ELEKTRONİK DERS NOTU (TRANSİSTÖRLER)

Transkript

1 ELEKTRONİK DERS NOTU (TRANSİSTÖRLER)

2 BÖLÜM-II TRANSİSTÖRLER Giriş: Transistör: Ya iki n- ve bir p- tipi malzeme tabakasından ya da iki p- ve bir n- tipi malzeme tabakasından oluşan üç katmanlı yarıiletken bir elemandır. Bipolar (çift kutuplu) transistör, katmanların yapısına göre NPN veya PNP transistör olarak iki temel yapıda üretilirler. Transistör yapımında silisyum, germanyum veya uygun yarıiletken karışımlar kullanılır. Bipolar Jonksiyon Transistör (BJT) elektronik endüstrisinin en temel yarıiletken devre elemanlarındandır. BJT içerisinde hem çoğunluk taşıyıcıları hem de azınlık taşıyıcıları görev yapar. Bundan dolayı bipolar sözcüğü kullanılır. 2

3 Şekil 2.1 (Pastacı, H. 2015) 3

4 Transistörün yapısı (BJT): Şekil 2.2 ile gösterilen öngerilimlemede transistör uçları, emitör (emitter) için E, kollektör (collector) için C ve baz (base) için B ile gösterilmiştir. Şekil 2.2 (a) PNP tipi transistör, (b) NPN tipi transistör (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2011) 4

5 Transistörün çalışması (BJT): Şekil 2.2a da gösterilen transistör dikkate alınarak bir transistörün temel çalışması incelenecek olursa; Şekil 2.3 te PNP transistör baz-kollektör (base-collector) ön-gerilimlemesi olmadan yeniden çizilmiştir. Şekil 2.3 te boşaltılmış bölgenin (depletion region) genişliği uygulanan ön-gerilimden dolayı azalmıştır. Bundan dolayı p-tipi malzemeden n-tipi malzemeye çoğunluk taşıyıcısı akışı olmaktadır. Bu durum ileri ön-gerilimlenmiş diyotun çalışmasıyla oldukça benzerdir. Şekil 2.3 PNP transistörün ileri-ön-gerilimli jonksiyonu (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2011) 5

6 Transistörün çalışması (BJT): Şekil 2.2a da gösterilen transistör dikkate alınarak bir transistörün temel çalışması incelenecek olursa; Şekil 2.4 te ise PNP transistör emitör-baz (emitter-base) ön-gerilimlemesi olmadan yeniden çizilmiştir. Şekil 2.4 te boşaltılmış bölgenin (depletion region) genişliği uygulanan ters ön-gerilimden dolayı artmıştır. Bundan dolayı n-tipi malzemeden p-tipi malzemeye azınlık taşıyıcısı akışı olmaktadır. Bu durum ters öngerilimlenmiş diyotun çalışmasıyla oldukça benzerdir. Şekil 2.4 PNP transistörün ters-ön-gerilimli jonksiyonu (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2011) 6

7 Özetlenecek olursa; bir transistörün bir p-n joksiyonu ters ön-gerilimli iken diğer jonksiyonu ileri öngerilimlidir. Şekil 2.5 te her iki ön-gerilimleme potansiyeli bir PNP transistöre uygulanmıştır, çoğunluk ve azınlık taşıyıcı akışları gösterilmiştir. Şekil 2.5 te gösterildiği gibi çok sayıda çoğunluk taşıyıcısı ileri ön-gerilimli p-n jonksiyonunu aşarak n-tipi malzemeye ulaşmaktadır. Arada kalan n-tipi malzeme çok ince ve iletkenliği düşük olduğundan çok az sayıda taşıyıcı yüksek dirence sahip bu yolu izleyerek baz ucuna ulaşacaktır. Tipik olarak μa (mikro amper) düzeyindeki baz akımı emitör ve kollektör uçlarında görülen ma (mili amper) seviyelerine kıyasla küçük kalmaktadır. Şekil 2.5 PNP transistörde çoğunluk ve azınlık taşıyıcıların akışı (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2011) 7

