T.C. MİLLİ EĞİTİM BAKANLIĞI MEGEP (MESLEKİ EĞİTİM VE ÖĞRETİM SİSTEMİNİN GÜÇLENDİRİLMESİ PROJESİ) BİLİŞİM TEKNOLOJİLERİ TRANSİSTÖR VE FET ANKARA 2007
Milli Eğitim Bakanlığı tarafından geliştirilen modüller; Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığının 02.06.2006 tarih ve 269 sayılı Kararı ile onaylanan, Mesleki ve Teknik Eğitim Okul ve Kurumlarında kademeli olarak yaygınlaştırılan 42 alan ve 192 dala ait çerçeve öğretim programlarında amaçlanan mesleki yeterlikleri kazandırmaya yönelik geliştirilmiş öğretim materyalleridir (Ders Notlarıdır). Modüller, bireylere mesleki yeterlik kazandırmak ve bireysel öğrenmeye rehberlik etmek amacıyla öğrenme materyali olarak hazırlanmış, denenmek ve geliştirilmek üzere Mesleki ve Teknik Eğitim Okul ve Kurumlarında uygulanmaya başlanmıştır. Modüller teknolojik gelişmelere paralel olarak, amaçlanan yeterliği kazandırmak koşulu ile eğitim öğretim sırasında geliştirilebilir ve yapılması önerilen değişiklikler Bakanlıkta ilgili birime bildirilir. Örgün ve yaygın eğitim kurumları, işletmeler ve kendi kendine mesleki yeterlik kazanmak isteyen bireyler modüllere internet üzerinden ulaşılabilirler. Basılmış modüller, eğitim kurumlarında öğrencilere ücretsiz olarak dağıtılır. Modüller hiçbir şekilde ticari amaçla kullanılamaz ve ücret karşılığında satılamaz.
İÇİNDEKİLER AÇIKLAMALAR...ii GİRİŞ...1 ÖĞRENME FAALİYETİ 1...3 1. TRANSİSTÖR...3 1.1. Transistör Çeşitleri...3 1.2. Transistörün Yapısı ve Çalışması...4 1.3. Transistörün Polarmalandırılması ( Kutuplanması)...8 1.4. Akım, Gerilim Yönü ve I B Akımı Hesaplama...9 1.5. Transistör Sağlamlık Kontrolü...11 1.5.1. Transistörlerin Analog AVOmetre ile Sağlamlık Kontrolü...11 1.5.2. Transistörlerin Dijital AVOmetre ile Sağlamlık Kontrolü...12 1.6. Transistörün Anahtarlama Elemanı Olarak Kullanılması...14 1.7. Transistörün Yükselteç Olarak Kullanılması...15 1.8. Katolog Bilgilerini Okuma...18 UYGULAMA FAALİYETİ...20 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME...22 ÖĞRENME FAALİYETİ 2...23 2. FET...23 2.1. FET Çeşitleri...23 2.2. JFET Yapısı ve Çalışması...24 2.3. JFET in BJT ye Göre Üstünlükleri...26 2.4. JFET in Karakteristikleri...27 2.5. FET ve MOSFET Ölçme...29 2.6. JFET Parametreleri ve Formülleri...29 2.7. JFET Polarmalandırılması (Kutuplanması)...31 2.7.1. Sabit Polarma Devresi...31 2.7.2 Self Polarma Devresi...31 2.7.3. Gerilim Bölücülü Polarma...32 2.8. JFET li Yükselteç Devreleri...33 2.9. Mosfet lerin Yapısı, Çalışması ve Karakteristikleri...33 2.9.1 Azaltan Tip MOSFET (D-MOSFET) Yapısı...34 2.9.2 Azaltan Tip MOSFET (D-MOSFET) Çalışması ve Karakteristiği...35 2.9.3 Çoğaltan Tip MOSFET (D-MOSFET) Yapısı...35 2.9.4. Çoğaltan Tip MOSFET (D-MOSFET) Çalışması ve Karakteristiği...36 2.9.5. MOSFET Parametreleri...37 UYGULAMA FAALİYETİ...38 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME...40 MODÜL DEĞERLENDİRME...41 CEVAP ANAHTARLARI...43 KAYNAKÇA...44 i
AÇIKLAMALAR AÇIKLAMALAR KOD ALAN DAL/MESLEK MODÜLÜN ADI MODÜLÜN TANIMI 523EO0075 Bilişim Teknolojileri Bilgisayar Teknik Servisi Transistör ve FET Transistör ve FET uygulamalarının anlatıldığı öğrenme materyalidir. SÜRE 40 / 32 ÖN KOŞUL YETERLİK MODÜLÜN AMACI Kaydediciler modülünü tamamlamış olmak Transistörler ile çalışma yapmak Genel Amaç Bu modül ile gerekli ortam sağlandığında, transistör ve fet uygulamalarını gerçekleştirebileceksiniz. Amaçlar Transistör uygulamalarını gerçekleştirebileceksiniz. FET uygulamalarını gerçekleştirebileceksiniz. EĞİTİM ÖĞRETİM ORTAMLARI VE DONANIMLARI ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME DC güç kaynağı, Transistör, FET, elektronik malzemeler, malzeme çantası Her faaliyet sonrasında o faaliyetle ilgili değerlendirme soruları ile kendi kendinizi değerlendireceksiniz. Öğretmen modül sonunda size ölçme aracı (uygulama, soru-cevap)uygulayarak modül uygulamaları ile kazandığınız bilgi ve becerileri ölçerek değerlendirecektir. ii
GİRİŞ GİRİŞ Sevgili Öğrenci, Günümüzde, elektrik elektronik teknolojisi baş döndürücü bir şekilde gelişmiş ve hayatımızın her alanına hükmetmeyi başarmıştır. Bugün farkında olmadan yaşamımızın bir parçası haline gelen pek çok sistemin arka planında kusursuz çalışan elektronik devreler bulunmaktadır. Bu devreleri tanımak, devrelerde kullanılan malzemelerin yapısını, çalışmasını öğrenmek elektronikle uğraşan herkes için önemlidir. Bu devrelerin genelinde kullanılan elamanlardan en önemlilerinden ikisi de transistör ve FET tir. Hemen hemen elektronik devrelerinin hepsinde bu elamanları görmek mümkündür. Bu elamanlar olmasa bile bu elamanlardan meydan gelmiş entegre devre elamanlarını görebiliriz. Bu yüzden bu elamanların yapısının, çalışmasının ve kullanım yerlerinin öğrenilmesi elektronikle ilgilenen öğrenciler için çok önemlidir. Bu modülde konular çok fazla detaya inmeden verilmiş ancak şekillerle desteklenerek görsel bir zenginlik kazandırılmıştır. Konular işlenirken verilen devrelerin uygulamaya yönelik olmasına dikkat edilmiştir. Bu modül iki bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde transistörün yapısı, çalışması ve kullanım alanları incelenirken ikinci bölümde; FET in yapısı, çalışması ve kullanım alanları incelenmiştir. Bu modülün elektronik ile ilgilenen tüm öğrencilere faydalı olacağı inancındayım. 1
2
ÖĞRENME FAALİYETİ 1 AMAÇ ÖĞRENME FAALİYETİ 1 Bu faaliyette verilen bilgiler doğrultusunda transistörlerin genel yapısı ve temel özelliklerini tanıyıp, ürün bilgi sayfasındaki özellikler doğrultusunda devreye uygun transistörü seçerek transistör uygulamalarını gerçekleştirebileceksiniz. ARAŞTIRMA Transistörün nerelerde kullanıldığını araştırınız. Bunun için çevrenizde bulunan elektronik üzerine çalışan iş yerlerinden ve internetten faydalanabilirsiniz. 1.1. Transistör Çeşitleri 1. TRANSİSTÖR İki P tipi madde arasına N tipi madde veya iki N tipi madde arsına P tipi madde konularak elde edilen elektronik devre elamanına transistör denir. Transistörler, kullanma amaçlarına göre üç çeşittir. Anahtarlama devre transistor leri Osilatör devre transistor leri Amplifikatör devre transistor leri Transistörlerde yarı iletken maddelerin bir araya getirilmesinde çeşitli metotlar kullanılır. Bu metotlara göre yapılan transistörler üç çeşittir. Nokta temaslı transistorler Yüzey temaslı transistorler Alaşım veya yayılma metodu ile yapılan transistörler Genelde elektronik devrelerde kullandığımız transistörler yüzey temaslı transistörlerdir. Bu yüzden bundan sonraki konularımızda bu transistörler üzerinde duracağız. Bu transistörler P ve N maddelerinin sıralanmasına göre iki tipte yapılır. Bunlar; PNP transistorler NPN transistorler 3
