronik yang semakin canggih terus bertambah. Disini kami menjelaskan salah satu komponen elektronika yang kegunaanya penting bagi sebagian rangkaian elektronika yang besar. MOSFET sendiri tidak berbeda jauh dengan transitor. Tentunya ada hal-hal yang ingin kami berikan kepada pembaca gambaran mengenai MOSFET. Karena itu kami berharap semoga laporan ini dapat menjadi sesuatu yang berguna bagi kita bersama.



2



3



BAB I PENDAHULUAN



A. LATAR BELAKANG Memenuhi kebutuhan akan sumber daya listrik. Berbagai macam komponen elektronik dibuat untuk menciptakan berbagai rangkaian elektronik sesuai dengan kebutuhan yang semakin banyak. Salah satu Rangkaian Elektronika yang mendasar yang kami bahas disini ialah MOSFET. MOSFET sendiri termasuk bagian dalam FET (Field Effect Transistor). Dilihat dari namanya FET terdapat nama “Transistor” maka secara teknis tidak beda jauh dengan transistor. Transistor efek medan (field-effect transistor = FET) mempunyai fungsi yang hampir sama dengan transistor bipolar. Meskipun demikian antara FET dan transistor bipolar terdapat beberapa perbedaan yang mendasar. Perbedaan utama antara kedua jenis transistor tersebut adalah bahwa dalam transistor bipolar arus output (IC) dikendalikan oleh arus input (IB). Sedangkan dalam FET arus output (ID) dikendalikan oleh tegangan input (VGS), karena arus input adalah nol. Sehingga resistansi input FET sangat besar, dalam orde puluhan megaohm. Secara garis besar MOSFET jenisnya terbagi menjadi 2 yaitu MOSFET tipe pengosongan dan tipe peningkatan.



B. RUMUSAN MASALAH Berdasar dari latar belakang yang telah dikemukakan, maka kami membatasi penulisan supaya tidak terlalu luas. Kami merumuskan permasalahannya sebagai berikut : 1. Apa itu MOSFET? 2. Apa saja macam-macam MOSFET? 3. Bagaimana pemanfaatan MOSFET? 4. Bagaimana cara kerja MOSFET? C. Tujuan Berdasar dari latar belakang, kami bertujuan : 1. Untuk mengetahui dan memahami pengertian daripada MOSFET 2. Untuk memahami prinsip kerja MOSFET 3. Mengetahui cara kerja dan pemanfaatan MOSFET



4



D. DASAR TEORI 1. MOSFET MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) adalah suatu transistor dari bahan semikonduktor (silikon) dengan tingkat konsentrasi ketidakmurnian tertentu. Tingkat dari ketidakmurnian ini akan menentukan jenis transistor tersebut, yaitu transistor MOSFET tipe-N (NMOS) dan transistor MOSFET tipe-P (PMOS). Bahan silicon 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 silicon yang sangat tipis. 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. 2. MOSFET PENINGKATAN PENGOSONGAN (D-MOSFET) MOSFET tipe pengosongan atau D-MOSFET (Depletion-metal-oxide semiconductor FET) terdiri atas kanal-N dan kanal-P. Gambar 2.1 menunjukkan konstruksi D-MOSFET kanal-N.



Gambar 2.1 Konstruksi D-MOSFET kanal-N



D-MOSFET kanal-N dibuat di atas bahan dasar silikon tipe P yang biasanya disebut dengan substrat. Pada kebanyakan komponen diskret, substrat ini dihubungkan ke terminal yang disebut SS (substrat) sebagai terminal keempat. Terminal drain (D) dihubungkan ke bahan tipe N melalui kontak metal demikian juga dengan terminal source (S). Antara bahanN drain dan bahan-N source dihubungkan kanal yang terbuat juga dari bahan-N. Terminal gate dihubungkan ke sisi kanal-N melalui kontak metal. Tetapi yang paling penting disini adalah bahwa antara kontak metal gate dengan kanal-N ada lapisan oksida silicon (SiO2) yang berfungsi sebagai isolasi (dielektrikum). Secara kelistrikan antara terminal gate dengan kanal-N tidak ada hubungan. Hal ini membuat impedansi dari D-MOSFET sangat tinggi, lebih tinggi dari impedansi input JFET. Dengan demikian dalam pembiasan dc, arus gate IG dianggap sama dengan nol (IG = 0). 5



