BÖLÜM 1: JFET ve MOSFET`ler (Alan Etkili transistorler)
advertisement
BÖLÜM 1: JFET ve MOSFET’ler (Alan Etkili transistorler) 1- Transistör (BJT, Bipolar Junction Transistor) hakkında temel bilgi Transistor B (beyz) ucuna uygulanan akıma göre C (kolektör)-E (emiter) uçlan arasından geçen akımı kontrol eder. Başka bir deyişle transistor çalışabilmek için belli bir IB akımına gerek duyar. İşte bu nedenle transistörlere akım kontrollü aktif devre elemanı denir. Sekil l 'de NPN ve PNP tip: transistor sembolleri verilmiştir. Sekii 1: NPN ve PNP transistor sembolleri 2.JFET (FET) ler G (gale, geyt, kapı) ucuna uygulanan ters polariteli gerilimin değerine göre D (drain, dreyn, oluk)~S (source, sars, kaynak) uçları arasından geçen akımı kontrol edebilen elemanlara ise JFET (Jımction Field Effect Transistor, birleşim yüzeyli alan etkili transistor) denir. 3- JFET’lerin özellikleri TV, video, kamera, bilgisayar, kesintisiz güç kaynağı, anten yükselteci, verici, alıcı vb. gibi hassas yapılı elektronik devrelerde yaygın olarak kullanılan JFET'lerin bazı özellikleri şunlardır: Giriş empedansları 100 MH dolayında olup çok yüksektir. Transistorun (BJT) giriş empedansı ise çok düşük olup 2 Ώ dolayındadır. Radyasyon (ışınım) etkisi yoktur. Anahtar olarak kullanıldıklarında kontrol edilmeleri kolaydır. Yani D-S uçlan arasından geçen akım gücük bîr VGG polarma (Ön gerilimleme) voltajıyla denetlenebilir. Transistorlardan daha az gürültülü (parazitsîz) çalışırlar. Sıcaklık değişmelerinden daha az etkilenirler. Gövde boyutları transistorlardan daha küçüktür. Giriş empedanslarının yüksek, elektrotla arası kapasitenin (sığanın) düşük olması nedeniyle yüksek frekanslı elektronik devrelerde yaygın olarak kullanılırlar. Bant genişlikleri (çalışabildikleri frekans aralığı) dardır. 4- Alan etkili transistor çeşitleri Alan etkili transistorlar iki gruba ayrılır: a. JFET (Junction Field Effect Transistor birleşim yüzeyli alan etkili transistor), b. MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, metal oksit yarı iletken alan etkili transistor) 5- JFET’lerin yapısı P ve N tipi iki yan iletkenin birleşmesinden oluşan JFET'lerin. D, S, G adlı üç ayağı vardır. Şekil 2'de N ve P kanallı JFET sembolleri verilmiştir. Şekil 3'te ise N kanallı JFET 'in yarı iletken iç yapısı verilmiştir. Şekil 3: JFET'lerin yarı iletken iç yapısı JFET'lerde D-S arasındaki kanal maddesi büyük, kapı (G) maddesi ise küçüktür. N kanallı JFET ile P kanallı JFET arasında bir fark yoktur. Sadece IP akımının yönü terstir. Bu bölümde, anlaşılması daha kolay olduğu için N kanallı JFETlerin çalışması açıklanacaktır. Şekil 4: N kanal JFET’in polarılması 6- JFET’lerin çalışma ilkesi Şekil 4’te görüldüğü gibi N kanallı JFET’in G ucu ters, D-S uçları ise doğru polarılmıştır. JFET'in D ucuna bağlanmış olan RD, yük direnci olarak görev yapmaktadır. G-S uçları arasına bağlanmış olan VGG kaynağı JFET'in G-S uçları arasındaki yarı iletkenleri ters polarır. Bilindiği gibi P-N ekleminden oluşan yarı iletken ters polarıldığında birleşim (junction, jonksiyon) bölgesinde, elektron ve oyuk bakımından fakirleşmiş bir bölge (alan) oluşur. Fakirleşmiş alanın genişliği şekil 5'te görüldüğü gibi G ucuna uygulanan ters polarma geriliminin değeri büyüdükçe artar. Şekil 5: JFET'in G-S uçları arasına ters olarak bağlanan VGG kaynağının gerilim değeri arttıkça fakirleşmiş bölge genişler. (JFET’in akım geçiren kanal daralır.) JFET'in G-S uçları ters polarıldığı için G ucundan hiç akını geçişi olmaz. İşte bu nedenle JFET'ler gerilim kontrollü eleman olarak tanımlanırlar. Transistörlerin B ucu akım çektiği için bu elemanlar akım kontrollüdür. Şekil 4'te verilen devrede ilk anda VGG geriliminin O (sıfır) volt olduğunu varsayalım: Bu durumda VDD kaynağı RD direnci ve D-S uçlan arasından belli bir akım geçirir. VGG kaynağının gerilimi O (sıfır) voltken geçen akım JFET'in D-S uçlarının ve RD'nin direnç değeri tarafından sınırlanır. Şekil 6: JFET'in G ucuna uygulanan gerilim O V'ken IP akımının ve VPS geriliminin değişiminin incelenebilmesi için kurulan deney bağlantı şeması Şekil 6'da verilen deney bağlantı şemasında G ucu şaseye bağlıyken (VGG = OV) VDD kaynağının gerilimi 0 (sıfır) volttan itibaren artırılacak olursa ID akımı da şekil 7'de görüldüğü gibi artmaya başlar. Akımın doğrusal (lineer) olarak artış gösterdiği A-B noktalan arasındaki bu kısma "omik bölge" denir. Şekil 7: JFETin G-S uçlan arasına uygulanan gerilim O V'ken D-S uçları arasına bağlanan VDD kaynağının gerilim değeri O'dan itibaren artın idamda ID akiminin karakteristik eğrisi JFET'e uygulanan VDD gerilimi doğrusal bir şekilde artırılmaya devam edilirse ID akımının şekil 7'de görüldüğü gibi doğrusal olarak artmadığı görülür. Şekil 6'da VDD gerilimi O V’tan 4 V'a doğru artırıldığında I akımın şekil 7'de görüldüğü gibi doğrusala yakın düzgünlükte arttığı görülür. VDD gerilimi 4 volttan itibaren artırılsa bile ID akımındaki artış durur. ID akımının artışının durduğu noktaya saturasyon (doyum, pinch-off} noktası denir. Doyum (pinchoff) noktası kritik gerilim değeri olarak da adlandırılır ve Vp ile gösterilir. FET'in G ucuna uygulanan ters polarma gerilimi VGG=0 voltken D-S uçları arasından geçen ID alarmı, VDD gerilimi artırılsa bile belli değerde sabitlesin Akımın sabit olduğu bu değere IDSS (D-S uçları arasından geçen doyum akımı) denir. FET'in D-S uçları arasından geçen akım, VDS uçlan arasındaki gerilim artırılmaya devam etmesine karşın pek fazla artmaz. Şekil 7'de verilen karakteristik eğride doyum (pinch-off) bölgesi olarak adlandırılan bölgede JFET'ten geçen IDSS akımı hemen hemen aynı değerde kalır. Sekil 6'da verilen deney bağlantı şemasında VDD kaynağının gerilim değeri artırılarak D-S uçları arasındaki VDS gerilimi yükseltilecek olursa ID akımı yüksek bir değere çıkar. ID akımının aşırı artması ise JFET'in bozulmasına yol açar. Şekil 7'deki karakteristik eğrisinde bozulma (breakdown, kırılma) noktası (C) olarak gösterilen bu değeri JFET'e uygulamamak gerekir. 