MOSFET

Dari Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebas
(Dialihkan dari Transistor efek medan)
Langsung ke: navigasi, cari
MOSFET
D2PAK.JPG MOSFET daya dalam kemasan D2PAK
Simbol

IGFET P-Ch Enh Labelled.svg Pengayaan kanal-PIGFET P-Ch Dep Labelled.svg Pemiskinan kanal-P

IGFET N-Ch Enh Labelled.svg Pengayaan kanal-NIGFET N-Ch Dep Labelled.svg Pemiskinan kanal-N
Tipe Komponen aktif
Kategori Transistor FET
Penemu Julius Edgar Lilienfeld ( 1925 )
Komponen sejenis JFET, MESFET, ISFET
Kemasan 3 kaki (sumber, cerat, gerbang)

Transistor efek-medan semikonduktor logam-oksida (MOSFET) adalah salah satu jenis transistor efek medan. Prinsip dasar perangkat ini pertama kali diusulkan oleh Julius Edgar Lilienfeld pada tahun 1925 . MOSFET mencakup kanal dari bahan semikonduktor tipe-N dan tipe-P, dan disebut NMOSFET atau PMOSFET (juga biasa nMOS, pMOS). Ini adalah transistor yang paling umum pada sirkuit digital maupun analog, namun transistor sambungan dwikutub pada satu waktu lebih umum.

Etimologi[sunting | sunting sumber]

Kata 'logam' pada nama yang sekarang digunakan sebenarnya merupakan nama yang salah karena bahan gerbang yang dahulunya lapisan logam-oksida sekarang telah sering digantikan dengan lapisan polisilikon (polikristalin silikon). Sebelumnya aluminium digunakan sebagai bahan gerbang sampai pada tahun 1980 -an ketika polisilikon mulai dominan dengan kemampuannya untuk membentuk gerbang menyesuai-sendiri. Walaupun demikian, gerbang logam sekarang digunakan kembali karena sulit untuk meningkatkan kecepatan operasi transistor tanpa pintu logam.


IGFET adalah peranti terkait, istilah lebih umum yang berarti transistor efek-medan gerbang-terisolasi, dan hampir identik dengan MOSFET, meskipun dapat merujuk ke semua FET dengan isolator gerbang yang bukan oksida. Beberapa menggunakan IGFET ketika merujuk pada perangkat dengan gerbang polisilikon, tetapi kebanyakan masih menyebutnya MOSFET.

Komposisi[sunting | sunting sumber]

Fotomikrograf dua gerbang logam MOSFET dalam ujicoba.

Biasanya bahan semikonduktor pilihan adalah silikon, namun beberapa produsen IC, terutama IBM, mulai menggunakan campuran silikon dan germanium (SiGe) sebagai kanal MOSFET. Sayangnya, banyak semikonduktor dengan karakteristik listrik yang lebih baik daripada silikon, seperti galium arsenid (GaAs), tidak membentuk antarmuka semikonduktor-ke-isolator yang baik sehingga tidak cocok untuk MOSFET. Hingga kini terus diadakan penelitian untuk membuat isolator yang dapat diterima dengan baik untuk bahan semikonduktor lainnya.


Untuk mengatasi peningkatan konsumsi daya akibat kebocoran arus gerbang, dielektrik κ tinggi menggantikan silikon dioksida sebagai isolator gerbang, dan gerbang logam kembali digunakan untuk menggantikan polisilikon[1].


Gerbang dipisahkan dari kanal oleh lapisan tipis isolator yang secara tradisional adalah silicon dioksida, tetapi yang lebih maju menggunakan teknologi silicon oxynitride. Beberapa perusahaan telah mulai memperkenalkan kombinasi dielektrik κ tinggi + gerbang logam di teknologi 45 nanometer.


Simbol sirkuit[sunting | sunting sumber]

Berbagai simbol digunakan untuk MOSFET. Desain dasar umumnya garis untuk saluran dengan kaki sumber dan cerat meninggalkannya di setiap ujung dan membelok kembali sejajar dengan kanal. Garis lain diambil sejajar dari kanal untuk gerbang. Kadang-kadang tiga segmen garis digunakan untuk kanal peranti moda pengayaan dan garis lurus untuk moda pemiskinan.

