Transistor Efek Medan Persimpangan
Transistor Efek Medan Persimpangan adalah transistor berbasis semikonduktor yang dikontrol tegangan. Ini adalah transistor searah dengan tiga terminal; saluran pembuangan, sumber dan gerbang. JFET tidak memiliki sambungan PN, tetapi terdiri dari saluran bahan semikonduktor.
Konstruksi & Klasifikasi
JFET mempunyai saluran besar untuk aliran pembawa muatan mayoritas. Saluran ini dikenal sebagai substrat. Substrat dapat berupa bahan tipe P atau tipe N. Dua kontak eksternal yang dikenal sebagai kontak ohmik ditempatkan di kedua ujung saluran. JFET diklasifikasikan berdasarkan bahan semikonduktor substrat dalam konstruksinya.
Transistor JFET Saluran-N
Saluran terbuat dari bahan pengotor tipe N, sedangkan gerbang terbuat dari bahan pengotor tipe P. Bahan tipe-N berarti pengotor pentavalen telah didoping, dan pembawa muatan mayoritas adalah elektron bebas dalam saluran. Konstruksi dasar dan presentasi simbolis JFET N-Channel ditunjukkan di bawah ini:
Transistor JFET Saluran P
Salurannya terbuat dari bahan pengotor tipe P sedangkan gerbangnya terbuat dari bahan pengotor tipe N. Saluran-P berarti bahwa pengotor trivalen telah didoping dalam saluran dan pembawa muatan mayoritas berupa lubang. Konstruksi dasar dan presentasi simbolis JFET P-Channel ditunjukkan di bawah ini:
Cara kerja JFET
JFET sering digambarkan dengan analogi pipa selang air. Aliran air melalui pipa dianalogikan dengan aliran elektron melalui saluran JFET. Perasan pipa air menentukan jumlah aliran air. Demikian pula, dalam kasus JFET, penerapan tegangan pada terminal gerbang menentukan penyempitan atau pelebaran saluran untuk pergerakan muatan dari sumber ke saluran pembuangan.
Ketika tegangan bias balik melintasi gerbang dan sumber diterapkan, saluran menyempit sementara lapisan penipisan meningkat. Mode operasi ini disebut mode pinch-off. Perilaku saluran semacam ini ditunjukkan di bawah ini:
Kurva Karakteristik JFET
JFET adalah perangkat mode deplesi, yang berarti perangkat tersebut beroperasi pada pelebaran atau penyempitan lapisan deplesi. Untuk menganalisis mode operasi lengkap, pengaturan biasing berikut diterapkan pada JFET N-Channel.
Dua tegangan biasing berbeda diterapkan pada terminal JFET. VDS diterapkan antara saluran dan sumber sedangkan VGS diterapkan antara gerbang dan sumber seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas.
JFET akan beroperasi dalam empat mode operasi yang berbeda, seperti yang dibahas di bawah ini.
1: Mode Ohmik
Mode ohmik adalah keadaan normal tanpa tegangan biasing yang diterapkan pada terminalnya. Oleh karena itu, VGS=0 dalam mode ohmik. Lapisan penipisan harus sangat tipis dan JFET beroperasi seperti elemen ohmik seperti resistor.
2: Mode Jepit
Dalam mode cut-off, tegangan biasing yang cukup pada gerbang dan sumber diterapkan. Tegangan bias balik yang diterapkan meregangkan daerah penipisan ke tingkat maksimum dan oleh karena itu saluran berperilaku seperti saklar terbuka yang menahan aliran arus.
3: Mode Saturasi
Tegangan bias gerbang dan sumber mengontrol aliran arus melintasi saluran JFET. Arus bervariasi dengan perubahan tegangan biasing. Tegangan bias saluran dan sumber memiliki efek yang dapat diabaikan dalam mode ini.
4: Mode Kerusakan
Tegangan bias saluran dan sumber meningkat ke tingkat yang memecah lapisan penipisan di saluran JFET. Hal ini menyebabkan aliran arus maksimum melintasi saluran.
