Transcript Alan Etkili Transistörler (FET)
Alan Etkili Transistörler (Field-Effect Transistors) (FET)
1
FET
Alan Etkili Transistörler (FET) (Field-Effect Transistors), BJT’ler ile birçok noktada benzerlikler gösterirken, bazı noktalarda ise farklılıklar sergilemektedir.
Benzerlikleri: • Kuvvetlendirme • Anahtarlama • Empedans uygunlaştırma Farklılıkları: • 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.
2
FET Tipleri
•
JFET –– Junction Field-Effect Transistor
•
MOSFET –– Metal-Oxide Field-Effect Transistor
D-MOSFET
E-MOSFET –– –– Depletion MOSFET (Azaltıcı Tip) Enhancement MOSFET (Çoğaltıcı Tip) 3
JFET’in Yapısı JFET’ler kendi içerisinde ikiye ayrılırlar.
•
n
-kanal
•
p
-kanal n-kanal en çok tercih edilen JFET tipidir. JFET’lerin 3 adet terminalleri mevcuttur.
•
Akıtıcı - Drain (D) ve bağlanırken,
•
Kapı - Gate Kaynak - Source (S) n-kanalına (G) ise p-tipi malzemeye bağlanır.
4
Bir JFET’in Temel Çalışma Prensibi
JFET’in çalışma prensibi bir musluğa benzetilebilir.
Kaynak – Source:
Basınçlı su, akıtıcı-kaynak voltajının negatif kutbundaki elektron birikmesini temsil etmektedir.
Akıtıcı – Drain
: Uygulanan voltajın pozitif kutbundaki elektron (yada delik) azlığını temsil eder.
Kapı – Gate:
Suyun akışını kontrol eden bir vana gibi kapı terminali n kanalının genişliğini kontrol eder. Böylece akıtıcıya geçecek olan yük kontrolü yapılmış olur.
5
JFET’in Çalışma Karakteristikleri Bir JFET’in çalışma şartlarının belirlenmesinde üç temel durum söz konusudur.
• • •
V GS V GS = 0, V < 0, V DS DS 0’dan pozitif değerlere doğru yükseltilirken pozitif değerde Voltaj kontrollü direnç.
6
V GS = 0, V DS JFET ’in Çalışma Karakteristikleri 0’dan pozitif değerlere doğru yükseltilirken V GS = 0 ve V DS 0’dan pozitif değerlere doğru yükseltilirken üç durum söz konusudur.
•
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 (I Çünkü V DS artmaktadır.
D ) akımda da bir artışa neden olur. 7
V GS = 0, V DS JFET ’in Çalışma Karakteristikleri 0’dan pozitif değerlere doğru yükseltilirken Kısılma - Pinch Off Eğer V GS = 0 iken V kadar genişler.
DS hala daha pozitif bir değere artırılmaya devam ederse, fakirleşmiş bölge n-tipi kanalı kapatacak Bunun sonucunda n-tipi kanaldaki I D akışı kesilir.
8
V GS = 0, V DS JFET ’in Çalışma Karakteristikleri 0’dan pozitif değerlere doğru yükseltilirken (Doyum-Saturasyon) Kısılma – pinch-off noktasında:
•
V GS deki herhangi bir artış I D ‘nin değerinde bir değişikliğe neden olmaz. Kısılma noktasındaki V GS V p olarak adlandırılır.
•
I D doyumda yada maksimum değerindedir ve I DSS olarak isimlendirilir.
•
Kanalın omik direnci maksimum düzeydedir.
9
JFET ’in Çalışma Karakteristikleri
V
GS
< 0, V
DS
pozitif bir değerde
V GS ‘in daha negatif bir değere inmesi fakirleşmiş bölgede bir artışa neden olacaktır.
Boylestad and Nashelsky
Electronic Devices and Circuit Theory
10
Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc.
Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved.
V
JFET ’in Çalışma Karakteristikleri GS
< 0, V
DS
pozitif bir değerde: I
D
< I
DSS
•
V GS negatif oldukça: JFET daha düşük bir değerde kısılmaya (Vp).