7. JFET’lerin elektriksel karakteristikleri a. JFET’in çıkış (VDS - ID) Karakteristiği FET'in G ucu şekil 6'da görüldüğü gibi şaseye bağlıyken VDS kaynağının gerilim değeri belli bir noktaya ulaştığında D-S uçları arasından belli büyüklükte bir akım geçer. Buna IDSS akımı denir. G ucuna uygulanan VGS ters polarma gerilimi şekil 8'de görüldüğü gibi artırıldığında (örneğin-1 volt yapıldığında) ID akımı şekil 9'da görüldüğü gibi azalır. Şekil 8: JFET'in G ucuna uygulanan gerilim O volttan yüksekken ID akımının ve VDS geriliminin değişiminin incelenebilmesi için kurulan deney bağlantı şeması Şekil 9: JFET'in G- S uçlan arasına uygulanan gerilim 1 voltken D-S uçlar; arasına bağlanan VDD kaynağının gerilim değeri 0 V’tan itibaren artırıldığında ID akımının değeri IDSS değerinin altına iner. VGG kaynağıyla G ucuna uygulanan ters polarma gerilimi biraz daha artırıldığında (örneğin1,5 V yapıldığında) ID akımı şekil 9'da görüldüğü gibi daha da azalır. V GS = -2 V yapıldığında ise ID akımı 0 A değerine iner. Sonuç olarak VGG kaynağıyla G ucun; uygulanan ters gerilim -0,5, -l, -1,5, ..., -2 V şeklinde artırılmaya devam edilirse ID akımı 0 düzeyine doğru iner. ID akımının azalmasının nedeni kanal bölgesinin elektron ve oyuk yönünden fakirleşmiş bir hâle gelmesindendir. Kanal bölgesinin fakirleşmiş hâle gelmesini sağlayan etken ise bilindiği gibi G-S uçlar arasının ters polarılmış olmasıdır. b- JFET’in transfer (VGS - ID) Karakteristiği JFET'in transfer karakteristiği, sabit bir VDS gerilimi altında VGS geriliminin değişimine göre ID akımının değişimini gösterir. Başka bir deyişle VDS gerilimi sabitken G ucuna uygulanan ters polarma (VGG) gerilimi artırıldıkça ID akımı şekil l0'da görüldüğü gibi IDSS değerinden 0 mA değerine doğru iner. Şekil l0’da verilen transfer karakteristiği eğrisinde herhangi bir -VGS gerilimi değerinde ID akımının değeri, I D I DSS (1 VGS 2 ) VP ve ID=K.(VGS-VT)2 şeklindedir. denklemiyle bulunur. Şekil 10'da verilen karakteristik eğrisinden şu yargılara varmak mümkündür: I. VGS gerilimi 0 V'ken JFET'ten maksimum düzeyde bir akım geçişi olmaktadır. Bu akım IDSS (saturasyon, doyum) akımı olarak nitelenir. II. JFET'in G ucuna uygulanan ters polariteli VGS gerilimi VGG kaynağıyla 0 V'tan itibaren artırıldığında D-S uçları arasından geçen ID akımı IDSS değerinden daha küçük bir değere inmektedir, III. JFET'in G-S uçları arasına uygulanan ters polarma gerilimi belli bir düzeye (-VP değerine) ulaştığında D-S uçları arasından geçen ID akımı 0 (sıfır) seviyesine inmektedir. Transfer Karakteristiğiyle ilgili örnekler: Örnek: Bir JFET'in VP gerilimi -3 V, IDSS akımı 10 mA'dir, Buna göre, a. VGS gerilimi 0 voltken ID akımını, b. VGS gerilimi -l voltken ID akımını, c. VGS gerilimi -3 voltken ID akımını bulunuz. Çözüm: a. I D I DSS (1 VGS ) 2 =10 (1 0 ) 2 10mA VP 3 b. I D I DSS (1 VGS ) 2 =10 (1 -1 ) 2 4,43.mA VP 3 c. I D I DSS (1 VGS ) 2 =10 (1 -3 ) 2 0.mA VP 3 Örnek: Bir JFET'in Vp gerilimi -4 V, IDSS akımı 20 mA'dir, Buna göre, a. VGS gerilimi 0 voltken ID akımını, b. VGS gerilimi -2 voltken ID akımını, c. VGS gerilimi -4 voltken ID akımını bulunuz, Çözüm a. I D I DSS (1 VGS ) 2 = 20 (1 0 ) 2 20mA VP 4 b. I D I DSS (1 VGS ) 2 = 20 (1 -2 ) 2 15.mA VP 4 c. I D I DSS (1 VGS ) 2 = 20 (1 -4 ) 2 0.mA VP 4 8.JFET’lerin elektriksel parametreleri FET'e uygulanan gerilimlerin değiştirilmesiyle bu elemanın gösterdiği davranışa parametre (büyüklük) denir. Elektronik devre eleman üreten firmalar kataloglarda her JFET için parametre değerlerini bildirirler. Örnek olarak BF245 adlı JFET'in bazı özellikleri aşağıda verilmiştir. VDSmaks= ± 30 V VGSmaks= -30 V gm = 5.5.10-3(mho) IDSS =10 mA JFET'lerin özellikleri açıklanırken kullanılan bazı teknik parametrelerin (terimlerin) anlamları şöyledir: a. D-S doyma akımı (IDSS) G-S eklemi kısa devre edildiğinde (yani C ucuna O volt uygulandığında) D-S uçları arasından geçen maksimum akımdır. b. G-S kapama gerilimi (kritik gerilim , V.) D-S kanalının tamamen kapandığı (hiç akın geçirmediği) gerilim değeridir. Bu değer VGS-off (VGS-kesim) ile de gösterilir. c.G-S kırılma gerilimi (VGSmaks) Bu parametre belirli bir akımda D-S kısa devreyken ölçülür. Uygulamada bu değerin üzerine çıkılması hâlinde JFET bozulur. ç. D-S kırılma gerimi (VDSmaks) JFET'in D-S uçları arasına uygulanabilecek maksimum gerilim değerini bildirir. Bu değerin üzerinde bir gerilim JFET'i bozar. d. Geçiş iletkenliği (gm) JFETler sabit akım elemanı olduğundan D ucundaki gerilimin değişimi ID akımında