1.2. Transistörün Yapısı ve Çalışması Transistör imalatında kullanılan yarı iletkenler, birbirlerine yüzey birleşimli olarak üretilmektedir. Bu nedenle Bipolar Jonksiyon Transistör olarak adlandırılır. Transistörün temel yapısı şekil 1.1 de gösterilmiştir. Şekil 1.1: Transistörün temel yapısı BJT transistörler katkılandırılmış P ve N tipi malzeme kullanılarak üretilir. Transistörler NPN ve PNP olmak üzere iki temel yapıda üretilir. NPN transistörde 2 adet N tipi yarı iletken madde arasına 1 adet P tipi yarı iletken madde konur. PNP tipi transistörde ise, 2 adet P tipi yarı iletken madde arasına 1 adet N tipi yarı iletken madde konur. Dolayısıyla transistör 3 adet katmana veya terminale sahiptir. Transistörün her bir terminaline işlevlerinden ötürü; Emiter (Emiter), Beyz (Base) ve Kolektör (Collector) adları verilir. Bu terminaller; genelde E, B ve C harfleri ile sembolize edilirler. Şekil 1.2: NPN tipi transistör fiziksel yapısı, şematik sembolü ve diyot eş değer devresi Şekil 1.3: PNP tipi transistör fiziksel yapısı, şematik sembolü ve diyot eşdeğer devresi 4
Transistörler genellikle çalışma bölgelerine göre sınıflandırılarak incelenebilir. Transistörün çalışma bölgeleri; kesim, doyum ve aktif bölge olarak adlandırılır. Transistör; kesim ve doyum bölgelerinde bir anahtar işlevi görür. Özellikle sayısal sistemlerin tasarımında transistörün bu özelliğinden yararlanılır ve anahtar olarak kullanılır. Transistörün çok yaygın olarak kullanılan bir diğer özelliği ise yükselteç olarak kullanılmasıdır. Yükselteç olarak kullanılacak bir transistör aktif bölgede çalıştırılır. Yükselteç olarak çalıştırılacak bir transistörün PN jonksiyonları uygun şekilde polarmalandırılmalıdır. Şekil 1.4 te NPN ve PNP tipi transistörlerin yükselteç olarak çalıştırılması için gerekli polarma gerilimleri ve bu gerilimlerin polariteleri verilmiştir. NPN tipi bir transistörde; beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde, beyz-kolektör jonksiyonu ise ters yönde polarmalanır. Her iki transistorün de çalışma ilkeleri aynıdır. Sadece polarma gerilimi ve akımlarının yönleri terstir. Bu nedenle bu bölüm boyunca NPN tipi bir transistörün çalışmasını analiz edeceğiz. Şekil 1.4: NPN ve PNP transistörlerin kutuplandırılması (polarmalandırılması) Transistörün yükselteç olarak çalışması şekil 1.5 te verilen bağlantılar dikkate alınarak anlatılacaktır. NPN tipi bir transistörde beyz terminaline, emitere göre daha pozitif bir gerilim uygulandığında doğru polarma yapılmıştır. Bu polarma etkisiyle geçiş bölgesi daralmaktadır. Bu durumda P tipi maddedeki (beyz) çoğunluk akım taşıyıcıları, N tipi maddeye (emiter) geçmektedir. Emiter-beyz polarmasını iptal edip, beyz-kolektör arasına ters polarma uygulayalım. Bu durumda çoğunluk akım taşıyıcıları sıfırlanacaktır. Çünkü geçiş bölgesinin kalınlığı artacaktır. (Diyodun ters polarmadaki davranışını hatırlayınız). Azınlık akım taşıyıcıları, beyz-kolektör jonksiyonundan V CB kaynağına doğru akacaktır. Özet olarak yükselteç olarak çalıştırılacak bir transistörde; Beyz-emiter jonksiyonları doğru, beyz-kolektör jonksiyonları ise ters polarmaya tabi tutulur diyebiliriz. Bu durum şekil-1.5 te ayrıntılı olarak verilmiştir. Şekil 1.5: NPN tipi transistör jonksiyonlarının doğru ve ters polarmadaki davranışları 5
Transistörün nasıl çalıştığını anlamak amacıyla yukarıda iki kademede anlatılan olayları birleştirelim. Şekil 1.6 da NPN tipi bir transistöre polarma gerilimleri birlikte uygulanmıştır. Transistörde oluşan çoğunluk ve azınlık akım taşıyıcıları ise şekil üzerinde gösterilmiştir. Transistörün hangi jonksiyonlarına doğru, hangilerine ters polarma uygulandığını şekil üzerindeki geçiş bölgelerinin kalınlığına bakarak anlayabilirsiniz. Şekil 1.6: NPN tipi transistörde çoğunluk ve azınlık akım taşıyıcılarının akışı Doğru yönde polarmalanan beyz-emiter jonksiyonu, çok sayıda çoğunluk taşıyıcısının P tipi malzemeye (beyze) ulaşmasını sağlar. Beyz bölgesinde toplanan taşıyıcılar nereye gidecektir. I B akımına katkıda mı bulunacaklardır yoksa N tipi malzemeye mi geçeceklerdir. Beyz bölgesinin (P tipi malzeme) iletkenliği düşüktür ve çok incedir. Bu nedenle; az sayıda taşıyıcı yüksek dirence sahip bu yolu izleyerek beyz ucuna ulaşacaktır. Dolayısıyla beyz akımı, emiter ve kolektör akımlarına kıyasla çok küçüktür. Şekil 1.6 da gösterildiği gibi çoğunluk taşıyıcılarının çok büyük bir bölümü, ters polarmalı kolektör-beyz jonksiyonu üzerinden difüzyon yoluyla emiter ucuna bağlı N tipi malzemeye geçecektir. Çoğunluk taşıyıcılarının ters polarmalı jonksiyon üzerinden kolaylıkla geçmelerinin nedeni, N-tipi maddede (emiterde) bulunan oyuklardır. Bu durumda akım miktarı artacaktır. Sonuç kısaca özetlenecek olursa; emiterden enjekte edilen elektronların küçük bir miktarı ile beyz akımı oluşmaktadır. Elektronların geri kalan büyük bir kısmı ile kolektör akımı oluşmaktadır. Buradan hareketle; emiterden enjekte edilen elektronların miktarı, beyz ve kolektöre doğru akan elektronların toplamı kadar olduğu söylenebilir. Transistör akımları arasındaki ilişki aşağıdaki gibi tanımlanabilir. I E = I C +I B Kısaca, kolektör akımının miktarı beyz akımının miktarı ile doğru orantılıdır ve kolektöre uygulanan gerilimden bağımsızdır. Çünkü kolektör ancak beyzin toplayabildiği taşıyıcıları alabilmektedir. Emiterden gelen taşıyıcıların yaklaşık %99 u kolektöre geçerken geriye kalan çok küçük bir kısmı beyze akar. Bir transistörün çalışması için gerekli şartları kısaca özetleyelim. Transistörün çalışabilmesi için; beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde, beyzkolektör jonksiyonu ise ters yönde polarmalandırılmalıdır. Bu çalışma biçimine transistörün aktif bölgede çalışması denir. 6
