MOSFET:METAL-OXIDE FIELD EFFECT TRANSISTOR METAL-OKSİT ALAN ETKİLİ TRANZİSTOR. Hafta 11

Transkript

1 MOSFET:METAL-OXIDE FIELD EFFECT TRANSISTOR METAL-OKSİT ALAN ETKİLİ TRANZİSTOR Hafta 11 Prof. Dr. Mehmet Akbaba Karabük Üniversitesi Bilgisayar Mhendisliği Bölümü Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 1

2 METAL-OKSİTLİ YARI İLETKEN FET (MOSFET) Metal-oksit yarıiletken alan etkili tranzistor (MOSFET), FET lerin bir diğer çeşididir. MOSFET lerde JFET lerden farklı olarak PN birleşimi yoktur. Bunun yerine MOSFET lerin gate i, silikon dioksit (SiO 2 ) tabaka tarafından kanaldan yalıtılmıştır. Bu yüzden giriş empedansı çok çok yüksektir. Azaltan tip MOSFET (Depletion), D- MOSFET) ve çoğaltan tip MOSFET (Enhancement), E-MOSFET) olmak üzere iki tip MOSFET vardır. Aşağıdaki bölümlelerde bu MOSFET ler ayrı ayrı incelenecektir BLM224 ELEKTRONİK Prof. M. Akbaba 2

3 Azaltan Tip MOSFET (D-MOSFET) Şekil 1.a da N kanal ve Şekil 1.b de P kanal azaltan tip MOSFET lerin yapısı görülmektedir. Burada genellikle N kanal D-MOSFET in çalışması üzerine durulacaktır. P kanal D-MOSFET in çalışması da aynıdır. Farklı olan sadece uygulanan gerilimin kutuplarının ters olmasıdır. Drain ve source alt tabaka üzerine yayılmış ve dar bir kanal ile birbirlerine bağlanmıştır. Bu kanal ile gate birbirlerinden yalıtılmıştır ve birbirlerine çok yakındır BLM224 ELEKTRONİK Prof. M. Akbaba 3

4 a) Yapı (structure) b) Devre şeması (circuit symbol) Şekil 1.a: n-kanal Azaltan tip MOSFET BLM224 ELEKTRONİK Prof. M. Akbaba 4

5 a) Yapı (structure) b) Devre şeması (circuit symbol) Şekil 1.b : p-kanal Azaltan tip MOSFET BLM224 ELEKTRONİK Prof. M. Akbaba 5

6 Şekil 2 de azaltan mod çalışma görülmektedir (n-tipi ve p- tipi). Tıpkı iki iletken tabaka arasına konulan dielektrik (yalıtkan) maddeden oluşan kondansatörde olduğu gibi gate ile kanal arasında da silisyum dioksit yalıtkan madde (dielektrik madde) vardır. Negatif V GS gerilimiyle gate de bulunan negatif yükler kanaldaki serbest elektronlar itilir ve yerlerine pozitif iyonlar geçer. Dolayısıyla N kanalındaki elektronlar azalmış olur ve kanalın iletkenliği de azalmış olur. Negatif V GS gerilimi ne kadar artarsa kanaldaki elektronlar o kadar azalır. Negatif gate-source gerilimi, VGS(off) veya V P seviyesine ulaştığında kanaldaki elektronlar tamamen bitmiştir ve drain akımı sıfır olur. N kanal D-MOSFET de, gate-source gerilimi V P ile 0 V arasında iken drain akımı akar BLM224 ELEKTRONİK Prof. M. Akbaba 6

