Karakteristik Transistor JFET

Junction Field Effect Transistor, atau JFET, adalah perangkat semikonduktor unipolar tiga terminal yang dikontrol tegangan yang tersedia dalam konfigurasi channel-N dan channel-P.

Dalam tutorial Bipolar Junction Transistor atau Tansistor BJT, kami melihat bahwa arus Collector output dari transistor sebanding dengan arus input yang mengalir ke perangkat terminal Base, sehingga menjadikan transistor bipolar perangkat yang dioperasikan “ARUS” (model Beta) sebagai arus yang lebih kecil. dapat digunakan untuk mengganti arus beban yang lebih besar.

Field Effect Transistor, atau hanya FET, menggunakan tegangan yang diterapkan pada terminal input mereka, yang disebut Gerbang untuk mengontrol arus yang mengalir melalui mereka menghasilkan arus output yang sebanding dengan tegangan input. Karena operasi mereka bergantung pada medan listrik (karenanya namanya efek medan) yang dihasilkan oleh tegangan Gerbang input, ini kemudian menjadikan Transistor FET perangkat yang dioperasikan “TEGANGAN”.

Transistor FET adalah perangkat semikonduktor unipolar tiga terminal yang memiliki karakteristik yang sangat mirip dengan Transistor Bipolar dan lainya. Misalnya, efisiensi tinggi, operasi instan, kuat, dan murah serta dapat digunakan di sebagian besar aplikasi rangkaian elektronik untuk menggantikan transistor BJT.

Transistor FET dapat dibuat jauh lebih kecil daripada transistor BJT yang setara dan seiring dengan konsumsi daya yang rendah dan disipasi daya menjadikannya ideal untuk digunakan dalam rangkaian terintegrasi seperti kisaran CMOS dari chip logika digital.

Kita ingat dari tutorial sebelumnya bahwa ada dua jenis dasar konstruksi transistor bipolar NPN dan transistor bipolar PNP, yang pada dasarnya menggambarkan pengaturan fisik bahan semikonduktor tipe-P dan tipe-N tempat pembuatannya. Ini juga berlaku untuk FET karena ada juga dua klasifikasi dasar Transistor FET, yang disebut N-channel FET dan P-channel FET.

Transistor FET adalah perangkat tiga terminal yang dibangun tanpa PN-junction dalam jalur pembawa arus utama antara terminal Drain dan Source. Terminal-terminal ini sesuai fungsinya masing-masing untuk Collector dan Emitter dari transistor bipolar. Jalur arus antara dua terminal ini disebut “channel” yang dapat dibuat dari bahan semikonduktor tipe-P atau tipe-N.

Kontrol arus yang mengalir di channel ini dicapai dengan memvariasikan tegangan yang diterapkan ke Gerbang. Seperti namanya, Transistor Bipolar adalah perangkat “Bipolar” karena mereka beroperasi dengan kedua jenis pembawa muatan, Holes dan Elektron. Transistor FET di sisi lain adalah perangkat “Unipolar” yang hanya bergantung pada konduksi elektron (channel-N) atau holes (channel-P).

Transistor FET memiliki satu kelebihan besar atas transistor bipolar standar, dalam impedansi input mereka, ( Rin ) sangat tinggi, (ribuan Ohm), sedangkan BJT relatif rendah. Impedansi input yang sangat tinggi ini membuatnya sangat sensitif terhadap sinyal tegangan input, tetapi harga sensitivitas tinggi ini juga berarti bahwa mereka dapat dengan mudah dirusak oleh listrik statis.

Ada dua jenis utama dari transistor FET, Junction Field Effect Transistor atau J-FET dan Insulated-gate Field Effect Transistor atau IG-FET, yang lebih dikenal sebagai Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor atau MOSFET.

Transistor JFET

Kita telah melihat sebelumnya bahwa transistor BJT dibangun menggunakan dua PN-junction di jalur pembawa arus utama antara terminal Emitter dan Collector. Junction Field Effect Transistor (JUGFET atau JFET) tidak memiliki PN-junction tetapi memiliki sepotong sempit bahan semikonduktor resistivitas tinggi membentuk “Channel” baik tipe-N atau tipe-P silikon untuk pembawa mayoritas mengalir melalui dua koneksi listrik ohmik di kedua ujungnya masing-masing disebut Drain dan Source.

Ada dua konfigurasi dasar transistor JFET, N-channel JFET dan P-channel JFET. Kemudian saluran N-channel JFET didoping dengan pengotor donor yang berarti bahwa aliran arus melalui channel negatif (maka istilah N-channel) dalam bentuk elektron.

