BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR (BJT)
D. TEORI DASAR
Field Effect Transistor (FET) adalah piranti tiga terminal seperti BJT. Istilah field effect
(efek medan listrik) sendiri berasal dari prinsip kerja transistor ini yang berkenaan dengan lapisan deplesi (depletion layer). Lapisan ini terbentuk antara semikonduktor N dan
tipe-P, karena bergabungnya elektron dan hole disekitar daerah perbatasan. Sama seperti medan listrik, lapisan deplesi ini bisa membesar atau mengecil tergantung dari tegangan antara Gate dan Source. Namun, perbedaan utama dari kedua transistor ini adalah BJT merupakan piranti yang dikontrol oleh arus sedangan FET merupakan piranti yang cara kerjanya berdasarakan pengendalian arus listrik oleh tegangan. Perbedaan lainnya terdapat pada prinsip kerja kedua jenis transistor tersebut. FET disebut juga transistor unipolar, yaitu transistor yang prinsip kerjanya berdasarkan salah satu pembawa muatan, elektron atau hole. Sedangkan pada BJT (Bipolar Junction Transistor) prinsip kerjanya berdasarkan dua muatan yang berbeda, yaitu pembawa muatan positif (hole) dan pembawa muatan negatif (elektron). Untuk dapat lebih memahami, perhatikan gambar berikut :
Gambar 3.1 : (a) Current Controller (b) Voltage Controller
Pada gambar 3.1 (a) (BJT), nilai IC (arus Collector) bergantung pada nilai dari IB (arus Basis), sedangkan pada gambar (b) (FET), ID (arus Drain) nilainya bergantung pada tegangan VGS. Pada gambar 3.1 juga terlihat bahwa kaki D (Drain) pada FET dapat dianalogikan dengan kaki Collector pada BJT. Selain itu, kaki G (Gate) pada FET dapat dianalogikan dengan kaki Base pada BJT dan kaki S (Source) dapat dianalogikan dengan kaki Emiter.Transistor FET bekerja berdasarkan efek medan elektrik yang dihasilkan oleh tegangan yang diberikan pada kedua ujung terminalnya. Pada transistor ini, arus yang muncul pada kaki Drain dihasilkan oleh tegangan antara Gate dan Source. Jadi, dapat dikatakan bahwa FET adalah transistor yang berfungsi sebagai “konverter” tegangan ke arus.
Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 36 Karakteristik transistor efek medan dibandingkan transistor bipolar :
1. Operasinya tergantung pada aliran pembawa mayoritas saja. 2. Ukurannya kecil (yang terdapat di dalam IC).
3. Impedansi input tinggi (ratusan MW). 4. Stabil terhadap temperatur.
Ada dua jenis transistor FET, yaitu JFET (Junction FET) dan MOSFET (Metal-oxide
Semikonduktor FET). Kedua jenis transistor tersebut sebenarnya memiliki karakteristik
umum yang serupa, namun tetap ada perbedaan yang mendasar pada struktur dan karakteristiknya. Transistor yang akan digunakan pada praktikum kali ini adalah transistor MOSFET.
A) JFET
Junction FET terdiri atas dua jenis, yaitu JFET kanal-N dan JFET kanal-P. Kanal-N dibuat dari bahan semikonduktor tipe-N dan kanal-P dibuat dari semikonduktor tipe-P. Ujung ata 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. Gambar di bawah ini menggambarkan struktur JFET kanal-N dan JFET kanal-P.
