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

Transkripsi

1 MOSFET Srukur da operasi fisik dari MOSFET jeis ehaceme Gambar. Srukrur fisik rasisor NMOS jeis ehaceme

2 Cara kerja apa egaga gae Tapa egaga gae aka ada dioda yag diserika secara back-oback aara source da drai. Kedua dioda ii aka mecegah adaya arus dari drai ke source jika S dipasag. Resisasi pada jalur aara drai da source saga iggi (pada orde 0 Ω). Membua kaal uuk alira arus. Gambar. Trasisor NMOS jeis ehaceme dega egaga posiif pada gae

3 Pemasaga egaga S yag kecil. Gambar 3. Trasisor NMOS dega > dega egaga S erpasag Kodukasi kaal sebadig dega Arus i sebadig dega. 3

4 Gambar 4. Karakerisik i S dari MOSFET MOSFET bekerja seperi resisasi liier yag dikedalika oleh. Uuk, resisasiya idak erhigga, da hargaya meuru jika melebihi. Jadi, agar MOSFET erkoduksi harus ada kaal iduksi. ega berambahya melebihi meigkaka kemampua kaal, oleh karea iu MOSFET jeis ii disebu MOSFET echaceme-ype. Arus yag meiggalka source (i s ) sama dega arus yag memasuki drai (i 4 ), jadi arus gae i G = 0

5 Operasi bila S diaikka. Gambar 5. Cara kerja rasisor NMOS jeis ehaceme dega meigkaya S 5

6 Gambar 6. Hubuga i dega S pada rasisor NMOS jeis ehaceme yag beroperasi dega > Ssa = - 6

7 Gambar 7. Keaika S peyebabka kaal meyempi 7

8 Perhaika gambar da sebuah srip pada gae yag berjarak x dari source. Kapasiasi srip ii: C ox Wdx. Uuk medapaka muaa pada srip ii, kalika kapasiasiya dega egaga efekif aara gae da kaal pada iik x yaiu: [ (x) ]; (x) adalah egaga pada kaal di iik x. dq = - C ox (W dx)[ \ (x) ] Tegaga S meghasilka meda lisrik sepajag kaal. Meda lisrik pada iik x: d( x) E( x) dx Meda lisrik E(x) meyebabka muaa elekro dq bergerak ke arah drai dega kecepaa: dx d( x) E( x) d dx dq i d dq dx dx d i C ox W ( x) d( x) dx 8

9 Hubuga i - S Gambar 8. Peurua karakerisik i S pada rasisor NMOS C ox ox ox 9

10 Walaupu diealuasi pada iik ereu, arus i harus kosa pada semua iik di sepajag kaal. i harus sama dega arus dari source ke drai da berlawa arah dega arus dari drai ke source (i ) i i 0 0 i i i dx dx d( x) CoxW ( x) dx W ( x) d( x) C C S ox ox C ox W W ( x) S d( x) S Harga arus pada ujug daerah rioda aau permulaa daerah jeuh dapa diperoleh dega meggaika S = i C ox W µ C ox disebu parameer raskodukasi proses. iuliska sebagai k da mempuyai dimesi A/ k = µ C ox 0

11 i i k ' k W ' W S (daerah rioda) (daerah jeuh) S Jadi arus drai sebadig dega perbadiga lebar kaal da pajag kaal, yag disebu aspec raio dari MOSFET MOSFET kaal-p MOSFET kaal-p jeis echaceme (PMOS), dibua pada subsrae jeis dega daerah p + pada drai da source. Cara kerjaya sama dega NMOS haya saja, S da egaif.

12 Complemeary MOS aau CMOS Gambar 9. Ragkaia eriegrasi CMOS Pada ekologi CMOS, rasisor NMOS diimplemeasiika lagsug pada subsrae jeis p, sedagka rasisor PMOS dibua pada -well. Kedua diais diisolasi sau dega laiya dega oksida yag ebal sebagai isulaor.

