Prinsipkerja jfet1

1. JFET (Junction Field Effect Transistor)
Struktur JFET
n
n
p p
Drain (D)
Gate (G)
Source (S)
IDS
VGS
JFET Kanal n
p
p
n n
Drain (D)
Gate (G)
Source (S)
-IDS
VGS
JFET Kanal p
Perhatikan (unutk kanal n) bahwa terdapat struktur pn junction antara Gate (G) dengan Source(S),
dan ada satu jalur arus yang melewati semikonduktor ekstrinsik tipe n. (Ingat bahwa semikonduktor
ekstrinsik lebih mempunyai sifat mendekati konduktor yang mempunyai sifat resistif)
JFET memanfaatkan adanya efek medan yang muncul pada junction (sambungan) p-n. Sebagaimana
dijelaskan pada saat materi dioda, pemberian tegangan pada pn junction akan mengakibatkan
perubahan daerah deplesi (daerah yang mempunyai sedikit muatan bebas). Pada saat bias forward
(p lebih positif daripada n), arus dapat dengan mudah melewati junction. Akan tetapi pada saat bias
reverse(p lebih negatif dari n), hampir tidak ada arus yang dapat melewati junction, akibat semakin
lebarnya daerah deplesi. Pada saat reverse bias, semakin negatif tegangan yang diberikan antara p
dengan n, semakin lebar pula daerah deplesi. Perubahan daerah deplesi inilah yang dimanfaatkan
pada JFET. Perhatikan urutan gambar-gambar berikut:
n
n
p p
Drain (D)
Gate (G)
Source (S)
IDS
VGS > 0
n-JFET saat GS diberi tegangan forward
(VGS>0)
Arus IDS mengalir maksimal
n
n
p p
Drain (D)
Gate (G)
Source (S)
IDS
VGS = 0
n-JFET saat GS diberi tegangan 0 (VGS=0)
Arus IDS mengalir maksimal

2. n
n
pp
Drain (D)
Gate (G)
Source (S)
IDS
VGS < 0
pp
IG
n-JFET saat GS diberi tegangan reverse (VGS<0)
Terjadi pelebaran daerah depelesi di sekitar junction.
Arus IDS terhambat, sehingga arus yang mengalir tidak dapat maksimal
n
n
pp
Drain (D)
Gate (G)
Source (S)
IDS
VGS1 < 0
pp
IG
n
n
pp
Drain (D)
Gate (G)
Source (S)
IDS
VGS2 < 0
pp
IG
n
n
pp
Drain (D)
Gate (G)
Source (S)
IDS
VGS3 < 0
p p
IG
n-JFET saat GS diberi tegangan reverse (VGS3<VGS2 <VGS1<0)
Semakin lebar daerah deplesinya, arus semakin sulit lewat.
Pada VGS tertentu, arus yang lewat adalah nol. VGS pada kondisi ini desibut VGS(OFF) atau VP.
Apa yang terjadi ketika VGS makin negatif? Ya benar, arus IDS tidak akan mengalir.

3. Hubungan antara arus IDS dan tegangan VGS memenuhi suatu persamaan
𝐼 𝐷𝑆 = 𝐼 𝐷𝑆𝑆 1 −
𝑉 𝐺𝑆
𝑉 𝑃
2
IDS= arus dari Drain ke Sourve
VGS=tegangan antara Gate dan Source
IDSS= arus maksimum dari Drain ke Source (suatu konstanta)
VP= tegangan yang mengakibatkan arus IDS menjadi nol (suatu konstanta)
Arus Gate-Source (IGS)
Bias tegangan apakah yang diberikan pada junction Gate-Source yang dapat mengatur arus IDS?
reverse bias.
Bagaimana arus yang lewat junction ketika kondisi reverse bias?
Arus pada saat reverse bias adalah nol.
Sehingga arus IG pada JFET adalah nol
Karakteristik IDS -- VGS
n-JFET
IDSS
VP
IDS
VGS
IG=0
𝐼 𝐷𝑆 = 𝐼 𝐷𝑆𝑆 1 −
𝑉𝐺𝑆
𝑉𝑃
2
Arus yang mengalir dari Drain ke Source:

4. Struktur MOS (Metal Oxide
Semiconductor)
Struktur MOS membentuk suatu lapisan metal (konduktor), oksida (isolator), dan semikonduktor,
sebagaimana ditunjukkan gambar berikut:
SEMICONDUCTOR
O X I D E
M E T A L
Struktur MOS
p
M
O
S
+ + + + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - - - - - - - -
Suatu MOS ketika diberikan suatu tegangan antara metal dengan semikonduktornya. Perhatikan
adanya muatan yang mungkin terkumpul di bawah lapisan oksida ketika pada metal terdapat
muatan! Mengapa bisa terjadi?
Apa pembawa muatan mayoritas pada semikonduktor tipe p? hole
Apa yang terkumpul pada lapisan di bawah oksida pada gambar di atas? elektron
Apakah terjadi perubahan sifat semikonduktor di bawah lapisan oksida? Ya, ada. Lapisan dibawah oksida
menjadi semikonduktor tipe n, pembawa mayoritas sekarang adalah elektron.

