Diyot ve Transistör

SAKARYA ÜNİVERSİTESİ Temel Elektronik Dersleri 7.Hafta Diyot-Transistör

Diyotlar yapım tekniğine bağlı olarak;

1) Nokta temaslı diyotlar,
2) Yüzey birleşmeli diyotlar olmak üzere iki gruba ayrılır.

Diyotlar yapımlarında kullanılan malzemeye göre;

1) Germanyum diyotlar,
2) Silisyum diyotlar olmak üzere iki gruba ayrılır.

Diyotlar kullanım alanlarına göre ise,

1) Zener diyotlar,
2) Işık yayan diyotlar,
3) Varaktör (Varikap) diyotlar,
4) Tunnel diyotlar,
5) Foto diyotlar,
6) Kristal diyotlar,
7) Schottky diyotlar,
8b) PIN diyotlar gibi çok çeşitli şekillerde isimlendirilirler.

ZENER DİYOTLAR

Zener diyot, ters polarma altında çalışan ve gerilim regülasyonunda kullanılan bir diyot çeşididir. PN birleşiminin terspolarma altındaki kırılma noktasından yararlanılarak geliştirilmiş özel diyotlardır. Zener diyotlar doğru polarma altında bir kristal diyot gibi (Germanyum 0.3V, Silisyum 0.7V) iletime geçer.

Şekil 4.1: Zener diyodun (a) Sembolleri (b) Ters polarması (c) Karakteristiği

Zener bölgesinin konumu, katkılama düzeyleri değiştirilerek ayarlanabilir ve eklenen katkı maddelerinin sayısı artırılarak zener potansiyeli değiştirilebilir. Zener diyotların yapımında genelde, yüksek sıcaklık ve akım kapasitesi nedeniyle silisyum tercih edilir.

Zener diyodunun tam eşdeğer devresi Şekil 4.2a`da gösterildiği gibi küçük bir dinamik dirençten ve zener potansiyeline eşit bir DC kaynaktan oluşur. Ancak, zener eşdeğer direnci kullanılan harici dirençlerden çok küçük olduğu için ihmal edilerek, uygulamalarda Şekil 4.2b`deki yaklaşık zener eşdeğer devresi kullanılacaktır.

Şekil 4.2 : (a) Zener tam eşdeğer devresi (b) Zener yaklaşık eşdeğer devresi

Aşağıdaki tabloda 500mW ve % 20 ile tanımlanan 1N961 zener diyoduna ait elektriksel karakteristikler verilmiştir.

Tablo 4.1: Elektriksel karakteristikler (Aksi belirtilmedikçe 25°C ortam sıcaklığında)

Bu karakteristik değerleri şekil üzerinde gösterecek olursak aşağıdaki zener karakteristiği elde edilir.

Şekil 4.3 : Zener test karakteristiği (1N961)

IŞIK YAYAN DİYOTLAR (LEDLER)

Işık yayan diyot (LED), adından da anlaşılacağı gibi enerji verildiği zaman görülebilir bir ışık yayan diyottur. Genel olarak kırmızı, sarı ve yeşil olmak üzere üç değişik renkte yapılırlar. Çalışma akımları 5 mA ile 50 mA arasındadır. Çalışma gerilimleri ise, sırası ile kırmızının 1.5V, sarının 1.8V, yeşilin 2.2V civarındadır.

LED diyotların verdikleri ışık rengi ve ışığın dalga boyu, yapımlarında kullanılan katkı maddelerinin oranlarına bağlıdır. Katkı maddeleri ve oranları değiştirilerek istenilen renkte ve istenilen dalga boyunda LED diyotlar yapılabilir.

Galyum Arsenit (GaAs) katkısı ile gerçekleştirilen diyot, kızıl ötesi yani gözle görülmeyen diyottur. Infrared diyot yada kısaca IRED diyot olarak da anılır. Katkı maddesi ayarlanarak gerçekleştirilen hızlı GaAs IRED diyotları, MHz`lere varan frekans bantlarında, fiberoptik kablolu optik veri aktarma sistemlerinde kullanılırlar.

LED diyot deyimi ise genelde gözle görülebilir dalga boyunda ışık veren diyotlar için kullanılır. Galyum Arsenit Fosfat (GaAsP) ve Galyum Fosfat (GaP) katkıları değişik oranlarda gerçekleştirilerek kırmızıdan yeşile kadar değişik renklerde görünür ışık veren LED`ler yapılır.

Şekil 4.4 : LED diyodun (a) Sembolü (b) Bağlantı şeması

Şekil 4.4’de görüldüğü gibi LED diyot doğru polarmalandırıldığı zaman, enerji seviyeleri farklı elektron ve oyuklar birleşebilmek için enerjilerinin bir kısmını vermek zorunda kalırlar. Elektronlar bu enerjilerini ısı ve ışık şeklinde ortama verirler. Eğer PN birleşimi şeffaf plastik bir kılıfla kaplanırsa, PN yapıda elektron-oyuk birleşimi anında harcanan enerji ışık şeklinde ortama yayılır.