8 Şekil 2.5 teki transistörü tek düğüm gibi kabul ederek Kirchhoff akım kanununu (KAK) uygulanırsa eşitlik (2.1) elde edilir. I E = I C + I B (2.1) Eşitlik (2.1) ile verilen denklemde emitör akımı kollektör akımı ve baz akımının toplamıdır. Ancak, kollektör akımı iki bileşenden oluşmaktadır. Şekil 2.5 te gösterildiği gibi azınlık taşıyıcıları ve çoğunluk taşıyıcıları. Azınlık akımı bileşeni kaçak akım olarak isimlendirilir ve I CO ile gösterilir. I C = I Cçoğunluk + I COazınlık (2.2) Genel amaçlı transistörlerde, I C miliamper düzeyinde iken, I CO mikroamper veya nanoamper düzeyindedir. Ters ön-gerilimlenmiş diyotlardaki I s (I 0 ) akımında olduğu gibi I CO akımı da sıcaklığa duyarlıdır ve geniş sıcaklık aralıklarına sahip uygulamalarda dikkate alınmalıdır. Şekil 2.2 de NPN ve PNP transistörleri için görülen devre, bazın hem giriş (emitör) hem de çıkış (kollektör) uçlarında ortak olması dolayısıyla ortak-bazlı devre olarak anılmaktadır. 8

9 Ortak Bazlı Devre: Şekil 2.6 da PNP ve NPN transistörleri ortak bazlı devrede gösterilmektedir. Ortak-Baz terimi baz ucunun devrenin hem giriş hem de çıkış için ortak olmasından kaynaklanmaktadır. Şekil 2.6 Ortak bazlı devre için kullanılan işaret ve semboller (a) PNP, (b) NPN (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2011) 9

10 Ortak Bazlı Devre: Şekil 2.7 de ortak bazlı devrenin giriş karakteristiği, giriş akımı I E ye karşılık giriş gerilimi V BE, farklı çıkış gerilimleri (V CB ) için çizilmiştir. Şekil 2.7 Ortak bazlı devredeki transistörün giriş (emitör) karakteristiği (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2011) 10

11 Ortak Bazlı Devre: Şekil 2.8 de ise ortak bazlı devrenin çıkış karakteristiği, çıkış akımı I C ye karşılık çıkış gerilimi V CB, farklı giriş akımları ( I E ) için çizilmiştir. Şekil 2.8 de görüldüğü gibi çıkış karakteristiğinin üç önemli bölgesi vardır. Bunlar, aktif bölge, kesim bölgesi ve doyum bölgesidir. Ortak bazlı devrede, I E = 0 iken devre koşulları Şekil 2.8 Ortak bazlı devredeki transistörün çıkış (kollektör) karakteristiği (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2011) aşağıdaki gibi olur. I CBO : Emiter ucu açık iken kollektörden baza kaçan kaçak akımdır. Sıcaklığa karşı duyarlıdır. Şekil 2.9 Ters doyum akımı 11

12 Yarıiletken silisyum diyotta olduğu gibi, dc çalışmada ileri ön-gerilimli baz-emitör joksiyonu için yaklaşık olarak; V BE = 0.7V (2.3) Örnek 2.1: Şekil 2.7 ve Şekil 2.8 de verilen karakteristikleri kullanarak; (a) I E = 3mA ve V CB = 10V iken I C =? (b) I E = 3mA iken V CB = 2V a düşürülürse I C =? (c) I C = 4mA iken V CB = 20V iken V BE =? Çözüm 2.1: Şekil 2.7 ve Şekil 2.8 de verilen karakteristik eğrilere göre; (a) I E I C = 3mA dir. (b) V CB = 2V a düşürülse de V CB nin etkisi ihmal edilecek seviyedir ve yine I E I C = 3mA dir. (c) I C = 4mA iken V CB = 20V iken I E I C = 3mA dir ve Şekil 2.7 den V BE = 0.74V olarak görülebilir. 12

