Jfet Mosfet

SAKARYA ÜNİVERSİTESİ Temel Elektronik Dersleri 9.Hafta Jfet Mosfet

Alan etkili transistör (FET – Field Effect Transistor), bipolar transistör (BJT) fonksiyonlarının çoğunu gerçekleştirebilen fakat çalışması temelde farklı olan üç terminalli yarı iletken bir devre elemanıdır. Alan etkilitransistör, üzerinden geçen akımın iki çeşit yük taşıyıcısından (oyuklar yada elektronlar) sadece birine dayandığı için tek kutuplu (unipolar) bir eleman olarak bilinir. Üzerinden geçen akım dışarıdan uygulanan bir gerilim ile oluşturulan bir elektrik alanı tarafından kontrol edildiği için Alan Etkili Transistör diye adlandırılır.

FET, BJT den oldukça farklı olarak, üzerinden geçen akım miktarını gate (kapı) ucundaki gerilim ile kontrol eden, voltaj kontrollü bir devre elemanıdır. Ayrıca BJT den farklı olarak bazı uygulamalarda avantaj sağlayan oldukça yüksek giriş direncine sahiptir.Alan Etkili Transistör yapı olarak iki gruba ayrılır: Birleşim (junction) Alan Etkili Transistör yada JFET ve Metal Oksit Silikon Alan Etkili Transistör yada kısaca MOSFET. Bunun yanında kısaca VMOS adı verilen güç MOSFET’i de sayılabilir. MOSFET ise kendi içinde zenginleştirilmiş (enhancement) ve fakirleştirilmiş (depletion) tip olarak iki gruba ayrılır. Bütün bu Alan Etkili Transistör çeşitleri n-tipi yada p-tipi kanal olarak üretilebilirler.

BİRLEŞİM ALAN ETKİLİ TRANSİSTÖR (JFET)

JFET, kanaldaki akımı kontrol etmek için ters kutuplanmış bir ekleme sahip olan bir Alan Etkili Transistör çeşididir. JFET sembolleri Şekil 1 de gösterilmiştir. JFET yapısına göre, n-kanal ve p-kanal olmak üzere ikiye ayrılır. Şekil 2.(a) ve (b) de bu her iki tip JFET görülmektedir. Şekil 2.(a) daki n-kanal JFET’te n tipi kanalın her iki ucuna birer tel bağlanır ve üsttekine drain (akıntı), alttakine ise source (kaynak) adı verilir. N tipi maddede bir kanal oluşturmak için iki p tipi bölge yayılır. Bu her iki p tipi bölge gate (kapı) adını verdiğimiz uca bağlanır. Şekilde kolaylık açısından iki p tipi bölgenin bağlantısı yerine sadece bir bağlantı gösterilmiştir.

Şekil 1. N-kanal ve p-kanal JFET sembolleri

Şekil 2. JFET’in yapısı

JFET’in ÇALIŞMASI

JFET’in çalışmasını Şekil 3 deki n-kanal JFET üzerinde açıklayalım. VDD gerilimi drain-source voltajını sağlar ve drain’den source’a akan akımı oluşturur. VGG gerilimi de gate-source arasındaki ters kutuplama voltajını sağlar.

JFET her zaman gate-source pn ekleminin ters kutuplanmasıyla çalıştırılır. Gate-source ekleminin negatif bir gerilimle ters kutuplanması n-kanalda fakirleşmiş bir bölge oluşturur ve direncini arttırır. Kanal genişliği, gate voltajı ayarlanarak kontrol edilebilir ve böylece ID drain akımı da kontrol edilebilir. Bu işlemler Şekil 3.(b) ve (c) de gösterilir.

Gate bölgesindeki p tipi malzemeyi çeviren beyaz alanlar, ters kutuplama ile oluşan fakirleşmiş bölgeyi temsil eder. Bu fakirleşmiş bölge, kanalın drain ucuna doğru daha geniştir, çünkü gate ve drain arasındaki ters kutuplama gerilimi, gate ve source arasındaki gerilimden daha büyüktür.

Şekil 3. VGG’nin kanal genişliğine ve drain akımına etkileri (VGG=VGS)

JFET KARAKTERİSTİKLERİ

İlk olarak gate-source voltajı sıfır (VGS=0 V) olarak alınır. Bu voltaj değeri gate ucunu source ucuna bağlayarak elde edilir.

