DENEY 9: JFET KARAKTERİSTİK EĞRİLERİ 9.1. Deneyin Amacı Bir JFET transistörün karakteristik eğrilerinin çıkarılıp, çalışmasının pratik ve teorik olarak öğrenilmesi 9.2. Kullanılacak Malzemeler ve Aletler J113 N-kanallı JFET, 100 Ω, 100 kω direnç ve bağlantı kabloları DC güç kaynağı, Multimetre 9.3. Teorik Bilgiler ALAN ETKİLİ TRANSİSTÖR FET (Alan Etkili Transistör) gerilim kontrollü ve üç uçlu bir elemandır. FET in uçları G (Kapı), D (Drain) ve S (Kaynak) olarak tanımlanır. FET in yapısı ve sembolü Şekil 1 de gösterilmiştir. FET ler aşağıdaki gibi 3 grupta toplanabilir. - JFET (Jonksiyon FET) - IGFET( Kapı izoleli FET) - MOSFET (Metal oksit yarı iletken FET) JFET BJT akım kontrollü bir elemandır yani beyz akımı ile kollektör akımı kontrol edilir. FET ise gerilim kontrollu bir elemandır. FET in kapı (G) ile kaynak (S) arasına uygulanan gerilim ile kanaldan (D ile S arasından) geçen akım kontrol edilir. G-S uçlarına uygulanan gerilim, kanaldan geçen akımın yönüne dik olan bir elektrik alanı oluşturur. JFET, N veya P kanal olabilir. N kanal JFET de, kanal N tipi ve kapı P tipi bir malzemedir. Kapıdan kanala bir P-N jonksiyonu mevcuttur. Kapıya uygulanan gerilim P- N jonksiyonunu ters yönde kutuplar ve kapıdan çok küçük bir sızıntı akımı geçer. Bu nedenle FET lerde giriş direnci çok yüksektir ( 1000 MΩ). G ile S uçlarına ters yönde bir gerilim uygulandığında, P-N jonksiyonunda boşluk bölgesi oluşur. Boşluk bölgesinde akım taşıyıcısı yoktur. Boşluk bölgesi kanal içine doğru genişleyerek kanalın akım geçiren kısmını daraltır ve kanalın direncini arttırır. Bu durum Şekil -2 de gösterilmiştir. Kanalın direnci ve kanaldan geçen akım, V GS ile V DS nin fonksiyonudur. 1
Şekil 1. JFET yapı ve sembolleri, a) N kanal ve b) P kanal. Şekil 4.2. N kanal JFET in çalışma prensibi. N kanal FET te G ile S uçları arasına 0 veya negatif bir gerilim, D ile S uçları arasına ise pozitif bir gerilim uygulanır. Kapıdan kanala olan P-N jonksiyonu ters yönde kutuplanır. V GD = V GS V DS olduğuna göre, V GD gerilimi V GS e göre daha negatiftir. Bu nedenle, G ile D arasındaki bölgede ters yönde kutuplanan P-N diyodunun boşluk bölgesi daha geniş olur. V GS = 0 iken V DS geriliminin arttırılması ile N kanal JFET te elde edilen karakteristik Şekil-3 te gösterilmiştir. A ile B noktaları arasındaki direnç bölgesinde V DS nin 0 dan itibaren arttırılması ile i D akımı I DSS değerine kadar artar. A ile B arasında, boşluk bölgesinin genişliği etkili olmadığından kanalın direnci sabittir. V GS = 0 iken geçen I DSS akımı FET in maksimum akımıdır. B noktasında V DS gerilimi V P değerini alır. B noktasından sonra, V DS geriliminin artırılması ile i D akımı değişmez. C noktasından sonra V DS geriliminin artırılması, P-N jonksiyonunun ters yönde devrilmesine neden olur ve i D akımı hızla artar. B ile C noktaları arasındaki bölgeye pinch-off bölgesi denir. P-N jonksiyonunun ters kutuplanması ile oluşan boşluk, pinch-off bölgesinde kanalı tıkar ve kanal direncini artırır. Buna rağmen 2