13 V BE =0.74V V CB =2V 13

14 DC durumda, çoğunluk taşıyıcıları tarafından oluşturulan kollektör ve emitör akımları arasındaki ilişki aşağıdaki denklem ile verilir. α dc = I C I E (2.4) Burada I C ve I E çalışma noktasındaki akımlardır. Şekil 2.8 ile verilen eğriye göre α = 1 olsa da gerçekte bu değer 0.90 ile arasında ve çoğunlukla e yakın bir değerdedir. α- sadece çoğunluk taşıyıcıları tarafından belirlendiği için eşitlik (2.2) aşağıdaki gibi yeniden yazılabilir. I C = αi E + I CO azınlık (2.5) Şekil 2.8 deki eğri için I E = 0mA iken üzerinden belirlenemez. I C, I CO ya eşit olur. Ancak I CO çok çok küçük olduğu için şekil 14

15 AC durumda, çalışma noktası karakteristik eğride hareket edeceğinden dolayı α ac aşağıdaki gibi tanımlanır. α Ac = ΔI C ΔI E ȁ VCB =sabit (2.6) α ac, ortak bazlı, kısa devre yükseltme katsayısı olarak isimlendirilir. Çoğu durumda α ac ve α dc birbirine yakındır ve birinin büyüklüğü diğeri için kullanılabilir. 15

16 Ortak Emitörlü Devre: Şekil 2.10 da PNP ve NPN transistörleri ortak emitörlü devrede gösterilmektedir. Emitör ucu hem giriş hem de çıkış için ortak olmasından dolayı ortak emitörlü olarak adlandırılırlar. Şekil 2.10 Ortak emitör devre için kullanılan işaret ve semboller (a) NPN, (b) PNP (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2011) 16

17 Şekil 2.11a da ortak emitörlü yapı için çıkış karakteristiği değişik giriş akımlarında (I B ), çıkış gerilimine (V CE ) karşı çıkış akımı (I C ) gösterilmiştir. Şekil 2.11b de ise giriş karakteristiği değişik çıkış gerilimlerinde (V CE ), giriş gerilimine (V BE ) karşı giriş akımı (I B ) gösterilmiştir. Şekil 2.11 Ortak emitörlü yapıda silisyum transistörün karakteristikleri (a) kollektör karakteristiği (b) baz karakteristiği (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2011) 17

18 Ortak emitörlü devrenin kesim bölgesi ortak bazlı devrede olduğu gibi iyi tanımlanmamıştır. Bu durum Şekil 2.11a da açıkça görülmektedir. Ortak bazlı yapıda I E giriş akımı sıfıra eşit iken kollektör akımı yalnızca ters doyma akımı I CO ya eşittir. Bu durumda I E = 0 eğrisi ve gerilim ekseni çok çok yaklaşık aynıdır. Kollektör karakteristiğinde görülen bu farklılık Eşitlik (2.1) ve (2.5) kullanılarak açıklanabilir. I E = I C + I B (2.1) I C = αi E + I CO azınlık (2.5) Eşitlik (2.5) te I E yerine Eşitlik (2.1) yazılırsa; I C = α I C + I B + I CBO olur. Bu denklemden I C çekilirse; I C = αi B + I CBO 1 α 1 α (2.7) 18

19 Ortak emitörlü devrede I B = 0 ve α tipik olarak olarak seçilirse kollektör akımı; I C = 0.996(0) I CBO = 250I CBO olarak hesaplanır. Eğer I CBO = 1μA olursa; Şekil 2.11a da olduğu gibi kollektör akımı, I C = 250 1μA = 0.25mA olarak bulunur. I B = 0 durumu için kolektör akımı aşağıdaki gibi tanımlanır. I CEO = I CBO 1 α ȁ I B =0 (2.8) Yeni tanımlanan bu akım için devre koşulları Şekil 2.12 de verilmiştir. Şekil 2.12 I CEO ya ilişkin devre durumu (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2011) 19

