MOSFET ~ Belajar Komputer dan Elektronika

Transistor efek-medan semikonduktor logam-oksida (MOSFET) adalah salah satu jenis transistor efek medan. Prinsip dasar perangkat ini pertama kali diusulkan oleh Julius Edgar Lilienfeld pada tahun 1925 . MOSFET mencakup kanal dari bahan semikonduktor tipe-N dan tipe-P, dan disebut NMOSFET atau PMOSFET (juga biasa nMOS, pMOS). Ini adalah transistor yang paling umum pada sirkuit digital maupun analog, namun transistor pertemuan dwikutub pada satu waktu lebih umum.

Simbol

Berbagai simbol digunakan untuk MOSFET. Desain dasar umumnya garis untuk saluran dengan kaki sumber dan cerat meninggalkannya di setiap ujung dan membelok kembali sejajar dengan kanal. Garis lain diambil sejajar dari kanal untuk gerbang. Kadang-kadang tiga segmen garis digunakan untuk kanal peranti moda pengayaan dan garis lurus untuk moda pemiskinan.

Sambungan badan jika ditampilkan digambar tersambung ke bagian tengan kanal dengan panah yang menunjukkan PMOS atau NMOS. Panah selalu menunjuk dari P ke N, sehingga NMOS (kanal-N dalam sumur-P atau substrat-P) memiliki panah yang menunjuk kedalam (dari badan ke kanal). Jika badan terhubung ke sumber (seperti yang umumnya dilakukan) kadang-kadang saluran badan dibelokkan untuk bertemu dengan sumber dan meninggalkan transistor. Jika badan tidak ditampilkan (seperti yang sering terjadi pada desain IC desain karena umumnya badan bersama) simbol inversi kadang-kadang digunakan untuk menunjukkan PMOS, sebuah panah pada sumber dapat digunakan dengan cara yang sama seperti transistor dwikutub (keluar untuk NMOS, masuk untuk PMOS).

			Kanal-P
			Kanal-N
JFET	MOSFET pengayaan	MOSFET pemiskinan

Untuk simbol yang memperlihatkan saluran badan, di sini dihubungkan internal ke sumber. Ini adalah konfigurasi umum, namun tidak berarti hanya satu-satunya konfigurasi. Pada dasarnya, MOSFET adalah peranti empat saluran, dan di sirkuit terpadu banyak MOSFET yang berbagi sambungan badan, tidak harus terhubung dengan saluran sumber semua transistor.

Struktur Semikonduktor–Logam–Oksida

Struktur Semikonduktor–Logam–Oksida pada silikon tipe-P

Struktur semikonduktor–logam–oksida sederhana diperoleh dengan menumbuhkan selapis oksida silikon diatas substrat silikon dan mengendapkan selapis logam atau silikon polikristalin. Karena oksida silikon merupakan bahan dielektrik, struktur MOS serupa dengan kondensator planar dengan salah satu elektrodanya digantikan dengan semikonduktor.

Ketika tegangan diterapkan membentangi struktur MOS, tegangan ini mengubah penyebaran muatan dalam semikonduktor. Umpamakan sebuah semikonduktor tipe-p (dengan N_A merupakan kepadatan akseptor, p kepadatan lubang; p = N_A pada badan netral), sebuah tegangan positif

V G B

dari gerbang ke badan membuat lapisan pemiskinan dengan memaksa lubang bermuatan positif untuk menjauhi antarmuka gerbang-isolator/semikonduktor, meninggalkan daerah bebas pembawa. Jika

V G B

cukup tinggi, kepadatan tinggi pembawa muatan negatif membentuk lapisan inversi dibawah antarmuka antara semikonduktor dan isolator. Umumnya, tegangan gerbang dimana kepadatan elektron pada lapisan inversi sama dengan kepadatan lubang pada badan disebut tegangan ambang.

Struktur badan tipe-p ini adalah konsep dasar dari MOSFET tipe-n, yang mana membutuhkan penambahan daerah sumber dan cerat tipe-n.

Struktur MOSFET dan formasi kanal

Irisan NMOS tanpa kanal yang terbentuk (keadaan mati)

Irisan NMOS dengan kanal yang terbentuk (keadaan hidup)

Sebuah transistor efek-medan semikonduktor–logam–oksida (MOSFET) adalah berdasarkan pada modulasi konsentrasi muatan oleh kapasitansi MOS di antara elektroda badan dan elektroda gerbang yang terletak diatas badan dan diisolasikan dari semua daerah peranti dengan sebuah lapisan dielektrik gerbang yang dalam MOSFET adalah sebuah oksida, seperti silikon dioksida. Jika dielektriknya bukan merupakan oksida, peranti mungkin disebut sebagai FET semikonduktor–logam–terisolasi (MISFET) atau FET gerbang–terisolasi (IGFET). MOSFET menyertakan dua saluran tambahan yaitu sumber dan cerat yang disambungkan ke daerah dikotori berat tersendiri yang dipisahkan dari daerah badan. Daerah tersebut dapat berupa tipe-p ataupun tipe-n, tetapi keduanya harus dari tipe yang sama, dan berlawanan tipe dengan daerah badan. Daerah sumber dan cerat yang dikotori berat biasanya ditandai dengan '+' setelah tipe pengotor. Sedangkan daerah yang dikotori ringan tidak diberikan tanda.