Beyz akımı olmadan, emiter-kolektör jonksiyonlarından akım akmaz. Transistör kesimdedir. Farklı bir ifadeyle; beyz akımı küçük olmasına rağmen transistörün çalışması için çok önemlidir. PN jonksiyonlarının karakteristikleri transistörün çalışmasını belirler. Örneğin; transistör, V BE olarak tanımlanan beyz-emiter jonksiyonuna doğru yönde bir başlangıç gerilimi uygulanmasına gereksinim duyar. Bu gerilimin değeri silisyum transistörlerde 0.7V, germanyum transistörlerde ise 0.3V civarındadır. Transistörde Çalışma Bölgeleri Transistörlerde başlıca 3 çalışma bölgesi vardır. Bu bölgeler; aktif bölge, kesim (cutoff) bölgesi ve doyum (saturation) bölgesi olarak adlandırılır. Transistörün çalışma bölgeleri şekil 1.7 de transistörün çıkış karakteristiği üzerinde gösterilmiştir. Bu bölgeleri kısaca inceleyelim. Şekil 1.7: Transistörlerde çalışma bölgeleri Aktif Bölge: Transistörün aktif bölgesi; beyz akımının sıfırdan büyük (IB>0) ve kolektör-emiter geriliminin 0V dan büyük (VCE>0V) olduğu bölgedir. Transistörün aktif bölgede çalışabilmesi için beyz-emiter jonksiyonu doğru, kolektör-beyz jonksiyonu ise ters yönde polarmalanır. Bu bölgede transistörün çıkış akımı öncelikle beyz akımına, küçük bir miktarda VCE gerilimine bağımlıdır. Transistörün aktif bölgede nasıl çalıştığı, transistörün çalışması bölümünde ayrıntılı olarak incelenmişti. Doğrusal yükselteç tasarımı ve uygulamalarında transistör genellikle bu bölgede çalıştırılır. Kesim Bölgesi: Transistörün kesim bölgesinde nasıl çalıştığı şekil 1.8.a yardımıyla açıklanacaktır. Şekilde görüldüğü gibi transistörün beyz akımı I B =0 olduğunda, beyzemiter gerilimi de VBE=0V olacağı için devrede kolektör akımı (I C ) oluşmayacaktır. Bu durumda transistör kesimdedir. Kolektör-emiter jonksiyonları çok yüksek bir direnç değeri gösterir ve akım akmasına izin vermez. Transistörün kolektör-emiter gerilimi V CE, besleme gerilimi V CC değerine eşit olur. Kolektörden sadece I C0 ile belirtilen çok küçük bir akım akar. Bu akıma sızıntı akımı denir. Sızıntı akımı pek çok uygulamada ihmal edilebilir. 7
a) Transistörün kesim bölgesinde çalışması b) Transistörün doyum bölgesinde çalışması Şekil 1.8: Transistörün kesim ve doyum bölgesinde çalışması Doyum Bölgesi: Transistörün doyum (saturation) bölgesinde çalışma şekil 1.8.b yardımıyla açıklanacaktır. Transistöre uygulanan beyz akımı artırıldığında kolektör akımı da artacaktır. Bu işlemin sonucunda transistörün V CE gerilimi azalacaktır. Çünkü I C akımının artması ile R C yük direnci üzerindeki gerilim düşümü artacaktır. Kolektör-emiter gerilimi doyum değerine ulaştığında (V CE (DOY)) beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde polarmalanacaktır. Sonuçta I B değeri daha fazla yükselse bile I C akımı daha fazla artmayacaktır. Doyum bölgesinde çalışan bir transistörün kolektör-emiter gerilimi V CE yaklaşık 0V civarındadır. Bu değer genellikle V CE (DOY)=0V olarak ifade edilir. 1.3. Transistörün Polarmalandırılması ( Kutuplanması) Transistörün çalışmasını sağlayacak şekilde, emiter, beyz ve kolektörünün belirli değerdeki ve işaretteki (±), DC gerilim ile beslenmesine transistörün polarmalandırılması (kutuplandırılması) denir. Transistörlerin çalışması için gerekli ilk şart, DC polarma gerilimlerinin uygun şekilde bağlanmasıdır. Şekil 1.9 da NPN ve PNP tipi transistörler için gerekli polarma bağlantıları verilmiştir. Transistörün beyz-emiter jonksiyonuna V BB kaynağı ile doğru polarma uygulanmıştır. Beyz-kolektör jonksiyonuna ise V CC kaynağı ile ters polarma uygulanmıştır. Şekil 1.9: NPN ve PNP transistörlerin polarmalandırılması 8
1.4. Akım, Gerilim Yönü ve I B Akımı Hesaplama Bir transistör devresinde akım ve gerilimler arasında belirli ilişkiler vardır. Transistörün her bir terminalinde ve terminalleri arasında oluşan gerilim ve akımlar birbirinden bağımsız değildir. NPN transistörün her bir jonksiyonundan geçen akımlar ve jonksiyonlar arasında oluşan gerilimler ve yönleri şekil 1.10 üzerinde gösterilmiş ve adlandırılmıştır. I B : Beyz akımı (dc) I E : Emiter akımı (dc) I C : Kolektör akımı (dc) V BE : Beyz-emiter gerilimi (dc) V CB : Kolektör-beyz gerilimi (dc) V CE : Kolektör-emiter gerilimi (dc) Şekil 1.10: Transistörde akım ve gerilimler Transistörün beyz-emiter jonksiyonu VBB gerilim kaynağı ile doğru yönde polarmalanmıştır. Beyz-kolektör jonksiyonu ise VCC gerilim kaynağı ile ters yönde polarmalanmıştır. Beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde polarmalandığında tıpkı ileri yönde polarmalanmış bir diyot gibi davranır ve üzerinde yaklaşık olarak 0.7V (silisyum) gerilim düşümü oluşur. V BE = 0.7 Volt Devrede I.Göz için Kirsoff Gerilimler Kanununa göre denklem yazılırsa; V BB I B R B V BE olur. Buradan I B akımı çekilirse; V BB V BE I B R B I B V BB V R B BE 9
Örnek 1.1: Çözüm: Yukarıda verilen devrede I B akımını bulunuz. I B V BB V R B BE I B 5 0.7 10 4.3 I B I B = 430 µa 10 Örnek 1.2: Yukarıda görülen devrede V BB = 9V, I B =1mA ise R B direncinin değerini bulunuz. (V BE =0,7 V alınız.) Çözüm: R B R B RB VBB VBE I B 9 0,7 1 8,3 R B =8,3KΩ 1 10
1.5. Transistör Sağlamlık Kontrolü 1.5.1. Transistörlerin Analog AVOmetre ile Sağlamlık Kontrolü Resim 1.1: Analog AVOmetre Analog ölçü aleti direnç (X1) kademesine alınır. Problardan biri herhangi bir ayakta sabit tutulurken, diğer prob ayrı ayrı boştaki diğer iki ayağa değdirilir. Sağlam bir transistörde prob bir uçta sabit iken diğer prob her iki ayağa değdirildiğinde ölçü aleti değer göstermelidir. Değer okunmuyorsa sabit ucu tespit etmek amacıyla, ölçüm ayakları değiştirilerek işlemler tekrarlanır. Değer gösterdiği andaki sabit uç beyz, yüksek değer okunduğundaki ayak emiter ve düşük değer görülen ayak ise kolektördür. Değer okunduğunda beyzdeki uç artı ise transistör PNP, eksi ise NPN tipidir. Bunun sebebi analog AVOmetrelerde pil uçları ile çıkış uçları farklı polaritede olmalarıdır. Ayrıca sağlam bir transistörde ölçü aleti probları kolektör emiter arasına değdirildiğinde her iki yönde de değer göstermemesi gerekir. 11
1.5.2. Transistörlerin Dijital AVOmetre ile Sağlamlık Kontrolü Resim 1.2: Dijital AVOmetre Dijital ölçü aleti diyot test kademesine alınır. Problardan biri herhangi bir ayakta sabit tutulurken, diğer prob ayrı ayrı boştaki diğer iki ayağa değdirilir. Sağlam bir transistörde prob bir uçta sabit iken diğer prob her iki ayağa değdirildiğinde ölçü aleti değer göstermelidir. Değer okunmuyorsa sabit ucu tespit etmek amacıyla, ölçüm ayakları değiştirilerek işlemler tekrarlanır. Değer gösterdiği andaki sabit uç beyz, yüksek değer okunduğundaki ayak emiter ve düşük değer görülen ayak ise kolektördür. Değer okunduğunda beyzdeki uç artı ise transistör NPN, eksi ise PNP tipidir. Bunun sebebi dijital AVOmetrelerde pil uçları ile çıkış uçları aynı polaritededir. Aynen analog ölçü aletinde olduğu gibi sağlam bir transistörde ölçü aleti probları kolektör emiter arasına değdirildiğinde her iki yönde de değer göstermemesi gerekir. 12
