9-fet - 320Volt

FETFetlerin YapısıNPN ve PNP tipi olarak adlandırılan klasik tip transistörler (İki Kutuplu Jonksiyon Transistör- BJT) alçak giriş empedansına sahiptirler. BJT 'ler, hem elektron akımı hem de delik (boşluk)akımının kullanıldığı akım kontrollü elemanlardır.FET (Field Effect Transistör - Alan Etkili Transistör) ise yüksek giriş empedansına sahip, tekkutuplu, gerilim kontrollü bir elemandır. Elektrik alanı prensiplerine göre çalıştığından alanetkili transistörler olarak bilinir. FET 'ler, transistörlerin kullanıldığı yerlerde rahatlıklakullanılıbilir.FET 'lerin klasik transistörlere (BJT) göre üstünlükleri şöyle sıralanabilir:Giriş empedansları daha yüksektir. (BJT 'de 2KΩ iken FET 'lerde yaklaşık 100MΩ 'dur.)Anahtar olarak kullanıldığında, sapma gerilimi yoktur.Radyasyon (yayınım) etkisi yoktur.BJT 'lere nazaran daha az gürültülüdür.Isısal değişimlerden etkilenmezler.BJT 'lere göre daha küçüktür. Bu nedenle entegrelerde daha fazla kullanılırlar.Yüksek giriş empedansı ve alçak elektrodlar arası kapasitans özelliği ile yüksek frekansdevrelerinde rahtlıkla kullanılırlar.BJT 'lere göre sakıncası ise band genişliklerinin dar olması ve çabuk hasar görebilmesidir.Alan etkili transistörler (FET) iki ana gruba ayrılır:JFET (Junction Field Effect Transistor, Eklem Alan Etkili Transistör)MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistör, Metal Oksit Yarı İletken AlanEtkili Transistör)JFET 'in ÇalışmasıBJT 'lerde olduğu gibi JFET 'lerde de 3 terminal vardır. Bunlar; Drain (Oluk, Akaç), Source(Kaynak) ve Gate (Kapı, Geçit) dir. Transistörlerde, kollektörün karşılığı drain, emiterinkarşılığı source, beyzin karşılığı gate 'dir. Transistörler nasıl NPN ve PNP tipi olmak üzere ikitipte ise JFET 'ler de;* n - kanallı JFET* p - kanallı JFETolmak üzere iki tipte imal edilirler.

Şekil 1.1(a) - n-kanallı JFET 'in FizikselYapısı ve SmbolüŞekil 1.1(b) - p-kanallı JFET 'in FizikselYapısı ve SmbolüŞekil 1.1.(a) 'da görüldüğü gibi n-tipi bir maddenin iki yanına p-tipi madde enjekte edilerek n-kanallı JFET elde edilir. İki p-tipi madde birleştirilerek gate ucu çıkarılır. n-tipi maddenin birucu Drain, diğer ucu da Source 'dur. Burada gövde n-tipi maddeden meydana geldiği içinJFET 'in adı n-kanallıdır.Gövdenin yapıldığı maddenin adı JFET 'in tipini belirler. JFET 'inçalışmasında n-kanallı üzerinde durulacaktırAynı şekilde eğer gövde p-tipi maddeden oluşursa p-kanallı JFET elde edilmiş olur. (Şekil1.1.(b)) Sembollerden de anlaşılacağı gibi ok yönü gate 'e doğru ise n-kanallı, gate 'ten dışarıdoğru ise p-kanallı JFET 'tir.

