FET Nedir?

Elektronik

FET nedir?

FET Nedir ? 

(JFET, field effect transistör, alan etkili transistör): 

Alan Etkili Transistör (Field Effect Ttransistor), 3 uçlu bir grup yarı iletken devre elemanının genel adıdır. İki yarı iletkenin birleşiminden oluşmuş ve G-D-S adlı üç ayağı bulunan elemanlara FET denir.

FET’in ayaklarının anlamları:

G (gate): Kapı, geçit

D (drain): Oluk

S (source): Kaynak

Not: Bazı FET’ lerde dördüncü bir uç daha vardır. Bu gövde (substrate) ucudur.

Alan etkili transistör (FET), BJT (çift kutuplu yüzey birleşmeli transistör)’den farklı olarak tek kutuplu bir elemandır. FET, anahtar olarak kullanıldığı zaman bir gerilimde bir sapma olmaz. FET’ ler radyasyona karşı transistörlere oranla duyarsızdır. FET, BJT’ den daha az gürültülüdür.  Yüksek ısı kararlılığı vardır. Bu nedenlerden FET çeşitleri biyomedikal sistemlerde çok kullanılır. BJT’lerin de kullanılabileceği basit devrelerde, FET’ ler BJT’ lere göre pahalı olduğu için kullanılmaz.

FET’ lerin bazı özellikleri

• Gürültü (parazit) oranları çok düşüktür.
• Akımları ısı ile fazla değişmez.
• Giriş ve çıkış empedansları alçak frekanslarda çok yüksektir. Ancak, çalışma frekansları yükseldikçe bu değer düşer.

FET Çeşitleri

Alan etkili transistör; Jonksiyon 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 yapılır. N kanallı JFET’lerde iletim elektronla ile, P kanallı JFET’ lerde ise oyuklar ile gerçekleşir. FET’ ler  ekonomik  ve yapımı basit olduğu için kullanım alanı oldukça çok fazladır.

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: Geyt (Gate), Sörs (Source), Dreyn (Drain). JFET’ lerin G bacakları normal transistörlerin beyz bacağına, source bacakları normal transitörlerin emiter bacağına, drain bacakları ise normal transistörlerin kolektör bacaklarına benzetilebilir. Normal transistör ile JFET transistör arasındaki tek fark, normal transistörün kolektör emiter arasındaki akımın, beyz’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 üretimi iki şekilde yapılır: 

N kanallı ve P kanallı olmak üzere iki tipte üretilir. Yukarıdaki şekilde JFET’in fiziksel yapısı ve elektriksel sembolü görülmektedir. JFET sembolünde, gate ucunda bulunan okun yönü kanal tipini anlatır. Ok yönü içeri doğru ise N kanal JFET, ok yönü dışarıya doğru ise P kanal JFET olduğu anlaşılır. Bu durum şekilde a ve b’de gösterilmektedir.

Üç yarı iletkenin birleşiminden oluşan transistörlerin giriş empedansı düşüktür. Bu nedenle yüksek giriş empedanslı devreler üretebilmek için karmaşık tasarımlar yapmak gerekmektedir. Yani, transistörler akım kontrollüdür. FET’lerde ise giriş ucunun direnci (empedansı) çok  yüksek olduğundan çekilen akım çok çok azdır.

JFET Yapısı ve JFET Çalışma Prensibi

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

• N kanallı FET’in çalışma prensibi

JFET’in polarmalandırılması ve elektron akışı şekil 1 üzerinde gösterilmektedir. Drain-source arasına uygulanan besleme gerilimi, drain ucu ile şase arasına bağlanır. Bu gerilim, drain devresindeki besleme gerilimi olarak ifade edilir. V_DS ile sembolize edilir. V_DS gerilimi, N kanal içerisindeki elektronların hareket etmesini sağlar. Bu elektronlar, source’den drain’e oradan da V_DS kaynağının pozitif kutbuna gider. V_DS kaynağının içinden source’e geri döner. Source ve drain üzerinden geçen bu akıma drain akımı denir. I_D ile sembolü ile gösterilir.

JFET’in gate terminali kontrol ucudur. JFET’in iletkenliğini kontrol eder. Gate terminali kullanmadan JFET’in çalışmasını inceleyelim. Aşağıda verilen devrede, V_DS gerilimi 0V (şase) yapılırsa ve V_DS besleme kaynağı da 0V’ dan başlayarak yükseltilirse kanal içerisinden geçen akım miktarı da artar. Ancak N tipi kanalın jonksiyon direnci maksimum akım değerini sınırlar. V_DS daha fazla artırıldığı zaman  JFET’ de bir ters polarma bölgesi meydana gelir. Bu polarma bölgesine, azalma bölgesi adı verilir. Azalma bölgesi, kanal akımının n maddesinin dar bir kesidi içinden geçmesini gerektirir. Bundan dolayı ile I_D akımında artık bir azalma söz konusu olur.

