ALAN ETKİLİ TRANİTÖR Y.oç.r.A.Faruk BAKAN FET (Alan Etkili Transistör) gerilim kontrollu ve üç uçlu bir elemandır. FET in uçları G (Kapı), (rain) ve (Kaynak) olarak tanımlanır. FET in yapısı ve sembolü Şekil 4.1 de gösterilmiştir. FET ler aşağıdaki gibi 3 grupta toplanabilir. - JFET (Jonksiyon FET) - IGFET( Kapı izoleli FET) - MOFET (Metal oksit yarı iletken FET) JFET BJT akım kontrollu bir elemandır yani taban akımı ile kollektör akımı kontrol edilir. FET ise gerilim kontrollu bir elemandır. FET in kapı (G) ile kaynak () arasına uygulanan gerilim ile, kanaldan ( ile arasından) geçen akım kontrol edilir. G- 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 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 4. de gösterilmiştir. Kanalın direnci ve kanaldan geçen akım, ile nin fonksiyonudur. Şekil 4.1. JFET yapı ve sembolleri, a) N kanal ve b) P kanal. Şekil 4.. N kanal JFET in çalışma prensibi. 5
Y.oç.r.A.Faruk BAKAN N kanal FET te G ile uçları arasına 0 veya negatif bir gerilim, ile uçları arasına ise pozitif bir gerilim uygulanır. Kapıdan kanala olan P-N jonksiyonu ters yönde kutuplanır. G = olduğuna göre, G gerilimi e göre daha negatiftir. Bu nedenle, G ile arasındaki bölgede ters yönde kutuplanan P-N diyodunun boşluk bölgesi daha geniş olur. = 0 iken geriliminin arttırılması ile N kanal JFET te elde edilen karakteristik Şekil 4.3 te gösterilmiştir. A ile B noktaları arasındaki direnç bölgesinde nin 0 dan itibaren arttırılması ile i akımı I değerine kadar artar. A ile B arasında, boşluk bölgesinin genişliği etkili olmadığından kanalın direnci sabittir. = 0 iken geçen I akımı FET in maksimum akımıdır. B noktasında gerilimi P değerini alır. B noktasından sonra, artırılması ile i akımı değişmez. C noktasından sonra geriliminin geriliminin artırılması, P-N jonksiyonunun ters yönde devrilmesine neden olur ve i 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 kanal akımı sabit kalır. Akımın sabit kalmasının nedeni, geriliminin kanal direncindeki artışı dengelemesidir. gerilimi, kaynaktan çıkan elektronların tıkalı bölgeyi geçerek ucuna ulaşmasını sağlar. B noktasındaki değeri, BJT de β nın karşılığıdır. gerilimine P pinch-off gerilimi denir. FET in P Şekil 4.3. = 0 iken N kanal JFET in karakteristik eğrisi. ve gerilimleri değiştirildiğinde, N kanal JFET te i akımının değişimi Şekil 4.4 te verilmiştir. FET in kesim bölgesinde gerilimi P ye eşit olur. Bu durumda boşluk bölgesi kanalı tamamen tıkar ve kanal direnci çok büyüktür. 53 geriliminin artırılması ile (ters değerini aldığında devrilmeye kadar) kanaldan akım geçemez. = 0 iken, gerilimi P FET in akımı I değerini alır. Bu esnada G ile uçları arasındaki P-N jonksiyonu, P gerilimi ile ters yönde kutuplanır ve G ile arasındaki boşluk bölgesi kanalı tıkar. G = P durumu pinch-off bölgesinin başlangıcıdır. negatif bir gerilim ve gerilimi P değerinden küçük iken G = P şartı sağlandığında, G- arasındaki kanal tıkanır ve pinch off bölgesinde çalışma gerçekleşir. Bu durumda küçük olduğundan i akımı da I ten küçüktür. in pinch off değeri (P) = P + şeklinde hesaplanır. Şekil 4.4 ve 4.5 te FET in karakteristik eğrileri ve çalışma bölgeleri gösterilmiştir.