Şekil 1.2 - JFET 'in çalışmasıŞekil 1.2 'de n-kanallı bir JFET 'in uygun çalışma için harici güç kaynaklarına nasılirtibatlandırıldığı gösterilmiştir. Drain, R L yük direnci üzerinden V DD drain güç kaynağınınpozitif terminaline, Source V DD 'nin negatif terminaline irtibatlandırılır. Gate, V GG güçkaynağının negatif terminaline bağlanır. Bu irtibatla Gate-Source p-n eklemi tersbayaslanmıştır yani polarmalandırılmıştır. Gate p- maddesinden oluştuğu için V GG güçkaynağının (-) terminali gate 'e, (+) terminali source 'a bağlanarak ters polarma sağlanmıştır.Gate 'in ters polarmalanmasıyla devreden akan gate akımı son derece küçük değerdeki bir tersakımdır.I D drain akımı, JFET üzerinde source 'den drain 'e doğru akar. (Akımın, güç kaynaklarının (-)terminalinden, (+) terminale dolaştığı kabul edilmiştir.)İlk durumda V GG güç kaynağının olmadığını, gate ucunun doğrudan şaseye bağlı olduğunudüşünelim, Bu durumda V GG =0V olduğu için Gate-Source arası voltaj da (V GS ) o Volt 'tur. Buanda I D akımı, n-tipi maddenin direnci ve R L tarafından limitlenir. JFET üzerinden drainakımı (I D ) arttkça n-madde parçası boyunca bu gerilim düşümü meydana gelir. Bu gerilim,source 'a göre pozitif olup, gate p-n eklemini ters polarmalanmıştır.p-n eklemi ters polarmalandığı her durumda, eklem civarında; içinde akım taşıyıcılarıbulunmayan bir boşluk bölgesi (eklem setti) meydana gelir. Bu durum Şekil 1.3 'te pmaddelerinin çevresinde gösterilmiştir. p maddelerinin çevresindeki boşluk bölgesinde akımtaşıyıcıları olmadığından I D drain akımı akamaz. Böylece, drain akımı boşluk bölgeleriarasındaki sahada sınırlandırılmış olunur. Bu bölge kanal olarak adlandırılır. V DD kaynakvoltajı arttıkça drain akımı da artar. Fakat bu artış doğrusal değildir. Bu artışın doğrusalolmamasının nedeni, gate p-n eklemindeki ters polarmalanmasının artmasındandır.

Şekil 1.3 'te V DD = 4 Volt iken boşluk bölgesi ile V DD = 6 Volt iken boşluk bölgesinin durumugörülmektedir. V DD drain kaynak voltajının daha fazla arttırılması (V DD = 6V) Şekil 1.3 'tegörüldüğü gibi boşluk bölgelerinin birbirine daha fazla yaklaşmasına neden olur. Böyle birdurumda drain kaynak voltajnın daha fazla arttırılması I D drain alımında çok az bir artışmeydana getirir.Böylece drain akımı saturasyona (doyum) ulaşmış olur. Drain akımının saturasyon değerineulaştığı noktaya PINCH - OFF noktası denir. Pimch - off nokasına kritik gerilim adı daverilebilir. V P ile gösterilir. Bu değer n-kanallı JFET 'te negatif, p-kanallı da ise pozitifdeğerdir.Şekil 1.4 - n-kanallı JFET Karakteristik EğrisiŞekil 1.4 'te gösterilen karakteristik eğrinin yatay ekseni Drain - source arası voltajı, dikeyekseni ise I D drain akımını gösterir. Şimdi JFET 'in çalışmasını bu karakteristik eğri üzerindatekrar edelim;**Gate - Source gerilimi (V GS ) Şekil 1.2 'de olduğu gibi V GG bataryası ile sağlanırsa JFET 'tenI D akımı akar. Gate - Source eklemi V GG bataryası ile ters polarmalandığı için gate akımı I G =0olur.**Şekil 1.3 'te olduğu gibi gate - source arası voltaj 0 Volta ayarlandığında I D drain akımıönemli bir büyüklüktedir ve I DSS olarak adlandırılır. (I DSS = Gate - Source eklemi kısa devreolduğunda Drain - Source arasında akan akım) V DS , sıfırdan itibaren yaklaşık 4 Volta kadararttırıldığında I D akımıda artar. Karakteristik eğride V A noktası kanal pinch - off noktasıdır.I DSS değeri de yaklaşık 1mA 'dir.**Pinch - off noktasından itibaren V DS voltaj değişime karşılık I D akım değişimi çok çok

azdır. Bu ana saturasyon (doyum) denir.**Eğer drain kaynak voltajı daha fazla arttırılırsa, ters polarmalı gate ekleminin bozulma olayı(breakdown) meydana gelir. Bu ise yüksek bir I D akımına neden olarak JFET hasara uğrar.JFET 'in KarakteristiğiDrain - Source Karakteristiği:Bu karakeristik eğri drain akımının (I D ), drain - source gerilimine (V DS ) göre bir grafiğiolduğundan, drain karakteristiği adınıda almaktadır.