5. MOSFET (Metal Oxide Semiconductor
Field Effect Transistor)
Struktur MOSFET
p
n n
n+
Drain (D)
Source
(S)
Gate (G)
Lapisan tipis tipe n, dibuat pada
saat fabrikasi
n-MOSFET Depletion
Pada n-MOSFET depletion, sudah dibuatkan suatu lapisan tipe n (berlawanan dengan tipe
semikonduktornya) dibawah lapisan oksida. Sehingga terdapat suatu jalur dengan type sama antara
Drain dan Source. Jalur ini selanjutnya disebut channel. Pemberian tegangan VGS nantinya akan dapat
mempengaruhi keberadaan channel ini, dari channel yang lebar menjadi channel yang sempit bahkan
hilang.
p
n n
Drain (D)
Source
(S)
Gate (G)
n-MOSFET Enhancement
Pada n-MOSFET Enhancement, pembentukan channel akan terjadi saat VGS diberi tegangan (terjadi
penambahan chanel, to enhance)

6. Pengaruh Pemberian Tegangan pada
MOSFET
Arus yang pada MOSFET
Arus ke Gate (IG)
Perhatikan bahwa antara gate dengan lapisan lainnya dibatasi oleh silikon yang merupakan isolator
yang sangat baik, sehingga arus yang dapat menembus (melewati) gate adalah nol.
Arus Drain Source (IDS)
n-MOSFET Depletion.
Prinsip kerja n-MOSFET Depletion sangat mirip dengan JFET, yaitu pemberian tegangan negatif
antara Gate dan source dapat mengurangi lebar channel. Persamaan arus yang berlaku adalah sama
yaitu
𝐼 𝐷𝑆 = 𝐼 𝐷𝑆𝑆 1 −
𝑉 𝐺𝑆
𝑉 𝑃
2
IDS= arus dari Drain ke Source
VGS=tegangan antara Gate dan Source
IDSS= arus maksimum dari Drain ke Source (Konstanta)
VP= tegangan yang mengakibatkan arus IDS menjadi nol (konstanta)
n-MOSFET Enhancement
Prinsip kerja n-MOSFET Enhancement berbeda dengan kedua tipe FET sebelumnya. Pemberian
tegangan VGS dimaksudkan untuk menambahkan adanya suatu channel dibawah lapisan oksida
sehingga nantinya terdapat jalur arus dari Drain menuju Source.
𝐼 𝐷𝑆 = 𝐾 𝑉 𝐺𝑆 − 𝑉 𝑇
2
IDS= arus dari Drain ke Source
VGS=tegangan antara Gate dan Source
K= Konstantan MOSFET (Ampere/Volt2
)
VT= tegangan VGS yang mengakibatkan arus IDS menjadi nol. Konstanta.
𝐼 𝐷𝑆 = 𝐼 𝐷𝑆𝑆 1 −
𝑉𝐺𝑆
𝑉𝑃
2
Arus yang mengalir dari Drain ke Source pada D-MOSFET:
IG=0

7. Simbol-simbol FET
JFET
D
G
S
JFET kanal N
D
G
S
JFET kanal P
D-MOSFET
D
G
S
Bulk (Semikonduktor)
D-MOSFET kanal N
Bulk (Semikonduktor)
D-MOSFET kanal P
E-MOSFET
D
G
S
Bulk (Semikonduktor)
E-MOSFET kanal N
D
G
S
Bulk (Semikonduktor)
E-MOSFET kanal P
Perhatikan bahwa simbol-simbol FET sangat mirip dengan struktur-struktur FET! Setuju?
Pada simbol MOSFET, sering kali digambarkan tanpa menggunakan kaki Bulk. Jadi hanya terdapat D,
G, dan S. Umumnya Bulk pada n terhubung dengan tegangan terendah, sedangkan Bulk tipe p
terhubung dengan tegangan yang tertinggi.

