Field Effect Transistor (FET) [PDF]

Citation preview

A. Field Effect Transistor (FET) Pengertian Field Effect Transistor atau biasa disebut sebagai Efek Medan Transistor merupakan komponen semikonduktor yang sering difungsikan sebagai penguat atau amplifier seperti transistor persambungan bipolar (BJT). Bedanya adalah konstruksi FET memberikan resistansi input yang sangat besar (dalam orde megaohm). Field Effect Transistor (FET) dalam bahasa Indonesia disebut dengan Transistor Efek Medan. Dikatakan Field Effect atau Efek Medan karena pengoperasian Transistor jenis ini tergantung pada tegangan (medan listrik) yang terdapat pada Input Gerbangnya. FET merupakan Komponen Elektronika yang tergolong dalam keluarga Transistor yang memilki Tiga Terminal Kaki yaitu Gate (G), Drain (D) dan Source (S).



Bagian-bagian FET FET terdiri dari empat bagian yaitu : 



 







Sumber (Source ) adalah terminal dimana pembawa muatan memasuki kanal untuk menyediakan arus dalam kanal. Arus sumber diberi simbol IS. Sumber atau source ekivalen dengan emitter pada BJT. Penguras (Drain) adalah terminal dimana arus meninggalkan kanal. Arus drain diberi simbol ID. Drain ekivalen dengan Collector pada BJT. 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. Kanal (Channel) adalah saluran penghubung antara source dengan drain yang memungkinkan muatan bergerak dari source ke drain.



Jenis-jenis Field Effect Transistor (FET) Pada dasarnya terdapat dua jenis klasifikasi utama pada Field Effect Transistor atau FET ini, kedua jenis tersebut diantaranya adalah JFET (Junction Field Effect Transistor) dan MOSFET (Metal Oxide Semiconduction Field Effect Transistor).



1. Junction FET (JFET) JFET terdiri atas kanal-P dan kanal-N. JFET adalah komponen tiga terminal dimana salah satu terminal dapat mengontrol arus antara dua terminal lainnya. JFET terdiri atas dua jenis, yakni kanal-N dan kanal-P, sebagaimana transistor terdapat jenis NPN dan PNP. Salah satu kegunaan JFET adalah ssebagai saklar sekaligus penguat. Membangun sebuah penguat tergandeng dengan langsung dengan mengambil kapasitor penggandeng dan bypass kapasitor serta menghubungkan keluaran tiap tingkatan langung pada tingkatan berikutnya. Cara Kerja JFET pada prinsipnya seperti kran air yang mengatur aliran air pada pipa. Elektron atau Hole akan mengalir dari Terminal Source (S) ke Terminal Drain (D). Arus pada Outputnya yaitu Arus Drain (ID) akan sama dengan Arus Inputnya yaitu Arus Source (IS). Prinsip kerja tersebut sama dengan prinsip kerja sebuah pipa air di rumah kita dengan asumsi tidak ada kebocoran pada pipa air kita. Besarnya arus listrik tergantung pada tinggi rendahnya Tegangan yang diberikan pada Terminal Gerbangnya (GATE (G)). Fluktuasi Tegangan pada Terminal Gate (VG) akan menyebabkan perubahan pada arus listrik yang melalui saluran IS atau ID. Fluktuasi yang kecil dapat menyebabkan variasi yang cukup besar pada arus aliran pembawa muatan yang melalui JFET tersebut. Dengan demikian terjadi penguatan Tegangan pada sebuah rangkaian Elektronika. Junction FET atau sering disingkat dengan JFET memiliki 2 tipe berdasarkan tipe bahan semikonduktor yang digunakan pada saluran atau kanalnya. JFET tipe N-Channel (Kanal N) terbuat dari bahan Semikonduktor tipe N dan P-Channel (Kanal P) yang terbuat dari Semikonduktor tipe P.



JFET Kanal-N Berikut dibawah ini adalah gambar struktur dasar JFET jenis Kanal-N.