Demikian juga, saluran P-channel JFET didoping dengan pengotor donor yang berarti bahwa aliran arus melalui channel adalah positif (maka istilah P-channel) dalam bentuk holes. N-channel JFET memiliki konduktivitas channel yang lebih besar (resistansi yang lebih rendah) daripada tipe P-channel yang setara, karena elektron memiliki mobilitas yang lebih tinggi melalui konduktor dibandingkan dengan holes. Ini membuat JFET N-channel menjadi konduktor yang lebih efisien dibandingkan dengan P-channel.

Kami telah mengatakan sebelumnya bahwa ada dua koneksi listrik ohmik di kedua ujung channel yang disebut Drain dan Source. Tetapi di dalam channel ini ada sambungan listrik ketiga yang disebut terminal Gerbang dan ini juga bisa berupa material tipe-P atau tipe-N yang membentuk PN-junction dengan channel utama.

Hubungan antara koneksi transistor JFET dan transistor BJT dibandingkan di bawah ini.

Perbandingan Koneksi antara JFET dan BJT

Transistor BJT	Transistor FET
Emitter – (E) >> Source – (S) Baca Juga Mengenal Komponen Transistor Transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Transistor UJT dan Osilator Relaksasi UJT
Base – (B) >> Gate – (G)
Collector – (C) >> Drain – (D)

Simbol dan konstruksi dasar untuk kedua konfigurasi JFET ditunjukkan di bawah ini.

Channel semikonduktor dari Transistor JFET adalah jalur resistif di mana tegangan V_DS menyebabkan arus I_D mengalir dan dengan demikian transistor JFET dapat menghantarkan arus yang sama baiknya di kedua arah. Karena channel bersifat resistif, gradien tegangan dengan demikian dibentuk sepanjang channel dengan tegangan ini menjadi kurang positif ketika kita pergi dari terminal Drain ke terminal Source.

Hasilnya adalah bahwa PN-junction memiliki reverse bias yang tinggi di terminal Drain dan reverse bias yang lebih rendah di terminal Source. Bias ini menyebabkan “lapisan penipisan” terbentuk di dalam channel dan yang lebarnya bertambah dengan bias.

Besarnya arus yang mengalir melalui channel antara terminal Drain dan Source dikontrol oleh tegangan yang diterapkan pada terminal Gerbang, yang merupakan reverse bias. Dalam JFET N-channel, tegangan Gerbang ini negatif sedangkan untuk JFET P-channel tegangan Gerbang positif.

Perbedaan utama antara perangkat JFET dan BJT adalah bahwa ketika persimpangan (junction) JFET adalah reverse bias, arus Gerbang praktis nol, sedangkan arus Base BJT selalu beberapa nilai lebih besar dari nol.

Biasing dari JFET N-channel

Diagram penampang di atas menunjukkan channel semikonduktor tipe-N dengan wilayah tipe-P yang disebut Gerbang disebarkan ke channel tipe-N membentuk persimpangan PN-junction bias dan junction inilah yang membentuk daerah penipisan di sekitar area Gerbang saat tidak ada tegangan eksternal yang diterapkan. JFET dikenal sebagai perangkat mode deplesi atau penipisan.

Daerah penipisan ini menghasilkan gradien potensial dengan ketebalan bervariasi di sekitar PN-junction dan membatasi aliran arus melalui channel dengan mengurangi lebar efektifnya dan dengan demikian meningkatkan keseluruhan ketahanan channel itu sendiri.

Kemudian kita dapat melihat bahwa bagian yang paling menipis dari wilayah penipisan adalah di antara Gerbang dan Drain, sedangkan daerah yang paling tidak habis adalah antara Gerbang dan Source. Kemudian channel JFET berjalan dengan tegangan bias nol diterapkan (yaitu, daerah penipisan memiliki lebar mendekati nol).

Tanpa tegangan Gerbang eksternal ( V_G = 0 ), dan tegangan kecil ( V_DS ) diterapkan antara Drain dan Source, arus saturasi maksimum ( I_DSS ) akan mengalir melalui channel dari Drain ke Source yang dibatasi hanya oleh daerah penipisan kecil di sekitar persimpangan.

Jika tegangan negatif kecil ( -V_GS ) sekarang diterapkan ke Gerbang, ukuran wilayah penipisan mulai meningkat mengurangi keseluruhan area efektif channel dan dengan demikian mengurangi arus yang mengalir melaluinya, semacam efek “memeras” mengambil tempat. Jadi dengan menerapkan tegangan reverse bias meningkatkan lebar wilayah penipisan yang pada gilirannya mengurangi konduksi channel.

