ELKA Modul 3 2016

8/19/2019 ELKA Modul 3 2016

1/18

Laboratorium Elektronika

Telkom University

Modul Praktikum Laboratorium Elektronika Page 1

MODUL IIIPRATEGANGAN MOSFET DAN PENGUAT SINYAL KECIL

I. TUJUAN PRAKTIKUM

1. Mampu mengetahui dan mempelajari karakteristik transistor MOSFET.

2. Mampu mengkonfigurasikan MOSFET sebagai penguat sinyal kecil AC.

3. Menentukan respon frekuensi dan jenis filter.

4.

Mengaplikasikan MOSFET sebagai saklar

II. KOMPONEN DAN ALAT YANG DIGUNAKAN

1. Satu unit osciloscope dengan 2 channel input

2. Dua unit DC power supply

3. Multimeter digital

4. Satu unit Function Generator

5. Kabel jumper

6. Kit Praktikum

7. Komponen

- Transistor MOSFET ENHANCEMENT-MODE IRF 744N

- Resistor 100 kΩ, 330 Ω, 1M Ω dan 2k2 Ω

- Kapasitor 10nF dan 10μF

8/19/2019 ELKA Modul 3 2016

2/18


Telkom University


III. DASAR TEORI

PENGERTIAN FET

Field Effect Transistor (FET) adalah piranti tiga terminal seperti BJT. Istilah field

efect (efek medan listrik) sendiri berasal dari prinsip kerja transistor ini yang

berkenaan dengan lapisan deplesi (depletion layer ). Lapisan ini terbentuk antara

semikonduktor tipe n dan tipe p, karena bergabungnya elektron dan hole di sekitar

daerah perbatasan.

Sama seperti medan listrik, lapisan deplesi ini bisa membesar atau mengecil

tergantung dari tegangan antara gate dengan source.

Meskipun BJT dan FET sama-sama transistor, kedua transistor ini memiliki

perbedaan-perbedaan, yaitu :

BJT FET

Arus listrik dikontrol oleh arus Arus listrik dikontrol oleh tegangan

Bipolar Unipolar

Impedansi input kecil Impedansi input besar

Collector, Base, Emitor Drain, Gate, Source

Untuk dapat lebih memahami, perhatikan gambar berikut :

8/19/2019 ELKA Modul 3 2016

3/18


Telkom University


Pada gambar 3.1 (a) (BJT), nilai Ic (arus collector) bergantung pada nilai dari Ib (arus

basis), sedangkan pada gambar (b) (FET), ID (arus drain) nilainya bergantung pada

tegangan VGS.

Transistor FET bekerja berdasarkan efek medan elektrik yang dihasilkan oleh tegangan

yang diberikan pada kedua ujung terminalnya. Pada transistor ini, arus yang muncul pada

kaki Drain dihasilkan oleh tegangan antara Gate dan Source. Jadi, dapat dikatakan bahwa

FET adalah t ransistor yang berfungsi sebagai “konverter” tegangan ke arus.

Karakteristik FET dibandingkan BJT :1. Operasinya tergantung pada aliran pembawa mayoritas saja.

2. Ukurannya kecil (yang terdapat di dalam IC).

3. Impedansi input tinggi (ratusan Mega Watt).

4. Stabil terhadap temperature.

JFET dan MOSFET

Ada dua jenis transistor FET yaitu JFET ( Junction FET ) dan MOSFET (Metal-oxide Semiconductor FET ). Kedua jenis transistor tersebut sebenarnya memiliki karakteristik

umum yang serupa, namum tetap ada perbedaan yang mendasar pada struktur dan

karakteristiknya. Transistor yang akan digunakan pada praktikum kali ini adalah transistor

MOSFET.

1.