Şekil 4.(a) da olduğu gibi her iki uçta toprağa bağlanır. VDD (yani VDS) 0 volttan itibaren artarken ID akımı da belli oranda artacaktır, Şekil 4.(b) deki grafiğin A ve B noktaları arasında gösterildiği gibi. Bu bölgede kanal direnci sabittir çünkü fakirleşmiş bölge yeterli etkiye sahip olacak kadar büyük değildir. Bu bölge direnç bölgesi olarak adlandırılır çünkü VDS ve ID ohm kanunuyla bağlantılıdır.

Şekil 4. Bir JFET’in VGS = 0 V için drain karakteristiği

Şekil 4.(b) de B noktasında eğim sıfırdır ve ID akımı sabittir. VDS gerilimi B noktasından C noktasına artarken, gate-drain ters kutuplama voltajı (VGD), VGS gerilimindeki artışı dengeleyecek kadar büyük bir fakirleşmiş bölge oluşturur, böylece ID akımı sabit tutulur.

Pinch-OFF Gerilimi

VGS = 0V için, ID akımının sabit hale geçtiği Şekil 4.(b) deki eğride B noktası VDS değerine pinch-off gerilimi (VP) denir. Herhangi bir JFET için, VP sabit bir değerdir. Görüldüğü gibi, pinch-off geriliminin üzerinde VDS’nin sürekli artışı hemen hemen sabit bir drain akımı sağlar. Drain akımının bu değerine (gate kısa devre iken drain ucundan source ucuna olan akım) IDSS denir ve bütün JFET’ler için ayrıca belirtilir.

IDSS, JFET’in ilave bir devre olmaksızın üretebildiği maksimum drain akımıdır ve bu değer her zaman VGS = 0 V için belirtilir. Şekil 4.(b) deki grafiğe bakılırsa,VDS deki artışla beraber ID akımının çok hızlı artmaya başladığı C noktasında bir kırılma oluşur. Bu kırılma, telafisi mümkün olmayan zararlara sebep olur. Bundan dolayı JFET’ler her zaman kırılma geriliminin altında ve sabit akım bölgesinde (grafikteki B ve C noktaları arasında) çalıştırılır.

ID AKIMININ KONTROLÜ

Şekil 5.(a) da gösterildiği gibi gate ile source arasına VGG kutuplama kaynağını bağlayalım. VGS gerilimi, VGG kaynağının ayarlanmasıyla daha negatif değerlere çekilirken, drain karakteristikleri Şekil 5.(b) de olduğu gibi elde edilir. Dikkat edilirse, VGS gerilimi daha negatif değerlere arttırılırken ID akımı azalır. Ayrıca, VGS deki her artış için JFET, VP değerinden daha küçük VDS gerilimlerinde pinch-off noktasına (sabit akımın başladığı bölge) ulaşır. Böylece drain akımının miktarı VGS tarafından kontrol
edilmiş olur.

Şekil 5. VGS daha negatif değerlere arttırılırken daha düşük VDS geriliminde pinch-off oluşur

KESİM VOLTAJI

ID akımını yaklaşık sıfır yapan VGS gerilimine kesim (cutoff) voltajı, VGS(off) denir. JFET, VGS=0 ve VGS(off) değerleri arasında çalıştırılmalıdır. Bu aralıktaki gate-source gerilimleri için, ID akımı, maksimum değer olan IDSS’den minimum değer olan sıfır arasında değişecektir.

N-kanal JFET için, daha negatif VGS gerilimi, sabit akım bölgesinde daha küçük ID akımı oluşturacaktır. Eğer VGS yeteri kadar büyük bir negatif değer ise, ID akımı sıfıra düşecektir. Bu kesim etkisi, Şekil 6 da gösterildiği gibi, fakirleşmiş bölgenin, kanalın tamamen kapandığı noktaya kadar genişlemesiyle oluşur.

Şekil 6. Kesim anında JFET

P-kanal JFET’in çalışması da aynen n-kanal JFET’te olduğu gibidir, farklı olarak sadece negatif bir VDD ve pozitif bir VGS gerilimine ihtiyaç duyar.

JFET GİRİŞ DRENCİ ve KAPASİTESİ

JFET, gate-source ekleminin ters kutuplanmasıyla çalışır. Bundan dolayı, gate ucundaki giriş direnci oldukça yüksektir. Bu yüksek giriş direnci, JFET’in bipolar transistörlere karşı bir avantajıdır (bipolar transistörler doğru yönde kutuplanmış beyz-emiter eklemine sahiptir).

Giriş direncini hesaplamak için genellikle kataloglarda verilen belirli bir gate-source voltajındaki ters akım değeri, IGSS, kullanılır ve aşağıdaki formülle hesaplanır.

