BAB IX. FET (Transistor Efek Medan) dan UJT (Uni Junction Transistor)

Transkripsi

1 Bab IX, FET dan UJT Hal 180 BAB IX FET (Transistor Efek Medan) dan UJT (Uni Junction Transistor) Pada FET hanya menggunakan satu jenis pembawa muatan, dikelompokkan sebagai devais unipolar. ibandingkan dengan BJT, FET memiliki beberapa kelebihan diantaranya adalah: 1. hambatan dalam input sangat besar, yaitu sekitar ~ 10 6 Ω untuk JFET (Junction FET) dan ~ 10 8 Ω untuk MOFET (Metal Oxide emiconductor FET) 2. noisenya kecil, karena karena pembawa muatan pada FET tidak melewati hubungan p-n sama sekali. 3. densitas FET sangat tinggi sehingga dapat dibentuk rangkaian integrasi lebih padat 4. lebih stabil terhadap suhu isamping itu kekurangan FET dibandingkan dengan BJT adalah: 1. kecepatan switchingnya lebih rendah/lambat 2. tidak mampu menanggani daya besar, walaupun saat ini sudah ada FET yang mampu bekerja untuk daya besar. Konstruksi secara fisik dan simbul JFET ditunjukkan gambar berikut:

2 Bab IX, FET dan UJT Hal 181 p + tipe-n G G I G I V p + I n + tipe-p G G I G I V n + I Gambar 1, Konstruksi fisik dari JFET dan simbulnya FET memiliki 3 terminal yaitu ource(), rain(), dan Gate(G). ource adalah terminal tempat pembawa muatan mayoritas masuk ke kanal untuk menyediakan arus melalui kanal. rain adalah terminal arus meninggalkan kanal. Gate adalah elektroda yang mengontrol konduktansi antara ource dan rain. inyal input diberikan pada terminal rain. edangkan ubstrate atau bulk umumnya dihubungkan dengan ource. Material pada substrate biasanya netral atau didope sedikit. Umumnya sinyal input diberikan pada terminal Gate. alam rangkaian input, terminal Gate dan kanal bertindak seolah-olah bagai kapasitor plat sejajar, dan konduktivitas kanal dapat diubah oleh tegangan Gate terhadap ource. Untuk kanal-n, tegangan positif pada Gate menginduksi muatan negatif pada kanal sehingga ada aliran elektron dari ource ke rain. Ada analogi yang sangat mirip antara JFET dengan BJT. Banyak formula-formula dalam rangkaian JFET mirip dengan formula pada BJT, yaitu dengan menganalogikan sbb:

3 Bab IX, FET dan UJT Hal 182 Bipolar Emiter Basis Kolektor JFET ource Gate rain Pembiasan pada JFET JFET tidak bekerja berdasarkan arus listrik melainkan akibat medan listrik yang terjadi tegangan input ke terminal gerbang (Gate). Medan listrik dipakai untuk mengontrol lebar saluran tempat terjadinya konduksi antara terminal pembuangan (rain) dan sumber (ource). ehingga FET akan sangat efektif jika mendapat tegangan disamping memiliki impedansi input yang sangat besar dalam orde ~ MΩ. Arus rain melalui satu jenis bahan semikonduktor, yaitu tipe-n untuk kanal-n dan tipe-p untuk kanal-p. Pada JFET kanal-n pembawa muatannya adalah elektron bebas, sehingga terminal harus diberi potensial positif. elanjutnya JFET kanal-n dibias dengan cara seperti ditunjukkan pada gambar berikut. p + p + p + tipen tipen p + G I G I V V I V GG Gambar 2, Pembiasan pada JFET kanal-n ebagai pendekatan tidak ada arus yang mengalir pada Gate I G = 0, hal ini karena hambatan dalam input JFET =.