7 D-MOSFET, azaltan mod ve çoğaltan mod olmak üzere iki farklı modda çalışmaktadır. Gate, kanaldan izole edildiği için pozitif veya negatif gate gerilimi uygulanabilir. N kanal MOSFET, gate-source arasına negatif gerilim (-V GS ) uygulandığı zaman azaltan modda çalışırken (Şekil 2.a), gate-source arasına pozitif gerilim (+V GS ) uygulandığı zaman (Şekil 2.b) çoğaltan modda çalışır. Şekil 3 da D-MOSFET transfer ve drain karakteristkleri görülmektedir. Dikkat edilecek olursa çoğaltan mod çalışmada V GS değeri pozitif olmaktadır. Azaltan modda çalişan D-MOSFET in transfer kareteristiği ve çalışma denkleleri JFET inkilere tamam benzemektedir BLM224 ELEKTRONİK Prof. M. Akbaba 7

8 (a) Azaltan mod : V GS <0 Şekil 2.a : n-kanal D-MOSFET in azaltan bölgede çalışması Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbabaöledeg 8

9 (b) Çoğaltan mod : V GS >0 Şekil 2.b : n-kanal D-MOSFET in çoğaltan bölgede çalışması Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 9

10 ID (ma) ID (ma) Azaltan Mod 10,9 8 Çoğaltan Mod I DSS VGS = +1V VGS = 0V VGS = - 1V I DSS 2 VGS = - 2V VGS (V) ID = 0mA, VGS = VP - 6 VP - 3 Transfer Karekteristiği Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 10 I DSS 4 0 VGS = - 3V VGS = - 4V Drain Karekteristiği Şekil 3 : n-kanal D-MOSFET in azaltan bölgede transfer ve Drain karekteristikleri bölgede çalışması VGS = - 5V VGS = VP = - 6V VDS (V)

11 Şekil 3 ten görüldüğü gibi D-MOSFETİN transfer ve drain karekteristikleri azaltan tip JFET inkilerle aynıdırlar. D-MOSFET lerin KUTUPLANDIRILMASI D-MOSFET lerin en çok kullanılan iki tip kutuplama yöntemi vardır ve bunlar JFET lerinki ile tamamen benzerdir: a) Öz kutuplama yöntemi (self biasing). Bu tür kutuplama Şekil 4.a da gösterilmiştir. b) Gerilim bölücü kutuplama yöntemi (voltage divider biasing). Bu tür kutuplama Şekil 4.b de gösterilmiştir. Aşağıda verilecek örnekler bu yöntemlerin çalışma prensiplerinin daha yakından anlaşılmasını kolaylaştıracaktır Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 11

12 a) Öz kutuplamalı D-MOSFET b) Gerilim bölücü kutuplamalı D-MOSFET Şekil 4: D-MOSFET in kutuplama (biasing) yönemleri Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 12

13 Şekil 4.a da verilen öz kutuplamalı devre için aşağıdaki Eşitlikler yazılabilir: V GS =-R S.I D =-V S Drain akımı yine JFET lerde olduğu gibi Shocley denklemi İle ifade edilir: I D I DSS 1 V V GS P 2 I DSS 1 2 R V S P I D V DS =V DD -(R D +R S ).I D V S =R S.I D Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 13

14 ÖRNEK 1: Şekil 4.a da verilen öz kutuplalı (self biasing) D-MOSFET devresinin parametreleri aşağıda verilmiştir: I DSS =10 ma, V P =-9 V, V DD =20 V, R D =6 kω, R S = 2.7 kω, R G =900 kω a) I D ve V GS değerlerini grafik yoldan bulunuz. b) I D, V GS, V DS, V S ve V G parametrelerinin değerlerini hesap yolu ile bulunuz. ÇÖZÜM: a) Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 14

15 Yukarıdaki tanımlara göre çizilmiş garafik aşağıda şekil 5 te verilmiştir Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 15

16 Şekil 5: Örnek 1 in grafiği Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 16

17 Görüldüğü gibi hesap ve grafik çözümler çok iyi bir yaklaşıklıkla aynı sonucu veriyorlar Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 17

18 ÖRNEK 2: Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 18

19 Şekil 6 da verilmiştir Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 19

20 Şekil 6: Örnek 2 in grafiği Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 20