8. Pemberian Tegangan Bias pada JFET
(Rangkaian dengan FET)
Pada JFET kanal n, untuk membuat JFET aktif (arus dapat dikontrol oleh VGS) tegangan pada Drain
lebih positif dibandingkan tegangan pada Source. Drain terhubung dengan VDD sedangkan Source
terhubung dengan VSS atau Ground.
Voltage Source Biasing
1k
RD
Vp= -4V
IDSS =12 mA
VGS=-2V
D
G
S
(1) Diketahui suatu rangkaian yang menggunakan JFET n-channel dengan IDSS=12mA dan VP=-4V
seperti ditunjukkan gambar di atas. Antara VDD dengan Drain terdapat RD= 1k ohm
Berapakah arus IDS dan tegangan VDS yang terjadi?
Jawab:
Sesuai dengan persamaan arus pada JFET n-channel bahwa :
𝐼 𝐷𝑆 = 𝐼 𝐷𝑆𝑆 1 −
𝑉𝐺𝑆
𝑉𝑃
2
Maka
𝐼 𝐷𝑆 = 12𝑚𝐴 1 −
−2𝑉
−4
2
𝐼 𝐷𝑆 = 12𝑚𝐴 1 −
1
2
2
= 12𝑚𝐴 𝑥
1
4
= 3𝑚𝐴
Loop tegangan yang dibentuk oleh VDD, RD, FET, dan Ground mempunyai persamaan:
𝑉𝐷𝐷 = 𝐼 𝐷 𝑅 𝐷 + 𝑉𝐷𝑆
sehingga
10𝑉 = 3𝑚𝐴 𝑥 100𝑘Ω + 𝑉𝐷𝑆
Diperoleh
𝑉𝐷𝑆 = 10𝑉 − 3𝑚𝐴 𝑥 1𝑘Ω = 7𝑉

9. Self Bias Dengan RS
RD
1k
RS
1,5k
VDD = +10V
RG
1M
Vp= -4V
IDSS = 8 mA
IDS
IG
D
G
S
IDS
(2) Diketahui suatu rangkaian yang menggunakan JFET n-channel dengan IDSS=8mA VP=-4V
seperti ditunjukkan gambar di atas. Berapakah arus IDS dan tegangan VDS yang terjadi?
Jawab:
Persamaan arus yang terjadi pada JFET adalah
𝐼 𝐷𝑆 = 𝐼 𝐷𝑆𝑆 1 −
𝑉 𝐺𝑆
𝑉 𝑃
2
…………………… (i)
Arus IG pada JFET adalah 0 A (Mengapa? Jika tidak bisa menjawab berarti halaman
sebelumnya ada yang terlewat membacanya).
VG=-IG RG = 0V (Mengapa?)
Sementara itu, VGS=VG-VS (Mengapa? Saudara pasti tahu)
Diperoleh VS=-VGS …………………… (ii)
Arus IDS mengalir pada RS dan RD.
VS=IDS RS Subtitusi Vs dengan (ii) diperoleh
-VGS=IDS RS
𝐼 𝐷𝑆 = −
𝑉 𝐺𝑆
𝑅 𝑆
…………….. (iii)

10. Diperoleh dua persamaan IDS dari (i) dan (ii), kita dapat mencari
nilai VGS dari sini. Diperoleh:
−
𝑉 𝐺𝑆
𝑅 𝑆
= 𝐼 𝐷𝑆𝑆 1 −
𝑉 𝐺𝑆
𝑉 𝑃
2
Dengan RS=1.5kΩ, IDSS=8mA, dan VP=-4V diperoleh VGS=-2.26V atau
VGS=-7.07V.
(Hitunglah sendiri secara rinci, it’s about “persamaan kuadrat”)
Karena rentang kerja arus IDS dapat mengalir jika VGS berada diantara
VP dan 0V maka VGS yang mungkin adalah
VGS=-2.26
Dengan demikian
𝐼 𝐷𝑆 = −
𝑉 𝐺𝑆
𝑅 𝑆
= −
−2.26𝑉
1.5𝑘Ω
= 1.5𝑚𝐴
VDS dapat dicari dengan menyelesaikan persamaan loop yang
terbentuk dari VDD, RD, DS, RS, dan Ground
𝑽 𝑫𝑫 = 𝑰 𝑫𝑺 𝑹 𝑫 + 𝑽 𝑫𝑺 + 𝑰 𝑫𝑺 𝑹 𝑺
𝟏𝟎𝑽 = 𝟏. 𝟓𝒎𝑨 𝟏𝒌Ω + 𝑽 𝑫𝑺 + 𝟏. 𝟓𝒎𝑨 𝟏. 𝟓𝒌Ω
𝑽 𝑫𝑺 = 𝟔. 𝟐𝟓𝑽
Mudah ya?
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
-5 -4 -3 -2 -1 0
IDS
VGS
RD
1k
RS
1,5k
VDD = +10V
RG
1M
Vp= -4V
IDSS = 8 mA
IDS
IG
D
G
S
IDS

