Download - Bolum 5 the Field-Effect Transistor

7/24/2019 Bolum 5 the Field-Effect Transistor

1/35

5. BLM: ALAN ETKL TRANZSTRLER 1Dr. smail Tekin

5. BLM: ALAN ETKL TRANZSTRLER

Alan etkili tranzistrler (Field - effect transistor, FET) genel olarak metal oksit

yariletken alan etkili tranzistrler (MOSFET) ve jonksiyonlu FET olmak zere iki ana

gruba ayrlrlar. Jonksiyonlu FETler de pn jonksiyonlu FET (JFET) ve metal yariletkenalan etkili tranzistr (MESFET) olmak zere iki gruba ayrlrlar. MOSFETlerde NMOS ve

PMOSlar beraber kullanlarak (CMOS) ok kk alanlara daha fazla tranzistr

sdrldndan zellikle saysal devrelerde MOSFETler kullanlr. JFETler ise ok az

kullanlr.

MOSFETlerin BJTlere gre bir takm avantajlar vardr:

1. MOSFETler gerilim kontroll olduundan devrenin almas iin akma ihtiya

duymazlar. Lojik geiler dnda beslemeden (sznt akmlar hari) akm

ekmezler. Dolaysyla statik g harcamalar BJTli devrelere gre ok ok azdr.

2.

MOSFETler BJTye gre ok daha az yer kaplar.3. Diyot, diren gibi ilave devre elemanlarna (koruma elemanlar hari) ihtiya

duymazlar.

Dezavantajlar ise,

1. Yke verebilecekleri akm BJTyegre daha azdr. Dolaysyla daha yavatrlar.

2. Akm kazanlarn BJTden daha azdr.

5.1. Metal Oksit YariletkenAlan Etkili Tranzistrler(MOSFETLER)

5.1.1. Metal oksit kapasite

Metal oksit yariletken alan etkili tranzistrler (MOSFET, ksaca MOS) saysal

devrelerde en ok kullanlan devre elemandr. MOSFETlerin temelini metal oksit

yariletken kapasite oluturur. ekil 5.1de metal oksit yariletken kapasitenin yaps

gsterilmitir. Burada metal olarak nceleri genellikle alminyum kullanlmtr.

Sonralar ise yksek iletkenlie sahip polikristal silikon tabaka kullanlmtr. Ancak

hala eski isimlendirme kullanlmaktadr. Oksit tabakas olarak SiO2kullanlr. Burada tox

oksit tabakasnn kalnl, oxise dielektrik sabitidir.

Semiconductor substrate

oxtox

Metal

Isolator

(oxide)

ekil 5.1. Metal oksit yariletken kapasite.


2/35


MOS tranzistrlerin alma prensibi paralel plakal kapasitenin alma

prensibine benzer. ekil 5.2ada paralel plakal kapasiteye gerilim uygulanmas

gsterilmitir. Burada st plakada negatif ykler alt plakada ise pozitif ykler birikir ve

ekilde gsterildii gibi iki plaka arasnda bir elektrik alan meydana gelir.

- - - - - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + +

E - fieldd V

-

+

(a)

h+ E - field

p - type

- - - - - - - - -

V-

+

+ + + + + + + +

oksit layer

(b)

ekil 5.2. Paralel plakal kapasiteye ve p tipi MOS kapasiteye gerilim uygulanmas.

ekil 5.2bde p tipi tabana sahip bir MOS kapasiteye gerilim uygulanmas

gsterilmitir. st tabaka ayn zamanda kap (gate, G) olarak da adlandrlr ve negati f

ykldr. Elektrik alann yn de ekilde grld gibidir. Bu alann etkisi ile p tipi

blgedeki delikler p tipi yariletken ile oksit blgesinin kesiim noktasna doru hareket

ederler. Bylece p tipi yariletkenin oksit tabakasna yakn blgedeki delik younluu

dier blgelere gre daha fazla olur.

ekil 5.3de ayn MOS kapasiteye ters gerilim uygulanm hali gsterilmitir. Bu

durumda pozitif yk st plakada oluur ve elektrik alan yn bir ncekinin tersi olur.Oksit tabakasna yakn blgedeki delikler aaya doru itilirler. Deliklerin itilmesi ile bu

blgede aznlkta olan elektronlar ounluk haline gelir. Aznlk tayclarnn ounluk

tayclar haline geldii bu blge electron inversion layer olarak adlandrlr. Eer

kapya uygulanan gerilim artrlrsa elektrik alann iddeti de artar. Oksit tabakas ile p

tipi blgenin kesime blgesinde elektron younluunun fazla olduu blgenin genilii

kapya uygulanan gerilime baldr.

h+ E - field

p - type

- - - - - - - - -V

-+

+ + + + + + + +

oksit layer

Electron

inversion

layer

ekil 5.3. p tipi MOS kapasitenin kap ucuna pozitif gerilim uygulanmas.


