elka modul 3 2016
TRANSCRIPT
-
8/19/2019 ELKA Modul 3 2016
1/18
Laboratorium Elektronika
Telkom University
Modul Praktikum Laboratorium Elektronika Page 1
MODUL IIIPRATEGANGAN MOSFET DAN PENGUAT SINYAL KECIL
I. TUJUAN PRAKTIKUM
1. Mampu mengetahui dan mempelajari karakteristik transistor MOSFET.
2. Mampu mengkonfigurasikan MOSFET sebagai penguat sinyal kecil AC.
3. Menentukan respon frekuensi dan jenis filter.
4.
Mengaplikasikan MOSFET sebagai saklar
II. KOMPONEN DAN ALAT YANG DIGUNAKAN
1. Satu unit osciloscope dengan 2 channel input
2. Dua unit DC power supply
3. Multimeter digital
4. Satu unit Function Generator
5. Kabel jumper
6. Kit Praktikum
7. Komponen
- Transistor MOSFET ENHANCEMENT-MODE IRF 744N
- Resistor 100 kΩ, 330 Ω, 1M Ω dan 2k2 Ω
- Kapasitor 10nF dan 10μF
-
8/19/2019 ELKA Modul 3 2016
2/18
Laboratorium Elektronika
Telkom University
Modul Praktikum Laboratorium Elektronika Page 2
III. DASAR TEORI
PENGERTIAN FET
Field Effect Transistor (FET) adalah piranti tiga terminal seperti BJT. Istilah field
efect (efek medan listrik) sendiri berasal dari prinsip kerja transistor ini yang
berkenaan dengan lapisan deplesi (depletion layer ). Lapisan ini terbentuk antara
semikonduktor tipe n dan tipe p, karena bergabungnya elektron dan hole di sekitar
daerah perbatasan.
Sama seperti medan listrik, lapisan deplesi ini bisa membesar atau mengecil
tergantung dari tegangan antara gate dengan source.
Meskipun BJT dan FET sama-sama transistor, kedua transistor ini memiliki
perbedaan-perbedaan, yaitu :
BJT FET
Arus listrik dikontrol oleh arus Arus listrik dikontrol oleh tegangan
Bipolar Unipolar
Impedansi input kecil Impedansi input besar
Collector, Base, Emitor Drain, Gate, Source
Untuk dapat lebih memahami, perhatikan gambar berikut :
-
8/19/2019 ELKA Modul 3 2016
3/18
Laboratorium Elektronika
Telkom University
Modul Praktikum Laboratorium Elektronika Page 3
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.
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 t ransistor yang berfungsi sebagai “konverter” tegangan ke arus.
Karakteristik FET dibandingkan BJT :1. Operasinya tergantung pada aliran pembawa mayoritas saja.
2. Ukurannya kecil (yang terdapat di dalam IC).
3. Impedansi input tinggi (ratusan Mega Watt).
4. Stabil terhadap temperature.
JFET dan MOSFET
Ada dua jenis transistor FET yaitu JFET ( Junction FET ) dan MOSFET (Metal-oxide Semiconductor FET ). Kedua jenis transistor tersebut sebenarnya memiliki karakteristik
umum yang serupa, namum tetap ada perbedaan yang mendasar pada struktur dan
karakteristiknya. Transistor yang akan digunakan pada praktikum kali ini adalah transistor
MOSFET.
1.
JFET
Junction FET terdiri atas 2 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 atas
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 samping menggambarkan
struktur JFET kanal n dan JFET kanal p.
-
8/19/2019 ELKA Modul 3 2016
4/18
Laboratorium Elektronika
Telkom University
Modul Praktikum Laboratorium Elektronika Page 4
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
ditunjukkan dengan warna kuning di sisi kiri dan
kanan. Pada skema rangkaian elektronika, JFET
disimbolkan seperti pada gambar di atas.
a.
JFET kanal-n
Salah satu jenis JFET adalah JFET
kanal-n. Prinsip kerja JFET dapat
ditinjau dari transistor JFET kanal-n.
Drain dan Source transistor ini dibuat
dengan semi-konduktor tipe n dan Gate
dengan tipe p. Gambar di samping
menunjukkan bagaimana tran-sistor ini
diberi tegangan. Tegangan antara gate
dan source adalah tegangan reverse bias atau disebut bias negatif. Tegangan bias negatif
berarti tegangan gate lebih negatif terhadap source. Pada transistor ini, kedua gate
terhubung satu dengan lainnya.
