Karakteristik Transistor Efek Medan (Junction Field Effect Transistor (JFET))

Karakteristik Transistor Efek Medan (Junction Field Effect Transistor (JFET))
Transistor efek medan (Field Efect Transistor/FET) merupakan divais terkendali tegangan, yang berarti karakteristik keluaran dikendalikan oleh tegangan masukan. Ada dua jenis FET yaitu JFET (junction Field Efect Transistor) dan MOSFET (metal-oxide semiconductor FET). Operasi penguat FET menyerupai penguat BJT. Perbedaan antara keduanya adalah BJT merupakan komponen terkendali arus, sedangkan FET merupakan komponen terkendali tegangan. Selain itu impedansi masukan penguat FET jauh lebih tinggi dibandingkan penguat BJT. Seperti halnya BJT, JFET juga memiliki 3 (tiga) kaki yang masing-masing disebut : Source (S), Gate (G), Drain (D). ada dua jenis JFET yang umum digunakan berdasarkan saluran (channel), yaitu channel – N dan channel – P dengan simbol seperti pada gambar berikut:


Gambar 1. Simbol JFET, a) Channel -N, b) Channel -P

Gambar 2. menunjukkan operasi dasar JFET saluran – n.


Transistor Efek Medan

Gambar 2. Operasi JFET saluran - N secara simbolis; a) VGS dalam rentang 0 V sampai VP, b) VGS = 0, c) VGS > 0


Operasi simbolis yang ditunjukkan pada Gambar 2.2 dapat dijelaskan lebih baik dengan memplot grafik arus drain (ID) yang sebenarnya pada nilai tegangan drain – source (VDS) yang berbeda untuk suatu rentang nilai tegangan gate – source. Plot ini disebut sebagai karakteristik drain yang menyatakan hubungan antara arus drain (ID) sebagai fungsi dari tegangan drain – source (VDS).

Gambar 3. menunjukkan kurva karakteristik drain – source JFET saluran – n yang umum. Untuk VGS = 0, arus drain meningkat sebagaimana peningkatan VDS sampai suatu titik di mana tingkat arus berhenti atau mencapai saturasi.
Transistor Efek Medan

Gambar 3. Karakteristik Drain - Source lengkap dengan VGS bervarasi

Karakteristik drain–source merupakan suatu kurva untuk nilai VGS yang bervariasi dari 0 V sampai maksimum (dalam arah minus atau balik) dan tegangan VGS maksimum ini selanjutnya disebut sebagai tegangan penjepitan, VP, di mana tidak ada lagi arus drain (ID = 0). (Boylestad, R, 1989)

Karakteristik Transfer (Transfer – Characteristic)

Bentuk lain dari karakteristik komponen ini adalah karakteristik transfer yang merupakan kurva arus drain, ID sebagai fungsi dari tegangan gate – source, VGS, untuk suatu nilai konstan tegangan drain – source, VDS. Karakteristik transfer dapat diamati secara langsung pada sebuah perangkat perunut kurva (curve Tracer), ditentukan secara langsung dengan pengukuran operasi perangkat, atau penggambaran dari karakteristik drain seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4 berikut.
Karakteristik Transistor Efek Medan


Gambar 4. Kurva Karakteristik Transfer

Ada dua titik penting dari kurva transfer yang menunjukkan nilai IDSS dan VP. Ketika titik-titik ini bernilai tetap, nilai ID tertentu dari kurva dapat ditentukan, atau berdasarkan pertimbangan teoritis dari proses fisis yang terjadi dalam JFET, yang menghasilkan hubungan:
.                (1)

yang lebih dikenal sebagai Persamaan Shockley, merepresentasikan kurva karakteristik transfer dari Gambar 2.4. Catatan bahwa ketika VGS = 0, ID = IDSS dan bahwa ketika ID = 0, VGS = Vp sebagaimana yang terlihat pada kurva karakteristiknya. (Malvino, 2003).

Transkonduktansi (gm)

Persamaan (1) menyatakan bahwa tegangan dc pada gate–source (VGS) mengontrol tingkat arus dc pada drain (ID). Perubahan kedua variabel ini dihubungkan oleh sebuah besaran penting yang disebut sebagai transkonduktansi (gm) yang dapat dituliskan sebagai berikut.
atau
             (2)
Awalan trans pada kata transkonduktansi menyatakan hubungan antara kuantitas output dan input. Kata konduktansi dipilih sedemikian rupa karena gm ditentukan oleh rasio arus terhadap tegangan yang serupa dengan rasio yang digunakan untuk menentukan konduktansi sebuah resistor, G = 1/R = I/V.