Ekspresi Matematika untuk Parameter JFET
Dalam mode saturasi, JFET memasuki mode konduktor di mana tegangan memvariasikan arus. Oleh karena itu, arus pembuangan dapat dievaluasi. Ekspresi untuk mengevaluasi arus drain diberikan oleh:
Saluran melebar atau menyempit dengan penerapan tegangan gerbang. Resistansi saluran terhadap penerapan tegangan sumber saluran dinyatakan sebagai:
RDS juga dapat dihitung melalui penguatan transkonduktansi, gm:
Konfigurasi JFET
JFET dapat dihubungkan dengan berbagai cara dengan tegangan input. Konfigurasi ini dikenal sebagai konfigurasi common source, common gate, dan common drain.
Konfigurasi Sumber Umum
Dalam konfigurasi sumber umum, sumber JFET dibumikan dan masukan dihubungkan ke terminal gerbang sementara keluaran diambil dari saluran pembuangan. Konfigurasi ini menawarkan fungsi impedansi masukan dan amplifikasi tegangan yang tinggi. Konfigurasi mode penguat ini adalah yang paling umum dari semua konfigurasi JFET. Keluaran yang diperoleh berbeda fasa 180 derajat dengan masukan.
Konfigurasi Gerbang Umum
Dalam konfigurasi gerbang umum, gerbang dibumikan sementara masukan dihubungkan ke sumber dan keluaran diambil dari saluran. Karena gerbang terhubung dengan ground, konfigurasinya memiliki impedansi masukan yang rendah tetapi impedansi keluaran lebih tinggi. Output yang diperoleh sefase dengan input:
Konfigurasi Saluran Umum
Pada saluran umum, masukan dihubungkan ke gerbang sedangkan keluaran dihubungkan dari terminal sumber. Konfigurasi ini juga menawarkan impedansi masukan yang rendah dan impedansi keluaran yang lebih tinggi seperti konfigurasi gerbang pada umumnya, namun penguatan tegangan kira-kira sama dengan satu di sini.
Konfigurasi ini juga sesuai dengan sumber umum dimana input dihubungkan ke gerbang, namun konfigurasi sumber umum mempunyai gain kurang dari satu.
Aplikasi – Konfigurasi Amplifier JFET
JFET dapat dibuat berfungsi sebagai amplifier Kelas-A ketika terminal gerbang dihubungkan dengan jaringan pembagi tegangan. Tegangan eksternal diterapkan pada terminal sumber, yang sebagian besar dikonfigurasi menjadi seperempat VDD pada rangkaian di bawah ini.
Oleh karena itu, tegangan sumber dapat dinyatakan sebagai:
Selain itu, tegangan sumber dapat dihitung melalui ekspresi di bawah ini:
Arus pembuangan dapat dihitung dari konfigurasi di atas seperti di bawah ini:
Tegangan gerbang dapat diperoleh sebagai fungsi dari nilai resistor R1 & R2 seperti yang diberikan di bawah ini.
Contoh 1: Menghitung V DD
Jika V GS (mati) =-8V, SAYA DSS =24mA untuk JFET dalam konfigurasi di bawah ini, hitung V DD seperti yang ditunjukkan pada gambar ketika R D =400.
Sejak
Nilai di atas adalah nilai minimum VDS agar JFET dapat beroperasi pada wilayah arus konstan, oleh karena itu:
Juga,
Dengan menerapkan KVL pada rangkaian pembuangan:
Contoh 2: Tentukan Nilai Arus Pembuangan
Tentukan nilai arus drain ketika VGS=3V, VGS(Off)=-5V, IDSS=2mA untuk konfigurasi JFET di bawah.
Ekspresi arus drain adalah:
Kesimpulan
Transistor Efek Medan Persimpangan adalah tiga perangkat semikonduktor terminal yang bekerja dengan perilaku daerah penipisan dalam mode operasi berbeda. Mereka tidak memiliki sambungan PN, tetapi terbuat dari saluran bahan semikonduktor.