V_DS kaynağının daha fazla artırılması sonucu kanalın tamamen daraldığı bir duruma ulaşılır. Bu değerden sonra daha fazla akım akışı oluşmaz. Çünkü kanal kapanma moduna girmiş ve drain akımı doyuma erişmiştir. Bu durum şekilde görülmektedir.

Netice olarak, kanal direncinden dolayı drain-source arasında bir gerilim düşümü oluşur. V_DS artarken drain ve source uçlarında V_DS gerilim düşümü oluşur. Bu gerilim düşümüne ise I_D akımı neden olur.

Şekil 2′ de görüldüğü gibi V_P noktasında, V_DS artarken I_D sabit bir değerde kalır. I_D maksimum değerine erişmiştir. I_Dmax değerine ise I_DSS denir. I_DSS kanalın doyum akımıdır. Bu anda yani I_DSS akımı, V_P değerine eriştiğinde gate-source arası gerilim de sıfırdır (V_GS =0V).  I_DSS değeri, elemanın yapısına göre belli bir değerde bulunur. Bu değer imalatçı firma tarafından verilir veya ölçülebilir.

N kanal FET karakteristik eğrisi

• P kanallı FET’in Çalışma Prensibi

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’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 V_GS 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 V_GS geriliminin çeşitli değerlerinde I_D ve V_DS 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 I_D akımı sıfıra düşebilir. Kanalın tamamen kapanıp akım geçirmemesine sebep olan ters gerilim değerine “gate-source daralma gerilimi (pinch-off)” denir. Bu değer, “V_P (V pinch-off)” ile tanımlanır.

V_DS gerilimi artarken kanalın daraldığı görülür. FET’in bir başka önemli karakteristiği ise transfer karakteristiği olarak ifade edilir. Transfer karakteristiği eğrisi, sabit bir drain-source (V_DS) geriliminde, gatesource (V_GS ) geriliminin fonksiyonu olarak elde edilen drain akımının (I_D) eğrisini gösterir. Transfer karakteristiği şekil 4 . a ve b’ de gösterildiği gibi elemanın iki önemli parametresi olan VP ve IDSS değerlerini verir. Transfer karakteristiği eğrisi matematiksel olarak eşitliği ile anlatılır.

Bu eşitlik ya da bu eşitlikten çizilen transfer karakteristiği V_P ve I_DSS değerlerine bağlıdır ve JFET’in çalışmasını iyi ifade eder. Transfer karakteristiği eşitliği ile şekil 4′ deki transfer karakteristiği karşılaştırıldığında; V_GS = 0 olduğunda, eşitliğin I_D = I_DSS durumunu sağladığı ve eğrinin dikey eksen I_D’ yi, I_DSS değerinde kestiği görülür.

Diğer taraftan I_D = 0 için eşitlik V_GS = V_P durumunu sağlar. I_DSS ve V_P değerleri imalatçı kataloglarında verilir. Bu değerlerden faydalanılarak transfer karakteristiği çizilebilir. Transfer karakteristiği eğrisinden ve değerlerden yararlanarak I_D değerleri de hesaplanabilir.

JFET’ler sinyal yükseltmek amacı ile kullanıldıklarında aktif bölgede çalıştırılır. Aktif bölgede çalışma ise büyük ölçüde dc polarma gerilimleri ile sağlanır. JFET’ler anahtarlama devrelerinde ve sayısal devrelerde çok sık kullanılır.

JFET Parametreleri ve JFET Formülleri

JFET’ e uygulanan voltajların değiştirilmesi ile, JFET’in gösterdiği davranışa parametre denir. Üretici firmalar, elemanı tanımlamak ve farklı elemanlar arasında seçim yapabilmek için gerekli olan bilgileri transistör kataloğu’ nda verir.

JFET parametreleri:

• Drain-source doyma akımı (IDSS): Gate-Source eklemi kısa devre yapıldığı zaman drain-source arasından akan akımdır.
• Gate-source kapama gerilimi (VP): Drain-Source kanalının kapandığı gerilim değeridir.
• Gate-source kırılma gerilimi (BVGDS):Bu parametre belirli bir akımda drainsource kısa devre iken ölçülür. Uygulamada bu değerin üzerine çıkılması durumunda eleman zarar görebilir.
• Geçiş iletkenliği (gm): Drain akım değişimine göre gate voltaj değişimine denir.
• Geçirgenlik, direncin tersi olduğu için birimi (MHO) veya Siemens’tir. JFET transfer karakteristiğinde iki önemli nokta IDSS ve VP değerleridir.

