Karakteristik Transistor MOSFET

MOSFET beroperasi sama dengan JFET tetapi memiliki terminal gerbang yang terisolasi secara elektrik dari channel konduktif. Selain Junction Field Effect Transistor (JFET), ada jenis lain dari Field Effect Transistor yang tersedia yang input Gerbangnya diisolasi secara elektrik dari channel pembawa arus utama dan oleh karena itu disebut Transistor Efek Gerbang Terisolasi (IGFET).

Jenis yang paling umum dari gerbang terisolasi FET yang digunakan dalam berbagai jenis rangkaian elektronik disebut dengan Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor atau MOSFET.

IGFET atau MOSFET adalah transistor efek medan dikontrol tegangan yang berbeda dari JFET ini bahwa ia memiliki “Metal Oxide” Gerbang elektroda yang elektrik terisolasi dari semikonduktor utama n-channel atau p-channel oleh lapisan sangat tipis dari bahan isolasi biasanya silikon dioksida, umumnya dikenal sebagai kaca.

Elektroda gerbang logam terisolasi ultra tipis ini dapat dianggap sebagai satu plat Kapasitor. Isolasi Gerbang pengontrol membuat resistansi input MOSFET sangat tinggi di wilayah Mega-ohm ( MΩ ) sehingga membuatnya hampir tak terbatas.

Karena terminal Gerbang terisolasi secara elektrik dari channel pembawa arus utama antara Drain dan Source, “TIDAK ada arus mengalir ke gerbang” dan seperti halnya JFET, MOSFET juga bertindak seperti Resistor yang dikendalikan tegangan di mana arus mengalir melalui channel utama antara Drain dan Source sebanding dengan tegangan input. Juga seperti JFET, MOSFET yang sangat tinggi resistansi input dapat dengan mudah mengakumulasi sejumlah besar muatan statis sehingga MOSFET menjadi mudah rusak kecuali ditangani atau dilindungi dengan hati-hati.

Seperti tutorial Transistor JFET sebelumnya, MOSFET adalah tiga perangkat terminal dengan Gerbang, Drain dan Source dan kedua P-channel MOSFET (PMOS) dan N-channel MOSFET (NMOS) tersedia. Perbedaan utama kali ini adalah bahwa MOSFET tersedia dalam dua bentuk dasar:

Jenis Deplesi (penipisan) – transistor memerlukan tegangan Gerbang-Source, ( V_GS ) untuk mengalihkan perangkat “OFF”. Mode deplesi MOSFET setara dengan sakelar NC “Normally Closed”.
Jenis Enhancement (peningkatan) – transistor memerlukan tegangan Gerbang-Source, ( V_GS ) untuk mengalihkan perangkat “ON”. Mode peningkatan MOSFET sama dengan sakelar NO “Normally Open”.

Untuk Simbol dan juga konstruksi dasar pada kedua konfigurasi MOSFET ditunjukkan di bawah ini.

Keempat simbol MOSFET di atas menunjukkan terminal tambahan yang disebut Substrate dan biasanya tidak digunakan sebagai input atau koneksi output tetapi sebaliknya digunakan untuk grounding substrat. Ini terhubung ke channel semikonduktif utama melalui persimpangan dioda ke bodi atau tab logam MOSFET.

Biasanya dalam MOSFET tipe diskrit, ujung media ini dihubungkan secara internal ke terminal Source. Ketika hal ini terjadi, seperti dalam jenis tambahan itu dihilangkan dari simbol untuk klarifikasi.

Line (garis) dalam simbol MOSFET antara koneksi Drain (D) dan Source (S) mewakili channel semikonduktif transistor. Jika channel ini merupakan channel padat yang tidak terputus maka ini mewakili tipe “Depletion” (normalnya ON) karena arus Drain dapat mengalir dengan potensial biasing gerbang nol.

Jika garis channel ditampilkan sebagai garis putus-putus atau putus, maka garis tersebut merepresentasikan MOSFET tipe “Enhancement” (normalnya OFF) sebagai arus mengalir nol dengan potensial nol gerbang. Arah panah yang menunjuk ke garis channel ini menunjukkan apakah channel konduktif adalah tipe semikonduktor tipe-P atau tipe-N.