21 Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 21

22 E-MOSFET in Çalışma Prensibi Daha önce kaydedildiği gibi E-MOFET lerde kanal yoktur. Bu durum Şekil 7.a da açıkça görülmektedir. Bu durmda MOSFETTEN hiç bir akım geçmez. Gate ile surce arasına gerilim uygulanmadan drain ile source arasına bir gerilim bağlasak kanal olmadığı için yine akım geçmez. Ancak gate ile source arasına bir VGS gerilimi uyguladığımızda, V GS nin eşik veya treshold, V th. Geriliminden daha büyük bir gerilime ulaşması halinde akım akmaya başlar. Bu durum Şekil 8 de verilen transfer karekteristiği üzerinde gösterilmiştir Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 22

23 (a) (b) Şekil 7: n-tipi EMOSFET te kanal oluşturulması Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 23

24 Tranfer karekteristiği Drain krekteristiği Şekil 8: E-MMOSFET in transfer ve drain karekteristikleri Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 24

25 Gate-source arsına pozitif gerilim, V GS, uygulandığında Yalıtkan olan SiO 2 tabakasının üzeride + yükler birikir ve Bu + yükler karşı taraftaki p tipi tabandaki + yükleri iterek bölgeden uzaklaştırırlar. Geriye - yükler kalır ve buda İki n tabakası arasında bir kanal oluşturarak akımın Akmasına izin verir. V GS, nin değeri pozitif olarak arttıkça Kanal daha çok genişler ve daha çok akım akar. Bu durum Şekil 8.b de gösterilmiştir Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 25

26 Şekil 7 da E-MOSFET in transfer karakteristiği görülmektedir. Karakteristik eğride de görüldüğü gibi V GS değeri V GS(th) eşik geriliminden düşük olduğu zaman drain akımı sıfırdır. Buradan aşağıdaki eşitlik çıkmaktadır. I D k ( V V GS GS (th ) ) 2 k I D( on) ( V V GS ( on) GS ( th) ) BLM224 ELEKTRONİK Prof. M. Akbaba 26

27 Yukarıdaki bağıntılarda görülen ID(on) ve VGS(on) transfer karekteristiği üzeride üretici fırma tarafından ölçülen ve k parametresinin hesabı için MOSFET ile birlikte sunulan değerlerdir. Aynı şekilde Vth geriliminin değeride üretici firma tarafından belirlenip kullanıcılara sunulur. MOSFET in numarası biliniyosa internetten de bu parametreler bulunabilmektedir Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 27

28 E-MOSFET lerin KUTUPLANDIRILMASI (Şekil 9) Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 28

29 Şekil 9: Geri Besleme yöntemi ile kutplandırılmış E-MOSFET Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 29

30 Gerilim bölücü ile kutuplamanın bağlama şeması Şekil 10 da gösterilmiştir Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 30

31 a) R S direnci yok b) R S direnci bağlı Şekil 10: Gerilim Bölücü yöntemi ile kutplandırılmış E-MOSFET Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 31

32 Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 32

33 Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 33

34 Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 34

35 Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 35

36 Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 36

37 Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 37

38 Şekil 11: Geri beslemeli kutuplamalı n-tipi E-MOSFET örneği Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 38

39 Voltage divider (gerilim bölücü) biasing (kutuplama) ÖRNEK: Aşağıdaki devrede drain akımını bulunuz. MOSFETİN katalok bilgileri: ID(on)=200 ma de V GS =4V, V GS(th)= V th =2V

40 R 1 =100kΩ, R 2 =15kΩ, R D =4.7kΩ, drain akımını bulunuz Electronik Devreler, Prof. Dr. Mehmet Akbaba 40

41 Şimdi V GS =3.13 V için I D yi bulalım: Son olarak V DS yi hesaplayalım:

42 KAYNAKLAR 1. Robert Boylestad and Louis Nashelski, Elektromik Cihazlar ve Devre Teorisi, Palme Yayıncılık 2. Mehmet Akbaba, Elektronik Devreler Ders Notları 3. Thomas L. Floyd, Electronic Devices, Merill Publishin Company KBUZEM Karabük Üniversitesi Uzaktan Eğitim Uygulama ve Araştırma Merkezi 42