Apa itu Transistor MOSFET?
MOSFET, singkatan dari Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, adalah komponen elektronik yang umum digunakan dalam rangkaian elektronik sebagai sakelar atau penguat untuk mengendalikan aliran tegangan tinggi dan arus besar. MOSFET merupakan jenis transistor yang terdiri dari gerbang logam, lapisan oksida, dan saluran semikonduktor.
Siapa yang menemukan transistor MOSFET?
Pada tahun 1959, D. Kahng dan Martin Atalla dari Bell Labs merevolusi dunia elektronika melalui penemuan transistor MOSFET. Penemuan terobosan ini memungkinkan miniaturisasi komponen elektronik, yang membuka jalan bagi sirkuit terpadu dan komputer modern. Meskipun penemuan itu sendiri bersifat revolusioner, proses penemuannya pun tak kalah menarik.
Kahng dan Atalla memulai penelitian mereka tentang MOSFET dengan terlebih dahulu mempelajari sifat-sifat struktur metal-oksida-semikonduktor (MOS). Dengan menggunakan teknik yang disebut deposisi uap kimia (CVD), mereka berhasil menumpuk lapisan tipis silikon dioksida pada substrat silikon. Lapisan silikon dioksida ini berfungsi sebagai isolator di antara dua lapisan konduktif pada struktur MOS.
Langkah selanjutnya dalam proses tersebut adalah membuat MOSFET. Dengan memasukkan dopan ke dalam lapisan isolator, Kahng dan Atalla berhasil menciptakan saluran di antara dua lapisan konduktif. Saluran ini kemudian dihubungkan ke gerbang, yang memungkinkan arus listrik mengalir melalui MOSFET saat diaktifkan. Hal ini memungkinkan pengendalian aliran arus melalui transistor dengan masukan tegangan.
Akhirnya, Kahng dan Atalla menguji penemuan mereka untuk memastikan bahwa penemuan tersebut berfungsi dengan baik. Mereka menemukan bahwa MOSFET mampu mengaktifkan dan menonaktifkan arus dengan cepat, yang menjadikannya ideal untuk digunakan dalam komputer dan perangkat elektronik lainnya. Berkat penelitian dan kerja keras mereka, transistor MOSFET telah menjadi bagian integral dari elektronik modern.
Struktur MOSFET
Transistor efek medan logam-oksida-semikonduktor (MOSFET) terdiri dari gerbang logam, lapisan oksida, dan semikonduktor, dengan lapisan oksida yang umumnya terbuat dari silikon dioksida. Bahan gerbang biasanya diganti dengan silikon polikristalin, bukan logam. Struktur ini membentuk kapasitor, dengan lapisan oksida berfungsi sebagai dielektrik dan kapasitansi ditentukan oleh ketebalan lapisan oksida serta konstanta dielektrik silikon dioksida. Gerbang silikon polikristalin dan semikonduktor silikon membentuk dua terminal kapasitor MOS. Selain struktur kapasitor, struktur MOSFET yang lengkap mencakup sumber (source) dan saluran (drain) untuk menyediakan pembawa mayoritas dan menerimanya, masing-masing.
Simbol Sirkuit MOSFET
Simbol rangkaian untuk transistor MOSFET yang umum digunakan dalam rangkaian elektronik terdiri dari sebuah garis vertikal yang melambangkan saluran, dua garis sejajar di samping saluran yang melambangkan sumber dan saluran pembuangan, serta sebuah garis tegak lurus di sebelah kiri yang melambangkan gerbang. Garis saluran juga dapat digambarkan sebagai garis putus-putus untuk membedakan antara MOSFET mode penguatan dan MOSFET mode pengosongan.