Istilah MOSFET (metal-oxide semiconductor FET) ini timbul karena dalam konstruksinya terdapat metal dan oksida silikon. Dalam literatur lama MOSFET ini disebut dengan IGFET (insulated-gate FET) karena memang terminal gatenya terisolasi dengan kanal-N. Penjelasan cara kerja dan karakteristik D-MOSFET kanal-N dimulai dengan memberikan VGS = 0 dan VDS positif. Pemberian VGS = 0 dilakukan dengan cara menghubungkan terminal G dengan S. Biasanya terminal SS dihubungkan ke terminal S. Tegangan positip VDS akan menarik elektron bebas pada kanal-N dari source menuju drain, sehingga mengalir arus ID. Hal ini sama seperti pada JFET. Bila VDS diperbesar hingga mencapai Vp, maka arus ID akan jenuh (tidak naik lagi) yang disebut dengan IDSS. Apabila VGS dibuat negatif, maka muatan negatif pada terminal gate akan menolak electron bebas pada kanal-N menjauhi daerah kanal-N dan menuju daerah substrat-P. Hal ini akan mengosongkan kanal-N dari elektron bebas, sehingga arus ID semakin kecil. Apabila tegangan negatip VGS dinaikkan terus hingga kanal-N kosong dari semua elektron bebas, maka arus ID sudah tidak bisa dinaikkan lagi meskipun dengan memperbesar VDS. a) Mode Pengosongan D-MOSFET dengan tegangan VGS nol hingga VGS negatip ini disebut dengan mode pengosongan. Hal ini karena dengan tegangan VGS ini kanal-N dikosongkan dari eletktron bebas, atau dengan kata lain pada kanal-N timbul daerah pengosongan. Seperti halnya pada JFET, saat VGS negatif tertentu, arus ID tidak bisa mengalir lagi (mati) meskipun VDS diperbesar. VGS yang menyebabkan ID nol ini disebut dengan VGS(off). Rangkaiannya seperti gambar 2.2.



Gambar 2.2 rangkaian D-mosfet depletion mode



b) Mode Peningkatan 6



Selain dengan tegangan VGS negatip, D-MOSFET bisa juga bekerja dengan tegangan VGS positip. Berbeda dengan JFET yang hanya bisa bekerja dengan VGS negatip saja. Bila VGS pada D-MOSFET dibuat positip, maka muatan positip pada terminal gate ini akan menarik elektron bebas dari substrat ke daerah kanal-N, sehingga elektron bebasnya lebih banyak. Dengan demikian arus ID mengalir lebih besar dibanding saat VGS = 0. Semakin diperbesar harga VGS ke arah positif, semakin banyak jumlah pembawa muatan elektron bebas pada kanal N, sehingga semakin besar arus ID. D-MOSFET yang bekerja dengan VGS positif ini disebut dengan mode peningkatan, karena jumlah pembawa muatan elektron bebas pada daerah kanal-N ditingkatkan dibanding saat VGS = 0. Pada saat memperbesar VGS positip ini perlu diperhatikan kemampuan arus ID maksimum agar tidak terlampaui. Besarnya arus maksimum dari setiap D-MOSFET dapat dilihat pada buku data.