JFET

Junction FET terdiri atas 2 jenis, yaitu JFET kanal n dan JFET kanal p. Kanal n dibuat dari

bahan semikonduktor tipe n dan kanal p dibuat dari semikonduktor tipe p. Ujung atas

dinamakan Drain dan ujung bawah dinamakan

Source. Pada kedua sisi kiri dan kanan terdapat

implant semikonduktor yang berbeda tipe.

Terminal kedua sisi implant ini terhubung satu

dengan lainnya secara internal dan dinamakan

Gate. Gambar di samping menggambarkan

struktur JFET kanal n dan JFET kanal p.

8/19/2019 ELKA Modul 3 2016

4/18


Telkom University


Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya,

istilah field effect transistor berasal dari prinsip

kerja transistor yang berkaitan dengan lapisan

deplesi. Pada gambar di atas, lapisan deplesi

ditunjukkan dengan warna kuning di sisi kiri dan

kanan. Pada skema rangkaian elektronika, JFET

disimbolkan seperti pada gambar di atas.

a.

JFET kanal-n

Salah satu jenis JFET adalah JFET

kanal-n. Prinsip kerja JFET dapat

ditinjau dari transistor JFET kanal-n.

Drain dan Source transistor ini dibuat

dengan semi-konduktor tipe n dan Gate

dengan tipe p. Gambar di samping

menunjukkan bagaimana tran-sistor ini

diberi tegangan. Tegangan antara gate

dan source adalah tegangan reverse bias atau disebut bias negatif. Tegangan bias negatif

berarti tegangan gate lebih negatif terhadap source. Pada transistor ini, kedua gate

terhubung satu dengan lainnya.

Elektron yang mengalir dari source menuju drain harus melewati lapisan deplesi. Di

sini lapisan deplesi berfungsi seperti keran air. Banyaknya elektron yang mengalir darisource menuju drain tergantung dari ketebalan lapisan deplesi. Lapisan deplesi bisa

menyempit, melebar atau membuka tergantung dari tegangan gate terhadap source.

Jika gate semakin negatif terhadap source, maka lapisan deplesi akan semakin

menebal. Lapisan deplesi bisa saja menutup seluruh kanal transistor bahkan dapat

menyentuh drain dan source. Pada kondisi ini, arus drain yang muncul akan sangat kecil,

atau bahkan tidak ada arus yang muncul sama sekali. Jadi jika tegangan gate semakin

8/19/2019 ELKA Modul 3 2016

5/18


Telkom University


negatif terhadap source maka semakin kecil arus yang bisa melewati kanal drain dan

source.

Jika gate lebih positif dari source maka daerah deplesi akan semakin menyempit,

sehingga arus drain akan selalu muncul tanpa dapat dikontrol oleh tegangan GS.

Jika pada sisi G-S tidak diberi bias (VGS = 0),

ternyata lapisan deplesi mengecil hingga muncul celah

sempit. Arus elektron akan mengalir melalui celah

sempit ini dan terjadilah konduksi Drain dan Source.

Arus yang terjadi pada keadaan ini merupakan arus

maksimum yang dapat mengalir berapapun tegangan

drain terhadap source. Hal ini karena celah lapisan

deplesi sudah maksimum tidak bisa lebih lebar lagi.

Tegangan gate tidak bisa dinaikkan menjadi positif,

karena kalau nilainya positif maka gate-source tidak

lain hanya sebagai dioda.

Karena tegangan bias yang

negatif, maka arus gate yang

disebut IG akan sangat kecil sekali.

Dengan nilai arus yang sangat

kecil, resistansi input (input

impedance) gate akan sangatbesar. Impedansi in-put transistor

FET umum-nya bisa mencapai

satuan MOhm. Dari prinsip kerja

JFET, dapat disimpulkan seperti

pada gambar kurva karakteristik di atas :

Nilai ID= 0 mA saat nilai VGS = VP, dengan nilai VP pada JFET kanal-n adalah negatif dan

nilai VP pada JFET kanal-p adalah positif.

