Bölüm 7 FET Karakteristikleri Deneyleri

17 Pages·2010·1.17 MB·Turkish

Bölüm 7 FET Karakteristikleri Deneyleri

7.1 DENEYİN AMACI

(1) JFET’in temel karakteristiklerini anlamak.
(2) MOSFET’in temel karakteristiklerini anlamak.

7.2 GENEL BİLGİLER

7.2.1 Yeni Terimler:

(1) JFET : Jonksiyon Alan-Etkili Transistör (Junction Field-Effect Transistor).
(2) MOSFET : Metal-Oksit Yarıiletken FET
(3) G : Kapı ; D : Akaç ; S : Kaynak
(4) V , V (kesim) : G-S için kısma gerilimi yada tıkama gerilimi
P GS
(5) I : D-S için doyum akımı
DSS

7.2.2 Yeni Formül:

(1) I = I (1 – V / V )2
D DSS GS P

7.2.3 Temel Prensip:

Transistör bir tür akım-kontrollü elemandır ve akımı oluşturan elektron ve
deliklerin hareketidir.
Bu nedenle transistör, iki-kutuplu jonksiyon transistörü olarak ifade edilir.
FET, tek-kutuplu bir elemandır ve n-kanallı FET’in akımı elektron akışı ile,
p-kanallı FET’in akımı ise delik hareketi ile oluşturulur. FET, gerilim-
kontrollü bir elemandır.
FET, genel transistörün tüm fonksiyonlarını gerçekleştirebilir, fakat öngerilim
koşulları ve karakteristikleri farklıdır. Uygulama alanları belirlenirken,
birbirlerine göre avantaj ve dezavantajları göz önüne alınmalıdır.
FET’in karakteristikleri aşağıda belirtilmiştir:
 FET çok yüksek giriş empedansına sahiptir, tipik olarak yaklaşık 100MΩ.
 FET anahtar olarak kullanıldığında, ofset gerilimine sahip değildir.
 BJT radyasyona çok duyarlıyken (β değeri değişebilir), FET nispeten
daha az duyarlıdır.
 FET’in dahili gürültüsü, BJT’ye göre daha düşüktür ve böylece FET,
düşük-seviyeli yükselteçlerin giriş katı için daha uygundur.
7-2
 Çalışma esnasında, FET’in ısıl kararlılığı BJT’ye göre daha yüksektir.
Bununla birlikte, FET’in bazı dezavantajları vardır: BJT’ye kıyasla,
kazancı ve bant genişliği daha düşüktür; statik elektrikten daha kolay
zarar görür.

(1) FET Çeşitleri
1) JFET
2) MOSFET
MOSFET’ler de iki gruba ayrılır: 1) kanal-ayarlamalı MOFET
2) kanal-oluşturmalı MOSFET

(2) JFET’in yapısı ve karakteristikleri
JFET’in iç yapısı Şekil 7.1’de gösterilmiştir. n-kanallı JFET, kalın bir n-tipi
malzeme içerisine bir çift p-tipi bölgenin yerleştirilmesiyle elde edilir.
Buna karşılık p-kanallı JFET, kalın bir p-tipi malzeme içerisine bir çift n-
tipi bölgenin yerleştirilmesiyle elde edilir. Burada JFET’in çalışması
anlatılırken, Şekil 7.2’de gösterilen öngerilim düzenlemesine sahip n-
kanallı JFET ele alınacaktır. V besleme gerilimi, akaç-kaynak arasında
DD
bir V gerilimi oluşturarak, akaçtan kaynağa bir I akımının akmasını
DS D
sağlar (n-kanallı JFET’te elektronlar gerçekte kaynaktan akaca doğru
hareket eder, ki ikinci bahsedilen uç bu yüzden akaç olarak adlandırılır.
Geleneksel akım yönü ise, elektron akış yönünün tersinedir). Bu
durumda akaç akımı, p-tipi kapılarla çevrili kanal içerisinden akar. Şekil
7.2’de gösterildiği gibi kapı ile kaynak arasında V gerilim kaynağı
GG
tarafından bir gerilim üretilir. Kapı ile kaynak arasındaki gerilim, kapı-
kaynak jonksiyonunu ters yönde öngerilimlediği için kapı akımı akmaz.
Kanalın iki yanından uygulanan kapı gerilimi tarafından oluşturulan
boşaltılmış bölge, kanalın genişliğini azaltarak akaç-kaynak direncini
arttırır ve böylece akaç akımının azalmasına neden olur.