Karena PN-junction reverse bias, sedikit arus akan mengalir ke koneksi gerbang. Karena tegangan Gerbang ( -V_GS ) dibuat lebih negatif, lebar channel berkurang hingga tidak ada lagi arus yang mengalir antara Drain dan Source dan FET dikatakan “terjepit” (mirip dengan cut-off wilayah untuk BJT). Tegangan di mana channel ditutup disebut “pinch-off voltage”, ( V_P ).

Channel JFET Terjepit

Di wilayah terjepit ini tegangan Gerbang, V_GS mengontrol arus channel dan V_DS memiliki sedikit atau tidak ada efek.

Hasilnya adalah bahwa FET bertindak lebih seperti Resistor yang dikontrol tegangan yang memiliki resistansi nol ketika V_GS = 0 dan resistansi “ON” ( R_DS) maksimum ketika tegangan Gerbang sangat negatif. Dalam kondisi operasi normal, gerbang JFET selalu bias negatif terhadap sumber.

Sangat penting bahwa tegangan Gerbang tidak pernah positif karena jika semua arus channel akan mengalir ke Gerbang dan bukan ke Source, hasilnya adalah kerusakan pada JFET. Kemudian untuk menutup channel:

Tidak ada Tegangan Gerbang ( V_GS ) dan V_DS meningkat dari nol.
Tidak ada V_DS dan kontrol Gerbang yang diturunkan negatif dari nol.
V_DS dan V_GS bervariasi.

Transistor JFET P-channel beroperasi persis sama dengan N-channel di atas, dengan pengecualian berikut: 1). Arus channel positif karena hole, 2). Polaritas bias tegangan perlu terbalik (reversed).

Karakteristik output dari N-channel JFET dengan gerbang short ke Source diberikan sebagai:

Kurva Karakteristik V-I Output dari Transistor JFET

Tegangan V_GS yang diterapkan ke Gerbang mengontrol arus yang mengalir antara Drain dan terminal Source. V_GS mengacu pada tegangan yang diterapkan antara Gerbang dan Source sementara V_DS mengacu pada tegangan yang diterapkan antara Drain dan Source.

Karena Transistor JFET adalah perangkat yang dikontrol tegangan, “TIDAK ada arus yang mengalir ke gerbang!” Maka arus Source ( I_S ) yang mengalir keluar dari perangkat sama dengan arus Drain yang mengalir ke dalamnya dan karenanya ( I_D = I_S ).

Contoh kurva karakteristik yang ditunjukkan di atas, menunjukkan empat wilayah operasi yang berbeda untuk JFET dan ini diberikan sebagai:

Daerah Ohmik – Ketika V_GS = 0 lapisan penipisan channel sangat kecil dan JFET bertindak seperti resistor yang dikontrol tegangan.
Wilayah Cut-off – Ini juga dikenal sebagai wilayah pinch-off (terjepit) adalah tegangan Gerbang-Source, V_GS cukup untuk menyebabkan JFET bertindak sebagai rangkaian terbuka karena resistansi channel maksimum.
Saturasi atau Wilayah Aktif – JFET menjadi konduktor yang baik dan dikendalikan oleh tegangan Gerbang-Source, (V_GS) sementara tegangan Source-Drain, (V_DS) memiliki sedikit atau tidak ada efek.
Wilayah Breakdown – Tegangan antara Drain dan Source, (V_DS) cukup tinggi untuk menyebabkan channel resistif JFET rusak dan melewatkan arus maksimum yang tidak terkontrol.

Kurva karakteristik untuk transistor JFET P-channel adalah sama dengan yang di atas, kecuali bahwa arus Drain I_D berkurang dengan meningkatnya tegangan Gate-Source positif, V_GS.

Arus Drain adalah nol ketika V_GS = V_P. Untuk operasi normal, V_GS bias berada di suatu tempat antara V_P dan 0. Kemudian kita dapat menghitung arus Drain, I_D untuk setiap titik bias yang diberikan dalam saturasi atau wilayah aktif sebagai berikut:

Arus Drain di Wilayah Aktif.

Perhatikan bahwa nilai arus Drain akan berada di antara nol (pinch-off) dan I_DSS (arus maksimum). Dengan mengetahui arus Drain I_D dan tegangan Drain-Source V_DS, resistansi channel ( R_DS ) diberikan sebagai:

Resistansi Channel Drain-Source

Dimana: g_m adalah “transkonduktansi gain” karena JFET adalah perangkat dikendalikan tegangan dan yang merupakan laju perubahan arus Drain sehubungan dengan perubahan Gerbang-Source tegangan.