3/35


ekil 5.4de n tipi tabana sahip MOS kapasiteye gerilim uygulanmas

gsterilmitir. Burada da benzer bir mekanizma vardr. Burada deliklerin ounluk

tayclar haline geldii blge hole inversion layer olarak adlandrlr.

n+ E - field

n - type

- - - - - - - - -

V-

+

+ + + + + + + +

oksit layer

Hole

inversion

layer

ekil 5.4. n tipi MOS kapasitenin kap ucuna negatif gerilim uygulanmas.

Enhancement mode tabiri inversion layer oluturmaya yetecek kadar kapya

gerilim uygulandn gsterir. P tipi tabana sahip bir MOS kapasitede electron

inversion layer olumas iin kapya pozitif bir gerilim uygulanmaldr. Benzer ekilde n

tipi tabana sahip bir MOS kapasitede hole inversion layer olumas iin kapya negatif

bir gerilim uygulanmaldr.

5.1.2. MOSFETin yaps

ekil 5.5de metal oksit yariletken alan etkili transistorn (MOSFET)

basitletirilmi kesiti gsterilmitir. Kap, oksit ve p tipi blgeler MOS kapasitedekinin

aynsdr. Kaynak ve aka terminalleri olmak zere iki yeni n tipi blgeler eklenmitir.

n+ n+

p typeL

W

S DG

ekil 5.5. N kanall MOSFETin yaps.

ekil 5.6ada gsterildii gibi MOSFETe herhangi bir gerilim uygulanmadnda

kaynak ve aka terminalleri arasnda p tipi blge vardr. Bu ekil 5.6bde gsterildii

gibi ters balanm iki diyot ile gsterilebilir. Bu durumda teorikte akm sfrdr. Eer

kapya inverse layer oluturacak kadar bir gerilim uygulandnda n tipi kaynak blgesi


4/35


ve n tipi aka blgesi n tipi kanal ile birbirlerine balanrlar (ekil 5.6c). nversion

layerde tayclar elektronlar olduundan bu tip MOSFET n kanall MOSFET veya ksaca

NMOS olarak adlandrlr. NMOSda aka - kaynak geriliminin uygulanmas ile

elektronlar kaynaktan akaa doru akarlar (akm yn ise tersidir). Akan akmn deeri,

inversion layerdaki tayc younluuna dolaysyla da kap gerilimine baldr. Kapblgesi kaynak ve aka arasndaki kanaldan oksit tabakas ile ayrldndan teorik

olarak kapdan akm akmaz. Benzer ekilde kanal ile taban da birbirinden fakirlemi

blge ile ayrldndan tabana doru da bir akm akmaz.

n+ n+

p type

L

S

G

G

(a)

(b) (c)

ekil 5.6. NMOSun yaps ve gerilim uygulanmas.

5.1.3. MOS transistorlerin alma modlar

ekil 5.7de MOS transistorlerin sembolleri gsterilmitir. Burada NMOS ve

PMOSun 3 terminalli ve 4 terminalli sembolleri gsterilmitir. Eer 5. Terminal (body,

B) gsterilmemi ise bu gvdenin NMOSda GNDye PMOSda ise VDDye baland

anlamna gelir.

G

D

S

(a) 4 Terminalli NMOS

G

D

S

(b) 3 Terminalli NMOS

G

D

S

(c) 4 Terminalli PMOS

G

D

S

(d) 3 Terminalli PMOS

ekil 5.7. MOS transistorlerin 3 terminalli ve 4 terminalli sembolleri.


5/35


Eik gerilimi:NMOSda akatan kaynaa bir akmn akmas iin kap - kaynak gerilimi,

NMOSun eik geriliminden byk olmal ( ) ve aka - kaynak gerilimi desfrdan byk olmaldr ( ). Eik gerilimi NMOSun yapsna ve fiziksel boyutunabaldr. NMOSda eik gerilimi pozitif iken PMOSda negatiftir. Eik geriliminin deeri

, | | || (5.1)

eklinde tanmlanr. Burada ; (VSB; kaynak - gvde) olduundaki eikgerilimi, ; body effect coefficient olarak tanmlanr ve

(5.2)

eklinde tanmlanr. Burada ; kap blgesindeki dielektriin birim alanndakikapasitesi ( ), q; elektronun yk, ; silikonun dielektrik sabiti, ; p tipi tabannkatk younluudur. (5.1) nolu eitlikte ; elektrostatik Fermi potansiyeli olup, NMOSve PMOS iin,

(5.3)

(5.4)

eklinde tanmlanr. Burada NA; acceptor younluu,ND; donor younluu, q; elektronun

yk, nisaf yariletkenin younluu, k; Boltzman sabiti, T; Kelvin cinsinden scaklktr.

Kesim modu: Eer deeri NMOSun eik geriliminden kk ise NMOS tkamadadrve akatan kaynaa bir akm akmaz (ID=0).