4 Bab IX, FET dan UJT Hal 183 Perhatikan lapisan deplesi yang terbentuk akibat pembiasan, lebar lapisan deplesi ini bervariasi terhadap V. Kanal-n tsb akan tertutup yaitu lebar kanal = 0 terjadi pada saat V = V p (dengan V p adalah tegangan pinch-off/penjepit) dan untuk V > V p praktis hambatan rain tak berubah. Pada JFET, junction field effect transistor, Gate dan kanal membentuk hubungan PN konvensional, namun memiliki hambatan dalam besar akibat bias mundur. edangkan pada IGFET, Insulated Gate Field Effect Transistor, atau MOFET, Metal Oxide emiconductor FET, memiliki elektroda yang terpisah dari kanal oleh lapisan tipis io 2. Tegangan yang diberikan pada Gate dapat menginduksikan muatan di kanal untuk mengontrol arus rain. Hambatan dalam inputnya sangat besar dan tidak bergantung pada polaritas tegangan Gate, disamping itu juga relatif tidak terpengaruh oleh suhu. Ada dua tipe MOFET yaitu tipe enhancement dan tipe depletion. Pada tipe enhancement arus pada kanal hanya terjadi jika diberi tegangan Gate. edangkan pada tipe depletion arus pada kanal dapat terjadi pada saat tegangan Gate = 0. alam simbul skematik tipe enhancement ditandakan dengan garis putus-putus pada kanal, sedangkan tipe depletion ditandakan dengan garis utuh untuk kanal. ecara skematik pengelompokkan FET dan peta tegangan output (dengan ource di-ground-kan) diberikan berikut ini. output JFET FET MOFET deplesi kanal-n JFET kanal-n enhancement kanal-n kanal-n kanal-p deplesi enhancement kanal-n kanal-n kanal-p enhancement kanal-p JFET kanal-p input Gambar 1, Penggolongan FET dan peta tegangan input/output

5 Bab IX, FET dan UJT Hal 184 edangkan diagram skematik dari berbagai tipe FET ditunjukkan pada gambar berikut ini. G Body G Body G G MOFET kanal-n MOFET kanal-p JFET kanal-n JFET kanal-p Gambar 2, iagram skematik FET. Karakteristik JFET Karakteristik output JFET kanal-n pada konfigursi C (commonsource) dengan v G 0 ditunjukkan pada gambar berikut. V R +R I =I po daerah ohmic daerah Pinch-off v G = garis kerja C -3-4 V Q V v Gambar 3, Kakterisktik output v vs i JFET berlaku sebagai devais linear sampai daerah deplesi pada bias mundur G- yang memperlebar kanal, dikenal sebagai kondisi pinchoff. Hubungan antara i terhadap v G bersifat kuadratik, sebagai:

6 Bab IX, FET dan UJT Hal 185 i v = I + V 1 G po 2 dengan I : arus drain pada saat v G = 0 volt, merupakan arus saturasi pada ssat Gate terhubung singkat. I = k I T -3/2 ΔV po = - k v ΔT V po : tegangan drain pada saat pinch-off = - V G(off). k I dan k v : konstanta yang bergantung pada jenis FET Nilai VG ( off ) sulit diukur secara akurat, sedangkan besaran I dan g m0 lebih mudah diukur dengan ketelitian tinggi. Untuk itu bisa 2I dilakukan pendekatan yaitu: V G ( off ) = g Garis Kerja Berikut ini rangkaian common source dari FET berikut rangkaian pengganti Thevenin pada bagian inputnya. m0 V V R 2 R R C C i C C i G i vi R 1 R C s vi R TH V TH I R C s Gambar 4, Rangkaian Common ource dan rangkaian penggantinya