Şekilde görülen transistörün sağlamlık kontrolünü ve uçlarının tespitini dijital multimetre ile yapalım. Resim 1.3: Transistör sağlamlık kontrolü Resim 1.3.a. Kırmızı Prob Transistörün 1 nu.lı ucuna siyah prob 2 nu.lı ucuna temas ettirildi. Resim 1.3.b. Kırmızı Prob Transistörün 1 nu.lı ucuna siyah prob 3 nu.lı ucuna temas ettirildi. Resim 1.3.c. Kırmızı Prob Transistörün 2 nu.lı ucuna siyah prob 3 nu.lı ucuna temas ettirildi. Resim 1.3.d. Kırmızı Prob Transistörün 2 nu.lı ucuna siyah prob 1 nu.lı ucuna temas ettirildi. Resim 1.3.e. Kırmızı Prob Transistörün 3 nu.lı ucuna siyah prob 1 nu.lı ucuna temas ettirildi. Resim 1.3.f. Kırmızı Prob Transistörün 3 nu.lı ucuna siyah prob 2 nu.lı ucuna temas ettirildi. 13
Sonuç: Bu transistörün 1 nu.lı ucuna kırmızı probu sabit şekilde tutup 2 ve 3 nu.lı uçlara siyah probu sırasıyla değdirdiğimizde değer göstermektedir. Bu yüzden 1 nu.lı uç Transistörün beyz ucudur. Beyz ucunda sabit tutulan uç kırmızı prob olduğundan bu transistör NPN tipi transistördür. 1-2 nu.lı uçlar arasında görülen değer, 1-3 nu.lı uçlar arasından görülen değerden daha küçüktür. Bu yüzden 2 nu.lı uç Kolektör, 3 nu.lı uç emiterdir. Resim 1-3 te görüldüğü gibi kolektör emiter (2-3 nu.lı uçlar) arası her iki yönde de açık devre göstermektedir. 1.6. Transistörün Anahtarlama Elemanı Olarak Kullanılması Transistörün bir anahtar olarak nasıl kullanıldığı şekil 1.11 de verilmiştir. Şekil 1.11 a da görüldüğü gibi transistörün beyz-emiter jonksiyonu ters yönde polarmalanmıştır. Dolayısıyla transistör kesimdedir. Kolektör-emiter arası ideal olarak açık devredir. Transistör bu durumda açık bir anahtar olarak davranır. a) Transistör kesimde -Anahtar AÇIK b) Transistör doyumda -Anahtar KAPALI Şekil 1.11: Transistörün anahtar olarak çalışması Şekil 1.11. b de ise transistörün beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde polarmalanmıştır. Bu devrede beyz akımı yeterli derecede büyük seçilirse transistör doyum bölgesinde çalışacaktır. Kolektör akımı maksimum olacak ve transistörün kolektör-emiter arası ideal olarak kısa devre olacaktır. Transistör bu durumda kapalı bir anahtar gibi davranır. Transistörlü anahtar uygulaması: Pek çok endüstriyel uygulamada veya sayısal tasarımda devrelerin çıkışından alınan işaretlerin kuvvetlendirilmesi istenir. Örneğin şekil1.12.a da devre çıkışından alınan bir kare dalga işaretin bir LED i yakıp söndürmesi için gerekli devre düzeneği verilmiştir. Giriş işareti; 0V olduğunda transistör kesimdedir, LED yanmayacaktır. Giriş işareti +V (Silisyum için 0.7 V dan büyük, germanyum için 0.3V dan büyük olmalıdır) değerine ulaştığında ise transistör iletime geçecek ve LED yanacaktır. 14
a) Transistörün anahtar olarak çalışması b) Transistörle röle kontrol Şekil1.12: Transistörün anahtar olarak kullanılması Şekil 1.12 b de ise devre çıkışından alınan işaretin kuvvetlendirilerek bir röleyi, dolayısıyla röle kontaklarına bağlı bir yükü kontrol etmesi gösterilmiştir. 1.7. Transistörün Yükselteç Olarak Kullanılması Transistörün en temel uygulama alanlarından biri de yükselteç (amplificator) devresi tasarımıdır. Temel bir yükselteç devresinin işlevi, girişine uygulanan işareti yükselterek (kuvvetlendirerek) çıkışına aktarmasıdır. Transistörlü temel bir yükselteç devresi şekil 1.13 te verilmiştir. Devrede kullanılan DC kaynaklar transistörün aktif bölgede çalışmasını sağlamak içindir. Devre girişine uygulanan AC işaret (V IN ) ise yükseltme işlemine tabi tutulacaktır. Transistörlü yükselteç devresinde; devrenin yükselteç olarak çalışabilmesi için DC besleme (polarma) gerilimlerine gereksinim vardır. Dolayısıyla transistörlü yükselteç devreleri genel olarak iki aşamada incelenilir. Bu aşamalar; Transistörlü yükselteç devrelerinin DC analizi Transistörlü yükselteç devrelerinin AC analizi Şekil 1.13: Transistörlü yükselteç devresi 15
DC Analiz İyi bir yükselteç tasarımı için transistörün özelliklerine uygun DC polarma akım ve gerilimleri seçilmelidir. Dolayısıyla yükselteç tasarımında yapılması gereken ilk adım transistörlü yükselteç devresinin DC analizidir. Analiz işleminde transistörün çalışma bölgesi belirlenir. Bu bölge için uygun akım ve gerilimler hesaplanır. Sonuçta; transistörlü yükselteç devresi AC çalışmaya hazır hale getirilir. AC Analiz Transistörlü yükselteç tasarımında ikinci basamak, tasarlanan veya tasarlanacak yükselteç devresinin AC analizidir. Yükselteç devresinin AC analizi yapılırken eş değer devrelerden yararlanılır. Şekil 1.14.a da transistörlü temel bir yükselteç devresi verilmiştir. Aynı devrenin AC eş değer devresi ise şekil 1.14. b de görülmektedir. a) Transistörlü yükselteç devresi b) Transistörlü yükselteç devresinin AC eş değeri Şekil 1.14: Transistörlü temel yükselteç devresi ve AC eş değeri Transistörlü bir yükselteç devresinin AC eş değer devresi çizilirken, DC kaynaklar kısa devre yapılır. Yükselteç devresi doğal olarak girişinden uygulanan AC işareti yükselterek çıkışına aktaracaktır. Dolayısıyla bir kazanç söz konusudur. Yükseltecin temel amacı da bu kazancı sağlamaktır. Bir yükselteç devresi; girişinden uygulanan işaretin genliğini, akımını veya gücünü yükseltebilir. Dolayısıyla bir akım, gerilim veya güç kazancı söz konusudur. Yükselteçlerde kazanç ifadesi A ile sembolize edilir. Gerilim kazancı için A V, Akım kazancı için A I ve güç kazancı için A P sembolleri kullanılır. Örneğin şekil 1.14 te görülen yükselteç devresinin gerilim kazancı A V ; VO AV V 16 g