Gambar 3.5 Lapisan deplesi pada saat tegangan

gate-source = 0 volt

Gambar 3.6 kurva karakteristik JFET n-channel dengan IDSS = 8 mA dan Vp = -4

8/19/2019 ELKA Modul 3 2016

6/18


Telkom University


b. JFET kanal-p

Transistor JFET kanal-p memiliki prinsip yang sama dengan JFET kanal-n, hanya saja

sisi Drain dan Source dibuat dengan semikonduktor tipe p, dan Gate dari semikonduktor

tipe n. Dengan demikian polaritas tegangan dan arah arus berlawanan jika dibandingkan

dengan transistor JFET kanal-n.

1.

MOSFET

Sebenarnya MOSFET (Metal-oxide semiconductor FET) memiliki kemiripan dengan

JFET, yaitu memiliki kaki drain, sorce dan gate. Namun perbedaannya gate terisolasi oleh

suatu bahan oksida. Gate tersebut terbuat dari bahan metal seperti aluminium. Oleh

karena itulah transistor ini dinamakan metal-oxide. Karena gate yang terisolasi, transistor

ini disebut juga IGFET yaitu Insulated Gate FET.

Ada dua jenis MOSFET, yaitu depletion-mode dan enhancement-mode. Jenis MOSFET

yang kedua adalah komponen utama dari gerbang logika dalam bentuk IC (integrated

circuit ), µC (micro controller ) dan uP (micro processor ) yang merupakan komponen utama

dari komputer modern saat ini. Kedua jenis MOSFET tersebut juga memiliki 2 jenis, yaitu

jenis MOSFET tipe n dan MOSFET tipe p. Transistor MOSFET dalam berbagai referensi

disingkat dengan nama transistor MOS. Dua jenis tipe n atau p dibedakan dengan nama

NMOS dan PMOS. Simbol untuk menggambarkan MOS tipe depletion-mode dibedakan

dengan tipe enhancement-mode. Perbedaan symbol tersebut dapat terlihat pada gambar di

bawah ini:

8/19/2019 ELKA Modul 3 2016

7/18


Telkom University


a. MOSFET Depletion-mode

MOSFET jenis depletion mempunyai struktur yang mirip dengan jenis ‘enchancement’

dengan satu perbedaan utama yaitu MOSFET jenis depletion mempunyai kanal yang secara

fisik dibuat pada substrate, Jadi tidak perlu menginduksi kanal, artinya tanpa ada Vgs, arus

Id akan mengalir jika ada Vds. Pada gambar dibawah ini, terlihat struktur dari transistor

depletion mode. Pada sebuah kanal semikonduktor tipe n terdapat semikonduktor tipe p

dengan menyisakan sedikit celah. Hal tersebut bertujuan agar elektron mengalir dari

source menuju drain melalui celah sempit tersebut. Gate terbuat dari metal (seperti

aluminium) dan terisolasi oleh bahan oksida tipis SiO2 (kaca).

Semikonduktor tipe p pada transistor ini

disebut subtrat p dan biasanya dihubung

singkat dengan source. Seperti pada

transistor JFET, lapisan deplesi akan

muncul saat VGS = 0. Dengan menghubung

singkat subtrat p dengan source

diharapkan ketebalan lapisan deplesi yang

terbentuk antara subtract dengan kanal

adalah maksimum. Sehingga ketebalan

lapisan deplesi selanjutnya hanya akan ditentukan oleh tegangan gate terhadap source.

Pada gambar,lapisan deplesi yang dimaksud ditunjukkan pada daerah yang berwarna

kuning.

Saat tegangan gate terhadap source semakin negatif, arus drain yang bisa mengalir

akan semakin kecil, bahkan bisa jadi tidak ada arus yang mengalir sama sekali. Hal ini

disebabkan karena lapisan deplesi telah menutup kanal. Saat tegangan gate dinaikkan sama

dengan tegangan source, arus akan mengalir. Karena lapisan deplesi mulai membuka.