Elektron yang mengalir dari source menuju drain harus melewati lapisan deplesi. Di
sini lapisan deplesi berfungsi seperti keran air. Banyaknya elektron yang mengalir darisource menuju drain tergantung dari ketebalan lapisan deplesi. Lapisan deplesi bisa
menyempit, melebar atau membuka 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 tidak ada arus yang muncul sama sekali. Jadi jika tegangan gate semakin
-
8/19/2019 ELKA Modul 3 2016
5/18
Laboratorium Elektronika
Telkom University
Modul Praktikum Laboratorium Elektronika Page 5
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.
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
maksimum 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 kalau 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 sangatbesar. Impedansi in-put transistor
FET umum-nya bisa mencapai
satuan MOhm. Dari prinsip kerja
JFET, dapat disimpulkan seperti
pada gambar kurva karakteristik di atas :
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.
Gambar 3.5 Lapisan deplesi pada saat tegangan
gate-source = 0 volt
Gambar 3.6 kurva karakteristik JFET n-channel dengan IDSS = 8 mA dan Vp = -4
-
8/19/2019 ELKA Modul 3 2016
6/18
Laboratorium Elektronika
Telkom University
Modul Praktikum Laboratorium Elektronika Page 6
b. JFET kanal-p
Transistor JFET kanal-p memiliki prinsip yang sama dengan JFET kanal-n, hanya saja
sisi Drain dan Source dibuat dengan semikonduktor tipe p, dan Gate dari semikonduktor
tipe n. Dengan demikian polaritas tegangan dan arah arus berlawanan jika dibandingkan
dengan transistor JFET kanal-n.
1.
MOSFET
Sebenarnya MOSFET (Metal-oxide semiconductor FET) memiliki kemiripan dengan
JFET, yaitu memiliki kaki drain, sorce dan gate. Namun perbedaannya gate terisolasi oleh
suatu 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 (micro controller ) dan uP (micro processor ) yang merupakan komponen utama
dari komputer modern saat ini. Kedua jenis MOSFET tersebut juga memiliki 2 jenis, yaitu
jenis MOSFET tipe n dan MOSFET tipe p. Transistor MOSFET dalam berbagai referensi
disingkat dengan nama transistor MOS. Dua jenis tipe n atau p dibedakan dengan nama
NMOS dan PMOS. Simbol untuk menggambarkan MOS tipe depletion-mode dibedakan
dengan tipe enhancement-mode. Perbedaan symbol tersebut dapat terlihat pada gambar di
bawah ini:
-
8/19/2019 ELKA Modul 3 2016
7/18
Laboratorium Elektronika
Telkom University
Modul Praktikum Laboratorium Elektronika Page 7
a. MOSFET Depletion-mode
MOSFET jenis depletion mempunyai struktur yang mirip dengan jenis ‘enchancement’
dengan satu perbedaan utama yaitu MOSFET jenis depletion mempunyai kanal yang secara
fisik dibuat pada substrate, Jadi tidak perlu menginduksi kanal, artinya tanpa ada Vgs, arus
Id akan mengalir jika ada Vds. 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).
Semikonduktor tipe p pada transistor ini
disebut subtrat p dan biasanya dihubung
singkat dengan source. Seperti pada
transistor JFET, lapisan deplesi akan
muncul saat VGS = 0. Dengan menghubung
singkat subtrat p dengan source
diharapkan ketebalan lapisan deplesi yang
terbentuk antara subtract 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 bisa mengalir
akan semakin kecil, bahkan bisa 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
-
8/19/2019 ELKA Modul 3 2016
8/18
Laboratorium Elektronika
Telkom University
Modul Praktikum Laboratorium Elektronika Page 8
JFET dengan MOSFET depletion-mode, transistor MOSFET depletion-mode bisa bekerja
sampai tegangan gate positif. Kedalaman kanal dan konduk-tivitasnya dapat dikendalikan
oleh VGS . Jika VGS positif, kanal akan semakin kuat dengan menarik elektron lebih banyak,
jika VGS negatif, kanal akan semakin dangkal dan konduktivitasnya menurun. Tegangan VGS
negatif mengurangi (deplete) pembawa muatan pada kanal dan mode ini disebut ‘depletion
mode’. Semakin negatif VGS, semakin berkurang pembawa muatan pada kanal, sehingga
mencapai harga dimana kanal kehabisan semua pembawa muatannya dan iD sama dengan
nol walaupun VDS tetap ada. Harga ini adalah harga tegangan ambang untuk MOSFET
kanal–n jenis deplesi.
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.
Dari kurva ini terlihat jelas
bahwa transistor MOS-FET 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 selanjutnyaakan berada pada daerah saturasi.