kanal akımı sabit kalır. Akımın sabit kalmasının nedeni, V DS geriliminin kanal direncindeki artışı dengelemesidir. V DS gerilimi, kaynaktan çıkan elektronların tıkalı bölgeyi geçerek D ucuna ulaşmasını sağlar. B noktasındaki V DS gerilimine V P pinch-off gerilimi denir. Şekil-3. V DS = 0 iken N kanal JFET in karakteristik eğrisi. V GS ve V DS gerilimleri değiştirildiğinde, N kanal JFET te i D akımının değişimi Şekil-4 te verilmiştir. FET in kesim bölgesinde V GS gerilimi V P ye eşit olur. Bu durumda boşluk bölgesi kanalı tamamen tıkar ve kanal direnci çok büyüktür. V DS geriliminin artırılması ile (ters devrilmeye kadar) kanaldan akım geçemez. V GS = 0 iken, V DS gerilimi V P değerini aldığında FET in akımı I DSS değerini alır. Bu esnada G ile D uçları arasındaki P-N jonksiyonu, V p gerilimi ile ters yönde kutuplanır ve G ile D arasındaki boşluk bölgesi kanalı tıkar. V GD = V P durumu pinch-off bölgesinin başlangıcıdır. V GS negatif bir gerilim ve V DS gerilimi V P değerinden küçük iken V GD = V P şartı sağlandığında, G-D arasındaki kanal tıkanır ve pinch-off bölgesinde çalışma gerçekleşir. Bu durumda V DS küçük olduğundan i D akımı da I DSS ten küçüktür. V DS in pinch-off değeri V DS(P) = V P + V GS şeklinde hesaplanır. Şekil-4 ve 5 te FET in karakteristik eğrileri ve çalışma bölgeleri gösterilmiştir. 3
Şekil-4. N kanal JFET in karakteristik eğrileri. Şekil-5. N kanal JFET in çalışma bölgeleri. 4
JFET in Transfer Karakteristiği N kanal FET te V GS gerilimi, 0 ile V P arasında değiştirilerek I D akımı kontrol edilir. P kanal FET te ise I D akımının kontrolu için V GS gerilimi 0 ile V P arasında değiştirilir. Kesimdeki V GS değerine V GS(off) da denir. V GS(off) ile V P mutlak değer olarak birbirine eşittir. Katalogların çoğunda sadece V GS(off) değeri verilir. Bu değer 10 na gibi çok küçük bir akımda tanımlanır. V GS gerilimi ile I D akımı arasındaki ilişki aşağıdaki eşitlikte verilmiştir. Bu eşitliğe göre, V GS gerilimi ile I D akımı arasındaki ilişki, yani transfer karakteristiği parabolik bir değişim gösterir. N kanal FET in transfer karakteristiği Şekil 6 da gösterilmiştir. Örnek 1: Şekil-6. N kanal JFET in transfer karakteristiği. 5
İleri Yön Geçiş İletkenliği FET de ileri yön geçiş iletkenliği g m, V DS gerilimi sabit iken, I D akımındaki değişimin V GS gerilimindeki değişime oranı olarak tanımlanır. FET in transfer karakteristiği lineer olmadığı için g m çalışma noktasına bağlı olarak değişir. Şekil-7 de farklı çalışma noktalarında g m in bulunması gösterilmiştir. Şekil-7. N kanal JFET te farklı çalışma noktalarındaki g m. V GS = 0 iken g m değeri g m0 olarak tanımlanır. Herhangi bir noktadaki g m değeri, g m0 a göre aşağıdaki eşitlikle hesaplanır. Örnek 2: I DSS = 8mA ve V P = 4V olan bir JFET için g m değerlerini aşağıdaki çalışma noktaları için hesaplayınız. a) V GS = 0.5V. b) V GS = 1.5V. c) V GS = 2.5V. Çözüm: İstenen noktalardaki eğimler bulunarak g m değerleri tesbit edilebilir. Bunun için bu noktaların her iki tarafından, eğimi en iyi yansıtan, uygun bir aralık belirlenip hesap yapılır. 6
