MOSFET ( Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor)

Rating: tegangan Vdc < 500 V, arus Id < 300 A, frekwensi f > 100 kHz untuk daya yang rendah ( beberapa ratus watt) dapat dalam orde Mhz. Sangat mudah untuk meng on kan dan meng off kan, Untuk on Vgs = + 15 V

Untuk off Vgs = 0 V Rangkaian gate drive sangat sederhana

2.3

MOSFET MOSFET merupakan singkatan dari Metal Oxide Semiconductor Field Effect

Transistor yang merepresentasikan bahan-bahan penyusunnya yang terdiri dari logam, oksida dan semikonduktor. Terdapat 2 jenis MOSFET yaitu tipe NPN atau N channel dan PNP atau biasa disebut P channel. MOSFET dibuat dengan meletakkan lapisan oksida pada semikonduktor dari tipe NPN maupun PNP dan lapisan logam diletakkan diatasnya. Gambar 2.13 memperlihatkan konfigurasi dasar dari MOSFET yang terdiri dari 3 buah kaki yaitu gate, drain, source.

Gambar 2.13 Konfigurasi dasar MOSFET

Adapun prinsip kerja dari MOSFET adalah sebagai berikut 1. Untuk tipe NPN, ketika gate diberi tegangan positif elektron-elektron dari semikonduktor N dari drain dan source tertarik oleh gate menuju semikonduktor tipe P yang berada diantaranya. Dengan adanya elektronelektron ini pada semikonduktor P, maka akan menjadi suatu jembatan yang memungkinkan pergerakan elektron-elektron dari source ke drain.

Gambar 2.14 Prinsip kerja MOSFET tipe NPN

2. Untuk tipe PNP, prinsip kerjanya sama hanya saja tegangan yang diberikan pada gate berkebalikan dengan MOSFET tipe NPN. Ketika tegangan negatif diberikan ke gate, hole dari semikonduktor tipe P dari source dan drain tertarik ke semikonduktor tipe N yang berada diantaranya. Dengan adanya jembatan hole ini maka arus listrik dapat mengalir dari source ke drain.

Gambar 2.15 Prinsip kerja MOSFET tipe PNP

Karena adanya lapisan oksida antara gate dan semikonduktor, maka arus listrik tidak mengalir menuju gate. Arus listrik mengalir diantara drain dan source yang dikendalikan oleh tegangan gate.

Gambar 2.16 MOSFET IRF840

2.1.1

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) MOSFET atau transistor efek medan oksida logam adalah sebuah piranti elektronik yang dikendalikan oleh tegangan dan hanya memerlukan arus masukan yang kecil. Seperti halnya transistor bipolar yang mempunyai tiga terminal (basis, kolektor, dan emitor), maka MOSFET juga mempunyai tiga terminal, yaitu terminal Gate (G), Source (S), dan Drain (D). MOSFET menggunakan tegangan pada

terminal Gate (=basis) untuk mengontrol arus antara terminal Source (=emitor) dan Drain (=kolektor)[10]. Secara skematis, simbol MOSFET dapat dilihat pada gambar 2.8.D D

G

I I I

G

I I I

S

S

Gambar 2.8 Simbol MOSFET[10]

a. MOSFET kanal-n b. MOSFET kanal-p

MOSFET sebagai piranti pensaklaran elektronik mempunyai beberapa kelebihan, antara lain :[8, 15]

1. Terminal gate MOSFET secara elektrik terisolasi dari sumber oleh lapisan oksida, sehingga MOSFET mempunyai impedansi masukan yang sangat tinggi, sehingga rangkaian tidak akan membebani dan tidak

sebelumnya

memerlukan rangkaian driver yang rumit untuk terminal gate. 2. Kecapatan switching-nya sangat tinggi, dalam orde nano detik, sehingga rugirugi akibat aksi switching dapat dibuat sekecil mungkin. 3. Sangat cocok digunakan untuk aplikasi rangkaian yang menggunakan tegangan rendah. 4. MOSFET tidak memerlukan interface berupa rangkaian buffer apabila

dihubungkan dengan rangkaian logika. MOSFET terdiri dari dua tipe, yaitu MOSFET tipe pengosongan (depletion MOSFET) dan MOSFET tipe peningkatan (enhancement MOSFET).[10,15] MOSFET tipe pengosongan dapat bekerja dalam modus pengisian (pemberian tegangan positif pada gerbang) dan modus pengosongan (pemberian tegangan negatif pada gerbang). Apabila tegangan positif diterapkan pada gerbang

