Alan Etkili Transistörler Alan Etkili Transistörler ((Field-Effect TransistorsField-Effect Transistors) (FET)) (FET)

11

Alan Etkili Transistörler (FET) (Field-Effect Transistors), BJT’ler ile birçok noktada benzerlikler gösterirken, bazı noktalarda ise farklılıklar sergilemektedir.

BenzerlikleriBenzerlikleri: : • Kuvvetlendirme• Anahtarlama• Empedans uygunlaştırma

FarklılıklarıFarklılıkları::• FET’ler voltaj kontrollü iken BJT’ler ise akım kontrollüdür.• FET’ler daha yüksek bir giriş direncine sahip iken BJT’ler ise daha

yüksek kazançlara sahiptir.• FET’ler IC olarak daha kolay üretilebilirler ve sıcaklık değişimlerine daha

az duyarlıdırlar.

FETFET

22

•JFETJFET–– Junction Field-Effect Transistor

•MOSFETMOSFET –– Metal-Oxide Field-Effect Transistor

D-MOSFETD-MOSFET –– Depletion MOSFET (Azaltıcı Tip)E-MOSFETE-MOSFET –– Enhancement MOSFET (Çoğaltıcı Tip)

FET TFET Tipleriipleri

33

JFETJFET’in’in YapısıYapısı

JFET’ler kendi içerisinde ikiye ayrılırlar.

•nn--kanalkanal•pp--kanalkanal

n-kanal en çok tercih edilen JFET tipidir.

JFET’lerin 3 adet terminalleri mevcuttur.

•Akıtıcı - Akıtıcı - Drain Drain (D) ve Kaynak - SKaynak - Sourceource (S) n-kanalına bağlanırken,•Kapı - Kapı - GateGate (G) ise p-tipi malzemeye bağlanır.

44

Bir Bir JFETJFET’in Temel Çalışma Prensibi’in Temel Çalışma Prensibi

JFET’in çalışma prensibi bir musluğa benzetilebilir.

Kaynak – Source: Kaynak – Source: Basınçlı su, akıtıcı-kaynak voltajının negatif kutbundaki elektron birikmesini temsil etmektedir.

Akıtıcı – DrainAkıtıcı – Drain:: Uygulanan voltajın pozitif kutbundaki elektron (yada delik) azlığını temsil eder.

Kapı – Gate:Kapı – Gate: Suyun akışını kontrol eden bir vana gibi kapı terminali n-kanalının genişliğini kontrol eder. Böylece akıtıcıya geçecek olan yük kontrolü yapılmış olur.

55

JFETJFET’in Çalışma Karakteristikleri’in Çalışma Karakteristikleri

Bir JFET’in çalışma şartlarının belirlenmesinde üç temel durum söz konusudur.

• VGS = 0, VDS 0’dan pozitif değerlere doğru yükseltilirken• VGS < 0, VDS pozitif değerde• Voltaj kontrollü direnç.

66

JFETJFET’in Çalışma Karakteristikleri’in Çalışma KarakteristikleriVVGSGS = 0, V = 0, VDSDS 0’dan 0’dan pozitif değerlere doğru yükseltilirkenpozitif değerlere doğru yükseltilirken

• p-tipi kapı ile n-tipi kanal arasındaki fakirleşmiş bölge (depletion region), n-kanalın içerisindeki elektronlar ile p-tipi kapı içerisindeki deliklerin birleşmesi sonucu bir artış göstermeye başlar.

• Fakirleşmiş bölgenin büyümesi, n-tipi kanalın direncinin artmasına yani daralmasına neden olur.

• n-tipi kanalın direncinin artması, kaynak-akıtıcı arasındaki (ID) akımda da bir artışa neden olur. Çünkü VDS artmaktadır.

VGS = 0 ve VDS 0’dan pozitif değerlere doğru yükseltilirken üç durum söz konusudur.

77

Eğer VGS = 0 iken VDS hala daha pozitif bir değere artırılmaya devam ederse, fakirleşmiş bölge n-tipi kanalı kapatacak kadar genişler.

Bunun sonucunda n-tipi kanaldaki ID akışı kesilir.

