Transistor efek–medan

Sejarah

Transistor efek–medan diciptakan oleh Julius Edgar Lilienfeld pada tahun 1925 dan oleh Oskar Heil pada tahun 1934, tetapi peranti praktis tidak dibuat secara massal hingga tahun 1990-an.

Saluran

Semua FET mempunyai sebuah saluran gerbang (gate), cerat (drain) dan sumber (source) yang kira-kira sama dengan basis, kolektor dan emitor pada BJT. Selain JFET, semua FET juga mempunyai saluran keempat yang dinamakan badan, dasar atau substrat. Saluran keempat ini melayani kegunaan teknis dalam pemanjaran transistor kedalam titik operasi. Terminal ini sangat jarang digunakan pada desain sirkuit, tetapi keberadaannya penting saat merancang penataan sirkuit terpadu.
Nama-nama saluran pada FET mengacu pada fungsinya. Saluran gerbang dapat dianggap sebagai pengontrol buka-tutup dari gerbang sesungguhnya. Gerbang ini mengizinkan elektron untuk mengalir atau mencegahnya dengan membuat dan mengikangkan sebuah kanal di antara sumber dan cerat. Elektron mengalir dari sumber menuju ke saluran cerat jika ada tegangan yang diberikan. Badan merupakan seluruh semikonduktor dasar dimana gerbang, sumber dan cerat diletakkan. Biasanya saluran badan disambungkan ke tegangan tertinggi atau terendah pada sirkuit, tergantung pada tipenya. Saluran badan dan saluran sumber biasanya disambungkan karena sumber biasanya disambungkan ke tegangan tertinggi atau terendah dari sirkuit, tetapi ada beberapa penggunaan dari FET yang tidak seperti demikian, seperti sirkuit gerbang transmisi dan kaskoda.

Komposisi

FET dapat dibuat dari beberapa semikonduktor, silikon menjadi yang paling umum. FET pada umumnya dibuat dengan proses pembuatan semikonduktor borongan, menggunakan lapik semikonduktor kristal tunggal sebagai daerah aktif, atau kanal. Di antara bahan badan yang tidak lazim adalah amorphous silicon, polycrystalline silicon dan OFET yang dibuat dari semikonduktor organik dan sering menggunakan isolator gerbang dan elektrode organik.

