MOSFET. Struktur dan operasi fisik dari MOSFET jenis enhancement. Gambar 1. Struktrur fisik transistor NMOS jenis enhancement

MOSFET • Struktur dan operasi fisik dari MOSFET jenis ‘enhancement’

Gambar 1. Struktrur fisik transistor NMOS jenis enhancement

1

•

Cara kerja tanpa tegangan ‘gate’ Tanpa tegangan gate akan ada 2 dioda yang diserikan secara ‘back-toback’ antara source dan drain. Kedua dioda ini akan mencegah adanya arus dari drain ke source jika vDS dipasang. Resistansi pada jalur antara drain dan source sangat tinggi (pada orde 1012 Ω).

•

Membuat kanal untuk aliran arus.

Gambar 2. Transistor NMOS jenis enhancement dengan tegangan positif pada gate 2

•

Pemasangan tegangan vDS yang kecil.

Gambar 3. Transistor NMOS dengan vGS > Vt dengan tegangan vDS terpasang Konduktansi kanal sebanding dengan vGS – vt Arus iD sebanding dengan vGS – vt. 3

Gambar 4. Karakteristik iD – vDS dari MOSFET  MOSFET bekerja seperti resistansi linier yang dikendalikan oleh vGS.  Untuk vGS ≤ Vt, resistansinya tidak terhingga, dan harganya menurun jika vGS melebihi Vt.  Jadi, agar MOSFET terkonduksi harus ada kanal induksi. Dengan bertambahnya vGS melebihi Vt meningkatkan kemampuan kanal, oleh karena itu MOSFET jenis ini disebut MOSFET ‘enchancement-type’.  Arus yang meninggalkan source (is) sama dengan arus yang memasuki 4 drain (iD), jadi arus gate iG = 0

•

Operasi bila vDS dinaikkan.

Gambar 5. Cara kerja transistor NMOS jenis enhancement dengan meningkatnya vDS

5

Gambar 6. Hubungan iD dengan vDS pada transistor NMOS jenis enhancement yang beroperasi dengan vGS > Vt vDSsat = vGS - Vt

6

Gambar 7. Kenaikan vDS penyebabkan kanal menyempit

7

Perhatikan gambar dan sebuah ‘strip’ pada gate yang berjarak x dari source. Kapasitansi strip ini: CoxWdx. Untuk mendapatkan muatan pada strip ini, kalikan kapasitansinya dengan tegangan efektif antara gate dan kanal pada titik x yaitu: [vGS – v(x) – Vt]; v(x) adalah tegangan pada kanal di titik x. dq = - Cox (W dx)[v\GS – v(x) – Vt]

Tegangan vDS menghasilkan medan listrik sepanjang kanal. Medan listrik pada titik x: dv ( x ) E ( x)   dx

Medan listrik E(x) menyebabkan muatan elektron dq bergerak ke arah drain dengan kecepatan: dx dv ( x )    n E ( x)   n dt dx dq i  dt dq dx  dx dt i    n Co xW vGS  v ( x )  Vt 

dv ( x ) dx

8

Hubungan iD - vDS

Gambar 8. Penurunan karakterisitk iD – vDS pada transistor NMOS

Co x 

 ox to x 9

Walaupun dievaluasi pada titik tertentu, arus i harus konstan pada semua titik di sepanjang kanal. i harus sama dengan arus dari source ke drain dan berlawan arah dengan arus dari drain ke source (iD) iD  i   n Co xW vGS  v ( x )  Vt  iD dx   n Co xW vGS L

i

D

dx 

0

vD S



n

dv ( x ) dx  v ( x )  Vt dv ( x )

Co xW vGS  v ( x )  Vt dv ( x )

0



W  iD   n Co x   vGS  Vt v DS  L  

1 2

v DS

2



Harga arus pada ujung daerah trioda atau permulaan daerah jenuh dapat diperoleh dengan menggantikan vDS=vGS – Vt iD 

1 2

W   nCo x   vGS  L 

 Vt

2

µnCox disebut parameter transkonduktansi proses. Dituliskan sebagai kn’ dan mempunyai dimensi A/V2 kn’ = µnCox 10

iD 

1 2



W vGS  Vt vDS  L W vGS  Vt 2 k n' L

iD  k n'

1 2

2 vDS



(daerah trioda) (daerah jenuh)

Jadi arus drain sebanding dengan perbandingan lebar kanal dan panjang kanal, yang disebut ‘aspect ratio’ dari MOSFET

MOSFET kanal-p MOSFET kanal-p jenis ’enchancement’ (PMOS), dibuat pada substrate jenis n dengan daerah p+ pada drain dan source. Cara kerjanya sama dengan NMOS hanya saja vGS, vDS dan Vt negatif.