Gambar 3.2 : Struktur JFET (A) Kanal-N (B) Kanal-P
Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, istilah field effect transistor berasal dari prinsip kerja transistor yang berkaitan dengan lapisan deplesi. Pada gambar di atas, lapisan deplesi ditunjukan dengan warna kuning di sisi kiri dan kanan. Pada skema rangkaian elektronika, JFET disimbolkan seperti pada gambar dibawah ini:
Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 37 (a) (b)
Gambar 3.3 : Simbol Komponen (a) JFET-N (b) JFET-P
JFET kanal-n
Salah satu JFET adalah JFET kanal-N. Prinsip kerja JFET dapat ditinjau dari transistor JFET kanal-N. Drain dan Source transistor ini dibuat dengan semikonduktor tipe-N dan Gate dengan tipe-P. Gambar dibawah ini menunjukan bagaimana transistor ini diberi tegangan bias. Tegangan bias antara Gate dan Source adalah tegangan reverse bias atau bias negatif. Tegangan bias negatif berarti tegangan Gate lebih negatif terhadap Source. Pada transistor ini, kedua Gate terhubung satu dengan lainnya.
Gambar 3.4 : Lapisan Deplesi Jika Gate-Source Diberi Bias Negatif
Elektron yang mengalir dari Source menuju Drain harus melewati lapisan deplesi. Disini lapisan deplesi berfungsi seperti keran air. Banyaknya elektron yang mengalir dari Source menuju Drain tergantung dari ketebalan lapisan deplesi. Lapisan deplesi bisa menyempit, melebar atau terbuka tergantung dari tegangan Gate terhadap Source.
Jika Gate semakin negatif terhadap Source, maka lapisan deplesi akan semakin menebal. Lapisan deplesi bisa saja menutup seluruh kanal transistor bahkan dapat menyentuh Drain dan Source. Pada kondisi ini, arus Drain yang muncul akan sangat kecil,atau bahkan
Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 38 tidak ada arus yang muncul sama sekali. Jadi jika tegangan Gate semakin negatif terhadap Source maka semakin kecil arus yang bisa melewati kanal Drain dan Source.
Jika Gate lebih positif dari Source, maka daerah deplesi akan semakin menyempit, sehingga arus Drain akan selalu muncul tanpa dapat dikontrol oleh tegangan GS.
Gambar 3.5 : Lapisan Deplesi Pada Saat Tegangan Gate-Source = 0 Volt
Jika pada sisi G-S tidak diberi bias (VGS = 0), ternyata lapisan deplesi mengecil hingga muncul celah sempit. Arus elektron akan mengalir melalui celah sempit ini dan terjadilah konduksi Drain dan Source. Arus yang terjadi pada keadaan ini merupakan arus maksimun yang dapat mengalir berapapun tegangan Drain terhadap Source. Hal ini karena celah lapisan deplesi sudah maksimum tidak bisa lebih lebar lagi. Tegangan Gate tidak bisa dinaikkan menjadi positif, karena apabila nilainya positif maka Gate-Source tidak lain hanya sebagai dioda. Karena tegangan bias yang negatif, maka arus Gate yang disebut IG akan sangat kecil sekali. Dengan nilai arus yang sangat kecil, resistansi input (input impedance) Gate akan sangat besar. Impedansi input transisitor FET umumnya bisa mencapai satuan MOhm. Dari prinsip kerja FET, dapat disimpulkan seperti pada gambar kurva karakteristik dibawah ini :
Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 39 Dari gambar diatas, terlihat bahwa nilai ID = 0 mA saat nilai VGS = VP, dengan nilai VP pada JFET kanal-N adalah negatif dan nilai VP pada JFET kanal-P adalah positif.
JFET kanal-P
Transistor JFET kanal-P memiliki prinsip yang sama dengan JFET kanal-N, hanya saja sisi Drain dan Source dibuat dengan semikonduktor P, dan Gate dari semikonduktor tipe-N. Dengan demikian polaritas tegangan dan arah arus berlawanan jika dibandingkan dengan transistor JFET kanal-N.
B) MOSFET
Sebenarnya MOSFET (Metal-oxide semiconduktor FET) memiliki kemiripan dengan JFET, yaitu memiliki kaki Drain, Source, dan Gate. Namun perbedaannya Gate terisolasi oleh
bahan oksida. Gate tersebut terbuat dari bahan metal seperti Aluminium. Oleh karena itulah
transistor ini dinamakan metal-oxide. Karena Gate yang terisolasi, transistor ini disebut juga
IGFET yaitu Insulated-Gate FET.
