8/7/2019 1. FET

1/16

Elektronika I 1

FIELD EFFECT TRANSISTOR (FET)

___________________________________________________________

Tujuan Pembelajaran Umum:

Setelah mempelajari bab ini mahasiswa diharapkan dapat1. Mengenal dan memahami FET dan prinsip kerjanya;

2. Mengenal jenis-jenis konfigurasi rangkaian FET dan domain aplikasinya

3. Mengenal prinsip analisa DC dan ac FET

Tujuan Pembelajaran Khusus:

Setelah mempelajari bab ini mahasiswa diharapkan dapat

1. Menganalisa rangkaian FET

2. Menetukan titik jerja dan garis beban rangkaian

3. Menganalisa rangkaian penguat berbasis FET

1. PendahuluanPada bab sebelumnya telah dibahas transistor jenis bipolar Bipolar Jonction Transistor

(BJT) BJT adalah jenis transistor dengan arus sebagai kontrol device. Transistor

tersebut dibentuk melalui hubungan bahan semikonduktor tipe N dan tipe P sedemikian

rupa sehingga terbentuklah transistor pertemuan dengan jenis NPN dan PNP

Field Effect Transistor (FET) merupakan uni polar transistor yang bekerja dengan

tegangan sebagai kontrol device

Baik BJT maupun FET dapat digunakan sebagai rangkaian penguat. Perbedaanya FET

Mempunyai resistansi input yang besar

Tahan terhadap radiasi, sedangkan BJT sangat sensitif terutama (hf)

Noise FET lebih rendah dari BJT, sehingga FET lebih banyak digunakan dalam

frekuensi tinggi

2. Cara kerja FET

Perhatikan analisa PN Janction berikut:

Keadaan reverse bias:

Hole (+) bergerak ke kiri, elektron (-) bergerak ke kanan karena pengaruk medan listrik

dari masing-masing kutub catu daya, akibatnya timbul zone depletion di tengah, zone

P N

I P N

Zone depletion

Forward bias Reverse bias

8/7/2019 1. FET

2/16

Elektronika I 2

P

elektroda

D

G

SVGS

VDS

P

D

G

SVGS

VDS

P

N-material

D

G

S

Elektroda

CanalN

P-material

Zone

depletion

D

G

S

VGS

VDS

ID

P

depletion ini merupakan daerah yang tidak bermuatan, jadi tidak dilalui arus listrik

kecuali arus bocor. Prinsip ini digunakan dalam analisa kerja FET.

Perhatikan gambar berikut ini:

Bila VGS > 0

Pada keadaan forward bias VGS negatif tidak ada zone depletion VDS positif

terjadi zone depletion disekitar P

Bila VGS < 0

karena VGS < 0, maka hole dari (P) akan bergerak ke arah G dan elektron bebas (-) akan

bergerak ke D dan ke S, akibatnya akan timbul zone depletion di sekitar elektroda P

seperti gambar berikut:

Ada 2 tipe FET yaitu FET kanal-N dan FET kanal-P

FET kanal-N FET kanal-P

S = Souce, D = Drain, G = Gate Zone Depletion dapat diubah-ubah dengan

mengubah tegangan bias VGS

Zone depletion disekitar D lebih tebal daridisekitar S, karena VG < VS, akibat zone

depletion IG sangat kecil IG 0

VGS < VDS Bila VGS bertambah negatif, maka zone

depletion bertambah besar, akibatnya arus ID

menjadi kecil

Arus ID = 0 saat VGS = VGS-off (Kanaltertutup oleh zone depletion)

8/7/2019 1. FET

3/16

Elektronika I 3

metalG1

S DOxide

misal: SiO2

canal

electroda

substrate

GS D

canal nn

D

G

S

N

P

Substrate

(lapisan n)

3. Jenis FET

a. Junction FET (JFET)

b. Metal Oxide Semiconductor FET (MOSFET)

MOSFET canal n

Telah dijelaskan di atas bahwa dengan mengubah tegangan bias VGS, maka lebar zone

depletion yang menutupi kanal dapat diubah-ubah.

