Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Elektronik Laboratuarı I DENEY-2 TEMEL YARI ĐLETKEN ELEMANLARIN TANIMLANMASI (BJT, FET, MOSFET)

Transkript

1 2.1. eneyin amacı: Temel yarıiletken elemanlardan BJT ve FET in tanımlanması, test edilmesi ve temel karakteristiklerinin incelenmesi Teorik bilgiler: BJT nin özelliklerinin tanımlanması: Aşağıda devre sembolü ve bağlantı uçları gösterilen BJT elektronik devrelerde en sık kullanılan, iki n- ve bir p- tipi malzeme tabakasından oluşan üç katmanlı yarı iletken bir elemandır. Đlkine npn transistor, ikincisine ise pnp transistör adı verilir. Her ikisi de uygun C öngerilimleme durumunda anahtarlama ve yükseltme etkisi gösterirler. Aşağıda pnp ve npn tipi transistörlerin devre sembolleri gösterilmiştir. C C B B E npn transistör E pnp transistör Bir npn bipolar jonksiyonlu transistörün baz emiter ve baz kolektör gerilimleri değerlendirildiğinde, sahip olabileceği 4 farklı çalışma rejiminin Şekil 2.1 de gösterildiği gibi olduğu bilinmelidir. Aslında akım kontrol elemanı olan BJT, kuvvetlendirici olarak kullanıldığı uygulamalarda ileri yönde (aktif) çalışma bölgesinde kalacak şekilde kutuplanır. Şekil 2.1 den anlaşılacağı üzere bu bölgede VBE>0 ve VCE<0 olmalı yani baz-emiter jonksiyonu geçirme, baz kolektör jonksiyonu tıkama yönünde kutuplanmalıdır. Bir anahtar elamanı olarak kullanıldığı uygulamalarda (dijital) ise çalışma bölgeleri doyma (anahtar kapalı ve kesimdedir (anahtar açık).şekil 2.1 üzerinde bu duruma ilişkin baz-emiter ve bazkolektör gerilimini inceleyiniz. - C Ters yönde çalışma Kesim oyma Đleri yönde çalışma B + + V BC V BE - E Şekil 2.1 Transistör çalışma bölgeleri BJT nin akım-gerilim karakteristiğine geçmeden önce; bir npn tipi OE (ortak emiter) bağlantılı transistor ün baz emiter arasının Elbers_moll modeli gereği normal bir diyot 1

2 davranışı göstereceği göz önünde bulundurulmalıdır. Ancak, ikiden çok değişkeni olan bu elemanın giriş karakteristiğinin elde edilmesi için diğer değişkenlerinin sabit tutulması gerektiğinde bilinmelidir. Aşağıda transistörün değişik beyz akımı ve değerlerine göre çizilmiş IC-VCE karakteristiği verilmiştir. Şekil 2.2 Transistörün IC-VCE karakteristiği 2.2. FET in özelliklerin tanımlanması: npn veya pnp olarak yapılan iki kutuplu jonksiyon, transistörü (BJT) hem elektron akımı hem de delik akımının kullanıldığı akım kontrollü transistördür. Alan etkili transistör (FET) ise tek kutuplu bir elemandır. n kanallı bir FET de elektron akımıyla veya p kanallı delik akımıyla çalışan gerilim kontrollü bir transistor dür. Hem BJT hem de FET ler farklı öngerilim varsayımlarıyla bir yükselteç devresinde (veya benzeri devrede) kullanılabilirler. Bir n kanallı JFET in sembolü ve karakteristiği Şekil 2.3 de verilmiştir. S I (ma) I (ma) G I = I SS 1 V ( V P GS 2 ) I SS Voltaj kontrollü direnç bölgesi oyum bölgesi -1V V GS =0V G -2V V S (V) S V GS (V) V P Transfer karekteristiği Akaç karekteristiği (a) n kanallı JFET (b) JFET karakteristikleri Şekil 2.3. JFET sembolü ve karakteristikleri Şekilde JFET sembolü ve görünümü üzerinde verilen bacak isimleri şöyledir; G:Gate (kapı) :rain(akaç) S:Source (kaynak) 2

