Tip MOSFET

1.4 MOSFET’ LER
JFET’ ler, klasik transistörlere göre büyük bir gelişme olmasına rağmen bazı
limitlemeleri mevcuttur. JFET’ lerin giriş empedansları klasik transistörlerden daha fazla
olduğu için, JFET’ in girişine bağlanan sinyal kaynağından çekilen küçük miktardaki ters
bayas gate akımı, sinyal kaynağını yükler. Bu yükleme etkisini azaltmak ve frekans
responsunu (cevabını) geliştirmek için JFET’lere göre daha fazla gelişmiş başka bir alan etkili
transistör yapılmıştır.
Alan etkili transistörün (FET) geliştirilmiş tipi genellikle MOSFET olarak bilinen
metal oksit yarı iletkendir. MOSFET kelimesinin açık hali metal oxide semiconductor field
effect transistor’dür. MOSFET, İngilizce kelimelerinin baş harflerinden oluşmuştur.
İzole edilmiş gate özelliğinden dolayı MOSFET’ lerin giriş empedansı son derece
yüksek olup (1014 Ω) elektrodlar arası iç kapasitansı çok küçüktür. Bundan dolayı MOSFET’
ler normal transistörlerin, frekans sahasının çok daha üstündeki frekanslarda ve yüksek giriş
empedanslı yükselteçlere ihtiyaç duyulan devrelerde daha fazla kullanılır. Bunun için
MOSFET’ ler voltmetre, ohm metre ve diğer test aletlerinde kullanılırlar. MOSFET’ lerde,
JFET’ lere ve klasik transistörlere nazaran gürültü daha az olup, band genişliği daha fazladır.
MOSFET’ lerin bu üstünlüklerine nazaran bazı sakıncaları vardır. Şöyle ki; MOSFET
yapısındaki ince silikon oksit tabakası, kolaylıkla tahrip olabilir. MOSFET’ e elle
dokunulması halinde insan vücudu üzerindeki elektrostatik yük nedeniyle oksit tabakası
delinerek, kullanılmayacak şekilde harap olabilir. Bundan dolayı MOSFET’ ler özel
ambalajlarında korumaya alınmalı, MOSFET’ e dokunmadan önce kullanıcı, üzerindeki
elektrostatik yükü topraklayarak boşaltmalıdır. MOSFET’ i devre üzerine montaj yaparken
düşük güçlü havya kullanmalı ve havya mutlaka topraklanmalıdır.
MOSFET’ ler şu şekilde sınıflandırılır:
a)Azalan ( Boşluk şarjlı, depletion tipi ) MOSFET
b)Çoğalan ( Enhancement ) tip MOSFET
JFET’ lerde olduğu gibi yine kendi aralarında, n ve p kanallı azalan ve çoğalan tip olarak
ayrılırlar.
Drain
Drain
Substrate
Gate
Source
Source
a) n kanallı azalan tip MOSFET
(c) n kanallı çoğalan tip MOSFET
Drain
Gate
Substrate
Gate
Drain
Substrate
Substrate
Gate
Source
Source
(b) p kanallı azalan tip MOSFET
(d) p kanallı çoğalan tip MOSFET
Şekil 7.6. MOSFET Sembolleri
MOSFET sembollerinden görüleceği gibi JFET’lerden ayıran, MOSFET’ lerde
SUBSTRATE (SS,Bulk,Altkatman) terminalinin bulunmasıdır.
1.5 MOSFET’İN ÇALIŞMASI
A) AZALAN (BOŞLUK ŞARJLI, DEPLETION) TİP MOSFET
D
G
S
Metal
Silikon Nitrat
Silikon Oksit
SS
Şekil 7.7 Azalan Tip MOSFET’in Yapısı
Şekil 7.7’de taban malzeme (gövde) P-tipi madde alınmıştır. Bu P-tipi maddenin uygun
yerlerinde N tipi bölgeler oluşturulmuş ve aralarına ince bir kanal yerleştirilmiştir. Bu yapının
üstü silikon oksit tabakası ile tamamen kaplanmıştır. Ancak bu tabakanın havadaki
sodyumdan etkilenebileceğinden bunun üzeri ikinci tabaka olan silikon nitrat ile kapatılmıştır.
N maddelerinden çıkartılan uçların adı Drain ve Source’dur. Drain ve Source uçları, silikon
tabakalarından delik açılarak metalik irtibat sağlanmıştır. Drain ve Source uçları, N-tipi bölge
ile doğrudan irtibatlı olduğu halde Gate ucu yarıiletkenden yalıtılmış, izole edilmiş haldedir.
Burada Gate ucuna uygulanan gerilim sıfır volt olduğunda Drain ve Source uçları arasında
belirli bir akım akar. Çünkü, D ve S birbiriyle irtibatlıdır. G terminaline (+) gerilim
uygulandığında, N-tipi maddeler arasında mevcut olan kanal genişleyeceğinden D-S
arasından geçen akım artar. G terminaline (-) gerilim uygulandığında kanal daralarak akım
azalır. Şekil 7.7’de kanal N-tipi maddeden yapıldığı için N-kanallı azalan tip MOSFET’tir.
Kanal P-tipi maddeden de yapılabilir.
D-S arasından geçen akım kanaldan geçer. Gate’e uygulanan gerilim ile kanaldan geçen
akım kontrol edilir. N-kanallı azalan tip MOSFET’te Gate ile Source (-), Drain(+ ) polaritedir.