MOSFET, maka jumlah elektron bebas yang mengalir antara sumber dan penguras akan mengalami peningkatan. Dengan perkataan lain, suatu tegangan gerbang yang positif akan meningkatkan konduktivitas saluran. Semakin positif tegangan gerbang, makin besar arus konduksi dari sumber ke penguras. Sebaliknya, apabila tegangan negatif diterapkan pada gerbang MOSFET, maka tegangan ini akan menolak elektron dan mencoba mendorongnya kembali ke sumber. Ini berarti, bahwa tegangan

gerbang yang negatif akan mengurangi aliran elektron antara sumber dan penguras. Makin negatif tegangan gerbang, semakin kecil arus yang melalui saluran. Tegangan yang cukup negatif pada gerbang dapat memutus aliran arus antara sumber dan penguras.[10] Sedangkan MOSFET tipe peningkatan hanya dapat bekerja dalam ragam pengisian. Sebuah MOSFET tipe pengisian sangat cocok diterapkan untuk rangkaian digital, oleh karena MOSFET jenis ini normalnya terputus. Apabila tegangan

gerbang melebihi tegangan ambang, MOSFET akan tersambung (on) seperti sebuah saklar/switch.[10]

2.2.3.1

Karakteristik MOSFET Karakteristik keluaran merupakan grafik dimana IDS diplot terhadap VDS

untuk beberapa variasi tegangan VGS. Ada tiga daerah dalam karakteristik keluaran MOSFET, yaitu : [15] 1. Untuk VGS VT disebut daerah cut-off.

2. Untuk VDS VGS - VT disebut daerah linier, dipakai pada saat transistor berfungsi sebagai penguat. 3. Untuk VDS VGS - VT disebut daerah saturasi, dipakai pada saat transistor difungsikan sebagai saklar.VG V10

t VGS

V1 VGsp VT0

t td ( o n ) tr t d ( o ff) tf

Gambar 2.9 Bentuk Gelombang Saklar dan Waktu [15]

Gambar 2.9 memperlihatkan bentuk gelombang switching dan pewaktuan dari MOSFET, waktu tunda-nyala atau td(on) adalah waktu yang dibutuhkan untuk mengisi muatan kapasitansi masukan sampai pada level tegangan ambang. Waktu naik atau tr adalah waktu yang dibutuhkan oleh terminal gerbang untuk mengisi muatannya dari level tegangan ambang sampai tegangan penuh gerbang (full gate voltage), VGSP, dimana tegangan ini dibutuhkan untuk mengaktifkan transistor pada daerah linier. Waktu tunda-mati atau td(off) adalah waktu yang dibutuhkan oleh kapasitansi masukan untuk mengosongkan muatan apabila terjadi overdrive atau

pemicuan berlebih pada tegangan gerbang. VGS harus turun nilainya sebalum VDS mulai naik. Waktu jatuh atau tf adalah waktu yang dibutuhkan oleh kapasitansi masukan untuk mengosongkan muatan dari daerah saturasi ke tegangan ambang. Apabila VGS < VT transistor akan menyumbat (off).[15]

