DENEY-2

DENEY-2
BJT VE MOSFET’İN
DC ÖZELLİKLERİNİN ÇIKARTILMASI
DENEYİN AMACI: Bipolar jonksiyonlu transistör (BJT) ve MOS transistörün DC
(doğru akımda) çalışma bölgelerindeki akım-gerilim ilişkilerinin teorik ve pratik olarak
kavranması.
ÖN HAZIRLIK
Deneye gelmeden önce temiz bir kâğıda aşağıdakilerin yazılması istenmektedir;
9 BJT (npn) için VCE − I C grafiğinin çizilmesi ve grafikteki değişik çalışma
bölgelerinin belirtilmesi
9 İleri yönde çalışan bir BJT (npn) için V BE − ln( I C ) grafiğinin çizilmesi
9 NMOS için VDS − I D grafiğinin çizilmesi ve grafikteki değişik çalışma
bölgelerinin belirtilmesi
9 NMOS için VGS − I D grafiğinin çizilmesi ve Vtn değerinin kabaca grafikte
gösterilmesi.
GÖZDEN GEÇİRİLMESİ FAYDALI KONULAR
9 BJT ve MOSFET’in çalışma bölgeleri
9 BJT ve MOSFET’in fiziksel yapıları arasındaki farklar
KULLANILACAK MALZEMELER
9 1 Adet Güç kaynaklı deney tahtası (1 adet sabit 5V ve 1 adet ayarlanabilir ( 0 15V) DC gerilim kaynağı, ve 1 adet standart breadboard)
9 2 Adet Multimetre (standart DC ölçümler için)
9 1 Adet Değişken direnç kutusu (1kΩ - 1 MΩ)
9 1 Adet 10 kΩ direnç
9 1 Adet BC238 NPN Transistör
9 1 Adet CD4007 UB CMOS inverter
9 Yeterli sayıda kablo ve tel.
2-1
1. BJT ELEMAN DAVRANIŞININ İNCELENMESİ
Bir npn bipolar jonksiyonlu transistörün baz-emetör ve baz-kollektör gerilimleri
değerlendirildiğinde, sahip olabileceği 4 farklı çalışma rejimi Şekil-2.1’de gösterildiği
gibidir. Aslında bir akım kontrol elemanı olan BJT, kuvvetlendirici olarak kullanıldığı
uygulamalarda ileri yönde (aktif) çalışma bölgesinde kalacak şekilde kutuplanır. Şekil2.1’den anlaşılacağı üzere bu bölgede VBE > 0 ve V BC < 0 olmalı, yani baz-emetör
jonksiyonu geçirme, baz-kollektör jonksiyonu tıkama yönünde kutuplanmalıdır. Bir
anahtar elemanı olarak kullanıldığı uygulamalarda (dijital) ise çalışma bölgeleri doyma
(anahtar kapalı) ve kesimdir (anahtar açık). Şekil-2.1 üzerinde bu çalışma bölgeleri
gösterilmiştir.
V BC
Ters yönde
çalışma
Doyma
_
V BE
VBC
0
Kesim
C
+
İleri Yönde
Çalışma
B
+
VBE
_
E
Şekil-2.1 npn BJT’nin çalışma bölgeleri ve devre sembolü.
V BC
Deney-2.1: Önce transistörün ileri yönde çalışmasını inceleyelim. V BE > 0 ve
< 0 olduğu bu durum için kollektör akımının
I C ≅ I S eVBE / VT
(2.1)
IC = βF I B
(2.2)
şeklinde ifade edildiğini biliyoruz. Transistörün ileri yönde çalışmasına ilişkin bu iki
temel karakteristiği elde edebilmek için Şekil-2.1’deki, elektronik devrelerde en çok
2-2
uygulaması olan, ortak emetörlü konfigürasyonu, R3 direncini kısa devre ederek ve VC
gerilim değerini 5 V seçerek kurunuz.
Devredeki R1 direncinin değiştirilmesiyle farklı I B ve/veya V BE değerleri
oluşturulabilir. Ayarlanabilir R1 direncini değiştirerek, I C − VBE ve I C − I B değişim
karakteristiklerini elde etmeye yeter sayıda ölçüm yapınız. Bulduğunuz ölçüm
sonuçlarını, R2 üzerinden akan akım ( I B ) değerlerini de hesaplayarak Ek-A’daki tabloya
ve eksen takımlarına işleyiniz.
R3
V
A
1k
R1
R2
1M
10 k
5V
VB
5V
VC
V
Şekil-2.2 Ortak emetörlü konfigürasyon
Deney-2.2: Şimdi de transistörü ters yönde ve doymada çalıştırarak gerekli
ölçümleri yapalım. İleri yönde çalışma için seçtiğimiz değişik R1 değerlerinden ortalama
bir değer seçelim ve bu değer için daha önceden bulduğumuz sonuçları (Ek-A’daki tablo
içinden) Ek-B’ye işleyelim.
Aynı düzenekte emetör ve kollektörün yerlerini değiştirerek transistörün ters
yönde çalışmasını sağlayalım ve gerekli ölçümleri yaparak Ek-B’ye işleyelim.
Şimdi R1 direncini kısa devre edip, değişken direnci R3 olarak (1kΩ) devreye
ekleyelim. Bu sayede transistörü ( VCB <0 yaparak) doymalı bölgede çalıştıralım. Gerekli
ölçümleri yaparak Ek-B’ye işleyelim.
Üç değişik bölge (ileri yön, ters yön ve doyma) için bulduğunuz β değerlerinin
arasındaki farkın nedenini tartışınız.
2-3
2. MOSFET ELEMAN DAVRANIŞININ İNCELENMESİ
Bir NMOS transistörün devre sembolü Şekil-2.3’de gösterildigi gibidir ve aslında
4 uçlu (D, G, S, B) bir elemandır. BJT’nin aksine, savak ve kaynak birbirinin tamamen
simetriğidir.
VDS
VGS
Şekil-2.3 NMOS’un devre sembolü
Bir MOSFET’in savak (D) akımının, eşik gerilimi ( VT ), geçit-kaynak gerilimi
( VGS ) ve savak-kaynak gerilimine ( V DS ) bağlı olarak üç farklı bölgede incelendiğini
biliyoruz. Bir NMOS için bu rejimler ve bu rejimlere ilişkin savak akımları,
1) VGS − Vtn < 0 için kesim:
ID = 0
2) VGS − Vtn > VDS için doymasız:
1 2 

