Mosfet Nedir?

Mosfet Nedir?

MOSFET’ler, üç terminalli elektronik anahtarlardır. MOSFET prensibi 1925 senesinde patentlenmiş fakat üretimi 1960’lara kadar uzamıştır. MOSFET ismi bir akronimdir. ‘MOS’ kısmı, MOSFET’in metal oksit (SiO2) Gate’ini belirtirken; ‘FET’ kısmı, iletim-kesim yöntemi olarak elektrik alanın kullanıldığını belirtir. Genel olarak 4 adet MOSFET çeşidi vardır. İki ana çeşit, N kanal ve P kanal MOSFET’lerdir. N kanal ve P kanal,  MOSFET’in uygun polarmalanma (kutuplanma) gerilimleriyle ilgilidir. İki alt çeşit ise Enhancement (Artımlı) ve Depletion (Azaltımlı) MOSFET’lerdir. Enhancement MOSFET’ler, normalde açık devreyken; depletion MOSFET’ler, normalde kapalı devredirler.

mosfet, Mosfet Nedir?

MOSFET’in Gate (Kapı) terminali ile diğer iki terminal arasında çok ince bir metal oksit yalıtkan bölge bulunmaktadır.  Arada yalıtım olması, Gate’in bir kondansatör gibi davranmasına yol açar. Gate terminaline gerilim uygulandığında, bu kondansatör şarj olmaya başlar ve gate ile diğer iki terminal arasında bir elektrik alan oluşur. Bu sayede Drain (Savak) terminalinden Source (Kaynak) terminaline doğru kondüktans (iletkenlik) artar. Bu açıdan, çalışma prensipleri triode (vakum tüpleri) ile benzerdir. Gate gerilimi ile Drain-Source direnci kontrol edilir. BJT’lerin tam tersine sabit bir kolektör-emitör gerilim düşümleri yoktur. Bu yüzden dirençlere benzerler. Genel olarak MOSFET’ler gerilim kontrollü direnç elemanlarıdır.

Mosfet Nasıl Çalışır?

Çalışma tiplerine göre 2 tip MOSFET vardır:

Depletion Tip MOSFET (N Kanal):

Bu tip MOSFET’lerin yapılarında, Drain ve Source uçlarına bağlı iki N tipi bölgenin arasında kanal bulunur. Gate ucu üstündeki gerilim 0V olduğunda bile bu kanal sayesinde Drain ve Source arasında belirli bir akım geçer. Gate’e (+) gerilim uygulandığında Drain-Source arasındaki kanal genişleyerek üzerlerinden geçen akım artar. (-) gerilim uygulandığında ise kanal daralarak geçen akım azalır.

Enhancement Tip MOSFET (N Kanal):

Depletion tip MOSFET’lerden farkları, Drain-Source arasında bir kanal bulunmamasıdır. Gate terminaline bir gerilim uygulanmadığı takdirde Drain-Source arasında bir akım akmaz. Bu tip MOSFET’lerde iki N tipi iletken ve aralarındaki yalıtkan, bir kondansatör yapısı oluşturmaktadır. Gate terminaline (+) ve (-) gerilim uygulanarak Drain-Source arasındaki akım kontrol edilir.

mosfet, Mosfet Nedir?

Mosfet Nerelerde Kullanılır?

MOSFET’ler yüksek frekanslı elektronik devrelerde, voltmetre, ohmmetre, multimetre gibi ölçme aletlerinde, yüksek giriş empedanslı amplifier (yükselteç)’de sıklıkla kullanılırlar. Bunun haricinde güç elektroniğinde kullanılan güç MOSFET’leri bulunur. Bu MOSFET’ler güç kaynaklarında, düşük gerilimli motor kontrol devrelerinde ve DC-DC çeviricilerde kullanılırlar.

MOSFET Ne İşe Yarar?

MOSFET, en kısa tanımıyla geçidi yalıtılmış alan etkili bir transistör çeşididir. Yazının başında da belirttiğimiz gibi hem analog ve dijital fark etmeksizin elektronik devrelerde ihtiyaca bağlı şekilde anahtarlama ve güç dengeleme işi yaparlar. En sık kullanılan elektronik devreler ise dijital devrelerdir. Standart MOSFET’ler bir transistör gibi çalışırken, bunların haricindeki güç MOSFET’leri ise yüksek seviyeli güç kontrolü yapabilmeyi sağlamaktadır.