2.2.3.2 MOSFET Sebagai Saklar Elektronik MOSFET dapat konduksi apabila diberikan pulsa tegangan pada terminal gate (G)-nya. Rangkaian kontrol pulsa PWM dapat menggerakkan MOSFET sebagai berikut : apabila pulsa PWM menjadi tinggi yang berarti terminal gerbang (G) mendapat pemicuan, maka MOSFET akan menjadi on, sehingga terminal sumber (S) dan terminal cerat (D) akan terlihat seperti terhubung singkat (vin tinggi, MOSFET menghantar, vout rendah). Sebaliknya, apabila pulsa PWM menjadi rendah, maka MOSFET akan menjadi off sehingga terminal sumber (S) dan terminal cerat (D) akan terlihat seperti saklar yang dalam keadaan hubung terbuka (vin rendah, MOSFET terputus, vout sama dengan tegangan catu daya).[10]

2.1.1

Power MOSFET MOSFET merupakan peralatan semikonduktor yang lazim digunakan dalam

rangkaian elektronika daya. MOSFET merupakan pengontrol tegangan yang membutuhkan arus input kecil, dengan kecepatan switching tinggi dan waktu penswitchingan mempunyai orde nanosekon. Mosfet mempunyai dua type : A. MOSFET Tipe Pengosongan (Depletion-Type MOSFET) Gambar 2.4 menunjukkan MOSFET saluran-n, sekeping bahan n penghantar dengan daerah p di sebelah kanan dan gerbang terisolasi di sebelah kiri. Elektron bebas dapat mengalir dari sumber ke penguras melalui bahan n. Daerah p disebut substrat ; secara

fisik daerah ini mengurangi jalur penghantar menjadi saluran yang sempit. Elektron yang mengalir dari sumber ke penguras harus melalui saluran yang sempit ini. Lapisan tipis silikon dioksida (SiO2) ditempelkan pada sisi kiri saluran. Silikon dioksida sama seperti kaca, yang merupakan isolator (penyekat). Pada MOSFET gerbangnya terbuat dari logam. Karena gerbang terpisah dari saluran, maka hanya sedikit sekali arus gerbang yang mengalir, walaupun bila tegangan gerbang berharga positip.IDD r a in (D ) O x id e G a te (G )

n++ -

S u b s tr a t ty p e -p K a na l

M e ta l

ID R + - V IDD

V

n n+

D GDD

M e ta l S o u r c e (S )

GS

R + V GS

D

S

V

DD

+ -

(a) Struktur

(b) Simbol

Gambar 2.4 MOSFET tipe depletion kanal n

B.

MOSFET Tipe Peningkatan (Enhancement type) Dengan mengubah susunan dalam dari MOSFET saluran-n, kita dapat

menghasilkan MOSFET jenis baru yang hanya dapat menghantar pada ragam peningkatan saja. MOSFET tipe ini berlaku seperti switch yang biasanya mati (normally off), artinya pada saat VGS = 0 MOSFET tidak dapat menghantar. Untuk mendapatkan arus penguras (ID), kita harus menerapkan tegangan gerbang positif.

ID D G VGS

n++ S

S u b s tr a t ty p e -p

M e ta l

R

D

D GD D

+ V DS

n

+

+ - V

R + VDD

D

+ V G S

S

-

(a) Struktur

(b) Simbol

Gambar 2.5 MOSFET tipe Enhancement kanal n

2.1.1.1 Karakteristik Tunak MOSFET merupakan perlatan semikonduktor yang pengendalian operasinya dilakukan dengan tegangan pada gerbangnya. Parameter yang sangat penting adalah trankonduktansi. Trankonduktansi merupakan rasio antara arus keluaran (ID) terhadap tegangan masukan (VGS) dan merupakan karakteristik transfer dari MOSFET. Karakteristik transfer untuk MOSFET tipe enhancement ditunjukkan pada gambar 2.6. Gambar 2.7 menunjukkan karakteristik keluaran dari MOFET kanal-n tipe enhancement. Ada tiga daerah operasi :1.

Daerah cut-off ; dimana VGS VT. VT adalah tegangan threshold (tegangan ambang). VT merupakan VGS minimum VGS(am) yang dapat menciptakan lapisan tipis tipe-n. Bila VGS lebih besar dari nilai VGS(am), lapisan tipis tipe-n akan menghubungkan sumber dengan penguras, dan kita akan mendapatkan arus.

2.