Beta (ß) ve Alfa (α) kazançları β akım kazancı, ortak emiter bağlantıda akım kazancı olarak da adlandırılır. Bir transistör için β akım kazancı, kolektör akımının beyz akımına oranıyla belirlenir. I C β = I B β akım kazancı bir transistör için tipik olarak 20-200 arasında olabilir. Bununla birlikte β değeri 1000 civarında olan özel tip transistorler de vardır. β akım kazancı kimi kaynaklarda veya üretici kataloglarında h FE olarak da tanımlanır. β = h FE Kolektör akımını yukarıdaki eşitlikten; IC= β.i B olarak tanımlayabiliriz. Transistörde emiter akımı; I E =I C +I B idi. Bu ifadeyi yeniden düzenlersek; I E = β.i B +I B I E = I B (1+ β) değeri elde edilir. Ortak beyzli bağlantıda akım kazancı olarak bilinen α değeri; kolektör akımının emiter akımına oranı olarak tanımlanır. I C α = I B Emiter akımının kolektör akımından biraz daha büyük olduğu belirtilmişti. Dolayısıyla transistörlerde α akım kazancı 1 den küçüktür. α akım kazancının tipik değeri 0.95-0.99 arasındadır. Emiter akımı; I E =I C +I B değerine eşitti. Bu eşitlikte eşitliğin her iki tarafı I C ye bölünürse; α DC =I C /I E ve β DC =I C /I B olduğundan, yukarıdaki formüle yerleştirilirse; değeri elde edilir. Buradan her iki akım kazancı arasındaki ilişki; olarak belirlenir. Bir transistörde α akım kazancı değeri yaklaşık olarak sabit kabul edilir. Ancak α akım kazancı değerinde çok küçük bir değişimin, β akım kazancı değerinde çok büyük miktarlarda değişime neden olacağı yukarıdaki formülden görülmektedir. 17
Örnek : Bir transistörün β akım kazancı değeri 200 dür. Beyz akımının 75µA olması durumunda, kolektör akımı, emiter akımı ve α akım kazancı değerlerini bulunuz. Çözüm: I C = 200. (75µA) I C = 150mA I E =I C +I B =(1+ β)i B I E = (1+200)75µA I E = 150,75mA 1.8. Katolog Bilgilerini Okuma Uluslararası bir çok firma, transistör üretimi yapar ve kullanıcının tüketimine sunar. Transistör üretimi farklı ihtiyaçlar için binlerce tip ve modelde yapılır. Üretilen her bir transistör farklı özellikler içerebilir. Farklı amaçlar için farklı tiplerde üretilen her bir transistör; üreticiler tarafından birtakım uluslararası standartlara uygun olarak kodlanırlar. Transistörler; bu kodlarla anılır. Üretilen her bir transistörün çeşitli karakteristikleri üretici firma tarafından kullanıcıya sunulur. 1.8.1. Uluslararası Standart Kodlama Transistörlerin kodlanmasında birtakım harf ve rakamlar kullanılmaktadır. Örneğin AC187, BF245, 2N3055, 2SC2345, MPSA13 vb. gibi birçok transistör sayabiliriz. Kodlamada kullanılan bu harf ve rakamlar rastgele değil, uluslararası standartlara göredir ve anlamlıdır. Günümüzde kabul edilen ve kullanılan başlıca 4 tip standart kodlama vardır. Birçok üretici firma bu kodlamalara uyarak transistör üretimi yapar ve tüketime sunarlar. Yaygın olarak kullanılan standart kodlamalar aşağıda verilmiştir. Avrupa Pro-electron Standardı (Pro-electron) Amerikan jedec standardı (EIA-jedec) Japon (JIS) Firma Standartları 1.8.1.1 Avrupa Standardı (Pro-Electron Standardı) Avrupa ülkelerinde bulunan transistör üreticilerinin genellikle kullandıkları bir kodlama türüdür. Bu kodlama türünde üreticiler transistörleri; AC187, AD147, BC237, BU240, BDX245 ve benzeri şekilde kodlarlar. Kodlamada genel kural, önce iki veya üç harf sonra rakamlar gelir. Kullanılan her bir harf anlamlıdır ve anlamları aşağıda ayrıntılı olarak açıklanmıştır. İlk Harf: Avrupa (Pro Electron) standardına göre kodlanmada kullanılan ilk harf, transistörün yapım malzemesini belirtmektedir. Germanyumdan yapılan transistörlerde kodlama A harfi ile başlar. Örneğin AC121, AD161, AF254 vb. kodlanan transistörler germanyumdan yapılmıştır. Silisyumdan yapılan transistörlerde ise kodlama B harfi ile başlar. Örneğin; BC121, BD161, BF254 vb. kodlanan transistörler silisyumdan yapılmıştır. 18
İkinci Harf: Transistörlerin kodlanmasında kullanılan ikinci harf Avrupa Standardına göre, transistörün kullanım alanlarını belirtir. Örnek kodlamalar aşağıda verilmiştir. AC: Avrupa (Pro Electron) Standardına göre, düşük güçlü alçak frekans transistörüdür. Germanyumdan yapılmıştır. AC121, AC187, AC188, AC547 gibi... BC: Avrupa (Pro Electron) Standardına göre, düşük güçlü alçak frekans transistörüdür ve Silisyumdan yapılmıştır. BC107, BC547 gibi... Üçüncü Harf: Avrupa (pro electron) standardında bazı transistörlerin kodlanmasında üçüncü bir harf kullanılır. Üçüncü harf, ilk iki harfte belirtilen özellikler aynı kalmak koşuluyla o transistörün endüstriyel amaçla özel yapıldığını belirtir. Örnek olarak; BCW245, BCX56, BFX47, BFR43, BDY108, BCZ109, BUT11A, BUZ22 vb. gibi 1.8.1.2 Amerikan (Jedec) Standardı Amerikan yapımı transistörler 2N ifadesi ile başlayan kodlar ile isimlendirilmişlerdir. Bu kodlarda: Birinci rakam : Elemanın cinsini gösterir. Birinci harf : Transistörün yapım malzemesini belirtir. Son rakamlar : Tipini ve kullanma yerini gösterir. Örneğin 2N3055 teki 2 rakamı transistör olduğunu, N harfi transistörün silisyumdan yapıldığını ve 3055 imalat seri numaralarını belirtir. 1.8.1.3 Japon Standardı Japon yapımı transistörler 2S ifadesi ile başlayan kodlar ile isimlendirilmişlerdir. Bu kodlarda Birinci rakam : Elemanın cinsini gösterir. Birinci harf İkinci harf : Transistörün yapım malzemesini belirtir. : Tipini ve kullanma yerini gösterir. Örneğin 2SC1384 de 2 rakamı elamanın transistör olduğunu, S harfi transistörün silisyumdan yapıldığını C harfi NPN tipi yüksek frekans transistörü olduğunu ve 1384 imalat seri numaralarını belirtir. 19
UYGULAMA UYGULAMAFAALİYETİ Transistörün Anahtar Olarak Kullanılması Devresinin İncelenmesi Amaç: Bu uygulama faaliyetini başarı ile tamamladığınızda, Transistörün anahtar olarak kullanılması devresini kurup çalıştırabileceksiniz. Elektronik simülasyon programları ile devrenin çalışmasını inceleyiniz. Kullanılacak Araç Gereçler: 1. Breadboard 2. Güç Kaynağı 3. AVO metre 4. Devre şemasında belirtilen elamanlar Transistörün Anahtar Olarak Kurulup Çalıştırılması S1 R3 470R R1 10K D1 LED-BLUE Q1 BC237 B1 9V R2 10K Şekil 1.15: Transistörün Anahtar Olarak Kullanılması İşlem Basamakları Şekil 1.13 teki devreyi montaj seti üzerine kurunuz. R1 = 10 K, R2 = 10 K ve R3=470Ω olarak seçiniz. Güç kaynağının canlı ucunu R3'ün ve S1 anahtarının ucuna bağlayınız. Devreyi kurmadan önce transistörün ve LED diyodun sağlamlık kontrolünü yapınız. Devreye enerji vermeden önce devreni tekrar kontrol ediniz. 20 Öneriler Güç kaynağının bağlantılarını doğru yaptığınızdan emin olunuz. Gerilim değerini 9V olarak ayarladığından emin olunuz. Sağlamlık kontrolü hakkında bu modülün en başında verilen bilgileri hatırlayınız. S1 anahtarına bastığınız zaman LED diyot yanmıyorsa ya devreyi yanlış kurmuşsunuz ya da devrede açık devre vardır. Devreyi tekrar kontrol ediniz.