Gambar 2.3 rangkaian D-mosfet Enchancement mode



c) Kurva MOSFET Kurva karakteristik output dan kurva transfer D-MOSFET kanal-N dapat dilihat pada gambar 2.4 Terlihat bahwa D-MOSFET ini dapat bekerja baik pada mode pengosongan (saat VGS negatif) maupun pada mode peningkatan (VGS positif). Oleh karena itu D-MOSFET ini sering juga disebut dengan DE-MOSFET (depletion-enhancement MOSFET). Persamaan Shockley juga masih berlaku pada D-MOSFET ini baik pada mode pengosongan maupun pada mode peningkatan.



[



I D =I DSS 1−



7



V GS V GS(off )



]



2



Gambar 2.4 Kurva karakteristik transfer dan output D-MOSFET kanal-N Konstruksi dan prinsip kerja D-MOSFET kanal-P adalah kebalikan dari D-MOSFET kanal-N yang sudah dijelaskan di depan. Demikian juga polaritas tegangan VGS, VDS, dan arus ID juga berlawanan dengan yang ada pada D-MOSFET kanal-N. Simbol D-MOSFET kanal-N dan kanal-P adalah seperti ditunjukkan berturut-turut pada gambar 2.5a dan 2.5b. Bila terminal SS tidak terhubung di dalam, maka D-MOSFET menjadi komponen empat terminal. Berbeda dengan simbol JFET yang tanda panahnya pada gate, untuk gate DMOSFET tidak ada panahnya karena gate dengan kanal bukanlah P-N junction.



Gambar 2.5 simbol D-MOSFET (a) kanal-N (b) kanal-P 8



d) Pemberian Prategangan Oleh karena MOSFET jenis pengosongan dapat beroperasi dalam ragam pengosongan maupun ragam pengisian, kita dapat menempatkan titik Q pada VGS = 0, seperti diperlihatkan dalam gambar 2.6a. Selanjutnya, suatu sinyal masukan ac dapat menghasilkan perubahan di atas dan dibawah titi Q.kemungkinan menggunakan menggunakan VGS = 0 ini merupakan suatu keuntungan dalam masalah pemberian prategangan. Hal ini memungkinkan suatu rangkaian prategangan yang khas dalam Gambar 2.6b. Rangkaian yang sesederhana ini tidak memerlukan tegangan-gerbang atau sumber. Oleh karena itu Vgs = 0 dan ID = IDSS. Tegangan dc dari penguras adalah : VDS = VDD - IDSS RD Prategangan nol dari gambar 2.6a adalah khas untuk MOSFET jenis pengosongan. Ini juga dapat digunakan dalam transistor bipolar atau JFET.



Gambar 2.6 prategangan nol 3. E-MOSFET MOSFET tipe peningkatan atau E-MOSFET (Enhancement-metal-oxide semiconductor FET) terdiri atas kanal-N dan kanal-P. Pembahasan akan dilakukan hanya untuk E-MOSFET kanal-N saja, karena pada dasarnya kanal-N dan kanal-P hanya berbeda polaritas. Gambar 3.1 menunjukkan konstruksi E-MOSFET kanal-N. Seperti halnya pada DMOSFET, E-MOSFET ini juga dibuat di atas bahan dasar silkon tipe-P yang disebut dengan substrat. Pada umumnya substrat P ini dihubungkan ke terminal SS melalui kontak metal. Terminal SS pada beberapa MOSFET terhubung langsung di dalam komponen, sehingga yang keluar tinggal tiga terminal saja, yakni Source (S), Drain (D) dan Gate (D).



9



Gambar 3.1 konstruksi E-MOSFET kanal-N Source (S) dan drain (D) masing-masing dibuat dengan menumbuhkan doping bahanN dari substrat-P, sehingga dapat dihubungkan keluar menjadi terminal S untuk Source dan D untuk drain melalui kontak metal. Sedangkan terminal G (gate) dibuat melalui kontak metal yang diletakkan ditengah-tengah antara Source dan Drain. Antara gate dan substrat P terdapat silikon dioksida (SiO2) yang berfungsi sebagai isolasi (dielektrikum). Hal demikian ini sama seperti pada D-MOSFET. Impedansi input E-MOSFET juga sangat tinggi. Perbedaan utama antara keduanya adalah bahwa pada D-MOSFET terdapat kanal yang menghubungkan S dan D, sedangkan pada E-MOSFET tidak terdapat kanal tersebut. Dengan demikian aliran elektron dari source yang akan menuju drain harus melalui substratP. Pembahasan prinsip kerja E-MOSFET kanal-N dimulai dengan memberikan tegangan VGS = 0 Volt dan VDS positip. Pemberian tegangan VGS = 0 adalah dengan cara menghubung-singkatkan terminal Gate (G) dan Source (S). Perhatikan gambar 3.2.