Ada dua jenis MOSFET, yaitu depletion-mode dan enhancement-mode. Jenis MOSFET yang kedua adalah komponen utama dari gerbang logika dalam bentuk IC (Integrated Circuit), µC (Mikro Controller) dan µP (Mikro Processor) yang merupakan komponen utama dari komputer modern saat ini. Kedua jenis MOSFET tersebut juga memiliki dua jenis, yaitu jenis MOSFET tipe-N dan jenis MOSFET tipe P. Transistor MOSFET dalam berbagai referensi disingkat dengan nama MOS. Dua jenis tipe-N atau P dibedakan dengan nama NMOS dan PMOS. Simbol untuk menggambarkan MOS tipe depletion-mode dibedakan dengan tipe enchancement-mode. Perbedaan simbol tersebut dapat terlihat pada gambar dibawah ini :
Simbol transistor (a) NMOS (b) PMOS tipe depletion mode
Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 40
MOSFET Depletion Mode
Pada gambar dibawah ini, terlihat struktur dari transistor depletion-mode. Pada sebuah kanal semikonduktor tipe-N terdapat semikonduktor tipe-P dengan menyisakan sedikit celah. Hal tersebut bertujuan agar elektron mengalir dari Source menuju Drain melalui celah sempit tersebut. Gate terbuat dari metal (seperti Aluminium) dan terisolasi oleh bahan oksida tipis
SiO2 (kaca).
Gambar 3.7 : Struktur MOSFET Depletion-Mode
Semikonduktor tipe-P pada transistor ini disebut substrat-P dan biasanya dihubung singkat dengan Source. Seperti pada transistor JFET, lapisan deplesi akan muncul saat VGS = 0. Dengan menghubung singkat substrat-P dengan Source diharapkan ketebalan lapisan deplesi yang terbentuk antara substrat dengan kanal adalah maksimum. Sehingga ketebalan lapisan deplesi selanjutnya hanya akan ditentukan oleh tegangan Gate terhadap Source. Pada gambar, lapisan deplesi yang dimaksud ditunjukkan pada daerah yang berwarna kuning.
Saat tegangan Gate terhadap Source semakin negatif, arus Drain yang bias mengalir akan semakin kecil, bahkan bias jadi tidak ada arus yang mengalir sama sekali. Hal ini disebabkan karena lapisan deplesi telah menutup kanal. Saat tegangan Gate dinaikkan sama dengan tegangan Source, arus akan mengalir. Karena lapisan deplesi mulai membuka.
Karena Gate yang terisolasi, tegangan kerja VGS boleh positif. Jika VGS semakin positif, arus elektron yang mengalir dapat semakin besar. Hal inilah yang merupakan perbedaan antara JFET dengan MOSFET mode, transistor MOSFET depletion-mode bisa bekerja sampai tegangan Gate positif.
Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 41
Kurva Drain MOSFET Depletion Mode
Analisa kurva Drain dilakukan dengan mencoba beberapa tegangan Gate VGS konstan, lalu dibuat grafik hubungan antara arus Drain ID terhadap tegangan VDS.
Gambar 3.8 : Kurva Drain Transistor MOSFET Depletion-Mode
Dari kurva ini terlihat jelas bahwa transistor MOSFET depletion-mode dapat bekerja
(ON) mulai dari tegangan VGS negatif sampai positif. Terdapat dua daerah kerja, yang pertama adalah daerah aktif/ohmic. Jika tegangan VGS tetap dan VDS terus dinaikkan, transistor selanjutnya akan berada pada daerah saturasi. Jika keadaan ini tercapai, arus IDS
adalah konstan. Tentu saja ada tegangan VGS(maks), yang diperbolehkan. Karena jika lebih dari tegangan ini akan dapat merusak isolasi Gate yang tipis atau akan merusak transistor itu sendiri.