LED diyotların, elektronik devrelerde kullanım alanları iki grupta toplanabilir. Bunlar;

1) Bir elektronik devrede gerilimin varlığını, polaritesini ve seviyesini göstermek için kullanılırlar.
2) Dijital sistemlerde harf ve rakamları göstermek için kullanılırlar.

Harf, rakam ve özel işaretleri göstermek için kullanılan ve bir gövdeye yerleştirilmiş LED gruplarına display (gösterge) adı verilir. Displayler de kullanım yerlerine göre; 7 parçalı gösterge, matriks gösterge, çok parçalı gösterge gibi adlar alırlar.

Çalışma akım ve gerilim değerlerine dikkat edilmek şartıyla LED`ler istenilen gerilim değerlerinde istenilen bağlantı şeklinde çalıştırılabilirler.

VARİKAP(Değişken Kapasiteli) DİYOT

Bu tip diyotlar üzerine uygulanan ters yöndeki gerilimin değerine bağlı olarak, uçları arasında görülen kapasitif değeri değişen diyotlardır. Bu yüzden elektronik devrelerde değeri uçlarındaki voltajla değişen kondansatör olarak kullanılırlar. Normal bir P-N birleşimli diyot ters yönde kutuplandığında, geçiş bölgesi genişliği artar. Geçiş bölgesi içinde N tipi bölge pozitif, P tipi bölge ise negatif yüke sahiptir. Geçiş bölgesinin genişlemesi ile burada açığa çıkan yük miktarıda artar. Açığa çıkan yük miktarı direkt olarak diyot uçlarına uygulanan ters yönlü gerilim değerine bağlı olduğundan, birleşim yüzeyinde bir kapasite ortaya çıkar.

Bu kapasiteye birleşim(jonksiyon) kapasitesi ismi verilir. Bu kapasitenin değeri diyot uçlarına uygulanan ters yönlü voltajla ters orantılı olarak değişir. Yani gerilim artarsa kapasite düşer. Çünkü diyot uçlarına uygulanacak ters yönlü gerilim değerinin artması, geçiş bölgesinin genişlemesine neden olur. Bildiğimiz gibi kapasitif etki iki iletken arasındaki mesafe ile ters orantılı olduğundan, diyotun kapasiteside düşecektir. Bu diyotlar özellikle radyo ve televizyonlarda kanal ayarı amacı ile kullanılır. Daha önceden belirlenen farklı değerdeki gerilimler diyot uçlarına ters yönlü olarak uygulanarak, farklı frekanstaki kanallar seçilebilir. Varikap diyotun sembolü Şekil 4.5’de verilmiştir.

Şekil 4.5 : Varikap diyotun sembolü

TUNNEL DİYOTLAR

Şekil 4.6 tipik bir tunnel diyotun sembolünü ve akım-gerilim(I-V) karakteristiğini göstermektedir. Tunnel diyotlar oldukça zenginleştirilmiş germanyum(Ge) veya galyum arsenik(GaAs) maddelerinden yapılmış, P ve N tipindeki iki yarıiletkenin yüzey birleşmesine tabi tutulması ile elde edilirler. Dolayısı ile ileri(doğru) yönde kutuplandırıldıklarında çok küçük gerilimlerde dahi iletime geçerler. Grafikte görülen Vp voltajının altında kalan çok küçük voltaj değerlerinde bir iletken gibi davranır ve üzerinden büyük bir akım akar. Üzerine uygulanan voltaj Vp değerini aştığı anda diyot negatif dirence sahip bir eleman gibi davranır ve gerilim arttıkça direnci artar. Buna bağlı olarak üzerinden geçen ileri yön akımı azalır.

Bu durum Vv voltaj değerine kadar devam eder. Bu voltaj değerinden sonra tunnel diyot normal bir diyot gibi çalışmaya başlar. Uygulama devrelerinde tunnel diyot grafik üzerinde gösterilen negatif direnç bölgesinde çalıştırılır. Böylece üzerine uygulanan gerilim değeri düştüğünde, üzerinden geçen akım miktarını arttırır. Bu durum özellikle L-C devrelerinde osilasyonun devamlılığı için kullanılır. Böylece LC devresindeki voltaj değeri azaldığında, devreye artan miktarda akım pompalayarak, osilasyonun(salınımın) devamlılığını sağlar.

Şekil 4.6 : Tunnel Diyodun sembolü ve karakteristik eğrisi

FOTODİYOT

Normal bir diyot ters yönde kutuplandığında, akan ters yönlü akım sızıntı akımıdır ve değeri çok küçüktür. Bu akıma azınlık akım taşıyıcıları neden olur ve eğer dışarıdan müdahale edilmez ise değeri çok küçük olur. Bu akımı arttırmanın yolu dışarıdan bir enerji vererek valans bağlarının koparılması ve dolayısı ile azınlık akım taşıyıcı sayılarının arttırılması ile mümkündür.

Bu enerji ısı enerjisi olabildiği gibi, ışık enerjiside olabilir. Bu amaçla bir mercek vasıtası ile toplanan ışık enerjisi, tam birleşim yüzeyine odaklanarak valans bağları koparılıp, azınlık akım taşıyıcıları sayısı ve buna bağlı olarakta ters yön akımı arttırılabilir. Bu tür diyotlara fotodiyot denir. Bu diyotlar elektronik devrelerde ters yönde kutuplanarak ışık şiddeti ölçme ve ışıkla kontrol devrelerinde ışık şiddeti ve dalga boyunu değişken akıma çeviren dönüştürücüler olarak kullanılırlar.