Karena gate yang terisolasi, tegangan kerja VGS boleh positif . Jika VGS semakin positif, arus

elektron yang mengalir dapat semakin besar. Hal inilah yang merupakan perbedaan antara

8/19/2019 ELKA Modul 3 2016

8/18


Telkom University


JFET dengan MOSFET depletion-mode, transistor MOSFET depletion-mode bisa bekerja

sampai tegangan gate positif. Kedalaman kanal dan konduk-tivitasnya dapat dikendalikan

oleh VGS . Jika VGS positif, kanal akan semakin kuat dengan menarik elektron lebih banyak,

jika VGS negatif, kanal akan semakin dangkal dan konduktivitasnya menurun. Tegangan VGS

negatif mengurangi (deplete) pembawa muatan pada kanal dan mode ini disebut ‘depletion

mode’. Semakin negatif VGS, semakin berkurang pembawa muatan pada kanal, sehingga

mencapai harga dimana kanal kehabisan semua pembawa muatannya dan iD sama dengan

nol walaupun VDS tetap ada. Harga ini adalah harga tegangan ambang untuk MOSFET

kanal–n jenis deplesi.

Kurva drain MOSFET depletion mode

Analisa kurva drain dilakukan dengan mencoba beberapa tegangan gate VGS konstan,

lalu dibuat grafik hubungan antara arus drain ID terhadap tegangan VDS.

Dari kurva ini terlihat jelas

bahwa transistor MOS-FET depletion-

mode dapat bekerja (ON) mulai dari

tegangan VGS negatif sampai positif.

Terdapat dua daerah kerja, yang

pertama adalah daerah aktif/ohmic.

Jika tegangan VGS tetap dan VDS terus

dinaikkan, transistor selanjutnyaakan berada pada daerah saturasi.

Jika keadaan ini tercapai, arus IDS adalah konstan. Tentu saja ada tegangan VGS(max), yang

diperbolehkan. Karena jika lebih dari tegangan ini akan dapat merusak isolasi gate yang

tipis atau akan merusak transistor itu sendiri.

8/19/2019 ELKA Modul 3 2016

9/18


Telkom University


b. MOSFET Enhancement-mode

Jenis transistor MOSFET yang kedua adalah MOSFET enhancement-mode. Transistor ini

dapat dikatakan merupakan evolusi dari MOSFET depletion mode. Gate terbuat dari metal

aluminium dan terisolasi oleh lapisan SiO2 sama seperti transistor MOSFET depletion-

mode. Perbedaan struktur yang mendasar adalah, subtrat pada transistor MOSFET

enhancement-mode dibuat sampai menyentuh gate, seperti terlihat pada gambar dibawah

ini.

Gambar di samping me-nunjukkan struktur transistor

MOSFET enhancementmode kanal n.

Jika tegangan gate VGS dibuat negatif,

arus elektron tidak dapat

mengalir. Juga ketika VGS=0 ternyata

arus belum juga bisa mengalir,

karena tidak ada la-pisan deplesi maupun celah yang bisa dialiri

elektron. Satu-satunya jalan adalah

dengan memberi tegangan VGS positif . Karena subtract terhubung dengan source, maka

jika tegangan gate positif berarti tegangan gate terhadap subtrat juga positif. Tegangan

positif ini akan menyebabkan elektron ter-tarik ke arah subtrat. Elektron-elektron akan

bergabung dengan hole yang ada pada subtrat p. Karena potensial gate lebih positif, maka

elektron terlebih dahulu tertarik dan menumpuk di sisi subtrat yang berbatasan dengangate. Elektron akan terus menumpuk dan tidak dapat mengalir menuju gate karena

terisolasi oleh bahan insulator SiO2 (kaca).