V GS =0 Volt için çizilen eğride, V DS arttıkça drain akımının doyum düzeyine kadar arttığıgörülmektedir. V GS =0 için bu doyum akımı I DSS olarak adlandırılır. Başka bir ifadeyle I DSSakımı, gate - source eklemi kısa devre olduğunda drain - source arasonda akan akımdır.Gate source gerilimi V GS = -1V 'a ayarlandığında V DS yükseldikçe akım, doyuma ulaşıncayakadar artar. Fakat bu seviye V GS = 1V 'dan dolayı kısmen oluşmaya başlayarak boşlukbölgesi, drain-source akımının daha düşük bir düzeyinde tamamıyla oluşur.Şekil 1.15 (c) de çizilen drain - source karakteristiği çeşitli V GS değerlerini (0,-1,-2..... volt)kapsayan bir eğriler grubudur. Gate terminaline uygulanan ters polarma, gövde de boşlukbölgesi oluşturur. Bu ters gerilimin negatifliği büyüdükçe kanal direnci artar, gövdeden geçenI D akımı küçülür. V GS daha da arttırıldığında, JFET 'ten herhangi bir I D akımı akmaz, I D sıfırainer, I G sıfır olur ve JFET elemanı tümüyle kapanır.Şekil 1.6 - p-kanallı JFET Drain-Source Karakteristiği

P-kanallı JFET 'in drain - source karakteristiği Şekil 1.6 'da gösterilmiştir. n-kanallıdan farkıV GS voltajlarının pozitif olmasıdır. Anlatılanlar p-kanallı JFET için de geçerlidir.JFET 'inTransfer KarakteristiğiJFET elemanının transfer karakteristiği, sabit bir drain - source gerilimi V DS için gate -sourceV GS geriliminin bir fonksiyonu olarak ID drain akımının grafiğidir.Şekil1.7 - n-kanallı JFET 'in Transfer KarakteristiğiŞekil 1.7 'de görüldüğü gibi transfer eğride iki önemli noktada I DSS ve V P değerleridir.Herhangi bir noktadaki I D akımı şöyle hesaplanabilir:I D = I DSS [1- ( V GS / V P ) 2Transfer karakteristik eğrisinden görüldüğü gibi V GS = 0 'da I D = I DSS ve I D = 0 'da V GS = V P'dir. V P değerinde, I D akımı akmadığı için JFET tamamıyla kapalıdır. Burada V P aynızamanda pinch-off değeridir.Transfer karakteristik eğrisini çıkarmak için çeşitli metodlar vardır;

Şekil 1.8 'de görüldüğü gibi transfer karakteristik eğrisi, V DS değerinin tüm eğrileri kapsadığıbir değerde olmalıdır. Yani, bu transfer eğride eğer V DS = 6 Volt seçilirse; V DS = 6 Voltdoğrusunun kestiği tüm noktalar kritik bölgede olması gerekir. Örneğin; V DS = 6 Voltdoğrusunun V GS = 0 Volt eğrisini kestiği noktada I D = I DSS = 10mA 'dir. V DS = 6 Voltdoğrusunun, V GS = -2 Volt eğrisini kestiği noktada I D = 6 mA 'dir. Bu noktalardan geçenparabol JFET 'in transfer karakteristik eğrisini verir.Belirli bir JFET elemanlarının çalışmasını tanımlamak için kullanılan parametrelerden birisiI DSS ve V P değerleridir.Şekil 1.9 - I DSS Değerini ölçmek içinkullanılan devreŞekil 1.10 - V P Değerini ölçmek içinkullanılan devreŞekil 1.19 'da I DSS değerini ölçmek için kullanılan devre gösterilmiştir. Gate terminalininsource ile birleştirilerek şaseye bağlanması V GS voltajının sıfıra ayarlanması demektir. V DDkaynak gerilimi, ampermetrede okunun I D 'nin yükselişi durana kadar arttırılır ve ulaşılanseviye I DSS değeri olarak kabul edilir.