Şekil 4.7 : Fotodiyot sembolü

SCHOTTKY DİYOTLAR

Şekil 4.8’de sembol ve yapısı görülen schottky diyotlar, yüksek anahtarlama hızlarına ihtiyaç duyulan bilgisayarlar ve radyo frekans devrelerinde doğrultma amacı ile kullanılırlar. Diyot yapısı yukarıdaki şekilden de görüldüğü gibi ilginç bir özellik gösterir. Yapısında az bir oranda katkılandırılmış(genellikle N tipi) silisyum(Si) ve bununla yüzey temasına tutulmuş bir metal(genellikle altın, gümüş veya platin) vardır. Bu diyot yapımında P tipi madde olmadığından ileri yön polarması altında valans bandı iletimi sadece N tipi madde ve metal iletim bandında oluşur. Bu yüzden iletime geçme hızları oldukça yüksektir.

N tipi madde içerisindeki elektronların sahip oldukları enerji seviyeleri metale göre daha düşük seçildiğinden, diyotun iletime geçmesi için bir ileri yön polarmasına(gerilimine) ihtiyaç vardır. Bu dizayn şekli, ileri yön polarmasının diyot üzerinden kaldırıldığı durumda, birleşim yüzeyinin yüksek seviyede şarj tutmasına engel olur. Böylece diyot çok hızlı bir şekilde iletim durumundan kesim durumuna geçirilebilir. Örneğin 30 MHz(30000000 Hz) frekansında çalışan normal diyotun 10 ns’de kesime gittiğini düşünsek bile, sinyalin bir alternansı 16.7 ns olacağından bu sinyalin büyük bir kısmında iletim durumunda kalacak ve görevini yapamayacaktır. Schottky diyotta ise bu durum söz konusu değildir.

Şekil 4.8 : Schottky diyodun sembolü ve yapısı

PIN DİYOTLAR

PIN diyotlar Şekil 4.9’da görüldüğü gibi katkı bakımından zenginleştirilmiş P ve N tipi iki yarı iletken arasına saf bir yarı iletken yerleştirilmek sureti ile elde edilirler. İleri yönde kutuplandırıldığında değişken bir direnç gibi, ters yönde kutuplandırıldığında ise yaklaşık olarak sabit bir kondansatör gibi davranırlar. İleri yönde geçen akım miktarı arttıkça, saf haldeki maddenin direnci azalır.

Bu diyotlar doğru yönde kutuplandırılarak yüksek frekanslı radyo sinyallerinin genliğini, düşük frekanslı ses frekanslarının genliğine bağlı olarak değiştirmek yani genlik modülasyonu yapmak amacı ile kullanılırlar. Yine ileri yöndeki akımı değiştirilerek, değişken direnç ihtiyacının olduğu elektronik devrelerde kullanılırlar.

Şekil 4.9 : PIN diyodun yapısı ve karakteristiği

Transistörler

Özel teknikle diyot yapısına üçüncü bir tabaka (P tipi veya N tipi) ilave edilerek oluşturulan üç uçlu elemana transistör adı verilir. Bu üçüncü uç sayesinde elde edilen yeni elemanla dış devre akımları, devre yükü ve kaynak voltajı değiştirilmeden kontrol edilebilir.

Transistörler yapım tekniğine göre;

a) Nokta temaslı transistörler,
b) Yüzey birleşmeli transistörler olarak iki grupta toplanabilir.

Yüzey birleşmeli transistörler; transistörün yapımında kullanılan maddelerin sayısı ve yapım tekniğine göre;

a) Bipolar transistörler (BJT),
b) Foto transistörler ,
c) Unijonksiyon transistörler (UJT),
d) Alan etkili transistörler (FET),
e) Metal oksit yarıiletken alan etkili transistörler (MOSFET) diye gruplandırılabilir.

Transistörler, elektronik devrelerde sinyal yükseltme veya anahtarlama yapan yarıiletken devre elemanlarıdır. Pasif elemanlarca ve diyotlarda olmayan sinyal yükseltme özelliğine sahip oldukları için “aktif devre elemanı” diye isimlendirilirler.

BİPOLAR JONKSİYON TRANSİSTÖRLERİN YAPISI

Bir bipolar yüzey birleşmeli transistör, iki N ve bir P tipi malzeme tabakasından veya iki P ve bir N tipi malzeme tabakasından oluşan üç katmanlı bir elemandır. İlkine NPN transistörü, ikincisine ise PNP transistörü denmektedir. Şekil 5.1’de PNP ve NPN tipi transistörlerin yapıları görülmektedir. Transistör ayaklarının isimleri Şekil 5.1’de de görüldüğü gibi emiter (Emitter), kollektör (Collector) ve beyz (Base) olarak adlandırılır. Transistörün tipini (PNP veya NPN) belirtmek için emiter ucu kullanılır. Ok dışarı ise NPN, ok içeri ise PNP tipi transistördür. Yarıiletken sembollerindeki ok aynı zamanda yapıdaki N tipi maddeyi veya akım yönünü gösterir.