11. Bias Pembagi Tegangan
RD
1k
RS
1,5k
VDD = +15V
RG2
100k
Vp= -4V
IDSS =8 mA
RG1
200k
IDS
IG
IDS
D
G
S
(3) Carilah IDS dan VDS untuk rangkaian di atas!
Jawab:
Persamaan arus yang terjadi pada JFET adalah
𝐼 𝐷𝑆 = 𝐼 𝐷𝑆𝑆 1 −
𝑉 𝐺𝑆
𝑉 𝑃
2
…………………… (i)
Arus IG pada JFET adalah 0 A.
VG=
𝑉 𝐷𝐷
𝑅 𝐺1+𝑅 𝐺2
𝑅 𝐺2 (Mengapa? Karena IG=0 maka arus yang melewati RG1 dan
RG2 adalah sama, sehingga …… silahkan dilanjutkan)
VG= 5V
Sementara itu, VGS=VG-VS (Mengapa? Saudara pasti tahu)
Diperoleh VS=5V-VGS …………………… (ii)
Arus IDS mengalir pada RS dan RD.
VS=IDS RS Subtitusi Vs dengan (ii) diperoleh
5V-VGS=IDS RS
𝐼 𝐷𝑆 =
5𝑉−𝑉 𝐺𝑆
𝑅 𝑆
…………….. (iii)

12. Diperoleh dua persamaan IDS dari (i) dan (ii), kita dapat mencari
nilai VGS dari sini. Diperoleh:
5−𝑉 𝐺𝑆
𝑅 𝑆
= 𝐼 𝐷𝑆𝑆 1 −
𝑉 𝐺𝑆
𝑉 𝑃
2
Dengan RS=1.5kΩ, IDSS=8mA, dan VP=-4V diperoleh VGS=-1.1 atau
VGS=-8.2 V.
(Hitunglah sendiri secara rinci, it’s about “persamaan kuadrat”)
Karena rentang kerja arus IDS dapat mengalir jika VGS berada diantara
VP dan 0V maka VGS yang mungkin adalah
VGS=-1.1V
Dengan demikian
𝐼 𝐷𝑆 =
5−𝑉 𝐺𝑆
𝑅 𝑆
=
5−(−1.1𝑉)
1.5𝑘Ω
= 4.07𝑚𝐴
VDS dapat dicari dengan menyelesaikan persamaan loop yang
terbentuk dari VDD, RD, DS, RS, dan Ground
𝑽 𝑫𝑫 = 𝑰 𝑫𝑺 𝑹 𝑫 + 𝑽 𝑫𝑺 + 𝑰 𝑫𝑺 𝑹 𝑺
𝟏𝟓𝑽 = 𝟒. 𝟎𝟕𝒎𝑨 𝟏𝒌Ω + 𝑽 𝑫𝑺 + 𝟒. 𝟎𝟕𝒎𝑨 𝟏. 𝟓𝒌Ω
𝑽 𝑫𝑺 = 𝟒. 𝟖𝑽
Mudah juga ya?
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
-5 -4 -3 -2 -1 0
IDS
VGS
RD
1k
RS
1,5k
VDD = +15V
RG2
100k
Vp= -4V
IDSS =8 mA
RG1
200k
IDS
IG
IDS
D
G
S

13. Tugas:
1. Ulangi contoh-contoh di atas dengan tulisan tangan saudara.
2. Ulangi contoh (1) dengan VDD=12 V, VGS=-2V, VP=-3V, IDSS= 6mA, RD=1kΩ
3. Ulangi contoh (2) dengan VDD=22 V, RG=1MΩ, VP=-2.5V, IDSS= 6mA, RD=1kΩ, RS=1.5kΩ
4. Ulangi contoh (3) dengan VDD=21 V, RG1=500kΩ, RG2=1MΩ,VP=-3V, IDSS= 9mA, RD=1kΩ, RS=1.5kΩ
5. Diketahui rangkain JFET bias pembagi tegangan. JFET yang digunakan adalah mempunyai
IDSS=9mA dan VP=-3V. VDD yang digunakan adalah 15V dan RG2 yang terpasang adalah 100kΩ.
Berapakah RG1, RS, RD yang harus dipasang agar diperoleh VG=5V, IDS=4mA, dan VD=11V?
6. Diketahui Rangkain Self Bias JFET dengan menggunakan VDD 22V. JFET yang digunakan
mempunyai karakteristik VP=-2.5V dan IDSS=6mA. Pada rangkaian juga sudah terpasang
RG=1MΩ. Jika diinginkan IDS=5mA dan VDS=15, berapakah nilai RD dan RS yang harus
dipasang?
Kumpulkan langsung tugas pada hari Senin, 13 Desember 2010, antara jam 10 s.d 14.00 (kecuali yang
sedang kuliah penuh pada jam tersebut silahkan konfirmasi langsung dengan saya). Saya tunggu di
ruangan saya di depan Lab. Infomatika dan Komputer. Tugas ini harus dikumpulkan sendiri, karena
sekaligus akan dilakukan evaluasi untuk masing-masing mahasiswa. Pertanyaan dapat dilakukan
lewat sms atau email.
Terima kasih.