Saluran atau Kanal pada jenis ini terbentuk dari bahan semikonduktor tipe N dengan satu ujungnya adalah Source (S) dan satunya lagi adalah Drain (D). Mayoritas pembawa muatan atau Carriers pada JFET jenis Kanal-N ini adalah Elektron. Gate atau Gerbang pada JFET jenis Kanal-N ini terdiri dari bahan semikonduktor tipe P. Bagian lain yang terbuat dari Semikonduktor tipe P pada JFET Kanal-N ini adalah bagian yang disebut dengan Subtrateyaitu bagian yang membentuk batas di sisi saluran berlawanan Gerbang (G). Tegangan pada Terminal Gerbang (G) menghasilkan medan listrik yang mempengaruhi aliran pada pembawa muatan yang melalui saluran tersebut. Semakin Negatifnya VG, semakin sempit pula salurannya yang akhirnya mengakibatkan semakin kecil arus pada outputnya (ID).



JFET Kanal-P Berikut dibawah ini adalah gambar struktur dasar JFET jenis Kanal-P.



Saluran pada JFET jenis Kanal-P terbuat dari Semikonduktor tipe P. Mayoritas pembawa muatannya adalah Hole. Bagian Gate atau Gerbang (G) dan Subtrate-nya terbuat dari bahan Semikonduktor tipe N. Di JFET Kanal-P, semakin Positifnya VG, semakin sempit pula salurannya yang akhirnya mengakibatkan semakin kecilnya arus pada Output JFET (ID). Dari Simbolnya, kita dapat mengetahui mana yang JFET Kanal-N dan JFET Kanal-P. Anak Panah pada simbol JFET Kanal-N adalah menghadap ke dalam sedangkan anak panah pada simbol JFET Kanal-P menghadap keluar.



Aplikasi JFET  Low Noise dan High Input Impedance Amplifier Kebisingan adalah gangguan yang tidak diinginkan yang mengganggu sinyal - semakin besar noise mengurangi informasi. Perangkat elektronik energi menyebabkan sejumlah gangguan. Jika FET digunakan di bagian depan, mendapatkan jumlah noise lebih sedikit pada output.  Saklar Analog atau Gerbang - Switch JFET dapat digunakan sebagai saklar ON/OFF yang mengontrol daya listrik.



 Penguat Beredam Rendah Harus memiliki impedansi input yang sangat tinggi dan impedansi output yang rendah. Karena impedansi I/P yang tinggi dan impedansi keluaran yang rendah, FET bertindak sebagai penguat buffer yang besar.  Sumber Arus Konstan Tegangan suplai di seluruh beban. Untuk meningkatkan beban yang berlebihan mendorong JFET ke wilayah aktif. bertindak sebagai sumber arus.  Radio Frequency Amplifier JFET baik dalam operasi Sinyal Arus Rendah karena merupakan perangkat semikonduktor yang dikendalikan tegangan. Memiliki tingkat kebisingan yang sangat rendah. Digunakan sebagai Penguat RF bagian Penerima Komunikasi.  Saklar Analog atau Gerbang JFET dapat digunakan sebagai saklar ON/OFF yang mengontrol daya listrik.



Karakteristik JFET Source dengan Gate terhubung singkat (VGS = 0 Volt) Pada saat tegangan VDS diberikan dengan polaritas tertentu (sesuai dengan tipe kanal), maka muatan akan bergerak dari Source ke Drain atau disebut arus drain (ID). Besar arus drain ditentukan oleh besarnya tegangan VDS dan resistansi kanal. Besarnya arus drain berubah secara linier terhadap nilai VDS atau bersifat resistive. Arus drain ID yang mengalir dalam kanal menyebabkan terjadinya jatuh tegangan (Voltage Drop) sepanjang kanal karena adanya resistansi kanal. Makin dekat ke Drain jatuh tegangan makin besar. Jatuh tegangan dalam kanal menjadi tegangan pembias balik pada persambungan P-N antara kanal dengan gate. Akibatnya lapisan pengosongan pada persambungan P-N antara Gate-kanal menjadi semakin melebar yang menyebabkan kanal menyempit.Penyempitan kanal ekivalen dengan kenaikan resistansi Akibatnya arus yang mengalir melalui kanal menjadi terbatas dan cenderung konstan. Karena itu FET biasa disebut sebagai piranti dengan arus konstan (Constant Current Devices).



Source - Gate diberi Bias Balik



Pemberian tegangan bias balik antara Source dengan Gate akan memperbesar tegangan pembias balik pada persambungan Gate-Kanal yang menyebabkan kanal akan semakin sempit dan arus yang bisa dilewatkan akan semakin kecil. Pemberian tegangan bias balik VGS pada level tertentu akan menyebabkan kanal tersumbat atau dengan kata lain arus sama dengan nol atau FET dalam keadaan Off.