Simbol dan Struktur Dasar MOSFET

Konstruksi MOSFET sangat berbeda dengan Junction FET. Baik tipe Deplesion dan Enhancement MOSFET menggunakan medan listrik yang dihasilkan oleh tegangan gerbang untuk mengubah aliran pembawa muatan, elektron untuk n-channel atau holes untuk P-channel, melalui channel Source-Drain semikonduktif. Gerbang elektroda ditempatkan di atas lapisan isolasi yang sangat tipis dan ada sepasang daerah tipe-n kecil di bawah Drain dan Source elektroda.

Kami melihat dalam tutorial sebelumnya, bahwa gerbang transistor JFET harus bias sedemikian rupa untuk reverse bias pn-junction. Dengan perangkat MOSFET gerbang terisolasi tidak ada batasan seperti itu berlaku sehingga dimungkinkan untuk bias gerbang MOSFET baik dalam polaritas, positif ( +ve ) atau negatif ( -ve ).

Ini membuat perangkat MOSFET sangat berharga sebagai sakelar elektronik atau untuk membuat gerbang logika karena tanpa bias mereka biasanya tidak berjalan dan resistansi input gerbang tinggi ini berarti sangat sedikit atau tidak ada arus kontrol yang diperlukan karena MOSFET adalah perangkat yang dikendalikan tegangan. MOSFET p-channel dan n-channel tersedia dalam dua bentuk dasar, tipe Enhancement (Peningkatan) dan tipe Deplesi (Penipisan).

Mode Deplesi (penipisan) MOSFET

Deplesi-mode MOSFET, yang kurang umum daripada jenis mode enhancement biasanya beralih “ON” (berjalan) tanpa penerapan tegangan bias gerbang. Itu adalah channel yang berjalan ketika V_GS = 0 menjadikannya perangkat yang “biasanya ditutup”. Simbol rangkaian yang ditunjukkan di atas untuk deplesi transistor MOS menggunakan garis channel padat untuk menandakan channel konduktif yang biasanya tertutup.

Untuk transistor MOS depesi n-channel, tegangan gerbang-Source negatif, -V_GS akan menghabiskan (karena namanya) channel konduktif dari elektron bebasnya yang memindahkan transistor “OFF”. Demikian juga untuk transistor MOS deplesi p-channel, tegangan gerbang-Source positif, +V_GS akan menguras channel hole bebasnya dan mengubahnya “OFF”.

Dengan kata lain, untuk mode deplesi n-channel MOSFET: +V_GS berarti lebih banyak elektron dan lebih banyak arus. Sedangkan -V_GS berarti lebih sedikit elektron dan lebih sedikit arus. Yang sebaliknya juga berlaku untuk tipe p-channel. Kemudian mode deplesi MOSFET setara dengan sakelar “normal-closed”.

Deplesi-mode N-Channel MOSFET dan Simbol Rangkaian

Deplesi-mode MOSFET dibangun dengan cara yang mirip dengan transistor JFET yaitu channel Drain-Source secara inheren konduktif dengan elektron dan hole sudah ada dalam channel tipe-n atau tipe-p. Doping channel ini menghasilkan jalur konduksi resistansi rendah antara Drain dan Source dengan bias Gerbang nol.

Mode Enhancement (peningkatan) MOSFET

Yang lebuh umum mode-Enhancement MOSFET atau eMOSFET, adalah kebalikan dari tipe mode-deplesi. Di sini channel penghantar sedikit di-doping atau bahkan tidak diolah sehingga tidak konduktif. Ini menghasilkan perangkat menjadi “OFF” (non-konduksi) secara normal ketika tegangan bias gerbang, V_GS sama dengan nol. Simbol rangkaian yang diperlihatkan di atas untuk enhancement transistor MOS menggunakan garis channel yang terputus untuk menandakan channel non-konduktor yang biasanya terbuka.