Daerah pinch-off (saturasi) ; dimana VDS VGS VT. Pada daerah operasi ini arus drain mencapai hampir konstan untuk setiap pertambahan nilai dari VDS. MOSFET pada daerah operasi ini digunakan sebagai penguat tegangan.

3.

Daerah liniear ; dimana VDS VGS VT. Pada daerah operasi ini, nilai ID berubah terhadap perubahan nilai dari VDS. Selama arus drain tinggi dan tegangan drain rendah, MOSFET yang dioperasikan pada daerah ini berfungsi sebagai switch. ID VT

0

V

G S

V 0

T

V(a) Kanal-n

G S

-ID(b) Kanal-p

Gambar 2.6 Karakteristik transfer MOSFET tipe enhancement

Model keadaan tunak (steady state model) ditunjukkan pada gambar 2.8. ID gm = (2.1) VGS VDS =kons tan Resistansi keluaran ro = RDS didefinisikan sebagai : RDS = VDS .(2.2) ID

Untuk tipe depletion, tegangan gerbang dapat positif maupun negatif. Tetapi untuk tipe enhancement tegangan gerbang hanya tegangan positif.IDd a era h p in c h - o ff d a era h lin ie r

V V V

G S5

G S4

G S3

V

D S

= V G S -V

T

V V 0 VGS

G S2 G S1

=V

VT

D S

Gambar 2.7. Karakteristik keluaran MOSFET tipe enhacement kanal-nID R D R + V G 1 1

G + V r0

+ V RD S D

+ V + VD D

D

R g mv Vgs

D

G + V G S

ID + -

-

G

GS

S

S

DD

(a) Rangkaian sirkuit

(b) Rangkaian ekivalen

Gambar 2.8 Pemodelan keadaan tunak MOSFET

2.1.1.2 Karakteristik Switching Tanpa adanya sinyal gerbang, MOSFET tipe enhancement dapat dianggap sebagai dua dioda yang saling membelakangi, atau sebagai transistor npn.. Struktur gerbang mempunyai kapasitansi parasitis terhadap sumber, Cgs, dan ke penguras, Cgd.G v +gs

D C Cgs gd

C

ds

rds

g mv

gs

S

Gambar 2.9 Pemodelan switching MOSFET

V V

G

1

t V V V 1 GS P VT GS

0

t

t d (o n )

tr

t d (o f f )

tf

Gambar 2.10 Bentuk gelombang switching

Pemodelan switching dari MOSFET ditunjukkan pada gambar 2.9. Tipikal tegangan switching ditunjukkan pada gambar 2.10. Turn-on delay, td(on) merupakan waktu yang dibutuhkan untuk mengisi kapasitansi input ke level tegangan ambang. Rise time, tr, merupakan waktu charging gerbang dari level threshold ke tegangan gerbang penuh, VGSP, yang dibutuhkan untuk memicu MOSFET ke daerah linier. Turn-off delay time, td(off) merupakan waktu yang dibutuhkan oleh kapasitansi input untuk mengeluarkan energi dari level tegangan V1 ke daerah pinch-off. Fall time, tf, merupakan waktu yang dibutuhkan oleh kapasitansi input untuk melepas muatan dari daerah pinch-off ke level tegangan threshold. Jika VGS VT, MOSFET akan turn-off (mati).

V CC V CC TR1

R TR

4

2

ZX D R2

R

3

L F356+

C R TR1 3

1

T .P

V CC R+5

C

T

R

T

V CCQ

V

L M 311 C M O S4538

Gambar 3.8 Rangkaian Pemicu MOSFET

2.4.1

MOSFET Daya Seperti halnya transistor bipolar, FET, adalah komponen tiga terminal yang dapat