JFET in kutuplanması JFET de kutuplamanın amacı uygun bir V GS gerilimi ile istenilen I D akımını sağlamaktır. edilir. V G gerilimi sızıntı akımı çok küçük olduğundan 0 kabul Şekil-8 JFET in kutuplanması. Örnek 3: 9.4. Ön Hazırlık Soruları 1. Deney föyündeki örnek soruları inceleyiniz. 2. Deneyin benzetimini Proteus programında gerçekleştiriniz (J113 yerine U309 kullanabilirsiniz). 7
9.5. Deneyin Yapılışı Çıkış Karakteristiği R D = 100 Ω R G =100 kω 1. Şekildeki devreyi kurup V GS = 0V için V GG kaynağını 0V a ayarlayınız. 2. V DD yi değişirerek V DS yi tablodaki değerlere ayarlayınız. Her V DS için I D akımını ölçünüz ve tabloya kaydediniz (I D, R D üzerindeki gerilimden hesaplanabilir). 3. Yukarıdaki işlemleri V GS -0.5V, -1V, -1.5V için tekrarlayınız. 4. Çıkış karakteristik eğrisini elde ettiğiniz verilerden çiziniz. V DS (V) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 5 6 V GS = 0V V GS = 0. 5V V GS = 1V V GS = 1. 5V I DS I DS I DS I DS Transfer Karakteristiği 1. Aynı devrede V DD yi değiştirerek V DS = 10V a ayarlayınız. 2. V GG yi değişirerek V GS yi -0.5V dan -3.5V adım adım değiştirip I D akımını ölçünüz ve tabloya kaydediniz (I D, R D üzerindeki gerilimden hesaplanabilir). 3. Transfer karakteristik eğrisini elde ettiğiniz verilerden çiziniz. V DS = 10V V GS (V) I D (ma) 0-0.5-1 -1.5-2 -2.5-3 -3.5 8
Hesaplamalar I DSS akımı: V GS = 0 iken FET kanalından geçen akımın maksimum değeridir. Pinch-off gerilimi V P (V GS(off) ): I D akımının sıfır olduğu andaki V GS gerilimidir. g m iletkenliği: Kanal akımındaki küçük bir değişimin ( I D ), buna karşılık gelen V GS deki değişime ( V GS ) oranıdır. g m = I D / V GS (sabit V DS de) Çıkış direnci: JFET pinch-off bölgesindeyken, V DS deki küçük bir değişimin ( V DS ), buna karşılık gelen I D deki değişime ( I D ) oranıdır. r D veya r o = V DS / I D (sabit V GS de) 9.6. Deney Sonuç Soruları 1. Deneyde elde edilen verilerden çıkış karakteristik eğrisini ve transfer karakteristiği eğrisini çiziniz. 2. V P ve I DSS değerlerini çizdiğiniz eğrilerden belirleyiniz. 3. Çizdiğiniz eğrilerden V GS = 1V ve V GS = 2V çalışma noktalarındaki g m değerlerini bulunuz. 4. V GS = 1V ve V GS = 2V çalışma noktalarındaki g m değerlerini, deneyde elde ettiğiniz V P ve I DSS değerlerini kullanarak teorik olarak hesaplayınız. 5. JFET ile BJT nin avantaj ve dezavantaj karşılaştırmasını yapınız. 6. Şekildeki devrenin I D, V DS, V D, V S, V G değerlerini bulunuz. Kaynakça ve Notlar http://www.yildiz.edu.tr/~fbakan/analog/analog3.pdf Electronic Devices And Circuit Theory, Prentice Hall 9