Transistor MOSFET adalah perangkat empat terminal, yang terdiri dari terminal sumber, saluran, gerbang, dan terminal bulk atau badan. Arah panah yang membentang dari saluran ke terminal bulk menunjukkan apakah MOSFET tersebut merupakan perangkat tipe-p atau tipe-n, dengan panah selalu mengarah dari sisi P ke sisi N. Jika panah mengarah dari saluran ke gerbang, itu menunjukkan MOSFET tipe-p atau PMOS, sedangkan arah sebaliknya menunjukkan MOSFET tipe-n atau NMOS. Dalam sirkuit terpadu, terminal bulk biasanya digunakan bersama, sehingga polaritasnya tidak ditunjukkan, sedangkan lingkaran sering ditambahkan ke terminal gerbang PMOS untuk membedakannya dari NMOS.
Bagaimana Cara Kerja Transistor MOSFET?
Prinsip kerja dasar transistor efek medan semikonduktor oksida logam (MOSFET) adalah mengendalikan pembentukan dan konduktivitas saluran dengan memberikan tegangan pada elektroda gerbang, sehingga dapat mengatur arus yang mengalir antara elektroda saluran dan sumber. MOSFET terdiri dari tiga elektroda: gerbang, sumber, dan saluran. Terdapat lapisan oksida isolasi di antara elektroda gerbang dan sumber, dan saluran terbentuk di bawah lapisan ini pada permukaan semikonduktor.
Ketika tegangan positif diterapkan pada gerbang, lubang-lubang pada permukaan semikonduktor di bawah gerbang akan terdorong menjauh, sehingga membentuk lapisan inversi bermuatan negatif. Lapisan inversi ini memiliki konsentrasi elektron yang lebih tinggi daripada konsentrasi lubang, sehingga membentuk lapisan konduktif tipe-n yang disebut saluran. Ketika tegangan diterapkan antara saluran pembuangan dan sumber, arus mengalir melalui saluran menuju saluran pembuangan. Konduktivitas dan kepadatan muatan saluran dapat dimodulasi oleh besar dan polaritas tegangan gerbang, sehingga memungkinkan MOSFET berfungsi sebagai sakelar arus yang dapat dikendalikan.
Jenis-jenis MOSFET
Berdasarkan polaritas salurannya, transistor MOSFET dapat dibedakan menjadi: MOSFET saluran-N dan MOSFET saluran-P. Selain itu, berdasarkan besarnya tegangan gerbang, MOSFET dapat dibedakan menjadi: tipe deplesi dan tipe penguatan.
MOSFET Peningkatan Saluran-N
MOSFET N-Channel Enhancement umumnya digunakan dalam rangkaian elektronik untuk keperluan pengalihan dan penguatan. MOSFET ini disebut MOSFET enhancement karena memerlukan tegangan positif pada gerbang untuk mengaktifkan saluran, dan disebut MOSFET N-Channel karena memiliki jenis pembawa muatan negatif.
MOSFET Saluran-N Tipe Depletion
MOSFET Depletion Saluran-N terdiri dari lapisan-lapisan bahan semikonduktor yang telah didoping dengan impuritas tertentu untuk membentuk saluran yang menghantarkan arus. Saluran tersebut sudah terbentuk meskipun tidak ada tegangan yang diterapkan pada terminal gerbang. Hal ini berarti MOSFET berada dalam mode "depletion" ketika tidak ada tegangan yang diterapkan. Ketika tegangan diterapkan pada gerbang, hal itu akan memperkecil daerah depletion, sehingga memungkinkan arus mengalir melalui saluran tersebut.
MOSFET P-Channel dengan Penguatan
MOSFET P-Channel Enhancement adalah jenis MOSFET yang menggunakan substrat saluran-P untuk memungkinkan aliran elektron antara terminal sumber dan terminal saluran. Ketika tegangan diterapkan pada terminal gerbang MOSFET P-Channel Enhancement, hal ini menciptakan medan listrik yang menarik lubang bermuatan positif (berbeda dengan elektron bermuatan negatif pada MOSFET saluran-N) ke saluran, sehingga memungkinkan arus mengalir antara terminal sumber dan terminal saluran.
