6. Bölüm: Alan Etkili Transistörler Doç. Dr. Ersan KABALCI 1
FET FETler (Alan etkili transistörler) BJTlere çok benzer yapıdadır. Benzerlikleri: Yükselteçler Anahtarlama devreleri Empedans uygunlaştırma devreleri Farkları: FETler gerilim kontrollü, BJTler ise akım kontrollü kaynaklardır. FETler daha yüksek giriş empedansına sahiptir, BJTler ise daha yüksek kazanç değerlerine. FETler sıcaklık değişimlerinden daha az etkilenirler ve bu nedenle entegre devrelerde daha kolay kullanılırlar. FETler genellikle BJTlerden daha kararlıdırlar. FET in en büyük avantajı yüksek giriş empedansıdır. 2
FET Türleri JFET Junction Field-Effect Transistor MOSFET Metal-Oxide Field-Effect Transistor D-MOSFET Depletion MOSFET E-MOSFET Enhancement MOSFET 3
İki tip JFET vardır JFET Yapısı n-kanal p-kanal N-kanal daha yaygın kullanılır. Üç bağlantı ucu vardır. Drain (D) ve source (S) uçları n-kanalına Gate (G) ise p-tipi maddeye bağlanır. 4
JFET in Çalışma Yapısı JFET in çalışması bir vanaya benzetilebilir. Source (Kaynak), drain-source geriliminde negatif kutuptaki elektronların toplamını ifade eder. Drain (Akaç) uygulanan gerilimin pozitif tarafında elektron eksikliğini ya da oyukları ifade eder. Su akıntısının Kontrol kısmı ise n- kanalının genişliğini ve dolayısıyla kaynaktan akaça yük akışını kontrol eden gate (kapı) gerilimidir. 5
JFET Çalışma Karakteristiği Bir JFETin 3 temel çalışma karakteristiği vardır: V GS = 0, pozitif artan V DS V GS < 0, pozitif V DS Gerilim kontrollü direnç 6
JFET Çalışma karakteristikleri V GS = 0, pozitif artan V DS V GS = 0 and V DS sıfırdan pozitif bir değere yükselirken 3 durum gerçekleşir: N-kanaldaki elektronlar ile p- kapısındaki oyuklar karşılaşırken p- kapısı ve n-kanalı arasındaki geçiş bölgesi artar. Geçiş bölgesinin artması n-kanalın boyutunu azaltır ve n-kanal direncini yükseltir. N-kanal direncinin artmasına rağmen, V DS gerilimi yükseleceği için sourcedrain arasındaki akım (I D ) artar. 7
JFET Çalışma karakteristikleri V GS = 0, V DS pozitif artan V DS : Bükülme (Pinch Off) V GS = 0 iken V DS daha yüksek bir pozitif değere getirilirse, geçiş bölgesi (boşaltılmış bölge) n-kanalı tıkayacak kadar genişler. Bu durum, n-kanal akımının (I D ) 0A e düşeceğini gösterir ancak V DS arttıkça I D de artacaktır. 8
JFET Çalışma karakteristikleri V GS = 0, V DS pozitif artan V DS : Bükülme (Pinch Off) 9
JFET Çalışma karakteristikleri V GS = 0, V DS pozitif artan V DS : Doyum Bükülme noktasında: V GS arttırılsa da I D akımında herhangi bir artışın elde edilemeyeceği bir noktaya ulaşılır. Bükülme noktasındaki V GS gerilimi V p olarak tanımlanır. I D doyum ya da maksimum değerdedir ve bu durumda akım I DSS olarak adlandırılır. Kanalın direnç değeri maksimumdur. 10
JFET Çalışma karakteristikleri V GS < 0, pozitif V DS V GS negatif değer aldıkça geçiş bölgesi artar. 11