JFETJFET’in Çalışma Karakteristikleri’in Çalışma KarakteristikleriVVGSGS = 0, V = 0, VDSDS 0’dan 0’dan pozitif değerlere doğru yükseltilirkenpozitif değerlere doğru yükseltilirken

Kısılma - Kısılma - Pinch OffPinch Off

88

Kısılma – pinch-off noktasında:

• VGS deki herhangi bir artış ID‘nin değerinde bir değişikliğe neden olmaz. Kısılma noktasındaki VGS V Vpp olarak adlandırılır.

• ID doyumda yada maksimum değerindedir ve IIDSSDSS olarak isimlendirilir.

• Kanalın omik direnci maksimum düzeydedir.

JFETJFET’in Çalışma Karakteristikleri ’in Çalışma Karakteristikleri VVGSGS = 0, V = 0, VDSDS 0’dan 0’dan pozitif değerlere doğru yükseltilirkenpozitif değerlere doğru yükseltilirken

(Doyum-S(Doyum-Saturaturasyon)asyon)

99

Boylestad and NashelskyElectronic Devices and Circuit Theory

Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc.Upper Saddle River, New Jersey 07458

All rights reserved.

JFETJFET’in Çalışma Karakteristikleri ’in Çalışma Karakteristikleri VVGSGS < 0, V < 0, VDSDS pozitif bir değerdepozitif bir değerde

VGS ‘in daha negatif bir değere inmesi fakirleşmiş bölgede bir artışa neden olacaktır.

1010

VGS negatif oldukça:

• JFET daha düşük bir değerde kısılmaya (Vp).

• VDS arttıkça ID azalacaktır.

• ID 0A olduğundaki VGS değeri Vp yada VGS(off) olur.

JFETJFET’in Çalışma Karakteristikleri ’in Çalışma Karakteristikleri VVGSGS < 0, V < 0, VDSDS pozitif bir değerdepozitif bir değerde: I: IDD < I < IDSSDSS

1111

2

P

GS

od

VV

1

rr

Kısılma noktasının solunda kalan bölge omiomikk bölge –triyod bölge –triyod bölge bölge olarak adlandırılır.

Bu bölümde JFET değişken bir direnç gibi kullanılabilir. Burada VGS akıtıcı-kaynak direnci (rd)’yi kontrol eder. VGS daha negatif oldukça (rd)’nin değeri artar.

JFETJFET’in Çalışma Karakteristikleri ’in Çalışma Karakteristikleri Voltaj-Kontrollü DirençVoltaj-Kontrollü Direnç

1212

p-p-kanalkanal JFET JFET

p-kanal JFET de aynen n-kanal JFET gibi davranır sadece kutuplama ve akım yönleri terstir.

1313

p-p-kanalkanal JFET JFET KarakteristikleriKarakteristikleri

VDS daha yüksek değerlere ulaştığında VDS > VDSmax değerine ulaştığında JFET kırıma uğrar ve ID kontrolsüz olarak artışına devam eder.

VGS pozitif olarak arttıkça;

• Fakirleşmiş bölge büyür,• ID azalır (ID < IDSS)• Kısılma anında ID = 0A

1414

JFETJFET’in Elektriksel Sembolü’in Elektriksel Sembolü

1515

2

V

V1DSSD

P

GSII

JFET’in giriş-çıkış ilişkisini veren transfer karakteristikleri BJT’de olduğu gibi düzgün değildir.

Bir BJT’de, IB (input) ile IC (output) arasındaki ilişkiyi tanımlar.

JFET’te ise, giriş VGS (input) ile çıkış ID (output) arasındaki ilişki biraz daha komplekstir:

JFETJFET TransfTransfer Karakteristiklerier Karakteristikleri

1616

JFET TransfJFET Transfer Eğrisier Eğrisi

JFET’lerde transfer eğrisi ID – VGS göre belirlenir.

