Bölüm 7 FET Karakteristikleri Deneyleri

Transkript

1 Bölüm 7 FET Karakteristikleri Deneyleri 7.1 DENEYİN AMACI (1) JFET in temel karakteristiklerini anlamak. (2) MOSFET in temel karakteristiklerini anlamak. 7.2 GENEL BİLGİLER Yeni Terimler: (1) JFET : Jonksiyon Alan-Etkili Transistör (Junction Field-Effect Transistor). (2) MOSFET : Metal-Oksit Yarıiletken FET (3) G : Kapı ; D : Akaç ; S : Kaynak (4) V P, V GS (kesim) : G-S için kısma gerilimi yada tıkama gerilimi (5) I DSS : D-S için doyum akımı Yeni Formül: (1) I D = I DSS (1 V GS / V P ) Temel Prensip: Transistör bir tür akım-kontrollü elemandır ve akımı oluşturan elektron ve deliklerin hareketidir. Bu nedenle transistör, iki-kutuplu jonksiyon transistörü olarak ifade edilir. FET, tek-kutuplu bir elemandır ve n-kanallı FET in akımı elektron akışı ile, p-kanallı FET in akımı ise delik hareketi ile oluşturulur. FET, gerilimkontrollü bir elemandır. FET, genel transistörün tüm fonksiyonlarını gerçekleştirebilir, fakat öngerilim koşulları ve karakteristikleri farklıdır. Uygulama alanları belirlenirken, birbirlerine göre avantaj ve dezavantajları göz önüne alınmalıdır. FET in karakteristikleri aşağıda belirtilmiştir: FET çok yüksek giriş empedansına sahiptir, tipik olarak yaklaşık 100MΩ. FET anahtar olarak kullanıldığında, ofset gerilimine sahip değildir. BJT radyasyona çok duyarlıyken (β değeri değişebilir), FET nispeten daha az duyarlıdır. FET in dahili gürültüsü, BJT ye göre daha düşüktür ve böylece FET, düşük-seviyeli yükselteçlerin giriş katı için daha uygundur. 7-2

2 Çalışma esnasında, FET in ısıl kararlılığı BJT ye göre daha yüksektir. Bununla birlikte, FET in bazı dezavantajları vardır: BJT ye kıyasla, kazancı ve bant genişliği daha düşüktür; statik elektrikten daha kolay zarar görür. (1) FET Çeşitleri 1) JFET 2) MOSFET MOSFET ler de iki gruba ayrılır: 1) kanal-ayarlamalı MOFET 2) kanal-oluşturmalı MOSFET (2) JFET in yapısı ve karakteristikleri JFET in iç yapısı Şekil 7.1 de gösterilmiştir. n-kanallı JFET, kalın bir n-tipi malzeme içerisine bir çift p-tipi bölgenin yerleştirilmesiyle elde edilir. Buna karşılık p-kanallı JFET, kalın bir p-tipi malzeme içerisine bir çift n- tipi bölgenin yerleştirilmesiyle elde edilir. Burada JFET in çalışması anlatılırken, Şekil 7.2 de gösterilen öngerilim düzenlemesine sahip n- kanallı JFET ele alınacaktır. V DD besleme gerilimi, akaç-kaynak arasında bir V DS gerilimi oluşturarak, akaçtan kaynağa bir I D akımının akmasını sağlar (n-kanallı JFET te elektronlar gerçekte kaynaktan akaca doğru hareket eder, ki ikinci bahsedilen uç bu yüzden akaç olarak adlandırılır. Geleneksel akım yönü ise, elektron akış yönünün tersinedir). Bu durumda akaç akımı, p-tipi kapılarla çevrili kanal içerisinden akar. Şekil 7.2 de gösterildiği gibi kapı ile kaynak arasında V GG gerilim kaynağı tarafından bir gerilim üretilir. Kapı ile kaynak arasındaki gerilim, kapıkaynak jonksiyonunu ters yönde öngerilimlediği için kapı akımı akmaz. Kanalın iki yanından uygulanan kapı gerilimi tarafından oluşturulan boşaltılmış bölge, kanalın genişliğini azaltarak akaç-kaynak direncini arttırır ve böylece akaç akımının azalmasına neden olur. Şekil 7.1 JFET in İç Yapısı 7-3