3 MOSFET in özelliklerinin tanımlanması: Alan etkili bir transistörün geçiş ucu kanaldan izole edilmiş olarak yapılabilirler. Popüler Metal-Oksit Yarıiletken FET (MOSFET) ya kanal ayarlamalı MOSFET veya kanal oluşturmalı olarak üretilmektedir. Şekil 2.4 te kanal ayarlamalı bir n kanal MOSFET in sembolü ve karakteristikleri verilmiştir. Eleman hem pozitif hem de negatif kapı-kaynak gerilimiyle çalışırken görülmektedir. VGS nin negatif değerleri akaç akımını kısma gerilimine kadar düşürür ve bu noktadan sonra hiç akaç akımı akmaz. Transfer karakteristiği negatif kapı-kaynak gerilimleri için aynıdır ancak VGS nin pozitif değerleri için devam eder. Kapı, VGS nin hem pozitif hem de negatif değerleri için kanaldan izole edilmiş olduğundan, eleman VGS nin her iki polaritesiyle çalışabilir ve hiçbir durumda kapıdan akım akmaz. I (ma) I (ma) +1V I = I SS 1 V ( V P GS 2 ) I SS G S V GS =0V -1V -2V V S (V) V GS (V) V P Transfer karakteristiği Akaç karakteristiği Şekil 2.4. n kanallı kanal ayarlamalı MOSFET sembolü ve karakteristikleri Kanal oluşturmalı MOSFET ise akaç ile kaynak arasında temel eleman yapısı olarak bir kanala sahip değildir. Pozitif bir kapı-kaynak geriliminin uygulanması, kapının altındaki alt tabakadaki delikleri iterek boşaltılmış bir bölge oluşturmasını sağlar. Kapı gerilimi yeterince pozitif olduğu zaman akaç ile kaynak arasında bir akım akar yani kapı-kaynak gerilimi VT eşik değerini aşıncaya kadar akaç akımı akmayacaktır. Bu eşik değerini aşan pozitif gerilimler artan bir akaç akımını yol açacaktır. Aşağıda bir n kanallı kanal oluşturmalı MOSFET e ait karakteristikler ve karakteristik denklemi verilmiştir, burada K (tipik olarak 0.3 ma/v 2 ) elemanın yapısına ilişkin bir değerdir. I=K(VGS - VT )² 2.3. eneyin yapılışı BJT nin Akım Gerilim Karakteristiğinin Elde Edilmesi BJT nin giriş karakteristiğini elde etmek için aşağıdaki işlemleri gerçekleştiriniz. 1) Şekil 2.5 deki devreyi kurunuz. 2) VCE yi 5 V a ayarlayarak bu değerin deneyin sonuna kadar sabit kalmasını sağlayınız. 3

4 3) P1 potansiyometresi yardımıyla VBE gerilimini 0 V tan 0.8 V a kadar 0.1 V aralıklarla arttırınız. 4) Her VBE değerine karşı gelen IB ve Ic akımlarını ölçüp, bunları Tablo 2.1 deki yerine kaydediniz. 5) Giriş karakteristiğini elde etmek için tablodaki bu akım ve gerilim değerini X-eksenine VBE ve Y- ekseni de IB olmak üzere ölçekli olarak çiziniz. 6) Ortak Emitörlü devrede akım kazancı β=hfe= Ic/ IB VCE_sabit olduğuna göre X- eksenine de Ic ve Y-eksenine de IB akımları alınarak hfe eğrisini çiziniz. Şekil 2.5 OE li bir BJT nin I-V karakteristiğinin elde edilmesinde kullanılan uygulama devresi (P1=10K-100K, P2=1K-100K, BJT=2N2222) Tablo 2.1 OE li bir BJT nin I-V karakteristiğinin elde edilmesinde kullanılan ölçüm tablosu V BE (V) I B (µa) I C (ma) V BE /I B =h ĐE

5 MOSFET in Akım Gerilim Karakteristiğinin Elde Edilmesi: Şekil 2.6. MOSFET uygulama devresi MOSFET in karakteristiğini elde etmek için aşağıdaki işlemleri gerçekleştiriniz. 1) Şekil 2.6 daki devreyi kurunuz. 2) evrede sabit bir VGS değeri seçip I-VS değişimini elde etmeye çalışınız. 3) Bulduğunuz değerleri Tablo 2.3 e kaydedip sonuçları tartışınız. Tablo 2.3. MOSFET ölçüm tablosu I V S 2.4. BJT Transistörün Çıkış Karakteristiklerinin Osiloskop ile Elde Edilmesi a) Şekil 2.7 deki devreyi kurunuz. b) evreye enerji veriniz. c) Osiloskobun X-Y uçlarını devrede gösterildiği gibi bağlayınız. Osiloskobun dikey ekseni akım değerine göre kalibre edilecektir. d) Transistörün çıkış karakteristiklerini osiloskop ekranında elde edinceye kadar osiloskobun yatay ve dikey kademelerini ayarlayınız. e) Farklı I b değerleri için I c akım değerlerini tespit ediniz. Çıkış özeğrileri yardımıyla transistor ün h FE akım kazancını hesaplayınız. f) Osiloskop ekranında görülen karakteristik eğrileri milimetrik kağıda çiziniz. (Yatay skala=v CE ; dikey skala=i C ) Bu deney ve hesaplamalar sırasında, osiloskobun Y kanalındaki volt/div kademesi yardımıyla bulunan I C akımı için I E =I C olduğu ve Y ekseninde gerçekte 100Ω luk direnç üzerindeki voltajın okunduğu, bunun I C akımının bulunması sırasında 100Ω a bölünmesi gerektiği unutulmamalıdır. 5

6 Şekil 2.7. Transistörün çıkış karakteristiklerinin elde edilmesinde kullanılacak devre şeması 2.4. eneyde kullanılacak malzemeler 1) Ayarlı güç kaynağı 2) Voltmetre, ampermetre 3) Potansiyometre (100 K) 4) irenç(10 K, 100 K, 330 ohm) 5) 2N2222 transistör ve MOSFET 6