pek bir değişikliğe yol açmaz. ID akımı genellikle G ucuna uygulanan gerilimle kontrol edilir. Bu nedenle JFET'lerin en önemli parametrelerinden biri ID akımındaki değişime göre G voltajının değişimidir. Bu parametre geçirgenlik transkondüktans, transconductance) olarak tanımlanır. Aşağıda BF245 adlı JFET'in geçiş iletkenliği eğrisi verilmiştir. Geçirgenlik, VDS gerilimi sabitken ID akım değişiminin G-S arası gerilim değişimine oranıdır. gm I D VGS (VDS=Sabit) Geçirgenlik, direncin tersi olduğu için birimi (mho, mo) yada Siemens (S) ile ifade edilir. gm 2.I DSS VP VGS 1 VP 2.I DSS ve.g m Vr ID I DSS denklemleri kullanılarak JFET'in geçirgenlik değeri hesaplanır. Örnek: Bir JFETin VGS gerilimi O V'tan-0,6 V'2 kadar değiştiğinde ID akımı l mA'den 0,2 mA'e doğru bir azalma (değişim) göstermektedir, JFET'in geçirgenliğini (transkondüktansını) bulunuz. Çözüm gm I p VGS (1.10 3 0,2.10 3 ) 0,8.10 3 0,33.10 3 (0,6 0) 0,6 1,33m(mi lim o) Örnek: Bir JFET'in IDSS akımı 10 mA, VP gerilimi -6 V, VGS gerilimi - 1 V olduğuna göre JFET'in iletkenliğini (transkondüktansını) bulunuz. Çözüm: gm 2.I DSS VP VGS 1 VP 2.10.10 3 1 3 1 3,33.10 .0,834 6 6 2,78.10 3 2,78m e. D-S iletim direnci (rds) Bu büyüklük, belirli bir G-S gerilimi ve IP akımında ölçülen gerilim D-S iletim direnci. JFET'in anahtar olarak kullanılmasında önen taşır. Bu değer on ile bir kaç yüz arasında değişir. B.MOSFET’lerin yapısı ve karakteristiği 1.Giriş JFET'lere göre daha üstün özelliklere sahip olan MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor, metal oksit tabakalı alan etkili transistör)'İerde G ucu gövdeden tamamen yalıtılmıştır. O nedenle MOSFET'lerin giriş empedansı (Zgrş ) çok yüksek olup l014 Ώ dolayındadır. Bant genişliği ve çalışma frekansı JFET'lere oranla daha yüksek olan MOSFET'ler entegre yapımında ve hassas elektronik devrelerin üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Hassas yapılı olan MOSFET'lerin G ucundaki ince silisyum (silikon) oksit tabakası insan bedenindeki statik elektrik yüküyle bile delinebilir. Ü nedenle bu elemanlara el ile dokunmadan bedendeki durgun (statik) elektrik yükünün boşaltılması gerekir. Ayrıca MOSFET'lerin lehimlenmesinde düşük güçlü (fazla ısınmayan) ve topraklı havyalar kullanılmalıdır. Şekil 11 'de azaltan kanallı, şekil 12'de ise çoğaltan kanallı MOSFET sembolleri verilmiştir. Şekil 12; Çoğaltan kanallı MOSFET sembolleri 2. MOSFET ÇEŞİTLERİ Uygulamada kullanılan MOSFET çeşitleri şunlardır: a. Azaltan kanallı (depletion tipi, D-MOSFET) MOSFET, b.Çoğaltan kanallı (enhancement tipi,endüksiyon tipi, E-MOSFET) MOSFET 3. MOSFET’lerin yapısı a. Azaltan kanallı ? MOSFET'ler Şekil 13'te yapısı verilen azaltan kanallı MOSFET'te G ucu N tipi kanal maddesinden silisyum oksit ve silisyum nitrat tabakalarıyla ayrılmıştır. substrate (SS, bulk, alt katman) Şekil 13: Azaltan kanallı MOSFET'in yapısı Azaltan kanallı MOSFET'in G ucuna uygulanan gerilim 0 voltken, D-S uçlarına bir gerilim uygulandığında N tipi kanaldan belli değerde bir akım (IDSS) geçişi olur. G ucuna uygulanan ters polarma geriliminin değeri artırıldıkça D-S kanalından geçen akım (Ip) azalır. b.Çoğaltan kanallı MOSFET'ler Şekil 14'te yapısı verilen çoğaltan kanallı MOSFET'te D-S uçları arasında kanal maddesi yoktur. G ucuna herhangi bir gerilim uygulanmadığında D-S uçları arasından bir alam geçişi olmaz. G ucunun bağlı olduğu metal parça ile P tipi gövde (substrate) bir kondansatör özelliği gösterir. Bilindiği gibi iki iletken ve bir yalıtkan "kondansatörü" oluşturur. substrate (SS, bulk, ait katman) Şekil 14: Çoğaltan kanallı: MOSFET'in yapısı Çoğaltan kanallı MOSFETin G ucuna (+) polariteli gerilim uygulandığında kapasite Özelliğinden dolayı P tipi gövdeye bağlı iki N maddesinin arasında şekil 15'te görüldüğü gibi (-) yükler toplanır. D-S uçları arasındaki bölgede toplanan (-) yükler P tipi maddenin içinde az sayıda bulunan azınlık taşıyıcılardır. substrate (SS, bulk, alt katman) Şekil 15: Çoğaltan kanallı MOSFET'te D-S uçları arasında (-} yüklerin toplanışı D-S uçları arasında biriken (-) yükler doğal (tabî) bir kanal oluşumunu sağlar. Bu sayede D-S uçlan arasından akım geçişi başlar. G ucuna uygulanan (+) polariteli gerilimin değeri artırıldıkça D-S uçlan arasında biriken (-) yükler çoğalır ve geçen akım da artar. Çoğaltan kanallı MOSFET'in G ucuna gerilim uygulanmadığı zaman. D-S arasından alanı geçişi olmaz 4.MOSFET karakteristikleri a.N tipi, azaltan kanallı MOSFET’lerin karakteristikleri Şekil 16'da N tipi, azaltan kanallı MOSFET'in deney bağlantı şeması verilmiştir. Bu devre kullanılarak şekil 17'de verilen ID-VDS statik karakteristik eğrisi ve şekil 18'de verilen transfer karakteristik eğrisi elde edilebilir. Şekil 16: N tipi, azaltan kanallı MOSFETin devre bağlantı şeması Şekil 17: N tipi, azaltan kanallı MOSFET'in !D-VDS karakteristik eğrisi Şekil 18: N tipi, azaltan kanallı MOSFET'in transfer karakteristiği eğrisi Şekil 17'dc verilen ID-VDS statik karakteristik eğrisi incelenecek olursa MOSFET in G ucunun polarma gerilimi negatif (-) ve pozitif (+) polariteli olarak uygulanmıştır. VGS gerilimi negatif polariteli olarak artırıldıkça D-S uçlan arasından geçen ID akımı azalmaktadır. Negatif polariteli VGS gerilimi belli bir Vp değerine ulaştığında