Sambungan badan jika ditampilkan digambar tersambung ke bagian tengan kanal dengan panah yang menunjukkan PMOS atau NMOS. Panah selalu menunjuk dari P ke N, sehingga NMOS (kanal-N dalam sumur-P atau substrat-P) memiliki panah yang menunjuk kedalam (dari badan ke kanal). Jika badan terhubung ke sumber (seperti yang umumnya dilakukan) kadang-kadang saluran badan dibelokkan untuk bertemu dengan sumber dan meninggalkan transistor. Jika badan tidak ditampilkan (seperti yang sering terjadi pada desain IC desain karena umumnya badan bersama) simbol inversi kadang-kadang digunakan untuk menunjukkan PMOS, sebuah panah pada sumber dapat digunakan dengan cara yang sama seperti transistor dwikutub (keluar untuk NMOS, masuk untuk PMOS).


JFET P-Channel Labelled.svg IGFET P-Ch Enh Labelled.svg IGFET P-Ch Enh Labelled simplified.svg IGFET P-Ch Dep Labelled.svg Kanal-P


JFET N-Channel Labelled.svg IGFET N-Ch Enh Labelled.svg IGFET N-Ch Enh Labelled simplified.svg IGFET N-Ch Dep Labelled.svg Kanal-N


JFET MOSFET pengayaan MOSFET pemiskinan



Untuk simbol yang memperlihatkan saluran badan, di sini dihubungkan internal ke sumber. Ini adalah konfigurasi umum, namun tidak berarti hanya satu-satunya konfigurasi. Pada dasarnya, MOSFET adalah peranti empat saluran, dan di sirkuit terpadu banyak MOSFET yang berbagi sambungan badan, tidak harus terhubung dengan saluran sumber semua transistor.


Operasi MOSFET[sunting | sunting sumber]

Untuk informasi lebih lanjut, lihat referensi berikut[2].

Struktur Semikonduktor–Logam–Oksida[sunting | sunting sumber]

Struktur Semikonduktor–Logam–Oksida pada silikon tipe-P

Struktur semikonduktor–logam–oksida sederhana diperoleh dengan menumbuhkan selapis oksida silikon di atas substrat silikon dan mengendapkan selapis logam atau silikon polikristalin. Karena oksida silikon merupakan bahan dielektrik, struktur MOS serupa dengan kondensator planar dengan salah satu elektrodenya digantikan dengan semikonduktor.

Ketika tegangan diterapkan membentangi struktur MOS, tegangan ini mengubah penyebaran muatan dalam semikonduktor. Umpamakan sebuah semikonduktor tipe-p (dengan NA merupakan kepadatan akseptor, p kepadatan lubang; p = NA pada badan netral), sebuah tegangan positif V_{GB} dari gerbang ke badan membuat lapisan pemiskinan dengan memaksa lubang bermuatan positif untuk menjauhi antarmuka gerbang-isolator/semikonduktor, meninggalkan daerah bebas pembawa. Jika V_{GB} cukup tinggi, kepadatan tinggi pembawa muatan negatif membentuk lapisan inversi dibawah antarmuka antara semikonduktor dan isolator. Umumnya, tegangan gerbang dimana kepadatan elektron pada lapisan inversi sama dengan kepadatan lubang pada badan disebut tegangan ambang.

Struktur badan tipe-p ini adalah konsep dasar dari MOSFET tipe-n, yang mana membutuhkan penambahan daerah sumber dan cerat tipe-n.

Struktur MOSFET dan formasi kanal[sunting | sunting sumber]

Irisan NMOS tanpa kanal yang terbentuk (keadaan mati)
Irisan NMOS dengan kanal yang terbentuk (keadaan hidup)

Sebuah transistor efek-medan semikonduktor–logam–oksida (MOSFET) adalah berdasarkan pada modulasi konsentrasi muatan oleh kapasitansi MOS di antara elektrode badan dan elektrode gerbang yang terletak di atas badan dan diisolasikan dari semua daerah peranti dengan sebuah lapisan dielektrik gerbang yang dalam MOSFET adalah sebuah oksida, seperti silikon dioksida. Jika dielektriknya bukan merupakan oksida, peranti mungkin disebut sebagai FET semikonduktor–logam–terisolasi (MISFET) atau FET gerbang–terisolasi (IGFET). MOSFET menyertakan dua saluran tambahan yaitu sumber dan cerat yang disambungkan ke daerah dikotori berat tersendiri yang dipisahkan dari daerah badan. Daerah tersebut dapat berupa tipe-p ataupun tipe-n, tetapi keduanya harus dari tipe yang sama, dan berlawanan tipe dengan daerah badan. Daerah sumber dan cerat yang dikotori berat biasanya ditandai dengan '+' setelah tipe pengotor. Sedangkan daerah yang dikotori ringan tidak diberikan tanda.