Şekil 1.10 'daki devre ise V P değerini bulmak için kullanılan bir devredir. V GS kaynak voltajı,I D akımı sıfıra çok yakın olana kadar sıfırdan daha büyük negatif değerlere doğru ayarlanır.Drain akımının sıfır olmasını sağlayan minimum V GS gerilimi aynı zamanda V P değeridir.Bu şekilde I DSS ve V P değerleriyle JFET analizlerinde kullanılmak üzere bir transfer eğrisiçizilebilir.Bu açıklamalardan sonra n-kanallı bir JFET elemanının transfer karakteristiğini, yatay ekseni0V 'tan V P 'ye uzanan negatif değerleri ve dikey ekseni 0 'dan I DSS 'ye uzanan, I D akımınıtemsil eden koordinatlar ekseninde çizilebilir. Örneğin V P = -6 Volt ve I DSS =12 mA için birtransfer eğrisi çizelimI DSS = 12mA dikey eksende (V GS = 0 Volt)V P = -6 Volt yatay eksende (I D = 0 mA)Bu değerleri I D = I DSS [1-(V GS /V P )] 2 denkleminde yerine koyarsak yine;V GS = 0 Volt için, I D = 12 mA [1-(0/V P )] 2 = 12 mAI D = 0 mA için, 0 = 12 mA [1-(V GS /-6V)] 2 = -6 Volt

Şekil 1.11 - Koordinatlar Ekseninde I DSS ve V P Değerlerinin işaretlenmesiI DSS ve V P gibi iki önemli nokta koordinatlar ekseninde işaretlendikten sonra V GS 'nin çeşitlideğerlerinde I D akımı bulunur.V GS = 0 Volt içinV GS = -1 Volt içinV GS = -2 Volt içinV GS = -3 Volt içinV GS = -4 Volt içinV GS = -5 Volt içinV GS = -6 Volt içinI D = 12 mA idi.I D = 12 [1-(-1/-6)]2 =8,3 mAI D = 12 [1-(-2/-6)]2 =5,4 mAI D = 12 [1-(-3/-6)]2 = 3 mAI D = 12 [1-(-4/-6)]2 = 1,32 mAI D = 12 [1-(-5/-6)]2 = 0,36 mAI D = 12 [1-(-6/-6)]2 = 0 mAŞekil 1.12 - JFET 'in Transfer Karakteristik EğrisiÖzet olarak JFET 'in transfer eğrisini çizmek için 0 ile V P arasında iki veya üç gerilim değeriseçilerek bulunabilir. Koordinatlar ekseninde her bir V GS değerine karşılık gelen I D değeriişaretlendikten sonra bu noktalar birleştirilerek transfer eğrisi elde edilir. Doğal olarak V GS'nin sıfır ile V P arasındaki nokta sayısı daha fazla olursa çizilecek transfer eğrisi, daha çoknoktaların birleşiminden meydana geleceği için daha hassas olur.

Fetlerin ParametreleriJFET 'e uygulanan voltajların değiştirilmesiyle, JFET 'in gösterdiği davranışa Parametre denir.Başka bir değişle JFET karakteristiği veya sabitleridir. Üretici firmalar, elemanı tanımlamakve farklı elemanlar arasında seçim yapabilmek için gerekli olan bilgileri kataloglardabelirtirler.JFET parametreleri şunlardır:a) Drain - Source doyma akımı (I DSS ): Gate - Source eklemi kısa devre yapıldığında Drain -Source arasından akan akımdır.b) Gate - Source kapama gerilimi (kritik gerilim, V P ): Drain - Source kanalının kapandığı (hiçakım geçirmediği) gerilim değeri V P ile gösterilir. V P değerini ölçebilmek için kullanılandevre Şekil 1.10 'da verilmiştir. Bu parametreye V GS -off 'da denir.c) Gate - Source kırılma gerilimi (B V GSS ): Bu parametre belirli bir akımda drain - source kısadevre iken ölçülür. Uygulamada bu değerin üzerine çıkılması halinde eleman hasar görebilir.d) Geçiş İletkenliği (gm): JFET 'ler sabit akım elemanı olduğundan drain voltajındakideğişiklikler drain akımında çok fazla bir değişiklik yapmaz, Genelde drain akımı gate voltajıile kontrol edilir. Bu nedenle JFET 'lerin önemli parametrelerinden biri, drain akımdeğişimine göre gate voltaj değişimidir. Bu parametre geçirgenlik (transconductance -gm)olarak bilinir.Geçirgenlik, V D sabit iken drain akım değişiminin, gate - source arası voltaj değişimineoranıdır.gm = ∆I D / ∆V GS (V DS = Sabit)Geçirgenlik, direncin tersi olduğu için birimi (MHO) veya Siemens 'tir.gm = (2.I DSS / |V P |) [1-(V GS /V P )]gm = (2.I DSS / |V P |) √(I D /I DSS )formülleri ile de JFET 'in geçirgenliği hesaplanabilir.e) Drain - Source iletim direnci (rds): Bu parametre, belirli bir gate - source gerilimi ve drainakımından ölçülen gerilim drain -source iletim direnci, JFET 'in anahtar olarakkullanılmasında önem taşır. Bu değer, on ila birkaç yüz arasında değişir.JFET 'in Polarmalandırılmasıa) Sabit Polarma