3 Şekil 7.2 JFET'in Temel Çalışması V GS = 0V iken FET in çalışma durumu Şekil 7.3(a) da gösterilmiştir. N- kanalı boyunca akım aktığı durumda V DD tarafından üretilen gerilim düşümü, kapı-akaç jonksiyonuna yakın tarafının potansiyeli, kapı-kaynak jonksiyonuna göre daha yüksek olan küçük bir direnç olarak düşünülebilir. P-N jonksiyonuna uygulanan ters öngerilim, Şekil 7.3(a) da gösterildiği gibi, bir boşaltılmış bölge oluşturur. V DD gerilimi arttırıldığında, I D akımı da artarak daha büyük bir boşaltılmış bölgeye yol açar ve akaç ile kaynak arasındaki direnç artmış olur. V DD gerilimi sürekli olarak arttırılırsa, Şekil 7.3(b) de gösterildiği gibi, boşaltılmış bölge kanalın tamamını kaplar. Bu durumda V DD nin daha da arttırılması, I D akımını arttırmaz (I = V/R, V, R, I sabit kalır). V GS = 0 iken V DS ile I DS arasındaki ilişki Şekil 7.3(c) de gösterilmiştir. Bu şekilden I D akımının, sabit bir değere ulaşıncaya kadar, V DS gerilimiyle birlikte arttığı görülmektedir. Bu sabit değer I DSS olarak adlandırılır (Burada DS harfleri akımın akaçtan kaynağa doğru aktığını ifade ederken, son S harfi ise akaç-kapı nın kısa devre (V GS = 0) durumunda olduğunu belirtir). Ters öngerilimde boşaltılmış bölge Boşaltılmış bölge kanalı kapladığı zaman, kanal kısılmış olur Kanal boyunca akan akım (a) (b) 7-4

4 n-kanalı boyunca akan sabit akım n-kanalı kısıllıyor n-kanalı direncinin neden olduğu eğim (c) Şekil 7.3 Kanal Tarafından Oluşturulan Kısma Etkisi (3) JFET in Devre Sembolleri ve Karakteristik Eğrisi 1) Devre sembolleri D : Akaç G : Kapı S : Kaynak n-kanallı p-kanallı 2) Akaç-kaynak karakteristik eğrisi n-kanallı p-kanallı Şekil 7.4 JFET in Akaç-Kaynak Karakteristik Eğrisi 7-5

5 V GS nin arttırılmasıyla (n-kanallıda daha negatif yapılır) kanalda oluşan boşaltılmış bölge, kanalı kısmak için gerekli akımın azalmasına sebep olur. V GS = -1V a karşılık gelen eğri Şekil 7.4(a) da gösterilmiştir. Bu sonuca göre, kapı geriliminin, akaç akımını azaltabilen bir kontrolör olarak iş gördüğü söylenebilir (belirli bir V DS geriliminde). Şekil 7.4(b) de gösterildiği gibi, p-kanallı JFET için V GS daha pozitifken, akaç akımı I DSS den daha küçük olur. V GS sürekli olarak arttırılırsa, akaç akımı buna bağlı olarak azalacaktır. V GS belirli bir değere ulaştığında akaç akımı sıfıra düşer ve V DS değerinden bağımsız hale gelir. Bu andaki kapıkaynak gerilimi kısma gerilimi olarak adlandırılır ve V P veya V GS(kesim) ile gösterilir. Şekil 7.4'ten V P nin, n-kanallı FET için negatif, p-kanallı FET için pozitif bir gerilim olduğu görülmektedir. 3) Transfer karakteristik eğrisi kısılma öncesi doyum bölgesi kısılma sonrası V DS sabit çığ gerilimi denkleminin eğrisi çığ bölgesi Şekil 7.5 JFET için Akaç-Kaynak Karakteristiği ve Transfer Eğrisi JFET için diğer bir karakteristik eğri de, transfer karakteristik eğrisidir. Bu eğri, sabit V DS akaç-kaynak gerilimi için, I D akaç akımının V GS kapıkaynak gerilimine göre değişimini gösterir. Transfer karakteristik eğrisindeki en önemli noktalar I DSS ve V P noktalarıdır. Bu iki nokta koordinat eksenlerine yerleştirildiğinde, diğer noktalar, bu transfer karakteristik eğrisine bakılarak yada Denklem 7.1 kullanılarak bulunabilir: 7-6