Lineer mod: deeri NMOSun eik gerilimini adnda ise aka akmakmaya balar (ekil 5.8a). Kanal ierisinde herhangi bir x noktasndaki gerilim V(x)olmak zere, bu nokta iin kap - kanal gerilimi dir. Bu gerilimin kanalntamamnda eik gerilimini atn kabul edersek, x noktasndaki birim alandaki yk

miktar,

(5.5)olur. Bu durumda akm, tayclarn (elektronlarn) srklenme hz ile akm tayacak

tayclarn yknn arpmdr.


6/35


(5.6)olur. Elektronlarn srklenme hz, elektronlarn hareket yetenei ( , m2/V.s) ileelektrik alann arpmna eittir.

(a)(b)

ekil 5.8.

(5.7)(5.5) ve (5.7) eitlikleri (5.6)da yerlerine konursa,

(5.8)olur. Bu eitlik,

(5.9)eklinde yazlabilir.xin 0dan Lye Vnin de 0dan VDSye kadar integrali alnrsa,

(5.10)

ve bu integral alnrsa ve dzenlenirse lineer modda aka akm,

(5.11)

veya

(5.12)


7/35


eklinde ifade edilir. Burada olup iletkenlik parametresidir(transconductance parametresi) ve ileride ayrntl incelenecektir.

Doyum modu:

iken VDS artarsa ve

deerine ularsa (5.5)

eitliine gre kanaln aka ucunda yk younluu sfr olur (ekil 5.8b). VDS daha

artrlrsa (5.5) nolu eitlik ile verilen yk miktar iaret deitirir. Yani olduunda kanalda pozitif yk oluur. (5.12) nolu eitlik deerine kadargeerli olduundan bu deer doyum gerilimi olarak alnabilir. (5.12) nolu eitlikte

alnarak doyumda aka akm,

(5.13)

olur. Buradan grld gibi doyumda NMOS mkemmel bir akm kayna gibi

davranr. Aka akm sadece VGS deerine baldr. Ancak gerekte bu tam doru

deildir. nk kanaln boyu VDS deerinden bamsz deildir. VDS deeri arttnda

aka blgesindeki fakirlemi blge geniler ve kanaln boyu azalr. (5.13) nolu

eitlikten grld gibi kanaln boyu azaldnda aka akm artar. Bu etki dikkate

alndnda aka akm,

(5.14)eklindedir. Burada ya kanal boyu modlasyon parametresi denir ve deneysel olarakbulunur. kat says kanal boyu ile ters orantldr.

ekil 5.9da MOSun akm - gerilim karakteristii gsterilmitir. Akm gerilim

karakteristiinde belli VGS deeri iin aka akmnn VDS ile deiimi gsterilmitir. Bu

karakteristik BJTnin k karakteristiine benzemektedir. nemli tek fark giri

parametresinin (BJTde baz akm, MOSda VGS) art ile aka akm lineer artmaz.

BJTde baz akm iki katna ktnda kolektr akm da iki katna kar. MOSda ise

durum ayn deildir. Bunun nedeni MOSda aka akmnn VGSdeerine quadratic olarak

bal olmasdr. Grafikte lineer blge erisinin sol tarafdr. Sa taraf isedoyum blgesidir. BJTde olduu gibi kesim blgesi aka akmnn sfr olduu blgedir.


8/35


ekil 5.9. MOSunakm - gerilim karakteristii.

5.1.5. MOSun iletkenlik parametresi

letkenlik parametresi k, MOS transistorun fiziksel zelliklerine baldr. Birimi

dir ve

(5.15)

eklinde tanmlanr. Burada ; tayclarn hareket yetenei, ; kap blgesindekidielektriin birim alanndaki kapasite ( ), W; kanaln genilii (m) ve L; kanalboyudur (m). NMOS iin elektronlarn hareket yeteneinin tipik deeri,

(5.16)

PMOS iin deliklerin hareket yeteneinin tipik deeri,

(5.17)eklindedir.

5.1.5. PMOSun alma modlar

PMOSun alma modlar NMOSun alma moduna benzer. Sadece akm ynleri

ve gerilimlerin polariteleri farkldr. PMOSun alma modlar aada zetlenmitir.

Kesim: olduunda aka akm,

ID(mA )VDS= VGS- VT

VGS1

VGS2

VGS3

VGS4

VGS(V)

VGS VT VDS(V)


9/35


(5.18)olur.

Lineer mod: ve olduunda aka akm,

( ) (5.19)

eklinde ifade edilir.

Doyum modu: ve olduunda aka akm,

( )

(5.20)

veya

( )() (5.21)

olur.

5.1.7. Kanal gei sresi (transit time,tt)

MOSFETlerde yaylm gecikmesini belirleyen en temel parametre tayclarn

kanal gei sreleridir. Uzun kanall MOSFETlerde (kanal boyu 2mden byk)

kanaldaki ortalama kanal elektrik alan,

(5.22)eklinde ifade edilir. Burada Lkanal boyudur. Tayclarn hz ise,

(5.23)olur. Burada ; MOSFETin yapsna gre elektronun veya deliklerin hareketyeteneidir. Bylece gei sresi

(5.24)


10/35


olur. Formlden de grld gibi gei sresi kanal boyunun karesi ile doru

orantldr. Kanal boyu ne kadar kk olursa gei sresi de o kadar kk olur .