D-S uçlan arasından geçen ID akımı O (sıfır) değerine iner. ID akımının O değerine inmesini sağlayan VGS gerilimine kıstırma (pinch-off) gerilimi (Vp) denir. Şekil 17'de kesik çizgiyle gösterilen "k" eğrisine kadar her bir eğri V p (pinch-off) gerilimine ulaşıncaya kadar ID akımı da artar. Bu değerden sonra gerilim artsa bile I akımı sabit kalır. Azaltan kanallı MOSFET'lerin D-S uçları arasından geçen akımın herhangi bir VGS değerindeki miktarını bulmak için kullanılan denklem JFET'lerde olduğu gibi, V I D I DSS 1 GS VP 2 şeklindedir. Buna göre azaltan kanallı MOSFET'ler JFET'lerle aynı biçimde çalışırlar. Şekil 19: N tipi, çoğaltan kanallı MOSFET'in deney bağlantı şeması Şekil 20: N tipi, çoğaltan kanallı MOSFET'in ID-VDS karakteristik eğrisi Şekil 21: N tipi, çoğaltan kanallı MOSFET'in transfer karakteristiği eğrisi b. N tipi çoğaltan kanallı MOSFET’lerin karakteristikleri Şekil 19’da N tipi, çoğaltan kanallı MOSFET'in deney bağlantı şeması verilmiştir. Bu bağlantı şeması kullanılarak şekil 20'de verilen ID-VDS statik karakteristik eğrisi ve şekil 21 'de verilen transfer karakteristiği eğrisi elde edilebilir. Sekil 20'de verilen ID-VDS statik karakteristik eğrisi incelenecek olursa MOSFET'in G ucuna uygulanan VGS polarma gerilimi artırıldıkça D-S uçlan arasından geçen ID akımı artmaktadır. Çoğaltan kanallı MOSFET'lerde VGS gerilimi şekil 21'de görüldüğü gibi VT eşik gerilim değerini aşıncaya kadar ID alamı akmaz. Eşik geriliminden büyük (pozitif polariteli) VGS gerilimlerinde D-S uçları arasından geçen IP akımı artar. Çoğaltan kanallı MOSFET'lerîn transfer karakteristiğinin denklemi, ID = k.(VGS-VT)2 şeklindedir. Bu denklemde "k" değeri MOSFET'in yapısı yla ilgili bir değer olup tipik olarak 0,3 mA/V değerindedir. VGS = O V durumunda hiç ID akımı geçmeyeceğinden IDSS değeri de olmayacaktır. Çoğaltan kanallı MOSFET'ler küçük boyutu olduklarından daha çok entegre (tümleşik devre yonga, çip, chip) yapımında kullanılırlar. 5. MOSFET parametreleri JFET parametrelerinde açıklanan D-S doyma akımı (IDSS), G-S kıstırma (pinch-off) gerilimi (Vp), geçiş iletkenliği (gm ),D-S iletim direnci (rds) MOSFET'ler için de geçerlidir. MOSFET'lerin ID akımını bulmada kullanılan denklemler: I D I DSS (1 VGS 2 ) VP ve ID=K.(VGS-VT)2 şeklindedir. MOSFET'lerin geçiş iletkenliğini (g m) bulmada kullanılan denklem, gm =2.k.(VGS-VT) şeklindedir. MOSFET’lerle ilgili problemler Örnek: Azaltan kanallı MOSFETte IDSS akımı 12 mA, Vp gerilimi -3 V'tur. ID akımını, a. VGS = 0 V b. VGS = -2 V için hesaplayınız. Çözüm a. I D I DSS (1 VGS ) 2 =12.10-3 (1 0 ) 2 =12.10-3 A 3 VP b. I D I DSS (1 VGS ) 2 =12.10-3 (1 2 ) 2 3 VP -3 -3 =12.10 0,111= 1,33. 10 A = 1,33 mA Örnek: Azaltan kanallı MOSFETin I D SS akımı 12 mA, Vp gerilimi 6 V'tur. ID akmını, a. VGS = 3 V b. VGS = 6 V değeri için hesaplayınız. Çözüm a. I D I DSS (1 VGS ) 2 =12.10-3 (1 3 ) 2 VP 6 =3.10-3A =3 mA b. I D I DSS (1 VGS ) 2 =12.10-3 (1 6 ) 2 =0 A VP 6 Örnek: N tipi, çoğaltan kanallı MOSFET'in eşik gerilimi VT = 3 V'tur. a.VGS = 3V, b. VGS = 5 V değerlerinde ID akımını bulunuz. Not: k-0,3 mA/V 2 - 0,3.10-3 A/V2 olarak kabul edilecektir Çözüm: a) ID =k.. (VGS -VT)2 = 0,3.10-3.(3-3)2 = 0 A a) ID = k.. (VGS -VT)2 = 0,3.10-3.(5-3)2 =1,2.10--3 A=1,2 mA Örnek: Eşik gerilimi VT = 5 V olan N tipi, çoğaltan kanallı MOSFET'in geçiş iletkenliğini, a..VGS = 6V, b. VGS = 8 V değerlerine göre hesaplayınız. Not: k=0,3 mA/V2 - 0,3.10-3 A/V2 olarak kabul edilecektir. Çözüm a. gm = 2.k.(VGS-VT)=2.0,3.10-3.(6-5) =0,6.10- 3 Ώ = 0,6mΏ b.gm = 2.k.(VGS-VT)=2.0,3. 10-3.(8-5) =l,8.10- 3 Ώ =l,8m Ώ Örnek: Azaltan kanallı MOSFET'in I DSS akımı 12 mA, Vp gerilimi -4 V, VGS gerilimi 0 volttur. Buna göre MOSFET'in geçiş iletkenliği (gm ) değerini bulunuz. Çözüm JFET’lerdeki gm = 2.I DSS VGS 1 VP V P 2.I DSS VGS 1 VP V P 2.12.10 3 4 denklemi azaltan kanallı MOSFET’ler için de geçerlidir. 0 1 = 6.10-3 Ώ =6m Ώ 4 C.JFET VE MOSFET’lerin polarılması (ön gerilimlenmesi) 1. JFET’lerin polarılması (ön gerilimlenmesi) Şekil 22 N kanallı JFET’in sabit polarması Şekil 23 P kanallı JFET’in sabit polarması a.Sabit (DC üreteçli, fixed)polarma Şekili 22'de N kanallı, şekil 23'te ise P kanallı JFET'in sabit polarma yöntemiyle polarılmasına (ön gerilimlenmesine) ilişkin devre şemaları verilmiştir. Yukarıda verilen iki devre şeması yükselteç (amlifikatör) olarak kullanılabilir. Yükseltilecek sinyal C, kuplaj (bağlaşım) kondansatörü aracılığıyla JFET'in G ucuna uygulanır. Yükseltilmiş sinyal ise JFET'in D ucuna bağlı C2 kuplaj (bağlaşım) kondansatörü üzerinden alınır. İki devrede de S ucu ortak (şase) olarak kullanıldığı için bunlara S (source) ucu şase (ortak) yükselteç adı verilir. JFET'li, S ucu şase yükselteçler yapı olarak transistorlu emiteri şase yükselteçlere benzerler. S (source) ucu şase yükselteçlerde G-S uçları VGG kaynağıyla ters polarılır. VGG kaynağı JFET'e polarma gerilimi sağlayarak D ucundaki VD geriliminin VDD geriliminin yarısı kadar olmasını sağlar. Bilindiği gibi bir yükselteç devresinin düzgün (distorsiyonsuz, kırpılmamış) çıkış veren bir devre olarak çalışabilmesi için D ucundaki gerilimin VDD geriliminin yarısı kadar olması gerekir. S ucu şase yükselteç devresinde G ucu akım: çekmediği için RG direnci üzerinde gerilim