1

Karadeniz Teknik Üniversitesi

Mühendislik Fakültesi * Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü

Elektronik Anabilim Dalı * Elektronik Laboratuarı I

FET KARAKTERİSTİKLERİ

1. Deneyin Amacı

JFET ve MOSFET transistörlerin çalışma prensiplerinin anlaşılması.

DC parametrelerin nasıl ölçülebileceğini öğrenmek.

2. Ön Bilgi

FET’ler (Field Effect Transistor – Alan Etkili Transistör) bir elektrik alan yardımıyla akımın kontrol edildiği aktif elemanlardır. BJT transistörlerde olduğu gibi FET’lerde de üç terminal bulunmaktadır.

Terminal İsmi (Kısaltma) BJT Transistördeki karşılığı

Drain (D) Collector (C)

Gate (G) Base (B)

Source (S) Emmiter (E)

BJT transistörlerin aksine FET’lerde Drain ve Source terminalleri arasında akan akım Gate terminalinden uygulanan voltaja bağlı olarak değiştirilir. FET’lerin çalıma prensipleri farklı olduğu için BJT transistörlere göre bazı avantaj ve dezavantajları bulunmaktadır. Bunlar aşağıdaki tablodaki gibi özetlenebilir.

Field Effect Transistor (FET) Bipolar Junction Transistor (BJT)

1 Düşük voltaj kazancı Yüksek voltaj kazancı

2 Yüksek akım kazancı Düşük akım kazancı

3 Çok yüksek giriş empedansı Düşük giriş empedansı

4 Yüksek çıkış empedansı Düşük çıkış empedansı

5 Düşük gürültü seviyesi Daha yüksek gürültü seviyesi

6 Hızlı anahtarlama zamanı Daha yavaş anahtarlama zamanı

7 Statik elektrikten kolay etkilenme Statik elektriğe karşı dayanıklı

8 Voltaj kontrollü Akım kontrollü

9 Daha pahalı Ucuz

2

FET Transistörler aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi iki faklı türde guruplandırılabilirler:

Deney boyunca n-kanallı JFET işlenecek olduğundan bu transistörlerin çalışma prensipleri n-kanallı JFET üzerinden işlenecektir. p-kanallı JFET’in çalışması n-kanallı JFET’in çalışması ile aynı olup beslemelerin polariteleri ile N ve P maddelerin yerleri değişmektedir.

2.1 n-kanallı JFET

JFET (Junction Field Effect Transistor – Eklemli Alan Etkili Transistör) n-kanallı ve p-kanallı olmak üzere ikiye ayrılır. n-kanallı JFET’lerde akım taşıyıcıları elektronlar, p-kanallı JFET’lerde ise elektron delikleridir. Yukarıdaki şekilde n-kanallı bir JFET’in iç yapısı ve devre simgesi gösterilmektedir. n-kanallı ismi, Drain-Source akımının n tipli maddeden oluşan bir kanaldan akması dolayısıyla verilir.

3

2.1.1 n-kanallı JFET’in Çalışma Prensibi

Bu şekilde n-kanallı bir JFET’in çalışma prensibini anlamak için oluşturulmuş bir devre ve bu devreye ilişkin VDS - ID grafiği gösterilmektedir. Şekilden de görüldüğü üzere, diyotlarda olduğu gibi p-n eklem bölgesi boyunca bir fakirlik bölgesi oluşmaktadır.

Başlangıçta Drain akımı ve Drain-Source voltajı arasında doğrusal bir ilişki olmaktadır. Bu bölgeye linear ya da ohmic bölge adı verilmektedir. VDS voltajı arttıkça fakirlik bölgesi Drain ucuna doğru genişlemeye başlar.

ID akımı artık VDS ile doğru orantılı olarak artmaz çünkü fakirlik bölgesi, artan voltaja bağlı olarak genişlemiş ve akım kanalı belli bir denge noktasına kadar daralmıştır. Bu bölgeye saturasyon ya da doyum bölgesi , maksimum akan akıma da IDSS akımı denilmektedir.

4

Saturasyon bölgesinde ID akımı VGS voltajına bağlı olarak Denklem 1’deki formüle göre hesaplanabilir. JFET’in Saturasyon bölgesinde olma koşulu ise şöyle tanımlanmaktadır:

(Denklem 1)

Saturasyon bölgesinde eğer VGS voltajını negatif yönde artırırsak, Source ucundaki kanal biraz daha daralır. Bu da kanal direncini artırır ve Drain akımını düşürür.

VGS voltajı kesim voltajı olan VP değerine eşit veya daha negatif olduğunda, fakirlik bölgesi tamamıyla kanalı kapatana kadar genişlemiş olur ve ID akımı akamaz.