Güç kaynağını aç devreye enerji uygula, devreyi çalıştır. Besleme geriliminin doğru ayarlandığından ve kısa devre olmadığından emin olunuz. Devrenin çalışmasını takip ediniz. Devrede ısınan parça olup olmadığını kontrol ediniz. S1 anahtarına bastığınız zaman LED in yanması gerekir. Ölçüm tablosunda belirtilen ölçümleri gerçekleştiriniz. Bunun için multimetre kullanınız. Anahtarın Durumu S1 Açık S1 Kapalı C-Ş (Volt) B-Ş (Volt) IB IC Tablo 1.1. Sonuç değerlerini kaydedin ve yorumlayın KONTROL LİSTESİ Değerlendirme Ölçütleri Evet Hayır Araştırma faaliyetleri yaptınız mı? Devre elemanları doğru olarak seçtiniz mi? Gerekli cihazlar temin ettiniz mi? Elamanların sağlamlık kontrollerini yaptınız mı? Devre montajı şemaya uygun ve düzenli yaptınız mı? Cihazlar uygun değerlere ayarladınız mı? Devre öngörülen şekilde çalıştınız mı? Ölçme işlemleri doğru olarak yaptınız mı? Sonuç tablosu eksiksiz doldurdunuz mu? Tablo 1.2. Kontrol listesi 21
ÖLÇME ÖLÇMEVE VEDEĞERLENDİRME A- OBJEKTİF TESTLER (ÖLÇME SORULARI) 1. Aşağıdakilerden hangisi kullanım amaçlarına göre transistör çeşitlerine girmez? A) Anahtarlama devre transistörleri B) Osilatör devre transistörleri C) Amplifikatör devre transistörleri D) Yüzey temaslı transistörler 2. Aşağıdakilerden hangisi transistör terminallerine verilen isimlerden biri değildir? A) Emiter B) Anot C) Beyz D) Kolektör 3. Transistörün aktif bölgede çalışma şartı aşağıdakilerden hangisidir? A) Beyz-Kolektör arası ters, beyz-emiter arası doğru, B) Beyz-Kolektör arası doğru, beyz-emiter arası doğru, C) Beyz-Kolektör arası doğru, beyz-emiter arası ters, D) Beyz-Kolektör arası ters, beyz-emiter arası ters polarmalandırılmalıdır. 4. Transistör sağlamlık kontrolüne göre aşağıdakilerden hangisi yanlıştır? A) Doğru yönde beyz emiter arası değer gösterir. B) Doğru yönde beyz-kolektör arası değer gösterir. C) Kolektör-emiter arası bir yönde değer gösterir diğer yönde değer göstermez. D) Kolektör-emiter arası her iki yönde de değer göstermez. 5. Silisyum yarı iletken malzemeden yapılmış bir transistörün iletime geçmesi için gerekli lanan minumum V BE gerilim değeri kaçtır? A) 0,4 Volt B) 0,7 Volt C) 0,9 Volt D) 1 Volt 6. Aşağıdakilerden hangisi transistör çalışma bölgelerinden değildir? A) Pasif B) Aktif C) Kesim D) Doyum 7. Transistörün yükselteç olarak kullanıldığı bir devre için aşağıdakilerden hangisi söylenemez? A) Devrenin amacı gerilim kazancı sağlamaktır. B) Transistör aktif bölgede çalışmaktadır. C) Transistör doyum bölgesinde çalışmaktadır. VO D) Devrenin kazancı AV formülü ile hesaplanır. V g DEĞERLENDİRME Cevaplarınızı cevap anahtarı ile karşılaştırınız. Doğru cevap sayınızı belirleyerek kendinizi değerlendiriniz. Yanlış cevap verdiğiniz ya da cevap verirken tereddüt yaşadığınız sorularla ilgili konuları faaliyete geri dönerek tekrar inceleyiniz Tüm sorulara doğru cevap verdiyseniz diğer faaliyete geçiniz. 22
ÖĞRENME FAALİYETİ 2 AMAÇ ÖĞRENME FAALİYETİ 2 Bu faaliyette verilen bilgiler doğrultusunda FET lerin genel yapısını ve temel özelliklerini tanıyacak, devreye uygun FET i seçerek FET uygulamalarını gerçekleştirebileceksiniz ARAŞTIRMA Transistör varken neden FET gibi bir elamana ihtiyaç duyulmuştur? Araştırınız. 2.1. FET Çeşitleri 2. FET Alan Etkili Transistör (Field Effect Ttransistor), 3 uçlu bir grup yarı iletken devre elemanının genel adıdır. Bu gruptaki transistörler kendi aralarında birtakım kategorilere ayrılır ve isimlendirilir. Şekil 2.1 de alan etkili transistör çeşitleri görülmektedir. Şekil 2.1: Alan ekili tansistörlerin (FET) çeşitleri Alan etkili transistör; Jonksiyon FET (JFET) veya metal oksitli yarı iletken JFET (MOSFET) olarak yapılır ve isimlendirilir. Her iki tip transistörün de n kanallı ve p kanallı olmak üzere iki tipte üretimi yapılır. N kanallı JFET'lerde iletim elektronlarla, P kanallı JFET lerde ise oyuklarla sağlanır. FET'lerin yapımı basit ve ekonomik olduğundan dolayı oldukça çok kullanım alanı bulmuştur. JFET lerin bipolar transistörlere göre önemli farklılıkları vardır. Bu konu daha sonra ayrıntılı anlatılacaktır. 23
2.2. JFET Yapısı ve Çalışması JFET'ler; N kanallı ve P kanallı olmak üzere iki tipte üretilir. JFET'in fiziksel yapısı ve elektriksel sembolü şekil 2.2 de gösterilmiştir. JFET üç uca sahiptir. Uçlarına işlevlerinden ötürü; Geyt (Gate), Sörs (Source), Dreyn (Drain) isimleri verilmiştir. JFET sembolünde, gate ucunda bulunan okun yönü kanal tipini ifade eder. Ok yönü içeri doğru ise N kanal JFET, ok yönü dışarıya doğru ise P kanal JFET olduğu anlaşılır. Bu durum şekil 2.2.a ve b de gösterilmiştir. Şekil 2.2: N kanallı ve P kanallı JFET'in yapısı ve sembolü N kanallı JFET ile P kanallı JFET in çalışma prensibi aynıdır. Tek fark akım yönleri ile polarma gerilimlerinin ters olmasıdır. Bu yüzden biz burada sadece N kanallı FET in çalışma prensibini inceleyeceğiz. JFET'e polarma gerilimleri uygulandığında meydana gelen akım ve gerilimler şekil 2.3 üzerinde gösterilmiştir. Drain-source arasına uygulanan besleme gerilimi, drain ucu ile şase arasına bağlanır. Bu gerilim, drain devresindeki besleme gerilimi olarak tanımlanır ve V DD ile sembolize edilir. VDD gerilimi, n kanal içerisindeki elektronların hareket etmesini sağlar. Bu elektronlar, source'den drain'e oradan da VDD kaynağının pozitif kutbuna gider. VDD kaynağının içinden source e geri döner. Source ve drain üzerinden geçen bu akıma drain akımı denir ve I D ile sembolize edilir. 24
Şekil 2.3: JFET'in çalışması JFET in gate terminali kontrol ucudur. JFET in iletkenliğini kontrol eder. Önce gate terminali kullanmadan JFET in çalışmasını analiz edelim. Bu amaçla şekil 2.4 ten yararlanacağız. Şekil 2.4 te verilen devrede, V GG gerilimi 0V (şase) yapılırsa ve V DD besleme kaynağı da 0V dan başlayarak yükseltilirse kanal içerisinden geçen akım miktarı da artar. Ancak n tipi kanalın jonksiyon direnci maksimum akım değerini sınırlar. V DD daha fazla artırıldığında JFET de bir ters polarma bölgesi oluşur. Bu polarma bölgesine, azalma bölgesi (deplation) denir. Azalma bölgesi, kanal akımının n maddesinin dar bir kesidi içinden geçmesini gerektirir. Bu durum kanal direncinin artmasına sebep olur. Dolayısı ile I D akımında artık bir azalma söz konusudur. Şekil 2.4: JFET'in çalışması 25