Jika MOSFET adalah berupa salur-n atau NMOS FET, lalu sumber dan cerat adalah daerah 'n+' dan badan adalah daerah 'p'. Maka seperti yang dijelaskan di atas, dengan tegangan gerbang yang cukup, di atas harga tegangan ambang, elektron dari sumber memasuki lapisan inversi atau salur-n pada antarmuka antara daerah-p dengan oksida. Kanal yang menghantar ini merentang di antara sumber dan cerat, dan arus dialirkan melalui kanal ini jika ada tegangan yang dikenakan di antara sumber dan cerat.

Jika tegangan gerbang dibawah harga ambang, kanal kurang terpopulasi dan hanya sedikit arus bocoran praambang yang dapat mengalir dari sumber ke cerat.

Moda operasi[sunting | sunting sumber]

Operasi dari MOSFET dapat dibedakan menjadi tiga moda yang berbeda, bergantung pada tegangan yang dikenakan pada saluran. Untuk mempermudah, perhitungan dibawah merupakan perhitungan yang telah disederhanakan[3][4].

Untuk sebuah MOSFET salur-n moda pengayaan, ketiga moda operasi adalah:

Moda Inversi Lemah[sunting | sunting sumber]

Disebut juga moda Titik-Potong atau Pra-Ambang, yaitu ketika VGS < Vth

dimata V_th adalah tegangan ambang peranti.
Berdasarkan model ambang dasar, transistor dimatikan dan tidak ada penghantar antara sumber dan cerat. Namun pada kenyataannya, distribusi Boltzmann dari energi elektron memungkinkan beberapa elektron berenergi tinggi pada sumber untuk memasuki kanal dan mengalir ke cerat, menghasilan arus praambang yang merupakan fungsi eksponensial terhadan tegangan gerbang–sumber. Walaupun arus antara cerat dan sumber harusnya nol ketika transistor minatikan, sebenarnya ada arus inversi-lemah yang sering disebut sebagai bocoran praambang.
Pada inversi-lemah, arus berubah eksponensial terhadap panjar gerbang-ke-sumber VGS[5][6]
I_D \approx I_{D0}e^{\frac{V_{GS}-V_{th}}{nV_T}},
dimana ID0 = arus pada V_{GS}=V_{th} dan faktor landaian n didapat dari
n=1+C_D/C_{OX},
dengan C_D = kapasitansi dari lapisan pemiskinan dan C_{OX} = kapasitansi dari lapisan oksida.
Beberapa sirkuit daya-mikro didesain untuk mengambil keuntungan dari bocoran praambang.[7][8][9] Dengan menggunakan daerah inversi-lemah, MOSFET pada sirkuit tersebut memberikan perbandingan transkonduktansi terhadap arus yang tertinggi (g_m/I_D=1/(nV_T)), hampir seperti transistor dwikutub. Sayangnya lebar-jalur rendah dikarenakan arus penggerak yang rendah.[10][11]
arus cerat MOSFET vs. Tegangan cerat-ke-sumber untuk beberapa harga V_{GS}-V_{th}, perbatasan antara moda linier (Ohmik) dan penjenuhan (aktif) diperlihatkan sebagai lengkung parabola di atas
Irisan MOSFET dalam noda linier (ohmik), daerah inversi kuat terlihat bahkan didekat cerat
Irisan MOSFET dalam moda penjenuhan (aktif), terdapat takik didekat cerat

Moda trioda[sunting | sunting sumber]

Disebut juga sebagai daerah linear (atau daerah Ohmik[12][13]) yaitu ketika VGS > Vth dan VDS < ( VGS - Vth ).