Jika MOSFET adalah berupa kanal-n atau NMOS FET, lalu sumber dan cerat adalah daerah 'n+' dan badan adalah daerah 'p'. Maka seperti yang dijelaskan diatas, dengan tegangan gerbang yang cukup, diatas harga tegangan ambang, elektron dari sumber memasuki lapisan inversi atau kanal-n pada antarmuka antara daerah-p dengan oksida. Kanal yang menghantar ini merentang di antara sumber dan cerat, dan arus dialirkan melalui kanal ini jika ada tegangan yang dikenakan di antara sumber dan cerat.

Jika tegangan gerbang dibawah harga ambang, kanal kurang terpopulasi dan hanya sedikit arus bocoran praambang yang dapat mengalir dari sumber ke cerat.

Moda operasi

Operasi dari MOSFET dapat dibedakan menjadi tiga moda yang berbeda, bergantung pada tegangan yang dikenakan pada saluran. Untuk mempermudah, perhitungan dibawah merupakan perhitungan yang telah disederhanakan
Untuk sebuah MOSFET kanal-n moda pengayaan, ketiga moda operasi adalah:

Moda Inversi Lemah

Disebut juga moda Titik-Potong atau Pra-Ambang, yaitu ketika V_GS < V_th

dimata V__th adalah tegangan ambang peranti.

Berdasarkan model ambang dasar, transistor dimatikan dan tidak ada penghantar antara sumber dan cerat. Namun pada kenyataannya, distribusi Boltzmann dari energi elektron memungkinkan beberapa elektron berenergi tinggi pada sumber untuk memasuki kanal dan mengalir ke cerat, menghasilan arus praambang yang merupakan fungsi eksponensial terhadan tegangan gerbang–sumber. Walaupun arus antara cerat dan sumber harusnya nol ketika transistor minatikan, sebenarnya ada arus inversi-lemah yang sering disebut sebagai bocoran praambang.

Pada inversi-lemah, arus berubah eksponensial terhadap panjar gerbang-ke-sumber V_GS^[5]^[6]

$I_D \approx I_{D0}e^{\frac{V_{GS}-V_{th}}{nV_T}}$ ,

dimana I_D0 = arus pada

V G S = V t h

dan faktor landaian n didapat dari

n = 1 + C D / C O X

dengan

C D

= kapasitansi dari lapisan pemiskinan dan

C O X

= kapasitansi dari lapisan oksida.

Beberapa sirkuit daya-mikro didesain untuk mengambil keuntungan dari bocoran praambang.^[7]^[8]^[9] Dengan menggunakan daerah inversi-lemah, MOSFET pada sirkuit tersebut memberikan perbandingan transkonduktansi terhadap arus yang tertinggi (

g m / I D = 1 / (n V T)

), hampir seperti transistor dwikutub. Sayangnya lebar-jalur rendah dikarenakan arus penggerak yang rendah.^[10]^[11]

arus cerat MOSFET vs. Tegangan cerat-ke-sumber untuk beberapa harga

V G S ? V t h

, perbatasan antara moda linier (Ohmik) dan penjenuhan (aktif) diperlihatkan sebagai lengkung parabola diatas

Irisan MOSFET dalam noda linier (ohmik), daerah inversi kuat terlihat bahkan didekat cerat

Irisan MOSFET dalam moda penjenuhan (aktif), terdapat takik didekat cerat

Moda trioda

Disebut juga sebagai daerah linear (atau daerah Ohmik^[12]^[13]) yaitu ketika V_GS > V_th dan V_DS < ( V_GS - V_th ).

Transistor dihidupkan dan sebuah kanal dibentuk yang memungkinkan arus untuk mengalir di antara sumber dan cerat. MOSFET beroperasi seperti sebuah resistor, dikendalikan oleh tegangan gerbang relatif terhadap baik tegangan sumber dan cerat. Arus dari cerat ke sumber ditentukan oleh:

$I_D= \mu_n C_{ox}\frac{W}{L} \left( (V_{GS}-V_{th})V_{DS}-\frac{V_{DS}^2}{2} \right)$

dimana

? n

adalah pergerakan efektif pembawa muatan,

W

adalah lebar gerbana,

L

adalah panjang gerbang dan

C o x

adalah kapasitansi oksida gerbang tiap unit luas. Transisi dari daerah eksponensial praambang ke daerah trioda tidak setajam seperti yang diperlihatkan perhitungan.