V DD kaynağının daha fazla artırılması sonucu kanalın tamamen daraldığı (kanal direncinin maksimuma yükseldiği) bir duruma erişilir. Bu değerden sonra daha fazla akım akışı meydana gelmez. Kısaca kanal akımında artış artık mümkün olmaz. Çünkü kanal kapanma moduna girmiş ve drain akımı doyuma ulaşmıştır. Bu durum şekil 2.4.b de gösterilmiştir. Sonuçta, kanal direncinden dolayı drain-source arasında bir gerilim düşümü meydana gelir. Bu gerilim, V DS gerilimi olarak adlandırılır. Görüldüğü gibi, V DD artarken drain ve source uçlarında V DS gerilim düşümü meydana gelir. Bu gerilim düşümüne ise I D akımı sebep olur. Şekil 2.5'te görüldüğü gibi V P noktasında, V DS artarken I D sabit bir değerde kalır. I D maksimum değerine ulaşmıştır. I D max değerine ise I DSS denir. I DSS kanalın doyum akımıdır. Bu anda yani I DSS akımı, V P değerine ulaştığında gate-source arası gerilim de sıfırdır (V GS =0V). I DSS değeri, elemanın yapısına göre belli bir değerde bulunur. Bu değer imalatçılar tarafından verilir veya ölçülebilir. Şekil 2.5: Kanal akımının neden olduğu daralmanın grafiği 2.3. JFET in BJT ye Göre Üstünlükleri Avantajları: JFET'in giriş empedansı çok yüksektir. (BJT de 2 KΩ iken FET lerde yaklaşık 100 M Ω) Anahtar olarak kullanıldığında, sapma gerilimi yoktur. JFET'in gürültü seviyesi bipolar transistörlere nazaran azdır. Bu nedenle FET, alçak ve yüksek frekanslarda kullanılabilir. JFET, iyi bir sinyal kırpıcı olarak çalışır. JFET'in sıcaklık kararlılığı daha iyidir. Sıcaklık değişimlerinden pek etkilenmez. JFET'in radyasyon etkisi yoktur ve radyasyondan az etkilenir. BJT lere göre daha küçüktür. Bu nedenle entegrelerde daha fazla kullanılır. Dezavantajı: JFET'in BJT ye göre sakıncası; bant genişliklerinin dar olması ve çabuk hasar görebilmesidir. 26
2.4. JFET in Karakteristikleri JFET'lerde; gate ucu, kanal bölgesini (azalma bölgesi) kontrol etmek için kullanılır. Örneğin; n kanallı bir JFET'te, gate ile source arasına uygulanan negatif polariteli bir gerilim, gerilim azalma bölgesini büyültür. Bu durum, kanal akımının daha düşük değerlerinde kanalın kapanmasına sebep olur. Eğer; VGS gerilimi artırılırsa (n kanal için daha negatif yapılırsa) kanalın azalma bölgesi daha da büyür. Neticede drain akımı şekil 2.6.a ve b'de gösterildiği gibi daha düşük akım seviyelerinde doyuma ulaşır. Şekil 2.6. a ve b'de n ve p kanal JFET'ler için V DS -I D grafiği çizilmiştir. Karakteristikte sabit VGS geriliminin çeşitli değerlerinde I D ve V DS değerleri gösterilmiştir. Örnek eğriler; VGS=0V, -1V ve -2V için çizilmiştir. Şekil 2.6: N ve P kanallı JFET'in drain karakteristikleri Sonuç olarak, n kanal bir JFET de gate-source arasına uygulanan ters polarma büyürken, kanal akımı azalır. Gate-source arasına uygulanan ters polarma gerilimi yeterli büyüklüğe ulaşırsa kanal tamamen kapanabilir ve I D akımı sıfıra düşebilir. Kanalın tamamen kapanıp akım geçirmemesine neden olan ters gerilim değerine gate-source daralma gerilimi (pinch-off) adı verilir: Bu değer V P ile ifade edilir. Yukarıdaki şekiller ve grafik iyi incelendiğinde V DS 'nin küçük değeri için, ID akımının lineer olarak arttığı görülür (şekil 2.6). V DS gerilimi artarken, kanalın daraldığı görülür. FET'in bir diğer önemli karakteristiği ise, Transfer Karakteristiği olarak adlandırılır. Transfer karakteristiği eğrisi; sabit bir drain-source (V DS ) geriliminde, gatesource (VGS) geriliminin fonksiyonu olarak elde edilen drain akımının (I D ) eğrisini gösterir. Transfer karakteristiği şekil 2.7.a ve b'de gösterildiği gibi elemanın iki önemli parametresi olan V P ve I DSS değerlerini verir. Transfer karakteristiği eğrisi matematiksel olarak; I D I DSS V (1 V eşitliği ile ifade edilir. Bu eşitlik veya bu eşitlikten çizilen transfer karakteristiği V P ve I DSS değerlerine bağlıdır ve JFET'in çalışmasını oldukça iyi tanımlar. V P değeri, n kanallı JFET ler için negatif, p kanallı FET ler için pozitif bir değerdir. Transfer karakteristiği eşitliği ile, şekil 2.7'deki transfer karakteristiği karşılaştırılırsa; V GS =0 olduğunda, eşitliğin I D =I DSS durumunu sağladığı ve eğrinin dikey eksen I D 'yi, I DSS değerinde kestiği görülür. 27 GS P 2 )
Diğer taraftan I D =0 için, eşitlik V GS =V P durumunu sağlar. I DSS ve V P değerleri imalatçı kataloglarında verilir. Bu değerlerden yararlanılarak transfer karakteristiği çizilebilir. Transfer karakteristiği eğrisinden ve değerlerden faydalanarak I D değerleri de hesaplanabilir. Şekil 2.7: N ve P kanallı JFET'in transfer karakteristikleri JFET'in çalışması grafiksel olarak şekil 2.8 deki drain çıkış karakteristiği yardımı ile görülebilir. I DSS değeri, V GS =0 durumunda elde edilen akım seviyelerinin meydana getirdiği eğriden okunur. V P değeri ise açık bir şekilde görülmez. Ancak V P değeri en alttaki V GS eğrisinin değerinden biraz daha büyüktür. Karakteristikteki kesik çizgi, doyum akımının aktığı noktalardan geçmektedir. Buna göre, kesik çizgi V DS =V P -V GS durumunu göstermektedir. Bu çizgi genellikle drain karakteristiğinin bir parçası değildir, ama eğrinin yatay eksene (V DS ) değdiği noktanın değerini verir. Şekil 2.8: JFET'in drain karakteristiği Karakteristikten görüldüğü gibi aktif bölgede I D akımı sabittir. Ancak belli bir V DS değerinden sonra JFET bozulur, drain akımının artışı JFET tarafından artık sınırlanamaz. Ancak JFET devresine bir harici eleman bağlanarak JFET korunur. JFET'in bozulma gerilimi değeri BV GDS olarak işaretlenmiştir. BV GDS değeri, küçük gate-source polarma gerilimleri için daha büyüktür. Üretici firmalar tek bir V GS değeri için genellikle 0V, BV GDS değerini kataloglarında belirtir. JFET in drain karakteristiğinde kesik çizgi ile belirtilen bölge ile, bozulma eğrileri arasında kalan bölge JFET için aktif çalışma bölgesidir. JFET'ler sinyal yükseltmek amacı ile kullanıldıklarında aktif bölgede çalıştırılır. Aktif bölgede çalışma ise büyük ölçüde dc polarma gerilimleri ile sağlanır. JFET'ler sayısal devrelerde ve anahtarlama devrelerinde de çok sık kullanılır. Bu tip çalışmada JFET lerin Kesim veya doyum bölgelerinde çalışmalarından faydalanılır ve bu bölgelerde çalıştırılır. 28