I D = k n (VGS − Vtn )VDS − V DS
 (1 + λ nV DS ) (2.4)
2

3) VGS − Vtn < VDS için doymalı:
ID =
kn
(VGS − Vtn )2 (1 + λnVDS )
2
(2.3)
(2.5)
olarak belirlidir.
Deney-2.3: Önce Şekil-2.4’deki düzeneği kurunuz. VG =10V, V D =5V seçerek, R2
direncini 100kΩ’dan başlamak üzere kademe kademe azaltarak, VGS − I D karakteristiğini
belirleyecek yeterli sayıda ölçüm yapınız. Ölçtüğünüz değerleri Ek-C’deki tabloya ve
eksen takımına işleyiniz.
2-4
Şekil-2.4 Ortak kaynaklı konfigürasyon.
Deney-2.4: Şimdi de VG =5V, R2=100kΩ olarak seçelim. R2 sabit olduğundan
değeri sabit olacaktır. Değişken gerilim kaynağı yardımıyla, V D gerilimini 0 – 10V
VGS
arası değiştirerek V DS − I D karakteristiğini elde etmeye çalışınız. Bulduğunuz değerleri
Ek-D’deki tabloya ve eksen takımına işleyiniz.
Deney-2.5: Şekil-2.5’deki düzeneği oluşturarak üç farklı VSB değeri ( VSB = VR1 )
seçiniz. Sırasıyla R1 =0 (kısadevre), 1k ve 2.2k değerleri için V D ’yi degiştirerek I D
akımını 1 mA de sabit tutmaya çalışınız ve I D = 1 mA için VGS değerlerini ölçerek EkE’deki tabloya işleyiniz. Transistörün üç farklı durum için aynı akımı akıtmasına rağmen
VGS değerlerinin neden farklı çıktığını tartışınız.
Aşağıdaki denklemde gösterildiği gibi kaynak-taban jonksiyonuna uygulanan
farklı tıkama yönü gerilimi ( VSB ) değerleri için eşik geriliminin değeri değişir.
Vtn = Vtn 0 + γ n  2 φ p + VSB − 2 φ p 


(2.6)
VD
R1
Şekil-2.5 Diyot bağlı NMOS’un oluşturduğu konfigürasyon.
2-5
Deneyi yaptıran Araş. Gör.:
Oda No:
e-mail:
Grup No:
Tarih :
ÖLÇME SONUÇLARINI İŞLEME KISMI
EK-A (DENEY-2.1)
VCE =
R1
V BE
IC
VR 2
IB
β
2-6
EK-B (DENEY-2.2)
V BE
VCE
IB
IC
β
İleri Yönde
Çalışma
Ters Yönde
Çalışma
Doyma
EK-C (DENEY-2.3)
V DS =
VGS
ID
2-7
EK-D (DENEY-2.4)
VGS =
V DS
ID
Ek-E (DENEY-2.5)
ID =
VSB
VGS
2-8
EK-BİLGİLER
Değişken değerli DC
gerilim kaynağı
CD4007
BC237/238/239
2-9