6 1 7.1 Denklem 7.1 den V GS = 0 iken, I D = I DSS I D = 0 iken, V GS = V P JFET in ögerilimi, transfer eğrisinde V P ve I DSS nin ortasında olacak şekilde tasarlanır. I DSS ve V P ölçüm devrelerinde, Şekil 7.6(a) da V GS = 0; Şekil 7.6 (b) de V GS yüksek negatif bir gerilim. (a) I DSS Ölçüm Devresi (b) V P veya V GS(kesim) Ölçüm Devresi Şekil 7.6 (4) MOSFET in yapısı, karakteristikleri ve devre sembolleri MOSFET ler kanal ayarlamalı MOSFET ve kanal oluşturmalı MOSFET olmak üzere ikiye ayrılır. Bu iki tür MOSFET in yapıları sırasıyla Şekil 7.7(a) ve (b)'de gösterilmiştir. Kanal ayarlamalı MOSFET te kanal zaten mevcut olduğu için, V DS gerilimi uygulanır uygulanmaz I DS akımı akmaya başlar. Kanal oluşturmalı MOSFET te ise başlangıçta kanal mevcut olmadığından, önce kanalı oluşturmak üzere pozitif (p-kanallı için) yada negatif iyonları (n-kanallı için) endüklemek için kapıya gerilim uygulanmalı ondan sonra da I DS akımını oluşturmak için V DS gerilimi uygulanmalıdır. p-tipi alt katman Katkılanan n-tipi malzeme izolasyon için yalıtkan malzeme p-tipi alt katman n-tipi kanal endüklenen-tipi kanal (a) Kanal-ayarlamalı (b) Kanal-oluşturmalı Şekil 7.7 MOSFET in Yapısı 7-7

7 1) Kanal-ayarlamalı MOSFET in karakteristikleri Kanal ayarlamalı MOSFET te boşaltımış bölgenin nasıl oluştuğu, Şekil 7.8 de gösterilmiştir. Şekil 7.8 G ye negatif gerilim uygulandığında, n-tipi kanaldaki negatif yükler, endüklenmiş pozitif yüklerle birleşerek boşaltılmış bölgenin genişlemesine sebep olur. Aksine pozitif V GS geriliminin uygulanmasıyla daha fazla negatif yük endüklenir ve kanalın iletkenliği artar. Bu da akımın artmasına sebep olur. Şekil 7.9 da gösterilen n-kanallı kanal ayarlamalı MOSFET in karakteristik eğrisinden, bu FET in hem negatif hem de pozitif V GS gerilimlerinde çalışabileceği görülmektedir. Negatif V GS gerilimi, kısma meydana gelip I D akımı akmayana kadar akaç akımını azaltır. Kapı kanaldan izole edilir ve V GS nin pozitif veya negatif olmasına bakmaksızın I GS akımı sıfırdır. 2) Kanal-ayarlamalı MOFET in devre sembolü Şekil 7.9(b), kanal ayarlamalı MOSFET in devre sembolünü göstermektedir. Bu sembol, G, D ve S uçlarına ilave olarak, altkatman (substrate) olarak ifade edilen ve eleman tipini tanımlayan başka bir uca daha sahiptir. Altkatman sembolü bir ok içermektedir ve burada okun yönü, MOSFET in n-kanallı olduğunu belirtmektedir. P-kanallı kanal ayarlamalı MOSFET in sembolü, yapısı ve karakteristik eğrisi Şekil 7.10 (a) (b) de gösterilmiştir. 7-8