7 Bab IX, FET dan UJT Hal 186 ari rangkaian pengganti tsb terlihat bahwa V TH dan R TH adalah tegangan dan hambatan pengganti Thevenin, yaitu V V R1 RR 1 2 th = dan R R + R th =. R + R VGG vg elanjutnya untuk loop I, untuk i G = 0 diperoleh: i = R R, persamaan ini merupakan persamaan garis lurus antara i dan v G dikenal sebagai garis bias transfer, dengan V GG = V th. Titik potong v G dengan persamaan i = I 1+ merupakan titik kerja, seperti V po ditunjukan pada Gambar 5. edangkan dari loop -, arus drain v v dapat dihitung yaitu sebesar i =. R + R R + R 2 i i V R +R Q I Q V i = R +R v G R +R I Q Q V GQ v G V Q V v Gambar 5, Titik Kerja Pada Gambar 5b, Titik kerja V Q dicari dengan V Q = V - (R +R ) I Q ari kurva transkonduktansi I vs. V G berbentuk kurva kuadratik menunjukkan bahwa nilai transkonduktansi bergantung pada V G yang dapat didekati dengan pendekatan linear sebagai:

8 Bab IX, FET dan UJT Hal 187 g m V = gmo V 1 G G ( off ), dengan g mo adalah transkonduktansi maksimum g = g. = 0 mo m V G Rangkaian ekivalen JFET, jika dioperasikan dalam daerah linear dapat dianggap bahwa tidak ada arus yang mengalir pada terminal Gate. ehingga hanya perlu rangkaian pengganti yang mengikuti persamaan: 1 I = gv + V r d m gs ds ds dengan g m : transkonduktansi bersama, g m I = V d gs V ds = 0 r ds 1 = : hambatan drain, g ds r ds V =. ds I d V = 0 gs Rangkaian ekivalennya ditunjukkan pada gambar berikut ini. Gambar 3, Rangkaian ekivalen JFET untuk sinyal kecil. Contoh:

9 Bab IX, FET dan UJT Hal 188 Transistor FET 2N5457 diketahui I = 8 ma dan g m0 = 5000 μ. Tentukan (a) nilai V G(off) dan (b) nilai g m pada saat V G = -2 V olusi: a. Tegangan V G ( off ) dicari dengan menggunakan persamaan 2I V G ( off ) =, sehingga V G ( off ) = - 3,2 V g m0 b. Transkonduktasi dicari dengan diperoleh g m = 1875 μ. g m V = gmo V 1 G G ( off ), sehingga FET sebagai saklar Rangkaian saklar dengan FET ditunjukkan pada Gambar 4. Agar FET terkonduksi antara dan perlu tegangan V G = 0. ehingga dari Gambar 4a pulsa negatif ke dioda akan mematikan FET sedangkan pada Gambar 4b jika ada pulsa negatif akan mematikan FET akibatnya sinyal melewati beban. 2N K 470K 5K 2N K V 1N4001 V out V 1K 10K Gambar 4, Rangkaian saklar dengan FET.

10 Bab IX, FET dan UJT Hal 189 FET sebagai penguat Untuk membuat JFET berfungsi sebagai penguat, ada banyak cara pembiasan, namun yang perlu dingat bahwa antara Gate - dengan - ource harus mendapat bias mundur. Cara yang paling buruk dilakukan dengan pembiasan Gate yaitu dengan memberikan tegangan V GG pada terminal Gate. Cara ini tidak baik karena titik kerja Q bervariasi terhadap I dan V G(off). Beberapa teknik pembiasan ditunjukkan pada gambar berikut ini. V V V V R R 1 R R R R G R G R 2 R R R G R -V GG -V Gate Bias Voltage divider Bias Two-supply Bias elf Bias Gambar 5, Beberapa teknik pembiasan pada JFET kanal-n. elf Bias pada Common ource Rangkaian Common ource dengan metoda pembiasan self-bias ditunjukkan pada gambar berikut ini. Hambatan R G digunakan untuk menjaga tegangan gate V GN = 0 volt. Pada saat Gate dalam keadaan open, menyebabkan tegangan Gate menjadi negatif sehingga FET akan pinch-off. engan adanya R G ini timbul arus bocor dalam orde ~ na dan perlu dipilih nilai R G agar V GN = 0 volt (arus I G diabaikan).