2)1(P

GSDSSD

V

VII

PGSDS

GSP

VVV

VV

0

5

Aşağıdaki grafikte ise Denklem 1’e ait eğri görülmektedir. Çalışma noktasındaki VGS değerine bağlı olarak hesaplanabilecek olan eğim bize iletkenlik değeri olan gm sabitini verecektir. gm ; BJT transistor deki β olarak düşünülebilir. gm parametresinin birimi veya Siemens olur.

P

GS

P

DSSm

V

V1

V

2Ig (Denklem 2)

2.2 n-kanallı Enhancement MOSFET

MOSFET (Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor – Metal Oksit Yarıiletkenli Alan Etkili Transistör) transistörler JFET’ler ile benzer mantıkla çalışırlar. Farklı olan tarafları ise Gate uçlarının çok ince bir Silikon yarı-iletken (SiO2) tabakasıyla transistor ün geri kalanından ayrılmış olmasıdır. Bu sayede JFET’lere oranla çok daha yüksek bir giriş empedansına sahip olurlar. Tipik olarak 1012-1015

ohm mertebesinde bir empedansları vardır. Böylece giriş akımları da piko amper seviyelerine düşer. Çok yüksek giriş empedansına sahip olan MOSFET’ler statik elektrikten çok kolay

etkilenebilmektedirler. Bu nedenle kullanım esnasında terminallerine elle temastan kaçınılmalıdır. Aksi takdirde insan vücudunda biriken elektrikle kolayca bozulabilirler.

Daha önce de belirtildiği gibi MOSFET’ler enhancement (çoğalan) ve depletion (azalan) tip

olmak üzere iki alt guruba ayrılabilirler. Enhancement tip MOSFET’lerin çalışma biçimi n—kanallı örnek üzerinden aşağıda anlatılmıştır. Takip eden bölümde ise depletion tip MOSFET’lere kısaca değinilmiştir.

1

6

Aşağıda MOSFET’lere ait devre simgeleri gösterilmiştir.

p-kanallı enh. MOSFET n-kanallı enh. MOSFET p-kanallı depl. MOSFET n-kanalı depl. MOSFET

Aşağıda ise n-kanallı bir enhancement MOSFET’in çalışması adım adım anlatılmıştır.

Drain ve Source arasındaki kanalın iletkenliği Gate ucuna uygulanan voltaj ile kontrol edilmektedir. Gate ucuna uygulanan voltaj ile oluşturulan elektrik alan kanalın iletkenliğini ayarlamada kullanılır.

VDS voltajının artmasının tek etkisi fakirlik bölgesinin genişlemesi olacaktır.

7

VGS voltajını artırarak elde edilen elektrik alan, p tipli madde içerisindeki pozitif yüklü atomları iter, negatif yüklü atomları çeker, aynı zamanda n tipli madde içerisindeki serbest elektronları çeker. VGS voltajı VT voltajından büyük olduğu zaman, n-tipli bir kanal Drain ve Source arasında oluşturulmuş olur

Daha büyük bir VGS voltajı, kanaldaki serbest elektronların sayısını artırır. Bunun sonucu olarak da evirme bölgesi genişler.

8

Enhancement MOSFET'in kabaca üç çalışma bölgesi vardır:

1. Kesim : Gate-Source gerilimi, eşik geriliminden düşük olduğunda, , Source

akımı sıfıra çok yakındır ve yaklaşık olarak sıfır alınır .

2. Doğrusal : Drain-Source gerilimi Gate-Source gerilimi ile eşik gerilimi arasındaki farktan daha

düşük olduğunda;

3. Saturasyon : Gate-Source gerilimi, eşik geriliminden yüksek yani ve Drain-Source gerilimi, Gate-Source gerilimi ile eşik gerilimi arasındaki farktan daha yüksek

olduğunda, .

Genişlemiş evirme bölgesi sayesinde kanalın direnci düşmüş olur böylece VDS voltajına bağlı olarak bu kanaldan ID akımı akacaktır.

Artık MOSFET Saturasyon bölgesine girmiştir. Bu bölgede ID akımı VDS voltajından bağımsızdır ve VGS voltajına bağlı olarak değişir.

9

Saturasyon bölgesinde ID ile kapı gerilimi arasındaki ilişki kabaca aşağıdaki formülle verilir.

2

ThGS )V-K(VI D (Denklem 3)

Bu denklemde K değeri, MOSFET’in yapısına ilişkin bir değer olup tipik olarak 0,3 mA/V2 değerindedir. VGS = 0 Volt durumunda hiç Drain akımı akmayacağından IDSS değeri de olmayacaktır. Aşağıdaki grafik Saturasyon durumunda ID-VGS değişimini göstermektedir.