5.1.8. Azaltlm mod MOSFETler

imdiye kadar incelediimiz MOSFETler artrlm mod (enhancement-mode)

MOSFETler olarak adlandrlr. nk bu MOSFETlerde kanal, kanaldaki tayc says

artrlarak oluturulur. Bunun tam tersi ekilde alan MOSFETler de vardr. Yani

herhangi bir gerilim uygulanmadndasavak kaynak arasnda birkanal var iken gerilim

ile kanaldaki tayc says azaltlarak kanal kapatlr. Bu tip MOSFETlere azaltlm

mod (depletion-mode ) MOSFETler ad verilir. Bu tip MOSFETler normalde iletimde

iken gerilim uygulanarak kesime gtrlr. ekil 5.10da n tipi azaltlm mod

MOSFETin yaps gsterilmitir.

ekil 5.10. n tipi azaltlm mod MOSFETin yaps

Kap ucuna herhangi bir gerilim uygulanmadnda kanal vardr ve kaynaktan

savaa bir akm akar (ekil 5.10a). Kanal ortadan kaldrmak iin MOSFETin kap ucuna

( ) negatif gerilim uygulanr. Uygulanan gerilim ile kanaldaki elektronlar tabanadoru hareket ederler ve kanaldaki elektron says hzla azalr (ekil 5.10b ). Bylece

kanaln iletkenlii ve savak akm azalr. gerilim eik gerilimine eit kanal tamamenkapanr ve savak akm sfr olur. Kapanan kanal kap ucuna pozitif bir gerilimuygulanarak tekrar alabilir (ekil 5.10c).

Azaltlm mod MOSFETlerin akm gerilim karakteristikleri artrlm mod

MOSFETlerin akm gerilim karakteristii ile ayndr. Sadece n tipi azaltlm mod

MOSFETlerin eik gerilimi negatiftir. ekil 5.11de azaltlm mod MOSFETlerin akm

gerilim karakteristii gsterilmitir. Karakteristikten de grld gibi kap ucuna

herhangi bir gerilim uygulanmadnda kanal iletimdedir. Pozitif uygulandnda

kanaldaki elektron says artacandan akan akm artarken negatif gerilim

uygulandnda kanaldaki elektron says azalr ve dolaysyla akm azalr. Negatif

gerilimin deeri eik gerilimine ulatnda kanal tamamen kapanr.


11/35


ekil 5.11. Azaltlm mod MOSFETlerin akm gerilim karakteristii.

5.1.9. MOSFETlerin sembolleri

n tipi artrlm modMOSFETlerin devre sembolleri ekil 5.12de gsterilmitir.

ekil 5.12adaki sembolde dik srekli izgi kap ucunu, kesikli dik izgi kanal, izginin

kesikli olmas MOSFETin artrlm tip olduunu, srekli izgi ile kesikli izgi arasndakiboluk kap ucu ile kanal arasndaki yaltkan blgeyi gsterir. Okun ynnn tabandan

kanala doru olmas elektronlarn tabandan kanala doru hareket ettiini gsterir.

ekil 5.12. n tipi artrlm mod MOSFETlerin devre sembolleri.

ou uygulamada taban kaynak ucuna baldr. Bundan dolay ekil 5.12b ve cde

semboller daha okkullanlr. zellikle basitlik asndan cdeki sembol ok kullanlr.


12/35


ekil 5.13de de p tipi artrlm mod MOSFETlerin devre sembolleri

gsterilmitir.

ekil 5.13. p tipi artrlm mod MOSFETlerin devre sembolleri.

ekil 5.14de ise n tipi azaltlm mod MOSFETlerin devre sembolleri

gsterilmitir. Burada savak, aka ve kanal srekli izgi ile gsterilmitir. izginin

srekli olmas savak ile aka arasnda srekli bir kanaln olduunu gsterir.

ekil 5.15. n tipi azaltlm mod MOSFETlerin devre sembolleri.

ekil 5.15de p tipi azaltlm mod MOSFETlerin devre sembolleri gsterilmitir.


13/35


ekil 5.15de p tipi azaltlm mod MOSFETlerin devre sembolleri.

5.2. MOSFETli Devrelerin dc Analizi

Burada analizler yaplrken devrelerde direnler kullanlmtr. Ancak entegre

ierisinde direnler ok yer kapladndan MOSFETli devrelerde direnler de

MOSFETlerden elde edilir. Basitlik olmas iin burada direnler kullanlacaktr.

5.2.1. Ortak kaynakl devrenin dc analizi

En temel MOSFETli devrelerden bir tanesi ortak kaynakl devredir. ekil 5.16da

n tipi artrlm mod MOSFETli ortak kaynakl devre rnei gsterilmitir. DevredeMOSFETin kaynak ucu topraa balanmtr ve kaynak ucu hem giri iaretine h em de

k iaretine ortaktr.

ekil 5.16. n tipi artrlm mod MOSFETli ortak kaynakl devre.