2.5. FET ve MOSFET Ölçme FET lerde transistörün aksine gate ucu boşta iken drain (D)-source(S) arasından akım geçer. Hem FET ve azaltan tip MOSFET in çalışma prensibi ve ölçümleri aynıdır. Gate ucu boşta iken D-S arası iletkendir. Yani normal transistör gibi ölçülürken C-E arası kısa devre olmuş gibidir. Azaltan tip MOSFET in D-S arası direnci FET in D-S arası direncinden büyüktür. Çoğaltan tip MOSFET in gate ucu boşta iken D-S arasından akım geçmez, yalıtkandır. Ölçümü normal transistör gibidir. N kanal N kanal P kanal P kanal FET ve Azaltan MOSFET Çoğaltan tip MOSFET FET ve Azaltan MOSFET Çoğaltan tip MOSFET Tablo 2.1: FET ve MOSFET sağlamlık kontrolü sonuçları Tablodaki değerler yaklaşık değerlerdir. Ölçülecek malzemenin tipine ve karakteristik özelliklerine göre değişiklik gösterebilir. 2.6. JFET Parametreleri ve Formülleri JFET e uygulanan voltajların değiştirilmesiyle, JFET in gösterdiği davranışa Parametre denir. Üretici firmalar elamanı tanımlamak ve farklı elamanlar arasında seçim yapabilmek için gerekli olan bilgileri kataloglarda verirler. JFET parametreleri şunlardır. Drain-Source doyma akımı (I DSS ): Gate-Source eklemi kısa devre yapıldığında drain-source arasından akan akımdır. Gate-Source kapama gerilimi (V P ): Drain-Source kanalının kapandığı gerilim değeridir. Gate-Source kırılma gerilimi (BV GDS ):Bu parametre belirli bir akımda drainsource kısa devre iken ölçülür. Uygulamada bu değerin üzerine çıkılması halinde elaman hasar görebilir. Geçiş İletkenliği (gm): Drain akım değişimine göre gate voltaj değişimine denir. Geçirgenlik, direncin tersi olduğu için birimi (MHO) veya Siemens 'tir. 29
JFET transfer karakteristristiğinde iki önemli nokta I DSS ve V P değerleridir. Herhangi bir noktadaki I D akımının değeri şu şekilde bulunur. I D I DSS V (1 V GS P 2 ) Geçirgenlik V DS sabit iken drain akım değişiminin gate-source arası voltaj değişimine oranıdır. Şu formülle hesaplanır. gm= I D / V GS gm= 2 I VP DSS I I D DSS Örnek 2.1: IDSS=7,5 ma, VP= 4 V olan p-kanallı JFET elamanının drain akımını VGS=2 Volt için bulunuz. Çözüm: I D I DSS V (1 V GS P 2 ) 2 I D =7,5 ma (1- ) 2 4 I D =7,5mA.(0,5) 2 I D =7,5.0,25 I D =1,875 ma Örnek 2.2: Drain akımının akmadığı kritik gerilim değeri V P =-6 Volt olan n-kanallı JFET elamanında VGS=1,5 V anında drain akımı 6,75 ma olarak ölçülmektedir. Drainsource doyum akımının değerini bulunuz. Çözüm: I D I DSS V (1 V GS P 2 ) 1,5 2 6,75 ma= I DSS (1- ) 6 6,75mA=0,5625. I DSS I DSS =12 ma 30
2.7. JFET Polarmalandırılması (Kutuplanması) Belli bir drain akımı ve drain-source gerilimi etrafında JFET'in çalışabilmesi için çoğunlukla polarmalandırılması gerekir. Eleman bir yükselteç olarak çalıştırılacaksa aktif bölgede çalışacak şekilde polarma gerilim ve akımları seçilir. JFET polarmalarında birçok polarma tipi kullanılabilir. Biz bu bölümde çok kullanılan polarma çeşitlerini inceleyeceğiz. 2.7.1. Sabit Polarma Devresi Sabit polarmalı bir JFET yükselteç devresi şekil 2.6 da verilmiştir. Devreyi incelediğimizde polarmanın iki adet dc besleme kaynağından sağlandığı görülmektedir. Gerçekte uygulamalarda tek bir dc besleme kaynağı kullanılır. Fakat konunun daha iyi anlaşılabilmesi için bu devrede çift besleme kaynağı kullanılmıştır. Aşağıdaki şekilde sabit polarmalı yükselteç devresi görülmektedir. 2.7.2 Self Polarma Devresi Şekil 2.9: Sabit polarmalı JFET'li yükselteç devresi Pratik uygulamada JFET'li yükselteçler genellikle tek bir dc besleme kaynağı ile polarmalandırılır. Böyle bir polarma devresi şekil 2.10' da gösterilmiştir. Bu devrede gatesource polarma gerilimi elde etmek için bir self polarma direnci R S kullanılmıştır. R S direnci uçlarında I D x R S gerilim düşümü nedeniyle pozitif bir V S gerilimi meydana gelir. Gate veya R G gate direncinden dc akımı geçmediğinden gate gerilimi sıfır volttur. Gate gerilimi sıfır volt olduğundan, gate (0V) ile source (+VS) arasında ölçülen net gerilim negatif gerilimdir. (Bu gerilim, referans noktası source alındığında negatif değerde ölçülür.) Ölçülen bu negatif gerilim gate-source arası polarma gerilimi VGS dir. Gate-source arası polarma bağlantısı; V GS =0 - I D. R D =I D. R S olduğu devreden görülmektedir. Bu bağıntı transfer karakteristiği üzerinde gösterilir. Bunun için iki I D değeri seçilir. JFET kesimde iken, I D =0 olur. JFET iletimde iken I D ; VDD I D = RS RD 31
Aşağıdaki şekilde self polarmalı JFET devresi görülmektedir. 2N5459 2.7.3. Gerilim Bölücülü Polarma Şekil 2.10: Self polarmalı JFET devresi JFET için kullanılan diğer bir dc polarma devresi şekil 2.11 de verilmiştir. Bu polarma şekli, gerilim bölücülü gate polarma olarak bilinir. Bu polarma tipinde, polarma gerilimi ve akımının belirlenmesi diğer polarma devrelerindeki gibidir. Sadece gate geriliminin 0 volttan farklı bir değerde tutulmasında durum değişir. 2N5459 Şekil 2.11: Gerilim bölücülü gate polarması 32
2.8. JFET li Yükselteç Devreleri FET yüksek giriş empedansı nedeniyle özellikle önyükselteç (preamplifikatör) devrelerinde yaygın olarak kullanılır. Şekil 2.12 de FET li temel yükselteç devresi görülmektedir. 2N5459 Şekil 2.12: FET li temel yükselteç devresi Bu devrede C 1 kondansatörü, giriş sinyalini gate ucuna aktaran kuplaj kondansatörüdür. C 2 kondansatörü R S direncini AC sinyaller bakımından by-pass yapan (yan geçit) kondansatördür. Yani AC sinyaller R S üzerinden değil C 2 üzerinden geçer ve böylece R S uçlarında AC gerilim düşümü olmaz. C3 kondansatörü de FET in çıkış sinyalini bir sonraki kata iletir. 2.9. Mosfet lerin Yapısı, Çalışması ve Karakteristikleri Alan etkili transistörlerin bazı tiplerinde gate terminali kanaldan izole edilmiş (yalıtılmış) biçimde yapılır. Bu tür alan etkili transistörlere, metal oksitli yarı iletken FET (Metal-Oxide Semiconductor FET) veya kısaca MOSFET denir. MOSFET'ler; ya azaltan tip MOSFET (Deplation-MOSFET) ya da çoğaltan tip MOSFET (Enhancment-MOSFET) olarak imal edilir. Azaltan tip Mosfet lere kısaca D- MOSFET, çoğaltan tip Mosfet lere ise E-MOSFET denilmektedir. Her iki tip MOSFET inde; P kanal ve N kanal olmak iki tipi vardır. N kanallı D-MOSFET ve E- MOSFET'in temel yapıları şekil 2.13'te verilmiştir. MOSFET lerde tıpkı JFET ler gibi 3 uçlu aktif devre elamanları grubundandır. Uçlarına işlevlerinden ötürü; Gate (Gate), Dreyn (Drain) ve Sörs (Source) isimleri verilmektedir. Şekil 2.13 te verilen temel yapıda Sabstreyt (Subsrate) terminali, dördüncü uç gibi görünse de genellikle source e bağlanır veya şase potansiyelinde tutulur. D-MOSFET'in yapısında kanal fiziksel olarak yapılmış haldedir. D- MOSFET in, drain-source uçlarına bir dc gerilim kaynağı bağlandığında drain ile source arasında bir akım meydana gelir. E-MOSFET' in yapısında ise, imalat sırasında şekillendirilmiş veya oluşturulmuş bir kanal yoktur. E-MOSFET'in; drain-source uçlarına gerilim uygulandığında akım meydana gelebilmesi için, şarj taşıyıcılarının kanalı oluşturması gerekir. Bunun için de gate ucuna gerilim uygulanması gereklidir. 33