10



Gambar 3.2 E-MOSFET kanal-N dengan VGS = 0 dan VDS positif Oleh karena antara S dan D tidak ada kanal-N (yang mempunyai banyak elektron bebas), maka meskipun VDS diberi tegangan positip yang cukup besar, arus ID tetap tidak mengalir atau ID = 0. Antara source dan drain adalah bahan tipe-P dimana elektron adalah sebagai pembawa minoritas, sehingga saat VGS = 0 dan VDS positif yang mengalir adalah arus bocor saja. Disinilah perbedaannya dengan DMOSFET yang mengalirkan arus ID pada saat VGS = 0 dan VDS positif. Apabila VGS dinaikan kearah positif, maka muatan positip pada gate ini akan menolak hole dari substrat-P menjauhi perbatasannya dengan SiO2. Dengan demikian daerah substrat-P yang berdekatan dengan gate akan kekurangan pembawa mayoritas hole. Sebaliknya Fank ana dari substrat-P akan tertarik oleh muatan positif gate dan mendekati perbatasan substrat dengan SiO2. Perlu diingat bahwa elektron tidak bisa masuk ke gate karena substrat dan gate ada pembatas SiO2, sehingga IG tetap sama dengan nol. Bila tegangan VGS dinaikan terus hingga jumlah Fank ana yang berada di dekat perbatasan dengan SiO2 cukup banyak untuk menghasilkan arus ID saat VDS positip, maka VGS ini disebut dengan tegangan threshold (VT). Pada beberapa buku data VT ini disebut juga VGS(th). Setelah mencapai tegangan VT ini, maka dengan memperbesar harga VGS, arus ID semakin besar. Hal ini karena semakin besar VGS berarti jumlah electron yang tersedia antara source dan drain semakin banyak. Kurva transfer dan karakteristik EMOSFET kanal-N dapat dilihat pada gambar 3.3. Istilah peningkatan (enhancement) dalam E-MOSFET ini menunjuk pada fenomena bahwa saat VGS masih nol, arus ID tidak ada karena tidak terdapat elektron antara source dan drain. Kemudian apabila VGS dibuat positip hingga melebihi VT, maka terjadi peningkatan jumlah Fank ana antara source dan drain yang berakibat meningkatnya arus ID bila tegangan VDS positip diperbesar.



11



Pada saat VGS > VT, apabila VDS masih kecil arus ID naik dengan cepat, namun bila VDS dinaikkan terus hingga mencapai VDSsat, maka arus ID akan konstan. Hal ini karena dengan memperbesar VDS sementara VGS tetap, maka tegangan relatif antara G dan D makin kecil sehingga mengurangi daya tarik elektron pada sisi D-G. Akibatnya arus ID akan jenuh dan kenaikan VDS lebih jauh tidak akan memperbesar arus ID. Harga VDS ini disebut dengan VDSsat (atau VDS saturasi). a) Kurva Untuk Mosfet Tipe Peningkatan Dengan melihat kurva karakteristik E-MOSFET ternyata terdapat hubungan antara VDSsat dengan VGS. Hubungan tersebut adalah dengan semakin tingginya harga VGS, VDSsat makin tinggi juga. Pada saat VGS = VT yang mana arus ID mulai mengalir dengan cukup berarti, maka VDSsat = 0. Hal ini karena arus ID sudah mengalami kejenuhan sejak VDS dinaikkan.