11

Complementary MOS atau CMOS

Gambar 9. Rangkaian terintegrasi CMOS Pada teknologi CMOS, transistor NMOS diimplementasiikan langsung pada substrate jenis p, sedangkan transistor PMOS dibuat pada n-well. Kedua divais diisolasi satu dengan lainnya dengan oksida yang tebal sebagai insulator.

12

Karakteristik arus dan tegangan. • Lambang rangkaian

Gambar 10. Lambang MOSFET kanal n jenis enhancement

Pada FET kanal n: drain selalu positif dibandingkan dengan source

13

Gambar 11(a) MOSFET kanal n jenis enhancement

Gambar 11(b) Karakteristik iD – vDS untuk divais dengan kn’(W/L) = 1.0mA/v2 14

Kurva karakteristik menunjukkan 3 daerah kerja: 1. daerah ‘cutoff’ 2. daerah trioda 3. daerah jenuh. • •

Daerah jenuh dipakai bila FET bekerja sebagai penguat. Daerah cutoff dan trioda digunakan bila FET bekerja sebagai saklar.

FET pada daerah cutoff jika: vGS < Vt Pada daerah trioda: vGS ≥ Vt vGD > Vt vGD = vGS – vDS vGS – vDS > Vt vDS < vGD – Vt

(induced channel) (continuous channel)

(continuous channel)

Jadi MOSFET kanal –n jenis ‘enchancement’ berkerja di daerah trioda jika vGS lebih besar dari Vt dan tegangan pada drain lebih rendah dari tegangan gate minimal sebesar Vt volt 15



W vGS  Vt vDS  L   n Co x

iD  k n' k n'

1 2

2 vDS



Jika vDS cukup kecil, vDS2 dapat diabaikan.

iD  k n'

W L

vGS

 Vt vDS

rDS adalah resistansi linier yang dikendalikan oleh vGS. Jika vGS = VGS, maka 1

v DS W  VGS  Vt  r DS   k n'  iD L   (untuk v DS kecil dan v GS  VGS ) VOV  VGS  Vt   W  r DS  1 k n'  VOV   L   

VOV : gate-to-source overdrive volltage

16

MOSFET bekerja di daerah jenuh jika: vGS ≥ Vt (induced channel) vGD ≤ Vt (pinched-off channel) vDS ≥ vGS – Vt (pinched-off channel) Jadi MOSFET kanal –n jenis ‘enhancement’ bekerja pada daerah jenuh jika vGS lebih besar dari Vt dan tegangan drain tidak lebih kecil dari tegangan gate melebihi Vt volt

Batas antara daerah trioda dan daerah jenuh: vDS = vGS – Vt Arus iD pada keadaan jenuh

iD 

1 2

k n'

W L

vGS

 Vt

2

Pada keadaan jenuh: arus iD tidak tergantung dari tegangan drain, vDS arus iD ditentukan oleh tegangan gate, vGS MOSFET menjadi sebuah sumber arus ideal yang harganya dikendalikan oleh vGS Catatan: ini adalah model rangkaian ekivalen sinyal besar Pada batas antara daerah trioda dan daerah jenuh: iD 

1 2

k n'

W 2 vDS L 17

Gambar 12. karakteristik iD - vGS transistor NMOS jenis enhancement pada keadaan jenuh (Vt = 1 V dan kn’(W/L) = 1,0 mA/v2

18

Gambar 13. Rangkaian ekivalen model sinyal besar dari NMOS pada daerah jenuh

19

Gambar 14. Level relatif tegangan terminal transistor NMOS yang beroperasi pada daerah trioda dan daerah jenuh.

