FET: FIELD EFFECT TRANZISTORS ALAN ETKİLİ TRANZİSTÖRLER JFET LERİN DC ANALİZİ. Hafta 9

Transkript

1 FET: FIELD EFFECT TRANZISTORS ALAN ETKİLİ TRANZİSTÖRLER JFET LERİN DC ANALİZİ Hafta 9 Prof. Dr. Mehmet Karabük Üniversitesi Bilgisayar Mühendisliği 1

2 Alan-Etkili Tranzistörler (FET ler) Hatırlanacağı üzere tranzistorler (BJT ler) akım kontrollü bir devre elemanı idi. BJT lerde küçük beyz akımı ile büyük kollektör akımı kontrol edilmektedir. (I C =β I B ) Buna karşılık alan etkili tranzistörler (FET ler) ise gerilim kontrollü devre elemanıdır. Yani gate (kapı) bacağına uygulanan gerilim ile drain (akaç) akımı kontrol edilir. 2

3 BJT ler ile FET ler arasındaki farkları aşağıdaki gibi sıralayabiliriz. BJT ler akım kontrollü, FET ler ise gerilim kontrollü devre elemanıdır. BJT lerin tipik AC gerilim kazancı FET lere nazaran daha yüksektir. FET ler BJT lere nazaran çok yüksek giriş empedansına sahiptirler. (BJT de 2 KΩ kadar, FET lerde yaklaşık 100 M Ω) FET lerin ısı kararlılığı BJT lere göre daha yüksektir. FET ler boyut olarak BJT lere göre daha küçüktür. Bu yüzden tümleşik devrelerde daha kullanışlı olurlar. FET'in radyasyon etkisi yoktur ve radyasyondan az etkilenir FET'in BJT ye göre sakıncası; bant genişliklerinin dar olması ve çabuk hasar görebilmesidir. 3

4 Görüldüğü gibi FET lerin BJT lere nazaran üstünlükleri bulunmaktadır. Bu nedenlerden dolayı bazı uygulamalarda FET lerin kullanılması büyük avantaj sağlamaktadır. 4

5 FET lerin genel olarak üç çeşidi vardır. Bunlar jonksiyon (eklem) alan-etkili tranzistör (JFET), metaloksit yarıiletken alan-etkili tranzistör (MOSFET) ve metal yarı iletken alan etkili tranzistör (MESFET) dir. JONKSİYON (EKLEM VEYA BİRLEŞİM), ALAN ETKİLİ TRANZİSTÖR (JFET) (JUNCTION FIELD EFFECT TRANZİSTOR : JFET JFET ler, FET ler içinde ilk akla gelen FET çeşididir. Bu FET lerde PN jonksiyonu (birleşimi) kullanıldığı için Jonksiyon ismini almaktadır. PN jonksiyonu kullanılan tek FET çeşididir. JFET leri daha yakından tanımak için aşağıda yapısı çalışması ve transfer karakteristiği anlatılmıştır. 5

6 JFET in Yapısı Jonksiyon alan etkili tranzistor (JFET) Şekil 1 de de görüldüğü gibi tıpkı BJT lerde olduğu gibi üç bacağa sahiptir. Bunlar Geyt (Gate) (kapı) (G), Dreyn (Drain) (akaç) (D) Sörs (Source) (kaynak) (S) olarak adlandırılrlar. JFET, kanaldan geçen drain akımını kontrol etmek için gate-source (geyt-sörs) arası ters polarma altında çalışan bir FET çeşididir. N kanal ve P kanal olmak üzere iki tipi vardır. Şekil 1(a) da N kanal JFET in yapısı gösterilmektedir. Drain ve source uçları N kanalına bağlı iken gate ise her iki P bölgesine bağlıdır. Şekil 1(b) de ise P kanal JFET in yapısı gösterilmektedir. Drain ve source uçları P kanalına bağlı iken gate ise her iki N bölgesine bağlıdır. 6

7 b) Devre şeması (circuit symbol) a) Yapı (structure) Şekil 1.a: n-kanal JFET lerin yapısı ve devre şeması 7

8 b) Devre şeması (circuit symbol) a) Yapı (structure) Şekil 1.b: n-kanal JFET lerin yapısı ve devre şeması 8

9 Şekil 2 te N kanal ve P kanal JFET lerin sembolleri gösterilmektedir. JFET lerin tipini kapı da (G, gate) bulunan okun yönü belirlemektedir. Ok yönü içeriye doğru ise JFET, N kanallıdır. Ok yönü dışarıya doğru ise JFET, P kanallıdır. (a) N kanal JFET (b) P kanal JFET Şekil 2.a: JFET sembolleri 9