11 Bab IX, FET dan UJT Hal 190 Hal ini berarti I I sehingga akan terjadi beda potensial di ource sebesar: V = I R. V G = - I R (dengan V GN = 0 V) V = V - I R V = V - V. Pemilihan nilai R optimum jika diketahui kurva transkonduktasi (I vs. V G ) R V G ( off ) =. I ari relasi V G = - I R menunjukkan bahwa kurva linear, kurva ini memotong kurva transkonduktansi di titik Q (titik operasi FET), seperti ditunjukkan dalam gambar.

12 Bab IX, FET dan UJT Hal 191 V R I R L v out v in R G R I I VG = - I R Q V G(off) V G Gambar 6, Rangkaian Common ource dengan self-bias. ari Gambar 6a di atas, diketahui menggunakan FET dengan I = 6 ma, V G(off) = - 4 V. Jika diberi V = 20 V, R = 5,6 kω dan dikehendaki V Q = 12 V, maka diperoleh: V R = V - V Q = 20 V - 12 V = 8 V I Q VR 8 V = = = 1, 4 ma R 5,6 kω

13 Bab IX, FET dan UJT Hal 192 Untuk menghitung V G dilakukan dengan memanfaatkan persamaan 2 V G I = I 1, yaitu dengan membuat I V = I Q diperoleh G ( off ) V GQ = - 2,1 V (atau dapat dilakukan dengan menggunakan kurva transkonduktansi sperti gambar berikut ini). elanjutnya diperoleh R = yang cocok adalah 470 kω. V I GQ Q 2,08 V = = 1,5 k Ω, sedangkan R G 1,4 ma I 6 ma I Q I Q =1,4 ma - 4 V V GQ V G Gambar 7, Garis beban Contoh: Perhatikan rangkaian ource Follower berikut ini.

14 Bab IX, FET dan UJT Hal 193 Analisa C R2 Tegangan gate adalah VG = V = 7,5V R + R 1 2 Tegangan source V = V = 7,5V (pada saat V G = 0) G iperoleh tegangan antara drain dan source V = V V = 7,5V Arus drain I V R = = 7,5V =7,5mA 1kΩ V G ( off ) 2I = dan g m0 g m V = gmo V 1 G G ( off ) Analisa AC Hambatan source, r = R // R = 1kΩ//3kΩ = 750Ω s L

15 Bab IX, FET dan UJT Hal 194 gmrv s in gmrs Penguatan tegangan adalah A = V 0,6 (1 + g r ) v = (1 + g r ) = Beda fasa antara input dan output = 0 o. m s in m s Jika menggunakan EWB, tegangan output (channel 2) dan input (channel 1) diukur dengan osiloskop diperoleh: Perhatikan simulasi yang dilakukan pada rangkaian common-source berikut ini. Jika diketahui g = 5000μ. m Pada saat analisa AC, diperoleh hambatan drain adalah r = R // R = 3,6kΩ//10kΩ=2,65kΩ d L ehingga penguatan tegangan adalah A = g r = 5000μ 2,65kΩ = 13,3 v m d ( )( ) Ada beda fasa antara input dan output sebesar 180 o.