P Kanal ve N Kanal MOSFET

Hem Depletion hem de Enhancement tip MOSFET’ler, N kanal ve P kanal olmak üzere iki ayrı sınıfa ayrılırlar. N kanal MOSFET’ler, Drain ve Source uçlarına bağlı iki N tipi maddeden oluşmaktadır; P kanal MOSFET’ler ise Drain ve Source’a bağlı iki P tipi maddeden oluşmaktadır.

mosfet, Mosfet Nedir?
  • N kanal Depletion MOSFET’lerde akım Drain’den Source’a doğru akmaktadır.
  • P kanal Depletion MOSFET’lerde ise akım Source’dan Drain’e doğru akmaktadır.
  • N tipi Enhancement MOSFET’lerde Gate terminaline pozitif gerilim uygulandığında iki N tipi madde arası (-) yüklü elektronlar toplanır ve akım akmaya başlar.
  • P tipi Enhancement MOSFET’lerde Gate terminaline negatif gerilim uygulandığında iki P tipi madde arası (+) yüklü elektronlar toplanır ve akım akmaya başlar.

Mosfet'i Anahtarlama İçin Kullanımı

Aşağıda görülen devrede MOSFET, Aktif ve Kesim modlarında çalışmak üzere kutuplandırılmıştır. Bu çalışma modunda MOSFET bir anahtar gibi davranır. Butona basıldığında; VGS gerilimi VBAT gerilimine, VDS gerilimi ise VBAT – VLOAD gerilimine eşit olacaktır. VBAT ve VLOAD gerilimleri uygun biçimde seçildiğinde, LED üzerinden akım akacak ve yanacaktır. İlerleyen bölümde datasheet üzerinden gerekli parametreleri okuyarak devreyi tamamlayacağız. Buton bırakıldığında, Gate terminali RGate üzerinden toprağa bağlanacak ve VGS = 0 ≤ Vth olacağından, MOSFET kesime giderek LED’i söndürecektir.

mosfet, Mosfet Nedir?

Şekildeki devre gerçek yaşamda kullanışsız bir devredir. MOSFET kullanmadan; 1 batarya, 1 buton, 1 direnç ve 1 LED ile de aynı işi yapan bir devre yapılabilir. Fakat LED yerine 2000 Watt’lık bir ısıtıcı rezistans kullanmak istendiğinde, basit bir push buton yeterli akımı sağlayamaz. Ayrıca bu rezistansın PWM ile sürülmesi istenirse, herhangi bir mekanik anahtarla yeterli akım sağlanabilse dahi yeterli hızda (20 kHz ve üzeri) anahtarlama yapılamaz. MOSFET’ler, bu ihtiyaçlara cevap veren kullanışlı devre elemanlarıdır. Güç elektroniği devrelerinde sıklıkla kullanılırlar

Diğer tüm devre elemanları gibi MOSFET’ler de ideal davranış sergilemezler. Frekans ile doğru orantılı olarak artan anahtarlama kayıpları ve Gate akımı, statik elektriğe dayanıksız Gate yalıtkanı (elinize aldığınızda dahi bozulabilir), şarj – deşarj edilmek mecburiyetinde olan Gate kapasitansı ve lojik devreler için uyumlu olmayan Vth gerilimi (Bu devrelerde Logic Level MOSFET’ler kullanılır.) MOSFET’li devrelerin kullanımını güçleştirir.

Mosfet'in Anahtarlama Kayıpları

MOSFET’lerin anahtarlama elemanı olarak kullanımından bahsettik. İdealde anahtarlar, ON durumunda akım geçiren ve OFF durumunda yalıtıma giderek akımı kesen devre elemanlarıdır. Yukarıdaki grafikte; anahtar ON durumundayken iletken olduğundan üstünde gerilim düşümü olmaz. OFF durumundayken açık devre olduğundan, tüm gerilim üstünde düşer ve akım geçişi sıfır olur. P=V*I formülünden, anahtar ON durumundayken gerilim, OFF durumundayken de akım sıfır olur ve ikisinin çarpımı olan güç daima sıfır olur. Gerçekte ise grafikteki gibi keskin iniş ve çıkışlar mümkün değildir. Akım ve gerilim, rampa biçiminde iner ve çıkar. Ayrıca MOSFET’in Gate kapasitansı ve Gate terminaline giden iletkenin endüktif etkisi de hesaba katıldığında, sonuçlar grafikten farklı olacaktır.

mosfet, Mosfet Nedir?

Aşağıdaki grafikte MOSFET’in akım ve gerilim grafiği verilmiştir. Görüldüğü üzere, MOSFET iletime geçtiği anda akım rampa biçiminde yükselmiş ve gerilim, osilasyon yaparak sıfıra yaklaşmıştır. Yine MOSFET kesime giderken akımın sıfıra yaklaşması belli bir gecikme ile gerçekleşmiş ve altta kırmızı renkle belirtilmiş güç bileşeni, sıfırdan farklı değerler almıştır. Bu nedenle MOSFET üstünde güç harcandığı söylenebilir. Harcanan güç, frekansın artış göstermesi ile bilrikte artacak ve MOSFET’in daha fazla ısınmasına neden olacaktır. Bu güce, anahtarlama kayıpları denir.

mosfet, Mosfet Nedir?