10 Şekil 2.b: JFET sembolleri 10

11 JFET in Çalışma Prensibi Şekil 2 deki şekillerde N kanallı bir JFET in çalışması gösterilmiştir. Şekil 3 de N kanal bir JFET e DC polarma uygulandığı zaman V DD gerilimi drain-source polarmasını sağlar ve drain den source a doğru drain akımının akmasını sağlar. V GG gerilimi ise gate-source arasında ters polarma sağlar. P bölgesi etrafındaki beyaz alan ters polarmanın etkisiyle meydana gelen azaltılmış bölgedir. Bu azaltılmış bölge, gate-drain arasındaki ters polarma, gate-source arasındaki ters polarmadan daha fazla olduğu için drain ucuna doğru daha fazla genişler. 11

12 Şekil 3a: JFET in kutuplandırılması (Öngerilimlenmesi), (JFET Biasing) 12

13 Şekil 3.c: V GG azalırsa kanal genişler, kanal direnci azalır ve drain akımı (I D ) artar. (N-Kanal) 13

14 Şekil 3.b: V GG artarsa kanal daralır, kanal direnci artar ve drain akımı (I D ) azalır. (Beyaz alanlar arası) 14

15 JFET Transfer Karakteristiği BJT tranzistor için çıkış akımı I C ve giriş kontrol akımı I B iken beta değeri sabittir. Çıkış I C akımı aşağıdaki formül ile bulunur. Yukarıdaki eşitlik I C ile I B arasında doğrusal bir ilişki olduğunu göstermektedir. Mesela beyz akımı iki kat artarsa kollektör akımı da iki kat artar. BJT tranzistorde giriş ile çıkış arasında doğrusal bir ilişki olmasına karşın JFET lerde giriş kontrol gerilimi ile çıkış akımı arasında doğrusal bir ilişki yoktur. JFET lerde giriş kontrol gerilimi ile çıkış drain akımı arasındaki ilişki Shockley eşitliği olarak bilinen aşağıdaki formül ile hesaplanır. 15

16 (JFET in en önemli bağıntısı) Şekil 4, 5, 6, ve 7 V GS geriliminin Pinch-off gerilimi olan V po gerilimi üzerine etkisini göstermektedir. V DS >V po için JFET doyma bölgesinde V DS <V po için ise ohmik bölgede çalışmaktadır. V PO Drain karekteristinin ohmik bölgeden doyma bölgesine geçtiği V DS geriliminin değeridir. Şekil 6 ve 7 V GS değiştikçe ohmik bölge ile aktif bölgenin sınır gerilimi olan V po nun bir parabol üzerinde değiştiğini göstermektedir. 16

17 V GS =0 V GS =-1 V DS (V) a) N-kanal FET in yapısı b) N-Kanal FET in Drain (akaç) karekteristiği Şekil 4: N-Kanal FET için V GS nin V po üzerine etkisinin gösterilimi (V po : Pinch-off gerilimi veya delinme gerilimi). Görüldüğü gibi V GS nin mutlak değeri arttıkça V PO azalıyor. (V GS =0 V için V PO =4 V, V GS =-1 V için V PO =3 V) 17

18 b) P-Kanal FET in Drain (akaç) karekteristiği a) P-Knanal FET in yapısı Şekil 5: P-kanal FET için V GS nin V po üzerine etkisinin gösterilimi (V GS büyüdükçe V PO nun mutlak değeri küçülüyor.) 18

19 Şekil 6: I DS -V DS bağıntısı V P =V PO nun en büyük mutlak değeri 19

20 Şekil 7: I DS -V DS bağıntısı (N-kanal) 20

21 Şekil 8.a ve 18.b de I D ile V GS arasındaki bağıntı olan ve yukarıdaki denklemle ifade edilen transfer karekteristiğini göstermektedir. Bu karekteristik JFET in performans parametrelerinin değerlerinin hesabında önemli bir yere sahiptir. İleride vereceğimiz örneklerden bunu göreceğiz. JFET in parametre değerleri ya grafik yoldan veya hesap yolu ile belirlenebilir. Bunun nasıl yapılacağını yine verceğimiz örneklerde göreceğiz. 21

22 ID (ma) ID (ma) ID = 0mA, VGS = VP VGS (V) IDSS IDS S VGS = 0V VGS = - 1V VGS = - 2V VGS = - 3V VGS = - 4V Şekil 8.a. N-kanal JFET transfer karakteristiği VDS (V) 22