menguatkan sinyal. Jika transistor bipolar menggunakan arus ke dalam terminal masukannya (basis) untuk mengontrol arus yang lebih besar pada terminal keluarannya antara terminal emitor dan kolektor, FET menggunakan tegangan pada gate (=basis) untuk mengontrol arus antara teminal source (=emitor) dan drain (=kolektor) [27]. Jika penguatan transistor bipolar dinyatakan sebagai penguatan arus, penguatan FET dinyatakan sebagai transkonduktansi maju, gfs, yaitu perbandingan perubahan arus keluaran (drain) terhadap tegangan masukan (gate). Penguatan gfs, sebenarnya dinyatakan dalam miliampere per volt (mA/V atau mili-mho), namun akhirnya diubah menjadi Siemen, sebagai penghormatan kepada perintisnya [27]. Salah satu perbedaan penting antara FET dan transistor bipolar adalah impedansi masukannya. Dalam transistor, masukan basis dapat disamakan pada dioda yang diberi tegangan maju dengan impedansi hanya ratusan atau ribuan ohm. Dalam FET, impedansi masukan dapat disamakan dengan tegangan terbalik, dioda, yang nilainya puluhan mega ohm lebih. Selanjutnya FET dapat menjadi junction-gate (dengan masukan gerbang menjadi dioda) atau insulated-gate (dengan masukan gerbang sebagai lapisan oksida logam). Singkatan yang

umum ialah J-FET untuk jenis junction-gate (gerbang pertemuan) dan IG-FET untuk jenis insulated-gate (gerbang terisolasi). Secara umum FET jenis insulated gate dinyatakan sebagai MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) [27]. Penggunaan MOSFET dalam aplikasi elektronika daya disebabkan oleh keterbatasan transistor persambungan daya (BJT)[29]. Transistor daya bipolar adalah suatu komponen terkendali arus. Suatu arus pengemudi basis yang besar sekitar 1/5 dari arus kolektor diperlukan untuk menjaga komponen dalam kondisi on. Selain itu juga diperlukan arus pengemudi basis balik yang lebih tinggi untuk memperoleh peralihan off yang cepat (fast turn-off). Walaupun BJT lebih murah, namun keterbatasan tersebut membuat perancangan rangkaian pengemudi basis lebih komplek dan menjadikannya lebih mahal dibandingkan MOSFET daya. Keterbatasan lain dari suatu BJT adalah baik elektron dan hole berperan dalam penghantaran. Adanya hole dengan carrier life time yang lebih lama menyebabkan kecepatan pensaklaran menjadi beberapa tingkat lebih lambat bila dibandingkan dengan sebuah MOSFET dalam ukuran dan jangkah tegangan yang sama.

I

D

metal

I

D

metal

D GVGS

n+Substrat tipe-p

RD

D

+VDS

RD

Soksida

n+

VDD

G

+ S _

VGS

_

VDD

Struktur Dasar

Simbol

Gambar 2.8 MOSFET Peningkatan Kanal-n MOSFET terdiri dari dua tipe, yaitu MOSFET tipe pengosongan (depletion MOSFET) dan MOSFET tipe peningkatan (enhancement MOSFET). Seperti diperlihatkan pada gambar 2.8, suatu MOSFET peningkatan kanal-n tidak mempunyai kanal. Jika VGS positif, suatu tegangan terinduksi akan menggerakkan elektron dari substrat-p dan mengumpulkannya pada permukaan lapisan oksida. Jika VGS lebih besar tegangan treshold, VT, sejumlah elektron yang mengumpul membentuk kanal-n semu dan kemudian arus mengalir dari drain ke source.

D ID ID

D

Cgd G Cgs

Cds G Rbe

Cgd Cds Cgs

S

(a)

(b)

S

Gambar 2.9 Model Parasitik MOSFET Peningkatan (a)Transistor Parasitik, (b)Dioda Internal Tanpa suatu sinyal pada gate, sebuah MOSFET peningkatan kanal-n dapat dipandang sebagai dua dioda yang saling membelakangi atau sebagai transistor npn. Struktur gate mempunyai kapasitor parisitik ke source Cgs dan kapasitor parasitik ke drain, Cgd. Transistor npn mempunyai suatu sambungan yang terbias balik dari drain ke source dan offers sebuah kapasitor, Cds. Gambar 2.9 memperlihatkan rangkaian ekivalen transistor bipolar parasitik dalam sebuah MOSFET. Wilayah basis ke emitter transistor dihubungsingkat pada dasarnya dengan pelogaman terminal source dan resistansi dari basis ke emiter terhadap resistansi bulk Rbe dari wilayah n dan p adalah kecil, sehingga MOSFET dapat dianggap mempunyai dioda internal.