14/35


ekil 5.17de ortak kaynakl devrenin dc edeeri gsterilmitir. Kapdan akm

akmadndan kap ucunun gerilimi gerilim blcden hareketle,

ekil 5.17. n tipi artrlm mod MOSFETli ortak kaynakl devrenin dc edeeri.

(5.25)

eklinde bulunabilir. Bu gerilimin deerinin eik geriliminden byk olduunu ve

tranzistrn doyumda olduunu kabul ederek aka akm,

(5.26)olur. gerilimi ise,

(5.27)olur. Tranzistrde harcanan g ise kapdan ucundan akm ekilmediinden,

(5.28)olur.

rnek 5.1: Aada gsterilen ortak kaynakl devrede , , , , ve olarak veriliyor. Tranzistrzerinde harcanan gc hesaplaynz.


15/35


zm:Kap gerilimi,

olur. Tranzistr doyumda kabul edersek aka akm,

olur.

gerilimi ise,

olur. Tranzistrde harcanan g ise,

olarak bulunur. olduundan () bata tranzistrndoyumda olduu kabul dorudur. Genel olarak MOSFETli lineer kuvvetlendiricilerde

MOSFETler doyumdadr.

ekil 5.18de p tipi artrlm mod MOSFETli ortak kaynakl devre rnei

gsterilmitir. Devrede MOSFETin kaynak ucu beslemeye balanmtr. Besleme ucu ac

edeer devrede topraa balandndan devre ortak kaynakldr. Devrenin dc analizi n

tipi MOSFETli devreninkine benzer. Kap gerilimi,


16/35


ekil 5.18. p tip artrlm mod MOSFETli ortak kaynakl devre.

(5.29)

eklinde bulunabilir. gerilimi ise, (5.30)

eklindedir.

olduunu ve tranzistrn doyumda olduunu kabul ederek

aka akm,

(5.31)olur. gerilimi ise,

(5.32)olur. Tranzistrde harcanan g ise kapdan ucundan akm ekilmediinden,

(5.33)olur. Eer hesaplama sonucunda elde edilen deer artn salyorsaMOSFET doyumda kabul dorudur. Salanmyorsa lineer blgededir.

rnek 5.2:ekil 5.18de gsterilen p tipi MOSFETli ortak kaynakl devrede , , , , ve olarak veriliyor.Aka akmn ve

gerilimini hesaplaynz.


17/35


zm:Kap gerilimi,

olur. gerilimi ise, Tranzistr doyumda kabul edersek aka akm,

olur. gerilimi ise,

olur. (, ) art salanmadndanMOSFETin doyumda olduu kabul doru deildir. Dolaysyla MOSFET lineer

blgededir.Lineer blgedeki aka akm ifadesi kullanlrsa,

eitlii zlrse, olarak bulunur. Bu durumda gerilimi,

olur. art salandndan tranzistr lineer blgededir. Yukardakidenklemde ikinci kk dir. Bu aka akm iin deeri dur.Bu deer de MOSFETin doyumda olduunu gsterir. Ancak yukarda MOSFETin

doyumda olmad grldnde aka akmnn doru deeri dir.rnek 5.3:Aadagsterilen n tipi MOSFETli ortak kaynakl devrede ve olmas isteniyor. Tranzistr iin ve olarakveriliyor. Devredeki direnlerin deerini belirleyiniz.


18/35


zm: MOSFET doyumda kabul edelim. Bu durumda aka akm ifadesinden

gerilimi,

olarak bulunur. Kap ucundan akm akmadndan kap gerilimi sfrdr. Dolaysyla,

olur. Buradan

direnci,

olarak bulunur. Aka gerilimi ise,

olur. Bylece direnci,

olarak bulunur. Grld gibi art salandndan () MOSFETin doyumda olduu kabul dorudur.


19/35


rnek 5.4: Aada gsterilen p tipi MOSFETli ortak kaynakl devrede

,

ve olmas isteniyor. Tranzistr iin ve ve devrede olarak veriliyor. Devredeki direnlerin deerinibelirleyiniz.

Soru 1.1: Aada gsterilen n tipi MOSFETli ortak kaynakl devrede ve olarak veriliyor. ve gerilimlerini ve akmnbelirleyiniz.

(p ucu: nce kap gerilimini bulunuz. Daha sonra gerilimini cinsinden ifade

ediniz, aka akm ifadesinden aka akmn bulunuz. Sonra srasyla ve

gerilimlerini bulunuz. Cevaplar , , ).


20/35


zm: MOSFET doyumda kabul edelim. Bu durumda aka akm ifadesinden gerilimi,

olarak bulunur. Kap gerilimi ise,

olur. Buradan direncinden akan akm,

olarak bulunur. ve direnlerinden ayn akm aktndan,

olarak bulunur. direnci ise,

olur. Aka gerilimi ise,

olur. Bylece direnci,

olarak bulunur.