23 N-kanal P-kanal Şekil 8.b.: N-kanal ve P-Kanal JFET transfer karakteristiği 23

24 Şekil 8 de verilen karakteristik eğriye göre; V GS = 0V iken I D = I DSS V GS = V P iken I D = 0A Burada I DSS, Şekil 8 den görüldüğü gibi, drain akımının doyma (saturation) değeridir. V p ise, yine Şekil 8 den görüldüğü gibi, V GS gerilimin en büyük genlik değeridir (en byük V GS değeri). 24

25 ÖRNEK: JFET in kataloğunda I DSS = 14mA ve V P = -6V yazmaktadır. V GS = 0V, V GS = -3 V ve V GS = -4.2 V iken drain akımlarını bulunuz. ÇÖZÜM V GS = 0V iken; I D I DSS 1 V V V GS = -3 V iken; I D I DSS GS P V V GS P I 14 1 DSS.(1) I DSS 14 ma 3.5 ma 25

26 V GS = -4.2V iken; I D I DSS 1 V V GS P ma Shockley eşitliği kullanılarak aşağıdaki tablo hazırlanabilir. V GS I D 0 I DSS 0,3V P I DSS / 2 0,5V P I DSS / 4 V P 0 ma 26

27 JFET lerin Kutuplandırılması (polarmalanması, öngerilimlendirilmesi) (JFET Biasing) BJT lerde olduğu gibi FET lerinde aynı amaçlarla kutuplandırılması (öngerilimlenmesi) (BIASING) gerekmektedir. Üç önemli kutuplama yöntemi vardır: a) Kendinden kutuplandırmalı yöntem (Self biasing) b) Sabit kutuplandırma yöntemi (fixed biasing) c) Gerilim bölücü yöntemi ile kutuplandırma (voltage divider biasing) Aşağıda bu yöntemleri tek tek ele alıp analiz edeceğiz. 27

28 Kendinden Kutuplandırmalı Yöntem (Self Biasing) Kendinden kutuplamalı (self biasing) JFET devresi aşağıda şekil 9 da verilmiştir. Görldüğü gibi devrenin çalışması için tek bir dc kanağı (VCC) gerekmektedir. Şekil 9: Kendinden ktuplamalı JFET devresi 28

29 29

30 GRAFİK ÇÖZÜM Önce 2 nolu eşitlik kullanılarak cihazın transfer karekteristiği çizilir. I D akımına rastgele seçilmiş bir değer verilir, örneğin: 30

31 ÖRNEK 1: Kendinden kutuplamalı bir n-tipi bir JFET in parametreleri aşağıda verilmiştir: V DD =24 V, I DSS =14 ma, V P =-7 V, R S =1.2 kω, R D =4.7 kω a) Grafik yoldan I D ve V GS değerlerini bulun. b) Hesap yolu ile I D, V GS, V DS, V S, V D, V G değerlerini bulun. ÇÖZÜM: V GS =-R S.I D I D =I DSS /4=14/4=3.5 ma seçilirse V =-1.2x3.5=-4.2 V olur. Kapı (gate doğrusu orijinden geçeceği için bu doğrunun iki noktası biliniyor demektir. (0, 0) ve (3.5, -4.2) noktalarından geçen doğru bir Şekil 10 da gösterilmiştir. 31

32 Şekil 10: Kendinden kutuplamalı JFET devresinın grafiksel çözmü 32

33 Bu doğru ile I D =I DSS (1-(V GS /V P )) 2 bağıntısından elde edilen transfer Kareteristiğinin kesişme noktası çalışma noktasını verecektir. Çalışma noktasının eğri üzerinden okunacak olan koordinatları I DQ ve V GSQ gerilimini verecektir. Şekil 8 de görülen sonuç graftan I DQ = 3.05 ma ve V GSQ =-3.7 V olarak okunabilir. 33

34 34

35 SABİT KUTUPLANDIRILMIŞ JFET DEVRESI Sabit kututplandırmalı bir JFET devresinin şeması aşağıda Şekil 11.a da verilmiştir. Şekil 11.a : Sabit kututplandırırlmış bir JFET devresinin şeması 35

36 Şekil 11.b. Sabit kutuplamalı N-kanal JFET in DC eşdeğer devresi 36

37 ÖRNEK 2: Sabit kutuplamalı n-tipi bir JFET in parametreleri aşağıda verilmiştir: V DD =20 V, I DSS =10 ma, V P =-7 V, V GG =4 V, R S =1.2 kω, R D =3.3 kω a) Hesap yolu ile I D, V GS, V DS, V S, V D, V G değerlerini bulun. b) Grafik yoldan I D ve V GS değerlerini bulun. ÇÖZÜM: 37

