Cihat şahin

FET TRANSİSTÖRLER

İNÖNÜ ÜNİVERSİTESİ ÖZEL ÖĞRETİM YÖNTEMLERİ SUNUSU

2011

TRANSİSTÖR NEDİR?

• İki P tipi madde arasına N tipi madde veya iki N tipi madde arsına P tipi madde konularak elde edilen elektronik devre elamanına transistör denir.

• Transistörde yarı iletken maddeyi biraraya getirmek için farklı metodlar kullanılar.

• Bu metodlar kullanılarak yapılan transistörler ;

- Nokta temaslı transistörler

- Yüzey temaslı transistörler

- Alaşım veya yayılma yoluyla yapılan transistörler

• Genelde elektronik devrelerde yüzey temaslı transistörler kullanılır.

• Yüzey temaslı transistörler ise ;

- NPN transistör

- PNP transistör lerdir

• Transistörün her bir terminaline işlevlerinden ötürü; Emiter (Emiter), Beyz (Base) ve

Kolektör (Collector) adları verilir. Bu terminaller; genelde E, B ve C harfleri ile sembolize

edilirler.

BİR TRANSİSTÖRÜN ÇALİŞMASİ İÇİN GEREKLİ ŞARTLAR

• Transistörün çalışabilmesi için; beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde, beyzkolektör jonksiyonu ise ters yönde polarmalandırılmalıdır. Bu çalışma biçimine transistörün aktif bölgede çalışması denir.

• Beyz akımı olmadan, emiter-kolektör jonksiyonlarından akım akmaz. Transistör kesimdedir. Farklı bir ifadeyle; beyz akımı küçük olmasına rağmen transistörün çalışması için çok önemlidir.

• PN jonksiyonlarının karakteristikleri transistörün çalışmasını belirler. Örneğin; transistör, VBE olarak tanımlanan beyz-emiter jonksiyonuna doğru yönde bir başlangıç gerilimi uygulanmasına gereksinim duyar. Bu gerilimin değeri silisyum transistörlerde 0.7V, germanyum transistörlerde ise 0.3V civarındadır.

TRANSİSTÖRLERİN ÇALİŞMA BÖLGESİ

Aktif Bölge: Transistörün aktif bölgesi; beyz akımının sıfırdan büyük (IB>0) ve kolektör-emiter geriliminin 0V’dan büyük (VCE>0V) olduğu bölgedir. Transistörün aktif bölgede çalışabilmesi için beyz-emiter jonksiyonu doğru, kolektör-beyz jonksiyonu ise ters yönde polarmalanır. Bu bölgede transistörün çıkış akımı öncelikle beyz akımına, küçük bir miktarda VCE gerilimine bağımlıdır. Doğrusal yükselteç tasarımı ve uygulamalarında transistör genellikle bu bölgede çalıştırılır.

(Transistörün kesim bölgesinde çalışması) (Transistörün doyum bölgesinde çalışması)

(a) (b)

Kesim Bölgesi: Transistörün kesim bölgesinde nasıl çalıştığı şekil (a) yardımıyla açıklanacaktır. Şekilde görüldüğü gibi transistörün beyz akımı IB=0 olduğunda, beyzemiter gerilimi de VBE=0V olacağı için devrede kolektör akımı (IC) oluşmayacaktır. Bu durumda transistör kesimdedir. Kolektör-emiter jonksiyonları çok yüksek bir direnç değeri gösterir ve akım akmasına izin vermez. Transistörün kolektör-emiter gerilimi VCE, besleme gerilimi VCC değerine eşit olur. Kolektörden sadece IC0 ile belirtilen çok küçük bir akım akar. Bu akıma “sızıntı akımı” denir. Sızıntı akımı pek çok uygulamada ihmal edilebilir.

(a) (b)

Doyum Bölgesi: Transistörün doyum (saturation) bölgesinde çalışma şekil b yardımıyla açıklanacaktır. Transistöre uygulanan beyz akımı artırıldığında kolektör akımı da artacaktır. Bu işlemin sonucunda transistörün VCE gerilimi azalacaktır. Çünkü IC akımının artması ile RC yük direnci üzerindeki gerilim düşümü artacaktır. Kolektör-emiter gerilimi doyum değerine ulaştığında (VCE(DOY)) beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde polarmalanacaktır. Sonuçta IB değeri daha fazla yükselse bile IC akımı daha fazla artmayacaktır. Doyum bölgesinde çalışan bir transistörün kolektör-emiter gerilimi VCE yaklaşık 0V civarındadır. Bu değer genellikle VCE(DOY)=0V olarak ifade edilir.

