Karadeniz Teknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi * Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Elektronik Anabilim Dalı * Elektronik Laboratuarı I

Transkript

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) Drain (D) Gate (G) Source (S) BJT Transistördeki karşılığı Collector (C) Base (B) 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 1

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. 2

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 V DS - I D 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. V DS voltajı arttıkça fakirlik bölgesi Drain ucuna doğru genişlemeye başlar. I D akımı artık V DS 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 I DSS akımı denilmektedir. 3

4 Saturasyon bölgesinde eğer V GS voltajını negatif yönde artırırsak, Source ucundaki kanal biraz daha daralır. Bu da kanal direncini artırır ve Drain akımını düşürür. V GS voltajı kesim voltajı olan V P değerine eşit veya daha negatif olduğunda, fakirlik bölgesi tamamıyla kanalı kapatana kadar genişlemiş olur ve I D akımı akamaz. Saturasyon bölgesinde I D akımı V GS voltajına bağlı olarak Denklem 1 deki formüle göre hesaplanabilir. JFET in Saturasyon bölgesinde olma koşulu ise şöyle tanımlanmaktadır: V V P DS V 0 GS V GS V P I D I DSS V (1 V GS P 2 ) (Denklem 1) 4

5 Aşağıdaki grafikte ise Denklem 1 e ait eğri görülmektedir. Çalışma noktasındaki V GS değerine bağlı olarak hesaplanabilecek olan eğim bize iletkenlik değeri olan g m sabitini verecektir. g m ; BJT transistor deki β olarak düşünülebilir. g m parametresinin birimi 1 veya Siemens olur. 2IDSS V GS g m 1 (Denklem 2) VP VP 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 (SiO 2 ) tabakasıyla transistor ün geri kalanından ayrılmış olmasıdır. Bu sayede JFET lere oranla çok daha yüksek bir giriş empedansına sahip olurlar. Tipik olarak 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. 5

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. V DS voltajının artmasının tek etkisi fakirlik bölgesinin genişlemesi olacaktır. 6

7 V GS 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. V GS voltajı V T voltajından büyük olduğu zaman, n-tipli bir kanal Drain ve Source arasında oluşturulmuş olur Daha büyük bir V GS voltajı, kanaldaki serbest elektronların sayısını artırır. Bunun sonucu olarak da evirme bölgesi genişler. 7

8 Genişlemiş evirme bölgesi sayesinde kanalın direnci düşmüş olur böylece V DS voltajına bağlı olarak bu kanaldan I D akımı akacaktır. Artık MOSFET Saturasyon bölgesine girmiştir. Bu bölgede I D akımı V DS voltajından bağımsızdır ve V GS voltajına bağlı olarak değişir. 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,. 8

9 Saturasyon bölgesinde I D ile kapı gerilimi arasındaki ilişki kabaca aşağıdaki formülle verilir. 2 ID K(VGS - VTh ) (Denklem 3) Bu denklemde K değeri, MOSFET in yapısına ilişkin bir değer olup tipik olarak 0,3 ma/v 2 değerindedir. V GS = 0 Volt durumunda hiç Drain akımı akmayacağından I DSS değeri de olmayacaktır. Aşağıdaki grafik Saturasyon durumunda I D -V GS değişimini göstermektedir. I D I K(V D 2 GS - VTh ) V Th V GS 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. 9

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 I D I DSS (1- V V GS 2 ) P formülüyle hesaplanır. Şekilden de görüldüğü üzere V GS değeri bu tip transistörlerde pozitif bölgede olabilmektedir. 10

11 3 Deneyin Yapılışı: KL 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 I D -V DS grafiğini çizin. Sonuç : I DSS = ma R6 1K AA A ma 3-18 V V DD 3V 4V 5V 7V 9V 12V 15V 18V V DS I D I D V DS 11

12 4.2 I GS ölçümü Deney modülü üzerindeki blok-b yi kullanarak aşağıdaki şekilde gösterilen devreyi klips ve (gerekiyorsa) kablolar yardımıyla oluşturun. Öncelikle +5V gerilim kaynağını bağlayarak I GS akımını ölçün. Daha sonra ise -5V gerilim kaynağını bağlayarak I GS akımını ölçün. Ölçüm sonuçlarınızı tabloya kaydedin. (Dikkat : Devreye +5V ve -5V aynı anda bağlanmayacaktır) R5 1K A 5V 5V 5V +5V -5V I GS Sonuç : G-S akımı hangi durumda 0 (sıfır) olarak değerlendirilmektedir? JFET transistörlerin giriş empedansları neden yüksektir? 12

13 4.3 V P ölçümü Deney modülü üzerindeki blok-b yi kullanarak şekilde gösterilen devreyi klips ve (gerekiyorsa) kablolar yardımıyla oluşturun. Daha sonra VR4 direncini I D akımı sıfır olacak şekilde ayarlayın. Bu ayarlamayı yaparken eğer mümkünse ampermetrenin hassasiyetini µa mertebesine getirin. I D akımı sıfır olduğu anda V GS voltajını ölçün. Denklem 1 in yardımıyla I D =0 iken ölçülen V GS voltajı bize V P değerini verecektir. V P = V R6 1K 12V 1M VR4 A 12V Sonuç: ID akımının ölçülmesi esnasında dikkat edilmesi gereken noktalar nelerdir yazınız: Aynı devreyi kullanarak IDSS akımını nasıl ölçebiliriz? 13