Kavşak Alan Etkili Transistör (JFET)

Bipolar kavşak alan etkili transistör öğreticilerinde, transistörün çıkış toplayıcı akımının, cihazın taban terminaline akan giriş akımı ile orantılı olduğunu gördük. Böylece daha büyük bir yük akımını değiştirmek için daha küçük bir akım kullanılabildiğinden, bipolar transistörü “GEÇMİŞ” ile çalışan bir cihaz (Beta modeli) haline getirir.

Bununla birlikte bir alan etkili transistör veya sadece bir FET, giriş terminaline uygulanan voltajı kullanır. Bu da içinden akan akımı kontrol etmek için bir gate olarak adlandırılır. Bu da çıkış akımının giriş voltajıyla orantılı olmasına neden olur. İşlemleri, giriş gate voltajı tarafından üretilen bir elektrik alanına (dolayısıyla alan etkisi adı) dayandığından, bu daha sonra alan etkisi Transistörünü “voltaj” ile çalışan bir cihaz haline getirir.

Kavşak Alan Etkili Transistör
Tipik Alan Etkili
transistör

Alan etkili transistör, Bipolar transistör muadillerine çok benzer özelliklere sahip üç terminalli tek kutuplu bir yarı iletken cihazdır. Örneğin, yüksek verimlilik, anında çalışma, sağlam ve ucuz ve çoğu elektronik devre uygulamasında eşdeğer bipolar bağlantı transistörlerini (bjt) kuzenlerini değiştirmek için kullanılabilir.

Alan etkili transistörler, eşdeğer bir bjt transistöründen çok daha küçük yapılabilir. Düşük güç tüketimi ve güç dağılımı ile birlikte, CMOS dijital mantık yongaları gibi entegre devrelerde kullanım için idealdir.

Önceki öğreticilerden, temel olarak yapıldıkları p-tipi ve N-tipi yarı iletken malzemelerin fiziksel düzenlemesini tanımlayan iki temel bipolar transistör yapısı, NPN ve PNP olduğunu hatırlıyoruz. Bu aynı zamanda FET için de geçerlidir, çünkü n-kanal FET ve P-kanal FET olarak adlandırılan iki temel alan etkili transistör Sınıflandırması da vardır.

Alan etkili transistör, drain ve source terminalleri arasındaki ana akım taşıma yolu içinde PN-kavşakları olmadan inşa edilmiş üç terminalli bir cihazdır. Bu terminaller, Bipolar transistörün sırasıyla kollektöre ve emittere karşılık gelir. Bu iki Terminal arasındaki akım yolu, bir P-tipi veya bir N-tipi yarı iletken malzemeden yapılabilen “kanal” olarak adlandırılır.

Bu kanalda akan akımın kontrolü, gate’e uygulanan voltajın değiştirilmesiyle elde edilir. Adından da anlaşılacağı gibi, Bipolar Transistörler “Bipolar” cihazlardır çünkü her iki tip şarj taşıyıcısı, delik ve elektron ile çalışırlar. Öte yandan, alan etkili transistör, sadece elektronların (N-kanalı) veya deliklerin (P-kanalı) iletimine bağlı olan “tek kutuplu” bir cihazdır.

Alan etkili transistör, standart bipolar transistör kuzenlerine göre önemli bir avantaja sahiptir çünkü giriş empedansı ( rın ) çok yüksektir (binlerce Ohm), BJT’de ise nispeten düşüktür. Bu çok yüksek giriş empedansı onları giriş voltajı sinyallerine karşı çok hassas hale getirir Ancak bu yüksek hassasiyetin bizden götürüsü de statik elektrikten kolayca zarar görebilmeleri olacaktır.

Standart Metal oksit yarı iletken alan etkili transistör veya kısaca MOSFET olarak bilinen iki ana alan etkili transistör türü bulunmaktadır. Bağlantı alanı etkili transistör JFET ve yalıtımlı kapı alan etkili transistörlerdir (IGFET).