38 38

39 39

40 ÖRNEK 3: Sabit kutuplamalı p-tipi bir JFET in parametreleri aşağıda verilmiştir: V DD =-20 V, I DSS =10 ma, V P =7 V, V GG =4 V, R S =1.2 kω, R D =2.7 kω a) Hesap yolu ile I D, V GS, V DS, V S, V D, V G değerlerini bulun. b) Grafik yoldan I D ve V GS değerlerini bulun. ÇÖZÜM: 40

41 41

42 JFET lerin Gerilim Bölücü Yöntemi ile kutuplandırılması (Voltage divider biasing of JFETs) 12 de Şekil 12: JFETlerin gerilim bölücü yöntemi ile kutuplandırılması 42

43 43

44 44

45 45

46 46

47 47

48 48

49 49

50 50

51 51

52 EXAMPLE (ÖRNEK) Şekil 12 te verilen JFET devresınde I D ve V GS değerlerini bulunuz. V D =7 V Şekil (Figure) 12 52

53 53

54 ÖRNEK (EXAMPLE) Şekil 13-a da verilen JFET devresinin transfer karekteristiği Şeikil 13-b de verilmiştir. Q noktasını belirleyiniz (Q noktasında I D ve V GS yi bulunuz). Şekil 13-a 54

55 SOLUTION (ÇÖZÜM) I D =0 için (For I D =0) : V GS =0 için (For V GS =0): Yük doğrusu Şekil 13-b de gösterilmiştir ve Q noktasından I D =1.8 ma ve V GS = -1.8 V bulunur. 55

56 Figure 13.bb Şekil 13.b 56

57 GRAFIK ÇÖZÜM (GRAPHİCAL SOLUTİON) For I D =0 (I D =0 için): VGS =0 için (For VGS=0): 57

58 Yük doğrusu üzerinde ikinci bir nokta: Genelleştirilmiş yük doğrusu Şekil 8-25 üzerinde gösterilmiştir. Yük doğrusu ile transfer karekteristiğinin kesişme noktası çalışma noktasını (Q noktasını ) verir. 58

59 MOSFET İki tip mosfet vardır: Çoğaltan tip (E: Enhancement) E-MOSFET Azaltan tip (D: Depletion) D-MOSFET Çoğaltan Tip Mosfet (E-MOSFET) Bu tip MOSFET de sadece çoğaltan mod olmak üzere bir tane çalışma modu vardır. Azaltan mod MOSFET yoktur. E-MOSFET lerde kanal olmaması nedeniyle yapısı D-MOSFET lerin yapısından farklıdır. Şekil 15(a) da kapı gerilimi uygulanmadığından kanal oluşmamıştır ve alt katman, SiO 2 tabakasına kadar genişlemiştir. 59

60 (a) Yapısı (b) İndüklenmiş kanal (V GS > V GS(th) ) Şekil 15: E-MOSFET in yapısı ve çalışması 60

61 61

62 Şekil 15(b) de kapı gerilimi uygulanmadığıdan dolayı kanal oluşmuştur ve SiO 2 tabakasının alt kısmındaki kanal I D drain (akaç) akımının akmasına yol oluşturmuştur. Kapı (geyt) ile sörs (source) arasına uygulanan V GS gerilimi artttıkça kanal genişleyecek ve I D akımına karşı direç azalacağından bu akımın değeride artacaktır. Kanalın oluşması için minimum bir V GS değeri vardır ve bugerilime eşik gerilimi (treshold votage) denir ve bu gerilim V GS(TH) simgesi kullanılır. Drain akımının (I D ) akması için V GS > V GS(TH) olmalıdır. 62

63 Şekil 16 da E-MOSFET in transfer karakteristiği görülmektedir. Karakteristik eğride de görüldüğü gibi V GS değeri V GS(th) eşik geriliminden düşük olduğu zaman drain akımı sıfırdır. Buradan aşağıdaki eşitlik çıkmaktadır. I D k ( V V GS GS (th ) ) 2 k I D( on) ( V V GS ( on) GS ( th) ) 2 63

64 E-MOSFET Transfer karekteristiği Şekil 23 64

65 I D (ma) I D (ma) V GS 8V V GS 7V V GS 6V V GS(Th) V GS 5V V GS 4V V GS 3V V GS 2V (V ) V DS Şekil 16. N kanal E-MOSFET drain ve transfer karakteristiği 65

66 ÖRNEK-20: Yukarıdaki karakteristiğe göre I D(on ) = 10mA, V GS(on) = 8V, V GS(th) = 2V iken V GS = 4V a iken drain akımını bulunuz. ÇÖZÜM k ( V I GS ( on) D( on) V GS ( th) ) 2 10mA (8V 2V ) 2 10mA (6V ) 2 10mA 36V 2 0, A/ V I D k( VGS VGS ) 0, (4V 2V ) 0, (2V ) 1, 11mA ( th ) 66