MOSFET Enhancement Mode
Jenis transistor MOSFET yang kedua adalah MOSFET enhancement-mode. Transistor ini dapat dikatakan merupakan evolusi dari MOSFET depletion-mode. Gate terbuat dari metal Aluminium dan terisolasi oleh lapisan SiO2 sama seperti transistor MOSFET depletion-mode.
Perbedaan struktur yang mendasar adalah substrat pada transisitor MOSFET
Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 42 Gambar 3.9 : Struktur Mosfet Enhancement-Mode
Gambar di atas menunjukkan struktur transistor MOSFET enhancement-mode kanal-N. Jika tegangan Gate VGS dibuat negatif, arus elektron tidak dapat mengalir. Juga ketika VGS = 0 ternyata arus belum juga bisa mengalir, karena tidak ada lapisan deplesi maupun celah yang bisa dialiri elektron. Satu-satunya jalan adalah dengan memberi tegangan VGS positif.
Karena substrat terhubung dengan Source, maka jika tegangan Gate positif berarti tegangan Gate terhadap substrat juga positif.
Tegangan positif ini akan menyebabkan elektron tertarik kearah substrat-P. Elektron-elektron akan bergabung dengan hole yang ada pada substrat-P. Karena potensial Gate lebih positif, maka elektron terlebih dahulu tertarik dan menumpuk di sisi substrat yang berbatasan dengan Gate. Elektron akan terus menumpuk dan tidak dapat mengalir menuju Gate karena terisolasi oleh bahan insulator SiO2 (kaca).
Jika tegangan Gate cukup positif, maka tumpukan elektron akan menyebabkan terbentuknya semacam lapisan-N yang negatif dan seketika itulah arus Drain dan Source dapat mengalir. Lapisan yang terbentuk ini disebut dengan istilah inversion layer. Kira-kira terjemahannya adalah lapisan dengan tipe yang berkebalikan. Disini karena substratnya tipe-P, maka lapisan inversion yang terbentuk adalah bermuatan negatif atau tipe-N.
Tentu ada tegangan minimum dimana lapisan inversion N mulai terbentuk. Tegangan minimum ini disebut tegangan threshold VGS(th). Hal inilah yang merupakan perbedaan utama prinsip kerja transistor MOSFET enhancement-mode dibandingkan dengan JFET. Jika pada tegangan VGS = 0, transistor JFET sudah bekerja atau ON, maka transistor MOSFET enhancement-mode masih OFF. Dikatakan bahwa JFET adalah komponen normally ON dan MOSFET adalah komponen normally OFF.
Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 43
Kurva Drain MOSFET Enhancement-Mode
VGS semua bernilai positif. Garis kurva paling bawah adalah garis kurva dimana transistor mulai ON. Tegangan VGS pada kurva ini disebut tegangan threshold VGS(th).
Gambar 3.10 : Kurva Drain E-Mosfet
Karena transistor MOSFET umumnya digunakan sebagai saklar (switch), parameter yang penting pada transistor E-MOSFET adalah resistansi Drain-Source. Biasanya yang tercantum pada datasheet adalah resistansi pada saat transistor ON. Resistansi ini dinamakan RDS(on). Untuk aplikasi power switching, semakin kecil resistansi RDS(on) maka semakin baik transistor tersebut. Karena akan memperkecil rugi-rugi disipasi daya dalam bentuk panas. Juga penting diketahui parameter arus Drain maksimum ID(maks) dan disipasi daya maksimum
PD(maks).MOSFET dapat berfungsi sebagai saklar, dengan ketentuan saklar akan ON ketika
VGS ≥ Vth dan VDD ≥ Vth. Vth merupakan V threshold dimana MOSFET mulai bekerja.