Cara kerja FET

FET mengendalikan aliran elektron (atau lubang elektron pada FET kanal-p) dari sumber ke cerat dengan mengubah besar dan bentuk dari sebuah kanal konduktif yang dibentuk oleh adanya tegangan (atau kurangnya tegangan pada FET kanal-p) yang dikenakan menyeberangi saluran gerbang dan sumber (untuk mempermudah penjabaran, diasumsikan bahwa badan dan sumber disambungkan). Kanal konduktif ini adalah jalur dimana elektron (atau lubang) mengalir dari sumber ke cerat. Dengan menganggap sebuah peranti salur-n moda pemiskinan. Sebuah tegangan negatif gerbang-ke-sumber menyebabkan daerah pemiskinan untuk bertambah lebar dan menghalangi kanal dari kedua sisi, mempersempit kanal konduktif. Jika daerah pemiskinan menutup kanal sepenuhnya, resistansi kanal dari sumber ke cerat menjadi besar, dan FET dimatikan seperti sakelar yang terbuka. Sebaliknya, sebuah tegangan positif gerbang-ke-sumber menambah lebar kanal dan memungkinkan elektron mengalir dengan mudah. Sekarang menganggap sebuah peranti salur-n moda pengayaan. Sebuah tegangan positif gerbang-ke-sumber dibutuhkan untuk membuat kanal konduktif karena ini tidak terdapat secara alami di dalam transistor. Tegangan positif menarik elektron bebas pada badan menuju ke gerbang, membuat sebuah kanal konduktif. Tetapi elektron yang cukup harus ditarik dekat ke gerbang untuk melawan ion doping yang ditambahkan ke badan FET, ini membentuk sebuah daerah yang bebas dari pembawa bergerak yang dinamakan daerah pemiskinan, dan fenomena ini disebut sebagai tegangan tahan dari FET. Peningkatan tegangan gerbang-ke-sumber yang lebih lanjut akan menarik lebih banyak lagi elektron menuju ke garbang yang memungkinkannya untuk membuat sebuah kanal konduktif dari sumber ke cerat, proses ini disebut pembalikan. Baik pada peranti moda pengayaan ataupun pemiskinan, jika tegangan cerat-ke-sumber jauh lebih rendah dari tegangan gerbang-ke-sumber, mengubah tegangan gerbang akan mengubah resistansi kanal, dan arus cerat akan sebanding dengan tegangan cerat terhadap sumber. Pada moda ini, FET berlaku seperti sebuah resistor variabel dan FET dikatakan beroperasi pada moda linier atau moda ohmik Jika tegangan cerat-ke-sumber meningkat, ini membuat perubahan bentuk kanal yang signifikan dan taksimetrik dikarenakan gradien tegangan dari sumber ke cerat. Bentuk dari daerah pembalikan menjadi kurus dekat ujung cerat dari kanal. Jika tegangan cerat-ke-sumber ditingkatkan lebih lanjut, titik kurus dari kanal mulai bergerak dari cerat menuju ke sumber. Pada keadaan ini, FET dikatakan dalam moda penjenuhan, beberapa orang menyebutnya sebagai moda aktif, untuk menganalogikan dengan daerah operasi transistor dwikutub. Moda penjenuhan, atau daerah antara linier dan penjenuhan digunakan jika diinginkan adanya penguatan. Daerah antara tersebut seringkali dianggap sebagai bagian dari daerah linier, bahkan walaupun arus cerat tidak linier dengan tegangan cerat. Bahkan jika kanal konduktif yang dibentuk oleh tegangan gerbang-ke-sumber tidak lagi menghubungkan sumber ke cerat saat moda penjenuhan, Pembawa muatan tidak dihalangi untuk mengalir. Dengan menganggap peranti salur-n, sebuah daerah pemiskinan terdapat pada badan tipe-p, mengelilingi kanal konduktif, daerah cerat dan daerah sumber. Elektron yang mencakupi kanal bebas untuk bergerak keluar dari kanal melalui daerah pemiskinan jika ditarik ke cerat oleh tegangan cerat-ke-sumber. Daerah pemiskinan ini bebas dari pembawa dan memiliki resistansi seperti silikon. Penambahan apapun pada tegangan cerat-ke-sumber akan menambah jarak dari cerat ke titik kurus, menambah resistansi dikarenakan daerah pemiskinan sebanding dengan tegangan tegangan cerat-ke-sumber. Perubahan yang sebanding ini menyebabkan arus cerat-ke-sumber untuk tetap relatif tetap tak terpengaruh oleh perubahan tegangan cerat-ke-sumber dan benar-benar berbeda dari operasi moda linier. Dengan demikian, pada moda penjenuhan, FET lebih berlaku seperti sebuah sumber arus konstan daripada sebagai sebuah resistor variabel dan dapat digunakan secara efektif sebagai penguat tegangan. Pada situasi ini, tegangan gerbang-ke-sumber menentukan besarnya arus konstan yang melewati kanal.

Penggunaan

FET yang paling sering digunakan adalah MOSFET. Teknologi proses CMOS (complementary-symmetry metal oxide semiconductor) adalah dasar dari sirkuit terpadu digital modern. Lapisan isolasi tipis antara gerbang dan kanal membuat FET rawan terhadap kerusakan akibat pengosongan elektrostatik selama penanganan. Biasanya ini bukanlah sebuah masalah setelah peranti terpasang. Pada FET, elektron dapat mengalir pada kedua arah melalui kanal ketika dioperasikan pada moda linier, dan konvensi penamaan antara saluran sumber dan saluran cerat agak merupakan keputusan sendiri, karena peranti FET biasanya (tetapi tidak selalu) dibuat simetris dari sumber ke cerat. Ini membuat FET cocok untuk mensakelarkan isyarat analog di antara kedua arah (pemultipleks).