Moda penjenuhan

Juga disebut dengan Moda Aktif

Ketika V_GS > V_th dan V_DS > ( V_GS - V_th )

Transistor dihidupkan dan kanal dibentuk, memungkinkan arus untuk mengalir di antara sumber dan cerat. Karena tegangan cerat lebih tinggi dari tegangan gerbang, elektron menyebar dan penghantaran tidak melalui kanal sempit tetapi melalui kanal yang jauh lebih lebar. Awal dari daerah kanal disebut penyempitan untuk menunjukkan kurangnya daerah kanal didekat cerat. Arus cerat sekarang hanya sedikit bergantung pada tegangan cerat dan dikendalikan terutama oleh tegangan gerbang–sumber.

$I_D = \frac{\mu_n C_{ox}}{2}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{th})^2 \left(1+\lambda V_{DS}\right).$

Faktor tambahan menyertakan ?, yaitu parameter modulasi panjang kanal, membuat tegangan cerat mandiri terhadap arus, dikarenakan oleh adanya efek Early.

$g_m=\frac{2I_D}{V_{GS}-V_{th}}=\frac{2I_D}{V_{ov}}$ ,

dimana kombinasi V_ov = V_GS - V_th dinamakan tegangan overdrive.^[16] Parameter penting desain MOSFET adalah resistansi keluaran

r O

$r_O=\frac{1+\lambda V_{DS}}{\lambda I_D}=\frac {1/\lambda +V_{DS}} {I_D}$ .

Tipe MOSFET lainnya

MOSFET gerbang ganda

MOSFET gerbang ganda mempunyai konfigurasi tetroda, dimana semua gerbang mengendalikan arus dalam peranti. Ini biasanya digunakan untuk peranti isyarat kecil pada penggunaan frekuensi radio dimana gerbang kedua gerang keduanya digunakan sebagai pengendali penguatan atau pencampuran dan pengubahan frekuensi.

FinFET

Peranti FinFET gerbang ganda.

FinFET adalah sebuah peranti gerbang ganda yang diperkenalkan untuk memprakirakan flek kanal pendek dan mengurangi perendahan sawar diinduksikan-cerat.

[sunting] MOSFET moda pemiskinan

Peranti MOSFET moda pemiskinan adalah MOSFET yang dikotori sedemikian pura sehingga sebuah kanal terbentuk walaupun tidak ada tegangan dari gerbang ke sumber. Untuk mengendalikan kanal, tegangan negatif dikenakan pada gerbang untuk peranti kanal-n sehingga "memiskinkan" kanal, yang mana mengurangi arus yang mengalir melalui kanal. Pada dasarnya, peranti ini ekivalen dengan sakelar normal-hidup, sedangkan MOSFET moda pengayaan ekivalen dengan sakelar normal-mati.^[17]
Karena peranti ini kurang berdesah pada daerah RF dan penguatan yang lebih baik, peranti ini sering digunakan pada peralatan elektronik RF.

Logika NMOS

MOSFET kanal-n lebih kecil daripada MOSFET kanal-p untuk performa yang sama, dan membuat hanya satu tipe MOSFET pada kepingan silikon lebih murah dan lebih sederhana secara teknis. Ini adalah prinsip dasar dalam desain logika NMOS yang hanya menggunakan MOSFET kanal-n. Walaupun begitu, tidak seperti logika CMOS, logika NMOS menggunakan daya bahkan ketika tidak ada pensakelaran. Dengan peningkatan teknologi, logika CMOS menggantikan logika NMOS pada tahun 1980-an.

MOSFET daya

Irisan sebuah MOSFET daya dengan sel persegi. Sebuah transistor biasanya terdiri dari beberapa ribu sel.

MOSFET daya memiliki struktur yang berbeda dengan MOSFET biasa.^[18] Seperti peranti semikonduktor daya lainnya, strukturnya adalah vertikal, bukannya planar. Menggunakan struktur vertikal memungkinkan transistor untuk bertahan dari tegangan tahan dan arus yang tinggi. Rating tegangan dari transistor adalah fungsi dari pengotoran dan ketebalan dari lapisan epitaksial-n, sedangkan rating arus adalah fungsi dari lebar kanal. Pada struktur planar, rating arus dan tegangan tembus ditentukan oleh fungsi dari dimensi kanal, menghasilkan penggunaan yang tidak efisien untuk daya tinggi. Dengan struktur vertikal, besarnya komponen hampir sebanding dengan rating arus dan ketebalan komponen sebanding dengan rating tegangan.
MOSFET daya dengan struktur lateral banyak digunakan pada penguat audio hi-fi. Kelebihannya adalah karakteristik yang lebih baik pada daerah penjenuhan daripada MOSFET vertikal. MOSFET vertikal didesain untuk penggunaan pensakelaran.

DMOS

DMOS atau semikonduktor–logam–oksida terdifusi–ganda adalah teknologi penyempurnaan dari MOSFET vertikal. Hampir semua MOSFET daya dikonstruksi dengan teknologi ini.