2.3 n-kanallı Depletion MOSFET Fiziksel olarak farklı yapılara sahip olmalarına karşın JFET ve depletion tipi MOSFET’ler aynı karakteristik özelliklere sahiptirler

Yandaki şekilde p-tipi depletion MOSFET yapısı gösterilmiştir. Bu tip transistörlerde gövdeyi oluşturan p-tipi maddenin uygun yerlerinde N tipi bölgeler oluşturulmuş ve aralarına ince bir kanal yerleştirilmiştir. Bu yapının üstü silikon oksit tabakası ile tamamen kaplanmıştır. N-maddesinden çıkarılan uçlar Drain ve Source olarak adlandırılır ve silikon tabakalarından delik açılarak metalik irtibatları sağlanır. D ve S uçları, N-tipi bölge ile doğrudan irtibatlı olduğu halde G ucu yarıiletkenden yalıtılmış haldedir. Burada G ucuna uygulanan gerilim sıfır volt olduğunda D ve S uçları arasında belirli bir akım akar. Çünkü D ve S birbiriyle irtibatlıdır. G terminaline (+) gerilim uygulandığında, N-tipi maddeler arasında mevcut olan kanal genişleyeceğinden D-S arasından geçen akım artar. G terminaline (-) gerilim uygulandığında kanal daralarak akım azalır. G 'ye uygulanan gerilim ile kanaldan geçen akım kontrol edilir. n-kanallı depletion MOSFET 'te G ile S (-), D (+) polaritedir.

2

ThGS )V-K(VI D

ID

VGS VTh

10

Depletion MOSFET 'te G voltajı sıfır iken D akımı vardır. G 'ye uygulanan (-) voltajla kanal iletkenliği azalmakta, kanal direnci artmakta dolayısıyla kanaldan geçen akım azalmaktadır. Kanal iletkenliği dolayısıyla akım azaldığı için depletion (azalan tip) MOSFET olarak adlandırılır. Aşağıdaki grafiklerde bu transistörlerin karakteristik eğrileri gösterilmiştir.

JFET’lerde olduğu gibi depletion MOSFET transistörlerde de D-S akımı

2

P

GS )V

V-(1II DSSD

formülüyle hesaplanır. Şekilden de görüldüğü üzere VGS değeri bu tip transistörlerde pozitif bölgede olabilmektedir.

11

3 Deneyin Yapılışı:

KL-23004 Deney Modülü (blok b) Multimetre Bağlantı Kabloları Ampermetre (mA)

4 Deneyin Yapılışı:

4.1 Idss ölçümü

Deney modülü üzerindeki blok-b’yi kullanarak şekildeki devreyi klips ve ( gerekiyorsa ) kablolar yardımıyla oluşturun. Tabloda istenen değerleri ölçerek tabloya kaydedin. Tablodaki değerler yardımıyla da ID-VDS grafiğini çizin.

Sonuç : IDSS = _____ mA

VDD 3V 4V 5V 7V 9V 12V 15V 18V

VDS

ID

VDS

ID

3-18 V

AA mA

R6 1K

A

12

4.2 IGS ölçümü

Deney modülü üzerindeki blok-b’yi kullanarak aşağıdaki şekilde gösterilen devreyi klips ve (gerekiyorsa) kablolar yardımıyla oluşturun. Öncelikle +5V gerilim kaynağını bağlayarak IGS akımını ölçün. Daha sonra ise -5V gerilim kaynağını bağlayarak IGS akımını ölçün. Ölçüm sonuçlarınızı tabloya kaydedin. (Dikkat : Devreye +5V ve -5V aynı anda bağlanmayacaktır)

Sonuç :

G-S akımı hangi durumda 0 (sıfır) olarak değerlendirilmektedir? JFET transistörlerin giriş empedansları neden yüksektir?

IGS

+5V

-5V

5V

5V

5V

A R5 1K

13

4.3 VP ölçümü

Deney modülü üzerindeki blok-b’yi kullanarak şekilde gösterilen devreyi klips ve (gerekiyorsa)

kablolar yardımıyla oluşturun. Daha sonra VR4 direncini ID akımı sıfır olacak şekilde ayarlayın. Bu ayarlamayı yaparken eğer mümkünse ampermetrenin hassasiyetini µA mertebesine getirin. ID akımı sıfır olduğu anda VGS voltajını ölçün. Denklem 1’in yardımıyla ID=0 iken ölçülen VGS voltajı bize VP değerini verecektir.

VP = _____ V

Sonuç: ID akımının ölçülmesi esnasında dikkat edilmesi gereken noktalar nelerdir yazınız:

Aynı devreyi kullanarak IDSS akımını nasıl ölçebiliriz?

R6 1K

1M

VR4

12V 12V

A