MOSFET merupakan kependekan dari Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor yaitu transistor dimana besarnya arus listrik yang mengalir pada terminal Drain-Source transistor tergantung dari besarnya tegangan pada terminal Gate transistor tersebut. Transistor ini merupakan jenis FET yang berbeda dari JFET dimana elektroda Gate pada MOSFET terbuat dari logam oksida (metal oxide) yang diisolasi secara elektrik dari channel N maupun channel P oleh bahan lapisan yang sangat tipis, umumnya dikenal sebagai silicon dioxide (SiO2). Lapisan isolasi tipis pada Gate dapat dianggap sebagai pelat kapasitor dan isolasi ini membuat resistansi input pada MOSFET tinggi sekali dalam orde MΩ dan bahkan lebih tinggi.
MOSFET memiliki 4 terminal yaitu Source (S), Drain (D), Gate (G), dan Body (B). Untuk bodi selalu dihubungkan langsung dengan terminal Source sehingga secara fisik hanya didapati tiga terminal yaitu Gate, Source, dan Drain. Seperti halnya dengan JFET, MOSFET juga terdiri dari dua jenis yaitu N channel MOSFET atau sering disebut NMOS dan P channel MOSFET atau sering disebut PMOS. Setiap jenis MOSFET dapat bekerja pada mode depletion dan mode enhanced.
Stuktur dan Prinsip Kerja MOSFET
Gambar 1 menunjukan struktur dasar MOSFET N-channel. Struktur MOSFET berbeda dengan JFET dimana MOSFET memiliki lapisan tipis oxide (SiO2) dibawah elektroda metal pada Gate yang berfungsi sebagai isolator sehingga MOSFET memiliki impedansi Gate sangat tinggi, secara teoritis tak terhingga sehingga dapat dikatakan pada Gate tidak ada arus yang mengalir meskipun diberi tegangan. Metal pada MOSFET umumnya dibuat dari Aluminium (Al). N+ Gambar 1 menunjukan dopping tinggi pada substrat tipe N.
 |
| Gambar 1. MOSFET tipe P |
MOSFET dapat bekerja pada dua mode yaitu mode depletion dan mode enhancement. Gambar simbol P channel MOSFET ditunjukan pada Gambar 2.
 |
Gambar 2. Simbol P-Channel MOSFET (PMOS)
|
Simbol N channel MOSFET ditunjukan pada Gambar 3.
 |
| Gambar 3. Simbol N-Channel MOSFET (NMOS) |
MOSFET N-Channel Mode Enhancement
MOSFET bekerja pada mode enhancement berarti MOSFET N-channel bekerja jika diberi tegangan positif pada terminal Gate-Source (+VGS) dan pada terminal Drain-Source (+VDS). Saat MOSFET diberi tegangan VGS = 0 Volt seperti pada Gambar 4 maka channel tidak terbentuk dan tidak ada arus mengalir dari terminal Drain ke Source meskipun terdapat tegangan pada terminal Drain-Source (VDS). Pada kondisi ini MOSFET tidak bekerja.
 |
| Gambar 4. NMOS mode enhancement VGS 0 Volt |
Gambar 5 menunjukan MOSFET N-channel bekerja pada mode enhanced dimana saat Gate-Source diberi tegangan +VGS maka pembawa minoritas substrat P tertarik pada channel daerah sekitar Gate atau daerah pita dibawah sekitar oksida, tetapi tidak dapat meyeberang atau melewati lapisan oksida SiO2 karena lapisan ini berfungsi sebagai isolator. Pada tegangan +VGS minimal tertentu elektron yang berkumpul disekitar Gate membentuk channel, dan tegangan minimal ini disebut sebagai tegangan threshold (VT). Saat channel terbentuk maka arus listrik dapat mengalir dari terminal Drain ke Source. Saat +VGS dinaikan lebih tinggi maka channel semakin lebar dan arus yang mengalir pada Drain (ID) semakin besar.
 |
| Gambar 5. NMOS mode enhanced dengan +VGS |
Bersamaan dengan adan dan melebarnya channel, depletion layer juga terbentuk disekitar channel yang ditunjukan Gambar 6 serta ikut melebar. Depletion terjadi karena terdapat dua P-N junction yang mendapat reversed biased yaitu P-N junction pada Drain dan substrat, kemudian P-N junction pada Source dan substrat.
 |
| Gambar 6. Channel dan depletion layer NMOS |
Dari penjelasan Gambar 4, 5 dan 6 di atas dapat dirangkum semuanya menjadi satu seperti ditunjukan pada Gambar 7.
 |
| Gambar 7. NMOS mode Enhancement |
Gambar 7 menjelaskan bahwa saat tegangan +VGS lebih besar dari tegangan threshold (VT) maka layer channel membesar akibat lebih banyak elektron tertarik dan berkumpul pada daerah channel (Gate) maka arus yang mengalir dapat semakin besar akan tetapi daerah channel pada Drain semakin menyempit jika VDS semakin diperbesar, selain itu daerah depletion layer semakin lebar karena tegangan reverse pada P-N junction sekitar Drain semakin besar akibat VDS diperbesar. Dengan melebarnya depletion layer pada daerah Drain berarti hole semakin sedikit menyebabkan elektron pada daerah Drain juga berkurang, hal ini merupakan penyebab utama daerah channel sekitar Drain menyempit. Saat tegangan VDS terus dinaikan hingga mencapai tegangan tertentu dimana lebar channel pada sekitar Drain mencapai paling sempit yang disebut sebagai tegangan pinch-off (VP) maka arus Drain (ID) mengalami saturasi dimana arus konstan meskipun tegangan VDS dinaikan lagi.