2. MOSFET MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) adalah sebuah perangkat semionduktor yang digunakan sebagai switch dan sebagai penguat sinyal pada perangkat elektronik. Fungsinya biasanya digunakan pada rangkaian power supply jenis switching untuk menghasilkan tegangan tinggi untuk menggerakkan trafo. Kerja MOSFET bergantung pada kapasitas MOS. Kapasitas MOS adalah bagian utama dari MOSFET. Permukaan semikonduktor pada lapisan oksida di bawah yang terletak di antara terminal sumber dan saluran pembuangan. Hal ini dapat dibalik dari tipe-p ke n-type dengan menerapkan tegangan gerbang positif atau negatif masing-masing. Ketika kita menerapkan tegangan gerbang positif, lubang yang ada di bawah lapisan oksida dengan gaya dan beban yang menjijikkan didorong ke bawah dengan substrat. Daerah penipisan dihuni oleh muatan negatif terikat yang terkait dengan atom akseptor. Elektron mencapai saluran terbentuk. Tegangan positif juga menarik elektron dari sumber n dan mengalirkan daerah ke saluran. Sekarang, jika voltase diterapkan antara saluran pembuangan dan sumber, arus mengalir bebas antara sumber dan saluran pembuangan dan tegangan gerbang mengendalikan elektron di saluran. Alih-alih tegangan positif jika kita menerapkan tegangan negatif, saluran lubang akan terbentuk di bawah lapisan oksida. Mosfet memiliki dua mode, mode pertama adalah depletion mode dan Enhancement Mode.



Depletion Mode: Ketika tidak ada tegangan pada Gate maka kondusi channel berada pada kondisi maksimum. Karena tegangan pada gerbang positif atau negative konduksi pada channel menurun.



Enhancement Mode Ketika tidak ada tegangan pada Gate, MOSFET tidak akan bersifat konduksi. Tegangan yang meningkat pada Gate, maka sifat konduksi pada Channel semakin lebih baik.



MOSFET pada dasarnya terdiri dari 2 tipe yaitu MOSFET tipe N dan MOSFET tipe P.



MOSFET tipe N Struktur N-Channel Mosfet atau disebut dengan NMOS terdiri dari subtract tipe P dengan daerah Source dan Drain deberi Difusi N+. Diantara daerah Source dan Drain terdapat sebuah celah sempit dari subtract P yang di sebut dengan channel yang di tutupi oleh isolator yang terbuat dari Si02



MOSFET tipe P P-Channel MOSFET memiliki wilayah P-Channel diantara Source dan Drain. Dia memiliki empat terminal seperti Gate, Drain, Source dan Body. Struktur Transistor PMOS terdiri atas tipe-n dengan daerah Source dan Drain diberi difusi P+.



3. OP-AMP (Operational Amplifier) Operational Amplifier atau lebih dikenal dengan istilah Op-Amp adalah salah satu dari bentuk IC Linear yang berfungsi sebagai Penguat Sinyal listrik. Sebuah OpAmp terdiri dari beberapa Transistor, Dioda, Resistor dan Kapasitor yang terinterkoneksi dan terintegrasi sehingga memungkinkannya untuk menghasilkan Gain (penguatan) yang tinggi pada rentang frekuensi yang luas. Dalam bahasa Indonesia, Op-Amp atau Operational Amplifier sering disebut juga dengan Penguat Operasional.



Op-Amp umumnya dikemas dalam bentuk IC, sebuah IC Op-Amp dapat terdiri dari hanya 1 (satu) rangkaian Op-Amp atau bisa juga terdiri dari beberapa rangkaian Op-Amp. Jumlah rangkaian Op-Amp dalam satu kemasan IC dapat dibedakan menjadi Single Op-Amp, dual Op-Amp dan Quad Op-Amp. Ada juga IC yang didalamnya terdapat rangkaian Op-Amp disamping rangkaian utama lainnya.



Sebuah rangkaian Op-Amp memiliki dua input (masukan) yaitu satu Input Inverting dan satu Input Non-inverting serta memiliki satu Output (keluaran). Sebuah Op-Amp juga memiliki dua koneksi catu daya yaitu satu untuk catu daya positif dan satu lagi untuk catu daya negatif. Bentuk Simbol Op-Amp adalah Segitiga dengan garis-garis Input, Output dan Catu dayanya seperti pada gambar dibawah ini. Salah satu tipe IC Op-Amp yang populer adalah IC741. 