16 Bab IX, FET dan UJT Hal 195 Hasil tampilan osciloscope ditunjukkan sbb:

17 Bab IX, FET dan UJT Hal 196 UJT (UNI JUNCTION TRANITOR) Transistor satu hubungan (UJT ) merupakan terbuat dari bahan semikonduktor dengan tiga terminal mirip transistor hanya cara kerjanya sangat berbeda. Walaupun disebut transistor, namun fungsinya tidak digunakan sebagai penguat, melainkan sebagai pemicu, pewaktu, dan pembangkit gelombang. imbol UJT dan stuktur fisis serta rangkaian rangkaian ekivalennya diperlihatkan pada Gambar 6. Terminal B 1 dan B 2 adalah basis 1 dan basis 2 dengan hambatan sekitar 5-10 kω, sedangkan terminal E adalah emiter. edangkan hubungan E dengan B 1 mirip dioda hubungan p-n dan hanya ada satu hubungan. Tanda panah menuju B 1 menunjukkan bahwa hambatan R B1 tidak memiliki nilai tetap. Pada saaujt Off nilai R B1 dalam orde kω, namun pada saat On nil turun secara drastis hingga sangat rendah dalam orde Ω. B 2 B 2 B 2 R B2 E p n E E R B1 B 1 B 1 a b c B 1 Gambar 6, a) struktur UJT yang disederhanakan, b) imbol UJT dan c) rangkaian ekivalen UJT Cara kerja UJT Pada saat diberi tegangan supply antara B 1 dan B 2 menyebabkan ada arus mengalir, sedangkan tegangan antara emiter dengan basis 1 sebanding dengan V BB lewat suatu relasi :

18 Bab IX, FET dan UJT Hal 197 V EB1 = η V BB dengan η adalah rasio pengimbang dengan nilai sekitar 0,5-0,8. Jika tegangan V EB1 mencapai suatu tegangan V P menyebabkan hambatan basis 1 dengan emiter, R B1 menjadi rendah sehingga akan ada arus I E. Pada saat I E > I P dioda mendapat bias maju dan karakteristik V E vs I E ditunjukkan pada Gambar 7. V E (volt) V P Titik Puncak daerah Off daerah hambatan negatif daerah saturasi (On) Titik Lembah - I E (?A) V V I EO I P I V I E (ma) UJT sebagai Osilator Relaksasi Gambar 7, Karakteristik V E - I E Rangkaian untuk osilator relaksasi dengan UJT diberikan pada Gambar 8. Andaikan pada saat diberi tegangan V BB UJT dalam keadaan OFF. Karena supply tegangan V BB mengakibatkan kapasitor C akan terisi melalui R dengan konstanta waktu τ = RC. Pada saat tegangan di kapasitor mencapai V P, hubungan emiter-basis 1 terkonduksi sehingga energi yang tersimpan di kapasitor diberikan ke hubungan emiter-. basis 1 dan selanjutnya ke hambatan R B1. Ada dua hal yang terjadi:

19 Bab IX, FET dan UJT Hal pulsa arus yang mengalir pada R B1 akan menyebabkan pulsa tegangan output pada R B1. 2. arus yang mengalir antara B1 dan B 2 akan bertambah sehingga tegangan pada R B2 juga akan naik dengan V B2 = V BB - V B1. V BB R R B2 V out2 C R B1 V out1 Gambar 8, Rangkaian osilator relaksasi dengan UJT Energi yang tersimpan pada kapasitor akan cepat berkurang, sehingga tegangan V EB1 < V P berakibat terminal E dan B 1 tidak konduksi, selanjutnya terjadi proses yang berulan2g yaitu proses pengisian. Proses ini terjadi terus dan dinamakan osilator relaksasi. Bentuk gelombang output dtunjukan pada Gambar 10. Frekuensi osilasi kirakira sekitar f ~ 1/RC. Osilator relaksasi ini dipergunakan untuk mensupply pulsa pemacu pada strobskop, tiristor, triak, dll. Namun jika rangkain pada Gambar 8 dipergunakan untuk delay maka perlu modifikasi seperti ditunjukkan pada Gambar 9.

20 Bab IX, FET dan UJT Hal 199 Beban V R 1 C R 2 Gambar 9, Rangkaian delay dengan UJT Rangkaian delay ini baik untuk t d < 5 menit, jika diinginkan t d besar berarti perlu R besar atau C besar. Pada saat R besar arus I E < I P sehingga UJT dalam kondisi Off, sebaliknya jika C besar perlu kapasitor elektrolit akan muncul arus bocor disamping bentuknya yang besar. V C V out1 V out2 Gambar 10, Bentuk gelombang pada osilator relaksasi.