FET Nedir?

Tek kutuplu transistör olarak da adlandırılan FET, bir cihazın elektriksel davranışını kontrol etmek için kullanılan bir alan etkili transistördür.

FET, çok yüksek bir giriş empedansına sahiptir (JFET’ler için 100 Mega ohm ve MOSFET’ler için 104 ila 109 Mega Ohm), sıradan bir transistörün temel eksiklikleri, yani sinyal kaynağının yüklenmesinin sonucu olarak düşük giriş empedansı FET’te ortadan kaldırılmıştır. Bu nedenle FET, transistörlerin kullanılabileceği hemen hemen her uygulamada kullanım için ideal bir cihazdır. FET’ler, yüksek giriş empedansları nedeniyle osiloskoplarda, elektronik voltmetrelerde ve diğer ölçüm ve test ekipmanlarında giriş amplifikatörleri olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır.

İpucu

• FET elemanları, BJT elemanlarına kıyasla çok az yer kapladığından, FET’ler entegre’lerde yaygın olarak kullanılmaktadır.
• FET’ler, FM ve TV alıcılarında ve mantık devrelerinde kıyaslama çalışması için operasyonel amplifikatörlerde (op-amp’ler) ve ton kontrollerinde vb. Voltaj değişken dirençleri (WR’ler) olarak kullanılır.
• FET’ler, çalışma hızları daha düşük olmasına rağmen genellikle dijital anahtarlama devrelerinde kullanılır.

FET Nasıl Çalışır?

Çalışma mantığı, N Kanal ve P Kanal alt başlıklarında anlatılmıştır.

FET Çeşitleri

Alan etkili transistör; Jonksiyon(Kesişme Noktası) FET (JFET) veya metal oksitli yarı iletken JFET (MOSFET) olarak yapılır ve iki guruba ayrılır. FET transistör imalatı N kanallı ve P kanallı olmak üzere iki tipte üretilir. N kanallı JFET’lerde iletim elektronla ile, P kanallı JFET’ lerde ise oyuklar ile gerçekleşir. FET’ ler ekonomik olarak uygun ve yapımı basit olduğu için kullanım oldukça yaygındır.

FET üretimi iki şekilde yapılır: N kanallı ve P kanallı olmak üzere iki tipte üretilir. Yukarıdaki şekilde FET’in fiziksel yapısı ve elektriksel sembolü görülmektedir. FET sembolünde, GATE ucunda bulunan okun yönü kanal tipini anlatır. Ok yönü içeri doğru ise N kanal FET, ok yönü dışarıya doğru ise P kanal FET olduğu anlaşılır.

İpucu

N kanallı FET ile P kanallı FET’in çalışma prensibi tamamen aynıdır. Aralarındaki tek fark akım yönleri ile polarma gerilimlerinin ters olmasıdır.

N Kanal FET

Drain-source arasına uygulanan besleme gerilimi, drain ucu ile GND arasına bağlanır. Bu gerilim, drain devresindeki besleme gerilimi olarak ifade edilir. VDS ile sembolize edilir. VDS gerilimi, N kanal içerisindeki elektronların hareket etmesini sağlar. Bu elektronlar, source’den drain’e oradan da VDS kaynağının pozitif kutbuna gider. VDS kaynağının içinden source’e geri döner. Source ve drain üzerinden geçen bu akıma drain akımı denir. ID ile sembolü ile gösterilir.

P Kanal FET

P kanal FET’in D ucuna (-) ve S ucuna (+) polarma uygulandığı zaman U GS geriliminin değeri 0 V ise, P maddesinden yapılmış kanaldan maksimum değerli akım geçişi olur. U GS gerilimi 0 V değerinden itibaren (+) yönde artırılırsa P-N birleşim bölgesinde elektron ve oyuk azalması ortaya çıkacağı için S’den D’ye geçen akım azalır.

JFET Nedir?

JFET (junction field effect transistor – birleşim yüzeyli alan etkili transistör) imal edilen ilk alan etkili transistörlerdir (FET-field effect transistör).

JFET transistör üç (bacaklı) uçludur: Gate, Source, Drain. JFET’ lerin G bacakları normal transistörlerin BASE bacağına, SORUCE bacakları normal transitörlerin EMITTER bacağına, DRAIN bacakları ise normal transistörlerin COLLECTOR bacaklarına benzetilebilir.

