E-MOSFET (Enhancement-metal-oxide semiconductor FET) adalah MOSFET tipe peningkatan yang terdiri dari E-MOSFET kanal-P dan E-MOSFET kanal-N. E-MOSFET kanal-P dan E-MOSFET kanal-N pada dasarnya sama, yang berbeda hanyalah polaritas pada pemberian biasnya saja.
Simbol E-MOSFET
Simbol E-MOSFET kanal-N dan kanal-P adalah seperti ditunjukkan berturut-turut pada gambar dibawah. Bila terminal SS tidak terhubung di dalam, maka E-MOSFET menjadi komponen empat terminal. Berbeda dengan simbol JFET yang tanda panahnya pada gate, untuk gate E-MOSFET tidak ada panahnya karena gate dengan kanal bukanlah P-N junction.
Simbol E-MOSFET
Konstruksi E-MOSFET
Gambar dibawah menunjukkan konstruksi E-MOSFET kanal-N.
Konstruksi E-MOSFET kanal-N
Seperti halnya pada D-MOSFET, E-MOSFET ini juga dibuat di atas bahan dasar silikon tipe-P yang disebut dengan substrat. Pada umumnya substrat P ini dihubungkan ke terminal SS melalui kontak metal. Terminal SS pada beberapa MOSFET terhubung langsung di dalam komponen, sehingga yang keluar tinggal tiga terminal saja, yakni Source (S), Drain (D) dan Gate (D).
Source (S) dan drain (D) masing-masing dibuat dengan menumbuhkan doping bahan-N dari substrat-P, sehingga dapat dihubungkan keluar menjadi terminal S untuk Source dan D untuk drain melalui kontak metal. Sedangkan terminal G (gate) dibuat melalui kontak metal yang diletakkan ditengah-tengah antara Source dan Drain. Antara gate dan substrat P terdapat silikon dioksida (SiO2) yang berfungsi sebagai isolasi (dielektrikum). Hal demikian ini sama seperti pada D-MOSFET. Impedansi input E-MOSFET juga sangat tinggi.
Perbedaan utama antara keduanya adalah bahwa pada D-MOSFET terdapat kanal yang menghubungkan S dan D, sedangkan pada E-MOSFET tidak terdapat kanal tersebut. Dengan demikian aliran elektron dari source yang akan menuju drain harus melalui substrat-P.
Prinsip Kerja E-MOSFET
Prinsip kerja E-MOSFET kanal-N dimulai dengan memberikan tegangan VGS = 0 Volt dan VDS positip. Pemberian tegangan VGS = 0 adalah dengan cara menghubung-singkatkan terminal Gate (G) dan Source (S).
E-MOSFET kanal-N dengan VGS = 0 dan VDS positip
Oleh karena antara S dan D tidak ada kanal-N (yang mempunyai banyak elektron bebas), maka meskipun VDS diberi tegangan positip yang cukup besar, arus ID tetap tidak mengalir atau ID = 0. Antara source dan drain adalah bahan tipe-P dimana elektron adalah sebagai pembawa minoritas, sehingga saat VGS = 0 dan VDS positip yang mengalir adalah arus bocor saja. Disinilah perbedaannya dengan D-MOSFET yang mengalirkan arus ID pada saat VGS = 0 dan VDS positip.
Apabila VGS dinaikan kearah positip, maka muatan positip pada gate ini akan menolak hole dari substrat-P menjauhi perbatasannya dengan SiO2. Dengan demikian daerah substrat-P yang berdekatan dengan gate akan kekurangan pembawa mayoritas hole. Sebaliknya elektron dari substrat-P akan tertarik oleh muatan positip gate dan mendekati perbatasan substrat dengan SiO2. Perlu diingat bahwa elektron tidak bisa masuk ke gate karena substrat dan gate ada pembatas SiO2, sehingga IG tetap sama dengan nol.
