8. FET İN İNCELENMESİ

Transkript

1 8. FET İN İNCELENMESİ 8.1. TEORİK BİLGİ FET transistörler iki farklı ana grupta üretilmektedir. Bunlardan birincisi JFET (Junction Field Effect Transistör) ya da kısaca bilinen adı ile FET, ikincisi ise MOSFET ( Metal Oxcide Silicon Field Effect Transistör) yada daha az bilinen adı ile IGFET (Isolated Gate Field Effect Transistör). Transistör yada BJT Transistör iki taşıyıcı grubu ile çalışmaktadır. Örneğin NPN bir transitörün emitöründen giren elektronlar emitör içinde çoğunluk taşıcısı olmaktadır. Sonra P tipi beyz içinden geçerken azınlık taşıyıcısı olmakta, en son N tipi kollektörden geçerken tekrar çoğunluk taşıyıcısı olmaktadır. FET içinde ise elektronlar sadece N tipi yada P tipi madde içinden geçmektedir. Sadece çoğunluk taşıyıcıları ile çalışmaktadır. Bu nedenle yapısal farklılığı vardır. Ayrıca en önemli kullanım özelliklerinden biride giriş dirençleri çok yüksektir. Bu nedenle bağlandıkları devreleri yüklemezler. Az gürültü ürettikleri için giriş devreleri için tercih edilirler JFET: Şekil 1 JFET P kanal JFET, N kanal JFET in çalışması ile aynı olup beslemelerin polariteleri ile N ve P maddelerin yerleri değişmektedir. Ortadaki N maddesinin bir ucu D (drain - akaç) diğer ucu ise S (source kaynak) olarak adlandırılır. Ortadaki bu parça aynı zamanda kanal channel olarak adlandırılır. Kanalın alt üst kısımlarındaki P tipi parçalar birleştirilmiş ve G (gate kapı) olaraka dlandırılır. Yukarıdaki şekle bakıldığında, DD kaynağının negatif ucu source ucuna, pozitif ucu drain ucuna bağlandığı görülecektir. Bu nedenle akacak olan I D akımı drain den source ye doğrudur. GG kaynağının eksi ucu P maddesinden yapılmış olan gate e, artı ucu ise source a bağlanmıştır. Yani gate ve kanal ters polarmalanmıştır. Bu nedenle gate akımı I G = olacaktır. Şimdi GG voltajının olduğunu düşünelim. O zaman DD voltajının oluşturduğu akım I D, drainden source ye doğru ve maksimum olarak akacaktır. I D akımını sınırlayan sadece kanalın kesitidir. Bu kesit ya da hacim nekadar büyük olursa I D akımı da o kadar büyük olacaktır. GG voltajı pozitif yönde arttırılırsa, P maddesinden yapılmış gate ile N maddesinden yapılmış olan kanal ters polarmalanacaktır. P maddesindeki boşluklar GG kaynağından gelen elektronlarla doldurularak gate etrafında (p maddesi etrafında) Şekil 2 deki gibi bir yayılma alanı yaratacaktır. 69

2 Şekil 2 Yayılma Alanı Gate ile source arasında sadece GG voltaj kaynağı olduğu için gate source arasında sadece GG nin yaratığı ters polarizasyon, gate ile drain arasında GG DD kaynağı olduğu için source - drain arasındaki ters polarizayson GG DD kadar olacaktır. Bu nedenle yayılmanın profili source trafında daha az, drain tarafında daha fazla olacaktır. Bu yayılma kanalı daralttığı için I D akımı azalacaktır. GG voltajı daha da arttırılırsa alan iyice yayılarak bütün kanalı Şekil 3 deki gibi kapatır ve I D akımı sıfır olur. I D akımını sıfır yapan GG voltajına Pinchoff voltajı p denir. Şekil 3Tıkalı Kanal Şekil 3 de GS voltajıı p voltajının biraz altında sabit tutalım. DS voltajını sıfırdan itibaren yavaşça arttıralım. Bu durumda kanal bir miktar açık olduğu için ID akımı sıfırdan itibaren biraz yükselecektir. DS voltajını arttırdığımızda I D akımı da doğrusal olarak artacaktır. Bu durum yani ID akımının doğrusal olarak artması DS voltajının, GS ile p nin farkına eşit olduğu ( DS = GS - p) değere kadar devam eder. D voltajı daha da arttırılırsa ( DS >= GS - p) kanal genişliği DS voltajına bağlı olarak ve aynı oranda daralır. Ya da bu kritik değerden sonra kanal direnci DS voltajı ile aynı oranda artar. Sonuçta DS voltajı bu kritik değerden sonra ne kadar arttırılırsa arttırılsın I D akımı sabit kalır ve I D akımı GS voltajı ile kontrol edilir. GS voltajını sıfır yapılır, DS voltajı p değerine kadar yükseltilirse kanal genişliği minimum değerine ulaşır. Bu durumda I D akımına doyum akımı yada IDSS akımı denir. I DSS ile I D akımı arasındaki bağıntı: I D = I DSS (1 - ( GS / p)2 ). 7