Gambar 3.3 Kurva karakteristik transfer dan output E-MOSFET kanal-N Hubungan antara arus ID dengan VGS tidak lagi mengikuti persamaan Shockley sebagai-mana pada JFET dan D-MOSFET, akan tetapi mengikuti Persamaan ini berlaku untuk VGS > VT. 2



ID=K ( V GS −VT )



Di mana K adalah tetapan yang tergantung pada jenis MOSFET.



12



b) Simbol Skematis Konstruksi dan prinsip kerja E-MOSFET kanal-P adalah kebalikan dari E-MOSFET kanal-N yang sudah dijelaskan di depan. Demikian juga polaritas tegangan VGS, VDS, dan arus ID juga berlawanan dengan yang ada pada E-MOSFET kanal-N. Simbol E-MOSFET kanal-N dan kanal-P adalah seperti ditunjukkan berturut-turut pada gambar 3.4a dan 3.4b. Bila terminal SS tidak terhubung di dalam, maka E-MOSFET menjadi komponen empat terminal. Berbeda dengan simbol JFET yang tanda panahnya pada gate, untuk gate E-MOSFET tidak ada panahnya karena gate dengan kanal bukanlah P-N junction.



Gambar 3.4 Simbol D-MOSFET (a) kanal-N dan (b) kanal-P Adanya lapisan SiO2 antara gate dan kanal dalam MOSFET menyebabkan impendansi input sangat tinggi. Akan tetapi karena lapisan SiO2 ini sangat tipis, maka perlu kehati-hatian dalam menangani MOSFET ini. Muatan statis yang ada pada tangan manusia dikhawatirkan bisa menyebabkan lapisan Si02 tembus, sehingga MOSFET akan rusak. Oleh karena itu biasanya pabrik sudah memberikan cincin penghubung singkat ujung-ujung kaki MOSFET. Dengan demikian akan dapat menghindari terjadinya beda potensial atau muatan yang tidak disengaja pada terminal MOSFET. c) Pemberian Prategangan Mosfet Tipe Peningkatan Dalam Mosfet tipe peningkatan, untuk memperoleh arus, Vgs harus lebih besar dari VT. Ini meniadakan prategangan diri, prategangan arus sumber, dan prategangan nol oleh karena semuanya ini memerlukan operasi ragam pengosongan. Yang mungkin tinggal prategangan gerbang, prategangan pembagi tegangan, dan prategangan sumber. Cara-cara ini dapat dilaksanakan dalam MOSFET jenis pengisian, oleh karena E-MOSFET dapat bekerja dalam tipe peningkatan. Di samping ketiga jenis cara pemberian prategangan ada satu cara lagi untuk MOSFET tipe peningkatan. 13



Gambar 3.5a memperlihatkan prategangan umpan balik penguras. Apabila MOSFET menghantar, arus pengurasnya sebesar ID(on) dan tegangan pengurasnya sebesar VDS(on). Oleh karena arus gerbang kira-kira nol, tidak ada tegangan timbul pada tahanan RD. Oleh karenanya, VGS =VDS(on) seperti prategangan umpan balik kolektor, rangkaian dalam gambar 3.5a mempunyai kecenderungan untuk mengkompensasi perubahan-perubahan dari parameter-parameter (karakteristik-karakteristik) FET. Apabila ID(on) oleh sesuatu hal naik, maka VDS(on) turun. Ini mengurangi VGS, yang sebagian mengimbangi kenaikan ID(on).