Gambar 8 menunjukan bahwa saat tegangan VDS lebih kecil atau sama dengan tegangan threshold (VT) maka tidak ada arus ID atau arus pada Drain sama dengan nol. Daerah sebelah kanan locus VDS disebut daerah saturasi, dan daerah saturasi ini dapat dicapai saat VDS >= (VGS - VT).
Gambar 8 menunjukan bahwa saat tegangan VDS lebih kecil atau sama dengan tegangan threshold (VT) maka tidak ada arus ID atau arus pada Drain sama dengan nol. Daerah sebelah kanan locus VDS disebut daerah saturasi, dan daerah saturasi ini dapat dicapai saat VDS >= (VGS - VT).
 | |
|
Dari Gambar 8 di atas dapat dilihat bahwa saat tegangan VGS = 0 NMOS tidak dapat mengalirkan arus listrik sehingga umum disebut NMOS normally off.
MOSFET N-Channel Bekerja pada Mode Depletion
MOSFET N-channel bekerja pada mode depletion saat tegangan pada Gate-Source diberi bias tegangan negatif (-VGS) dan Drain-Source diberi bias tegangan positif (+VDS). Ilustrasi kerja MOSFET N- channel pada mode depletion ditunjukan pada Gambar 9.
 | |
|
Gambar 9a menunjukan saat VGS diberi tegangan negatif (-) maka elektron ditolak menjauhi lapisan oksida, dan hole ditarik ke daerah dekat oksida sehingga jumlah elektron bebas pada daerah N-channel berkurang menyebabkan arus listrik yang mengalir pada Drain-Source (IDS) berkurang.
Jika tegangan -VGS dinaikan lagi maka elektron yang ditolak menjauh daerah N-channel semakin banyak yang menyebabkan arus listrik mengalir semakin kecil. Hal ini ditunjukan pada Gambar 9b.
Secara umum mode depletion dapat dikatakan bahwa MOSFET membutuhkan tegangan sebesar -VGS untuk mengurangi arus yang mengalir pada terminal Drain-Source.
 | |
|
Dari Gambar 10 juga dapat dilihat bahwa mode depletion saat VGS = 0 NMOS dapat mengalirkan arus listik saat terminal Drain-Source diberi tegangan, sehingga NMOS mode depletion juga disebut NMOS normally on.
MOSFET P-Channel (PMOS)
MOSFET P-channel (PMOS) memiliki cara kerja mirip sekali dengan MOSFET N-channel mode enhancement, bedanya adalah pada terminal Drain-Source diberi tegangan negatif (-VDS) .
Gambar 11 menunjukan struktur dasar MOSFET P-channel. MOSFET memiliki lapisan tipis oxide (SiO2) dibawah elektroda metal pada Gate yang berfungsi sebagai isolator sehingga MOSFET memiliki impedansi Gate sangat tinggi sekali, secara teoritis tak terhingga sehingga dapat dikatakan pada Gate tidak ada arus yang mengalir meskipun diberi tegangan bias. Metal pada MOSFET umumnya dibuat dari Aluminium (Al). P+ pada Drain dan Source menunjukan dopping tinggi pada substrat tipe P. Daerah terluas warna putih adalah substrat tipe N, substrat ini terhubung ke body.
 | |
|
MOSFET P-Channel Mode Enhancement
PMOS mode enhancement pada terminal Drain-Source diberi tegangan negatif (-VDS) dan Gate-Source juga diberi tegangan negatif (-VGS). Saat tegangan VGS lebih besar dari tegangan threshold (|VGS| > |VT|), hole (minority carrier) pada substrat N tertarik ke daerah sekitar Gate tetapi tidak dapat menembus Gate karena terdapat isolator oksida disana. Dengan berkumpulnya hole disekitar Gate maka terbentuklah channel dan saat VDS tidak diberi tegangan atau tegangan 0 Volt maka bentuk daerah P-channel sama besar atau datar seperti ditunjukan pada Gambar 12.
Pada mode enhancement pada sekitar daerah channel terdapat depletion layer karena P-N junction pada Source dan Drain selalu mengalami bias reserved.
 | |
|
Saat VGS < 0 maka daerah channel semakin melebar karena hole semakin banyak berkumpul pada sekitar Gate. Jika tegangan -VDS diperbesar maka daerah channel sekitar Drain sedikit lebih sempit seperti ditunjukan pada Gambar 13. Menyempitnya daerah channel sekitar Drain disebabkan oleh tegangan negatif pada Drain menarik hole pada sekitar Drain dan menyebabkan arus mengalir dari Source ke Drain.
 | |
|
Saat tegangan -VDS semakin diperbesar maka daerah channel sekitar Source semakin menyempit hingga mencapai kondisi tegangan pinch-off (Vpinch-off) dimana arus Drain ID saturasi dan konstan meskipun tegangan -VDS diperbesar lagi. Daerah saturasi terjadi saat |VDS| >= |VGS| - |VT|
MOSFET P-Channel Mode Depletion
Mode depletion pada PMOS dengan Drain-Source diberi tegangan negatif (-VDS) dan Gate-Source diberi tegangan positif (+VGS).
Pada saat VGS sama dengan 0 dan Drain-Source diberi tegangan -VDS maka hole mulai tertolak menuju substrat tipe N dan pada waktu yang bersamaan elektron pada substrat N juga tertarik menuju daerah P-channel. Jika tegangan +VGS terus dinaikan maka hole pada daerah P-channel semakin berkurang yang menyebabkan arus ID pada Drain juga ikut berkurang.
 | |
|
Untuk PMOS depletion saat ini sulit ditemukan komponen atau perangkatnya atau malah tidak diproduksi.
Catatan : Tegangan Threshold (VT) pada halaman lain disebut sebagai VGS-threshold
EoF