Şekil 5.1 : PNP ve NPN tipi transistörün yapıları

E : Emiter ucu
K : Kollektör ucu
B : Beyz ucu

IE : Emiter akımı
IC : Kollektör akımı
IB : Beyz akımı

Bipolar (iki kutuplu) transistörün kısaltılması olan BJT terimi; bu üç uçlu eleman için sık sık kullanılmaktadır. İki kutupluluk terimi elektron ve oyukların, zıt polarizasyonlu malzemedeki enjeksiyon işlemine katıldıklarını göstermektedir.

NPN veya PNP transistör yapısında emiter bölgesi yoğun katkılı beyz bölgesi emitere göre çok ince (1/100 gibi) ve az katkılı, kollektör bölgesi ise emitere göre büyük yapılı ve normal katkılı gerçekleştirilir.

BİPOLAR JONKSİYON TRANSİSTÖRÜN ÇALIŞMASI

Transistörün görevini yapabilmesi için uçlarına uygun yön ve değerde DC gerilim verilmesi gerekir. Uygulanan bu DC gerilime “transistörün polarma gerilimi”, işleme de “transistörün polarmalandırılması” denir.

Bir transistörün aktif yükseltme işlemini yapabilmesi için; beyz-emiter arası doğru, beyz-kollektör arası ters polarmalandırılmalıdır. Diğer bir deyişle, eğer transistör PNP tipinde ise beyzi emitere göre negatif, kollektöre göre ise pozitif bir voltaj değerinde olmalıdır. Aynı şekilde NPN trqansistör için ise, beyzi emitere göre pozitif, kollektöre göre ise negatif bir voltaj değerinde olmalıdır. Bu kurala “transistörün aktif çalışma şartı” da denir.

Şekil 5.2 : (a) PNP tipi transistörün doğru polarmalandırılm (b) NPN tipi transistörün doğru polarmalandırılması

Bu açıklamalardan sonra bir transistörün çalışması, Şekil 5.2a`daki PNP tipi transistör gözönüne alınarak anlatılacaktır. NPN tipi transistörün çalışması ise, elektron ve oyukların rolleri karşılıklı olarak yer değiştirildiğinde PNP transistör ile aynı olmaktadır.

Şekil 5.2a`daki PNP transistörü beyz-kollektör öngerilimlemesi olmadan Şekil 5.3a`da yeniden çizilmiştir. Bu durumda boşaltılmış bölgenin genişliği uygulanan öngerilimleme nedeniyle azalmıştır ve dolayısıyla P tipi malzemeden N tipi malzemeye büyük bir çoğunluk taşıyıcı akışı olacaktır. Şekil 5.3b`de ise beyz-emiter öngerilimlemesi olmadan Şekil 5.2a`daki PNP transistörün yeniden çizilmiş hali görülmektedir. Bu durumda çoğunluk taşıyıcılarının akışı sıfırlanıp, yalnızca azınlık taşıyıcı akışı olacaktır.

Şekil 5.3 : (a) PNP transistörün ileri öngelimli jonksiyonu (b) PNP transistörün ters öngelimli jonksiyonu

Şekil 5.4`de her iki öngerilimleme potansiyeli bir PNP transistörüne uygulanmıştır. Burada görüldüğü gibi, çok sayıda çoğunluk taşıyıcısı, ileri öngerilimli PN jonksiyonunu difüzyon yoluyla aşarak N tipi malzemeye ulaşmaktadır. Bu taşıyıcıların doğrudan IB beyz akımına mı katkıda bulundukları yoksa doğrudan P tipi malzemeye mi geçtikleri sorusu gündeme gelmektedir. Arada kalan N tipi malzeme, çok ince ve iletkenliği düşük olduğu için çok az sayıda taşıyıcı, yüksek dirence sahip bu yolu izleyerek beyz ucuna ulaşacaktır. Tipik olarak mA düzeyindeki beyz akımı, emiter ve kollektör akımlarında görülen mA düzeylerine oranla çok küçüktür.

Şekil 5.4 : Bir PNP transistörde çoğunluk ve azınlık taşıyıcılarının akışı

Şekil 5.4`de gösterildiği gibi, çoğunluk taşıyıcılarının ters öngerilimli jonksiyon üzerinden difüzyon yoluyla kollektörün ucuna bağlı P tipi malzemeye geçeceklerdir. Ters öngerlilimli jonksiyona enjekte edilen çoğunluk taşıyıcılarının N tipi malzemede azınlık taşıyıcısı olarak görünmesi, çoğunluk taşıyıcılarının ters öngerilimli jonksiyon üzerinden kolaylıkla geçmelerini sağlamaktadır.

Şekil 5.4`deki transistör tek bir düğüm olarak kabul edilerek Kirchhoff akım yasası uygulanırsa;

———— (5.1)

elde edilir. Ancak kollektör akımı çoğunluk ve azınlık taşıyıcıları olmak üzere iki bileşenden oluşmaktadır. Azınlık akım bileşenine kaçak akım denir ICO sembolüyle gösterilir (emiter ucu açıkken akan IC akımı). Bu nedenle kollektör akımı eşitlik 5.2 ile belirlenir.