21/35


Yk dorusu ve alma modlar

Yk dorusu kullanlarak MOSFETin alma blgesi kolayca belirlenebilir.

rnek 5.1de gsterilen ortak kaynakl devreyi ele alalm. Bu devrenin yk dorusu ekil

5.19da gsterilmitir. Burada aka akmnn gerilimi ile deiim erisi zerinde ykdorusu gsterilmitir. Devredegerilimi,

ekil 5.19. Ortak kaynakl devrenin yk dorusu.

Soru 1.2: Aada gsterilen p tipi MOSFETli ortak kaynakl devrede ve olarak veriliyor. ve gerilimlerini ve akmn belirleyiniz.

(p ucu: nce kap gerilimini bulunuz. Daha sonra gerilimini cinsinden

ifade ediniz, aka akm ifadesinden aka akmn bulunuz. Sonra srasyla ve

gerilimlerini bulunuz. Cevaplar , , ).

ekil 3.32


22/35


(5.34)eklinde yazlabilir. Buradan Aka akm,

(5.35)eklinde yazlabilir. Bu denklem aka akmnn gerilimine bal doru denklemidir. iin , iin dir. Tranzistrn Q alma noktas herzaman yk dorusu zerindedir.

Eer gerilimi eik geriliminden kk ise MOSFET kesimdedir. gerilimi artrlrsa ve eik gerilimine ulatnda MOSFET iletime geer ve tranzistrdoyumdadr. Eer gerilimi artrlmaya devam ederse yk dorusu zerindeki Qalma noktas lineer blgeye doru hareket eder. Yk dorusu zerinde doyum gei

noktas olarak gsterilen nokta doyum snrdr. Bu noktada dir.rnek 5.5: Aada gsterilen n tipi MOSFETli ortak kaynakl devrede ve olarak veriliyor. Doyum gei noktasndaki gerilimini veaka akmn hesaplaynz.

zm:Doyum gei noktasnda, dir. Ayn zamanda gerilimi iin, Yazlabilir. Doyum snrnda aka akm hala,

eklinde ifade edilebilir. bu deer yukardaki eitlikte yerine konursa,


23/35


olur. Bylece doyum gei noktas iin,

olur. Dzenlenirse,

olur. e bal ikinci dereceden denklem zlrse,

olarak bulunur. Aka akm ise,

olarak bulunur.

Soru 1.3: Soru 1.2de verilen devrenin yk dorusunu iziniz ve doyum gei

noktasnn parametrelerini belirleyiniz.

Cevaplar , , ).


24/35


Kaynak direnli ortak kaynakl devre

BJTli kuvvetlendiricilerde Q alma noktasnn tranzistrn parametrelerine

olan bamlln azaltmak iin emetre bir diren balanr. Benzer bir uygulama ortak

kaynakl devrede de yaplr. Ortak kaynakl devrede tranzistrn parametrelerine(kanal boyu, kanal genilii, oksit tabakasnn genilii, taycnn hareket yetenei, vb.)

olan bamll azaltmak iin kaynak ucuna bir diren balanr.

rnek 5.6:Aada gsterilen n tipi MOSFETli ortak kaynakl devrede , , ve n gerilimleme direnlerinden akan akmn olmasisteniyor. Tranzistr iin ve olarak veriliyor. Devredekidirenlerin deerini belirleyiniz.

zm:direncinin deeri,

olarak bulunur. Aka direnci ise,

olarak bulunur. n gerilimleme direnlerinin toplam ise,

R1

R2

RD

RS


25/35


olarak bulunur. Aka akmndan hareketle,

olarak bulunur. gerilimi,

olduundandirenci,

olarak bulunur. direnci ise,

olur.

5.3. Jonksiyonlu Alan Etkili Tranzistrler

Jonksiyonlu alan etkili tranzistrlerin (JFET) pn jonksiyonlu alan etkili tranzistr

(pn JFET) ve metal - yariletken alan etkili tranzistr (MESFET) olmak zere iki tr

vardr. Jonksiyonlu FETlerde kanaln iletkenlii kanala uygulanan alan ile kontrol edilir.JFETler MOSFETlerden daha nce yaplmasna ramen MOSFETlerin avantajlarndan

dolay JFETlerin kullanm gnmzde snrldr. MOSFETlerin en nemli avantaj

akaca ve kapya uygulanan gerilimlerin ayn polaritede olmasdr. JFETlerde ise ters

polariteli olmas gerekir.MOSFETlerin giri direnci JFETlerden daha yksektir. Ayrca

MOSFETlerin retimi JFETlerden daha kolaydr.