JFET Çalışma karakteristikleri V GS < 0, pozitif V DS : I D < I DSS V GS negatif değer aldıkça : JFET daha düşük bir gerilimde (Vp) bükülme noktasına ulaşır. V DS artsa da I D azalır (I D < I DSS ) Sonuç olarak I D 0A e ulaşır. Bu noktada V GS, V p ya da V GS(off) olarak adlandırılır. Bunun yanı sıra yüksek V DS geriliminde JFET kırılma durumuna gelecektir. Eğer V DS > V DSmax olursa I D kontrolsüz bir şekilde artar. 12
JFET Çalışma karakteristikleri Gerilim Kontrollü Direnç Bükülme noktasının solunda kalan bölge ohmik bölge olarak tanımlanır. JFET, V GS gerilimi drainsource direncini (r d ) kontrol ettiğinden dolayı değişken direnç olarak kullanılabilir. V GS negatif değere düştükçe (r d ) direnci artar. r d 1 r o V V GS P 2 13
p-kanal JFET Polariteleri ve akım yönlerinin ters olmasının dışında p-kanal JFETler n-kanal JFET gibi çalışır. 14
p-kanal JFET Karakteristiği V GS pozitif olarak arttığında Geçiş bölgesi artar I D azalır (I D < I DSS ) sonuçta I D = 0A olur. Bunun yanı sıra yüksek V DS geriliminde JFET kırılma durumuna gelecektir. Eğer V DS > V DSmax olursa I D kontrolsüz bir şekilde artar. 15
JFET Sembolü 16
JFET Transfer Karakteristiği JFETlerin girişten-çıkışa transfer anlaşılır değildir. karakteristiği BJTler kadar kolay BJTler, I B (giriş) ve I C (çıkış) arasındaki ilişkiyi gösterir. Bir JFETte ise V GS (giriş) ve I D (çıkış) arasındaki ilişki daha karmaşıktır: I D I V DSS 1 V GS P 2 17
JFET Transfer Eğrisi Aşağıdaki şekilde sabit bir V GS değerine göre I D akımı görülmektedir. 18
JFET Transfer Eğrisinin Çizilmesi Bir JFET in kataloğundaki I DSS ve Vp (V GS(off) ) değerlerine göre transfer eğrisinin çizilmesi aşağıdaki 3 adımda gerçekleştirilir. 1. Adım V GS = 0V ise I D I DSS I D = I DSS 1 V V GS P 2 V GS = V p (V GS(off) ) ise 2. Adım I D I DSS I D = 0A 1 V V GS P 2 V GS = 0V V p değerine 3. Adım I D I DSS 1 V V GS P 2 19
JFET Katalog Sayfaları Elektriksel Karakteristikleri Maximum Ratings 20
JFET Katalog Sayfaları Maximum Ratings 21
JFET Kılıf Tipleri ve Uçları 22
MOSFETler MOSFETler JFETlere benzer karakteristik özellikler göstermekle birlikte JFETlerden daha kullanışlı olmalarını sağlayan özellikleri vardır. İki tip MOSFET vardır: Kanal Ayarlamalı (Depletion) Tip Kanal Oluşturmalı (Enhancement) Tip 23
MOSFETler Metal oksit alan etkili transistörler (MOSFET), FET elemanlaının 2. kategorisidir. Temel farkı, pn jonksiyonunun bulunmaması ve p ve n maddelerinin birbirinden yalıtılmış olmasıdır. MOSFET ler statik elektriğe karşı duyarlıdırlar ve hassas bir şekilde kullanılması gerekir. 24
Kanal Ayarlamalı (Depletion) Tip MOSFET Yapısı Drain (D) ve source (S) n-katkılı kanala bağlanır. Bu n-katkılı kanallar, bir n-kanal ile birbirine bağlıdır. Bu n-kanalı ise ince bir yalıtkan SiO 2 kanalıyla gate (G) ucuna bağlanır. n-katkılı maddeler ise p-katkılı alt katmanın üstüne yerleştirilir. Bu alt katmanın ise substrate (SS) yani alt tabaka bağlantısı yapılır. 25
Kanal Ayarlamalı Tip MOSFETin Temel Çalışma Prensibi Kanal Ayarlamalı bir MOSFET iki modda çalıştırılabilir: Kanal ayarlama Kanal oluşturma 26