Mode FET

Seperti transistor BJT, transistor FET yang menjadi perangkat tiga terminal mampu memiliki tiga mode operasi yang berbeda dan oleh karena itu dapat dihubungkan dalam suatu rangkaian dalam salah satu dari konfigurasi berikut.

Konfigurasi Common-Source (CS)

Dalam konfigurasi Common Source (mirip dengan Common Emitter), input diterapkan ke Gerbang dan outputnya diambil dari Drain seperti yang ditunjukkan. Ini adalah mode operasi FET yang paling umum karena impedansi inputnya yang tinggi dan amplifikasi tegangan yang baik dan karena itu penguat Common-Source seperti itu banyak digunakan.

Mode Common-Source dari koneksi FET umumnya menggunakan penguat frekuensi audio dan pada pre-amp dan stage impedansi input tinggi. Sebagai rangkaian penguat, sinyal output adalah 180° “out-of-phase” dengan input.

Konfigurasi Common-Gate (CG)

Dalam konfigurasi Common Gate (mirip dengan Common-Base), input diterapkan ke Source dan outputnya diambil dari Drain dengan Gerbang yang terhubung langsung ke ground (0v) seperti yang ditunjukkan. Fitur impedansi input tinggi dari koneksi sebelumnya hilang dalam konfigurasi ini karena Common-Gerbang memiliki impedansi input rendah, tetapi impedansi output tinggi.

Jenis konfigurasi FET ini dapat digunakan dalam rangkaian frekuensi tinggi atau dalam rangkaian pencocokan impedansi jika impedansi input yang rendah perlu dicocokkan dengan impedansi output yang tinggi. outputnya “in-phase” dengan input.

Konfigurasi Common-Drain (CD)

Dalam konfigurasi Common Drain (mirip dengan Common Collector), input diterapkan ke Gerbang dan outputnya diambil dari Source. Konfigurasi Common-Drain atau “Source Follower” memiliki impedansi input yang tinggi dan impedansi output yang rendah dan penguatan tegangan yang mendekati satu sehingga digunakan dalam penguat buffer. Gain tegangan dari konfigurasi Pengikut Source kurang dari satu, dan sinyal output “in-phase”, 0° dengan sinyal input.

Jenis konfigurasi ini disebut sebagai “Common Drain” karena tidak ada sinyal yang tersedia pada koneksi Drain, tegangan yang ada, +V_DD hanya memberikan bias. Output dalam fasa dengan input.

Penguat JFET

Seperti halnya transistor BJT, transistor JFET dapat digunakan untuk membuat rangkaian Penguat Kelas A dengan penguat Common-Source JFET dan karakteristiknya sangat mirip dengan rangkaian Common-Emitter BJT. Keuntungan utama yang dimiliki penguat JFET dibandingkan penguat BJT adalah impedansi inputnya yang tinggi yang dikendalikan oleh jaringan resistif biasing Gerbang yang dibentuk oleh R1 dan R2 seperti yang ditunjukkan.

Biasing dari Penguat JFET

Rangkaian penguat Common-Source (CS) ini bias dalam mode kelas “A” oleh jaringan pembagi tegangan yang dibentuk oleh resistor R1 dan R2. Tegangan resistor Source R_S umumnya ditetapkan menjadi sekitar seperempat dari V_DD, ( V_DD/4 ), tetapi dapat berupa nilai wajar.

Tegangan Gerbang yang dibutuhkan kemudian dapat dihitung dari nilai R_S ini. Karena arus Gerbang adalah nol, ( I_G = 0 ) kita dapat mengatur tegangan diam DC yang diperlukan dengan pemilihan resistor R1 dan R2 yang tepat.

Kontrol arus Drain oleh potensial Gerbang negatif membuat Transistor JFET berguna sebagai sakelar dan sangat penting bahwa tegangan Gerbang tidak pernah positif untuk JFET channel-N karena arus channel akan mengalir ke Gerbang dan bukan ke Drain mengakibatkan kerusakan pada JFET. Prinsip-prinsip operasi untuk P-channel JFET sama dengan untuk N-channel JFET, kecuali bahwa polaritas tegangan perlu dibalik.

Dalam tutorial berikutnya tentang Transistor, kita akan melihat tipe lain dari Transistor JFET yang disebut transistor MOSFET yang koneksi Gerbang-nya sepenuhnya terisolasi dari channel pembawa arus utama.