5.3.1. Pn JFETin ve MESFETin yaps ve alma prensibi

Pn JFETin yapsve alma prensibi

ekil 5.20de pn JFETin yaps gsterilmitir. Kapy oluturan iki p tipi

yariletken blge arasna n tipi bir blge yerletirilmitir. n tipi blgede ounluk

tayclar olan elektronlar uygulanan gerilimin etkisi ile kaynaktan akaca doru

hareket ederler. Dolaysylaaka akm akatan kaynaa doru akar. Burada kanal n tipi

yariletken olutuundan bu tip pn JFETler n tipi pn JFET olarak adlandrlr. p kanall

pn JFETlerde ise iki n tipi yariletken blge arasna p tipi bir blge yerletirilmitir.

Delikler kaynaktan akaca doru hareket ederler.p kanallpn JFETlerde akm yn ve

gerilimlerin polariteleri n tipinin tam tersidir. Ayrca deliklerin hareket yetenei


26/35


elektronlarn hareket yeteneinden az olduundan p kanall JFETler dk

frekanslarda alrlar. Ayrca akm kazanlar daha dktr.

ekil 5.20. n kanall pn JFETin yaps.

ekil 5.21de n kanall pn JFETe gerilim uygulanmas gsterilmitir. ekil

5.21ada gsterildii gibi eer kap ucuna herhangi bir gerilim uygulanmazsa (kaynak

ucu toprakta) ve pozitif bir gerilimi uygulanrsa akatan kaynaa doru bir akmakar. n tipi kanal, bir diren gibi davrandndan nin kk deerleri iin akaakmnn

gerilimi ile deiimi lineerdir.

ekil 5.21. n kanall pn JFETe gerilim uygulanmas.

Eer kap ucuna negatif bir gerilim uygulanrsa kap - kanal jonksiyonu tkama

ynnde kutuplanm olur. Dolaysyla fakirlemi blge geniler,Kanaln direnci artar

(a)


27/35


ve aka akm azalr(ekil 5.21b). Eer uygulanan negatif gerilim daha artrlrsa kanal

daha da daralr ve aka akm daha da azalr (ekil 5.21c). Kanal tamamen kapatan kap

gerilimi pinchoff gerilimi olarak adlandrlr. Grld gibi pn JFETler normalde

iletimdedir ve kesime gtrmek iin kap ucuna yeterli byklkte negatif bir gerilim

uygulanmaldr.Kap gerilimi sfr iken gerilimi artrlrsa kanaln akaca yakn blgelerinde

daralma olur. Dolaysyla kanaln direnci artar ve gerilimi ile aka akmnn artazalr. Bu durum ekil 5.22de gsterilmitir. Bu durumda kanaln direnci kanaln

boyuna baldr. Eer gerilimi daha da artrlrsa ekil 5.22cde gsterildii gibikanaln akaca yakn ksm iyice kapanr. Bu gerilim deerinden sonra gerilimiartrlsa da aka akm artmaz(kanaln ucu da tam olarak kapanmaz).

ekil 5.22. n kanall pn JFETde aka akmnn ile deiimi.MESFETin yaps ve alma prensibi

Normal bir pn diyotta ounluk tayclarnn yannda aznlk tayclar da

vardr. Bu aznlk tayclar diyodun anahtarlama hzn snrlayan en nemli etkendir.

Bundan kurtulmak iin Schottky bariyer diyodu ad verilen metal - yariletken diyotlarkullanlr. Bu diyotlarda akm sadece ounluk tayclar (elektronlar) ile salanr.

Dolaysyla bu diyotlar olduka hzl diyotlardr. Bu diyotlarn bir dier avantaj eik

gerilimlerinin normal diyotlara gre dk olmasdr (civarnda).ekil 5.23de MESFETin yaps gsterilmitir. Yaltkan bir taban zerine n tipi

blge oluturulur. Daha sonra katk younluu yksek olan aka ve kaynak ksmlar

oluturulur. Yapya dikkat edilirse kap ucunda bir pn jonksiyon olmad grlr.

Burada metal -yariletken bir jonksiyon vardr. Kap ucuna uygulanan gerilim ile kap

elektrodu ile altndaki n tipi blge arasndaki fakirlemi blgenin genilii ayarlanr.

Bylece kanaln iletkenlii kap gerilimi ile kontrol edilmi olur. Kap ucuna uygulanan


28/35


negatif gerilim deeri yeterince byk ise fakirlemi blge tabana kadar ulaabilir ve

kanal kapanr (pinchoff gerilimi). Yapdan da grld gibi kap ucuna herhangi bir

gerilim uygulanmadnda MESFET iletimdedir.

ekil 5.23. MESFETin yaps.

5.3.2. JFETlerin akmgerilim karakteristikleri

ekil 5.24de n kanall ve p kanall JFETlerin sembolleri, kap kaynak gerilimleri

ve akm ynleri gsterilmitir. Eer JFET doyum modunda kutuplanmsa akm gerilim

ilikisi,

ekil 5.25. n kanall ve p kanall JFETlerin sembolleri, kap kaynak gerilimleri ve akm

ynleri.