Jika tegangan gate cukup positif, maka tumpukan elektron akan menyebabkan

terbentuknya semacam lapisan n yang negatif dan seketika itulah arus drain dan source

dapat mengalir. Lapisan yang terbentuk ini disebut dengan istilah inversion layer . Kira-

kira terjemahannya adalah lapisan dengan tipe yang berbalikan. Di sini karena subtratnya

tipe p, maka lapisan inversion yang terbentuk adalah bermuatan negatif atau tipe n.

8/19/2019 ELKA Modul 3 2016

10/18


Telkom University


Tentu ada tegangan minimum dimana lapisan inversion n mulai terbentuk. Tegangan

minimun ini disebut tegangan threshold VGS(th). Hal inilah yang merupakan perbedaan

utama prinsip kerja transitor MOSFET enhancement mode dibandingkan dengan JFET. Jika

pada tegangan VGS = 0 , transistor JFET sudah bekerja atau ON, maka transistor MOSFET

enhancement-mode masih OFF. Dikatakan bahwa JFET adalah komponen normally ON dan

MOSFET adalah komponen normally OFF.

Kurva Drain MOSFET enhancement-mode

VGS semua bernilai positif. Garis kurva paling bawah adalah garis kurva dimana

transistor mulai ON. Tegangan VGS pada garis kurva ini disebut teganganthreshold VGS(th).

Karena transistor MOSFET umumnya

digunakan sebagai saklar ( switch),

parameter yang penting pada transistor

E-MOSFET adalah resistansi drain-source.

Biasanya yang tercantum pada datasheet

adalah resistansi pada saat transistor ON.

Resistansi ini dinamakan RDS(on). Untuk

aplikasi power switching, semakin kecil

resistansi RDS(on) maka semakin baik

transistor tersebut. Karena akan mem-perkecil rugi-rugi disipasi daya dalam bentuk panas.

Juga penting diketahui parameter arus drain maksimum ID(max) dan disipasi daya

maksimum PD(max). MOSFET dapat berfungsi sebagai saklar, dengan ketentuan saklar akan

ON ketika VGS ≥ Vth dan VDD ≥ Vth. Vth merupakan V threshold dimana MOSFET mulai

bekerja.

8/19/2019 ELKA Modul 3 2016

11/18


Telkom University


Analisa Prategangan MOSFET Enhancement

Saat melakukan prategangan DC, semua sumber tegangan AC short circuit, sumber arus AC

open circuit, dan kapasitor open

circuit. Setelah itu dapat kita buat

rangkaian pengganti MOSFET

tersebut. Rumus dasar transistor

MOSFET antara lain:

1. Feedback Bias

Pada rangkaian feedback ini konfigurasi yang digunakan adalah common source.

8/19/2019 ELKA Modul 3 2016

12/18


Telkom University


2. Voltage Divider Bias

Analisa Sinyal kecil AC pada Penguat MOSFET Enhancement-mode

Untuk MOSFET enhancement type n maupun type p, rangkaian pengganti untuk sinyal

kecilnya sama. Yang membedakan adalah arah arusnya. Untuk merubah ke bentuk sinyal

AC caranya sama seperti BJT,sumber arus DC open circuit, sumber tegangan DC short

circuit, dan kapasitor short circuit. Gambar di bawah ini adalah rangkaian pengganti untuk

tipe n.

8/19/2019 ELKA Modul 3 2016

13/18


Telkom University


8/19/2019 ELKA Modul 3 2016

14/18


Telkom University


IV.LANGKAH PRAKTIKUM

PERCOBAAN

Persiapan Percobaan

1. Pastikan derah kerja aman dari bahaya gangguan teknis dan buat kondisi

senyaman mungkin.

2. Pastikan saklar stop contact PLN telah dalam kondisi “ON ” agar semua

peralatan praktikum yang membutuhkan catuan listrik dari stop contac PLN dapat

bekerja.

3. Nyalakan peralatan yang akan digunakan pada praktikum kali ini dan patuhi

prosedur penggunaan untuk tiap alat yang dipakai.