Normal transistör ile JFET transistör arasındaki tek fark, normal transistörün kolektör emiter arasındaki akımın, base’inden verilen akımla kontrol edilmesi, JFET transistör’ ün ise gate’ inden verilen gerilim ile kontrol edilmesidir. Yani JFET’ ler gate ucundan hiçbir akım çekmez. Bu da JFET’ in en önemli özelliğidir. Bu özellik, içerisinde çok sayıda transistör bulunduran entegrelerde ısınma ve akım yönünden büyük bir avantaj sağlar.

JFET’in Karakteristikleri

JFET’lerde; gate ucu, kanal bölgesini (azalma bölgesi) kontrol etmek için kullanılır. Örnek olarak N kanallı bir JFET’ te, gate ile source arasına uygulanan negatif polariteli bir gerilim, gerilim azalma bölgesini büyültür. Bu durum, kanal akımının daha düşük değerlerinde kanalın kapanmasına neden olur. Eğer VGS gerilimi artırılırsa kanalın azalma bölgesi daha da büyür. Sonuçta drain akımı aşağıdaki şekil a ve b’de gösterildiği gibi daha düşük akım seviyelerinde doyuma erişir. Karakteristikte sabit VGS geriliminin çeşitli değerlerinde ID ve VDS değerleri gösterilmiştir.

Neticede N kanal bir JFET’te gate-source arasına uygulanan ters polarma artarken, kanal akımı azalır. Gate-source arasına uygulanan ters polarma gerilimi yeterli büyüklüğe erişirse kanal tamamen kapanabilir ve ID akımı sıfıra düşebilir. Kanalın tamamen kapanıp akım geçirmemesine sebep olan ters gerilim değerine “gate-source daralma gerilimi (pinch-off)” denir. Bu değer, “VP (V pinch-off)” ile tanımlanır.

MOSFET Nedir?

Daha önce MOSFET hakkında yazdığımız içeriğe buradan erişebilirsiniz.

FET Avantajları ve Dezavantajları

FET bileşeninin en büyük avantajı yüksek giriş direncidir. Bu direnç değeri yaklaşık 100M Ohm Düzeylerindedir.

FET, voltaj kontrollü bir cihaz ve giriş-çıkış arası yüksek bir izolasyona sahiptir.

Kutupsuz bir cihaz olması sayesinde elektronik gürültü miktarı da azdır.

Radyasyona karşı da mukavemetlidir, termal kapasitesi ise BJT’ye göre bir hayli stabildir.

Dezavantajları ise; bant genişliği BJT’ye göre daha dardır.

Özellikle MOSFET çeşidi, aşırı gerilim yüklenmelerine karşı çok hassastır. Bu yüzden kullanılırken özel kontrol gerektirirler. Ayrıca statik hasarlanma olasılığı da bir hayli fazladır.

FET ve Klasik Transistörlerin(BJT) Kıyaslaması

FET’lerin Giriş empedansları daha yüksektir. (BJT ‘de 2Kohm iken FET ‘lerde yaklaşık 100Mohm ‘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 sebeple entegrelerde daha fazla kullanılırlar.
• Yüksek giriş empedansı ve alçak elektrodlar arası kapasitans özelliğiyle yüksek frekans devrelerinde rahtlıkla kullanılırlar.
• BJT ‘lere göre sakıncası ise band genişliklerinin dar olması ve çabuk hasar görebilmesidir.

FET Uygulamaları

Low Noise Amplifikatör (LNA)

Gürültü, yararlı bir sinyale aşırı yüklenen istenmeyen bir rahatsızlıktır. Gürültü, sinyalin içerdiği bilgilere müdahale eder; gürültü ne kadar büyükse, bilgi o kadar azdır. Örneğin, radyo alıcılarındaki gürültü, bazen sesi veya müziği tamamen maskeleyen çatırtı ve tıslama geliştirir. Benzer şekilde, TV alıcılarındaki parazit, resim üzerinde küçük beyaz veya siyah noktalar oluşturur; şiddetli gürültü resmi silebilir. Gürültü sinyal gücünden bağımsızdır çünkü sinyal kapalıyken bile mevcuttur.

Her elektronik cihaz belirli miktarda gürültü üretir ancak FET çok az gürültüye neden olan bir cihazdır. Bu, alıcıların ve diğer elektronik ekipmanın ön ucunun yakınında özellikle önemlidir, çünkü sonraki aşamalar sinyalle birlikte ön uç gürültüsünü yükseltir. Ön uçta FET kullanılırsa, son çıkışta daha az güçlendirilmiş gürültü (bozulma) elde ederiz.