Şekil 7.1 JFET’in İç Yapısı

7-3
Şekil 7.2 JFET'in Temel Çalışması

V = 0V iken FET’in çalışma durumu Şekil 7.3(a)’da gösterilmiştir. N-
GS
kanalı boyunca akım aktığı durumda V tarafından üretilen gerilim
DD
düşümü, kapı-akaç jonksiyonuna yakın tarafının potansiyeli, kapı-kaynak
jonksiyonuna göre daha yüksek olan küçük bir direnç olarak
düşünülebilir. P-N jonksiyonuna uygulanan ters öngerilim, Şekil 7.3(a)’da
gösterildiği gibi, bir boşaltılmış bölge oluşturur. V gerilimi
DD
arttırıldığında, I akımı da artarak daha büyük bir boşaltılmış bölgeye yol
D
açar ve akaç ile kaynak arasındaki direnç artmış olur. V gerilimi sürekli
DD
olarak arttırılırsa, Şekil 7.3(b)’de gösterildiği gibi, boşaltılmış bölge
kanalın tamamını kaplar. Bu durumda V ’nin daha da arttırılması, I
DD D
akımını arttırmaz (I = V/R, V , R , I sabit kalır). V = 0 iken V ile
GS DS
I arasındaki ilişki Şekil 7.3(c)’de gösterilmiştir. Bu şekilden I akımının,
DS D
sabit bir değere ulaşıncaya kadar, V gerilimiyle birlikte arttığı
DS
görülmektedir. Bu sabit değer I olarak adlandırılır (Burada DS harfleri
DSS
akımın akaçtan kaynağa doğru aktığını ifade ederken, son S harfi ise
akaç-kapı’nın kısa devre (V = 0) durumunda olduğunu belirtir).
GS

Ters öngerilimde
Boşaltılmış bölge kanalı kapladığı
boşaltılmış bölge
zaman, kanal kısılmış olur
Kanal boyunca
akan akım
(a) (b)

7-4
n-kanalı boyunca akan
sabit akım
n-kanalı kısıllıyor
n-kanalı direncinin neden olduğu eğim

(c)

Şekil 7.3 Kanal Tarafından Oluşturulan Kısma Etkisi

(3) JFET’in Devre Sembolleri ve Karakteristik Eğrisi
1) Devre sembolleri D : Akaç G : Kapı S : Kaynak

n-kanallı p-kanallı

2) Akaç-kaynak karakteristik eğrisi

n-kanallı
p-kanallı

Şekil 7.4 JFET’in Akaç-Kaynak Karakteristik Eğrisi

7-5
V ’nin arttırılmasıyla (n-kanallıda daha negatif yapılır) kanalda oluşan
GS
boşaltılmış bölge, kanalı kısmak için gerekli akımın azalmasına sebep
olur. V = -1V’a karşılık gelen eğri Şekil 7.4(a)’da gösterilmiştir. Bu
GS
sonuca göre, kapı geriliminin, akaç akımını azaltabilen bir kontrolör
olarak iş gördüğü söylenebilir (belirli bir V geriliminde). Şekil 7.4(b)’de
DS
gösterildiği gibi, p-kanallı JFET için V daha pozitifken, akaç akımı
GS
I ’den daha küçük olur. V sürekli olarak arttırılırsa, akaç akımı buna
DSS GS
bağlı olarak azalacaktır. V belirli bir değere ulaştığında akaç akımı
GS
sıfıra düşer ve V değerinden bağımsız hale gelir. Bu andaki kapı-
DS
kaynak gerilimi kısma gerilimi olarak adlandırılır ve V veya V ile
P GS(kesim)
gösterilir. Şekil 7.4'ten V ’nin, n-kanallı FET için negatif, p-kanallı FET
P
için pozitif bir gerilim olduğu görülmektedir.