JFET’in giriş kapasitesi, Ciss, bipolar transistörden daha büyüktür çünkü ters kutuplanmış pn eklemiyle çalışmaktadır.

METAL OKSİT SİLİKON ALAN ETKİLİ TRANSİSTÖR (MOSFET)

Metal Oksit Silikon FET, MOSFET olarak bilinir. MOSFET, pn eklemine sahip bir yapısı bulunmadığından JFET’ten farklıdır. Onun yerine, MOSFET kanaldan ince bir Silisyumdioksit (SiO2) tabakasıyla yalıtılır. Silisyumdioksit tabakası Alan Etkili Transistörün giriş direncini oldukça yüksek (1010W yada daha yüksek) değerlere çıkarmaktadır. Bu yüksek giriş direnci gate-drain geriliminin her yönünde ve her değerinde korunur. Çünkü giriş direnci ters kutuplanmış p-n eklemine bağlı değildir.

İki farklı tip MOSFET vardır: Zenginleştirilmiş (enhancement) ve fakirleştirilmiş (depletion) tip MOSFET. Bu iki tip MOSFET hem p kanallı ve hem de n kanallı olarak üretilebilir. Burada bu türlerden sadece zenginleştirilmiş tip n-kanal MOSFET açıklanacaktır.

Şekil 7 de n- ve p-kanal MOSFET’lerin sembolleri gösterilmektedir.

Şekil 7. MOSFET sembolleri

MOSFET’ler yüksek akımlı uygulamalarda iletime geçirilmesi daha kolay olduğundan oldukça sık kullanılırlar

(örneğin anahtarlamalı güç kaynaklarında). MOSFET’ler çok küçük bir akımla sürülebilirler.

MOSFET’İN ÇALIŞMASI

Şekil 8 de, direnç üzerindeki gerilimler ve n-kanal zenginleştirilmiş tip MOSFET’in 3 farklı gate gerilimleri gösterilir. Gate gerilimi 2.5 volt civarındayken direnç üzerinde hiçbir gerilim yoktur. Bu ise hiçbir akımın akmadığı anlamına gelir yani transistör iletimde değildir. Transistör kısmi iletime geçtiğinde ise her iki devre elemanında da gerilim düşümü olacaktır. Transistör tamamen iletime geçtiğinde de (gate gerilimi yaklaşık 4.5 volt olduğunda) bütün kaynak gerilimi direnç üzerinde düşer ve transistör üzerinde hiçbir gerilim düşümü olmaz. Bu ise transistörün source ve drain uçlarının aynı gerilime sahip olduğunu gösterir. Transistör tamamen iletime geçtiğinde direncin alt ucu toprağa bağlanmış gibidir.

Şekil 8. MOSFET’in çalışması

Gate ucuna uygulanan gerilim	Direnç üzerindeki gerilim	Transistör üzerindeki gerilim
2.5 volt	≈0	yaklaşık 12 volt
3.5 volt	12 volttan az	12 volttan az
4.5 volt	yaklaşık 12 volt	≈0

MOSFET’LE İLGİLİ BİR ANİMASYON

Şekil 9 daki simülasyonda ise bir lambaya bağlanmış bir n-kanal zenginleştirilmiş tip MOSFET görülmektedir.
Uygulanan ayarlı gerilim 3 voltun altına düştüğünde, lamba sönüktür. Lamba veya MOSFET üzerinden hiçbir akım akmamaktadır. Butona basar basmaz, kondansatör şarj olmaya başlayacaktır (yükselen sarı çizgiyle gösterilir). MOSFET iletime geçtiğinde, drain ucundaki gerilim düşmeye başlayacaktır (alçalan yeşil çizgiyle gösterilir). Gate ucundaki gerilim düşmeye başladığında, lamba üzerindeki gerilim de artmaya başlayacaktır.

Bu gerilim ne kadar çok artarsa lambada o kadar parlak hale gelecektir. Gate geilimi yaklaşık 4 volta eriştikten sonra lambanın en parlak olduğu anı görebilirsiniz (Bu anda lamba uçlarında 12 volt vardır). MOSFET üzerinde ise hiçbir gerilim yoktur. Dikkat edilirse, 3 voltun altında MOSFET tamamen kesimde (drain-source uçları arası açık devre) ve 4 voltun üzerinde de iletimdedir. 3 voltun altındaki herhangi bir gate gerilimi MOSFET üzerinde hiçbir etki oluşturmaz, 4 voltun üzerindeki gerilimlerde ise çok az bir etki vardır.

Şekil 9. MOSFET ile bir uygulama