1717

FET’li Kuvvetlendiricilerin KutuplanmasıBir FET’li kuvvetlendiricinin kutuplanması için temel olarak üç yol vardır:

•Gerilim bölücü,

•Kaynak kutuplama

•Kendiliğinden kutuplama (self bias)

R1

R2

RL

RS CS

C1

C2

VDD

Vin

Vo

Gerilim bölücülü kutuplama:•Girişte kapıdaki kutuplama miktarı gerilim bölücü dirençler R1 ve R2 ile belirlenmektedir.•Kapı kutuplaması, kapı ve kaynak gerilimleri arasındaki farktır (Vgs).•Bu gerilim doğrudan kapı ve kaynak arasından ölçülebildiği gibi her bir voltajın tek tek ölçülmesi ve birbirinden çıkarılması yoluyla da belirlenebilir.

Kaynak kutuplamalı FET’li kuvvetlendirici:

RL

RG RS

C2VDD

VSSVin

Vo

CS

C1

•Bu kutuplama da ikinci bir güç kaynağına ihtiyaç duyulmaktadır. •Bu yüzden bu kutuplama pek fazla kullanılmamaktadır. • İkinci bir güç kaynağının FET’in kaynak ucuna bağlanmasından dolayı bu isimle anılmaktadır.

Kendiliğinden kutuplamalı FET’li kuvvetlendirici:

12V

RD 3.3K

Vin

Vo

RG 1MRS

1K

F

25 F

1

C1

C2

•Burada kutuplama, Rs direnci üzerindeki gerilim düşümüyle sağlanmaktadır. •Rs üzerindeki gerilim düşümü kaynak-kapı jonksiyonunu ters yönde kutuplamaktadır. •Akıtıcı (drain) akımı akmazsa kutuplama sağlanamayacak, akım akışı artarsa kutuplama da sağlanmış olacaktır.•Bu etki aynı zamanda kazancın düşmesine de yol açmaktadır.

Örnek: Şekildeki JFET devresi için Q çalışma noktasını ve buradaki IDQ , VGSQ ve VDSQ değerlerini bulunuz.

FET’lerin Çalışma noktalarının bulunması

JFET JFET Veri SayfalarıVeri Sayfaları

Elektriksel KarakteristiklerElektriksel Karakteristikler

2828

JFET JFET Kılıf GösterimiKılıf Gösterimi veve Terminal TanımlamalarıTerminal Tanımlamaları

2929

MOSFETMOSFET

İki tip MOSFETmevcuttur:

• Azaltıcı-Tip (Kanal ayarlamalı)(Azaltıcı-Tip (Kanal ayarlamalı)(Depletion-TypeDepletion-Type))• Çoğaltıcı-Tip (Kanal oluşturmalı)(Çoğaltıcı-Tip (Kanal oluşturmalı)(Enhancement-TypeEnhancement-Type))

MOSFET’ler, JFET’lere benzer özellikler içerirler. Ayrıca başka faydalı özellikleri de mevcuttur.

3030

Azaltıcı (Azaltıcı (DepletionDepletion) ) -Type MOSFET -Type MOSFET YapısıYapısı

Akıtıcı draindrain (D) ve kaynak sourcesource (S) n-tipi katkılandırılmış malzemeye bağlanmıştır. Bu n-tipi bölgeler birbirleriyle bir n-tipi kanal vasıtasıyla ilişkilendirilmiştir. Bu n-tipi kanal ince bir izolatör katman olan SiO2 vasıtasıyla kapı gate gate (G) ucuna bağlanmıştır.

n-tipi katkılandırılmış malzeme p-tipi katkılandırılmış malzemenin üzerine yerleştirilir. Bu p-tipi katkılandırılmış malzemenin de bir alt tabaka terminal bağlantısı substratesubstrate (SS) mevcuttur.

3131

TemelTemel MOSFET MOSFET Çalışma BölgeleriÇalışma Bölgeleri

Bir azaltıcı-tip MOSFET iki modda işlem yapar:

• AzaltıcıAzaltıcı mod mod• ÇoğaltıcıÇoğaltıcı mod mod

3232

AzaltıcıAzaltıcı-T-Tipip MOSFET MOSFET AzaltıcıAzaltıcı Mod Mod Çalışması Çalışması

• VGS = 0V olduğunda ID = IDSS

• VGS < 0V olduğunda ID < IDSS

AzaltıcıAzaltıcı Mod Mod

Karakteristikleri JFET ile benzerlikler gösterir.