Transistor dihidupkan dan sebuah kanal dibentuk yang memungkinkan arus untuk mengalir di antara sumber dan cerat. MOSFET beroperasi seperti sebuah resistor, dikendalikan oleh tegangan gerbang relatif terhadap baik tegangan sumber dan cerat. Arus dari cerat ke sumber ditentukan oleh:
I_D= \mu_n C_{ox}\frac{W}{L} \left( (V_{GS}-V_{th})V_{DS}-\frac{V_{DS}^2}{2} \right)
dimana \mu_n adalah pergerakan efektif pembawa muatan, W adalah lebar gerbana, L adalah panjang gerbang dan C_{ox} adalah kapasitansi oksida gerbang tiap unit luas. Transisi dari daerah eksponensial praambang ke daerah trioda tidak setajam seperti yang diperlihatkan perhitungan.

Moda penjenuhan[sunting | sunting sumber]

Juga disebut dengan Moda Aktif[14][15]

Ketika VGS > Vth dan VDS > ( VGS - Vth )
Transistor dihidupkan dan kanal dibentuk, memungkinkan arus untuk mengalir di antara sumber dan cerat. Karena tegangan cerat lebih tinggi dari tegangan gerbang, elektron menyebar dan penghantaran tidak melalui kanal sempit tetapi melalui kanal yang jauh lebih lebar. Awal dari daerah kanal disebut penyempitan untuk menunjukkan kurangnya daerah kanal didekat cerat. Arus cerat sekarang hanya sedikit bergantung pada tegangan cerat dan dikendalikan terutama oleh tegangan gerbang–sumber.
I_D = \frac{\mu_n C_{ox}}{2}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{th})^2 \left(1+\lambda V_{DS}\right).
Faktor tambahan menyertakan λ, yaitu parameter modulasi panjang kanal, membuat tegangan cerat mandiri terhadap arus, dikarenakan oleh adanya efek Early.
g_m=\frac{2I_D}{V_{GS}-V_{th}}=\frac{2I_D}{V_{ov}},
dimana kombinasi Vov = VGS - Vth dinamakan tegangan overdrive.[16] Parameter penting desain MOSFET adalah resistansi keluaran r_O:
r_O=\frac{1+\lambda V_{DS}}{\lambda I_D}=\frac {1/\lambda +V_{DS}} {I_D}.

Tipe MOSFET lainnya[sunting | sunting sumber]

MOSFET gerbang ganda[sunting | sunting sumber]

MOSFET gerbang ganda mempunyai konfigurasi tetroda, dimana semua gerbang mengendalikan arus dalam peranti. Ini biasanya digunakan untuk peranti isyarat kecil pada penggunaan frekuensi radio dimana gerbang kedua gerang keduanya digunakan sebagai pengendali penguatan atau pencampuran dan pengubahan frekuensi.

FinFET[sunting | sunting sumber]

Peranti FinFET gerbang ganda.

FinFET adalah sebuah peranti gerbang ganda yang diperkenalkan untuk memprakirakan flek kanal pendek dan mengurangi perendahan sawar diinduksikan-cerat.

MOSFET moda pemiskinan[sunting | sunting sumber]

Peranti MOSFET moda pemiskinan adalah MOSFET yang dikotori sedemikian rupa sehingga sebuah kanal terbentuk walaupun tidak ada tegangan dari gerbang ke sumber. Untuk mengendalikan kanal, tegangan negatif dikenakan pada gerbang untuk peranti salur-n sehingga "memiskinkan" kanal, yang mana mengurangi arus yang mengalir melalui kanal. Pada dasarnya, peranti ini ekivalen dengan sakelar normal-hidup, sedangkan MOSFET moda pengayaan ekivalen dengan sakelar normal-mati.[17]

Karena peranti ini kurang berdesah pada daerah RF dan penguatan yang lebih baik, peranti ini sering digunakan pada peralatan elektronik RF.

Logika NMOS[sunting | sunting sumber]

MOSFET salur-n lebih kecil daripada MOSFET salur-p untuk performa yang sama, dan membuat hanya satu tipe MOSFET pada kepingan silikon lebih murah dan lebih sederhana secara teknis. Ini adalah prinsip dasar dalam desain logika NMOS yang hanya menggunakan MOSFET salur-n. Walaupun begitu, tidak seperti logika CMOS, logika NMOS menggunakan daya bahkan ketika tidak ada pensakelaran. Dengan peningkatan teknologi, logika CMOS menggantikan logika NMOS pada tahun 1980-an.

MOSFET daya[sunting | sunting sumber]

Irisan sebuah MOSFET daya dengan sel persegi. Sebuah transistor biasanya terdiri dari beberapa ribu sel.