20

Resistansi keluaran pada keadaan jenuh

Gambar 15. Kenaikan vDS melebihi vDSsat yang menyebabkan titik ‘pinch-off’ sedikit menjauh dari drain  vDS naik melebihi vDSsat, titik ‘pinched-off’ dari kanal bergeser menjauhi drain menuju source, sehingga ada daerah ‘depletion’ antara drain dan ujung kanal. Akibatnya panjang kanal akan berkurang.  Keadaan ini disebut ‘channel-length modulation  Karena iD berbanding terbalik dengan panjang kanal, maka iD naik dengan naiknya vDS.  Untuk menghitung ketergantungan iD pada vDS pada keadaan jenuh, ganti L dengan (L – ΔL) 21

iD 

1 2

k n'



1 2

k n'



1 2

k n'

W vGS  Vt 2 L  L W 1 vGS  Vt L 1  L L  W  L  1  vGS  Vt L  L 

2

2

Diasumsikan (ΔL/L) << 1 Jika ΔL sebanding dengan vDS : ΔL = λ’vDS λ’ parameter teknologi proses dengan dimensi µm/V iD 

  iD 

1 2

k n'

'

W  '  v DS vGS  Vt 1  L  L 

2

L 1 2

k n'

W L

vGS

 Vt

2 1  vDS  22

Gambar 15. Efek vDS pada iD pada daerah jenuh Ektrapolasi garis lurus pada kurva karakteristik iD – vDS akan memotong sumbu vDS pada titik vDS = - 1/λ ≡ -VA. vA = 1/λ Untuk suatu proses tertentu, VA sebanding dengan panjang kanal L. VA = VA’L VA’ = 5 – 50 V/µm 23

Catatan: divais dengan kanal yang lebih pendek lebih terpengaruh dengan efek ‘channel-length modulation’.

Gambar 17. Model rangkaian sinyal besar dari MOSFET kanal -n pada keadaan jenuh dengan adanya resistansi ro

24

‘Channel-length modulation’ menyebabkan adanya resistansi keluaran (tidak ∞), ro 1

 iD  ro     v DS  vG Sk o n stan  k n' W VGS  Vt ro   2 L  ro  I D 



2

  

1

1

ro 

VA ID

Dimana ID adalah arus drain tanpa memperhitungkan ‘channel-length modulation’ Resistansi keluaran berbanding terbalik dengan arus bias dc, ID

25

Karakteristik MOSFET kanal p

Gambar 18. MOSFET kanal p jenis enhancement

26

Untuk menginduksi sebuah kanal harus dipasang tegangan pada gate lebih kecil dari Vt. vGS ≤ Vt (induced channel) vSG ≥ |Vt| Untuk bekerja di daerah trioda: vDS ≥ vGS – Vt (continuous channel)

' kp



W vGS  Vt vDS  L   p Co x

' iD  k p

1 2

2 vDS



vGS, Vt dan vDS negatif µp = 0,25 – 0,5 µn Untuk bekerja di daerah jenuh: vDS ≤ vGS – Vt (pinched-off channel)

iD 

1 2

' kp

W L

vGS

 Vt

2 1  vDS 

vGS, Vt, λ dan vDS negatif 27

Agar transistor PMOS bekerja, tegangan gate harus dibuat lebih rendah dari tegangan source sedikitnya sebesar |Vt|. Untuk bekerja di daerah trioda, tegangan drain harus lebih besar dari tegangan gate minimal sebesar |Vt|, jika tidak, PMOS bekerja di daerah jenuh.

Gambar 19. Level relatif tegangan terminal transistor PMOS yang beroperasi pada daerah trioda dan daerah jenuh.

28

Peranan substrate – the body effect Dalam banyak pemakaian: – substrate dihubungkan dengan source – pn junction antara substrate dan gate selalu ‘off’. Pada keadaan ini substrate tidak berperan dalam kerja rangkaian. Pada IC, banyak MOS menggunakan substrate yang sama. Agar junction antara substrate dan gate selalu ‘off’: – Substrate dihubungkan ke tegangan yang paling negatif untuk rangkaian NMOS – Substrate dihubungkan ke tegangan yang paling positif untuk rangkaian PMOS Akibatnya tegangan reverse-bias antara source dan body (VSB pada divais kanal n) akan mempengaruhi kerja divais. Reverse bias ini akan: – Memperlebar daerah ‘depletion’ – Mengurangi kedalaman kanal Agar kedalaman kanal tetap sama, vGS harus dinaikkan. 29