Tegangan jepit = Pinch-off Voltage = Vp adalah tegangan pada saat kanal tertutup

(terjepit), untuk keadaan tersebut:

Untuk FET kanal N

VGS = Vp < 0

RDS = , IDS = 0VDS > 0

Jadi, untuk FET kanal N: Vp < VGS < 0

Untuk FET kanal P

VGS = Vp > 0

RDS = , IDS = 0VDS < 0

Jadi, untuk FET kanal P: 0 < VGS < Vp

8/7/2019 1. FET

4/16

Elektronika I 4

4. Karakteristik FET

Ada dua karakteristik penting FET yaitu karakteristik transfer yang menggambarkan

hubungan antara arus ID terhadap perubahan tegangan VGS, dan karakteristik output

yang menggambarkan hubungan antara arus ID terhadap perubahan tegangan VDS

4.1 Karakteristik transfer.

ID = f(VGS)

VDS = konstan.

Untuk FET kanal N

IDSS = Arus saturasi transistor yaitu saat VGS = 0

Kurva karakteristik di atas adalah setengah parabola dan dapat didekati dengan

persamaan:

karakteristik transfer...1)

Kemiringan kurva (tangensial) = gm

gm =GS

D

V

I

=

GS

2

GSDSS

V

Vp

V-1I

..2)

untuk VGS = Vp gm = 0

VGS = 0 gmo =Vp

I2- DSS, gmo adalah nilai gm pada saat VGS = 0

atau gmo =Vp

I2 DSS

VGS ID

0 IDSS

VP 0

0 VGS

ID

VpVp

2

IDSS

ID =

2

GSDSS

Vp

V-1I

gm = )Vp

V-(1

Vp

I2- GSDSS

8/7/2019 1. FET

5/16

Elektronika I 5

ID

D

G

S

ID ID

4.2 Karakteristik Output

ID = f (VDS)

Perhatikan penjelasan gambar FET kanal N berikut:

(1) (2) (3)

Penjelasan diatas dapat dituangkan dalam kurva karakteristik berikut:

untuk VGS = 0 kurva ID mulai konstan saat VDS = Vp titik (A)pada saat tersebut ID = IDSS

VGS = -2 kurva ID mulai konstan saat VDS = Vp--2yaitu mulai dari titik (C)

Perubahan arus ID sbg fungsi dari VDS:

VDS kecil daerah deplesi kecil, maka pertambahan IDcukup besar (sebanding dengan kenaikan VDS)..(1)

VDS bertambah, daerah deplesi bertambah besar, kanalmenyempit, maka ID mengecil (sebanding dengan

kenaikan VDS)(2)

VDS besar, daerah deplesi maksimal dan tidak biasbertambah besar lagi akibatnya ID akan konstan(3)

8/7/2019 1. FET

6/16

Elektronika I 6

D

G

S

D

G

S

D

G

S

substrate

D

G

SRG

RDID

VDD

Kemiringan kurva VDS = Vp-VGS mendekati garis VDS = Vp maka untukmemudahkan dalam perhitungan, diambil patokan ID mulai konstan saat VDS = Vp

Di sebelah kiri VDS = Vp, disebut daerah resistif karena dengan 0 < VDS < Vpdaerah ini bersifat sebagai Rvariabel

Di sebelah kanan garis VDS = Vp, merupakan aktif region dan bersifat sebagaidaerah semikonduktor untuk FET

Simbol FET

atau

kanal-n kanal-p kanal-p kanal-n

5. Analisa DC

Analisa DC berguna untuk menentukan garis beban dan titik kerja rangkaian, hasil

analisa dapat menggambarkan batas-batas daerah kerja transisitor seperti daerah cutoff,

daerah aktif dan daerah non linier

Didaerah cutoff, transistor dapat di fungsikan sebagai saklar elektronik

Didaerah linier, transistor dapat di fungsikan sebagai komponen penguat

Didaerah non linier, transistor dapat difungsikan sebagai komponen modulator

Pertanyaan: mengapa didaerah non linier transistor tdk dapat digunakan sebagai

komponen penguat?