Şekil 1.23 (a) - Sabit Polarma Kullanan n-kanallı JFETDevresiŞekil 1.23 (a) ve (b) 'deki gibi kullanılan JFET devrelerine sabit (fixed) polarmalı devreler adıverilir. Çünkü, gate ve source uçları arasına V GG gibi sabit bir güç kaynağı kullanışmıştır. n-kanallı JFET 'in gate terminaline, V GG 'nin (-) kutbu; p-kanallı JFET 'in gate terminaline ise(+) kutbu irtibatlandırılmalıdır. Dikkat edilmesi gereken başka bir husus, n kanallı JFET 'indrain terminaline V DD güç kaynağının (+) ucu, p-kanallıda ise (-) ucu uygulanmalıdır.

Şekil 1.23 (b) - Sabit Polarma Kullanan p-kanallı JFETDevresiŞekil 1.23 'teki devreler yükselteç olarak kullanılabilir. Yükseltilecek sinyal C kuplajkondansatörü vasıtasıyla JFET 'in gate 'ine uygulanır. JFET 'in drain ucundan ise sinyalyükseltilmiş olarak alınır. Devrede source terminali, hem giriş hem de çıkış için ortakkullanıldığı için devrenin adı da Source 'u Ortak Yükselteç 'tir. Emiteri ortak yükselteçdevresine benzer. Emiteri ortak yükselteçte giriş transistörün beyzine uygulanırken, çıkışkollektörden alınır.Bu devrelerde gate-source terminalleri VGG güç kaynağı ile ters bayaslanmıştır yanipolarmalandırılmıştır. V GG kaynağı JFET 'i öngerilimleyecek V GS gerilimi sağlar. Fakat, V GGkaynağından akım çekilmez.R G direnci, C kuplaj kondansatörü üzerinden uygulanacak herhangi bir AC sinyalinin R Güzerinde arttırılmasını sağlamak için eklenmiş olup, AC sinyalin R G üzerinde artmasıylabirlikte R G direnci üzerindeki DC gerilim düşümü,V RG = I.R = 0 Volt olur.Gate - Source gerilimi (V GS ) ise,V GS = V G - V S = V GG - 0 = V GG olarak bulunur.Drain akımı;I D = I DSS [1-(V GS /V P )] 2 formülü ile bulunabilir.