13 Karakerisik arus da egaga. ambag ragkaia Gambar 0. ambag MOSFET kaal jeis ehaceme Pada FET kaal : drai selalu posiif dibadigka dega source 3

14 Gambar (a) MOSFET kaal jeis ehaceme Gambar (b) Karakerisik i S uuk diais dega k (W/) =.0mA/ 4

15 Kura karakerisik meujukka 3 daerah kerja:. daerah cuoff. daerah rioda 3. daerah jeuh. aerah jeuh dipakai bila FET bekerja sebagai pegua. aerah cuoff da rioda diguaka bila FET bekerja sebagai saklar. FET pada daerah cuoff jika: < Pada daerah rioda: G > G = S S > S < G (iduced chael) (coiuous chael) (coiuous chael) Jadi MOSFET kaal jeis echaceme berkerja di daerah rioda jika lebih besar dari da egaga pada drai lebih redah dari egaga gae miimal sebesar ol 5

16 i k ' ' W k C ox S S Jika S cukup kecil, S dapa diabaika. i k ' W S r S adalah resisasi liier yag dikedalika oleh. Jika =, maka r r S O S i S (uuk S k ' W k kecil da ' W O : gae-o-source oerdrie ollage O ) 6

17 MOSFET bekerja di daerah jeuh jika: (iduced chael) G (piched-off chael) S (piched-off chael) Jadi MOSFET kaal jeis ehaceme bekerja pada daerah jeuh jika lebih besar dari da egaga drai idak lebih kecil dari egaga gae melebihi ol Baas aara daerah rioda da daerah jeuh: S = Arus i pada keadaa jeuh ' i k W Pada keadaa jeuh: arus i idak ergaug dari egaga drai, S arus i dieuka oleh egaga gae, MOSFET mejadi sebuah sumber arus ideal yag hargaya dikedalika oleh Caaa: ii adalah model ragkaia ekiale siyal besar Pada baas aara daerah rioda da daerah jeuh: i k ' W S 7

18 Gambar. karakerisik i - rasisor NMOS jeis ehaceme pada keadaa jeuh ( = da k (W/) =,0 ma/ 8

19 Gambar 3. Ragkaia ekiale model siyal besar dari NMOS pada daerah jeuh 9

20 Gambar 4. eel relaif egaga ermial rasisor NMOS yag beroperasi pada daerah rioda da daerah jeuh. 0

21 Resisasi keluara pada keadaa jeuh Gambar 5. Keaika S melebihi Ssa yag meyebabka iik pich-off sediki mejauh dari drai S aik melebihi Ssa, iik piched-off dari kaal bergeser mejauhi drai meuju source, sehigga ada daerah depleio aara drai da ujug kaal. Akibaya pajag kaal aka berkurag. Keadaa ii disebu chael-legh modulaio Karea i berbadig erbalik dega pajag kaal, maka i aik dega aikya S. Uuk meghiug keergauga i pada S pada keadaa jeuh, gai dega ( Δ)

22 ' ' ' W k W k W k i iasumsika (Δ/) << Jika Δ sebadig dega S : Δ = λ S λ parameer ekologi proses dega dimesi µm/ S S W k i W k i ' ' ' '

23 Gambar 5. Efek S pada i pada daerah jeuh Ekrapolasi garis lurus pada kura karakerisik i S aka memoog sumbu S pada iik S = - /λ - A. A = /λ Uuk suau proses ereu, A sebadig dega pajag kaal. A = A A = 5 50 /µm 3

24 Caaa: diais dega kaal yag lebih pedek lebih erpegaruh dega efek chael-legh modulaio. Gambar 7. Model ragkaia siyal besar dari MOSFET kaal - pada keadaa jeuh dega adaya resisasi r o 4

25 5 Chael-legh modulaio meyebabka adaya resisasi keluara (idak ), r o A o o o S o I r I r W k r i r ' kosa imaa I adalah arus drai apa memperhiugka chael-legh modulaio Resisasi keluara berbadig erbalik dega arus bias dc, I

26 Karakerisik MOSFET kaal p Gambar 8. MOSFET kaal p jeis ehaceme 6

27 Uuk megiduksi sebuah kaal harus dipasag egaga pada gae lebih kecil dari. SG (iduced chael) Uuk bekerja di daerah rioda: i S k ' p ' W k p C p ox, da S egaif µ p = 0,5 0,5 µ (coiuous chael) S S Uuk bekerja di daerah jeuh: S (piched-off chael) i,, λ da S egaif ' W k p S 7

28 Agar rasisor PMOS bekerja, egaga gae harus dibua lebih redah dari egaga source sedikiya sebesar. Uuk bekerja di daerah rioda, egaga drai harus lebih besar dari egaga gae miimal sebesar, jika idak, PMOS bekerja di daerah jeuh. Gambar 9. eel relaif egaga ermial rasisor PMOS yag beroperasi pada daerah rioda da daerah jeuh. 8