düşümü oluşmaz. Buna göre VGG geriliminin tümü G-S uçlan arasında görülür. Yani, VGG =VGS ‘dir. ID akımının bulunmasında kullanılan denklem ise, I D I DSS (1 VGS 2 ) VP şeklindedir Şekil 22 ve 23 'te verilen yükselteç devrelerinde ID akımının RD direnci üzerinde oluşturduğu gerilim. VRD = ID .RD denklemiyle hesaplanır. Yükseltecin çıkış bölümünün denklemleri. V DD =V RD +V DS V DD =I D .R D +V DS V DD =V DD .I D. R D ID V DD V DS RD şeklinde yazılabilir. Örnek: Aşağıda verilen S ucu şase (ortak) "N kanal JFET'li, sabit polarmalı yükselteç devresinde, a. ID akımını b. VDS gerilimini bulunuz Not: Devrede IDSS = 10 mA ((0,01 A) , Vp = -5 volttur. Çözüm: JFET'in G ucu hiç akını çekmediğinden V kaynağının geriliminin tümü G-S uçlan arasında düşer. RG direnci üzerinde hiç gerilim düşümü olmaz. VGS = VGG = -2 V a) I D I DSS (1 VGS 2 ) VP 2 5 = 0,01 .( 1 2 = 0,0036 A = 3,6 mA b) VDS = VDD ID . RD = 10-(0,0036.1800) = 10-6,48 = 3,52 V Örnek: Aşağıda verilen S ucu şase (ortak) P kanal JFET'li, sabit polarmalı yükselteç devresinde, a. ID akımını bulunuz. b. VDS gerilimini bulunuz, Not: Devrede IDSS = 10 mA (0,01 A), VP = 6 volttur. Çözüm: JFET'in G ucu hiç akım çekmediğinden VGG kaynağının geriliminin tümü GS uçları arasında düşer. RG direnci üzerinde hiç gerilim düşümü olmaz VGS = VGG = 3 V a) ID V I DSS (1 GS ) 2 VP 3 6 = 0,01 .( 1 2 = 0,0025 A = 2,5 mA b) VDS = VDD ID . RD = 12-(0,0025.2000)= 7 V b. Kendinden (sıfır, self, Rs dirençli ) polarma Bu yöntemde VGG kaynağı kullanmaya gerek yoktur. G-S uçlarını ters polarma işlemini RS direnci üzerinde oluşan gerilim gerçekleştirir. Şekil 24; Kendinden (sıfır) polarma JFET devresi Şekil 24'teki devrede, VG=0 V, VRS = ID RS, olduğundan, VGS- VG-VS = 0-ID.RS VGS = -ID.RS olur. Örneğin, ID = 2 mA, RS = kΏ ise VGS= -ID.RS = -2.10-3. 1.110-3 = -2 V olur. Görüldüğü gibi JFET'in S ucuna bağlanan RS direnci sayesinde G-S uçlarına gelen gerilimin polaritesinin ters olması sağlanmaktadır. Şekil 24'teki devrede, çıkış bölümünün denklemi ise şöyle yazılabilir: VDD = ID RD + VDS + ID . RS VDD = ID (RD + RS) + VDS Gerilim bölücü dirençlerle yapılan polarma devresinde, şekil 25'te görüldüğü gibi bir tek üreteç (VDD) vardır Şekil 25: Gerilim bölücü dirençli polarma G ucuna gelen polarma gerilimi RGI ve RG2. gerilim bölücü dirençleri tarafından belirlenir. Devrede G noktasındaki gerilim şu şekilde bulunur: Polarma dirençlerinin toplam değeri RT = RGI + RG2 Polarma dirençlerinden geçen akım, LT = VDD/RT G noktasındaki gerilim, VG = IT .RG2 JFET'in G-S uçları arasındaki gerilim, VGS = VG – VS = VG – ID . RS Gerilim bölücü dirençli polarma devresinde çıkış kısmının denklemi Kirşof un gerilim kanununa göre, VDD = ID-RD + VD, + ID.RS yada VDD = ID.(RD +RS) + VDS şeklinde yazılabilir. ID akımını bulmak için, VDD = ID-(RD+Rs) + VDS denkleminden ID değeri çekilecek olursa, eşitliği bulunur. Devrenin çıkışından alman gerilim ise, VDS = VDD - ID.RD denklemiyle hesaplanır Örnek: Yukarıda verilen şekilde Vp = - 4 V, IDSS - 8 mA (0,008 A), VRS = 3 V olduğuna göre, ID ve VDS değerlerini bulunuz. Çözüm: VRS değeri 3 V olduğuna göre ID akımını, ID = VRS /Rs denklemiyle bulabiliriz. ID - VRS/RD = 3 / 1000 = 0,003 A = 3 mA ID akımı bulunduktan sonra VRD gerilimi de bulunabilir. VRD = ID..RD = 0,003.2200 = 6,6 V VDD geriliminin denklemi, VDD = VRD+ VDS + VRS Şeklinde yazılabilir. Bu denklemeden VDS çekilerek, VDS = VDD - (VRD+VRS) eşitliği yazılabilir. VDS =VDD - (VRD + VRS ) VDS = 10 - (6,6 +3) - 10 - 9,6 = 0,4 V bulunur. Örnek: Aşağıda verilen şekilde Vp = -3,5 V, IDSS = 10 mA (0,01 A), VDS = 9,11 V olduğuna göre, a.ID b. VGS c. VD değerlerini bulunuz. Çözüm: a. Devrede VDS gerilimi belli olduğuna göre dirençler üzerinde düşen toplam gerilimi bulabiliriz. RD ve RS dirençleri üzerinde düşen gerilim, VRD +VRS = VDD - VDS =20-9,11 = 10,89 V'tur. Buna göre devrenin çıkış kısmından geçen ID akımının değeri, ID b) VDD V DS R D RS V I D I DSS 1 GS VP 20 9,11 10,89 0,0033 2200 1100 3300 0,0033 0,01.1 VGS 3,5 2 V 0,0033 VGS . 1 0,33 .1 GS 3,5 3,5 0,01 2 2 2 V V 1 GS 1 GS 3,5 3,5 2 V VGS 0,57 .1 GS 1 0,57 3,5 3,5 VGS 0,43 3,5 VGS=-3,5.0,43=-1,505V c. VD=VDD.-ID.RD=20-(0,0033.2200) =20-7,26=12,74 V A=3,3 mA olarak bulunur. 2. MOSFET'lerin polarması a. Sabit polarma MOSFET'lerin sabit polarması JFET'lerin sabit polarmasında açıklandığı gibidir. Şekil 22 ve şekil 23'e bakınız. b. Sıfır polarma Şekil 26'da verilen sıfır polarma devresinde tek kaynaklı besleme yöntemi kullanılmaktadır. MOSFET'in G ucunun polarma gerilimi RG ve RS dirençleri ile oluşturulmaktadır. Şöyleki: MOSFET'in G ucu akım çekmediğinden RG direnci üzerinde bir gerilim düşümü oluşmaz. Şekil 26: Sıfır polarmah azaltan kanallı MOSFET'li yükselteç devresi Yani, VRG = 0 volttur, VRG = 0 V olduğu için MOSFET'in G ucunda da 0 V görülür. RS direnci üzerinde düşen VRS geriliminin değeri, VRS = ID.RS denklemîyle bulunur. VGS geriliminin denklemi, VGS = VG- VRS olduğuna göre, VGS = 0 - VRS VGS = -VRS = ID.RS şeklinde yazılabilir. Örnek: Yanda verilen sıfır polarmalı, Sucu şase,azaltan kanalı MOSFET'li y ü k s e l t e ç devresinde IDSS = 9 mA (0,009 A), VD = - 4 volttur. Devrenin ID akımını ve VD gerilimini bulunuz, Çözüm VGS = VG.