Şekil-1

FET TRANSİSTÖRLER

• Alan etkili transistör yani kısaca fet (field effect transistör) 3 uçlu bir grup yarı iletken devre elemanının genel adıdır.

• Alan etkili transistör ; jonksiyon fet (JFET) yada metal oksitli yarı iletken JFET (MOSFET) olarak ismilendirilir.

• Her iki tip transistöründe n ve p kanallı olmak üzere iki çeşidi bulunmaktadır.

• N kanallı transistörlerde iletim , elektronlarla P kanallı transistörlerde ise boşluklarla(hole) sağlanır.

FETLERİN ÖZELLİKLERİ

• Gürültü (parazit) oranları çok düşüktür.

• Akımları ısı ile fazla değişmez.

• Giriş ve çıkış empedansları alçak frekanslarda çok yüksektir. Ancak, çalışma frekansları yükseldikçe bu değer düşer.

KULLANIM ALANLARI

• Osilatörler, alıcı ve vericilerinradyofrekans ve alçak frekansradyofrekans ve alçak

frekanskatları, VHF yükselteçler, ölçükatları, VHF yükselteçler, ölçüaletleri, mikserler, otomatik

kazançaletleri, mikserler, otomatik kazançkontrol devreleri vb.kontrol devreleri vb.

JFET TRANSİSTÖRLER

JFET YAPİSİ VE ÇALİŞMASİ

• JFET 3 uca sahiptir. Uçlarına işlevlerinden ötürü Gate , Source ve Drain isimleri verilmiştir.

• JFET sembolünde gate ucunda bulunan okun yönü transistörümüzün n veya p kanallı olduğunu gösterir. Ok yönü içeri doğruysa n kanallı JFET , dışarı doğruysa p kanallı JFET olarak isimlendirilir.

• Geçit(gate) : n- tipi çubuğun sağ ve sol yanlarında bir pn eklemi oluşturmak için dispersiyon veya bir başka yöntemle yoğun bir şekilde alıcı atomlarıyla katkılanmış bölgedir.

• Kaynak(source) : Çoğunluk yük taşıyıcılarının yarı ileyken çubuğa girdikleri uçtur.

• Akaç(drain) :Çoğunluk yük taşıyıcılarının yarı iletken çubuğu terk ettikleri uçtur.

• Kanal : İki geçit arasında kalan ve çoğunluk yük taşıyıcılarının kaynaktan akaça geçtikleri bölgeye denir.

Şekil-2

JFET LERİN ÇALIŞMASI

• Drain, RL yük direnci üzerinden VDD drain güç kaynağının pozitif terminaline, Source VDD 'nin negatif terminaline irtibatlandırılır.

• Gate, VGG güç kaynağının negatif terminaline bağlanır. Bu irtibatla Gate-Source p-n eklemi ters bayaslanmıştır yani polarmalandırılmıştır.

• Gate p- maddesinden oluştuğu için VGG güç kaynağının (-) terminali gate 'e, (+) terminali source 'a bağlanarak ters polarma sağlanmıştır.

• Gate 'in ters polarmalanmasıyla devreden akan gate akımı son derece küçük değerdeki bir ters akımdır.

• ID drain akımı, JFET üzerinde source 'den drain 'e doğru akar. (Akımın, güç kaynaklarının (-) terminalinden, (+) terminale dolaştığı kabul edilmiştir.)

• İlk durumda VGG güç kaynağının olmadığını, gate ucunun doğrudan şaseye bağlı olduğunu düşünelim, Bu durumda VGG=0V olduğu için Gate-Source arası voltaj da (VGS) 0 Volt 'tur. Bu anda ID akımı, n-tipi maddenin direnci ve RL tarafından limitlenir. JFET üzerinden drain akımı (ID) arttkça n-madde parçası boyunca bu gerilim düşümü meydana gelir. Bu gerilim, source 'a göre pozitif olup, gate p-n eklemini ters polarmalanmıştır.

Şekil-3

• p-n eklemi ters polarmalandığı her durumda, eklem civarında; içinde akım taşıyıcıları bulunmayan bir boşluk bölgesi (eklem setti) meydana gelir. Bu durum Şekil 3 ‘de p maddelerinin çevresinde gösterilmiştir. p maddelerinin çevresindeki boşluk bölgesinde akım taşıyıcıları olmadığından ID drain akımı akamaz. Böylece, drain kısmı boşluk bölgeleri arasındaki sahada sınırlandırılmış olunur. Bu bölge kanal olarak adlandırılır. VDD kaynak voltajı arttıkça drain akımı da artar. Fakat bu artış doğrusal değildir. Bu artışın doğrusal olmamasının nedeni, gate p-n eklemindeki ters polarmalanmasının artmasındandır.