29 Peraa subsrae he body effec alam bayak pemakaia: subsrae dihubugka dega source p jucio aara subsrae da gae selalu off. Pada keadaa ii subsrae idak berpera dalam kerja ragkaia. Pada IC, bayak MOS megguaka subsrae yag sama. Agar jucio aara subsrae da gae selalu off : Subsrae dihubugka ke egaga yag palig egaif uuk ragkaia NMOS Subsrae dihubugka ke egaga yag palig posiif uuk ragkaia PMOS Akibaya egaga reerse-bias aara source da body ( SB pada diais kaal ) aka mempegaruhi kerja diais. Reerse bias ii aka: Memperlebar daerah depleio Meguragi kedalama kaal Agar kedalama kaal eap sama, harus diaikka. 9

30 Efek dari SB pada kaal diyaaka dega perubaha 0 f SB 0 = egaga ambag uuk SB = 0 φ f = parameer fisik; biasaya φ f = 0,6 γ= parameer proses pembuaa qn C OX A S q=,6 x 0-9 C N A = koserasi dopig ε S = permiiias siliko =,7 ε 0 =,7 x 8,854 x 0 - f 30

31 Pegaruh suhu da k sesiif erhadap suhu uru m/ C i berkurag dega aikya suhu Breakdow da proeksi ipu Breakdow erjadi jika egaga drai aik mecapai harga dimaa p jucio aara drai da subsrae megalami breakdow aalache. Akibaya aka ada peigkaa arus. Keadaa ii erjadi pada egaga Puch-hrough adalah efek lai dari breakdow. Terjadi pada egaga yag lebih redah (0). Terjadi pada diais yag mempuyai kaal pedek yaiu pada saa egaga drai aik ke suau iik di maa daerah depleio sekiar drai melewai kaal da mecapai source. Arus drai aka aik dega cepa. Puch-hrough idak meyebabka kerusaka yag permae. 3

32 Breakdow oksida gae erjadi bila egaga melebihi 30. Breakdow ii meyebabka kerusaka permae pada diais Peyebabya adaya akumulasi muaa saik pada kapasior gae yag dapa melebihi egaga breakdow-ya. Uuk mecegah akumulasi muaa saik pada kapasior gae, dipasag ala proeksi pada ermial masuka dari IC MOS yag erdiri dari ragkaia dioda pejepi (clampig diodes) 3

33 Summary Trasisor NMOS: Simbol Tegaga oerdrie: O = = + O Bekerja di daerah rioda: Kodisi: O 0 G S S O 33

34 karakerisik i W i C OX S S Uuk S << ( ) << O r S i S Bekerja di daerah jeuh: C OX W Kodisi: O 0 G S S O W Karakerisik i Ci OX S 34

35 Model ragkaia ekiale siyal besar r o C OX W I A dimaa I C OX W Tegaga ambag: 0 f SB f 35

36 Parameer proses: C k ' OX ' A COX A m A OX A qn A OX S C OX F/m Kosaa: ε 0 = 8,854 x 0 - F/m ε OX = 3,9 ε 0 = 3,45 x 0 - F/m ε S =,7 ε 0 =,04 x 0-0 F/m q =,60 x 0-9 C 36

37 Trasisor PMOS Simbol: Tegaga oerdrie: O = SG = + O Bekerja di daerah rioda: Kodisi: O 0 SC G S S O 37

38 Bekerja di daerah jeuh: Kodisi: O 0 SG G S S O Karakerisik i Mempuyai hubuga yag sama seperi pada rasisor NMOS kecuali: µ, k da N A digai dega µ p, k p da N, 0, A, λ da γ berilai egaif Model ragkaia ekiale siyal besar r o I p p C C OX OX W W SG SG I A 38

39 Cooh soal: Sebuah MOSFET mempuyai mi = 0,4μm, OX = 8 m, μ = 450 cm /s da = 0,7. a. Carilah C OX da k. b. Uuk MOSFET dega W/ = 8 μm/0,8μm, hiuglah harga da Smi yag diperluka agar rasisor bekerja di daerah jeuh dega arus dc I = 00 μa c. Uuk MOSFET pada (b), carilah harga yag diperluka agar MOSFET bekerja sebagai resisor 000 Ω uuk S yag saga kecil Jawab: a. C k OX ' OX OX ,3 ff/ C OX -6 A/ 3, m 9 450(cm (F/.s) / 4,30.s) 3 4,3 (ff/ F/m m ) 39