MOSFET daya memiliki struktur yang berbeda dengan MOSFET biasa.[18] Seperti peranti semikonduktor daya lainnya, strukturnya adalah vertikal, bukannya planar. Menggunakan struktur vertikal memungkinkan transistor untuk bertahan dari tegangan tahan dan arus yang tinggi. Rating tegangan dari transistor adalah fungsi dari pengotoran dan ketebalan dari lapisan epitaksial-n, sedangkan rating arus adalah fungsi dari lebar kanal. Pada struktur planar, rating arus dan tegangan tembus ditentukan oleh fungsi dari dimensi kanal, menghasilkan penggunaan yang tidak efisien untuk daya tinggi. Dengan struktur vertikal, besarnya komponen hampir sebanding dengan rating arus dan ketebalan komponen sebanding dengan rating tegangan.

MOSFET daya dengan struktur lateral banyak digunakan pada penguat audio hi-fi. Kelebihannya adalah karakteristik yang lebih baik pada daerah penjenuhan daripada MOSFET vertikal. MOSFET vertikal didesain untuk penggunaan pensakelaran.

DMOS[sunting | sunting sumber]

DMOS atau semikonduktor–logam–oksida terdifusi–ganda adalah teknologi penyempurnaan dari MOSFET vertikal. Hampir semua MOSFET daya dikonstruksi dengan teknologi ini.

Referensi[sunting | sunting sumber]

  1. ^ "Intel 45nm Hi-k Technology". 
  2. ^ Yannis Tsividis (1999). Operation and Modeling of the MOS Transistor (ed. Edisi kedua). New York: McGraw-Hill. ISBN 0-07-065523-5. 
  3. ^ William Liu (2001). MOSFET Models for SPICE Simulation. New York: Wiley-Interscience. ISBN 0-471-39697-4. 
  4. ^ http://www.designers-guide.org/links.html
  5. ^ P R Gray, P J Hurst, S H Lewis, and R G Meyer (2001). Analysis and Design of Analog Integrated Circuits (ed. Edisi Keempat). New York: Wiley. hlm. 66-67. ISBN 0-471-32168-0. 
  6. ^ P. R. van der Meer, A. van Staveren, A. H. M. van Roermund (2004). Low-Power Deep Sub-Micron CMOS Logic: Subthreshold Current Reduction. Dordrecht: Springer. hlm. 78. ISBN 1402028482. 
  7. ^ Leslie S. Smith, Alister Hamilton (1998). Neuromorphic Systems: Engineering Silicon from Neurobiology. World Scientific. hlm. 52-56. ISBN 9810233779. 
  8. ^ Satish Kumar (2004). Neural Networks: A Classroom Approach. Tata McGraw-Hill. hlm. 688. ISBN 0070482926. 
  9. ^ Manfred Glesner, Peter Zipf, Michel Renovell (2002). Field-programmable Logic and Applications: 12th International Conference. Dordrecht: Springer. hlm. 425. ISBN 3540441085. 
  10. ^ Sandeep K. Shukla, R. Iris Bahar (2004). Nano, Quantum and Molecular Computing. Springer. hlm. 10 and Fig. 1.4, p. 11. ISBN 1402080670. 
  11. ^ Ashish Srivastava, Dennis Sylvester, David Blaauw (2005). Statistical Analysis and Optimization For VLSI: Timing and Power. Springer. hlm. 135. ISBN 0387257381. 
  12. ^ C Galup-Montoro & Schneider MC (2007). MOSFET modeling for circuit analysis and design. London/Singapore: World Scientific. hlm. 83. ISBN 981-256-810-7. 
  13. ^ Norbert R Malik (1995). Electronic circuits: analysis, simulation, and design. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall. hlm. 315–316. ISBN 0-02-374910-5. 
  14. ^ PR Gray, PJ Hurst, SH Lewis & RG Meyer. §1.5.2 p. 45. ISBN 0-471-32168-0. 
  15. ^ A. S. Sedra and K.C. Smith (2004). Microelectronic circuits (ed. Fifth Edition). New York: Oxford. hlm. 552. ISBN 0-19-514251-9. 
  16. ^ A. S. Sedra and K.C. Smith. p. 250, Eq. 4.14. ISBN 0-19-514251-9. 
  17. ^ [1]
  18. ^ Power Semiconductor Devices, B. Jayant Baliga, PWS publishing Company, Boston. ISBN 0-534-94098-6

Pranala luar[sunting | sunting sumber]