Efek dari VSB pada kanal dinyatakan dengan perubahan Vt Vt  Vt 0  



2 f  VSB 

2 f



Vt0 = tegangan ambang untuk VSB = 0 φf = parameter fisik; biasanya 2φf = 0,6 V γ= parameter proses pembuatan

 

2qN A S COX

q= 1,6 x 10-19 C NA = konsentrasi doping εS = permitivitas silikon = 11,7 ε0 = 11,7 x 8,854 x 10-12

30

Pengaruh suhu – Vt dan k’ sensitif terhadap suhu – Vt turun 2 mV/°C – iD berkurang dengan naiknya suhu Breakdown dan proteksi input • Breakdown terjadi jika tegangan drain naik mencapai harga dimana pn junction antara drain dan substrate mengalami breakdown avalanche. • Akibatnya akan ada peningkatan arus. • Keadaan ini terjadi pada tegangan 20 – 150 V. Punch-through adalah efek lain dari breakdown. • Terjadi pada tegangan yang lebih rendah (20V). • Terjadi pada divais yang mempunyai kanal pendek yaitu pada saat tegangan drain naik ke suatu titik di mana daerah depletion sekitar drain melewati kanal dan mencapai source. • Arus drain akan naik dengan cepat. • Punch-through tidak menyebabkan kerusakan yang permanen.

31

Breakdown oksida gate terjadi bila tegangan melebihi 30V. • Breakdown ini menyebabkan kerusakan permanen pada divais • Penyebabnya adanya akumulasi muatan statik pada kapasitor gate yang dapat melebihi tegangan breakdown-nya. •

Untuk mencegah akumulasi muatan statik pada kapasitor gate, dipasang alat proteksi pada terminal masukan dari IC MOS yang terdiri dari rangkaian dioda penjepit (clamping diodes)

32

Summary Transistor NMOS: Simbol

Tegangan overdrive: vOV = vGS – Vt vGS =Vt + vOV Bekerja di daerah trioda: •Kondisi: • vGS ≥ Vt ↔ vOV ≥ 0 • vGD ≥ Vt ↔ VDS ≤ vGS – Vt ↔ vDS ≤ vOV 33

• karakteristik i – v iD   n COX

W L

v

GS

 Vt vDS 

1 2

2 vDS



• Untuk vDS << 2(vGS – Vt) ↔ vGS << 2 vOV rDS 

vDS W   1   n COX L iD 

vGS

  Vt  

Bekerja di daerah jenuh: • Kondisi: • vGS ≥ Vt ↔ vOV ≥ 0 • vGD ≤ Vt ↔ vDS ≥ vGS – Vt ↔ vDS ≥ vOV iD  1 • Karakteristik i– OXv 2  nC

W L

vGS

 Vt

2 1  vDS 

34

Model rangkaian ekivalen sinyal besar

 ro   

1 2

 n COX

W VGS  Vt L



2

  

1



VA ID

dimana ID 

1 2

 n COX

W VGS  Vt L

2

Tegangan ambang: Vt  Vt 0  



2 f  VSB 

2 f



35

Parameter proses: COX   OX

F/m  2

tOX

A V

k n'   n COX

V A'  V A

L

  1 V A    2qN A S

V

m

V  1

COX

V  1

2

Konstanta: ε0 = 8,854 x 10-12 F/m εOX = 3,9 ε0 = 3,45 x 10-11 F/m εS = 11,7 ε0 = 1,04 x 10-10 F/m q = 1,602 x 10-19 C

36

Transistor PMOS Simbol:

Tegangan overdrive: vOV = vGS – Vt vSG =|Vt| + |vOV| Bekerja di daerah trioda: •Kondisi: • vGS ≤ Vt ↔ vOV ≤ 0 ↔ vSC ≥ |Vt| • vGD ≥ |Vt| ↔ VDS ≥ vGS – Vt ↔ vSD ≤ |vOV| 37

Bekerja di daerah jenuh: • Kondisi: • vGS ≤ Vt ↔ vOV ≤ 0 ↔ vSG ≥ |Vt| • vDG ≤ |Vt| ↔ vDS ≥ vGS – Vt ↔ vDS ≥ |vOV| • Karakteristik i – v Mempunyai hubungan yang sama seperti pada transistor NMOS kecuali: • µn, kn’ dan NA diganti dengan µp, kp’ dan ND • Vt, Vt0, VA, λ dan γ bernilai negatif •Model rangkaian ekivalen sinyal besar

 ro    

ID 

1 2

1 2

 p COX

 p COX

W VSG  Vt L



2

  