40 Uuk bekerja di daerah jeuh: I 00 S mi k ' 0,7 W, ,8 0,3 0,3 0,7 Uuk MOSFET di daerah rioda dega S saga kecil: i r 000 S k ' i W S 0,7 k ', 940 S kecil W 6 0,5 S 0 0,7 40

41 Ragkaia MOSFET pada C Cooh soal Racaglah ragkaia seperi pada gambar di sampig ii sehigga rasisor bekerja pada I = 0,4 ma da = +0,5. Trasisor NMOS mempuyai = 0,7, μ C OX = 00 μa/, = μm da W = 3 μm. Abaika pegaruh chael-legh modulaio (λ = 0) Gambar 0. Cooh soal 4

42 Jawab: = 0, 5 > G NMOS bekerja pada daerah jeuh. W I C OX = O ; I = 0,4 ma = 400 μa; μ C OX = 00 μa/ da W/ = 3/ O O = 0,5 = + O = 0,7 + 0,5 =, G = 0 S = -, R S S I SS, (,5) 0,4 3,5 k Uuk medapaka = +0,5 : R I,5 0,5 0,4 5 k 4

43 Racag ragkaia seperi gambar uuk medapaka arus I = 80 μa. Cari harga R da egaga C. Trasisor NMOS mempuyai = 0,6, μ C OX = 00 μa/, = 0,8 μm da W = 4μ. (asumsika λ=0) Gambar. Cooh soal 43

44 Jawab: G = 0 = G da FET bekerja di daerah jeuh I R O G I C 3 0, ,8 C OX OX C W W I OX O W O 0,6 5 k 0,4 0,4 44

45 Racaglah ragkaia pada gambar agar egaga drai = 0,. Berapakah resisasi aara drai da source pada iik kerja ii? = da k (W/) = ma/. Gambar. Cooh soal 45

46 Jawab: = G 4,9 da = MOSFET bekerja di daerah rioda. Jadi arus I : I I ' W k 5 0, 0,395 ma S 0,0 S R r S 5 0, 0,395 S I I,4 k 0, 0,

47 Aalisa ragkaia pada gamabr 3(a) uuk meeuka egaga di semua ode da arus di semua cabag. ikeahui = da k (W/) = ma/. (asumsika λ = 0) Gambar 3. Ragkaia cooh soal 47

48 Gambar 3 (b) Ragkaia dega aalisis erici Jawab: Karea arus gae = 0, egaga gae: G R R G G R G 48

49 G > 0 rasisor NMOS bekerja. Asumsika rasisor bekerja di daerah jeuh. G = 5 S = I x R S = I (ma) x 6 kω = 6 I = G S = 5 6I I 8I I I Jadi: I S S k ' 5I 0 0,5 ma 5 0,89 ma 6I 8 0,89 ma; I G W S 0,5 ma rasisor'off' 0, , ,89 5,34 Karea > G, rasisor bekerja di daerah jeuh 49

50 Racag ragkaia seperi pada gambar 4 sehigga rasisor bekerja di daerah jeuh dega I = 0,5 ma da = +3. Trasisor PMOS jeis echaceme mempuyai = - da k p (W/) = ma/. Asumsika λ = 0. Berapa harga erbesar R O agar eap bekerja di daerah jeuh? Gambar 4 Cooh soal 50

51 Jawab: MOSFET bekerja di daerah jeuh: I ' W k I = 0,5 ma da k p W/ = ma/ maka: O = - (uuk PMOS egaif) = + O = - = - S =+5 G = +3 G = +3 dapa diperoleh dega memilih harga R G da R G. Salah sau kemugkia R G = MΩ da R G = 3 MΩ R I 3 0,5 6 k Bekerja pada mode jeuh: harus lebih besar dari G sebayak max = 3 + = 4 k p ' p W O R = 4/0,5 = 8 kω 5