(5.36)

eklindedir. Burada olduundaki doyum akm, ise pinchoff gerilimidir.ekil 5.25de n kanall ve p kanall JFETlerin ideal akm gerilim karakteristikleri

gsterilmitir. n kanall JFETlerde pinchoff gerilimi ve gerilimi negatif olduundan

oran pozitiftir. p kanall JFETlerde ise pinchoff gerilimi ve

gerilimi pozitif

olduundan oran pozitiftir.


29/35


n kanall JFETlerde doyum art , p kanall JFETlerde ise eklindedir.

ekil 5.25. n kanall ve p kanall JFETlerin ideal akm gerilim karakteristikleri.

ekil 5.26da n kanall ve p kanall JFET doyumda iken aka akmnn gerilimiile deiimi gsterilmitir.

ekil 5.26. n kanall (a) ve p kanall (b) JFET doyumda iken aka akmnn gerilimi iledeiimi.

JFETlerde aka akmnn deiimi belli bir noktadan sonra deiimi ekil5.25de gsterildii gibi sabit deildir. BJTlerde Elarly olayna benzer bir olay burada dasz konusudur ve akmnn deiimi aadaki gibidir.

(5.37)

k direnci ise,


30/35


(5.38)

ifadesinden hareketle (5.37) eitliinin trevi alnrsa,

[] (5.39)

olur.

MESFETlerin akm - gerilim karakteristii ise MOSFETlerin akm - gerilim

karakteristiine benzer.

5.3.3. JFETlerin dc analizi

rnek 5.7: Aada gsterilen n kanall JFETli devrede , , olarak veriliyor. ve olmas iin devredeki direnlerin deerinihesaplaynz.

zm:JFETi doyumda kabul ederek,

gerilimi,

olarak bulunur. buradan hareketle

direnci,


31/35


olarak bulunur. Devreden,

olarak bulunur. , , olduundan JFETindoyumda olduu kabul dorudur.

rnek 5.8:Aada gsterilen n kanall JFETli devrede , , , olarak veriliyor. ve olmas iin devredekidirenlerin deerini hesaplaynz.

zm:JFETi doyumda kabul ederek, gerilimi,

olarak bulunur. Devreden,

olarak bulunur. Buradan kap gerilimi,


32/35


olarak bulunur. Gerilim blcden,

( )

olarak bulunur. Devreden direnci,

olarak bulunur. , , 5olduundan JFETindoyumda olduu kabul dorudur.

rnek 5.9:Aada gsterilen MESFETli devrede , , , olarak veriliyor. ve olmas iin devredekidirenlerin deerini hesaplaynz.

zm:


33/35


direncinin deeri,

olarak bulunur.

olur.

5.5. FETlerin Temel Kullanm Alanlar

Bipolar tranzistrler gibi FETler de anahtarlama ve kuvvetlendirme yaparlar.ekil 5.27de NMOS evirici devresi gsterilmitir. ise MOSFET kesimdedir,dolaysyla dr.direnci zerinde gerilim dm olmadndan olur.

ekil 5.27. NMOS evirici.

olduunda MOSFET iletime geer ve ilk olarak olduundan doyum modundadr. Eer giri artrlrsa gerilimi azalr ve belli bir girigeriliminden sonra doyumdan karak lineer blgeye geer. olduunda iseMOSFET artk lineer blgededir. BJTden farkl olarak MOSFETler anahtar olarak

kullanldnda ya kesimdedir ya lineer blgededirler.

ekil 5.28de NMOS NOR kaps gsterilmitir.Her iki giri de sfr olduunda her

iki tranzistr de kesimde olacandan olur. Herhangi bir giri olduunda girii lojik 1 olan MOSFET iletime geer ve lineerblgededir. k ise en dk deerinde olur.


34/35


ekil 5.28. NMOS NOR kaps

rnek 5.10: ekil 5.28de gsterilen NMOS NOR kapsnda MOSFETler zde olup

, olarak veriliyor. dr. Girilerin tm lojikdurumlar iin den akan akm ve k gerilimini hesaplaynz.zm: Her iki giri de sfr olduunda her iki tranzistr de kesimde olacandan

olur. direncinden akm akmaz. Eer ve ise M1MOSFETi lineer blgede,M2MOSFETi ise kesimdedir. Bu durumda aka akm,

Eitlii zlrse olarak bulunur. Buradan aka akm,

olarak bulunur.

Eer ve ise M2MOSFETi lineer blgede, M1MOSFETi isekesimdedir ve yine ve olur.

Her iki giri de ise her iki MOSFET de lineer blgededir. Budurumda den akan akm olur. yani,


35/35

Eitlii zlrse olarak bulunur. Buradan den akan akm,

olur. Aka akmlar ise olur.ekil 5.29da MOSFETin kuvvetlendirici olarak kullanlmas gsterilmitir. Q

alma noktas ve direnleri ile ayarlanr. Girie sinzoidal iaret uygulandndabu iaret dc iarete ilave olur. Q alma noktas giri iaretine bal olarak ekildegsterildii gibi yk dorusu zerinde aaya ve yukarya hareket eder.

ekil 5.29. NMOSlu ortakkaynakl kuvvetlendirici.