Kondisi-kondisi yang ditinjau:

a. Untuk VGS = 0

RG 1 M, fungsi untuk menghilangkan muatanelektrostatik, sehingga IG 0IG = 0, maka VG =VS VGS = VG -VS = 0

Persamaan loop output:

VDD = RDID + VDS saat VGS = 0 maka ID = IDSS

Agar FET bekerja optimal (di daerah aktif), maka

VDS > Vp, hal ini dapat dilakukan dengan memilih hargaRD yang sesuai

VDS = VDD RDID > Vp

RD RD Vp

(RS + RD) RS + RD tidak memenuhi

VGS2 = (-0,65 + 1) (-3) = -1,06

VGS = VG VS = -IDRS => RS =mA5-

1,06-= 212

RS + RD < 2k4 maka RD < 2188 => Rdmax = 2188

b). VDS = VDD ID (RS + RD)

RS + RD =mA5-

15-5= 2 k

maka RD = 2000 212 = 1788

4. Hitung Rs dan RD rangkaian berikut, bila diketahui

analisa:

DSS

DD

21

1G

IRV

3,75VRR

RV

=

=+

=

Substitusi VGS yang memenuhi ke (1), didapat RS kemudian

Substitusi RS ke (2) didapat RD.

VGS = VG VS = VG RSID ...(1)

VDD =15

VDS = 6

ID = 6 mA

R1 = 100 kR

2= 300 k

FETVolt3V

mA12I

P

DSS

=

=

( ) ( )

GS2GS1

DSS

D

P

GS

2

P

GS

SSDD

D

DDDSDSSDDDDDS

VdanVdidapatI

I

V

V1

V

V1II

2....

I

VVRRRRIVV

=

=

=++=

8/7/2019 1. FET

10/16

Elektronika I 10

Jawaban :

DSS

DD

21

1G

IRV

3,7515x300k100k

100kV

RR

RV

=

=+

=+

=

Persamaan loop output: ID ( RS + RD ) + VDS = VDD( )

0,707

3

V1

12m

6m

I

I

V

V1

V

V1IIIpersamaan

k1,56m

V615

I

VVRR

GS

DSS

D

P

GS

2

P

GS

SSDDD

D

DSDDDS

=

=

=

=

=

=

=+

VGS = ( 0,707 -1 ) 3

VGS1 = ( + 0,707 -1 ) 3 = -0,88

VGS2 = ( - 0,707 -1 ) 3 = -5,12 tidak memenuhi karena < VP

maka VGS = - 0,88

728,33

771,671500Rmakak1,5RR771,67

6m

3,750,88

I

3,750,88R0,88-RI-3,75(1)pers.kesubstitusi

DDS

D

SSD

=

==+

=

=

==

6. Analisa ac

Analisa ac disini ditujuan untuk aplikasi FET sebagai penguat, faktor-faktor yang

akan ditinjau adalah perolehan penguatan tegangan (voltage gain), Resistansi input

dan resistansi output

6.1 Model rangkaian ekivalen ac untuk FET

VGS = VG VS = 3,75 IDRS .....(3)

rds

VdsI =

rds

VdsgmVgsId +=

8/7/2019 1. FET

11/16

Elektronika I 11

6.2 Konfigurasi rangkaian FET

Seperti pada BJT, FET juga memiliki tiga konfigurasi rangkaian yaitu Common Source,

Comman Drain dan Comman Gate.

Common Source: CS

Ciri: sinyal input di masukkan melalui dititik Gate, sedangkan sinyal output didapat darititik drain

Common Drain: CD

Ciri: sinyal input di masukkan melalui dititik Gate, sedangkan sinyal output didapat dari

titik source

Common Gate: CG

Ciri: sinyal input di masukkan melalui dititik Source, sedangkan sinyal output didapat

dari titik drain

Contoh:

1. Rangkaian common Source

Rangkaian ekivalen ac:

0inputsinyalsaat|Io

VoRo ==

Permasalahan menentukan:

Resistansi input : RLResistansi output : ROPenguatan Tegangan : AV

8/7/2019 1. FET

12/16

Elektronika I 12

++===

=

++

+=

+=

=

=

=

==+=

==

rds

Rs

Rsgm1rdsi

Vo

Vi

Vo

Ro

rds

Vo

rds

RsRsgm1imaka,

i.rds

Rs

rds

VoiRsgm

rds

VsVoVsgmi

VsVoVds

RsidVsVsVgs

singkatdihubungVikarena0Vgdgn,VsVgVgsrds

VdsgmVgsi

0ViId

VoRo

d

d

dd

d

d

, untuk Rs = 0 Ro = rds

Rs kecil Ro = rds (1 + gm Rs)

Bila didefinisikan :

gmrdsVgs

Vds idkonstan

=

=

maka Ro dapat ditulis sebagai: ( )Rs1rdsRo ++=

Vi

VoAv=

Dari loop output didapat:

Id Rs + ir ds + Id Rd = 0 I = id gm Vgs

Vgs = Vg Vs = Vi Id Rs

[ ]

Rs)(1RdrdsRdVi

Rsrds)gm(1Rdrds

RdVirdsgm

IdRdVoRs)(1Rdrds

Vi

Rsrds)gm1(Rdrds

VirdsgmId

rdsVigmRs)rdsgmRdrdsRs(Id

0IdRdrdsIdRs)(VigmIdIdRs

+++

=

+++

=

=

+++=

+++=

=+++

=++

Ro = rds + gm Rs rds + Rs

Rg

i

ViRi

1

==

Rsrds)gm(1Rdrds

Rdrdsgm

Vi

VoAv

+++

==

8/7/2019 1. FET

13/16

Elektronika I 13

Rsgm1

RdgmAvmaka

rdsRsRdbila:khusushal

Rs)(1dRrdsRd

+

=

8/7/2019 1. FET

14/16

Elektronika I 14

Latihan:

1.a). Tentukan titik kerja transistor: ID, VGS, VDS

b). Hitunglah Vo,Ii

ViRidan

Io

VoRo ==

c). Bila sebuah kapasitor Cs dipasangkan paralel dengan Rs, hitunglah Vo, Ro dan Ri

d). Apakah kapasitor Cs pada point c) berpengaruh terhadap analisa DC, jelaskan

e. Berapa harus dipasang RD dan RS padaagar saat FET bekerja diperoleh

ID= 5 mA dan VDS = 5 volt

2. Buatlah analisa untuk mendapatkan Ri, Ro, Av dari rangkaian-rangkaian di bawah

ini:

IDSS = 8 mA

FET

Vp = - 6 Volt

rds = 40 k

a). Common Drain

(= source vollower)

Rg = 1 MRs = 2k2 Vi = 0.4 sin t voltVDD = 9 V

C = 0.05 FRD = 2,2 kGm = 3.15 m mho

Rds = 30 k

b). Common Source

VDD = 16 V

Vi = 0.4 sin t voltC = 0.05 FRD = 1k2 Rg = 1 MRds = 30 kGm = 3.15 m mho

c). Common Gate

Vi = 100 mV

VDD = 20 V

RD = 2,2 kRs = 100 Rg = 2 MRs = 250 C = 47 nF

Rds = 30 kRL = 10 k

8/7/2019 1. FET

15/16

Elektronika I 15

3). Hitunglah Vo1, Vo2, Ri dan Ro untuk rangkaian penguat berikut, bila diketahui

4. Hitung Av, Rid an Ro rangkaian berikut

5.

Vi = 0,4 sin t

VDD = 16 V

RD = 1,5 k

R1 = 100

R2 = 120

Rg = 1 M

C = 0,02 F

Rds = 30 k

IDSS = 12 mA

FET

Vp = - 6 Volt

VDD = 16 V

Rs = 1 k

R1 = 10 M

R2 = 20 k

C = 0,05

F

Rds = 20 k

gm = 5 m mho

VDD = 15 V

Rds = 10 k

gm = 2 m mho

T1 dan T2 identik

Hitung :

0VsaatV

Vo

0VsaatV

Vo

1

2

2

1

=

=

8/7/2019 1. FET

16/16

Elektronika I 16

6. HitunglahVi

Vo, Zo, dan Zi untuk rangkaian berikut

FET: IDss = 12 mA, rds = 30k

Vp = -4 volt

Vi

RS 200

VDD=20Volt

RD 5K

RL 100K

VO