2

P

GSDSSD V

V1II

3333

AzaltıcıAzaltıcı-T-Tipip MOSFET MOSFET ÇoğaltıcıÇoğaltıcı Mod Mod Çalışması Çalışması

• VGS > 0V• ID , IDSS ‘nin üstü

değerlere ulaşır. • Transfer eğrisi:

2

P

GSDSSD V

V1II

ÇoğaltıcıÇoğaltıcı Mod Mod

VGS bu çalışma modunda pozitif değere sahiptir.

3434

p-p-KanalKanal AzaltıcıAzaltıcı-T-Tipip MOSFET MOSFET

3535

Maximum RatingsMaximum Ratings

EleElektriksel Karakteristikleriktriksel Karakteristikleri

Veri SayfasıVeri Sayfası

3636

ÇoğaltıcıÇoğaltıcı-T-Tipip MOSFET MOSFET YapısıYapısı

• Akıtıcı draindrain (D) ve kaynak sourcesource (S) n-tipi katkılandırılmış bölgeler ile bağlantılıdır. Bu n-tipi katkılandırılmış bölgeler birbirleriyle bir n-tipi kanal ile bağlantılı değildir.

• Kapı Kapı gategate (G) p-tipi bir yüzey ile SiO2

’ten oluşan bir izolasyon katı vasıtasıyla bağlantılıdır.

• n-tipi katkılandırılmış yüzey p-tipi katkılandırılmış alt tabaka ile bağlantılıdır. p-tipi katkılandırılmış alt tabaka da substratesubstrate (SS) terminali ile bağlantılıdır.

3737

ÇoğaltıcıÇoğaltıcı-T-Tipip MOSFET MOSFET’in Temel İşlem Modu’in Temel İşlem Modu

• VGS her zaman pozitiftir.

• VGS arttıkça, ID artacaktır.

• VDS artarken VGS sabit tutulursa, ID doyuma gider (IDSS) , VDSsat noktasına doyuma ulaşır.

Çoğaltıcı-tip MOSFET sadece çoğaltıcı modda işlem yapar.

3838

ÇoğaltıcıÇoğaltıcı-T-Tipip MOSFET Transfer MOSFET Transfer EğrisiEğrisi

Verilen bir VGS için ID :

Burada: VT = MOSFET’in eşik voltajı

2' )( TGSnD VVkI

2TGS(ON)

D(ON)'

)V(VI

k

n VDSsat aşağıdaki gibi bulunabilir:

TGSDsat VVV

3939

k’n=

ox

ox

ox

n

c

t

lwcoxn

ox

oxox tc

elektron hareketliliğioksit kalınlığıoksit geçirgenliğioksit kapasitansı

p-Kanal Çoğaltıcı-Tip MOSFET

p-kanal çoğaltıcı-tip MOSFET, n-kanala benzerlikler gösterir. Akım yönleri ve kutuplamalar ters yöndedir.

4040

MOSFET SMOSFET Sembolleriembolleri

4141

EleElektriksel Karakteristiklerktriksel Karakteristikler

Veri SayfasıVeri Sayfası

4242

VMOS DevVMOS Devreleri (Güç MOSFET’leri)releri (Güç MOSFET’leri)

VMOS (dikey-vertical MOSFET) eleman yüzeyinin daha çok kullanılabildiği bir yapıyı sunmaktadır.

AAvantajlarıvantajları

• VMOS ısı yalıtımı için daha fazla bir yüzeyin kullanımı sayesinde daha yüksek bir akım akışı sağlar.

• VMOS ayrıca daha hızlı anahtarlama özelliklerine sahiptir.

4343

AAvantajlarıvantajları

• Daha yüksek giriş empedansı• Daha hızlı anahtarlama• Düşük güç tüketimi

CMOS DevCMOS Devrelerireleri

CMOS (tümleşik-complementary MOSFET) hem p-kanal hem de n-kanal MOSFET’leri aynı alt tabaka üstünde bir arada kullanmaktadır.

4444

ÖzetÖzet Tabl Tablosuosu

4545