-VS = 0- 0 = 0 V I D I DSS (1 VGS 2 ) denkleminde VP VGS = O V olduğu için ID = IDSS = 0,009 A = 9 mA çıkar. VD = VD - ID.RD = 15 - (0,009.1200) = 4,2 V c. Gerilim bölücü dirençli (ideal) polarma MOSFET'lerin gerilim bölücü dirençli polarması şekil 27'de görüldüğü gibi JFET' de kilerle aynıdır. Örnek: Yanda verilen azaltan kanallı MOSFET'li, gerilim bölücü dirençli, S ucu şase yükselteç devresinde VRS gerilimi 3,9 volttur. Buna göre VGS, ID ve VDS değerlerini bulunuz. Çözüm Polarma dirençlerinin toplam değeri, RGT = RG1 + RG2 = 47 000 000 + 10 000 000 = 57 000 000 Ώ = 57 000 kΏ Polarma dirençleri üzerinden geçen toplam akım, I GT V DD 12 0, 21.10 6 A RGT 57.000.000 MOSFET'in G ucundaki polarma gerilimi, VG = IGTRG2 = 0,21.10-6 10.10+6 =2,1 V MOSFET'in G ucundaki gerilim aşağıdaki denklemle de bulunabilir: VG V DD 12 RG 2 .10.000.000 2,1V RG1 RG 2 47.000.000 1.000.000 VGS = VG-VRS = 2,1 - 3,9 = -1,8 V VRS = ID.RS olduğuna göre, buradan ID'yi çekersek, ID V RS yazılabilir. RS ID = 3,9/1300 = 0,003 A = 3 mA bulunur. ID akımı bulunduğuna göre VRD gerilimini bulabiliriz VRD=ID.RD = 0,003.1300 = 3,9V VDD, VRD, VRS değerleri belli olduğuna göre, VDD= VRD+ VDS + VRS eşitliği kullanılarak VDS değeri bulunabilir. VDS=VDD-(VRD+VRS) = 12 - (3,9+3,9) = 4,2 V Ç. JFET deneyleri Deney 1: JFET’in özelliklerinin incelenmesi Bu deneyde gerilim kumandalı aktif devre elemanı olan JFET'in elektriksel özellikleri incelenecektir. JFET'in G ucuna uygulanan VGS geriliminin değeri O voltken D-S uçları arasından şekil 27'deki karakteristik eğride görüldüğü gibi maksimum değerde ID akımı akar. Şekil 28: VGS =0 V'ken JFET'in VDS –ID karakteristik eğrisi VGS=0 voltken JFET'in D-S uçlan arasından geçen akıma IDSS akımı denir. VDS gerilimi O'dan itibaren artırılırken ID akımı da artar. VDS gerilimi belli bir değere ulaştığında ID akımının artışı durur. ID akımının durduğu noktadaki VDS gerilimi değerine Vp (pinch-off gerilimi) denir. JFET'e uygulanan gerilim bu elemanın dayanabileceği VDSmaks değerinin üzerine çıkarılacak olursa JFET bozulur. BF245 tipi JFET için VDSmaks değeri ± 30 V'tur. JFET'in G-S uçları arasına uygulanan ters polarma gerilimi artırıldıkça D-S uçları arasından geçen akım şekil 29'da verilen karakterstik eğrideki gibi azalır. Şekil 29: VGS gerilimi artırıldıkça JFET'ten geçen ID akımının azalışına ilişkin karakteristik eğrisi Deneyde kullanılan BF245 tipi JFET'ir elektriksel özellikleriyle ilgili karakteristik eğrileri şekil 30'da verildiği gibidir. Şekil 30: BF245 tipi JFET'in elektriksel karakteristik eğrileri Şekil 30'da verilen karakteristik eğrilerden yararlanılarak JFET'in çeşitli akım, gerilim değerleri bulunabilir. Örneğin şekil 31'de verilen devrelerde ID akımını şekil 30-b'ye bakarak belirleyebiliriz. Şekil 31: VGG=-1 V ve VGG=0 voltken ID akımının karakterisitik eğriye bakarak belirlenmesi Şekil 31 de VGG kaynağı -l volt olan devrede VGS=-1 V ve VDS=10 V'tur. Bu durumda şekil 30-b'deki grafikten ID=4,3 mA bulunur, Şekil 31'de VGG kaynağı 0 volt olan devrede VGS-0 V ve VDS=10 V'tur, Bu durumda şekil 30b'deki grafikten ID=9,7 mA bulunur. Görüldüğü üzere VGG kaynağının değeri 0 voltken ID akımı 9,7 mA, VGG kaynağının değeri -l V olduğunda ise ID akımı 4,3 mA olmaktadır. Yani G ucuna uygulanan ters polariteli gerilim artırıldıkça D-S uçlan arasından geçen ID akımı azalmaktadır. Şekil 32: JFET'in çıkış karakteristiğini çıkarmak için kullanılan deney bağlantı seması JFET'in çıkış karakteristiğini (VDS-ID) çıkarmak için şekil 32'de verilen devre kurulduktan sonra çizelge I'de verilen değerlere göre ID akımı ölçülmelidir. I akımları ölçüldükten sonra VGS'nin O, -0,5, -l, -2 V değerleri için şekil 33'te verilen çıkış karakteristiği çizilebilir. Çıkış karakteristiğinde görülen eğrilere göre BF245 tipi JFET'in, Vp gerilimi yaklaşık 2 volttur. VGS= 0 voltken D-S arasından geçen IDSS akımı yaklaşık 6,8 mA'dir. VGS gerilimi -2 V olduğunda ID akımı 0 A olmaktadır. VDS (V) 0 0,5 1 2 3 4 5 7 10 12 15 0 0,5 1 2 3 4 5 7 10 12 15 VDS (V) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -0,5 -0,5 -0,5 -0,5 -0,5 -0,5 -0,5 -0,5 -0,5 -0,5 -0,5 VDS (V) 0 1,8 4,4 6 6,4 6,5 6,6 6,7 6,8 6,8 6,8 0 1,4 2,4 3,4 3,9 4,6 4,9 5,1 5,2 5,3 5,3 VDS (V) VDS (V) VDS (V) 0 0,5 1 2 3 4 5 7 10 12 15 0 0,5 1 2 3 4 5 7 10 12 15 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -2 -2 -2 -2 -2 -2 -2 -2 -2 -2 -2 0 0,9 1,2 1,4 1,5 1,6 1,7 1,7 1,7 1,7 1,7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Çizelge1: JFET’in çıkış karakteristiğini çizebilmek için faklı VDS ve VGS değerlerine göre bulunan ID akımları. Şekil 33'e bakarak BF245 tipi JFET'in hangi aralıklarda "gerilim kontrollü direnç" ve "gerilim kontrollü akım kaynağı" olarak çalıştığıda belirlenebilmektedir. Çizelge 1' deki değerlere bakarak herhangi bir VDS değerine göre JFET'in transfer karakteristiğini de çizebiliriz. Burada örnek olarak VDS değerini 10 V kabul edip transfer karakteristiğini çizelim, VDS= 10 V olduğunda, VGS = 0 V için ID = 6,8 mA, VGS = -0,5 V için ID = 5,2 mA, VGS = -1 V için ID = l,7mA, VGS = -2 V için ID = 0 Şekil 34: N kanal JFET'in transfer karakteristiği Deney 2: JFET’in DC açıdan incelenmesi Transistörlerde olduğu gibi, bir JFET'e giriş sinyali uygulamadan önce onu DC ile uygun biçimde polarmak (ön gerilimlemek) gerekir. JFET'lerin G-S uçları arasının mutlaka ters polarılması gerekir. Yani N kanal JFET'in G ucuna (-), P kanal JFET'in D ucuna ise (+) gerilim uygulanmalıdır. Şekil 35-a'da tek dirençli sıfır polarma, şekil 35-b'de ise gerilim bölücü dirençli (ideal) polarma devresi verilmiştir. Şekil 35: a. Sıfır polarmali, b. Gerilim bölücü dirençli polarmalı JFET devresi Şekil 35-a'daki devrede, VG=0 V, VRS=IDRS olduğundan VGS = VG –VS = 0-ID.RS VGS = ID.RS olur. Eğer ID= 2 mA, RS = l kΏ ise VGS= -ID.RS= -2.10-3.1.103= -2 V olur. Görüldüğü gibi JFET'in S ucuna bağlanan Rs direnci sayesinde G ucuna gelen gerilimin polaritesinin ters olması sağlanmaktadır. Şekil 35-a'daki devrede, çıkış bölümünün denklemi ise şöyle yazılabilir: VDD=ID.RD + VDS +ID.RS VDD=ID.