8 transfer eğrisi alt katman (a) (b) akaç karakteristik eğrisi (c) N-kanallı Kanal-ayarlamalı MOSFET in Karakteristik Eğrisi Şekil 7.9 n-tipi alt katman (a) Elemanın Yapısı 7-9

9 alt katman (b) Elemanın Karakteristik Eğri Şekil 7.10 P-kanallı Kanal-ayarlamalı MOSFET 3) Kanal-oluşturmalı MOSFET in karakteristikleri Şekil 7.11 de, temel eleman yapısı olarak D ile S arasında bir kanala sahip olmayan, n-kanallı kanal oluşturmalı MOSFET in yapısı gösterilmiştir. D ile S arasına +V GS uygulandığında, endüklenen negatif yükler bir kanal oluşturur. Şekil 7.11(c) de karakteristik eğri gösterilmiştir. Bu şekilden, V GS gerilimi V T eşik gerilimini aşmadığı sürece I D akımı üretilmeyeceği görülmektedir. V GS, eşik gerilimini aşarsa I D akımı artmaya başlar. Transfer karakteristik eğrisi Denklem 7.2 kullanılarak çizilebilir. 7.2 K değeri genellikle 0.3mA/V 2 olarak alınır. V GS =0 iken akaç akımı akmadığı için formülde I DSS kullanılmamıştır. Kanal oluşturmalı MOSFET, çalışma aralığı bakımından, kanal ayarlamalı MOSFET e göre daha kısıtlı olmasına karşın, daha basit yapısı ve daha küçük boyutlarda üretilebilmesi dolayısıyla büyük ölçekli tümdevrelerde yaygın olarak kullanılır. P-kanallı kanal oluşturmalı MOSFET in yapısı ve karakteristik eğrileri Şekil 7.12 de gösterilmiştir. kapıya V T gerilimini aşan boşaltılmış bölge pozitif gerilim uygulandığında, n-kanalı oluşturulur (a) Kanal-oluşturmalı MOSFET te n-kanalının oluşturulması 7-10

10 alt katman (b) (c) Şekil 7.11 N-kanallı Kanal Oluşturmalı MOSFET in Karakteristik Eğrisi n-tipi (a) Eleman Yapısı (b) Karakteristik Eğri Şekil 7.12 P-kanallı Kanal Oluşturmalı MOSFET 4) Kanal oluşturmalı MOSFET in devre sembolleri D ile S arasındaki kesik çizgiler, başlangıçta D ile S arasında kanal olmadığını belirtir. N-kanallı P-kanallı 7-11

11 7.3 KULLANILACAK ELEMANLAR (1) KL-200 Lineer Devre Deney Düzeneği (2) Deney Modülü: KL (3) Ölçü Aletleri: 1. Multimetre 2. Güç kaynağı 3. ma metre (4) Araç: Temel el araçları. (5) Malzemeler: KL te gösterildiği gibi. 7.4 DENEYLER (7-1) JFET karakteristikleri deneyi I DSS Ölçümü Deneyin Yapılışı: (1) KL modülünü, KL-200 Lineer Devre Deney Düzeneğine yerleştirin ve b bloğunun konumunu belirleyin. (2) Şekil 7.1(a) daki devre ve blok b.1 bağlantı diyagramı yardımıyla kısa-devre klipslerini yerleştirin. (3) I D akımını ölçmek için ampermetre bağlayın. (4) G yi toprağa bağlayın. V DD değerini, 3V ile 18V arasında ayarlayarak, ampermetrede gösterilen I D değerini ölçün ve kaydedin Deney Sonucu: Tablo 7-1(a) da kaydedilmiştir. V DD (V) I DSS (ma) Tablo 7-1(a) 7-12

