6. Bölüm:

Alan Etkili Transistörler

1

Doç. Dr. Ersan KABALCI

FETler (Alan etkili transistörler) BJTlere çok benzer yapıdadır.

Benzerlikleri:

• Yükselteçler

• Anahtarlama devreleri

• Empedans uygunlaştırma devreleri

Farkları:

• FETler gerilim kontrollü, BJTler ise akım kontrollü kaynaklardır.

• FETler daha yüksek giriş empedansına sahiptir, BJTler ise daha

yüksek kazanç değerlerine.

• FETler sıcaklık değişimlerinden daha az etkilenirler ve bu nedenle

entegre devrelerde daha kolay kullanılırlar.

• FETler genellikle BJTlerden daha kararlıdırlar.

• FET’in en büyük avantajı yüksek giriş empedansıdır.

FET

2

•JFET–– Junction Field-Effect Transistor

•MOSFET –– Metal-Oxide Field-Effect Transistor

D-MOSFET –– Depletion MOSFET

E-MOSFET –– Enhancement MOSFET

FET Türleri

3

JFET Yapısı

İki tip JFET vardır

•n-kanal

•p-kanal

N-kanal daha yaygın kullanılır.

Üç bağlantı ucu vardır.

•Drain (D) ve source (S) uçları n-kanalına

•Gate (G) ise p-tipi maddeye bağlanır.

4

JFET’in Çalışma Yapısı

JFET’in çalışması bir vanaya benzetilebilir.

Source (Kaynak) , drain-source

geriliminde negatif kutuptaki

elektronların toplamını ifade eder.

Drain (Akaç) uygulanan gerilimin

pozitif tarafında elektron eksikliğini ya

da oyukları ifade eder.

Su akıntısının Kontrol kısmı ise n-

kanalının genişliğini ve dolayısıyla

kaynaktan akaça yük akışını kontrol

eden gate (kapı) gerilimidir.

5

JFET Çalışma Karakteristiği

Bir JFETin 3 temel çalışma karakteristiği vardır:

• VGS = 0, pozitif artan VDS

• VGS < 0, pozitif VDS

• Gerilim kontrollü direnç

6

JFET Çalışma karakteristikleri

VGS = 0, pozitif artan VDS

• N-kanaldaki elektronlar ile p-

kapısındaki oyuklar karşılaşırken p-

kapısı ve n-kanalı arasındaki geçiş

bölgesi artar.

• Geçiş bölgesinin artması n-kanalın

boyutunu azaltır ve n-kanal direncini

yükseltir.

• N-kanal direncinin artmasına rağmen,

VDS gerilimi yükseleceği için source-

drain arasındaki akım (ID) artar.

VGS = 0 and VDS sıfırdan pozitif bir değere yükselirken 3 durum gerçekleşir:

7

VGS = 0 iken VDS daha yüksek bir

pozitif değere getirilirse, geçiş bölgesi

(boşaltılmış bölge) n-kanalı tıkayacak

kadar genişler.

Bu durum, n-kanal akımının (ID) 0A’e

düşeceğini gösterir ancak VDS arttıkça

ID de artacaktır.

JFET Çalışma karakteristikleri

VGS = 0, VDS pozitif artan VDS : Bükülme (Pinch Off)

8

JFET Çalışma karakteristikleri

VGS = 0, VDS pozitif artan VDS : Bükülme (Pinch Off)

9

Bükülme noktasında:

• VGS arttırılsa da ID akımında

herhangi bir artışın elde

edilemeyeceği bir noktaya ulaşılır.

Bükülme noktasındaki VGS

gerilimi Vp olarak tanımlanır.

• ID doyum ya da maksimum

değerdedir ve bu durumda akım

IDSS olarak adlandırılır.

• Kanalın direnç değeri

maksimumdur.

JFET Çalışma karakteristikleri

VGS = 0, VDS pozitif artan VDS : Doyum

10

JFET Çalışma karakteristikleri

VGS < 0, pozitif VDS

VGS negatif değer aldıkça geçiş bölgesi

artar.

11

VGS negatif değer aldıkça :

• JFET daha düşük bir

gerilimde (Vp) bükülme

noktasına ulaşır.

• VDS artsa da ID azalır

(ID < IDSS)

• Sonuç olarak ID 0A’e ulaşır.