Y.oç.r.A.Faruk BAKAN Şekil 4.4. N kanal JFET in karakteristik eğrileri. Şekil 4.5. N kanal JFET in çalışma bölgeleri. 54
Y.oç.r.A.Faruk BAKAN Uygulama 1: Şekilde verilen FET te P = 8 ve I = 1 ma dir. a) gerilimi 5 ise, pinch-off un başladığı gerilimini bulunuz. b) gerilimi 1, pinch- off geriliminden büyük ve kapı ucu toprağa bağlı ise I akımını hesaplayınız. c) gerilimi 10 iken I akımı ne olur? Çözüm : a) (P) = P + = 8 + (-5) = 3 b) = 0 ve pinch- off geriliminden büyük ise, I = I = 1 ma olur. c) JFET kesimdedir ve I = 0 olur. JFET in Transfer Karakteristiği N kanal FET te gerilimi, 0 ile - p arasında değiştirilerek I akımı kontrol edilir. P kanal FET te ise I akımının kontrolu için gerilimi 0 ile p arasında değiştirilir. Kesimdeki değerine (off ) da denir. (off ) ile p mutlak değer olarak birbirine eşittir. Katalogların çoğunda sadece (off ) değeri verilir. Bu değer 10 na gibi çok küçük bir akımda tanımlanır. gerilimi ile I akımı arasındaki ilişki aşağıdaki eşitlikte verilmiştir. Bu eşitliğe göre, gerilimi ile I akımı arasındaki ilişki, yani transfer karakteristiği parabolik bir değişim gösterir. N kanal FET in transfer karakteristiği Şekil 4.6 da gösterilmiştir. I = I 1 (off ) = (off ) I = 0 = 0 I = I Şekil 4.6. N kanal JFET in transfer karakteristiği. Uygulama : N kanal bir JFET te (off ) i akımını hesaplayarak transfer karakteristiğini çiziniz. = 8 ve I = 10 ma dir. = 0, -, - 4 ve - 6 için 55
= 0 I = I = 10 ma = 8 I = 0 I = I 1 (off ) = - I = 10 ma 1- = 5. 65 ma - 8 = 4-4 I = 10 ma 1- =. 5mA - 8 = 6-6 I = 10 ma 1- = 0. 65 ma - 8 Y.oç.r.A.Faruk BAKAN İleri Yön Geçiş İletkenliği FET de ileri yön geçiş iletkenliği g m, gerilimi sabit iken, I akımındaki değişimin gerilimindeki değişime oranı olarak tanımlanır. FET in transfer karakteristiği lineer olmadığı için g m çalışma noktasına bağlı olarak değişir. Şekil 4.7 de farklı çalışma noktalarında g m in bulunması gösterilmiştir. Şekil 4.7. N kanal JFET te farklı çalışma noktalarındaki g m. = 0 iken g m değeri g m0 olarak tanımlanır. Herhangi bir noktadaki g m değeri, g m0 aşağıdaki eşitlikle hesaplanır. a göre g m 1 = g m0 (off ) Uygulama 3: (off ) = 8, I = 0 ma ve g m 0 = 4000 µ s olan JFET in = -4 için ileri yön geçiş iletkenliğini bulunuz g m 8 = g 1 m0 = 4000 1 = 000 µs (off ) 4 56
JFET in kutuplanması JFET de kutuplamanın amacı uygun bir gerilimi ile istenilen Y.oç.r.A.Faruk BAKAN I akımını sağlamaktır. G gerilimi sızıntı akımı çok küçük olduğundan 0 kabul edilir. = G = I R = 0 I R Şekil 4.8 JFET in kutuplanması. = IR = I = R = I (R + R ) Uygulama 4: Şekil 4.8 de verilen devrede R = 1kΩ, R = 500 Ω, = 10 ve I = 5 ma olarak verilmiştir. ve yi hesaplayınız. = IR = 5 ma x 500 Ω =. 5 G = 0 olduğuna göre, = =.5 bulunur. G = IR = 10-5 ma x 1kΩ = 5 = = 5 -.5 =.5 bulunur. Uygulama 5: (off ) = 10, I = 5 ma olan N kanal JFET te = 5 tur. R direncinin değerini hesaplayınız. I I 1 (off ) - 5 = = 5 ma 1- = 6. 5 ma -10 = G G = 0 olduğuna göre, = I R 5 R = s = = 800 Ω bulunur. I 6.5 ma 57
MOFET (Metal Oksit Yarı İletken FET) Y.oç.r.A.Faruk BAKAN MOFET de kapı ile kanal arasında JFET deki gibi bir P-N jonksiyonu yoktur. MOFET in kapısı silisyum dioksit (io ) tabakası ile kanaldan izole edilmiştir. İki temel MOFET mevcuttur. - E MOFET - E MOFET E MOFET E MOFET in temel yapısı Şekil 4.9 da gösterilmiştir. E MOFET te ve altkatman malzeme üzerine katkılanarak, kapıya komşu olan dar bir kanal ile birbirine bağlanmıştır. E MOFET N kanal ve P kanal olabilir. Burada sadece N kanallı E MOFET incelenecektir. P kanallı E MOFET te gerilim yönleri terstir fakat çalışma prensipleri aynıdır. Şekil 4.9 E MOFET in temel yapı ve sembolü a) N kanal ve b) P kanal. Kapı kanaldan izole olduğu için kapıya negatif veya pozitif gerilim uygulanabilir. E MOFET kapısına negatif gerilim uygulanırsa Azaltma (epletion), pozitif gerilim uygulanırsa Arttırma (Enhacement) modunda çalışır. E MOFET te kapı ve kanal bir kapasitenin iki paralel plakası ve io tabakası bir dielektrik malzeme gibidir. Şekil 4.10. N kanal E MOFET in çalışması. 58