Aplikasi OP-AMP Terdapat banyak sekali penggunaan dari penguat operasional dalam berbagai jenis sirkuit listrik. Di bawah ini ada beberapa penggunaan umum dari penguat operasional dalam contoh sirkuit :



1. Penguat Pembalik ( Inverting amplifier ) Inverting amplifier ini, input dengan outputnya berlawanan polaritas. Jadi ada tanda minus pada rumus penguatannya. Penguatan inverting amplifier adalah bisa lebih kecil nilai besaran dari 1, misalnya -0.2 , -0.5 , -0.7 , dst dan selalu negatif. Rumus nya :



Rangkaian dari Inverting adalah seperti gambar berikut :



2. Penguat Tak pembalik (Non Inverting Amplifier ) Penguat Non Inverting amplifier merupakan kebalikan dari penguat inverting,dimana Input dimasukkan pada input non inverting sehingga polaritas output akan sama dengan polaritas input tapi memiliki penguatan yang tergantung dari besarnya Rfeedback dan Rinput.



sehingga persamaan menjadi :



Hasil tegangan output noninverting ini akan lebih dari satu dan selalu positif.



Rangkaian nya adalah seperti pada gambar berikut ini :



3. Komparator (rangkaian pembanding ) Merupakan salah satu aplikasi yang memanfaatkanpenguatan terbuka (open-loop gain) penguat operasional yang sangat besar. Ada jenis penguat operasional khusus yang memang difungsikan semata-mata untuk penggunaan ini dan agak berbeda dari penguat operasional lainnya dan umum disebut juga dengan komparator . Komparator membandingkan dua tegangan listrik dan mengubah keluarannya untuk menunjukkan tegangan mana yang lebih tinggi. di mana Vs adalah tegangan catu daya dan penguat operasional beroperasi di antara + Vs dan −Vs.)



Berikut gambar rangkaian dari Komparator :



4.Buffer Rangkaian buffer adalah rangkaian yang inputnya sama dengan hasil outputnya. Dalam hal ini seperti rangkaian common colektor yaitu berpenguatan = 1. Rangkaiannya seperti pada gambar berikut ini.



Nilai R yang terpasang gunanya untuk membatasi arus yang di keluarkan. Besar nilainya tergantung dari indikasi dari komponennya, biasanya tidak dipasang alias arus dimaksimalkan sesuai dengan kemampuan op-ampnya. 5. Adder / Penjumlah Rangkaian penjumlah atau rangkaian adder adalah rangkaian penjumlah yang dasar rangkaiannya adalah rangkaian inverting amplifier dan hasil outputnya adalah dikalikan dengan penguatan seperti pada rangkaian inverting.Rangkaian penjumlah dengan menggunakan non inverting sangat suah dilakukan karena tegangan yang diparalel akan menjadi tegangan terkecil yang ada, sehingga susah terjadi proses penjumlahan. 6. Subtractor / Pengurang Rangkaian pengurang ini berasal dari rangkaian inverting dengan memanfaatkan masukan non-inverting, sehingga persamaannya menjadi sedikit ada perubahan. Rangkaian ini bisa terdiri 3 macam yaitu : a. Rangkaian dengan 1 op-amp Rangkaian pengurang dengan 1 op-amp ini memanfaatkan kaki inverting dan kaki noninverting. b. Rangkaian dengan 2 op-amp Rangkaian pengurang dengan 2 op-amp tidak jauh berbeda dengan satu opamp, yaitu salah satu input dikuatkan dulu kemudian dimasukkan ke rangkaian pengurang 7. Differensiator Mendiferensiasikan sinyal hasil pembalikan terhadap waktu dengan persamaan :



di mana



dan



adalah fungsi dari waktu.



Pada dasarnya diferensiator dapat juga dibangun dari integrator dengan cara mengganti kapasitor dengan induktor, namun tidak dilakukan karena harga induktor yang mahal dan bentuknya yang besar. Diferensiator dapat juga dilihat sebagai tapis pelewat-rendah dan dapat digunakan sebagai tapis aktif.



8. Penguat Integrator (Integrator Amplifier ) Penguat ini mengintegrasikan tegangan masukan terhadap waktu, dengan persamaan :



di mana adalah waktu dan



adalah tegangan keluaran pada



.



Sebuah integrator dapat juga dipandang sebagai tapis pelewat-tinggi dan dapat digunakan untuk rangkaian tapis aktif.