Deneyin Amacı DENEY 6: MOSFET MOSFET (metal oxide semiconductor fieldeffect transistor, metal oksit tabakalı yarıiletken alan etkili transistör) yapısının ve karakteristiğinin öğrenilmesi, MOSFET li bir kuvvetlendirici tasarlanması A.ÖNBİLGİ Alan etkili transistörler (FET) genel kullanımı ile iki başlığa ayrılmaktadırlar. Bunlar jonksiyonlu alan etkili transistör (JFET) ve MOSFET dir. MOSFET ile JFET genel olarak birbirlerine benzemelerine rağmen MOSFET, JFET e göre daha avantajlı ve kullanışlıdır. MOSFET, JFET ve BJT lerden daha yüksek frekanslarda çalışabilirler. Ayrıca MOSFET lerin güç harcamaları düşük ve mekanik dayanımları yüksektir. MOSFET ler, JFET lerde olduğu gibi drain (D), gate (G) ve source (S) olmak üzere üç bacağa sahiptir. Fakat JFET lerden farklı olarak gate ucu kanal bölgesinden silisyum oksit ve silisyum nitrat ile yalıtılmıştır. Bu nedenle MOSFET in giriş direnci yüksek değerlidir. Ama her ne kadar gate ucu yalıtımlı olsa da statik elektrikten etkilenerek delinebilir. Bu yüzden MOSFET i kullanırken bacak uçlarına dokunmamız gerekir. MOSFET ler kanal bölgesi madde kullanımına göre n kanallı ve p kanallı olarak ikiye ayrılmaktadırlar. Şekil 6.1 de n ve p kanallı tip MOSFET yapıları için kanal bölgesi ve D, S ve G bağlantı uçları gösterilmiştir. Şekil 6.1. n ve p kanallı MOSFET yapıları MOSFET ler çalışma şekline göre de farklı tiplere ayrılmaktadırlar. Bunlar azaltan tip (deplation) ve çoğaltan tip (enhancement) olmak üzere iki çeşittir. Azaltan tip MOSFET ler gate ve source arasında gerilim sıfır veya negatif değerli olsa dahi drain-source arasında bir miktar akım akıtan yapıdadırlar. Bu sebeple bu tip MOSFET lere ON tip de denilmektedir. Diğer yandan çoğaltan tip MOSFET lerde gate-source gerilimi için belirli bir eşik gerilimi Sayfa 1
değeri vardır. Eğer bu eşik gerilimi aşılırsa drain-source arasında akım akmaya başlar. Bu sebeple de bu tip MOSFET lere OFF tip denilmektedir. Şekil 6.1 de azaltan tip n ve p kanallı MOSFET yapılarına ait gösterimlerdir. Çoğaltan tip n ve p kanallı MOSFET tipleri ise Şekil 6.2 de görülmektedir. Şekil 6.2. Çoğaltan kanallı n ve p tip MOSFET yapıları Şekil 6.1 ve 6.2 den görüldüğü üzere azaltan tip MOSFET ler için kanal oluşumu normal durumda da mevcutken, çoğaltan tip MOSFET ler için normal durumda mevcut değildir. Çoğaltan tip MOSFET lerde kanal oluşumu için eşik geriliminin aşılması gerekmektedir. Şekil 6.3 te azaltan ve çoğaltan tip n ve p kanallı MOSFET ler için sembolik gösterimler görülmektedir. Şekil 6.3. Azaltan ve çoğaltan kanallı n ve p tip MOSFET sembolik gösterimleri N kanallı bir MOSFET için akım drain-source yönünde akarken, P kanallı bir MOSFET için ise source-drain yönünde akmaktadır. Azaltan tip bir MOSFET için gate ucu ile kanalın birleştiği kısım düz çizgi iken, çoğaltan tip bir MOSFET için ise bu kısım 3 ayrı çizgi şeklinde simgelenmiştir. Bu çalışmada çoğaltan tip n kanallı bir MOSFET yapısı kullanılacak ve bir kuvvetlendirici devresi oluşturulacaktır. Çoğaltan tip n kanallı bir MOSFET için üç adet çalışma bölgesi vardır. Sayfa 2