————(5.2)

Genel amaçlı transistörlerde, IC mA düzeyindeyken, ICO µA veya nA düzeyindedir. Ters öngerilimlenmiş diyotlardaki IS akımında olduğu gibi, Ico akımı da sıcaklığa karşı duyarlıdır ve geniş sıcaklık aralıklarına sahip uygulamalar sözkonusu olduğunda dikkatle incelenmelidir. Gerekli önem verilmezse yüksek sıcaklıklarda sistemin kararlığını önemli ölçüde etkileyebilmektedir. Yapım tekniklerinde sağlanan ilerlemelerle Ico düzeyleri, etkilerinin ihmal edilebileceği noktalara kadar düşürülmüştür.

Şekil 5.2`de NPN ve PNP transistörleri için görülen devre, beyzin hem giriş (emiter) hem de çıkış (kollektör) uçlarında ortak olması nedeniyle ortak beyzli devre olarak anılmaktadır. Ortak beyzli devrede sabit VCB değerleri için IC`deki küçük bir değişmenin deki küçük bir değişime olan oranı ortak beyzli kısa devre yükseltme faktörü olarak tanımlanmakta ve a (alfa) sembolüyle gösterilmektedir.

———— (5.3)

Tipik a değerleri, 0.90 ile 0.998 arasında değişmektedir. Pratik uygulamaların çoğunda değeri aşağıdaki formülle belirlenebilir:

————(5.4)

Burada IC ve IE sırasıyla, transistör karakteristiği üzerinde bulunan, belli bir noktadaki emiter ve kollektör akım değerleridir.

Denklem (5.3) ve (5.4), transistör karakteristikleri veya devre koşullarından a değerini bulmak için kullanılır. Ancak a değeri, sadece Şekil 5.4`ün P tipi emiter ucundan çıkıp kollektör ucuna ulaşan oyukların (çoğunluk taşıyıcılarının) yüzdesini gösteren bir ölçüdür. Bu nedenle IC akımı aşağıdaki formülle ifade edilebilir.

———— (5.5)

Şekil 5.5 : Bir NPN transistörde çoğunluk ve azınlık taşıyıcılarının akışı

Şekil 5.5’de bir NPN transistörünün çalışması canlandırılmıştır. Eğer devre üzerinde bulunan S anahtarı kapatılırsa(üzerine tıklanarak), devrenin çalışması incelenebilir.

A) ORTAK BEYZLİ DEVRE

Beyzin, hem giriş hem de çıkış uçlarında ortak olarak kullanılmasıyla oluşan devrelere, ortak beyzli devre denir. Ortak beyzli devrede, uygulanan potansiyeller, beyz potansiyeline göre VEB ve VCB şeklinde isimlendirilirler. Başka bir deyişle, indisin ikinci harfi daima transistörün devre tipini belirtmektedir. Her durumda indisin ilk harfi, Şekil 5.6`de de gösterildiği gibi daha yüksek potansiyele sahip noktayı tanımlar. Bu nedenle PNP transistörü için Şekil 5.7`daki karakteristikde belirtildiği gibi, VEB pozitif ve VCB negatifdir (çünkü VCB kaynağı, kollektörü daha düşük potansiyelde tutmaktadır). NPN tipi transistörde ise, VEB negatif ve VCB pozitifdir.

Şekil 5.6 : Ortak beyzli devre için kullanılan işaret ve semboller (a) PNP transistör (b) NPN transistör

Şekil 5.7a`daki çıkış veya kollektör karakteristiği, kollektör akımını, kollektörden beyze giden gerilime ve emiter akımına ilişkilendirir. Kollektör karakteristiği Şekil 5.7a`da da gösterildiği gibi iletim, kesim ve doyma bölgelerine sahiptir. İletim bölgesinde kollektör jonksiyonu ters yönde, emiter jonksiyonu ise ileri yönde öngerilimlenmiştir.

Şekil 5.7 : Ortak beyzli PNP transistörünün karakterisrikleri (a) Kollektör veya çıkış karakteristikleri (b) Emiter veya giriş karakteristikleri

Emiter akımı (IE) sıfır düzeyindeyken kollektör akımı Şekil 5.7a`da gösterildiği gibi, ters doyma akımı Ico`dan oluşmaktadır. Ico akımı, IC`nin düşey eksen ölçeğine (mA) göre o denli küçüktür ki (µA), IC = 0 ile aynı yatay eksende görülmektedir. Ortak beyzli devrede IE = 0 durumunda görülen devre koşulları Şekil 5.8`de gösterilmiştir. Ico için bilgi sayfalarında en sık kullanılan işaret, Şekil 5.8`de de gösterildiği gibi, ICBO`dır. Gelişen yapım teknikleri sayesinde genel amaçlı (özellikle silisyum) transistörlerde düşük ve orta güç aralıklarında ICBO düzeyi ihmal edilebilmektedir.