52 Gambar 5. Ragkaia cooh soal 5

53 Trasisor NMOS da PMOS mempuyai kesesuaia dega k (W/) = k p (W/) = ma/, = - p =. Asumsika λ = 0 uuk kedua rasisor. Carilah arus drai i N da i P da O uuk I = 0, +,5 da -,5 Jawab: Gambar (b) meujukka bila I = 0. Kedua rasisor mached da bekerja pada =,5 O = 0 Jadi Q N da Q P bekerja dega G = 0 bekerja pada daerah jeuh. I N = I P = ½ x x (,5 ) =,5 ma Gambar (c) meujukka bila I =,5. Trasisor Q P mempuyai = 0 cuoff O egaif G > bekerja pada daerah rioda. I N = k (W / )( ) S = [(,5 (-,5) ][ O (-,5)] I N (ma) = (0 O )/0 (kω) I N = 0,44 ma ; O = -,44 S = -,44 (-,5) = 0,06 Gambar (d) meujukka bila I = -,5. Kasus ii kebalika dari kasus gambar (c). Trasisor Q N aka cuoff I N = 0. Q P bekerja pada daerah rioda dega I P =,44 ma da O =+,44 53

54 MOSFET sebagai Pegua da Saklar MOSFET sebagai pegua: Bekerja di daerah jeuh Berpera sebagai sumber arus yag dikedalika oleh egaga (CCS). Perubaha pada egaga aka megubah arus drai i. MOSFET yag bekerja di daerah jeuh dapa dipakai uuk membua pegua raskodukasi (rascoducace amplifier). Yag diigika pegua liier; jadi harus ada bias dc agar MOSFET bekerja pada da I ereu, kemudia diumpagka egaga gs yag aka diperkua pada egaga dc. ega mejaga gs kecil arus drai, i d dapa dibua sebadig dega gs 54

55 Cara kerja Siyal Besar Karakerisik Trasfer Gambar 6(a) Srukur dasar ragkaia pegua commo source (b) Grafik yag diguaka uuk meeuka karakerisik rasfer pegua pada gambar (a) 55

56 Gambar 6(c) Karakerisik rasfer pegua pada iik kerja Q 56

57 Peurua karakerisik rasfer secara grafis. Pada ragkaia CS drai dihubugka ke cau daya melalui R, sehigga diperoleh hubuga i da S sebagiai beriku: i S R R R i S Secara kuaiaif,ragkaia bekerja sebagai beriku: I =. Uuk I < rasisor cuoff, i = 0, O = S =. bekerja pada iik A. Trasisor I > rasisor o, i meigka, O meuru. Karea O bermula dega harga yag iggi, rasisor bekerja dalam keadaa jeuh. Keadaa ii diujukka oleh garis beba aara iik A da B. Uuk iik Q ereu, IQ = da OQ = SQ sera arus = I Q. 57

58 I < S = MOSFET memasuki daerah kerja rioda. Pada kura diujukka dega iik B yag memoog garis beba dega kura garis erpuus yag medefiisika baas aara daerah jeuh da daerah rioda. Tik B didefiisika sebagai: OB = IB Uuk I > IB, rasisor maki masuk ke daerah rioda. Pada iik C, I =, OC biasaya kecil sekali. Tiik-iik pada kura hubuga i S di gambar 6(b) meghasilka kura rasfer pada gambar 6(c) 58

59 MOSFET Bekerja Sebagai Saklar. Jika MOSFET dipakai sebagai saklar, MOSFET bekerja pada iik-iik eksrim dari kura rasfer. MOSFET off bila I < bekerja pada iiik aara X da A dega O =. Saklar o dega I medekai bekerja medekai iik C dega O saga kecil. Jadi CS MOS dapa diguaka sebagai ierer logik dega leel egaga low medekai o da high medekai. MOSFET Bekerja Sebagai Pegua iier MOSFET sebagai pegua bekerja di daerah jeuh. MOSFET diberi bias dc pada iik di egah-egah kura. Tiik ii disebu iik kerja aau quiesce poi. Siyal egaga yag aka diperkua, diumpagka pada egaga dc IQ. (liha gambar 6(c)). Syara liier: i harus dijaga eap kecil 59

60 Fakor peguaa: A d d o i IQ i Cara memilih iik kerja. SQ harus lebih kecil dari da lebih besar dari OB sehigga dapa megakomodasi harga simpaga maksimum da simpaga miimum dari egaga keluara. Jika SQ erlalu deka dega, harga simpaga maksimum siyal keluara aka erpoog (clipped off). Pada keadaa ii dikaaka pegua idak mempuyai cukup headroom. Jika SQ erlalu deka dega baas rioda, harga simpaga miimum siyal keluara aka erdisorsi. Pada keadaa ii dikaaka pegua idak mempuyai cukup legroom. 60

61 Gambar 7. ua garis beba da iik kerjaya. Tiik Q erlalu deka dega, da iik Q erlalu deka dega baas daerah rioda. 6