Merujuk pada Pers. [2], terlihat bahwa gm merupakan kemiringan kurva karakteristik transfer pada titik operasi yang dapat dinyatakan dalam bentuk :

              (3)

Sebagaimana ditunjukkan oleh kurva karakteristik transfer berikut.
Gambar 5. Penetuan Trankonduktansi dari Kurva

dengan titik – Q umumnya diambil pada titik tengah kurva. Sebagai pemahaman dasar, beberapa parameter penting yang umum disertakan adalah:

  1. IDSS, arus saturasi drain – source,
  2. VP = VGS(off), tegangan jepit (pinch – off),
  3. BVGSS, tegangan breakdown dengan drain – source terhubung singkat,
  4. gm = gfs, transkonduktansi perangkat, dan
  5. rds(on), resistansi drain – source ketika perangkat dalam keadaan on/aktif. (Haris dkk, 2008)

Sejumlah parameter lain berhubungan dengan kapasitansi, derau tegangan, waktu aktif/on dan mati/off, dan pemeliharaan daya biasanya disediakan dalam lembar spesifikasi pabrik.


Gambar 6. FET Kanal N dengan VGS = 0 dan VDS > 0

Dengan adanya VDS JFET Kanal N bernilai positip, maka elektron dari S akan mengalir menuju D melewati kanal N, karena kanal-N tersedia banyak pembawa muatan mayoritas berupa elektron. Dengan kata lain arus listrik pada drain (ID) mengalir dari sumber VDS dan arus pada source (IS) menuju sumber. Aliran elektron JFET Kanal N ini melewati celah yang disebabkan oleh daerah pengosongan sebelah kiri dan kanan.
Gambar 7. Kurva Hubungan ID dengan VDS

Pada kondisi seperti pada gambar JFET kanal N dengan VGS = 0 dan VDS > 0, aliran elektron sepenuhnya hanya tergantung pada resistansi kanal antara S dan D. Lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar Kurva hubungan ID dengan VDS. Pada saat ini hubungan arus ID dan VDS masih mengikuti hukum Ohm. Apabila tegangan VDS diperbesar lagi hingga beberapa volt, maka persambungan G dan D semakin besar mendapat tegangan bias mundur, sehingga daerah pengosongan JFET Kanal N semakin melebar.

Apabila tegangan VDS JFET Kanal N dinaikkan terus hingga daerah pengosongan sebelah kiri dan kanan bersentuhan maka aliran elektron akan jenuh yang disebut dengan kondisi pinch-off seperti pada gambar dibawah. Pada kondisi ini (arus mulai jenuh dan VGS = 0) tegangan VDS disebut dengan tegangan pinch-off (Vp). Kenaikan VDS sesudah ini tidak akan menambah arus ID lebih besar lagi atau ID akan tetap, yakni yang disebut dengan IDSS (drain-source saturation current). IDSS adalah arus drain maksimum pada JFET Kanal N dengan kondisi VGS = 0 Volt dan VDS = | Vp |.
JFET

Gambar 8. FET kanal N dengan VGS = 0 dan VDS = VP

Selanjutnya apabila VGS JFET Kanal N diberi tegangan negatip, misalnya sebesar VGS = -1 Volt, maka bias mundur untuk persambungan G-S maupun G-D semakin besar, sehingga daerah pengosongannya semakin lebar. Dengan demikian untuk mencapai kondisi pinch-off (kedua sisi daerah pengosongan bersentuhan) diperlukan tegangan VDS lebih kecil. Arus ID JFET Kanal N akan mencapai titik jenuh (maksimum) pada tegangan VDS yang lebih kecil. Namun perlu diingat arus bahwa arus jenuh pada VGS bukan nol namanya bukanlah IDSS. (elektronika.dasar.web, 2017).

Demikian artikel mengenai teori singkat mengenai Karakteristik Transistor Efek Medan (Junction Field Effect Transistor (JFET)), semoga bermanfaat bagi pembaca terutama pada akademisi yang mendalami ilmu fisika.


REFERENSI

Boylestad, R., & Nashelsky, L. (1989). Electronic Devices and Circuit Theory, Fourth Edition. Delhi : Prentice Hall of India.

Bakri, Abdul Haris, dkk. 2008. Dasar-dasar Elektronika. Makassar : Badan Penerbit UNM

Malvino, A.P. (2003). Prinsip-Prinsip Elektronika, Buku 1, Jakarta : Salemba Teknika