Ancak, yüksek güç elemanlarında ICBO yine µA düzeyindedir. Buna ek olarak ICBO, aynı diyottaki IS akımı (her ikisi de kaçak akımdır) gibi, sıcaklığa karşı duyarlıdır. Yüksek sıcaklıklarda herhangi bir düzeydeki güç elemanı için, sıcaklıkla beraber hızlı bir yükselişe geçmesi sebebiyle önemli bir faktör olabilir.

Şekil 5.7a`ya dikkat edilirse, emiter akımı sıfırın üzerine çıkınca kollektör akımı da yaklaşık olarak, transistör akım denklemlerinde belirtildiği gibi emiter akımının artışına eşit bir artışla yükselmektedir. Ayrıca VCB`nin kollektör akımı üzerindeki etkisi, neredeyse ihmal edilebillir ölçüdedir. Eğrilerden de açıkça anlaşılabileceği gibi, IE ve IC arasındaki ilişki iletim bölgesinde yaklaşık olarak

———— (5.6)

kadardır.

Şekil 5.8 : Ters doyma akımı

Kesim bölgesinde, hem kollektör hem de emiter jonksiyonu ters öngerilimlenmiştir. Bu da Şekil 5.7 a`da gösterildiği gibi ihmal edilebilir bir kollektör akımına yol açmaktadır.

Doyma bölgesi adı verilen bölgede ise kollektör ve emiter jonksiyonları ileri öngerilimlenmiştir. Bu da, kollektör-beyz potansiyelindeki küçük değişiklere karşılık kollektör akımında üstel değişimler oluşturmaktadır.

Şekil 5.7b`de gösterildiği gibi, giriş veya emiter karakteristiklerinin sadece bir bölgesi ile ilgilenilmektedir. Sabit VCB gerilimi altında, emiter-beyz potansiyeli arttıkça emiter ekımı da artmaktadır. Artan VCB düzeyleri ise, aynı akımı sağlayacak şekilde, VEB düzeyinin azalmasına yol açmaktadır. Yarıiletken silisyum diyotta olduğu gibi, DC çalışmada ileri öngerilimli beyz-emiter jonksiyonu için VEB değeri yaklaşık olarak,

————(5.7)

bulunmaktadır.

Örnek 5.1

Şekil 5.7`deki karakteristikleri kullanarak;

(a) IE = 3mA ve VCB = -10V için devredeki kollektör akımını (IC) bulunuz.
(b) VEB = 750mV ve VCB = -10V için devredeki kollektör akımını (IC) bulunuz.
(c) IC = 5mA ve VCB = -1V için VEB`yi bulunuz.

Çözüm :

(b) VEB = 750mV ve VCB = -10V değerlerindeki kesişme noktasında IE = 3,5mA`dir. Böylece IC ;

olarak belirlenir.

(c) IE = IC = 5mA`dir. Giriş karakteristiğinde IE = 5mA ve VCB = -1V`un kesişme noktasında VEB= 800mV = 0.8V olarak bulunur.

Şekil 5.9

B) ORTAK EMİTERLİ DEVRE

Şekil 5.10`da, PNP ve NPN transistörleri için en sık rastlanılan transistörler devreleri gösterilmiştir. Emiterin hem giriş hem de çıkış uçlarında ortak kullanılmasıyla oluşan devrelere, ortak emiterli devre denir. (Bu durumda hem beyz hemde kollektör uçları emiteri ortak olarak kullanır).

Şekil 5.10`da da görüldüğü gibi devrenin tipini belirtmek üzere potansiyellerde, ikinci indis olarak E (emiter) harfi kullanılmıştır. Transistör devre tipinin değişmesine rağmen, daha önce ortak beyzli devre için geliştirilen akım denklemleri ortak emiterli devre için de geçerlidir.

Şekil 5.10 : Ortak emiterli devre için kullanılan işaret ve semboller (a) PNP transistör (b) NPN transistör

Giriş akımının (IB) değer aralığı için, çıkış akımının (IC) çıkış gerilimine göre grafiği ortak emiterli devrenin çıkış karakteristiğini oluşturmaktadır. Giriş karakteristiği ise, çıkış geriliminin (VCE) değer aralığı için, giriş akımının (IB) giriş gerilimine (VBE) göre bir grafiğidir.

Şekil 5.11`daki karakteristiğe dikkat edilirse, IC mA düzeyinde olmasına karşın IB mA`ler düzeyindedir. Ayrıca IB eğrilerinin, ortak beyzli devrelerde elde edilen IE eğrileri kadar yatay olmadığına da dikkat edilmelidir. Bu olgu kollektör-emiter geriliminin, kollektör akımının büyüklüğünü etkilediğini gösterir.

Şekil 5.11 : Ortak emiterli NPN transistörünün karakterisrikleri (a) Kollektör karakteristikleri (b) Beyz karakteristikleri

Ortak emiterli devrenin iletimde olduğu bölge, eksenin en büyük doğrusallığa sahip parçası; yani IB eğrilerinin hemen hemen düz ve eşit aralıkta olduğu bölgedir. Şekil 5.11a`da bu bölge VCE doyma noktasındaki düşey kesik çizginin sağında ve IB = 0 eğrisinin üstünde kalan bölümdür. VCE doyma noktasının solundaki bölgeye doyma bölgesi denir. Iletim bölgesinde kollektör jonksiyonu ters öngerilimlli olmasına karşılık, emiter jonksiyonu ileri öngerilimlidir. Ortak emiterli devrenin iletim bölgesi, gerilim akım veya güç yükseltmede kullanılabilir.

