Çukurova Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği BMM212 Elektronik-1 Laboratuvarı Deney Föyü Deney#8 Alan Etkili Transistör (FET) Karakteristikleri Arş. Gör. Mustafa İSTANBULLU Doç. Dr. Mutlu AVCI ADANA, 2015
DENEY 8 Alan Etkili Transistör (FET) Karakteristikleri 1. Amaç Bu deneyin amacı, alan etkili transistör (field effect transistor, FET) elemanının çalışma prensibinin anlaşılması ve akım-gerilim karakteristiklerinin çıkarılmasıdır. 2. Temel Bilgiler Alan etkili transistörler (field - effect transistor, FET) genel olarak metal oksit yarıiletken alan etkili tranzistörler (MOSFET) ve jonksiyonlu FET olmak üzere iki ana gruba ayrılırlar. Jonksiyonlu FET ler de pn jonksiyonlu FET (JFET) ve metal yarıiletken alan etkili transistör (MESFET) olmak üzere iki gruba ayrılırlar. MOSFET lerde NMOS ve PMOS lar beraber kullanılarak (complementary MOS-CMOS) çok küçük alanlara daha fazla transistör sığdırıldığından özellikle sayısal devrelerde MOSFET ler kullanılır. MOSFET lerde akım yarıiletken yüzeye ve akımın aktığı doğrultuya dik olarak uygulanan bir elektrik alan ile kontrol edilir. Bu devre elemanında kontrolü uygulanan elektrik alan sağladığından alan etkili terimi kullanılmaktadır. Transistörün çalışma prensibi genel olarak iki terminal arasına uygulanan gerilim ile üçüncü terminalden akan akımın kontrol edilmesidir. n-kanal Enhancement Mod MOSFET Şekil 1 de bir MOSFET elemanının kaynak (source), geçit (gate), savak (drain), oksit ve kanal bölgelerini gösteren basitleştirilmiş kesit görüntüsünü verilmiştir. Burada iki n bölgesi arasında (source ve drain) bir p bölgesinin olduğu görülmektedir. Kanal uzunluğu L ve kanal genişliği ise W ile belirtilmektedir. Şekil 1 N kanal oluşturmalı (enhancement) tipi MOSFET in şematik gösterimi
Şekil 2(a) da gösterildiği gibi transistörün geçit terminaline gerilim uygulanmadığında kaynak ve savak terminalleri p bölgesi ile ayrılmış olarak kalacaktır. Bu yapının eşdeğer devresi Şekil 2(b) deki gibi arka arkaya bağlanmış ikş adet pn eklem ile tanımlanır. Bu durumda transistor den akan akım sıfıra eşittir. Eğer transistörün geçit terminaline yeterince büyük bir pozitif gerilim uygulanırsa oksit-yarıiletken arayüzünde elektron evirtim tabakası (electron inversion layer) oluşur ve bu tabaka Şekil 2(c) de gösterildiği gibi n-tipi kaynak ile n-tipi savak terminallerini birbirine bağlar. Böylece kaynak ve savak terminalleri arasında akım akması olanaklı hale gelir. Şekil 2 (a) n-kanal bir MOSFET in elektron evirtim tabakası oluşmadan önceki kesit görüntüsü (b) transistör kesim durumunda iken kaynak ve savak terminalleri arasındaki eşdeğer modeli (c) elektron evirtim tabakası oluştuktan sonraki kesit görüntüsü Elektron evirtim tabakasının oluşması için geçit terminaline gerilim uygulanması gerektiğinden bu tip MOSFET lere kanal oluşturmalı MOSFET