• •
V DS arttıkça I D azalacaktır.
I D 0A olduğundaki V GS değeri V p yada V GS(off) olur.
11
JFET ’in Çalışma Karakteristikleri
Voltaj-Kontrollü Direnç
Kısılma noktasının solunda kalan bölge omik bölge –triyod bölge olarak adlandırılır.
Bu bölümde JFET değişken bir direnç gibi kullanılabilir. Burada V GS akıtıcı-kaynak direnci (r d )’yi kontrol eder. V GS daha negatif oldukça (r d )’nin değeri artar.
r d
r o
1
V GS V P
2 12
p-kanal JFET
p
-kanal JFET de aynen
n
-kanal JFET gibi davranır sadece kutuplama ve akım yönleri terstir.
13
p-kanal JFET Karakteristikleri V GS pozitif olarak arttıkça;
• • •
Fakirleşmiş bölge büyür, I D azalır (I D < I DSS ) Kısılma anında I D = 0A V D S daha yüksek değerlere ulaştığında V kırıma uğrar ve I D DS > V DSmax değerine ulaştığında JFET kontrolsüz olarak artışına devam eder.
14
JFET’in Elektriksel Sembolü 15
JFET
Transfer Karakteristikleri
JFET’in giriş-çıkış ilişkisini veren transfer karakteristikleri BJT’de olduğu gibi düzgün değildir.
Bir BJT’de,
I B (input) ile I C (output) arasındaki ilişkiyi tanımlar.
JFET’te ise, giriş V GS daha komplekstir: (input) ile çıkış I D (output) arasındaki ilişki biraz I D
I DSS 1
V GS V P 2 16
JFET’lerde transfer eğrisi I D – V GS göre belirlenir.
JFET Transfer Eğrisi
17
FET’li Kuvvetlendiricilerin Kutuplanması
Bir FET’li kuvvetlendiricinin kutuplanması için temel olarak üç yol vardır: •Gerilim bölücü, •Kaynak kutuplama •Kendiliğinden kutuplama (self bias)
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 çıkarılması ve birbirinden yoluyla da belirlenebilir.
Vin C1 R1 R2 RS RL C2 VDD CS Vo
Kaynak kutuplamalı FET’li kuvvetlendirici:
•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.
Vin C1 RG RL RS C2 Vo VDD VSS CS
Kendiliğinden kutuplamalı FET’li kuvvetlendirici:
•Burada kutuplama, Rs direnci üzerindeki gerilim düşümüyle sağlanmaktadır.
•Rs üzerindeki gerilim düşümü kaynak kapı jonksiyonunu ters yönde kutuplamaktadır.
•Akıtıcı (drain) akımı akmazsa Vin kutuplama sağlanamayacak, akım akışı artarsa kutuplama da sağlanmış olacaktır.
•Bu etki aynı zamanda kazancın düşmesine de yol açmaktadır.
12V RD 3.3K
Vo C1 1 F RG 1M RS 1K C2 25 F
FET’lerin Çalışma noktalarının bulunması
Örnek: Şekildeki JFET devresi için Q çalışma noktasını ve buradaki I DQ , V GSQ ve V DSQ değerlerini bulunuz.
JFET Veri Sayfaları
Elektriksel Karakteristikler 28
JFET Kılıf Gösterimi ve Terminal Tanımlamaları
29
MOSFET MOSFET’ler, JFET’lere benzer özellikler içerirler. Ayrıca başka faydalı özellikleri de mevcuttur.
İki tip MOSFETmevcuttur:
• •
Azaltıcı-Tip (Kanal ayarlamalı)(Depletion-Type) Çoğaltıcı-Tip (Kanal oluşturmalı)(Enhancement-Type) 30
Azaltıcı (Depletion) -Type MOSFET Yapısı Akıtıcı drain (D) ve kaynak source
n
-tipi katkılandırılmış malzemeye bağlanmıştır. Bu
n
-tipi bölgeler (S) birbirleriyle bir
n
-tipi kanal vasıtasıyla ilişkilendirilmiştir. Bu
n
-tipi kanal ince bir izolatör katman olan SiO 2 vasıtasıyla kapı 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 substrate (SS) mevcuttur.