VG V1

0 V1 VGsp VT 0 td(on) tr td(on) tf VGs

t

t

Gambar 2.10 Karakteristik Pensaklaran MOSFET

Bentuk gelombang pensaklaran pada MOSFET diperlihatkan pada gambar 2.10. Waktu tunda peralihan on td(on), adalah waktu yang diperlukan untuk memuati kapasitansi input sampai pada tingkat thershold. Waktu naik tr, adalah waktu pengisian gate dari nilai threshold ke tegangan gate penuh VGSP, yang diperlukan transistor dalam kawasan linier. Waktu tunda peralihan off td(off), adalah waktu yang diperlukan oleh kapasitansi input untuk untuk membuang tegangan gate ke kawasan pinc-off. VGS harus cukup berkurang sebellum VDS mulai naik. Waktu jatuh tf, adalah waktu yang diperlukan agar kapasitansi input terbuang dari kawasan pinch-off ke tegangan threshold. Jika VGS.. ..VT , transistor akan beralih off. 2.4.2 Rangkaian Pelindung MOSFET [15] Pada operasinya , transistor membutuhkan waktu untuk beralih ke on atau off. Saat beralih ke on, arus kolektor naik dengan persamaan berikut: di I L I GS = = dt t r tr drain, dengan persamaan dv Vs V DD = = dt t f tf (2.22) (2.21)

Saat beralih ke off tegangan antara drain dan source naik seiring dengan jatuhnya arus

VB V1 0 IL i t

+

LS

i Dm if

R

IL

VS Q1 _ + VB _ (a) RS CS DS

0 if IL tr 0 (b) tf

t

t

Gambar 2.11 (a) Rangkaian Snubber MOSFET (b) Bentuk GelombangKondisi pada persamaan 2.21 dan 2.22 ini ditetapkan oleh karakteristik pensaklaran transistor dan harus terpenuhi selama peralihan on dan off. Untuk menjaga operasi di/dt dan dv/dt berada di dalam batas kemampuan transistor, diperlukan suatu rangkaian pelindung. Rangkaian pelindung diperlihatkan seperti pada gambar 2.11(a), dengan bentuk gelombang operasi kerja diperlihatkan pada gambar 2.11(b). Jaringan RC yang melintas transistor dikenal sebagai rangkaian snubber yang berfungsi membatasi dv/dt. Induktor Ls yang dipasang secara seri dikenal sebagai snubber seri yang berfungsi untuk membatasi di/dt.

Dengan anggapan pada kondisi tunak arus beban IL mengalir melintasi Dm, dengan waktu recovery yang dapat diabaikan. Saat Q1 beralih on, arus drain naik dan arus dioda Dm jatuh. Perubahan di/dt dinyatakan dengan persamaan berikut: di VS = dt LS V t LS = S r I1 kapasitor yang dinyatakan sebagi berikut: I dV = L dt C S (2.25) (2.23)

Persamaan 2.21 hingga 2.23 memberikan nilai induktor seri dengan persamaan berikut:

(2.24)

Selama kondisi off, kapasitor CS termuati oleh arus beban dengan peralihan tegangan

Persamaan (2.22) sampai (2.25) memberikan nilai kapasitor snubber yang diperlukan sebesar: CS = IL t f VS (2.26)

Dalam pemilihan RS digunakan pertimbangan waktu pengosongan RS CS (S). Besar

S dipilih sesuai kebutuhan dengan memperhatikan periode pensaklaran. Untuk S = 1/ndari periode pensaklaran TS, maka Resistor RS yang diperlukan RS C S = RS = 1 S n 1 n f S CS (2.27)