20 Ortak emitörlü devrede sabit bir kollektör emitör geriliminde (V CE ), kollektör akımındaki küçük bir değişikliğe karşı baz akımındaki değişikliğin oranı ortak emitör ileri yönde akım yükseltme faktörü olarak adlandırılır ve β ile gösterilir. β nın değeri eşitlik (2.9) ile hesaplanabilir. β ac = ΔI C ΔI B ȁ VBE =sabit (2.9) DC durumda ise β; β dc = I C I B (2.10) Olur. Burada, I B ve I C karakteristiğin belirli bir çalışma noktasında tanımlıdır. Çoğu pratik çalışmada β, 50 ile 400 arasında değişmektedir. 20

21 Şimdiye kadar verilen eşitlikler ve bilgiler kullanılarak β ve α arasında bir bağlantı kurulabilir. β = I C /I B, α = I C /I E durumları ve I E = I C + I B kullanılırsa; I E = I C + I B eşitliği, kollektör akımı, α ve β ya göre yeniden yazılırsa; I C α = I C + I C β olur. Eşitliğin her iki tarafı I C ye bölünürse; 1 α = β veya β = β + 1 α olur. Bu durumda α ve β; α = β β+1 (2.11) β = α α 1 (2.12) olarak elde edilir. 21

22 Ayrıca, I CEO = I CBO 1 α ȁ I B =0 verildiği gibi yeniden yazılabilir. olarak eşitlik (2.8) ifade edilmiştir. I CEO, β ya bağlı olarak eşitlik (2.13) te I CEO = β + 1 I CBO (2.13a) β 1 için yaklaşık olarak; olarak yazılabilir. I CEO βi CBO (2.13b) 22

23 Örnek 2.2: Şekil 2.11 deki karakteristik eğrileri kullanarak, (a) I B = 30μA ve V CE = 10V iken I C yi belirleyiniz. (b) V BE = 0.7V ve V CE = 15V iken I C yi belirleyiniz. (c) (a) şıkkındaki durum için β dc yı ve α yı bulunuz. (d) V CE = 10V a karşılık gelen I CEO değerini ve (c) şıkkında bulunan β dc yi kullanarak yaklaşık I CBO değerini hesaplayınız. Çözüm 2.1: Şekil 11 de verilen karakteristik eğrilere göre; (a) I B = 30μA ve V CE = 10V un kesiştiği noktada I C = 3. 4mA dir. (b) V BE = 0.7V ve V CE = 15V un kesiştiği noktada yaklaşık olarak I B = 20μA dir. I B = 20μA ve V CE = 15V un kesiştiği noktada I C = 2. 5mA dir. (c) β dc = I C = 3.4mA I B 30μA = α = β β+1 = = (d) I B = 0μA ve V CE = 10V un kesişme noktasında I CEO = 0.3mA dir. I CEO βi CBO den I CBO = I CEO β = 0.3mA = 2. 64μA 23

24 3.4mA 2.5mA 0.3mA Şekil 2.11 Ortak emitörlü yapıda silisyum transistörün karakteristikleri (a) kollektör karakteristiği (b) baz karakteristiği (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2011) 24

25 Ortak Kollektörlü Devre: Şekil 2.12 de PNP ve NPN transistörleri ortak kollektörlü devrede gösterilmektedir. Kollektör ucu hem giriş hem de çıkış için ortak olmasından dolayı ortak kollektörlü olarak adlandırılırlar. Şekil 2.12 Ortak emitör devre için kullanılan işaret ve semboller (a) PNP, (b) NPN (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2011) 25