W VS G  Vt L

1





VA ID

2

38

Contoh soal: Sebuah MOSFET mempunyai Lmin = 0,4μm, tOX = 8 nm, μn = 450 cm2/Vs dan Vt = 0,7 V. a. Carilah COX dan k’n. b. Untuk MOSFET dengan W/L = 8 μm/0,8μm, hitunglah harga VGS dan VDSmin yang diperlukan agar transistor bekerja di daerah jenuh dengan arus dc ID = 100 μA c. Untuk MOSFET pada (b), carilah harga VGS yang diperlukan agar MOSFET bekerja sebagai resistor 1000 Ω untuk vDS yang sangat kecil

 OX 3,45  10 11 Jawab:C    4,32  10 3 F/m 2 OX 9 t OX 8  10 a.  4,32 fF/ m 2 k n'   n COX  450 (cm 2 / V.s )  4,32 (fF/ m 2 )  194  10 - 6 (F/V.s )  194 A/V

2

39

Untuk bekerja di daerah jenuh: ID 

1 2

W L

v GS

 Vt

2

8 VGS  0,7 2 0,8  0,7  0,32 V

100  VGS

k n' 1 2

 194 

VGS  1,02 V VDS mi n  VGS  Vt  0,32 V

Untuk MOSFET di daerah trioda dengan vDS sangat kecil: i D  k n' r DS 

W L

v DS iD

v GS

 Vt v DS

v D S k ec i l

W  VGS  Vt   1 k n'  L   1 1000  194  10  6  10VGS  0,7  VGS  0,7  0,52 V VGS  1,22 V

40

Rangkaian MOSFET pada DC Contoh soal

Rancanglah rangkaian seperti pada gambar di samping ini sehingga transistor bekerja pada ID = 0,4 mA dan VD = +0,5 V. Transistor NMOS mempunyai Vt = 0,7 V, μnCOX = 100 μA/V2, L = 1μm dan W = 32 μm. Abaikan pengaruh channel-length modulation (λ = 0)

Gambar 20. Contoh soal

41

Jawab: VD = 0, 5 V > VG → NMOS bekerja pada daerah jenuh. W 1 VGS  Vt 2 ID  2  nCOX L

VGS – Vt = VOV; ID = 0,4 mA = 400 μA; μnCOX = 100 μA/V2 dan W/L = 32/1 400 

1 2

 100 

32 2 VOV 1

VOV = 0,5V VGS = Vt + VOV = 0,7 + 0,5 = 1,2 V VG = 0 → = - 1,2 V SV V V RS 



S

SS

ID  1,2  ( 2,5 )  3,25 k 0,4

Untuk mendapatkan VD = +0,5 V: RD  

VDD  VD ID

2,5  0,5 0,4

 5 k

42

Rancang rangkaian seperti gambar 21 untuk mendapatkan arus ID = 80 μA. Cari harga R dan tegangan DC VD. Transistor NMOS mempunyai Vt = 0,6 V, μnCOX = 200 μA/V2, L = 0,8 μm dan W = 4μ. (asumsikan λ=0)

Gambar 21. Contoh soal

43

Jawab: VDG = 0 →VD = VG dan FET bekerja di daerah jenuh W VGS  Vt L W 2 1  2  n COX VOV L 2I D VOV   n COX W L  ID 

1 2



 n COX

2

2  80  0,4 V 200  4 0,8 

VGS  Vt  VOV  0,6  0,4  1 V VD  VG  1 V R  

VDD  VD ID 3 1  25 k 0,080

44

Rancanglah rangkaian pada gambar 22 agar tegangan drain = 0,1V. Berapakah resistansi antara drain dan source pada titik kerja ini ? Vt = 1 V dan kn’(W/L) = 1 mA/V2.