Geçirgenlik V_DS sabit iken drain akım değişiminin gate-source arası voltaj değişimine oranıdır. Aşağıdaki formülle hesaplanır.

Örnek soru:

I_DSS = 7,5 mA, V_P = 4 V olan p-kanallı JFET elemanının drain akımını V_GS = 2 Volt için bulunuz.

Çözüm:

JFET Polarmalandırılması (Kutuplanması)

Belli bir drain akımı ve drain-source gerilimi çevresinde JFET’in çalışması için çoğunlukla polarmalandırılması gerekir. JFET bir yükselteç olarak çalıştırılacaksa aktif bölgede çalışacak şekilde polarma gerilim ve akımları seçilir. JFET polarmalarında birçok polarma tipi kullanılabilir. Bunlar:

• Sabit Polarma Devresi

Sabit polarmalı bir JFET yükselteç devresi aşağıdaki şekilde verilmektedir. Yükselteç devresi incelediğinde polarmanın iki adet DC besleme kaynağı tarafından sağlandığı görülmektedir.  Bu devrede çift besleme kaynağı kullanılmıştır.

Sabit polarmalı JFET yükselteç ve giriş-çıkış sinyalleri (Şekil 6)

Şekil 6’da görüldüğü gibi giriş sinyali ile çıkış sinyali arasında 180° derece faz farkı vardır.

• Self Polarma Devresi

Pratik uygulamalarda JFET’ li yükselteçler genel olarak tek bir DC besleme kaynağı ile polarmalandırılır. Böyle bir polarma devresi şekil 8′ de görülmektedir. Devrede gate – source polarma gerilimi elde etmek için bir self polarma direnci RS kullanılmıĢtır. RS direnci uçlarında ID . RS gerilim düşümü sebebi ile pozitif bir VS gerilimi oluşur. Gate veya RG gate direncinden dc akımı geçmediği için gate gerilimi sıfır volttur. Gate gerilimi sıfır volt olduğu için, gate (0V) ile source (+V ) arasında ölçülen net gerilim negatif giriş sinyali çıkış sinyali gerilimdir (referans noktası source alındığı zaman negatif değerde ölçülür). Ölçülen bu negatif gerilim gate-source arası polarma gerilimi VGS’dir. Gate-source arası polarma bağlantısı;

olduğu devreden görülmektedir. Bu bağıntı transfer karakteristiği üzerinde gösterilir. Bunun için iki ID değeri seçilir. JFET kesimde iken; ID = 0 olur. JFET iletimde iken;

Şekil 6’ da self polarmalı JFET yükselteç devresi ve giriş-çıkış sinyal şekilleri gösterilmektedir.

Self polarmalı JFET yükselteç devresi ve giriş-çıkış sinyal şekilleri ( Şekil 7 )

• Gerilim Bölücülü Polarma

JFET için kullanılan bir diğer dc polarma devresi ve giriş-çıkış sinyal şekilleri, aşağıdaki şekil 8′ de gösterilmektedir. Bu polarma şekli, gerilim bölücülü gate polarma olarak bilinir. Bu polarma tipinde, polarma gerilimi ve akımının belirlenmesi diğer polarma devrelerindeki gibidir.

Gerilim bölücü polarmalı JFET yükselteç ve giriş-çıkış sinyal şekilleri (Şekil 8)

JFET Nerelerde Kullanılır?

JFET kullanım alanları; biyomedikal devrelerde yüksek frekansta çalışma giriş sinyali çıkış sinyali, (ultrasonik cihazlar) ve radyoaktiviteye karşı nispeten duyarsız (lineer accelerator-doğrusal hızlandırıcı, kobalt 60 cihazları) olduğu için çok sık kullanılır.

VHF yükselteçler, alıcı ve vericilerin radyofrekans ve alçak frekans katları, ölçü aletleri, otomatik kazanç kontrol devreleri, osilatörler, mikserler yüksek frekansta çalışacak sürme devrelerinde kullanılabilir.

JFET Sağlamlık Kontrolü

FET’lerde transistörün aksine gate ucu boşta iken drain (D)-source (S) arasından akım geçer. Gate ucu boşta iken D-S arası iletkendir. Normal bir transistör gibi ölçülürken C-E arası kısa devre olmuş gibidir. Ölçülecek malzemenin tipine ve karakteristik özelliklerine göre değişiklik gösterebilir.