Bu noktada VGS, Vp ya da

VGS(off) olarak adlandırılır.

JFET Çalışma karakteristikleri

VGS < 0, pozitif VDS : ID < IDSS

Bunun yanı sıra yüksek VDS geriliminde JFET kırılma durumuna gelecektir.

Eğer VDS > VDSmax olursa ID kontrolsüz bir şekilde artar.

12

2

P

GS

od

V

V1

rr

Bükülme noktasının solunda

kalan bölge ohmik bölge

olarak tanımlanır.

JFET, VGS gerilimi drain-

source direncini (rd) kontrol

ettiğinden dolayı değişken

direnç olarak kullanılabilir.

VGS negatif değere düştükçe

(rd) direnci artar.

JFET Çalışma karakteristikleri

Gerilim Kontrollü Direnç

13

p-Kanal JFET

Polariteleri ve akım yönlerinin

ters olmasının dışında p-kanal

JFETler n-kanal JFET gibi

çalışır.

14

p-Kanal JFET Karakteristiği

Bunun yanı sıra yüksek VDS geriliminde JFET kırılma durumuna gelecektir. Eğer

VDS > VDSmax olursa ID kontrolsüz bir şekilde artar.

VGS pozitif olarak arttığında

• Geçiş bölgesi artar

• ID azalır (ID < IDSS)

• sonuçta ID = 0A olur.

15

JFET Sembolü

16

2

V

V1DSSD

P

GSII

JFETlerin girişten-çıkışa transfer karakteristiği BJTler kadar kolay

anlaşılır değildir.

BJTler, IB (giriş) ve IC (çıkış) arasındaki ilişkiyi gösterir.

Bir JFETte ise VGS (giriş) ve ID (çıkış) arasındaki ilişki daha karmaşıktır:

JFET Transfer Karakteristiği

17

JFET Transfer Eğrisi

Aşağıdaki şekilde sabit bir VGS değerine göre ID akımı görülmektedir.

18

Bir JFET’in kataloğundaki IDSS ve Vp (VGS(off)) değerlerine göre transfer

eğrisinin çizilmesi aşağıdaki 3 adımda gerçekleştirilir.

VGS = 0V ise ID = IDSS

2

P

GSDSSD

V

V1II

1. Adım

VGS = 0V Vp değerine 2

P

GSDSSD

V

V1II

3. Adım

JFET Transfer Eğrisinin Çizilmesi

19

VGS = Vp (VGS(off)) ise ID = 0A

2

P

GSDSSD

V

V1II

2. Adım

JFET Katalog Sayfaları

Maximum Ratings

Elektriksel Karakteristikleri

20

JFET Katalog Sayfaları

Maximum Ratings

21

JFET Kılıf Tipleri ve Uçları

22

MOSFETler

İki tip MOSFET vardır:

• Kanal Ayarlamalı (Depletion) Tip

• Kanal Oluşturmalı (Enhancement) Tip

MOSFETler JFETlere benzer karakteristik özellikler göstermekle birlikte

JFETlerden daha kullanışlı olmalarını sağlayan özellikleri vardır.

23

MOSFETler

Metal oksit alan etkili transistörler (MOSFET), FET elemanlaının 2.

kategorisidir. Temel farkı, pn jonksiyonunun bulunmaması ve p ve n

maddelerinin birbirinden yalıtılmış olmasıdır. MOSFET’ler statik elektriğe

karşı duyarlıdırlar ve hassas bir şekilde kullanılması gerekir.

24

Kanal Ayarlamalı (Depletion) Tip MOSFET Yapısı

Drain (D) ve source (S) n-katkılı

kanala bağlanır. Bu n-katkılı

kanallar, bir n-kanal ile birbirine

bağlıdır. Bu n-kanalı ise ince bir

yalıtkan SiO2 kanalıyla gate (G)

ucuna bağlanır.

n-katkılı maddeler ise p-katkılı alt

katmanın üstüne yerleştirilir. Bu alt

katmanın ise substrate (SS) yani alt

tabaka bağlantısı yapılır.