(RD + RS ) + VDS Şekil 35-b'deki devrede JFET'in G noktasına gelen polarma geriliminin değeri, VG V DD .RG 2 RG1 RG 2 denklemi kullanılarak hesaplanabilir. Not: S ucu şase (ortak) bağlı olan JFET'in G ucu ters polarıldığından, giriş empedansı çok yüksektir. Bu nedenle VG geriliminin denklemi yazılırken çok küçük olan IG akımı ihmal edilir. R direnci üzerinde düşen gerilimin denklemi, =VRS.= ID.Rs'dir. JFET iki adet gerilim bölücü direnç ile DC gerilimle polarıldığında düzgün çalışmanın gerçekleşebilmesi için, VGS = VG-VRS ≤ 0 koşulunun gerçekleşmesi gerekir. Bu koşulu sağlamak için VRS ≥ VG olacak biçimde direnç seçilmelidir. Şekil 35-a'da verilen sabit polarmalı, S ucu ortak JFET'li devrenin ID-VGS transfer karakteristiği şekil 36'da verildiği gibidir. JFET'in VGS gerilimi RS direnci değiştirilerek ayarlanmaktadır. Şekil 36: Sabit polarmalı N kanal JFET'in transfer karakteristiği Şekil 35-a'da verilen deney devresinde VDD=20 V olarak uygulandıktan sonra yapılan ölçümde ID=1,2 mA, VDS=16,2 V olarak belirlenmiştir. AVOmetre volt kademesine alınarak yapılan ölçümlerde VG = O V, VRS = 1,2 V olarak saptanmıştır. Buna göre VGS'nin -1,2 V olduğu anlaşılır. Deney devresindeki RD direncinin değeri l kΏ yapıldığında, ID=l,2mA, VGS = -l,2V,VDS = 17,6V olarak ölçülmüştür. RD'nin azalması ID alarmını değiştirmemiştir. Çünkü RD'nin VGS üzerinde etkisi yoktur. RD'nin azalması sadece VDS'nin artmasına yol açmıştır. Çünkü, VDD=ID.RD + VDS +ID.RS eşitliğinde herşey aynıyken RD'nin küçülmesi VDS'nin büyümesine neden olur. Deney devresindeki RD direncinin değeri l k, RS = 2,2 k yapıldığında, ID = 0,63 mA, VGS = -1,38 V, VDS = 18 V olarak ölçülmüştür. RS'nin büyütülmesi VGS'nin artmasına, ID'nin ise azalmasına yol açmıştır. Sonuç olarak şekil 35-a'da verilen sıfır polarmalı, 20 V beslemeli devrede RD ve RS dirençlerinin değeri değiştirilerek JFET'in çalışma noktasını kontrol altında tutmak mümkündür. RD'nin değişmesi ID'yi etkilememekle birlikte VDS gerilimini değiştirmektedir. RS'nin değişmesi ise hem ID'yi, hem de VDS'yi etkilemektedir. Deney devresindeki RD direncinin değeri 2,2 k, RS = l k, VDD = 10 V yapıldığında, ID = 1,1 mA,VGS = -1,2 V, VDS = 6,4 V olarak ölçülmüştür. VGS'de ve ID'de önemli bir değişim olmamıştır. VDD'nin değişmesi, devrenin çalışma noktasının değişmesine neden olmuştur. Bu değişim VDS'nin değişmesinden kaynaklanmıştır. Deney 3: JFET’in AC açıdan incelenmesi Transistörde olduğu gibi JFET'e de üç biçimde giriş sinyali uygulanabilir. Bunlar, S ucu (kaynağı) ortak bağlama, D ucu (oluğu) ortak bağlama, G ucu (kapısı) ortak bağlama şeklindedir. a. S ucu ortak b. D ucu ortak c. G ucu ortak Şekii 37: JFET'in yükselteç olarak kullanılması durumunda yapılan bağlantı 'şekilleri Yaygın olarak kullanılan devre S ucu ortak bağlantı olduğundan diğer bağlantıların üzerinde ayrıntılı olarak durulmayacaktır. Şekil 37-a ve b'de verilen şemalarda R S direncine paralel olarak CS adlı dekuplaj kondansatörü bağlanırsa AC özellikli sinyaller RS üzerinden değil C S üzerinden geçer. Bu sayede AC sinyallerin R S üzerinde gerilim düşümü oluşturarak yükseltecin kazancının düşmesi önlenir Şekil 38: JFET'li, S ucu ortak yükselteç devresi Şekil 38'de verilen S ucu ortak yükselteç devresinin girişine genlik değeri tepeden tepeye 0,5 V, frekansı 5 kHz olan, sinüsoidal biçimli bir sinyal uygulandığından çıkıştan girişe göre 180° faz farklı, genlik bakımından daha büyük Vçıkış (t-t) =0,8 V) bir sinyal alınır. Bu değerlere göre yükselteç devresinin gerilim kazancı, AV VÇIKIŞIK t) VGRŞRŞ. t) 0,8 1,6 olarak bulunur. 0,5 Devredeki RD direnci 5,6 k yapıldığında yükseltecin çıkış gerilimi Vçkş(t-t) = 2 V olmuştur. Bu değere göre devrenin gerilim kazancı. AV VÇIKIŞIK t) VGRŞRŞ. t) 2 4olur. 0,5 Devredeki RD direnci 2,2 k yapıldığında ve Rs direncine paralel olarak 10 μF'lık kondansatör bağlandığında yükseltecin çıkış gerilimi Vçkş(t-t) = 3 V olmuştur. Bu değere göre devrenin gerilim kazancı, AV VÇIKIŞIK t) VGRŞRŞ. t) 3 6.olur 0,5 RS direncine paralel olarak 10 μF''lık kondansatör bağlandığında yükseltecin gerilim kazancı 1,6'dan 6'ya yükselmiştir. D. MOSFET Deneyleri Deney 1: MOSFET’in DC açıdan çalışmasının incelenmesi G ucu kanal maddesinden yalıtılmış olan MOSFET'lerin çalışma ilkesi JFET'lere çok benzer. Azaltan (depletion) kanallı MOSFET'lerde G ucuna uygulanan polarmanın değeri O voltken D-S arasından belli değerde bir akım geçişi olur. Çoğaltan (enhancement) kanallı MOSFET'lerde G ucuna uygulanan polarmanın