Daha önce tartışılan IB = 0 durumunu ele alır ve bu değeri denklem (5.8)`de yerine koyarsak;

(5.9)

olarak tespit edilir.

a = 0.996 için,

bu da, IB = 0 eğrisinin yatay gerilim ekseninden düşey doğruda sapmasını açıklamaktadır. İlerde kullanmak üzere denklem (5.9) ile tanımlanan kollektör akımı, denklem (5.10)`daki gibi gösterilecektir.

————(5.10)

Yeni tanımlanan bu akımı çevreleyen koşullar, buna ilişkin referans yönü ile birlikte Şekil 5.12`de verilmiştir.

Şekil 5.12 : ICEO`a ilişkin devre koşulları

ICEO`nun büyüklüğü silisyum malzemelerde germanyum malzemelerde olandan çok daha düşüktür. Benzer anma değerlerine sahip transistörlerde tipik ICEO değeri, silisyumda birkaç mA`ken, germanyumda birkaç yüz mA olabilmektedir.

Transistör bir bilgisayarın mantık devrelerinde anahtar olarak kullanıldığında, kesim ve doyum bölgesi olmak üzere iki önemli çalışma noktasına sahip olmaktadır. Kesim durumu, seçilen VCE gerilimi için ideal olarak IC = 0 ile belirlenmiş olmalıdır. ICEO, silisyum malzemelerde tipik olarak düşük olduğu için, anahtarlama amacına yönelik kesim, yalnızca silisyum transistörlerde IC = ICBO veya IB = 0`da gerçekleşmektedir. Germanyum transistörlerde ise anahtarlama amacına yönelik kesim, ICEO = ICEO = ICO koşulları altında tanımlı olmaktadır. Bu koşul, germanyum transistörlerde, normalde ileri öngerilimli beyz-emiter jonksiyonunu, gerilim değerinin onda biri-ikisi kadar ters öngerilimleyerek elde edilebilir.

Örnek 5.2

Şekil 5.11`daki karakteristikleri kullanarak;

(a) VBE = 800mV ve VCE = 10V`a karşılık gelen IC değerini bulunuz.
(b) IC = 4mA ve IB = 40mA`e karşılık gelen VBE ve VCE değerlerini bulunuz.

Çözüm :

(a) Giriş karakteristiğinde, VBE = 800mV ile VCE = 10V`un kesiştiği noktadan IB = 50mA gibi bir değer bulunur.

Çıkış karakteristiğinde ise, IB = 50mA ve VCE = 10V`un kesiştiği noktadan, IC = 5.1mA değerinde bir akım elde edilir.

(b) Çıkış karakteristiğinde, IC = 4mA ve IB = 40mA`in kesiştiği noktadan, VCE = 6.2V değerinde bir gerilim bulunur.

Giriş karakteristiğinde ise, IB = 40mA ve VCE = 6.2V`un kesiştiği noktadan, VBE = 770 mV değerinde bir gerilim elde edilir.

Daha önce bahsedildiği gibi alfa (a) sembolü, ortak beyzli devrenin ileri akım transfer oranı için kullanılmıştı. Ortak emiterli devrede, sabit bir kollektör-emiter geriliminde (VCE) kollektör akımındaki küçük bir değişikliğe karşı beyz akımındaki değişikliğin oranı beta (b) sembolü ile gösterilir ve genelde ortak emiter ileri yönde akım yükseltme faktörü adını alır. b`nın değeri,

————(5.11)

formülüyle verilir. Beta (b) değeri, yaklaşık olarak şu formülden de bulunabilir:

————(5.12)

Burada IC ve IB, doğrusal bölgedeki (yani, ortak emiter karakteristiğinin yatay beyz akımı çizgilerinin paralel ve eşit aralıklı olmaya en yakın oldukları yerde) belirli bir çalışma noktasının kollektör ve beyz akımlarıdır. Denklem (5.12) ile belirlenen değere DC değer (IC ve IB sabit veya DC değerler olduğu için), Denklem (5.11) ile bulunan değere de AC veya dinamik değer denmektedir. Tipik değerleri 20 ile 100 arasında değişmektedir. Denklem (5.1), (5.4) ve (5.12) üzerinde aşağıdaki işlemleri yaparsak:

Örnek 5.3

(a) Şekil 5.11`daki karakteristikte VCE =10V ve IC = 3mA çalışma noktasındaki DC beta (b) değerini bulunuz.

(b) Bu çalışma noktasıyla ilgili a değerini bulunuz.

(c) VCE =10V`a karşılık gelen ICEO değerini bulunuz.

(d) (a) şıkkından elde edilen bDC değerini kullanarak yaklaşık ICBO değerini hesaplayınız.