Kavşak Alan Etkili Transistör

Daha önce iki kutuplu bir bağlantı transistörünün, emitter ve kollektör terminalleri arasındaki ana akım taşıma yolunda iki PN-kavşağı kullanılarak inşa edildiğini gördük. Kavşak Alan Etkili Transistör (JUGFET veya JFET) PN-bağlantılarına sahip değildir. Bunun yerine çoğunluk taşıyıcıların içinden akması için N-tipi veya P-tipi silikondan bir “Kanal” oluşturan dar bir yüksek dirençli yarı iletken malzeme parçasına sahiptir. Her iki uçtaki ohmic elektrik bağlantıları sırasıyla drain ve source olarak adlandırılır.

Kavşak alan etkili transistörlerin, N-kanal JFET ve P-kanal JFET olmak üzere iki temel yapılandırması mevcuttur. N-kanalı JFET’İN kanalı donör safsızlıkları ile katkılıdır. Bu da kanal boyunca akım akışının elektronlar şeklinde negatif (dolayısıyla n-kanalı terimi) olduğu anlamına gelir. Benzer şekilde P-kanalı JFET’İN kanalı, alıcı safsızlıklarla katkılıdır. Bu da kanal boyunca akım akışının delikler şeklinde pozitif (dolayısıyla p-kanalı terimi) olduğu anlamına gelir. N-kanal JFET’LERİ, eşdeğer P-kanal tiplerinden daha büyük bir kanal iletkenliğine (daha düşük direnç) sahiptir. Çünkü elektronlar deliklere kıyasla bir iletken boyunca daha yüksek bir hareketliliğe sahiptir. Bu N-kanallı JFET’İN, P-kanallı muadillerine kıyasla daha verimli bir iletken olmasını sağlar.

Daha önce, kanalın her iki ucunda drain ve source adı verilen iki ohmik Elektrik bağlantısı olduğunu söylemiştik. Ancak bu kanal içinde gate terminali olarak adlandırılan üçüncü bir elektrik bağlantısı vardır. Bu aynı zamanda ana kanal ile bir pn-kavşağı oluşturan bir P-tipi veya N-tipi malzeme olabilir.

Kavşak alan etkili transistör ve bir bipolar kavşak transistörünün bağlantıları arasındaki ilişki aşağıda karşılaştırılmıştır.

JFET ve BJT Arasındaki Bağlantıların Karşılaştırılması

Kavşak Alan Etkili Transistör
JFET ve BJT Arasındaki Bağlantıların Karşılaştırılması

Jfet’lerin her iki konfigürasyonu için semboller ve temel yapı aşağıda gösterilmiştir.

Kavşak Alan Etkili Transistör

Kavşak alan etkili transistörün yarı iletken “kanalı”, bir voltaj VDS’NİN bir akım kimliğinin akmasına neden olduğu dirençli bir yoldur ve bu nedenle kavşak alan etkili transistör, akımı her iki yönde de eşit derecede iyi iletebilir. Kanal doğada dirençli olduğu için, kanalın uzunluğu boyunca bir voltaj gradyanı oluşur ve bu voltaj, drain terminalinden source terminaline giderken daha az pozitif hale gelir.

Sonuç olarak, pn-kavşağının bu nedenle drain terminalinde yüksek bir ters önyargıya ve source terminalinde daha düşük bir ters önyargıya sahip olmasıdır. Bu önyargı, kanal içinde bir “tükenme tabakası” oluşmasına ve genişliği önyargı ile artmasına neden olur.

Drain ve source terminalleri arasındaki kanaldan akan akımın büyüklüğü, ters önyargılı olan gate terminaline uygulanan bir voltaj ile kontrol edilir. Bir N-kanal JFET’İNDE bu gate voltajı negatiftir, bir P-kanal JFET için gate voltajı pozitiftir.

JFET ve bir bjt cihazı arasındaki temel fark, JFET kavşağı ters önyargılı olduğunda gate akımının pratik olarak sıfır olmasıdır, oysa Bjt’nin taban akımı her zaman sıfırdan büyük bir değerdir.

Bir N-Kanal JFET’in Biası

Kavşak Alan Etkili Transistör

Yukarıdaki kesit diyagramı, ters biased bir PN-kavşağı oluşturan N-tipi kanala dağılmış gate adı verilen bir p-tipi bölgeye sahip bir N-tipi yarı iletken kanalı göstermektedir. Harici voltaj uygulanmadığında gate alanı etrafında tükenme bölgesini oluşturan bu kavşaktır. Bu nedenle jfet’ler tükenme modu cihazları olarak bilinir.