3) Transfer karakteristik eğrisi

kısılma sonrası
kısılma öncesi VDS sabit
çığ gerilimi
doyum bölgesi
çığ bölgesi
denkleminin
eğrisi

Şekil 7.5 JFET için Akaç-Kaynak Karakteristiği ve Transfer Eğrisi

JFET için diğer bir karakteristik eğri de, transfer karakteristik eğrisidir. Bu
eğri, sabit V akaç-kaynak gerilimi için, I akaç akımının V kapı-
DS D GS
kaynak gerilimine göre değişimini gösterir. Transfer karakteristik
eğrisindeki en önemli noktalar I ve V noktalarıdır. Bu iki nokta
DSS P
koordinat eksenlerine yerleştirildiğinde, diğer noktalar, bu transfer
karakteristik eğrisine bakılarak yada Denklem 7.1 kullanılarak bulunabilir:

7-6
(cid:1835) (cid:3404) (cid:1835) (cid:4666)1(cid:3398)(cid:3023)(cid:3256)(cid:3268)(cid:4667)(cid:2870) 7.1
(cid:3005) (cid:3005)(cid:3020)(cid:3020)
(cid:3023)(cid:3265)
Denklem 7.1’den
V = 0 iken, I = I
GS D DSS
I = 0 iken, V = V
D GS P
JFET’in ögerilimi, transfer eğrisinde V ve I ’nin ortasında olacak
P DSS
şekilde tasarlanır.
I ve V ölçüm devrelerinde,
DSS P
Şekil 7.6(a)’da V = 0;
GS
Şekil 7.6 (b)’de V yüksek negatif bir gerilim.
GS

(a) I Ölçüm Devresi (b) V veya V Ölçüm Devresi
DSS P GS(kesim)
Şekil 7.6

(4) MOSFET’in yapısı, karakteristikleri ve devre sembolleri
MOSFET’ler kanal ayarlamalı MOSFET ve kanal oluşturmalı MOSFET
olmak üzere ikiye ayrılır. Bu iki tür MOSFET’in yapıları sırasıyla Şekil
7.7(a) ve (b)'de gösterilmiştir. Kanal ayarlamalı MOSFET’te kanal zaten
mevcut olduğu için, V gerilimi uygulanır uygulanmaz I akımı akmaya
DS DS
başlar. Kanal oluşturmalı MOSFET’te ise başlangıçta kanal mevcut
olmadığından, önce kanalı oluşturmak üzere pozitif (p-kanallı için) yada
negatif iyonları (n-kanallı için) endüklemek için kapıya gerilim
uygulanmalı ondan sonra da I akımını oluşturmak için V gerilimi
DS DS
uygulanmalıdır.

izolasyon
Katkılanan için yalıtkan
p-tipi n-tipi malzeme malzeme p-tipi
alt katman
alt katman
n-tipi kanal
endüklenen-tipi kanal
(a) Kanal-ayarlamalı (b) Kanal-oluşturmalı
Şekil 7.7 MOSFET’in Yapısı

7-7
1) Kanal-ayarlamalı MOSFET’in karakteristikleri
Kanal ayarlamalı MOSFET’te boşaltımış bölgenin nasıl oluştuğu, Şekil
7.8’de gösterilmiştir.