26 Transistörün Kuvvetlendirici Etkisi: Bir transistörün kuvvetlendirme etkisi yüzeysel olarak Şekil 2.13 ile verilen devre kullanılarak gösterilebilir. Ortak bazlı devrede bir transistörün emitör-baz arasındaki girişi tipik olarak 10Ω ile 100Ω arasında, çıkış direnci ise 100kΩ ile 1MΩ arasında değişir. Dirençteki bu farklılık ileri ön gerilimli jonksiyondan ve çıkıştaki ters jonksiyondan kaynaklanmaktadır. I i = V i = 200mV R i 20Ω = 10mA α ac = 1 durumu için I E = I C dir. Bu durumda; I L = I i = I E = 10mA Şekil 2.13 Ortak bazlı yapıda temel gerilim yükseltme etkisi (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2011) Temel yükseltme işlemi, bir I akımını alçak direnç bölgesinden yüksek direnç bölgesine transfer ederek gerçekleştirilmektedir. V L = RI L = 5kΩ A v = V L V i = 50V 200mV = mA = 50V Transfer + rezistör transitör 26

27 Transistörün Çalışma Sınırları: Her transistörün maksimum anma değerlerini geçmediği ve çıkış işaretinin en az bozulduğu bir çalışma bölgesi vardır. Böyle bir bölge Şekil 2.14 te gösterilmiştir. Şekil 2.14 te karakteristik eğrisi verilen transistörün kollektör akımı I Cmax = 50mA ve V CEmax = 20V olarak verilmiştir. Kollektör gücü 300mW olarak belirtilmiştir. Kollektör gücü: P C = V CE I C ile hesaplanabilir. P C = V CE I C max = V CE max I C formülü ile transistörün sınırları belirlenebilir. I C max = 50mA için V CE; V CE = 300mW 50mA = 6V V CEmax = 20V için I C ; I C = 300mW 20V = 15mA olarak bulunur. I CEO I C I Cmax Şekil 2.14 Bir transistörün doğrusal çalışma bölgesi (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2011) V CE doyum V CE V CEmaX V CE I C P C max 27

28 Transistörlerin Testi: Bir Transistörü test etmek için iç yol vardır. Eğri izleyici, Sayısal metre ve Ohmmetre. Eğri izleyici (Curve Tracer): Şekil 2.15 ile verilen eğri izleyici kullanılarak transistöre uygun şekilde akım ve gerilim değerleri uygulanırsa Şekil 2.16 ile verilen görüntü elde edilebilir. Şekil 2.15 Eğri İzleyici (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2011) Şekil N3904 npn transistöre eğri izleyicinin tepkisi 28

29 Transistör Test edici: Şekil 2.17 ile transistör test edici sayısal ölçü aletlerinin bir parçasıdır. Transistör, tutuculara yerleştirilir ve anahtar kontrol ışığı yanana ve transistörün terminalleri doğru belirlenene kadar çevrilmelidir. Test edici, transistör düzgün çalışıyorsa tamam (OK) uyarısı verecektir. Ayrıca, diyot kontrol etme yeteneği olan bir cihaz transistörü kontrol etmekte kullanılabilir. Şekil 2.18 de gösterildiği gibi kollektör açıkta baz kırmızı (pozitif uca), ve emitör siyah (negatif) uca bağlı iken bazemitör eklemi 0.7V kadar düşük gerilim göstermelidir. Uçlar tersine çevrildiğinde OL uyarısı vermelidir. Şekil 2.17 transistör test edici (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2011) Şekil 2.18 Bir transistörün ileri öngerilimlemeli baz emitör ekleminin kontrol edilmesi Şekil 2.19 Bir transistörün ters öngerilimlemeli baz kollektör ekleminin kontrol edilmesi 29

30 KAYNAKLAR Pastacı, H. 2015, ELEKTRONİK, Nobel Yayın, 1. Baskı Boylestad, R. and Nashelsky L. 2011, ELEKTRONİK CİHAZLAR VE DEVRE TEORİSİ, Palme Yayıncılık, (Onuncu Baskıdan Çeviri), Çevirenler: Adnan Köksal (Ed.), Ahmet Selçuk, Sevda Özdemir, Şölen KumbayYıldız, Gürhan Bulu. 30