Jika keadaan ini tercapai, arus IDS adalah konstan. Tentu saja ada tegangan VGS(max), yang
diperbolehkan. Karena jika lebih dari tegangan ini akan dapat merusak isolasi gate yang
tipis atau akan merusak transistor itu sendiri.
-
8/19/2019 ELKA Modul 3 2016
9/18
Laboratorium Elektronika
Telkom University
Modul Praktikum Laboratorium Elektronika Page 9
b. 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, subtrat pada transistor MOSFET
enhancement-mode dibuat sampai menyentuh gate, seperti terlihat pada gambar dibawah
ini.
Gambar di samping me-nunjukkan struktur transistor
MOSFET enhancementmode 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 la-pisan deplesi maupun celah yang bisa dialiri
elektron. Satu-satunya jalan adalah
dengan memberi tegangan VGS positif . Karena subtract terhubung dengan source, maka
jika tegangan gate positif berarti tegangan gate terhadap subtrat juga positif. Tegangan
positif ini akan menyebabkan elektron ter-tarik ke arah subtrat. Elektron-elektron akan
bergabung dengan hole yang ada pada subtrat p. Karena potensial gate lebih positif, maka
elektron terlebih dahulu tertarik dan menumpuk di sisi subtrat yang berbatasan dengangate. 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 berbalikan. Di sini karena subtratnya
tipe p, maka lapisan inversion yang terbentuk adalah bermuatan negatif atau tipe n.
-
8/19/2019 ELKA Modul 3 2016
10/18
Laboratorium Elektronika
Telkom University
Modul Praktikum Laboratorium Elektronika Page 10
Tentu ada tegangan minimum dimana lapisan inversion n mulai terbentuk. Tegangan
minimun ini disebut tegangan threshold VGS(th). Hal inilah yang merupakan perbedaan
utama prinsip kerja transitor 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.
Kurva Drain MOSFET enhancement-mode
VGS semua bernilai positif. Garis kurva paling bawah adalah garis kurva dimana
transistor mulai ON. Tegangan VGS pada garis kurva ini disebut teganganthreshold VGS(th).
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 mem-perkecil rugi-rugi disipasi daya dalam bentuk panas.
Juga penting diketahui parameter arus drain maksimum ID(max) dan disipasi daya
maksimum PD(max). MOSFET dapat berfungsi sebagai saklar, dengan ketentuan saklar akan
ON ketika VGS ≥ Vth dan VDD ≥ Vth. Vth merupakan V threshold dimana MOSFET mulai
bekerja.
-
8/19/2019 ELKA Modul 3 2016
11/18
Laboratorium Elektronika
Telkom University
Modul Praktikum Laboratorium Elektronika Page 11
Analisa Prategangan MOSFET Enhancement
Saat melakukan prategangan DC, semua sumber tegangan AC short circuit, sumber arus AC
open circuit, dan kapasitor open
circuit. Setelah itu dapat kita buat
rangkaian pengganti MOSFET
tersebut. Rumus dasar transistor
MOSFET antara lain:
1. Feedback Bias
Pada rangkaian feedback ini konfigurasi yang digunakan adalah common source.
-
8/19/2019 ELKA Modul 3 2016
12/18
Laboratorium Elektronika
Telkom University
Modul Praktikum Laboratorium Elektronika Page 12
2. Voltage Divider Bias
Analisa Sinyal kecil AC pada Penguat MOSFET Enhancement-mode
Untuk MOSFET enhancement type n maupun type p, rangkaian pengganti untuk sinyal
kecilnya sama. Yang membedakan adalah arah arusnya. Untuk merubah ke bentuk sinyal
AC caranya sama seperti BJT,sumber arus DC open circuit, sumber tegangan DC short
circuit, dan kapasitor short circuit. Gambar di bawah ini adalah rangkaian pengganti untuk
tipe n.
-
8/19/2019 ELKA Modul 3 2016
13/18
Laboratorium Elektronika
Telkom University
Modul Praktikum Laboratorium Elektronika Page 13
-
8/19/2019 ELKA Modul 3 2016
14/18
Laboratorium Elektronika
Telkom University
Modul Praktikum Laboratorium Elektronika Page 14
IV.LANGKAH PRAKTIKUM
PERCOBAAN
Persiapan Percobaan
1. Pastikan derah kerja aman dari bahaya gangguan teknis dan buat kondisi
senyaman mungkin.
2. Pastikan saklar stop contact PLN telah dalam kondisi “ON ” agar semua
peralatan praktikum yang membutuhkan catuan listrik dari stop contac PLN dapat
bekerja.