67 k sabiti katalok bilgilerinde yer alan I D(on) ve buna buna karşılık gelen V GS(on) değerleri kullanılarak bulunur. Ayrıca V GS(th ) yine katalog bilgilerinde verilmektedir. Dolatısiyle katalok bilgileri yukarıdaki denklemde kullanılarak k sabiti aşağıdaki gibi bulunur. k I D( on) ( V V GS ( on) GS ( th) ) 2 67

68 ÖRNEK: Bir 2N7002 TİPİ E MSFET in katalok bilgileri I D(on) =500 ma, ve buna buna karşılık gelen V GS =10 V tur. V GS(th ) =1 V. V GS =5 V için drain akımını bulunuz. Çözüm: 68

69 V GS =5 V için 69

70 D (Depletion) MOSFET (D-MOSFET) D-MOSFET in yapısı, karakteristikleri ve matematiksel modeli E-MOSFET ten faklıdır. Şekil 17.a ve 17.b de D-MOSFET in henuz kanal oluşmamış yapısı görülmektedir. E-MOSFET in aksine gate (geyt, kapı) tapakasının alt kısmı boydan boya aynı tip malzemeden, örneğin N-kakanal D-MOSFET te tüm cihaz boyunca gate tabakasının alt kısmı N-tipi malzemaden oluşmaktadır. Kanal dişarıdan yine E-MOSFET in aksine negatif bir gerilim uygulanarak oluşturulmaktadır. Şekil 17.c kanal olşmuş durumu göstermaktedir. Bu yapı D-MOSFET in devre simgesine de yansımaktadır. E ve D tipi mofetlerin devre simgeleri Şekil 18 de gösterilmiştir. 70

71 Şekil 17.a: D-MOSFET in henüz kanal oluşmamış yapısı 71

72 Şekil 17.b: D-MOSFET in henüz kanal oluşmamış yapısı 72

73 Şekil 17.c : D-MOSFET in kanal oluşmuş yapısı 73

74 N-kanal E-MOSFET P-kanal E-MOSFET N-kanal D-MOSFET N-kanal D-MOSFET Şekil 18. E-MOSFET ve D-MOSFET devre simgelerinin karşılaştırılması 74

75 D-MOSFET in matematiksel analizi tamamen JFET ile aynıdır. Bu tipte eşik gerilimi yoktur, bunun yerine drain akımının (I D ) sıfıra düştüğü bir V GS gerilimi vardır (V GS geriliminin mutlak değer olarak en büyük değeri) ve bu gerilim JFET te olduğu gibi V P ile gösterilir. JFET te olduğu gibi D-MOSFET in drain karekteristiği aşağıdaki bağıntı ile ifade edilir: D-MOSFET in analizi tamamen JFET analizi gibidir. Bu nedenle analiz tekrarlanmayacaktir. 75

76 Şekil 19 : D MOSFET CHARACTERISTICS b) P-kanal a) N-kanal 76

77 E-MOSFET lerin KUTUPLANDIRILMASI (BIASING E-MOSFETs) E-MOSFET lerde V GS >V GS(th ) oduğundan 0 biasing kullanılmaz. Bu nedenle yukrıdaki şekilde gösterilen 2 tip Biasing (polarma) kullanılır: - Voltage divider (gerilim bölücü) biasing (kutuplama) - Drain feedbak (Drain geri besleme) biasing (kutplama). - Voltage divider (gerilim bölücü) biasing (kutuplama) 77

78 Şekil 20 78

79 ÖRNEK: Katalok değerleri: Drain akımını bulunuz 79

80 Şimdi V GS =3.13 V için I D yi hesaplayalım: Son olarak V DS yi hesaplayalım: 80

81 Aşagğidaki devrede V GS =8.5 V ve V GS(th )=3 V. Drain akımını bulunuz. Şekil 21 81

82 Çözüm: Bu devre düzeninde: 82

83 D-MOSFET lerin KUTUPLANDIRILMASI (BIASING) Şekil 22 Gate (kapı) akımı sıfır olduğundan R G nin üzerinde hiçbir gerilim düşmü olmaz. Bu nedenle doğru akım eşdeğer devresinde bu direnç gözardı edilir. R G direnci ac de toprağa kaçak akım akmaması için kullanılır. 83

84 VGS=0 olduğundan I D =I DSS ve; ÖRNEK: I DSS =12 ma Ve VGS(of) =V P =-8 V. Drain akımını bulunuz. 84

85 Çözüm: 85