Gambar 3.5 prategangan umpan-balik penguras Gambar 3.5b memperlihatkan titik Q pada lengkungan trans-konduktans, yang koordinat-koordinatnya ID(on) dan VDS(on). Lenbaran data untuk MOSFET jenis pengisian biasanya memberikan nilai ID(on) dan VDS(on). Ini membantu penempatan titik Q. dalam desain, yang harus kita lakukan hanyalah memilih RD yang akan menghasilkan VDS yang ditentukan. Dalam lambang R D=



V DD −V DS(on) I D(on)



Misalnya lembaran data dari MOSFET jenis pengisian memberikan V DS(on)=10 V dan ID(on) = 3 mA. Apabila tegangan catu daya 25 V, tahanan penguras yang diperlukan adalah R D=



25 V −10 V =5 k Ω 3 mA



d) Penguat DC Sebuah penguat dc adalah penguat yang dapat beroperasi sampai frekuensi nol tanpa kehilangan bati-tegangan. Suatu cara untuk membuat penguat dc atau dc amp (singkatan dc amplifier) adalah menghilangkan semua kapasitor-kapasitor gandengan dan kapasitorkapasitor pintas.



14



E. PEMANFAATAN MOSFET MOSFET tipe pengosongan dapat digunakan sebagai penguat penyangga (buffer amplifier) yang hamper ideal karena gerbangnya terisolasi sehingga sehingga resistansi masuk mendekati tak terhingga. Selanjutnya, MOSFET mempunyai sifat-sifat derau rendah yang amat baik. Beberapa MOSFET merupakan alat gerbang-dual (dual-gate). Hal ini berarti bahwa alat ini mempunyai dua gerbang terpisah. Salah satu penggunaan alat seperti ini adalah untuk membangun penguat kaskode. Biasanya penguat kaskode digunakan dalam rangkaianrangkaian RF. MOSFET tipe peningkatan telah membuat pengaruh yang paling besar pada rangkaian-rangkaian digital. Salah satu alasannya ialah karena kebutuhan daya yang rendah. Alasan lainnya ialah karena luas ruangan dibutuhkan pada sebuah serpihan (chip) kecil. Dengan kata lain pabrik dapat meletakkan lebih banyak transistor MOS pada sebuah serpihan daripada transistor bipolar. Inilah alasannya mengapa MOSFET digunakan pada perpadua skala-bear untuk mikroprosesor, memori, dan alat-alat lain yang membutuhkan ribuan transistor pada sebuah sebuah serpihan. Kegunaan umum MOSFET pada rangkaian Elektronik :  Sebagai Penguat, Contoh : Amplifier Audio  Sebagai Pembangkit, Contoh : Pada Pemancar Radio.  Sebagai Saklar, Contoh : Pada Rangkain Inverter DC-AC  Sebagai Pencampur , Contoh : Pada rangkain Mixer Radio. F.



15



BAB II PEMBAHASAN A. CONTOH RANGKAIAN Disini kami memakai E-Mosfet pada rangkaian pendeteksi suhu rangkaian. E-mosfet berguna sebagai saklar.



Komponen yang dibutuhkan :  Baterai 9 volt  Resistor 330 Ω  2 Resistor 10K Ω  Termistor tipe NTC (negative thermal coefisien)  LED  E-Mosfet channel N



16



DAFTAR PUSTAKA Surjono, Herman Dwi. 2008. Elektronika Analog. Jember: Penerbit Cerdas Ulet Kreatif. Politeknik Bosowa. 2013. Elektronika Analog. ( diambil tanggal 24 September 2014) Malvino, Albert Paul. 2000. Prinsip-Prinsip Elektronika jilid 1. Terjemahan Muhammad Barmawi. Jakarta: Erlangga. Malvino,Alber Paul. 1997. Aproksimasi Rangkaian Semikonduktor. Terjemahan M. Barmawi dan M. O. Tjia. Jakarta: Erlangga. Anonim. 2012. LED (Light emitting Dioda). http://elektronika-dasar.web.id/komponen/ledlight-emitting-dioda/ (diakses pada tanggal 5 Oktober 2014) Anonim. 2012. Sensor Suhu Termistor. http://elektronika-dasar.web.id/komponen/sensortranducer/sensor-suhu-termistor/ (diakses pada tanggal 5 Oktober 2014)



17