3. Nyalakan peralatan yang akan digunakan pada praktikum kali ini dan patuhi
prosedur penggunaan untuk tiap alat yang dipakai.
A. Karakteristik MOSFET
1.
Aplikasikan rangkaian berikut yang terdapat pada KIT praktikum.
2. Berikan catuan V1 (dengan DC power supply) dengan nilai 0 Volt.
3. Hubungkan titik Id_1 dan Id_2 ke Amperemeter (perhatikan aturan
penggunaan Multimeter).
4. Berikan catuan V2 (dengan DC power supply) dengan rentang: 0 – 6 Volt
(rentang perubahan= 2 Volt).5. Catat nilai yang terukur (Id) untuk setiap perubahan nilai V2 pada jurnal praktikum.
-
8/19/2019 ELKA Modul 3 2016
15/18
Laboratorium Elektronika
Telkom University
Modul Praktikum Laboratorium Elektronika Page 15
6. Setelah selesai, reset nilai V2 menjadi 0 Volt.
7. Lepaskan Amperemeter dari titik Id_1 dan Id_2.
8. Hubung singkatkan titik Id_1 dan Id_2.
9. Hubungkan titik VD dan VS ke Voltmeter (perhatikan aturan penggunaan
Multimeter).
10. Berikan catuan V2 (dengan DC power supply) dengan rentang: 0 – 10 Volt (rentang
perubahan = 2 Volt).
11. Catat nilai yang terukur (Vds) untuk setiap perubahan nilai V2 pada jurnal
praktikum.
12. Ulangi langkah 3 – 11 dengan mengubah nilai V1 (nilai perubahan: 1 Volt, 2 Volt, 3
Volt, 4 Volt, 5 Volt).
B. Aplikasi
Penguat Sinyal Kecil (Common Source)
1.
Atur Function Generator dengan sinyal masukan sinyal sinusoidal dengan
tegangan 1 Vpp dengan frekuensi 11 MHz.
2. Lakukan kalibrasi osiloskop.
3. Perhatikan rangkaian berikut yang terdapat pada KIT praktikum.
-
8/19/2019 ELKA Modul 3 2016
16/18
Laboratorium Elektronika
Telkom University
Modul Praktikum Laboratorium Elektronika Page 16
4. Hubungkan Vin dengan function generator dengan ketentuan seperti pada langkah
1 (perhatikan aturan penggunaan Function Generator ).
5. Hubungkan Vin dengan channel 1 Osiloskop
6. Hubungkan Vout dengan channel 2 Osiloskop
7. Ubahlah frekuensi pada function generator dari rentang 11 MHz – 15 MHz dengan
perubahan 1MHz.
8. Catat hasil pengamatan pada jurnal praktikum.
9. Lakukan Analisis pada jurnal praktikum.
Inverter
1. Perhatikan gambar rangkaian dibawah ini pada KIT praktikum.
2. Hubungkan Vs ke DC power supply sebesar 5 Volt.
3. Berikan input jika ON = 1 atau OFF = 0 (input ini sebagai saklar).
4. Amati bentuk perubahan yang terjadi pada LED untuk setiap perubahan.
5. Catat hasil pengamatan pada jurnal praktikum.
6. Lakukan Analisis pada jurnal praktikum.
-
8/19/2019 ELKA Modul 3 2016
17/18
Laboratorium Elektronika
Telkom University
Modul Praktikum Laboratorium Elektronika Page 17
Switch
1. Perhatikan gambar rangkaian dibawah ini pada KIT praktikum.
2.
Hubungkan Vs ke sumber tegangan DC dengan nilai sebesar 5 Volt.
3. Berikan input jika ON = 1 atau OFF = 0 (input ini sebagai saklar).
4. Amati bentuk perubahan yang terjadi pada LED untuk setiap perubahan.
5. Catat hasil pengamatan pada jurnal praktikum.
6. Lakukan Analisis pada jurnal praktikum.
-
8/19/2019 ELKA Modul 3 2016
18/18
LaboratoriumElektronika
Telkom University
Modul Praktikum Laboratorium Elektronika Page 18
V. REFERENSI
“ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT THEORY” fifth edition, Oleh: ROBERTH
BOYLESTAD, LOUIS NALHELSKY, Prentice Hall International Edition.
“ELECTRONIC PRINCIPLES” sixth edition, Oleh: Albert Paul Malvino.
http://en.wikipedia.org/wiki/MOSFET
Pustaka dan referensi lainnya.