adı verilir. Ayrıca elektron evirtim tabakasında taşıyıcıların elektron olması nedeniyle bu yapıya n-kanal MOSFET (NMOS) de denir. N kanal bir MOSFET te savak-kaynak arasına gerilim uygulandığında, elektronlar kaynak terminalinden çıkıp savak terminaline doğru akar. Buna bağlı olarak transistörde akım savak ucundan girip kaynak ucundan çıkar. Transistörde akan akımın genliği elektron evirtim tabakasında bulunan yük miktarına, buradaki yük miktarı ise geçit terminaline uygulanan gerilime bağlı olarak değişir. Transistörde geçit terminali oksit tabaka ile (yalıtkan) kanaldan ayrıldığı için buradan akım akmayacaktır. N kanal bir MOSFET te eşik gerilimi (threshold voltage) elektron evirtim tabakasının oluşması için geçit terminaline uygulanması gereken gerilim olarak tanımlanır. Başka bir deyişler transistörün açılması için geçit terminaline eşik gerilim kadar gerilim uygulanması gerekmektedir. N kanal bir MOSFET te eşik gerilimi pozitiftir. Geçite uygulanan gerilim eşik değerinden düşükse transistor den akacak olan akım sıfırdır. Geçite uygulanan gerilim eşik değerinden büyük ise transistor üzerinden akım uygulanan savak-kaynak gerilimiyle akar. Şekil 3(a) da kaynak ve substrat terminalleri topraklanmış bir n kanal MOSFET gösterilmiştir. Geçitkaynak arası gerilim eşik geriliminden küçüktür ve savak-kaynak arasına ise küçük bir gerilim uygulanmıştır. Bu durumda elektron evirtim tabakası oluşmayacağından savak-kaynak arasındaki pn eklem ters kutuplanacak ve savak akımı sıfır olacaktır. (pn eklemdeki sızıntı akımı ihmal edilmiştir).
Şekil 3(b) de aynı MOSFET in geçit terminaline eşik geriliminden büyük bir gerilğim uygulanmıştır. Bu durumda elektron evirtim tabakası oluşacak küçük bir savak gerilimi uygulandığında elektron evirtim tabakasındaki elektronlar kaynak terminalinden pozitif savak terminaline doğru akmaya başlayacaktır. Burada dikkat edilmesi gereken nokta; savak ucuna pozitif gerilim uygulandığı anda savak-substrat arasındaki pn eklem ters kutuplanacak ve böylece akım pn eklemden değil kanal bölgesinden akacaktır. Şekil 3 n-kanal oluşturmalı MOSFET (a) geçit gerilimi v GS < V TH iken ve (b) geçit gerilimi v GS > V TH iken Şekil 4 te v DS değerlerine bağlı olarak küçük v DS değerlerinde i D v DS karakteristiği gösterilmiştir. v GS < V TH iken savak akımı sıfırdır. v GS gerilimi V TH eşik geriliminde büyük olduğu anda elektron evirtim tabakası oluşur ve savak akımı v DS nin artmasıyla artar. Şekil 4 Üç farklı v GS gerilimi için v DS nin küçük değerlerinde i D v DS karakteristiği Şekil 5 farklı v GS ve v DS değerleri için i D v DS eğrilerini göstermektedir. İdeal bir MOSFET te v DS > v DS (sat) değerleri için savak akımı sabittir. Bu bölgeye saturasyon bölgesi denir. v DS < v DS (sat) değerlerinin olduğu bölge ise saturasyon olmayan ya da tirode bölgesi olarak adlandırılır.