Drain akımı, R D direnci üzerinde bir gerilim düşümüne sebep olup, değeri, V RD = I D .R D ilebulunur.Şekil 1.23 (a) 'daki devrede sadece drain-source kısmını göz önüne alırsak, devre şekliaşağıdaki gibi olur.Şekil 1.24 'teki devre çıkış, drain terminalinden alınmış olupŞekil 1.23 'teki devreden herhangi bir farkı yoktur. Devreyetatbik edilen voltaj, elemanların üzerine düşen voltajlarıntoplamına eşit olduğundan;V DD = I D .R D +V DS 'dir. Burada V DS değeri aynı zamanda çıkışvoltajı (V o ) olduğu için;Şekil 1.24 - Devrenin DrainV DS = V DD -I D .R D formülü bulunur.- Source HalkasıBunun, transistörlerdeki V CE = V CC -I C .R C formülünden de hiçfarkı yoktur. Bu formülden drain akımını çekersek;I D .R D = V DD -V DSI D = (V DD -V DS )/R D formülü bulunur.Acaba, JFET devrelerindeki R D drain yük direncinin görevi nedir? (Transistörlü devrelerdeki,R C kollektör yük direnci için de geçerli)Çıkıştan alınan voltaj, V DS = V DD -I D .R D idi.R D direnci olmasaydı;V DS = V DD -I D .R D /0 ; R D =0V DS = V DD olurdu. Yani, çıkıştan alınan voltaj, daima V DD güç kaynağı değerine eşit olacaktı.Girişte yükseltilmek üzere bir AC sinyal uyguladığımız halde, çıkıştan V DD güç kaynağınındeğerini görecektik. Dolayısıyla yükselteç devresi, yükselteç gibi çalışmayacak girişineuygulanan sinyalleri yükseltmeyecekti.b. Gerilim Bölücü Dirençli PolarmaGerilim bölücü dirençli polarmaya geçmeden önce kendinden (Self) polarmalı devrelerianlatmakta fayda vardır. Self polarmalı devrelerde ikinci bir V GG gibi kaynağa gerek yoktur.Gate-source gerilimini sağlamak için source direnci (R S ) kullanılır. R S direnci, transistörlüyükselteçlerde R E direncine benzer. Self polarmalı JFET devresi Şekil 1.25 'te gösterilmiştir.R G gate direnci, R S source direnci, R D ise drain direncidir. Transistörlü yükselteçte;R G --> R B , R S --> R E , R D --> R C veya R L 'nin karşılığıdır.

Şekil 1.25 'teki devrede devre tek birkaynaktan beslenmekte olup, bu kaynakV DD 'dir. Bu devrede gate-source üzerindenhiç gate akımı akmayacağından I G = 0 'dır.Bu nedenle kapı gerilimi;V G = I G .R G = 0.R G = 0 Volt 'tur.Drain akımı ile source akımı birbirine eşitolduğundan (I D = I S ), source ile şasearasındaki gerilim V S , R S direnciüzerindeki gerilim düşümü kadardır.Source 'daki gerilim;V S = I D .R S olur.Gate-source gerilimi;Şekil 1.25 - Kendinden Polarmalı JFET DevresiV GS = V G -V S = 0-I D .R SV G = -I D .R S olur.Bu özet bilgilerden sonra gerilim bölücü dirençli polarmaya geçebiliriz.Şekil 1.26 'daki devrede, gate gerilimi R G1 veR G2 gerilim bölücü dirençler tarafındanbelirlenir. R G1 ve R G2 dirençlerinin bağlandığınoktadaki gerilim aynı zamanda gategerilimidir. R G1 'den geçen akım R G2 'den degeçer. G noktasındaki V G gate gerilimi;V G = R G2 / (R G1 +R G2 ).V DD kadardır. BuradakiV DD / (R G1 +R G2 ) aynı zamanda R G1 ve R G2voltaj bölücü dirençlerden geçen akımdır. Buakımı R G2 değeri ile çarparsak R G2 direnciüzerine düşen gerilimi buluruz. R G2 üzerindekigerilim de V G gate voltajına eşit olur. JFETöngerilimi,Şekil 1.26 - Gerilim Bölücü Direnç PolarmalıJFET Devresiedilir.V GS = V G -V S = V G -I D .R S olur.Devrenin drain-source halkası gözönünealınırsa Şekil 1.27 'deki gibi bir şekil elde

Şekil 1.27 'deki devrede Kirchhoff 'un gerilimler kanununuuygularsak;V DD = I D .R D +V DS +I D .R S olur.Fakat buradaki V DS , JFET 'in drain-source voltajını gösterip,çıkış voltajını göstermez. Çünkü bu devrede çıkış, JFET 'in drainucu ile şase arasından alınır. Formülü düzenlersek;Şekil 1.27 - Drain - SourceTerminallerine V DD GüçKaynağının BağlanmasıV DD = I D (R D +R S ) + V DS olur. Drain akımı ise;I D (R D +R S ) = V DD -V DSI D = (V DD -V DS ) / (R D +R S ) olarak bulunur.Bu formüllere göre drain voltajı yani çıkıştan alınan voltaj,V D = V DD -I D .R D olur.