• Şekil 3 ‘de VDD = 4 Volt iken boşluk bölgesi ile VDD = 6 Volt iken boşluk bölgesinin durumu görülmektedir. VDD drain kaynak voltajının daha fazla arttırılması (VDD = 6V) Şekil 3 ‘de görüldüğü gibi boşluk bölgelerinin birbirine daha fazla yaklaşmasına neden olur. Böyle bir durumda drain kaynak voltajnın daha fazla arttırılması ID drain alımında çok az bir artış meydana getirir.

• Böylece drain akımı saturasyona (doyum) ulaşmış olur. Drain akımının saturasyon değerine ulaştığı noktaya PINCH - OFF noktası denir. Pimch - off nokasına kritik gerilim adı da verilebilir. VP ile gösterilir. Bu değer n-kanallı JFET 'te negatif, p-kanallı da ise pozitif değerdir.

• Şekil 4 'te gösterilen karakteristik eğrinin yatay ekseni Drain - source arası voltajı, dikey ekseni ise ID drain akımını gösterir

Şekil-4(Akım – Gerilim karekteristiği)

FET LERİN KULLANİLDİĞİ BAZİ DURUMLAR

KÜÇÜK Bİ ÖRNEK ÇÖZELİM???

JFET Devresinin kazancını hesaplayalım?

A -kv C

A>> DC akımdan gelen sbt

-kv>> Kazanç

C>> Bozunma terimi

MOSFET TRANSİSTÖRLER

• Şekil 5 'te taban malzeme (gövde) p-tipi madde alınmıştır. Bu p-tipi maddenin uygun yerlerinde N tipi bölgeler oluşturulmuş ve aralarına ince bir kanal yerleştirilmiştir. Bu yapının üstü silikon oksit tabakası ile tamamen kaplanmıştır. Ancak bu tabakanın havadaki sodyumdan etkilenebileceğinden bunun üzeri ikinci tabaka olan silikon nitrat ile kapatılmıştır. N-maddelerinden çıkartılan uçların adı; Drain ve Source uçları, silikon tabakalarından delik açılarak metalik irtibat sağlanmıştır. Drain ve Source uçları, N-tipi bölge ile doğrudan irtibatlı olduğu halde Gate ucu yarıiletkenden yalıtılmış, izole edilmiş haldedir. Burada gate ucuna uygulanan gerilim sıfır volt olduğunda drain ve source uçları arasında belirli bir akım akar.

MOSFETLERİN YAPİSİ VE ÇALİŞMASİ

Şekil-5

Azalan tip mosfet

• Çünkü, drain ve source birbiriyle irtibatlıdır. Gate terminaline (+) gerilim uygulandığında, N-tipi maddeler arasında mevcut olan kanal genişleyeceğinden D-S arasından geçen akım artar. Gate terminaline (-) gerilim uygulandığında kanal daralarak akım azalır. Şekil 5 'de kanal N-tipi maddeden yapıldığı için n-kanallı azalan tip Mosfet 'tir. Kanal p-tipi maddeden de yapılabilir.

• D-S arasından geçen akım kanaldan geçer. Gate 'e uygulanan gerilim ile kanaldan geçen akım kontrol edilir. n-kanallı azalan tip Mosfet 'te gate ile source (-), drain (+) polaritedir. Azalan tip Mosfet 'te gate voltajı sıfır iken drain akımı vardır. Gate 'e uygulanan (-) voltajla kanal iletkenliği azalmakta, kanal direnci artmakta dolayısıyla kanaldan geçen akım azalmaktadır. Kanal iletkenliği dolayısıyla akım azaldığı için azalan tip Mosfet olarak adlandırılır.

• Çoğalan tip Mosfet 'in azalan tipten farkı iki N-tipi bölgenin arasında kanal olmamasıdır. Burada da Source (S) ve Drain (D) uçları, N-tipi bölgelerle doğrudan temas halinde oldukları halde Gate (G) ucu yarıiletken malzemeden izole edilmiş durumdadır. G ucuna herhangi bir gerilim uygulanmadığı sürece S ve D uçları arasından bir akım akmaz. G ucunun bulunduğu metal parça ile P-tipi gövde bir kondansatör özelliği gösterir. Çünkü, iki iletken bir yalıtkan kondansatörü meydana getirir. G ucuna (+) gerilim uygulandığında, kapasite özelliğinden dolayı P-tipi gövde de iki N-maddenin yanında (-) yükler toplanır. (Şekil 7).