Untuk enhancement transistor MOS N-channel, arus Drain hanya akan mengalir ketika tegangan gerbang ( V_GS ) diterapkan ke terminal gerbang yang lebih besar dari level ambang tegangan ( V_TH ) di mana konduktansi terjadi menjadikannya sebagai perangkat transkonduktansi.

Penerapan tegangan gerbang positif ( +Ve ) ke tipe-eMOSFET menarik lebih banyak elektron ke lapisan oksida di sekitar gerbang sehingga enhancement atau meningkatkan (karenanya namanya) ketebalan channel sehingga memungkinkan lebih banyak arus mengalir. Inilah sebabnya mengapa transistor jenis ini disebut perangkat peningkat tambahan karena penerapan tegangan gerbang meningkatkan channel.

Peningkatan tegangan gerbang positif ini akan menyebabkan resistansi channel menurun lebih lanjut yang menyebabkan peningkatan pada arus Drain, I_D melalui channel. Dengan kata lain, untuk mode peningkatan n-channel MOSFET: +V_GS mengubah transistor “ON”, sedangkan nol atau -V_GS mengubah transistor “OFF”. Dengan demikian, MOSFET mode-enhancement setara dengan sakelar “normal-terbuka”.

Kebalikannya berlaku untuk transistor MOS enhancement p-channel. Ketika V_GS = 0 perangkat “OFF” dan channel terbuka. Penerapan tegangan gerbang negatif ( -ve ) ke tipe-eMOSFET meningkatkan konduktivitas channel sehingga “ON”. Kemudian untuk p-channel mode enhancement MOSFET: +V_GS mengubah transistor “OFF”, sedangkan -V_GS mengubah transistor “ON”.

Enhancement-Mode-N-Channel MOSFET dan Simbol Rangkaian

Mode eMOSFET membuat sakelar elektronik yang sangat baik karena resistansi “ON” yang rendah dan resistansi “OFF” yang sangat tinggi serta resistansi input yang sangat tinggi karena gerbang yang terisolasi. Mode eMOSFET digunakan dalam rangkaian terintegrasi untuk menghasilkan CMOS tipe Gerbang Logika dan rangkaian switching daya dalam bentuk sebagai gerbang PMOS (P-channel) dan NMOS (N-channel). CMOS sebenarnya adalah singkatan dari Complementary MOS yang berarti bahwa perangkat logika memiliki PMOS dan NMOS dalam desainnya.

Penguat MOSFET

Sama seperti transistor JFET sebelumnya, MOSFET dapat digunakan untuk membuat rangkaian Penguat Kelas “A” dengan mode peningkatan penguat n-channel MOSFET Common-Source yang menjadi rangkaian yang paling populer. Mode deplesi Penguat MOSFET sangat mirip dengan penguat JFET, kecuali bahwa MOSFET memiliki impedansi input yang jauh lebih tinggi.

Impedansi input yang tinggi ini dikendalikan oleh jaringan resistif biasing gerbang yang dibentuk oleh R1 dan R2. Juga, sinyal output untuk mode tambahan Common-Source penguat MOSFET terbalik karena ketika V_G rendah transistor diaktifkan “OFF” dan V_D (Vout) yang tinggi. Ketika V_G tinggi transistor diaktifkan “ON” dan V_D (Vout) yang rendah seperti yang ditunjukkan.

Enhancement-mode N-Channel Penguat MOSFET

Biasing DC dari rangkaian penguat MOSFET Common-Source (CS) ini hampir identik dengan penguat JFET. Rangkaian MOSFET bias dalam mode kelas A oleh jaringan pembagi tegangan yang dibentuk oleh resistor R1 dan R2. Resistansi input AC diberikan sebagai R_IN = R_G = 1MΩ.

Transistor MOSFET adalah tiga perangkat terminal aktif yang terbuat dari bahan semikonduktor berbeda yang dapat bertindak sebagai isolator atau konduktor dengan penerapan tegangan sinyal kecil.

