Memahami IGFET Tipe Depletion: Desain, Operasi, dan Analisis SPICE

Transistor sambungan bidang gerbang terisolasi (IGFET) adalah perangkat unipolar, mirip dengan JFET: arus yang dikontrol mengalir sepenuhnya dalam satu jenis semikonduktor, jadi tidak ada simpang PN yang dilintasi oleh arus.

Di dalam perangkat, simpang PN ada hanya untuk membentuk wilayah penyempitan non-konduktif yang membatasi arus melalui saluran. Simpang itu sendiri tidak pernah membawa arus.

Simbol Skematika dan Diagram Fisik

Di bawah ini adalah skematika dari IGFET tipe depletion saluran N:

Perhatikan bagaimana klem sumber dan drain melekat pada kedua ujung saluran N, sementara gate terhubung ke plat logam yang dipisahkan oleh lapisan isolasi tipis—biasanya silikon dioksida, komponen utama pasir. Konstruksi Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) ini adalah sebab banyak IGFEST juga disebut MOSFET, meskipun “IGFET” lebih baik menggambarkan seluruh kelas perangkat gerbang terisolasi.

IGFET modern biasanya menghubungkan substrat ke sumber secara internal, menghasilkan perangkat tiga klem. Skematika di bawah ini mencerminkan konfigurasi umum ini:

Karena substrat dan sumber secara listrik bersama, tidak ada tegangan yang dapat diterapkan di seluruh simpang PN internal. Akibatnya, wilayah penyempitan tidak dapat diperluas atau dicolok seperti dalam JFET; sebagai gantinya, operasi IGFET bergantung pada perpindahan wilayah penyempitan relatif terhadap gate.

IGFET Saluran N

Menerapkan tegangan positif pada gate relatif terhadap sumber menolak wilayah penyempitan, memperluas saluran tipe N dan meningkatkan konduktivitas:

Membalikkan polaritas menarik wilayah penyempitan, menyempitkan saluran dan mengurangi konduktivitas:

Gate yang terisolasi mengizinkan polaritas tegangan kontrol apa pun tanpa risiko bias maju simpang internal—kekhawatiran yang membatasi JFET. Meskipun disebut “tipe depletion,” perangkat dapat diperdepletesi (saluran disempitkan) atau dipeningkatan (saluran diperluas) tergantung pada polaritas tegangan gate-ke-sumber.

Untuk memprediksi efek, cocokkan doping semikonduktor saluran (tipe N atau P) dengan tanda tegangan sumber. Untuk perangkat saluran N, gate positif dan sumber negatif memperkuat saluran dengan mengakumulasi elektron di sisi saluran dielektrik. Jika polaritas ditukar, elektron dikeluarkan dari saluran, mendepletesinya dan menurunkan konduktivitas.

IGFET Saluran P

Perangkat saluran P mematuhi prinsip yang sama, tetapi polaritas yang diperlukan terbalik. Gambar-gambar berikut mengilustrasikan biasing:

Dengan tegangan gate-ke-sumber nol, IGFET tipe depletion mengkonduksi antara sumber dan drain, tetapi tidak pada kapasitas penuh—berbeda dengan transistor bipolar, yang biasanya mati, atau JFET, yang biasanya menyala. Secara efektif, ia berperilaku sebagai perangkat setengah menyala.

Karena gate terisolasi, IGFET menahan tegangan gate-ke-sumber dengan polaritas apa pun. Simpang PN dilindungi, dan koneksi sumber-substrat langsung mencegah perbedaan tegangan apa pun di seluruh simpang.

Menakjubkan, perilaku konduksi dari IGFET tipe D mirip dengan tabung vakum awal, di mana tegangan grid dapat menekan atau memperkuat aliran elektron antara katoda dan anoda.

Simulasi SPICE dari IGFET Tipe D

Simulasi SPICE berikut mengilustrasikan sifat pengaturan arus dari IGFET tipe depletion.

Pertama, dengan gate dihubungkan ke sumber (0 V) dan suplai disweep dari 0 V hingga 50 V, arus drain menetap pada 10 µA yang diatur selama seluruh rentang:

n-channel igfet characteristic curve m1 1 0 0 0 mod1 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end 

Menerapkan tegangan gate negatif –0,5 V saat menyweep suplai lagi mengurangi arus drain yang diatur menjadi 2,5 µA:

n-channel igfet characteristic curve m1 1 3 0 0 mod1 vin 0 3 dc 0.5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end 

Secara sebaliknya, tegangan gate positif +0,5 V meningkatkan arus menjadi 22,5 µA:

n-channel igfet characteristic curve m1 1 3 0 0 mod1 vin 3 0 dc 0.5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end 

Hasil ini mengonfirmasi hubungan non-linear antara tegangan gate-ke-sumber dan arus drain, analog dengan yang terlihat dalam JFET. Tegangan mendepletesikan sekitar –1 V dapat mencubit saluran, mengurangi arus drain menjadi hampir nol. Tegangan mencubit yang tepat bervariasi dengan spesifikasi setiap perangkat.

Kurva Karakteristik IGFET

Memplot beberapa kurva karakteristik untuk berbagai tegangan gate menghasilkan pola yang mirip dengan keluarga kurva JFET:

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Transistor Sambungan Bidang Gerbang Terisolasi