Bu tükenme bölgesi, PN-kavşağı etrafında değişen kalınlıkta bir potansiyel Gradyan üretir. Etkili genişliğini azaltarak ve böylece kanalın kendisinin genel direncini artırarak kanal boyunca akım akışını sınırlar. Daha sonra tükenme bölgesinin en tükenmiş kısmının gate ve drain arasında olduğunu, en az tükenmiş alanın ise gate ve source arasında olduğunu görebiliriz.

Harici gate voltajı ( vg = 0) ve drain ile source arasında uygulanan küçük bir voltaj ( VDS ) olmadan, maksimum doygunluk akımı ( IDSS ) kanaldan drain’den source’a akacaktır. Sadece kavşakların etrafındaki küçük tükenme bölgesi ile sınırlandırılacaktır.

Gate’e küçük bir negatif voltaj ( -VGS ) uygulanırsa, tükenme bölgesinin boyutu artmaya başlar. Kanalın genel etkili alanını azaltır ve böylece içinden akan akımı azaltır. Bir tür “sıkma” etkisi meydana gelir. Bu nedenle, ters biased voltajı uygulandığında, tükenme bölgesinin genişliği artar ve bu da kanalın iletimini azaltır.

PN-kavşağı ters biased olduğundan, gate bağlantısına çok az akım akacaktır. gate voltajı ( -VGS ) daha negatif hale getirildiğinde, kanalın genişliği, drain ve source arasında daha fazla akım akmayana kadar azalır ve FET’NİN “sıkıştığı” söylenir (bir bjt için kesme bölgesine benzer).

Sıkıştırılmış JFET Kanalı

Kavşak Alan Etkili Transistör

Bu sıkışma bölgesinde gate voltajı, VGS kanal akımını kontrol eder ve VDS’NİN çok az etkisi vardır veya hiç etkisi yoktur.

Sonuç olarak, fet, VGS = 0 olduğunda sıfır direnç ve gate voltajı çok negatif olduğunda maksimum “açık” direnç ( RDS ) olan voltaj kontrollü bir direnç gibi davranır. Normal çalışma koşulları altında, JFET kapısı her zaman source’a göre negatif biased’dır. Source’a kısa devre yapan bir gate ile bir N-kanal JFET’İN çıkış özellikleri aşağıdaki gibi verilir:

Tipik Bir FET Kavşağının Çıkış Karakteristiği V-I Eğrileri

Kavşak Alan Etkili Transistör
Tipik Bir FET Kavşağının Çıkış Karakteristiği V-I Eğrileri

Gate’e uygulanan voltaj VGS, drain ve source terminalleri arasında akan akımı kontrol eder. VGS, gate ve source arasında uygulanan voltajı ifade ederken, VDS, drain ve source arasında uygulanan voltajı ifade eder.

Bir kavşak alan etkili transistör, voltaj kontrollü bir cihaz olduğundan “gate’e akım akmaz!”. Daha sonra cihazdan akan source akımı ( IS), içine akan drain akımına eşittir ve bu nedenle ( ID = IS ) olacaktır.

Yukarıda gösterilen özellikler eğrileri örneği, bir JFET için dört farklı çalışma bölgesini gösterir ve bunlar aşağıdaki gibi verilir:

  • Ohmik bölge-VGS = 0 olduğunda, kanalın tükenme tabakası çok küçüktür ve JFET voltaj kontrollü bir direnç gibi davranır.
  • Kesme Bölgesi-bu, gate voltajının sıkışma bölgesi olarak da bilinir, VGS, JFET’İN kanal direnci maksimumda olduğu için açık devre olarak hareket etmesine neden olmak için yeterlidir.
  • Doygunluk veya aktif bölge – JFET iyi bir iletken haline gelir ve gate source voltajı ( Vgs ) tarafından kontrol edilirken, drain source voltajı ( VDS ) çok az veya hiç etkiye sahip değildir.
  • Arıza Bölgesi-drain ve source arasındaki voltaj (VDS), jfet’in dirençli kanalının bozulmasına ve kontrolsüz maksimum akımı geçmesine neden olacak kadar yüksektir.