Çoğaltan tip n kanallı bir MOSFET için çalışma bölgeleri; Kesim Bölgesi: V GS < V Eşik, I D < 0 Doğrusal Bölge: V DS < V GS - V Eşik, V GS > V Eşik Doyum Bölgesi: V DS > V GS - V Eşik, V GS > V Eşik şeklinde ilgili eşitlikler ile ifade edilebilir. Çoğaltan tip n kanallı MOSFET bulunan bir kazanç devresinde kazancın bulunabilmesi için MOSFET in DC olarak doyumda olması gerekmektedir. Doyum bölgesinde drain-source akımı aşağıdaki gibi ifade edilmektedir; burada β elemanın yapısına bağlı bir değerdir. I D = 1 2 β(v GS V Eşik ) 2 Şekil 6.4 te çoğaltan tip n kanallı bir MOSFET e ait karakteristik grafikleri verilmiştir. Şekilden görüldüğü üzere belirli bir eşik geriliminden sonra drain akımı oluşmakta ve V GS gerilimi büyüdükçe I D akımı da artmaktadır. Şekil 6.4. Çoğaltan tip n kanallı bir MOSFET e ait karakteristik eğrileri MOSFET in Kuvvetlendirici Olarak Çalıştırılması MOSFET li kuvvetlendirici devreleri BJT li ve JFET li kuvvetlendirici devrelerine göre daha yüksek frekansta çalışabilmektedirler. Fakat dezavantaj olarak MOSFET li ve JFET li kuvvetlendiricilerde gerilim kazancı BJT lilere göre düşük olmaktadır. Kuvvetlendirici devreleri genel olarak FET ler için ortak kaynaklı veya BJT ler için ortak emetörlü şeklinde kullanılmaktadırlar. Bu sebeple bu deneyde de kurulacak olan devre için ortak kaynaklı (common source) MOSFET kuvvetlendirici devresi seçilmiştir. Sayfa 3
Şekil 6.5 te ortak kaynaklı MOSFET kuvvetlendirici devre şeması görülmektedir. Şekil 6.6 da ise Şekil 6.5 teki ortak kaynaklı MOSFET kuvvetlendiricinin eşdeğer devresi görülmektedir. Şekil 6.5. Ortak kaynaklı MOSFET kuvvetlendirici devresi Şekil 6.6. Ortak kaynaklı MOSFET eşdeğer devresi Kuvvetlendiriciye ait giriş ve çıkış dirençleri ile gerilim kazancı aşağıdaki formüller ile ifade edilmektedir. Drain-source direnci r o sonsuza yakın seçildiğinden gerilim kazancını etkilememektedir. Geçiş iletkenliği : g m = β(v GS V Eşik ) Kazanç : A V = V out V in = g m. R L R D Yükselteç giriş empedansı : R in = R 1 R 2 Yükselteç çıkış empedansı : R out = R L R D Sayfa 4
B. DENEY ÖNCESİ YAPILACAKLAR 1. Şekil 6.5 deki devreyi Vg=0,05.sin(2π50000t), VCC=+18V, Q1=IRF510, R1=R2=RL=1kOhm, RD=470 Ohm, Rm=220 Ohm ve C1=C2=C3=1uF değerleri için benzetim programında kurunuz. a) Osioskop yardımıyla Vg ve Vo işaretlerini aşağıda ayrılmış bölgeye üst üste gelecek şekilde çiziniz. Volt/Div(Vg için)= Volt/Div(Vo için)= Time/Div= b) Gerilim kazancını hesaplayınız ve MOSFET geçiş iletkenliğini (g m ) bulunuz. c) RL direnci değerini 220 Ohm olarak değiştirip, b aşamasını tekrarlayınız. Eğer farklılıklar varsa nedenlerini yorumlayınız. d) IRF510 MOSFET veri kataloğunu inceleyerek bacak bağlantılarını gösteriniz. Sayfa 5
C. DENEYİN YAPILIŞI 1. Şekil 6.5 deki devreyi Vg=0,05.sin(2π50000t), VCC=+18V, Q1=IRF510, R1=R2=RL=1kOhm, RD=470 Ohm, Rm=220 Ohm ve C1=C2=C3=1uF değerleri için breadboard a kurunuz. a) Osiloskop yardımıyla gözlemlediğiniz Vg ve Vo işaretlerini aşağıda ayrılmış bölgeye üst üste gelecek şekilde çiziniz. Volt/Div(Vg için)= Volt/Div(Vo için)= Time/Div= b) Gerilim kazancını hesaplayınız ve MOSFET geçiş iletkenliğini (g m ) bulunuz. c) RL direnci değerini 220 Ohm olarak değiştirip, b aşamasını tekrarlayınız. Eğer farklılıklar varsa nedenlerini yorumlayınız. Sayfa 6