Kanal Ayarlamalı MOSFETin Depletion Modu Depletion Mod Karakteristik özelliği JFETe çok benzerdir. V GS = 0V iken I D = I DSS V GS < 0V iken I D < I DSS Transfer eğrisi çizmek için kullanılan formül aynıdır: I D I DSS 1 V V GS P 2 27
Kanal Ayarlamalı MOSFETin Enhancement Modu Enhancement Mod V GS > 0V I D I DSS den daha yüksektir Transfer eğrisi çizmek için kullanılan formül aynıdır: I D I DSS 1 V V GS P 2!!! V GS nin pozitif olduğuna dikkat ediniz. 28
p-kanal Kanal Ayarlamalı MOSFET 29
Katalog Sayfaları Elektriksel Karakteristikler 30
Katalog Sayfaları Maximum Ratings 31
Kanal Oluşturmalı (Enhancement) Tip MOSFET Yapısı Drain (D) ve source (S) n-katkılı kanala bağlanır. Bu n-katkılı kanallar, bir n-kanal ile birbirine bağlıdır. Gate (G) ucu ince bir yalıtkan SiO 2 kanalıyla p-katkılı alt katmana bağlanır. Drain source arasında kanal yoktur. n-katkılı madde ise p-katkılı alt katmanın üstüne yerleştirilir. Bu alt katmanın ise substrate (SS) yani alt tabaka bağlantısı yapılır. 32
Kanal Oluşturmalı (Enhancement) Tip MOSFETin Temel Çalışma Prensibi Kanal oluşturmalı MOSFET sadece enhancement modunda çalışır. V GS daima pozitiftir. V GS arttıkça I D de artar V GS sabit tutulur ve V DS arttırılırsa, I D (I DSS ) değerinde doyuma gider ve V DSsat doyum seviyesine ulaşır. 33
Kanal Oluşturmalı (Enhancement) Tip MOSFET Transfer Eğrisi Belirli bir V GS değerinde I D yi belirlemek için : I 2 D k(vgs VT ) Burada: V T = MOSFETin iletime geçtiği gerilim ya da eşik gerilimi k = katalogda belirtilen sabit değer k değeri aynı zamanda belirli bir noktadaki değerler kullanılarak da hesaplanabilir: k (V I D(ON) GS(ON) V T ) 2 V DSsat ise aşağıdaki gibi hesaplanır: V Dsat V GS V T 34
p-kanal Enhancement Tip MOSFETler P-kanal kanal oluşturmalı tip (enhancement) MOSFETler gerilim polariteleri ve akım yönlerindeki terslikler dışında n-kanal Mosfetler ile aynıdır. 35
MOSFET Sembolleri 36
Katalog Sayfaları Maksimum Değerler 37
Katalog Sayfaları Elektriksel Karakteristikler 38
MOSFETlerin Kullanımı MOSFETler statik elektriğe karşı çok hassastırlar. Harici uçlar ile katmanlar arasındaki ince SiO 2 katmandan dolayı statik elektrik deşarjlarından ani olarak etkilenirler. Koruma Daima statik korumalı poşetlerde taşınmalı MOSFETlere müdahale edilirken statik koruyucu bileklik kullanılmalı Ani geçiş gerilimlerini önlemek için gate ve source uçları arasında zener gibi gerilim sınırlayıcı elemanlar kullanılmalı. 39
VMOS VMOS (vertical MOSFET) devre elemanının yüzey alanının genişletir. Avantajları VMOS lar yüzey alanını genişleterek ısı dağılımını kolaylaştırdığından daha yüksek akımlarda çalışır. VMOS ların anahtarlama frekansları daha yüksektir. 40
CMOS CMOS (complementary MOSFET), aynı katmanda hem p-kanal hem de n-kanal MOSFET kullanılarak oluşturulur. Avantajları Mantık devrelerinde kullanılır Yüksek giriş empedansı vardır Yüksek anahtarlama frekansı Daha düşük çalışma seviyeleri 41
Özet Tablosu 42