12 Şekil 7.1 (a) Şekil blok b I GS Ölçümü Deneyin Yapılışı: (1) Şekil 7.1(b) deki devre ve blok b.2 bağlantı diyagramı yardımıyla kısa-devre klipslerini yerleştirin. (2) I G akımını ölçmek için ampermetre bağlayın. (3) a. V G yi +5V a ve D ile S yi toprağa bağlayın. I G akımını ölçün ve kaydedin. b. V G yi -5V a ve D ile S yi toprağa bağlayın. I G akımını ölçün ve kaydedin. 7-13

13 Deney Sonucu: Tablo 7-1(b) de kaydedilmiştir. V GS I GS +5V -5V Tablo 7-1(b) Şekil 7.1(b) Şekil blok b

14 7-1-3 V P (V GS(kesim) ) ölçümü Deneyin Yapılışı: (1) Şekil 7.1(c) deki devre ve blok b.3 bağlantı diyagramı yardımıyla kısa-devre klipslerini yerleştirin. (2) I D akımını ölçmek için ampermetre bağlayın. (3) I D =0 olacak şekilde VR4 (VR1MΩ) ü ayarlayın. (4) I D =0 iken, voltmetre kullanarak V GS yi ölçün Deney Sonucu: I D =0 iken kaydedilen V GS değeri, V P dir. Şekil 7.1(c) Şekil blok b

15 (7-2) MOSFET karakteristikleri deneyi I DSS ölçümü Deneyin Yapılışı: (1) Şekil 7.2(a) daki devre ve blok b.4 bağlantı diyagramı yardımıyla kısa-devre klipslerini yerleştirin. (2) I D akımını ölçmek için ampermetre bağlayın. (3) G yi toprağa bağlayın. V DD değerini, 3V ile 18V arasında ayarlayarak, ampermetrede gösterilen I D değerini ölçün ve kaydedin Deney Sonucu: Tablo 7-2(a) da kaydedilmiştir. V GS =0V V DD (V) I DSS (ma) Tablo 7-2(a) V P (V GS(kesim) ) ölçümü Deneyin Yapılışı: (1) Şekil 7.2(b) deki devre ve blok b.5 bağlantı diyagramı yardımıyla kısa-devre klipslerini yerleştirin. (2) I D akımını ölçmek için ampermetre bağlayın. (3) V GG ye -12V, V DD ye +12V bağlayın. (4) I D =0 olacak şekilde, VR4 (VR1MΩ) ü ayarlayın. (5) I D =0 iken, voltmetre kullanarak V GS yi ölçün (V P ). (6) V GS =0V olacak şekilde VR4'ü ayarlayın. V DD değerini, 3~18V arasında ayarlayarak I D akımını ölçün. 7-16

16 Deney Sonucu: V P =? V GS =0V V DD (V) I DSS (ma) Tablo 7-2(b) Şekil 7.2(a) Şekil blok b.4 Şekil 7.2(b) 7-17

17 Şekil blok b DENEY SONUÇLARI Bu bölümde, FET in yapısı, sembolleri ve karakteristikleri hakkında bilgi verilmiştir. Bu noktadan sonra, yükselteç uygulamalarında, transistör yada OPAMP yerine FET de tercih edilebilir. İki FET türü çok yaygın olarak kullanılır: (1) JFET n-kanallı FET p-kanallı FET (2) MOSFET Kanal-ayarlamalı MOSFET : n-kanallı FET, p-kanallı FET Kanal-oluşturmaı MOSFET : n-kanallı FET, p-kanallı FET JFET, genellikle devrelerde tek başına kullanılır. Bununla birlikte, MOSFET ler yaygın olarak büyük-ölçekli IC lerde kullanılır. Transistörlerde bulunmayan bazı özelliklere sahip olması nedeniyle, FET ler, ses cihazlarının ön-yükselteçleri, dijital tümdevrelerin dahili konfigürasyonları, elektronik anahtarlar vs.gibi bazı özel devrelerde kullanılırlar. Çeşitli FET lerin devre sembolleri aşağıda gösterilmiştir: n-kanallı p-kanallı 7-18