31
Temel MOSFET Çalışma Bölgeleri Bir azaltıcı-tip MOSFET iki modda işlem yapar:
• •
Azaltıcı mod Çoğaltıcı mod 32
Azaltıcı-Tip MOSFET Azaltıcı Mod Çalışması Azaltıcı Mod Karakteristikleri JFET ile benzerlikler gösterir.
• •
V GS = 0V olduğunda I D V GS < 0V olduğunda I D = I DSS < I DSS I D
I DSS
1
V GS V P
2 33
Azaltıcı-Tip MOSFET Çoğaltıcı Mod Çalışması Çoğaltıcı Mod
• • •
V GS I D , I > 0V DSS ‘nin üstü değerlere ulaşır. Transfer eğrisi: I D
I DSS
1
V GS V P
2 V GS bu çalışma modunda pozitif değere sahiptir.
34
p-Kanal Azaltıcı-Tip MOSFET 35
Veri Sayfası Elektriksel Karakteristikleri Maximum Ratings 36
Çoğaltıcı-Tip MOSFET Yapısı
•
Akıtıcı drain (D) ve kaynak source (S)
n
-tipi katkılandırılmış bölgeler ile bağlantılıdır. Bu
n
-tipi katkılandırılmış bölgeler birbirleriyle bir
n-tipi
kanal ile bağlantılı değildir.
•
Kapı gate (G)
p
-tipi bir yüzey ile SiO 2 ’ten oluşan bir izolasyon katı vasıtasıyla bağlantılıdır.
•
n
-tipi katkılandırılmış yüzey
p
-tipi katkılandırılmış alt tabaka ile bağlantılıdır.
p
-tipi katkılandırılmış alt tabaka da substrate bağlantılıdır.
(SS) terminali ile 37
Çoğaltıcı-Tip MOSFET’in Temel İşlem Modu Çoğaltıcı-tip MOSFET sadece çoğaltıcı modda işlem yapar.
• •
V GS her zaman pozitiftir.
V GS arttıkça, I D artacaktır.
•
V DS artarken V GS tutulursa, I D sabit doyuma gider (I ulaşır.
DSS ) , V DSsat noktasına doyuma 38
Çoğaltıcı-Tip MOSFET Transfer Eğrisi Verilen bir V GS için I D :
I D
k n
' (
V GS
V T
) 2
Burada: V T = MOSFET’in eşik voltajı
k’ n =
c ox
n
c ox ox t ox w l
n c ox
elektron harketlili t ox
ox
oksitkalık
Oksit lıığ geçirgenli ği
Oksit kapasi
tan
sı ği
k '
n
(V I D(ON) GS(ON) V T ) 2
V DSsat aşağıdaki gibi bulunabilir: V Dsat
V GS
V T 39
p
-Kanal Çoğaltıcı-Tip MOSFET
p
-kanal çoğaltıcı-tip MOSFET,
n
-kanala benzerlikler gösterir. Akım yönleri ve kutuplamalar ters yöndedir.
40
MOSFET Sembolleri 41
Veri Sayfası Elektriksel Karakteristikler 42
VMOS Devreleri (Güç MOSFET’leri) VMOS (dikey-vertical MOSFET) eleman yüzeyinin daha çok kullanılabildiği bir yapıyı sunmaktadır.
Avantajları
•
VMOS ısı yalıtımı için daha fazla bir yüzeyin kullanımı sayesinde daha yüksek bir akım akışı sağlar.
•
VMOS ayrıca daha hızlı anahtarlama özelliklerine sahiptir.
43
CMOS Devreleri CMOS (tümleşik complementary MOSFET) hem p-kanal hem de n-kanal MOSFET’leri aynı alt tabaka üstünde bir arada kullanmaktadır.
Avantajları
• • •
Daha yüksek giriş empedansı Daha hızlı anahtarlama Düşük güç tüketimi 44
Özet Tablosu 45