MOSFET Depletion Saluran-P
MOSFET saluran-P tipe deplesi bekerja dengan mengendalikan aliran pembawa muatan negatif (elektron) dalam saluran semikonduktor. Berbeda dengan MOSFET saluran-N, yang dirancang dengan gerbang bermuatan positif yang menarik pembawa muatan negatif, MOSFET saluran-P dirancang dengan gerbang bermuatan negatif yang menolak pembawa muatan positif (lubang). Pada MOSFET depletion, saluran semikonduktor didoping dengan impuritas yang menciptakan daerah depletion, yang bertindak sebagai penghalang resistif terhadap aliran arus. Dengan menerapkan tegangan ke gerbang, daerah depletion dapat diperluas atau dipersempit, sehingga mengontrol aliran arus melalui saluran.
Di mana MOSFET Digunakan?
Perangkat semikonduktor yang dikenal sebagai transistor MOSFET digunakan secara luas dalam sistem otomotif, industri, dan komunikasi. Dalam bidang elektronika otomotif, transistor MOSFET daya berfungsi sebagai perangkat pengalih umum pada unit kontrol elektronik dan konverter daya untuk kendaraan listrik modern. Selain itu, transistor MOSFET juga dapat digunakan sebagai sakelar atau penguat dalam berbagai aplikasi, seperti catu daya, pengendali motor, pengatur tegangan, mikrokontroler, sirkuit logika digital, dan penguat audio.
Secara khusus, transistor MOSFET dapat digunakan dalam catu daya komputer dan televisi untuk mengubah daya AC tegangan tinggi menjadi daya DC tegangan rendah; dalam sirkuit pengendali motor untuk mengatur kecepatan motor; dalam penguat audio untuk memperkuat sinyal level rendah menjadi sinyal level tinggi; dan dalam inverter surya, transistor MOSFET sering digunakan untuk mengubah daya DC yang dihasilkan oleh panel surya menjadi daya AC untuk penggunaan perumahan dan komersial.
Dalam beberapa tahun terakhir, seiring peningkatan kinerja transistor MOSFET, semakin banyak sirkuit terpadu pemrosesan sinyal analog yang juga mengadopsi transistor MOSFET, selain bidang pemrosesan sinyal digital (seperti mikroprosesor dan mikrokontroler). Dalam sirkuit digital, transistor MOSFET terutama digunakan dalam pengembangan sirkuit logika komplementer metal-oksida-semikonduktor (CMOS), yang hampir tidak memiliki kerugian daya statis dan dapat menghemat arus serta konsumsi daya. Dalam sirkuit logika CMOS, setiap penggerak gerbang logika dan setiap tahap gerbang logika hanya perlu berhadapan dengan gerbang transistor MOSFET yang sama, sehingga memudahkan pengoperasiannya. Dalam sirkuit analog, beberapa parameter kinerja transistor MOSFET dalam desain sirkuit telah meningkat secara signifikan, seperti transkonduktansi, daya dorong arus, dan kebisingan. Oleh karena itu, transistor MOSFET kini banyak digunakan dalam sirkuit analog, seperti penguat, filter, osilator, penguat daya, dan catu daya mode saklar.
MOSFET vs. BJT
Ada banyak perbedaan antara transistor MOSFET dan transistor BJT; berikut ini adalah tabel perbandingannya.