Kemampuan MOSFET untuk mengubah antara kedua kondisi ini memungkinkannya memiliki dua fungsi dasar: “switching” (elektronik digital) atau “amplifikasi” (elektronik analog). Maka MOSFET memiliki kemampuan untuk beroperasi dalam tiga wilayah berbeda:

Wilayah Cut-off – dengan V_GS <V_ambang tegangan gerbang-Source jauh lebih rendah dari tegangan ambang transistor sehingga transistor MOSFET diaktifkan “sepenuhnya-OFF” dengan demikian, I_D = 0, dengan transistor bertindak seperti buka sakelar terlepas dari nilai V_DS.
Wilayah Linear (Ohmik) – dengan V_GS > V_ambang dan V_DS <V_GS transistor berada dalam wilayah resistan konstan yang berperilaku sebagai resistansi yang dikendalikan tegangan yang nilai resistifnya ditentukan oleh tegangan gerbang, level V_GS.
Wilayah Saturasi – dengan V_GS > V_ambang dan V_DS > V_GS transistor berada di wilayah arus konstan dan oleh karena itu “sepenuhnya ON”. Arus Drain, I_D = Maksimum dengan transistor yang bertindak sebagai sakelar tertutup.

Ringkasan Transistor MOSFET

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, atau singkatnya MOSFET, memiliki resistansi gerbang input yang sangat tinggi dengan arus yang mengalir melalui channel antara Source dan Drain yang dikendalikan oleh tegangan gerbang. Karena input dan impedansi input yang tinggi ini, MOSFET dapat dengan mudah dirusak oleh listrik statis jika tidak dilindungi atau ditangani dengan hati-hati.

MOSFET ideal biasanya digunakan sebagai sakelar elektronik atau sebagai penguat Common-Source karena konsumsi dayanya sangat kecil. Aplikasi khas untuk transistor MOSFET adalah dalam Mikroprosesor, Memori, Kalkulator dan Gerbang Logika CMOS dll.

Juga, perhatikan bahwa garis putus-putus atau putus di dalam simbol menunjukkan jenis enhancement (peningkatan) “OFF” yang menunjukkan bahwa arus “TIDAK” dapat mengalir melalui channel ketika tegangan Gerbang-Source nol V_GS diterapkan.

Garis putus-putus terus-menerus dalam simbol menunjukkan tipe Deplesi (penipisan) “ON” yang normal yang menunjukkan bahwa “BISA” mengalir melalui channel dengan tegangan nol gerbang. Untuk tipe p-channel, simbol-simbolnya persis sama untuk kedua tipe kecuali bahwa panah mengarah keluar. Ini dapat diringkas dalam tabel switching berikut.

Tipe MOSFET	V_GS = +ve	V_GS = 0	V_GS = -ve
D-MOSFET N-Channel	ON Baca Juga Mengenal Komponen Transistor Transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Transistor UJT dan Osilator Relaksasi UJT	ON	OFF
E-MOSFET N-Channel	ON	OFF	OFF
D-MOSFET P-Channel	OFF	ON	ON
E-MOSFET P-Channel	OFF	OFF	ON

Jadi untuk eMOSFET tipe-n, tegangan gerbang positif mengubah “ON” transistor dan dengan tegangan nol gerbang, transistor akan “OFF”. Untuk eMOSFET tipe p-channel, tegangan gerbang negatif akan menyalakan “ON” transistor dan dengan tegangan nol gerbang, transistor akan “OFF”. Titik tegangan di mana MOSFET mulai melewati arus melalui channel ditentukan oleh tegangan ambang V_TH perangkat.

Dalam tutorial selanjutnya tentang Transistor alih-alih menggunakan transistor sebagai perangkat penguat, kita akan melihat operasi transistor di daerah saturasi dan cut-off ketika digunakan sebagai sakelar solid-state.

Transistor MOSFET sebagai Sakelar sering digunakan dalam banyak aplikasi untuk mengalihkan arus DC “ON” atau “OFF” seperti LED yang hanya memerlukan beberapa miliamp pada tegangan DC rendah, atau motor yang membutuhkan arus lebih tinggi pada tegangan lebih tinggi.