Gambar 22. Contoh soal

45

Jawab: VD = VG – 4,9 V dan Vt = 1 V → MOSFET bekerja di daerah trioda. Jadi arus ID :

ID



W 2 VGS  Vt VDS  21 VDS L 1  1 5  1  0,1  2  0,01

I D  k n'



 0,395 m A RD 

VDD  VD ID

5  0,1  12,4 k 0,395 VDS 0,1    253  ID 0,395 

r DS

46

Analisa rangkaian pada gamabr 23(a) untuk menentukan tegangan di semua node dan arus di semua cabang. Diketahui Vt = 1 V dan kn’(W/L) = 1 mA/V2. (asumsikan λ = 0)

Gambar 23. Rangkaian contoh soal

47

Gambar 23 (b) Rangkaian dengan analisis terinci Jawab: Karena arus gate = 0, tegangan gate: VG  VDD

RG 2 RG 2  R G 1

 10 

10 10  10

5V

48

VG > 0 → transistor NMOS bekerja. Asumsikan transistor bekerja di daerah jenuh.

VG = 5 V VS = ID x RS = ID (mA) x 6 kΩ = 6 ID VGS = VG – VS = 5 – 6ID ID 

1 2



1 2

W VGS  Vt 2 L 2  1 5  6I D  1 k n'

2 18I D  25I D  8  0

I D1  0,89 m A; I D 2  0,5 m A I D1  0,89 m A  VS  6  0,89  5,34 V VS  VG  trans is tor ' off' Jadi : I D  0,5 m A VS  0,5  6  3 V VGS  5  3  2 V VD  10  6  0,5  7 V

Karena VD > VG – Vt, transistor bekerja di daerah jenuh 49

Rancang rangkaian seperti pada gambar 24 sehingga transistor bekerja di daerah jenuh dengan ID = 0,5 mA dan VD = +3 V. Transistor PMOS jenis ‘enchancement’ mempunyai Vt = -1 V dan kp’(W/L) = 1 mA/V2. Asumsikan λ = 0. Berapa harga terbesar RO agar tetap bekerja di daerah jenuh?

Gambar 24 Contoh soal

50

Jawab: MOSFET bekerja di daerah jenuh:

ID 

1 2

' kp



1 2

' kp

W VGS  Vt L W 2 VOV L

2

ID = 0,5 mA dan kp’W/L = 1 mA/V2 maka: VOV = -1 V (untuk PMOS Vt negatif) VGS = Vt + VOV = - 1 – 1 = - 2 V VS =+5 V → VG = +3 V VG = +3 V dapat diperoleh dengan memilih harga RG1 dan RG2. Salah satu kemungkinan RG1 = 2 MΩ dan RG2 = 3 MΩ RD 

VD 3   6 k ID 0,5

Bekerja pada mode jenuh: VD harus lebih besar dari VG sebanyak |Vt| VDmax= 3 + 1 = 4 V RD = 4/0,5 = 8 kΩ

51

Gambar 25. Rangkaian contoh soal

52

Transistor NMOS dan PMOS mempunyai kesesuaian dengan kn’(W/L) = kp’(W/L) = 1 mA/V2, Vtn = -Vtp = 1 V. Asumsikan λ = 0 untuk kedua transistor. Carilah arus drain iDN dan iDP dan vO untuk vI = 0 V, +2,5V dan -2,5V Jawab: Gambar (b) menunjukkan bila vI = 0V. Kedua transistor ‘matched’ dan bekerja pada |VGS| = 2,5V → vO = 0V Jadi QN dan QP bekerja dengan |VGD| = 0 V → bekerja pada daerah jenuh. IDN = IDP = ½ x 1 x (2,5 – 1)2 = 1,125 mA Gambar (c) menunjukkan bila vI = 2,5V. Transistor QP mempunyai VGS = 0 V → ‘cutoff’ → vO negatif → VGD > Vt → bekerja pada daerah trioda. IDN = kn’ (Wn/Ln)(VGS – Vt)VDS = 1[(2,5 – (-2,5) – 1][vO – (-2,5)] IDN (mA) = (0 – vO)/10 (kΩ) IDN = 0,244 mA ; vO = -2,44 V VDS = -2,44 – (-2,5) = 0,06 V Gambar (d) menunjukkan bila vI = -2,5 V. Kasus ini kebalikan dari kasus gambar (c). Transistor QN akan ‘cutoff’ → IDN = 0. QP bekerja pada daerah trioda dengan IDP= 2,44 mA dan vO =+2,44 V 53