A. Karakteristik MOSFET

1.

Aplikasikan rangkaian berikut yang terdapat pada KIT praktikum.

2. Berikan catuan V1 (dengan DC power supply) dengan nilai 0 Volt.

3. Hubungkan titik Id_1 dan Id_2 ke Amperemeter (perhatikan aturan

penggunaan Multimeter).

4. Berikan catuan V2 (dengan DC power supply) dengan rentang: 0 – 6 Volt

(rentang perubahan= 2 Volt).5. Catat nilai yang terukur (Id) untuk setiap perubahan nilai V2 pada jurnal praktikum.

8/19/2019 ELKA Modul 3 2016

15/18


Telkom University


6. Setelah selesai, reset nilai V2 menjadi 0 Volt.

7. Lepaskan Amperemeter dari titik Id_1 dan Id_2.

8. Hubung singkatkan titik Id_1 dan Id_2.

9. Hubungkan titik VD dan VS ke Voltmeter (perhatikan aturan penggunaan

Multimeter).

10. Berikan catuan V2 (dengan DC power supply) dengan rentang: 0 – 10 Volt (rentang

perubahan = 2 Volt).

11. Catat nilai yang terukur (Vds) untuk setiap perubahan nilai V2 pada jurnal

praktikum.

12. Ulangi langkah 3 – 11 dengan mengubah nilai V1 (nilai perubahan: 1 Volt, 2 Volt, 3

Volt, 4 Volt, 5 Volt).

B. Aplikasi

Penguat Sinyal Kecil (Common Source)

1.

Atur Function Generator dengan sinyal masukan sinyal sinusoidal dengan

tegangan 1 Vpp dengan frekuensi 11 MHz.

2. Lakukan kalibrasi osiloskop.

3. Perhatikan rangkaian berikut yang terdapat pada KIT praktikum.

8/19/2019 ELKA Modul 3 2016

16/18


Telkom University


4. Hubungkan Vin dengan function generator dengan ketentuan seperti pada langkah

1 (perhatikan aturan penggunaan Function Generator ).

5. Hubungkan Vin dengan channel 1 Osiloskop

6. Hubungkan Vout dengan channel 2 Osiloskop

7. Ubahlah frekuensi pada function generator dari rentang 11 MHz – 15 MHz dengan

perubahan 1MHz.

8. Catat hasil pengamatan pada jurnal praktikum.

9. Lakukan Analisis pada jurnal praktikum.

Inverter

1. Perhatikan gambar rangkaian dibawah ini pada KIT praktikum.

2. Hubungkan Vs ke DC power supply sebesar 5 Volt.

3. Berikan input jika ON = 1 atau OFF = 0 (input ini sebagai saklar).

4. Amati bentuk perubahan yang terjadi pada LED untuk setiap perubahan.



8/19/2019 ELKA Modul 3 2016

17/18


Telkom University


Switch

1. Perhatikan gambar rangkaian dibawah ini pada KIT praktikum.

2.

Hubungkan Vs ke sumber tegangan DC dengan nilai sebesar 5 Volt.

3. Berikan input jika ON = 1 atau OFF = 0 (input ini sebagai saklar).

4. Amati bentuk perubahan yang terjadi pada LED untuk setiap perubahan.



8/19/2019 ELKA Modul 3 2016

18/18

LaboratoriumElektronika

Telkom University


V. REFERENSI

“ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT THEORY” fifth edition, Oleh: ROBERTH

BOYLESTAD, LOUIS NALHELSKY, Prentice Hall International Edition.

“ELECTRONIC PRINCIPLES” sixth edition, Oleh: Albert Paul Malvino.

http://en.wikipedia.org/wiki/MOSFET

Pustaka dan referensi lainnya.

Date post:	07-Jul-2018
Category:	Documents
Upload:	ilhamfikry
View:	218 times
Download:	0 times

ELKA Modul 3 2016

Documents