Çözüm :

(a) VCE =10V, IC = 3mA ve IB = 25mA`in kesişme noktasında,

Ortak emiterli devredeki giriş karakteristikleri, ortak beyzli devrenin karakteristiklerine çok benzemektedir (Şekil 5.11). Her iki durumda da giriş akımındaki artış, ileri öngerilim potansiyelinin artması sonucu beyz-emiter jjonksiyonunu geçen çoğunluk taşıyıcılarının artışından kaynaklanmaktadır. Ayrıca çıkış gerilimindeki değişmelerin (ortak emiterli devre için VCE ve ortak beyzli devre için VCB) karakteristiklerde büyük kaymalara yol açmadığına dikkat edilmelidir. Aslında, genelde karşılaşılan DC gerilim düzeylerinde, çıkış uç gerilimindeki değişmeler nedeniyle beyz-emiter geriliminde meydana gelen değişimler, yaklaşık olarak ihmal edilebilir. Burada ortalama bir değer kullanılacak olursa, kollektör-emiter devresi için Şekil 5.13`deki eğri elde edilir.

Silisyum diyot karakteristikleriyle olan benzerliklere dikkat edilmelidir. Yarıiletken diyot tanımından da hatırlanacağı gibi DC analizinde Şekil 5.13`deki eğri, Şekil5.14`deki eğriyle gösterilmişti. Bu nedenle bir transistör yapısının beyz-emiter gerilimi, DC analizde silisyum için VBE = 0.7V ve germanyum için de 0.3V olarak kabul edilebilir. Eğer uygun polariteyle 0.7V öngerilimi (silisyum transistörler için) sağlayacak yeterli gerilim yoksa, transistör aktif bölgede olamaz. Ortak beyzli devrenin benzer giriş karakteristikleri olduğundan, DC analizinde karakteristiğin iletim bölgesinde öngerilimlenen bir BJT`nin beyz-emiter geriliminin VT olduğu sonucu çıkarılabilir. Ayrıca kollektör-beyz devresinin çıkış karakteristiğinde IC = IB olduğu daha önce gösterilmişti. Kollektör-emiter devresinde IC = bIB`dir ve b çalışma koşullarıyla belirlenir.

Şekil 5.13 : VCE`nin ihmal edilmesi halinde Şekil 5.11`in yeniden çizilmesi

Şekil 5.14 : DC analiz için Şekil 5.13`ün yaklaşıklık yöntemiyle yeniden çizilmesi

Uygulanan DC potansiyelleri için uygun polariteyi belirlemek üzere yapılması gereken ilk işlem, önce Şekil 5.15`de bir NPN transistörü için gösterildiği gibi, IE yönünü sembol üzeerindeki ok yönü ile eşleştirmektir. IE = IB + IC olduğundan hem IB hem de IC şekildeki gibi gösterilmelidir. Bundan sonra gerekli tek şey, VBE ve VCE kaynaklarını, IB ve IC akımlarını gösterilen yönde itecek şekilde yerleştirmektir (Şekil 5.15). Bir PNP transistöründe ise, tüm akımlar ve dolayısıyla da tüm kaynaklar ters çevrilecektir.

Şekil 5.15 : Ortak emiterli bir NPN transistörünün uygun öngerilimlenmesinin belirlenmesi

C) ORTAK KOLLEKTÖRLÜ DEVRE

Ortak kollektörlü devre, empedans uygunlaştırma amacıyla kullanılmaktadır. Çünkü bu devre, yüksek çıkış empedansını düşük çıkış empedansına çevirmektedir. Yani, ortak beyz ve ortak kollektörlü develerin tam tersi özelliklere sahiptir.

Şekil 5.16 : Ortak kollektörlü devre için kullanılan işaret ve sembolleri (a) PNP transistör (b) NPN transistör

Ortak kollektörlü devre genelde Şekil 5.17`de gösterildiği gibi emiterden toprağa arada yük direnci bulunacak şekilde düzenlenir. Bu devrede transistör, ortak emiterli devreye benzer şekilde bağlanmış olmasına karşın kollektörün topraklanmış olduğuna dikkat edilmelidir. Pratik açıdan ortak kollektörlü devrenin çıkış karakteristiği ortak emiterli devreninkiyle aynıdır.

Ortak kollektörlü devrede çıkış karakteristiği, IB değer aralığında IE`nin VEC`ye göre grafiğidir. Bu nedenle giriş akımı, hem ortak emiter hem de ortak kollektör karakteristiğinde aynıdır. Ortak kollektörllü devrenin yatay gerilim ekseni, VEC = – VCE olduğu için ortak emiter karakteristiği kollektör-emiter geriliminin işareti değiştirilerek elde edilir. Son olarak, ortak kollektör karakteristiğinde IC yerine IE konulduğu takdirde, ortak emiter karakteristiğinin düşey IC ölçeğinde hemen hemen fark edilemeyecek bir değişiklik meydana gelir (çünkü a = 1).

Şekil 5.17 : Empedans uygunlaştırma amacıyla kullanılan ortak kollektörlü devre

Ortak kollektörlü devrenin giriş devresine ilişkin gerekli bilgiyi elde etmek için ortak emiter karakteristiği yeterlidir. Yapılması gereken tek şey Şekil 5.16`daki devreye Kirşof gerilim yasasını uygulayarak uygun matematiksel işlemleri gerçekleştirmektir.