Y.oç.r.A.Faruk BAKAN Negatif bir kapı gerilimi uygulandığında, P malzemesindeki delikler N kanala doğru çekilir ve elektronlar kanaldan uzaklaşır. Bu elektronların yerine pozitif iyonlar oluşur ve N kanaldaki serbest elektronlar azalır. Bu durumda kanal direnci artar ve kanal akımı azalır (Şekil 4.10(a) ). Pozitif bir kapı gerilimi uygulandığında, elektronlar kanala doğru çekilir ve P malzemesindeki delikler uzaklaştırılır. Böylece kanalda daha çok serbest elektron olur. Bu durumda kanal direnci azalır ve kanal akımı artar (Şekil 4.10(b) ). E MOFET in transfer karakteristiği Şekil 4.11 de gösterilmiştir. E MOFET Şekil 4.11. N ve P kanal E MOFET in transfer karakteristikleri. E MOFET in yapı ve sembolü Şekil 4.1 de gösterilmiştir. Bu MOFET te fiziksel bir kanal yoktur. N kanal E MOFET te kapıya uygulanan gerilim eşik değerinde, io tabakasına komşu olan P malzemesinde ince bir negatif yük tabakası ve bir kanal oluşturur. Eşik geriliminin altında bir kanal oluşmaz. Kapı kaynak arasındaki pozitif gerilim arttırıldığında kanala daha çok elektron çekilir ve kanalın iletkenliği artar. N kanal E MOFET in çalışma prensibi Şekil 4.13 te gösterilmiştir. (a) (b) Şekil 4.1 E MOFET in temel yapı ve sembolü a) P kanal ve b) P kanal. E MOFET yalnız kanal arttırma ile kullanılır. N kanallı bir E MOFET pozitif kapı kaynak gerilimi ile çalışır. P kanallı türünde ise negatif kapı kaynak gerilimi gerekir. Şekil 4.14 te gösterildiği gibi E MOFET in transfer karakteristiğinde = 0 iken bir akım geçmez. Yani 59
Y.oç.r.A.Faruk BAKAN E MOFET te, JFET ve E MOFET teki gibi I parametresi yoktur. gerilimi (th) eşik gerilimine ulaşana kadar I akımı sıfırdır. E MOFET in transfer karakteristiğinin eşitliği aşağıda verilmiştir. MOFET in K sabiti nin belirli bir değeri için verilen I (on) akımı için katalogda verilir. I [ ] = K (th) Şekil 4.13. N kanal E MOFET in çalışması. Şekil 4.14. N ve P kanal E MOFET in transfer karakteristikleri. Uygulama : 6 = 10 için I (on) =3 ma olan E MOFET in ( th ) = 5 verilmiştir. = 8 I akımını hesaplayınız. için K = [ I ( on) ( th) ] 3 ma = (10-5) = 3 ma 5 = 0. 1 ma / K sabiti kullanılarak = 8 için I akımı hesaplanır. I [ ] = K (th) =0.1 x ( 8 5 ) = 1.08 ma 60
Uygulama : 7 Yanda verilen E MOFET kutuplama devresinde I akımını ve gerilimini hesaplayınız. ( off ) = 8, I = 1 ma = 18, R = 600 Ω, = 10 MΩ R G Y.oç.r.A.Faruk BAKAN = 0 olduğundan I = I olur. = I R şeklinde hesaplanır. I I = =1 ma = I R = 18 1mA x 600 MΩ = 10.8 Uygulama : 8 Yanda verilen Geribeslemeli E MOFET kutuplama devresinde gerilimi ölçü aleti ile 8.5 olarak ölçülüyor. evrede I akımını hesaplayınız. ( th ) = 3 = 15, R = 5 kω, = 50 MΩ R G Geribeslemeli devrede kapı akımı sıfır kabul edilir. = = 8.5 olur. 15 8. 5 I = = olur. R 5 kω Uygulama : 9 Yanda verilen gerilim bölücülü E MOFET kutuplama devresinde ve gerilimlerini hesaplayınız. I (on) =3 ma @ = 10 ( th ) = 5 = 4 R 1 = 10 kω, R = 15 kω, R = 1kΩ R 15 k Ω = = 4 = 14. 4 R + R 10 kω + 15 kω K = [ 1 I ( on) ( th) ] [ ] I K ( th) 3 ma = (10-5) 3 ma = 5 = 0. 1 ma / = =0.1 x ( 14.4 5 ) = 10.6 ma = I R = 4-10.6 ma x 1kΩ = 13.4 61