3 Şekil 4 DS -I D Grafiği Buradaki birinci bölge sabit direnç bölgesi olarak tanımlanır. Bu bölgede DS değeri küçüktür. Bu çalışma durumunda kanal direnci gate e uygulanan ters polarma voltajı ile kontrol edilir. Bu uygulamalarda JFET oltaj Kontrollü Direnç olarak çalışır. İkinci bölge sabit akım bölgesi olarak tanımlanır. Bu bölgede DS değeri büyüktür. I D akımı gate voltajına bağlı olarak değişir, DS değerinden bağımsızdır. Sabit akım bölgesi BJT transistörün CE bağlantısına benzer. Aralarında tek fark vardır. BJT Transistörde I C akımı I B akımının fonksiyonudur. JFET Transistörde I D akımı gate e uygulanan voltajın fonsiyonudur. JFET in I D akımı; ID= IDSS (1 - (GS / p)2)dir. Bu ifadenin sabit akım bölgesi için çizimine JFET transfer karakteristiği denir. Şekil 5 de bu karakteristik verilmiştir. Şekil 5 Transfer Karakteristiği Şekilde I DSS akımı 5mA, p voltajı 4 olarak çizilmiştir. Şekildeki transfer eğrisi görüldüğü gibi doğrusal değildir. Bu nedenle, örneğin GS giriş voltajı 3 dan 2 a getirildiğinde I D akımı yaklaşık 1mA değişir. Fakat GS giriş voltajı 2 dan 1 a getirildiğine I D akımındaki değişim 2mA olacaktır FET TRANSİSTÖRÜN POLARMASI Bir polarma devresi transistörü (FET, BJT transistör vs) özel bir durum söz konusu olmadıkça aktif bölgede çalışmasını sağlamak için tasarlanır. BJT transistörlerde bilindiği gibi beyz akımı polarma devresinin hesaplanmasında önemlidir. Fakat FET transistörlerde Gate akımı (I G =) sıfırdır. FET transistörün aktif bölgede çalışabilmesi için Gate-Source arası voltaj negatif olur. Şekil 6 da bir JFET transistörün self-polarma devresi görülmektedir. 71

4 Şekil 6 JFET Transistörün Self-Polarma Devresi Şekil 6 daki devrede I G akımı sıfır olduğu için I D akımı I G akımına eşit olacaktır. I D =I G R S direnci üzerinden geçen I D akımı burada source tarafı pozitif toprak tarafı negatif olacak şekilde bir voltaj oluşturur. I G akımı sıfır olacağı için R G direnci üzerinden hiç akım geçmeyecek ve R G direnci üzerinde bir voltaj düşümü olmayacaktır. Fakat Gate-Source arasında R S direnci üzerinde görülen voltaj negatif olarak görülecektir. Bu voltaj JFET transistörün polarma voltajıdır. Çıkış devresi için; DD = I D (R D R S ) DS Gate Source arası voltaj, I G = oldugu için; GS = -I D x R S I D akımı;i D = I DSS (1 - ( GS / p)2 ) Yukarıdaki ifadelerle JFET için Q çalışma noktası kolayca bulunabilir (Şekil 7). Şekil 7 JFET Q Çalışma Noktası 72

5 8.2. DENEYSEL ÇALIŞMA Şekil-8 de KZ-5-12 modülü verilmiştir. Bu FET konularında deneysel çalışmaların yapılması planlanmıştır. Modül üzerinde bulunan devreleri sırasıyla kurunuz. erilen işlem basamaklarını uygulayarak deneyleri gerçekleyiniz. JFET'in İncelenmesi Enhancement Tipi Mosfetin İncelenmesi - DD 1 GG 4 g gs Id ma GG 5 P1 gs ma Id DD 15 ds a) JFET in incelenmesi b) Enhancement Tipi MOSFET in incelenmesi Depletion Tipi Mosfetin İncelenmesi J49 GG GG2 P1 gs Id ma DD 12 ds 1pp-1KHz Sinüs i J53 J54 J55 J56 C1 CH1 R18 Q7 Rs R16 R17 C2 C2 J51 J52 o CH2 DD 12 J5 c) Depletion Tipi MOSFET in incelenmesi d) JFET li Yükselteç Şekil-8 KZ-5-12 modülü Çeşitli FET lerin İncelenmesi 1) Şekil 8.a da bir JFET yükselteç verilmiştir. Devrede gösterilen ölçü aletlerini gösterildiği biçimde bağlayınız. P potansiyometresi ile g gerilimini sıfırdan başlayarak arttırınız. Bu esnada gs ve I d akımlarını ölçünüz. Yükseltecin çalışma noktasını belirleyiniz. 2) Şekil 8.b de bir Enhancement Tipi MOSFET yükselteç verilmiştir. Devrede gösterilen ölçü aletlerini gösterildiği biçimde bağlayınız. P potansiyometresi ile g gerilimini sıfırdan başlayarak arttırınız. Bu esnada gs ve I d akımlarını ölçünüz. Yükseltecin çalışma noktasını belirleyiniz. 73

6 3) Şekil 8.c de bir Depletion Tipi MOSFET yükselteç verilmiştir. Devrede gösterilen ölçü aletlerini gösterildiği biçimde bağlayınız. P potansiyometresi ile g gerilimini sıfırdan başlayarak arttırınız. Bu esnada gs ve I d akımlarını ölçünüz. Yükseltecin çalışma noktasını belirleyiniz. 4) Şekil 8.d de bir JFET yükselteç verilmiştir. Devrede gösterilen ölçü aletlerini gösterildiği biçimde bağlayınız. Devrede gösterilen frekans ve genlikteki giriş sinyalini uygulayınız. Osiloskobunuzun 1 nolu kanalını giriş ve 2 nolu kanalını da çıkış sinyalini görecek biçimde bağlayınız. Giriş ve çıkış sinyallerini karşılaştırarak yükseltme işlemini görünüz. Kazancı hesaplayınız ÇALIŞMA SORULARI a) BJT ve FET Transistör arasındaki temel fark nedir? b) Sızıntı akımı nedir? c) FET polarma parametreleri nelerdir? d) BJT ve FET Transistörü giriş ve çıkış empedansları açısından karşılaştırınız. 74