Şekil 5 n-kanal oluşturmalı bir MOSFET in kesit görüntüsü ve v GS > V TH bölgesinde i D v DS eğrisi (a) küçük v DS değerleri için, (b) daha büyük fakat v DS < v DS (sat) değerleri için, (c) v DS = v DS (sat) ve (d) v DS > v DS (sat) değerleri için
İdeal bir MOSFET te saturasyon olmayan bölgede akım gerilim karakteristiği; eşitliği ile ifade edilir. i D = K n [2(v GS V TH )v DS v 2 DS ] v GS > V TH değerlerinde saturasyon bölgesindeki ideal bir MOSFET için akım-gerilim karakteristiği; eşitliği ile ifade edilir. Burada K n iletim parametresidir ve; i DS = K n (v GS V TH ) 2 K n = Wμ nc ox 2L ifadesi ile tanımlanır. Burada C ox birim alan için oksit kapasitanstır. C ox = ε ox t ox iken ε ox oksit geçirgenliği, t ox ise oksit kalınlığıdır. K n eşitliği aynı zamanla; K n = k n W 2 L olarak da tanımlanır. Burada k n = μ n C ox eşitliği ile ifade edilir. k n değeri fabrikasyon sürecine bağlıdır ve sabittir. Böylece genişliğin kalınlığa oranının transistör tasarımı için önemli bir parametre olduğu anlaşılmaktadır. KAYNAKLAR: 1. Microelectronics Circuit Analysis and Design, Neamen D., 2010 2. Microelectronic Circuit Design, Jeager R., Blalock T., 2011 MALZEME LİSTESİ Dirençler : 100, 220, 2x1k, 1M MOSFET : BS170 Diyot : 1N4001 Standart deney teçhizatı
Adı, Soyadı: Öğrenci No: 3. Hazırlık Çalışması 1. Parametreleri verilen n kanal oluşturmalı bir MOSFET için; V TH = 0.4V, W = 20μm, L = 0.8μm, μ n = 650cm 2 /V s, t ox = 200Å ve ε ox = (3.9)(8.85x10 14 )F/cm Saturasyon bölgesindeki transistör akımını ; (a) v GS = 0.8V (b) v GS = 1.6V için bulunuz. 2. Aşağıdaki devre için drain akımını, drain-source gerilimini ve transistörde harcana gücü bulunuz. R 1 = 30k, R 2 = 20k, R D = 20k, V DD = 5V, V TH = 1V, K n = 0.1mA/V 2,
4. Deney Çalışması Deney 8.1: 1. Aşağıdaki devreyi kurunuz. 2. V DS kaynağını 2V a ayarlayınız. Daha sonra V GS yi 0V tan itibaren artırarak mosfetin iletime geçtiği V GS eşik gerilimini tespit ediniz ve aşağıda ilgili yere yazınız. 3. Aşağıdaki tabloyu doldurunuz. I DS akımını bulurken 1k lık direnç üzerindeki gerilimden hesaplayınız. 4. Doldurduğunuz tablodaki değerlerden yararlanarak I D V DS karakteristiğini çiziniz. MOSFET in eşik gerilimi: k n = 0.1233 W L = 1 V DS 0V 0.1V 0.2V 0.3V 0.4V 0.5V 0.7V 1V 2V 4V 6V 8V 10V V GS = 0V I DS V GS = 0. 5V I DS V GS = 1V I DS V GS = 1. 5V I DS V GS = 2V I DS V GS = 2. 2V I DS
Deney 8.2: 1. Aşağıda gösterilen devreyi kurunuz. 2. I D V DS grafiğini osiloskobun x-y modunu kullanarak çizdiriniz. 3. Elde ettiğiniz grafiği deney sonuç sayfasına çizerek yorumlayınız. 4. V GG ve V DD gerilim değerlerini artırıp azaltarak x-y modunda elde ettiğiniz eğri üzerinde meydana gelen değişiklikleri yorumlayınız.
Deney 8.3: 1. Aşağıda gösterilen devreyi kurunuz. 2. I D V GS grafiğini osiloskobun x-y modunu kullanarak çizdiriniz. 3. Elde ettiğiniz grafiği aşağıya çiziniz. 4. V DD = 5V ve V in = 10V değerleri için V GS ve I DS değerlerini teorik olarak hesaplayınız. 5. V DD ve V in gerilim değerlerini artırıp azaltarak x-y modunda elde ettiğiniz eğri üzerinde meydana gelen değişiklikleri yorumlayınız.
Adı, Soyadı: Öğrenci No: 5. Tartışma 1. BS170 transistörünün pspice parametrelerini bulunuz ve ne anlama geldiklerini yazınız. 2. NMOS kanal oluşturmalı bir MOSFET içyapısını çiziniz ve kısaca nasıl çalıştığını anlatınız. 3. Bir MOSFET için W/L oranının I DS akımına olan etkisi nedir açıklayınız.