Bir p-kanal kavşağı alan etkili transistör için karakteristik eğriler, drain akımı kimliğinin artan bir pozitif gate source voltajı olan VGS ile azalması dışında, yukarıdakilerle aynıdır. Vgs = VP olduğunda boşaltma akımı sıfırdır. Normal çalışma için VGS, VP ile 0 arasında bir yerde olacak şekilde önyargılıdır. Daha sonra drain akımını, doygunluk veya aktif bölgedeki herhangi bir bias noktasının kimliğini aşağıdaki gibi hesaplayabiliriz:

Aktif Bölgedeki Drain Akımı

Kavşak Alan Etkili Transistör
Aktif Bölgedeki Drain Akımı

Boşaltma akımının değerinin sıfır olduğunu ve IDSS (maksimum akım) arasında olacağını unutmayın. Drenaj akımı kimliğini ve drenaj kaynağı voltajı VDS’Yİ bilerek, kanalın direnci (RDS ) şu şekilde verilir:

Drain Source Kanal Direnci

Kavşak Alan Etkili Transistör
Drain Source Kanal Direnci

Burada: GM, JFET voltaj kontrollü bir cihaz olduğundan ve kapı kaynağı voltajındaki değişime göre drenaj akımının değişim oranını temsil ettiği için “transconductance gain” dir.

Fet’lerin Modları

Bipolar bağlantı transistörü gibi, üç terminalli bir cihaz olan alan etkili transistör, üç farklı çalışma moduna sahiptir ve bu nedenle aşağıdaki konfigürasyonlardan birinde bir devre içinde bağlanabilir.

Ortak Source (CS) Yapılandırması

Kavşak Alan Etkili Transistör
Ortak Source (CS) yapılandırması

Ortak kaynak konfigürasyonunda (ortak yayıcıya benzer), giriş gate uygulanır ve çıkışı gösterildiği gibi drain’den alınır. Bu yüksek giriş empedansı ve iyi voltaj amplifikasyonu nedeniyle FET’İN en yaygın çalışma modudur ve bu nedenle ortak kaynak amplifikatörleri yaygın olarak kullanılmaktadır.

FET bağlantısının ortak kaynak modu genellikle Ses frekans amplifikatörlerinde ve yüksek giriş empedansı ön amplifikatörlerinde ve kademelerinde kullanılır. Bir amplifikasyon devresi olan çıkış sinyali, giriş ile 180 derece” faz dışı ” dır.

Ortak Gate (CG) Yapılandırması

Kavşak Alan Etkili Transistör
Ortak Gate (CG) Yapılandırması

Ortak gate konfigürasyonunda (ortak tabana benzer), giriş kaynağa uygulanır ve çıkışı, gösterildiği gibi doğrudan toprağa (0v) bağlı kapı ile drain’den alınır. Ortak gate düşük giriş empedansına ancak yüksek çıkış empedansına sahip olduğundan dolayı önceki bağlantının yüksek giriş empedansı özelliği bu konfigürasyonda kaybolur.

Bu tip fet konfigürasyonu, yüksek frekanslı devrelerde veya düşük giriş empedansının yüksek çıkış empedansı ile eşleştirilmesi gereken empedans eşleştirme devrelerinde kullanılabilir. Çıkış, giriş ile “faz içi” dir.

Ortak Drain (CD) Yapılandırması

Kavşak Alan Etkili Transistör
Ortak Drain (CD) Yapılandırması

Ortak drain konfigürasyonunda (ortak kollektöre benzer), giriş kapıya uygulanır ve çıkışı kaynaktan alınır. Ortak drain veya” source takipçisi ” konfigürasyonu, yüksek giriş empedansına ve düşük çıkış empedansına ve yakın birlik voltaj kazancına sahiptir, bu nedenle tampon amplifikatörlerde kullanılır. Kaynak takipçisi konfigürasyonunun voltaj kazancı birlikten daha azdır ve çıkış sinyali giriş sinyali ile “faz içi”, 0o’dur.

Bu tip konfigürasyona “ortak drain” denir, çünkü drain bağlantısında sinyal yoktur. Mevcut voltaj, +VDD sadece bir bias sağlar. Çıkış, giriş ile fazdadır.