Şekil 7.8

G’ye negatif gerilim uygulandığında, n-tipi kanaldaki negatif yükler,
endüklenmiş pozitif yüklerle birleşerek boşaltılmış bölgenin
genişlemesine sebep olur. Aksine pozitif V geriliminin
GS
uygulanmasıyla daha fazla negatif yük endüklenir ve kanalın
iletkenliği artar. Bu da akımın artmasına sebep olur.
Şekil 7.9’da gösterilen n-kanallı kanal ayarlamalı MOSFET’in
karakteristik eğrisinden, bu FET’in hem negatif hem de pozitif V
GS
gerilimlerinde çalışabileceği görülmektedir. Negatif V gerilimi, kısma
GS
meydana gelip I akımı akmayana kadar akaç akımını azaltır. Kapı
D
kanaldan izole edilir ve V ’nin pozitif veya negatif olmasına
GS
bakmaksızın I akımı sıfırdır.
GS

2) Kanal-ayarlamalı MOFET’in devre sembolü
Şekil 7.9(b), kanal ayarlamalı MOSFET’in devre sembolünü
göstermektedir. Bu sembol, G, D ve S uçlarına ilave olarak, altkatman
(substrate) olarak ifade edilen ve eleman tipini tanımlayan başka bir
uca daha sahiptir. Altkatman sembolü bir ok içermektedir ve burada
okun yönü, MOSFET’in n-kanallı olduğunu belirtmektedir. P-kanallı
kanal ayarlamalı MOSFET’in sembolü, yapısı ve karakteristik eğrisi
Şekil 7.10 (a) (b)’de gösterilmiştir.

7-8
transfer eğrisi
alt katman

(a) (b)

akaç karakteristik eğrisi

(c) N-kanallı Kanal-ayarlamalı MOSFET’in Karakteristik Eğrisi

Şekil 7.9

n-tipi alt katman

(a) Elemanın Yapısı

7-9
alt katman

(b) Elemanın Karakteristik Eğri

Şekil 7.10 P-kanallı Kanal-ayarlamalı MOSFET

3) Kanal-oluşturmalı MOSFET’in karakteristikleri
Şekil 7.11’de, temel eleman yapısı olarak D ile S arasında bir kanala
sahip olmayan, n-kanallı kanal oluşturmalı MOSFET’in yapısı
gösterilmiştir. D ile S arasına +V uygulandığında, endüklenen
GS
negatif yükler bir kanal oluşturur. Şekil 7.11(c)’de karakteristik eğri
gösterilmiştir. Bu şekilden, V gerilimi V eşik gerilimini aşmadığı
GS T
sürece I akımı üretilmeyeceği görülmektedir. V , eşik gerilimini
D GS
aşarsa I akımı artmaya başlar. Transfer karakteristik eğrisi Denklem
D
7.2 kullanılarak çizilebilir.
(cid:1835) (cid:3404) (cid:1837)(cid:4666)(cid:1848) (cid:3398)(cid:1846)(cid:4667)(cid:2870) 7.2
(cid:3005) (cid:3008)(cid:3020)

K değeri genellikle 0.3mA/V2 olarak alınır. V =0 iken akaç akımı
GS
akmadığı için formülde I kullanılmamıştır. Kanal oluşturmalı
DSS
MOSFET, çalışma aralığı bakımından, kanal ayarlamalı MOSFET’e
göre daha kısıtlı olmasına karşın, daha basit yapısı ve daha küçük
boyutlarda üretilebilmesi dolayısıyla büyük ölçekli tümdevrelerde
yaygın olarak kullanılır.
P-kanallı kanal oluşturmalı MOSFET’in yapısı ve karakteristik eğrileri
Şekil 7.12’de gösterilmiştir.

kapıya V gerilimini aşan boşaltılmış bölge
T
pozitif gerilim uygulandığında,
n-kanalı oluşturulur
(a) Kanal-oluşturmalı MOSFET’te n-kanalının oluşturulması

7-10
alt katman

(b) (c)

Şekil 7.11 N-kanallı Kanal Oluşturmalı MOSFET’in Karakteristik Eğrisi

n-tipi

(a) Eleman Yapısı

(b) Karakteristik Eğri

Şekil 7.12 P-kanallı Kanal Oluşturmalı MOSFET

4) Kanal oluşturmalı MOSFET’in devre sembolleri
D ile S arasındaki kesik çizgiler, başlangıçta D ile S arasında kanal
olmadığını belirtir.

N-kanallı P-kanallı

7-11