Transistor Efek Medan Gerbang Terisolasi (MOSFET)

Transistor Efek Medan Gerbang Terisolasi (IGFET), juga dikenal sebagai Transistor Efek Medan Oksida Logam (MOSFET), merupakan turunan dari transistor efek medan (FET). Saat ini, sebagian besar transistor adalah jenis MOSFET sebagai komponen sirkuit terpadu digital. Meskipun BJT diskrit lebih banyak daripada MOSFET diskrit. Jumlah transistor MOSFET dalam sirkuit terpadu dapat mendekati ratusan juta. Dimensi perangkat MOSFET individu berada di bawah mikron, menurun setiap 18 bulan. MOSFET yang jauh lebih besar mampu mengalihkan hampir 100 ampere arus pada tegangan rendah; beberapa menangani hampir 1000 V pada arus yang lebih rendah. Perangkat ini menempati sebagian kecil dari satu sentimeter persegi silikon. MOSFET menemukan aplikasi yang jauh lebih luas daripada JFET. Namun, perangkat daya MOSFET tidak banyak digunakan seperti transistor sambungan bipolar saat ini.

Operasi MOSFET

MOSFET memiliki terminal source, gate, dan drain seperti FET. Namun, kabel gerbang tidak membuat sambungan langsung ke silikon dibandingkan dengan kasing untuk FET. Gerbang MOSFET adalah lapisan logam atau polisilikon di atas isolator silikon dioksida. Gerbangnya mirip dengan Semikonduktor Oksida Logam (MOS) kapasitor pada Gambar di bawah. Saat diisi, pelat kapasitor mengambil polaritas muatan dari masing-masing terminal baterai. Pelat bawah adalah silikon tipe-P dari mana elektron ditolak oleh terminal baterai negatif (-) menuju oksida, dan ditarik oleh pelat atas positif (+). Kelebihan elektron di dekat oksida ini menciptakan saluran terbalik (kelebihan elektron) di bawah oksida. Saluran ini juga disertai dengan daerah penipisan yang mengisolasi saluran dari substrat silikon curah.

Kapasitor MOS saluran-N:(a) tanpa muatan, (b) terisi.

Pada Gambar di bawah (a) kapasitor MOS ditempatkan di antara sepasang difusi tipe-N dalam substrat tipe-P. Tanpa muatan pada kapasitor, tanpa bias pada gerbang, difusi tipe-N, sumber dan saluran, tetap terisolasi secara elektrik.

N-channel MOSFET (tipe perangkat tambahan):(a) bias gerbang 0 V, (b) bias gerbang positif.

Bias positif diterapkan ke gerbang mengisi kapasitor (gerbang). Gerbang di atas oksida menerima muatan positif dari baterai bias gerbang. Substrat tipe-P di bawah gerbang mengambil muatan negatif. Daerah inversi dengan kelebihan elektron terbentuk di bawah gerbang oksida. Daerah ini sekarang menghubungkan daerah tipe-N sumber dan saluran, membentuk daerah-N yang berkesinambungan dari sumber ke saluran. Dengan demikian, MOSFET, seperti FET adalah perangkat unipolar. Salah satu jenis pembawa muatan bertanggung jawab untuk konduksi. Contoh ini adalah MOSFET saluran-N. Konduksi arus besar dari sumber ke saluran dimungkinkan dengan tegangan yang diterapkan di antara sambungan-sambungan ini. Rangkaian praktis akan memiliki beban secara seri dengan baterai penguras pada Gambar di atas (b).

E-MOSFET

MOSFET yang dijelaskan di atas pada Gambar di atas dikenal sebagai Mode Peningkatan MOSFET. Saluran non-konduktor, mati, dihidupkan dengan meningkatkan saluran di bawah gerbang dengan penerapan bias. Ini adalah jenis perangkat yang paling umum. Jenis MOSFET lainnya tidak akan dijelaskan di sini. Lihat bab transistor efek medan gerbang terisolasi untuk mode penipisan perangkat.

MOSFET, seperti FET, adalah perangkat yang dikendalikan tegangan. Input tegangan ke gerbang mengontrol aliran arus dari sumber ke saluran. Gerbang tidak menarik arus kontinu. Padahal, gerbang menarik gelombang arus untuk mengisi kapasitansi gerbang.

Penampang MOSFET diskrit saluran-N ditunjukkan pada Gambar di bawah (a). Perangkat diskrit biasanya dioptimalkan untuk switching daya tinggi. N+ menunjukkan bahwa sumber dan saluran pembuangan sangat didoping tipe-N. Ini meminimalkan kerugian resistif di jalur arus tinggi dari sumber ke saluran. N- menunjukkan doping ringan. Daerah P di bawah gerbang, antara sumber dan saluran, dapat dibalik dengan penerapan tegangan bias positif. Profil doping adalah penampang melintang, yang dapat ditata dalam pola serpentin pada cetakan silikon. Ini sangat meningkatkan area, dan akibatnya, kemampuan penanganan saat ini.

MOSFET saluran-N (tipe perangkat tambahan):(a) Penampang melintang, (b) simbol skema.

Simbol skema MOSFET pada Gambar di atas (b) menunjukkan gerbang "mengambang", yang menunjukkan tidak ada koneksi langsung ke substrat silikon. Garis putus-putus dari sumber ke saluran pembuangan menunjukkan bahwa perangkat ini mati, tidak konduksi, dengan bias nol pada gerbang. MOSFET yang biasanya "mati" adalah perangkat mode peningkatan. Saluran harus ditingkatkan dengan penerapan bias ke gerbang untuk konduksi. Ujung "menunjuk" dari panah media sesuai dengan bahan tipe-P, yang mengarah ke saluran tipe-N, ujung "tidak menunjuk". Ini adalah simbol untuk MOSFET saluran-N. Panah menunjuk ke arah yang berlawanan untuk perangkat saluran-P (tidak ditampilkan). MOSFET adalah empat perangkat terminal:sumber, gerbang, tiriskan, dan substrat. Substrat terhubung ke sumber dalam MOSFET diskrit, membuat bagian yang dikemas menjadi perangkat tiga terminal. MOSFET, yang merupakan bagian dari sirkuit terpadu, memiliki substrat umum untuk semua perangkat, kecuali sengaja diisolasi. Sambungan umum ini dapat disambungkan dari die untuk sambungan ke arde atau tegangan bias catu daya.

V-MOS

Transistor “V-MOS” saluran-N:(a) Penampang melintang, (b) simbol skema.

V-MOS perangkat di (Gambar di atas) adalah MOSFET daya yang ditingkatkan dengan profil doping yang diatur untuk sumber dalam keadaan yang lebih rendah untuk mengalirkan resistensi. VMOS mengambil namanya dari wilayah gerbang berbentuk V, yang meningkatkan luas penampang jalur sumber-penguras. Ini meminimalkan kerugian dan memungkinkan peralihan tingkat daya yang lebih tinggi. UMOS, variasi yang menggunakan alur berbentuk U, lebih dapat direproduksi dalam pembuatannya.

TINJAUAN:

• MOSFET adalah perangkat konduksi unipolar, konduksi dengan satu jenis pembawa muatan, seperti FET, tetapi tidak seperti BJT.
• MOSFET adalah perangkat yang dikontrol tegangan seperti FET. Input tegangan gerbang mengontrol sumber untuk mengalirkan arus.
• Gerbang MOSFET tidak menarik arus kontinu, kecuali kebocoran. Namun, lonjakan arus awal yang cukup besar diperlukan untuk mengisi kapasitansi gerbang.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Gambaran Umum Transistor Konvensional dan Lembar Kerja Transistor Khusus