25

Kanal Ayarlamalı Tip MOSFETin Temel Çalışma

Prensibi

Kanal Ayarlamalı bir MOSFET iki modda çalıştırılabilir:

• Kanal ayarlama

• Kanal oluşturma

26

Kanal Ayarlamalı MOSFETin Depletion Modu

• VGS = 0V iken ID = IDSS

• VGS < 0V iken ID < IDSS

• Transfer eğrisi çizmek için kullanılan

formül aynıdır:

Depletion Mod

Karakteristik özelliği JFETe

çok benzerdir.

2

P

GSDSSD

V

V1II

27

Kanal Ayarlamalı MOSFETin Enhancement Modu

• VGS > 0V

• ID IDSS’den daha yüksektir

• Transfer eğrisi çizmek

için kullanılan formül

aynıdır:

2

P

GSDSSD

V

V1II

Enhancement Mod

!!! VGS nin pozitif olduğuna dikkat ediniz.

28

p-Kanal Kanal Ayarlamalı MOSFET

29

Elektriksel Karakteristikler

Katalog Sayfaları

30

Maximum Ratings

Katalog Sayfaları

31

Kanal Oluşturmalı (Enhancement) Tip MOSFET

Yapısı

• Drain (D) ve source (S) n-katkılı

kanala bağlanır. Bu n-katkılı

kanallar, bir n-kanal ile birbirine

bağlıdır.

• Gate (G) ucu ince bir yalıtkan SiO2

kanalıyla p-katkılı alt katmana

bağlanır.

• Drain source arasında kanal yoktur.

• n-katkılı madde ise p-katkılı alt

katmanın üstüne yerleştirilir. Bu alt

katmanın ise substrate (SS) yani alt

tabaka bağlantısı yapılır.

32

Kanal Oluşturmalı (Enhancement) Tip MOSFETin

Temel Çalışma Prensibi

• VGS daima pozitiftir.

• VGS arttıkça ID de artar

• VGS sabit tutulur ve VDS

arttırılırsa, ID (IDSS)

değerinde doyuma

gider ve VDSsat doyum

seviyesine ulaşır.

Kanal oluşturmalı MOSFET sadece enhancement modunda çalışır.

33

Kanal Oluşturmalı (Enhancement) Tip MOSFET Transfer

Eğrisi

Belirli bir VGS değerinde

ID’yi belirlemek için :

Burada:

VT = MOSFETin

iletime geçtiği gerilim

ya da eşik gerilimi

k = katalogda belirtilen

sabit değer

2TGSD )VV(kI

k değeri aynı zamanda belirli bir noktadaki

değerler kullanılarak da hesaplanabilir:

2TGS(ON)

D(ON)

)V(V

Ik

VDSsat ise aşağıdaki gibi hesaplanır:

TGSDsat VVV

34

p-Kanal Enhancement Tip MOSFETler

P-kanal kanal oluşturmalı tip (enhancement) MOSFETler gerilim

polariteleri ve akım yönlerindeki terslikler dışında n-kanal Mosfetler

ile aynıdır.

35

MOSFET Sembolleri

36

Maksimum Değerler

Katalog Sayfaları

37

Elektriksel Karakteristikler

Katalog Sayfaları

38

MOSFETlerin Kullanımı

MOSFETler statik elektriğe karşı çok hassastırlar. Harici uçlar ile

katmanlar arasındaki ince SiO2 katmandan dolayı statik elektrik

deşarjlarından ani olarak etkilenirler.

Koruma

• Daima statik korumalı poşetlerde taşınmalı

• MOSFETlere müdahale edilirken statik koruyucu bileklik

kullanılmalı

• Ani geçiş gerilimlerini önlemek için gate ve source uçları

arasında zener gibi gerilim sınırlayıcı elemanlar kullanılmalı.

39

VMOS

VMOS (vertical MOSFET)

devre elemanının yüzey

alanının genişletir.

Avantajları

• VMOS’lar yüzey alanını

genişleterek ısı

dağılımını

kolaylaştırdığından daha

yüksek akımlarda çalışır.

• VMOS’ların anahtarlama

frekansları daha

yüksektir.

40

Avantajları

• Mantık devrelerinde kullanılır

• Yüksek giriş empedansı vardır

• Yüksek anahtarlama frekansı

• Daha düşük çalışma seviyeleri

CMOS

CMOS (complementary

MOSFET), aynı katmanda

hem p-kanal hem de n-kanal

MOSFET kullanılarak

oluşturulur.

41

Özet Tablosu

42