Bila tegangan VGS dinaikan terus hingga jumlah elektron yang berada di dekat perbatasan dengan SiO2 cukup banyak untuk menghasilkan arus ID saat VDS positip, maka VGS ini disebut dengan tegangan threshold (VT). Pada beberapa buku data VT ini disebut juga VGS(th). Setelah mencapai tegangan VT ini, maka dengan memperbesar harga VGS, arus ID semakin besar. Hal ini karena semakin besar VGS berarti jumlah elektron yang tersedia antara source dan drain semakin banyak. Kurva tranfer dan karakteristik E-MOSFET kanal-N.
Karakteristik E-MOSFET
Kurva karakteristik transfer dan output E-MOSFET kanal-N
Istilah peningkatan (enhancement) dalam E-MOSFET ini menunjuk pada fenomena bahwa saat VGS masih nol, arus ID tidak ada karena tidak terdapat elektron antara source dan drain. Kemudian apabila VGS dibuat positip hingga melebihi VT, maka terjadi peningkatan jumlah elektron antara source dan drain yang berakibat meningkatnya arus ID bila tegangan VDS positip diperbesar.
Pada saat VGS > VT, apabila VDS masih kecil arus ID naik dengan cepat, namun bila VDS dinaikkan terus hingga mencapai VDSsat, maka arus ID akan konstan. Hal ini karena dengan memperbesar VDS sementara VGS tetap, maka tegangan relatif antara G dan D makin kecil sehingga mengurangi daya tarik elektron pada sisi D-G. Akibatnya arus ID akan jenuh dan kenaikan VDS lebih jauh tidak akan memperbesar arus ID. Harga VDS ini disebut dengan VDSsat (atau VDS saturasi).
Dengan melihat kurva karakteristik E-MOSFET ternyata terdapat hubungan antara VDSsat dengan VGS. Hubungan tersebut adalah dengan semakin tingginya harga VGS, VDSsat makin tinggi juga. Pada saat VGS = VT yang mana arus ID mulai mengalir dengan cukup berarti, maka VDSsat = 0. Hal ini karena arus ID sudah mengalami kejenuhan sejak VDS dinaikkan.
Hubungan antara arus ID dengan VGS tidak lagi mengikuti persamaan Shockley sebagaimana pada JFET dan D-MOSFET, akan tetapi mengikuti persamaan dibawah. Persamaan ini berlaku untuk VGS > VT.
dimana: k adalah tetapan (konstanta) sebagai fungsi dari konstruksi komponen. Namun demikian dengan menurunkannya dari persamaan dibawah tersebut bisa diperoleh harga k untuk suatu titik dalam kurva harga ID(on) dan VGS(on) tertentu, yaitu :
Konstruksi dan prinsip kerja E-MOSFET kanal-P adalah kebalikan dari E-MOSFET kanal-N yang sudah dijelaskan di depan. Demikian juga polaritas tegangan VGS, VDS, dan arus ID juga berlawanan dengan yang ada pada E-MOSFET kanal-N.Konstruksi dan prinsip kerja E-MOSFET kanal-P adalah kebalikan dari E-MOSFET kanal-N yang sudah dijelaskan di depan. Demikian juga polaritas tegangan VGS, VDS, dan arus ID juga berlawanan dengan yang ada pada E-MOSFET kanal-N.
Adanya lapisan SiO2 antara gate dan kanal dalam MOSFET menyebabkan impendansi input sangat tinggi. Akan tetapi karena lapisan SiO2 ini sangat tipis, maka perlu kehati-hatian dalam menangani MOSFET ini. Muatan statis yang ada pada tangan manusia dikawatirkan bisa menyebabkan lapisan Si02 tembus, sehingga MOSFET akan rusak. Oleh karena itu biasanya pabrik sudah memberikan cincin penghubung singkat ujung-ujung kaki MOSFET. Dengan demikian akan dapat menghindari terjadinya beda potensial atau muatan yang tidak disengaja pada terminal MOSFET.
Beberapa keluarga FET yang belum dibahas pada bab ini adalah VMOS dan CMOS. VMOS merupakan jenis MOSFET yang dirancang khusus untuk pemakaian pada daya tinggi. Sedangkan CMOS dibentuk dengan menghubungkan secara complementer antara E-MOSFET kanal P dan E-MOSFET kanal-N.
Sumber disini
Keep Spirit Elektro Unnes