Azalan tip MOSFET’te Gate voltajı sıfır iken Drain akımı vardır. Gate’e uygulanan (-)
voltajla kanal iletkenliği dolayısıyla akım azaldığı için azalan tip MOSFET olarak adlandırılır.
A) ÇOĞALAN (ENHANCEMENT) TİP MOSFET
D
G
S
Metal
Silikon Nitrat
Silikon Oksit
SS
Şekil 7.8 Çoğalan Tip MOSFET’in Yapısı
Çoğalan tip MOSFET’in azalan tipten farkı iki N-tipi
bölgenin arasında kanal
olmamasıdır. Burada da Source(S) ve Drain (D) uçları, N-tipi bölgelerle doğrudan temas
halinde oldukları halde Gate (G) ucu yarıiletken malzemeden izole edilmiş durumdadır.
G ucuna herhangi bir gerilim uygulanmadığı sürece S ve D uçları arasından bir akım
akmaz. G ucunun bulunduğu metal parça ile P-tipi gövde bir kondansatör özelliği gösterir.
Çünkü, iki iletken bir yalıtkan kondansatörü meydana getirir. G ucuna (+) gerilim
uygulandığında, kapasite özelliğinden dolayı P-tipi gövdede iki N-maddenin yanında (-)
yükler toplanır. (Şekil7.9)
Şekil 7.9 P tipi gövdede ( - ) yüklerin toplanması
Böylece iki N-tipi madde arasında doğal olarak bir kanal oluşur. Bu durumda akım akışı
başlar. Gate’e uygulanan (+) gerilimin arttırılması halinde, iki N-tipi madde arasında oluşan
(-) yükler çoğalarak P-tipi gövde içerisinde oluşan bu kanalın genişlemesine sebebiyet verir.
Böylece S ve D uçları arasında akan akım artar. Dolayısıyla, S ve D uçları arasında akan
akım, Gate’e uygulanan gerilim ile kontrol edilebilir. Gate ucuna gerilim uygulanmadığı
sürece S ve D arasından akım akmaz.
1.6 MOSFET’İN KARAKTERİSTİKLERİ
A)
AZALAN (BOŞLUK ŞARJLI, DEPLETION) TİP MOSFET :
R1
R1
RD
RD
V1
VGS
VGG
VDS
V1
VDS
VGS
VDD
VGG
Şekil 7.10 n-kanallı azalan tip
MOSFET devre bağlantısı
Id(mA)
Şekil 7.11 p-kanallı azalan tip
MOSFET devre bağlantısı
Id
k
1V
0V
-1 V
Id=Idss(1-Vgs/Vp)2
Vds(V)
Idss
Vgs
Vp
Şekil 7.12
Şekil 7.13
Şekil 7.12’de görüldüğü gibi Vgs’nin negatif değeri arttırıldığı takdirde, belli bir gerilimde
artık Id akmaz. Bu gerilime kritik gerilim (Vp) denir. k eğrisine kadar her bir eğri Vp (pinchoff) gerilimine ulaşıncaya kadar Drain akımı da artar. Bu değerden sonra gerilim artışına
rağmen akım sabittir. Transfer karakteristiğinde gösterilen Id=Idss(1-Vgs/Vp)2 formülü,
MOSFET’lerde geçerlidir.
B) ÇOĞALAN (ENHANCEMENT) TİP MOSFET :
R1
R1
RD
V1
VDS
V1
VGS
RD
VDS
VGS
VDD
VGG
VGG
Şekil 7.14 Çoğalan tip MOSFET’lerde devre bağlantıları
Gate uygulanan negatif gerilimin azaltılması halinde Id akmayacaktır. Yine diğer
elemanlarda olduğu gibi, belli bir voltaj değerinden sonra, voltajın artmasına rağmen akım
artmayacaktır (Saturasyon). Çoğalan tip MOSFET’ler daha küçük boyutlarda olduğu için
entegre devreler için uygundur.
Örnek:
Azalan tip MOSFET’te drain-source doyma akımı 10mA, Vp = - 4 V’ tur. Drain akımını;
b)
Vgs = 0 V
c)
Vgs = -3 V gate-source gerilimleri için hesaplayınız.
a)
Id = Idss (1-Vgs/Vp)2 = 10 (1- 0 / (-4) ) 2 = 10 mA
b)
Id = Idss (1-Vgs/Vp) 2 = 10 (1- (-3) / (-4) ) 2 = 0,625 mA
Örnek:
Azalan tip MOSFET’in parametreleri Idss= 12 mA, Vp= -3 V, Vgs= 0 V’ tur. Elemanın
geçiş iletkenliğini bulunuz.
VDD
1.8
gm 
2 Idss
Vgs
(1 
)
Vp
Vp
gm 
12
0
(1 
) =8 milisiemens
3
3
MOSFET’LE YAPILAN YÜKSELTEÇ DEVRESİ
Şekil 7.16 MOSFET’le Yapılan Yükselteç Devresi
Şekil 7.16’da Source’u ortak yükselteç devresi görülmektedir. MOSFET’in giriş empedansı
JFET’e oranla çok daha fazladır. Devrenin gerilim kazancını fazlalaştırmak için Rs direnci bir
kondansatör ile AC kısa devre edilebilir. Ancak bu durumda, gerilim kazancı artmakla
birlikte, devrenin doğrusallığının bozulacağı hatırdan çıkarılmamalıdır. Devrenin AC gerilim
kazancı, Rd ile doğru, Rs ile ters orantılıdır.