değeri O voltken D-S arasından akım geçişi olmaz. Uygulamada tek ve çift kapılı MOSFET'ler kullanılmaktadır. Şekil 39'da çift kapılı, MOSFET'lerin sembolü verilmiştir. a. çoğaltan tip b. azaltan tip c. ayakların dizilişi l Şekil 39: Çift kapıl:, N kanallı MOSFET sembolleri ve iki kapılı MOSFET'in ayaklarının dizilişi Çift kapılı MOSFET'ler konverter, kanştincı (mikser) ve AGC (Automatic Gain Control, OKK, Otomatik Kazanç Kontrol) devrelerinde kullanılır. MOSFET'leri statik elektrik yüklerinin zararlarından korumak için şu önlemler alınmalıdır: Özel ambalajında muhafaza edilmelidir. Bacakları, devre dışındayken birbiriyle irtibatlı hâlde olmalıdır. MOSFET'e dokunulmadan önce beden topraklanarak vücutta birikmiş statik elektrik yükleri boşaltılmalıdır. MOSFET'e dokundurulacak her el takımı topraklı olmalıdır. Çift kapılı MOSFET'lerde kullanılmayan kapı varsa bu mutlaka doğrudan ya da l k'lık direnç üzerinden toprağa veyahutta kaynağa irtibatlandırılmalıdır. Çift kapılı MOSFET'lerin polarılması şekil 40-a-b'de verilen bağlantı yöntemlerinden birisi kullanılarak gerçekleştirilir. Şekil 40: Çift kapılı, N kanallı, azaltan tip MOSFETin polarılma yöntemleri Şekil 40-a'da verilen azaltan kanallı, S ucu ortak MOSFET'li devreye 12 voltluk besleme gerilimi uygulandığında VDS = 8,3 V ölçül müştür. Devrede Rs üzerinde oluşan gerilim G ucunu ters polarmaktadır. RD direnci l k yapıldığında, ID akımı 1,555 mA ölçülmüştür. Artış oldukça az (0,01 mA)'dır. (îdeal MOSFET'te herhangi bir artış olmaz. Çünkü RD'nin VGS gerilimi üzerinde etkisi yoktur.) VDS = 10,08 V olur. RD'nin küçülmesi sonucu ID'de önemli değişiklik olmayınca VRD gerilimi RD'nin küçüldüğü oranda küçülür ve dolayısıyla fark D-S arasında görülür. RD direnci l kΏ yapıldığında, ID akımı 1,555 mA ölçülmüştür. Artış oldukça az (0,01 mA)'dır. (îdeal MOSFET'te herhangi bir artış olmaz. Çünkü RD'nin VGS gerilimi üzerinde etkisi yoktur.) VDS = 10,08 V olur. RD'nin küçülmesi sonucu ID'de önemli değişiklik olmayınca VRD gerilimi RD'nin küçüldüğü oranda küçülür ve dolayısıyla fark D-S arasında görülür. RD = 2,2 kΏ, Rs = 100Ώ yapıldığında, ID = 2,57 mA ölçülmüştür. Çünkü RS küçülünce VGS'nin negatifliği azalır ve ID artar. Şekil 40-b'de verilen çift kapılı, azaltan kanallı, iki kapısı ayrı ayrı polarılan, S ucu ortak MOSFET'li devreye 12 voltluk besleme gerilimi uygulandığında, ID = 2,7 mA, VDS = 6,5V, VG2S=3,73V, VG1S=0,6 V ölçülmüştür. Bu sonuçlara göre G2 -S arası düz. G1 -S arası ters polarlanmıştır. RG2 direnci 100 k yapılarak G2-S arasındaki pozitif polarma azaltıldığında, ID = 2,78 mA olarak ölçülmüştür. RG2 direnci 270 k, RS = 100 yapılarak ID akımı ölçüldüğünde 4,27 mA olarak ölçülmüştür. Artışa G1-S arasındaki ters polarmanın azalması yol açmıştır. Deney 2: MOSFET'in AC açıdan çalışmasının incelenmesi Çift kapılı MOSFET'in kapılarından birine AC giriş sinyali uygulanır. Diğerine ise DC polarma yapılır. Şekil 41'de verilen devrenin AC gerilim kazancı RD ile doğru, RS ile (CS yoksa) ters orantılıdır. Ayrıca gm (transkondüktans) değerinin de gerilim kazancı üzerinde etkisi vardır. Şekil 41: Çift kapılı, N kanallı, azaltan tip MOSFETli, S ucu ortak yükselteç devresi Devrenin elemanlarının değerlerine göre gerilim kazancı değerleri aşağıdaki çizelgede verilmiştir. RD (k) 2,2 1 2,2 2,2 2,2 RS (k) 1 1 0,5 0,5 1 CS (μF) 47 47 47 - Av 17 7,5 24 3,6 1,8 Çizelge : Çift kapılı, N kanallı, azaltan tip MOSFET’li S ucu ortak yükselteç devresi Çizelgede görüldüğü gibi RD'nin artırılması gerilim kazancının artmasına neden olmaktadır. CS kondansatörü kullanılmadığı zaman yükseltecin kazancı düşmektedir. Şekil 41'de verilen devrenin girişine uygulanan sinyalin frekansı l kHz ile 3000 kHz arasında değiştirilse bile çıkış geriliminin değeri pek değişme göstermez. İşte bu özellik sayesinde MOSFET'ler kararlı çalışma istenen RF (radyo frekans) yükselteç devrelerinde tercih, edilir. Değerlendirme Soruları: 1- Transistor (BJT) nedir? Açıklayınız. 2- "Akım kontrollü" ve "gerilim kontrollü" eleman kavramlarını açıklayınız. 3- JFET nedir? Yazınız. 4- JFET'in beş özelliğini yazınız. 5- N kanal JFET'in çalışmasını şekil çizerek anlatınız. 6- N kanal JFET'in G ucuna uygulanan negatif polarma geriliminin değeri 0 V'tan itibaren artırıldığında D-S arasından geçen akım neden azalır? Açıklayınız. 7- JFET'in G ucuna O V uygulandığında D-S uçlan arasından niçin en yüksek değerde bir IDSS akımı akar? Açıklayınız. 8- JFET'in G ucuna uygulanan ters polariteli VGS geriliminin değeri belli bir seviyeye ulaştığında ID akımı O A değerine inmektedir. Bunun nedenini açıklayınız. 9. JFET'in D-S uçları arasına uygulanan gerilim elemanın katalog değerlerinin üzerinde bir seviyeye çıkarılırsa ne olur? Açıklayınız. 10. JFET'in Vp gerilimi -2 V, IDSS akımı 5 mA'dir. a. VGS gerilimi O V'ken ID akımnı, b. VGS gerilimi-2 V'ken ID akımım hesaplayınız. 11. MOSFET nedir? Tanımlayınız. 12. Azaltan kanallı MOSFET'in çalışmasını şekil çizerek açıklayınız. 13. Çoğaltan kanallı MOSFET'in çalışmasını şekil çizerek açıklayınız. 14. JFET ve MOSFET'lerde sabit polarma, sıfır polarma ve gerilim bölücü dirençli polarma nedir? Basit şekiller çizerek anlatınız. 15. MOSFET'lerin kullanılmasında dikkat edilmesi gereken hususlardan üçünü yazınız.