Buffer Amplifikatör (Tampon)

Bir buffer (tampon) amplifikatör, önceki aşamayı sonraki aşamadan izole eden bir amplifikasyon aşamasıdır. Kaynak takipçisi (ortak drenaj). Tampon yükseltici olarak kullanılır. Yüksek giriş empedansı ve düşük çıkış empedansı nedeniyle FET, şekilde gösterildiği gibi mükemmel bir tampon amplifikatör görevi görür. Yüksek giriş empedansı nedeniyle, önceki aşamadaki hemen hemen tüm çıkış voltajı, tampon amplifikatörün girişinde görünür ve düşük çıkış empedansı nedeniyle, tampon amplifikatörden gelen tüm çıkış voltajı, küçük olsa bile, bir sonraki aşamanın girişine ulaşır.

Cascode Amplifikatör

Cascode amplifikatörü, ortak bir kaynak (CS) amplifikatörü ile aynı voltaj kazancına sahiptir. Cascode bağlantısının ana avantajı, bir CS amplifikatörünün giriş kapasitansından önemli ölçüde daha az olan düşük giriş kapasitansıdır. Aynı zamanda arzu edilen bir özellik olan yüksek giriş direncine sahiptir.

Analog Switch (Anahtarlama)

FET’ler aynı zamanda anahtarlama elemanı olarakta kullanılabilir. FET’e hiçbir geçit voltajı uygulanmadığında, yani VGS = 0 olduğunda, FET doymuş hale gelir ve genellikle 100 ohm’dan daha düşük bir değere sahip küçük bir direnç gibi davranır ve bu nedenle çıkış voltajı şuna eşit olur:

V_OUT = {R_DS/ (R_D + R_{DS (ON)})}* V_in

Kapıya VGS’ye (KAPALI) eşit bir negatif voltaj uygulandığında, FET kesme bölgesinde çalışır ve genellikle bazı mega ohm’luk çok yüksek bir direnç gibi davranır. Bu nedenle çıkış voltajı neredeyse giriş voltajına eşit olur.

Chopper (Kıycı)

Doğrudan bağlı bir amplifikatör, kuplaj ve baypas kapasitörlerini dışarıda bırakarak ve her kademenin çıkışını doğrudan bir sonraki aşamanın girişine bağlayarak inşa edilebilir. Böylece doğru akım ve alternatif akım birleştirilir. Bu yöntemin en büyük dezavantajı, bir sapmanın meydana gelmesi, besleme transistörü tarafından üretilen nihai çıkış voltajında ​​yavaş bir kayma ve sıcaklık değişimleridir.

Multiplexer (Çoklayıcı)

Giriş sinyallerinden birini çıkış hattına yönlendiren bir devre olan analog çoklayıcı şekilde gösterilmiştir. Bu devrede, her JFET, tek kutuplu tek konumlu bir anahtar olarak işlev görür. Kontrol sinyalleri (Vv V2 ve V3) VGS’den (0FF) daha negatif olduğunda, tüm giriş sinyalleri bloke edilir. Herhangi bir kontrol voltajını sıfıra eşit yaparak, girişlerden biri çıkışa iletilebilir. Örneğin, Vx sıfır olduğunda, çıkışta elde edilen sinyal sinüzoidal olacaktır. Benzer şekilde, V2 sıfır olduğunda, çıkışta elde edilen sinyal üçgen olacak ve V3 sıfır olduğunda, çıkış sinyali kare dalga bir olacaktır. Normalde, kontrol sinyallerinden yalnızca biri sıfırdır.

Current Limiter (Akım Sınırlayıcı)

JFET akım sınırlama devresi şekilde gösterilmiştir. Bu nedenle, neredeyse tüm besleme voltajı yük boyunca görünür. Yük akımı aşırı bir seviyeye yükselmeye çalıştığında (kısa devre veya başka bir nedenden dolayı olabilir), aşırı yük akımı JFET’i akımı 8 mA ile sınırladığı aktif bölgeye zorlar. JFET artık bir akım kaynağı olarak hareket eder ve aşırı yük akımını önler.

Phase Shift Oscillators (Faz Kaydırıcı)

JFET, amplifiye edici eylemin yanı sıra geribildirim eylemini de birleştirebilir. Bu nedenle, bir faz kayması osilatörü görevi görür. FET’in yüksek giriş empedansı, yükleme etkisini en aza indirmek için özellikle faz kaydırmalı osilatörlerde çok değerlidir. Şekilde N-kanal JFET kullanan tipik bir faz kaydırmalı osilatör gösterilmektedir.