• Böylece iki N-tipi madde arasında doğal olarak bir kanal oluşur. Bu durmda akım akışı başlar. Gate 'e uygulanan (+) gerilimin arttırılması halinde, iki N-tipi madde arasında oluşan (-) yükler çoğalarak P-tipi gövde içerisinde oluşan bu kanalın genişlemesine sebebiyet verir. Böylece S ve D uçları arasında akan akım, gate 'e uygulanan gerilim ile kontrol edilebilir. Gate ucuna gerilim uygulanmadığı sürece S ve D arasından akım akmaz.

Çoğalan tip mosfet

Şekil-6

Şekil-7

MOSFETLERİN KARAKTERİSTİKLERİ

n - kanallı Azalan Tip MOSFET Devre Bağlantısı

p- kanallı Azalan Tip MOSFET Devre Bağlantısı

Şekil-8(a) Şekil-8(b)

AZALAN TİP MOSFETLER

• Şekil 9 (a) 'da ise drain karakteristiği, (b) 'de ise transfer karakteristiği gösterilmiştir. ID-VDS (drain) karakteristiğinde, hem pozitif, hem de negatif gate-source (VGS) gerilimi ile çalıştırılmıştır. VGS 'nin negatif değeri arttırıldığı taktirde, belli bir gerilimde artık drain akımı akmaz. Bu gerilime, kapama-kısma-kritik gerilim denir.

• Şekil 9 (a) 'da nokta nokta olarak çizilen k eğrisine kadar, herbir eğri VP (pinch-off) gerilimine ulaşıncaya kadar drain akımı da artar. Bu değerden sonra, gerilim artışına rağmen akım sabittir.

Şekil-9(a)-Azalan Tip MOSFET 'in ID-VDS Statik Karakteristik Eğrisi (n - kanallı)

Şekil-9(b)- Azalan Tip MOSFET 'in Transfer Karakteristiği (n - kanallı)

N-KANALLI

Şekil-10(a)-Azalan Tip MOSFET 'in ID-VDS Statik Karakteristik Eğrisi (p - kanallı) Şekil-10(b)- Azalan Tip MOSFET 'in Transfer Karakteristiği (p - kanallı)

P-KANALLI

p – kanallı çoğalan Tip MOSFET Devre Bağlantısı

n – kanallı çoğalan Tip MOSFET Devre Bağlantısı

ÇOGALAN TİP MOSFETLER

• Bu tip Mosfet 'lerde kapı-kaynak gerilimi VT eşik gerilim değerini aşıncaya kadar drain akımı akmaz. Bu eşik gerilim değerini aşan pozitif gerilimler, artan bir drain akımına yol açacaktır.

• Transfer karakteristiğinin denklemi,

ID = k (VGS-VT)2

• Bu denklemde k değeri, elemanın yapısına ilişkin bir değer olup tipik olarak 0,3 mA/V2 değerindedir. VGS = 0 Volt durumunda hiç drain akımı akmayacağından IDSS değeri de olmayacaktır.

Şekil-12(a) n - kanallı Çoğalan Tip MOSFET 'in Drain Karakteristiği

Şekil-12(b) n - kanallı Çoğalan Tip MOSFET 'in Transfer Karakteristiği

N-KANALLI

• Şekil 13 (a) ve (b) 'de p-kanallı çoğalan tip Mosfet 'in drain ve transfer karakteristiği gösterilmiştir. Gate ucuna uygulanan negatif gerilim azaltılması halinde drain akımı akmayacaktır. Yine diğer elemanlarda olduğu gibi, belli bir voltaj değerinden sonra, voltajın artmasına reğmen akım artmayacaktır. Bu noktaya saturasyon adı verilir. Kapı-kaynak gerilimi VT eşik gerilimi aşılınca drain akımı akar. Çoğalan tip Mosfet 'ler daha küçük ölçülerde ve basit yapıda olmasından dolayı, entegre devreler için uygun bir elemanlardır.

Şekil 13(a) - p - kanallı Çoğalan Tip MOSFET 'in Drain Karakteristiği

Şekil 13(b) p - kanallı Çoğalan Tip MOSFET 'in Transfer Karakteristiği

P-KANALLI

TEŞEKKÜR EDERİM…

SON