MOSFET sebagai Penguat dan Saklar MOSFET sebagai penguat: – Bekerja di daerah jenuh – Berperan sebagai sumber arus yang dikendalikan oleh tegangan (VCCS). Perubahan pada tegangan vGS akan mengubah arus drain iD. MOSFET yang bekerja di daerah jenuh dapat dipakai untuk membuat penguat transkonduktansi (transconductance amplifier). Yang diinginkan penguat linier; jadi harus ada ‘bias dc’ agar MOSFET bekerja pada VGS dan ID tertentu, kemudian ditumpangkan tegangan vgs yang akan diperkuat pada tegangan dc VGS. Dengan menjaga vgs kecil arus drain, id dapat dibuat sebanding dengan vgs

54

Cara kerja Sinyal Besar – Karakteristik Transfer

Gambar 26(a) Struktur dasar rangkaian penguat ‘common source’ (b) Grafik yang digunakan untuk menentukan karakteristik transfer penguat pada gambar (a) 55

Gambar 26(c) Karakteristik transfer penguat pada titik kerja Q

56

Penurunan karakteristik transfer secara grafis. Pada rangkaian CS drain dihubungkan ke catu daya VDD melalui RD, sehingga diperoleh hubungan iD dan vDS sebagiai berikut: v DS  VDD  R D i D iD 

VDD 1  v DS RD RD

Secara kuantitatif,rangkaian bekerja sebagai berikut: vI = vGS. Untuk vI < Vt → transistor ‘cutoff’, iD = 0, vO = vDS = VDD. Transistor bekerja pada titik A. vI > Vt → transistor ‘on’, iD meningkat, vO menurun. Karena vO bermula dengan harga yang tinggi, transistor bekerja dalam keadaan jenuh. Keadaan ini ditunjukkan oleh garis beban antara titik A dan B. Untuk titik Q tertentu, VIQ =VGS dan VOQ = VDSQ serta arus = IDQ. 57

vI < Vt → vDS = vGS – Vt → MOSFET memasuki daerah kerja trioda. Pada kurva ditunjukkan dengan titik B yang memotong garis beban dengan kurva garis terputus yang mendefinisikan batas antara daerah jenuh dan daerah trioda. Ttitk B didefinisikan sebagai: VOB = VIB – Vt Untuk vI > VIB, transistor makin masuk ke daerah trioda. Pada titik C, vI= VDD, vOC biasanya kecil sekali. Titik-titik pada kurva hubungan iD – vDS di gambar 26(b) menghasilkan kurva transfer pada gambar 26(c)

58

MOSFET Bekerja Sebagai Saklar. Jika MOSFET dipakai sebagai saklar, MOSFET bekerja pada titik-titik ekstrim dari kurva transfer. MOSFET off bila vI < Vt → bekerja pada titiik antara X dan A dengan vO = VDD. Saklar ‘on’ dengan vI mendekati VDD → bekerja mendekati titik C dengan vO sangat kecil. Jadi CS MOS dapat digunakan sebagai inverter logik dengan level tegangan ‘low’ mendekati o dan’high’ mendekati VDD.

MOSFET Bekerja Sebagai Penguat Linier MOSFET sebagai penguat → bekerja di daerah jenuh. MOSFET diberi bias dc pada titik di tengah-tengah kurva. Titik ini disebut titik kerja atau quiescent point. Sinyal tegangan yang akan diperkuat, ditumpangkan pada tegangan dc VIQ. (lihat gambar 26(c)). Syarat linier: vi harus dijaga tetap kecil

59

Faktor penguatan: Av 

dv o dv i

v VIQ i

Cara memilih titik kerja. VDSQ harus lebih kecil dari VDD dan lebih besar dari VOB sehingga dapat mengakomodasi harga simpangan maksimum dan simpangan minimum dari tegangan keluaran. Jika VDSQ terlalu dekat dengan VDD, harga simpangan maksimum sinyal keluaran akan ‘terpotong’ (clipped off). Pada keadaan ini dikatakan penguat tidak mempunyai cukup ‘headroom’. Jika VDSQ terlalu dekat dengan batas trioda, harga simpangan minimum sinyal keluaran akan terdistorsi. Pada keadaan ini dikatakan penguat tidak mempunyai cukup ‘legroom’.

60

Gambar 27. Dua garis beban dan titik kerjanya.

Titik Q1 terlalu dekat dengan VDD, dan titik Q2 terlalu dekat dengan batas daerah trioda. 61