| No. | Karakteristik | BJT | MOSFET |
|---|---|---|---|
| 1 | Jenis transistor | Transistor sambungan bipolar | Transistor efek medan semikonduktor oksida logam |
| 2 | Klasifikasi | NPN dan PNP | Kanal-P dan kanal-N |
| 3 | Terminal | Basis, emitor, kolektor | Gerbang, sumber, drain |
| 4 | Simbol |  |  |
| 5 | Pembawa muatan | Elektron dan hole berperan dalam konduksi | Konduksi kanal menggunakan elektron atau hole sesuai jenis kanal |
| 6 | Kebutuhan penggerak | Penggerak basis-emitor dengan arus basis yang berkelanjutan | Tegangan gerbang-sumber; arus transien mengisi dan mengosongkan gerbang |
| 7 | Arus penggerak | Arus basis bergantung pada arus kolektor, penguatan, dan kondisi pensakelaran | Kebocoran DC gerbang rendah; arus dinamis bergantung pada muatan gerbang dan frekuensi |
| 8 | Kecepatan pensakelaran | Bergantung pada komponen dan rangkaian; muatan tersimpan dapat memperlambat pemadaman | Bergantung pada komponen dan rangkaian; muatan gerbang, penggerak, dan rugi daya menentukan batas praktis |
| 9 | Impedansi input | Bergantung pada arus bias dan konfigurasi rangkaian | Resistansi input DC tinggi; kapasitansi gerbang penting saat pensakelaran |
| 10 | Impedansi output | Bergantung pada daerah operasi, bias, dan topologi rangkaian | Bergantung pada daerah operasi, bias, dan topologi rangkaian |
| 11 | Suhu dan operasi paralel | BJT paralel memerlukan pembagian arus dan analisis termal | Resistansi saat kanal terbuka penuh biasanya naik dengan suhu; komponen paralel tetap memerlukan analisis pembagian arus |
| 12 | Disipasi daya | Evaluasi rugi konduksi, penggerak basis, dan pensakelaran pada beban nyata | Evaluasi resistansi saat panas, rugi penggerak gerbang, dan pensakelaran pada beban nyata |
| 13 | Respons frekuensi | Gunakan data bandwidth dan pensakelaran pada titik operasi yang direncanakan | Gunakan data bandwidth dan pensakelaran pada titik operasi yang direncanakan |
| 14 | Parameter penguatan | hFE berubah menurut arus kolektor, suhu, dan komponen; gunakan kondisi pengujian yang ditentukan | Tidak dinilai dengan penguatan arus BJT; bandingkan transkonduktansi, muatan gerbang, dan resistansi saat menyala |
| 15 | Daerah operasi aman | Periksa SOA komponen, termasuk batas breakdown sekunder | Periksa SOA komponen; operasi linear dapat menimbulkan titik panas dan ketidakstabilan termal |
| 16 | Penanganan ESD | Ikuti ketentuan penanganan ESD komponen yang dipilih | Ikuti ketentuan penanganan ESD komponen yang dipilih |
| 17 | Perbandingan biaya | Bandingkan rating, kemasan, jumlah, dan biaya rangkaian penggerak | Bandingkan rating, kemasan, jumlah, dan biaya rangkaian penggerak |
| 18 | Aplikasi umum | Penguat analog, osilator, sumber arus, dan rangkaian sakelar | Konverter pensakelaran, penggerak motor, sakelar beban, dan rangkaian analog sesuai komponen |
Pemeriksaan desain rangkaian MOSFET sebelum membuat prototipe
Rangkaian MOSFET harus diperiksa pada tegangan penggerak gate, arus beban, frekuensi switching, dan suhu yang sebenarnya. Tegangan ambang VGS(th) hanya menandai mulai mengalirnya arus uji kecil; nilai itu tidak membuktikan perangkat sudah menyala penuh. Gunakan RDS(on) pada datasheet yang ditentukan dekat tegangan gate tersedia, lalu perkirakan rugi konduksi dan switching.
- Gate: tambahkan pull-down atau pull-up agar perangkat tetap mati saat reset, serta pilih resistor untuk mengendalikan ringing dan kecepatan transisi.
- Referensi source: verifikasi tegangan gate-to-source driver, terutama pada rangkaian high-side.
- Termal: hitung disipasi memakai resistansi panas dan tembaga atau heatsink yang tersedia.
- Beban induktif: sediakan flyback, clamp, atau snubber yang sesuai dan periksa kapasitas energinya.
- Layout: buat loop gate dan loop arus switching pendek serta terpisah.
