Mosfet Nedir?

Elektronik

Mosfet nedir?

Alan etkili transistörlerin bazı tipleri gate terminali kanaldan izole edilmiş (yalıtılmış) şekilde yapılır. Bu tür alan etkili transistörlere, metal oksitli yarı iletken FET (Metal-Oxide Semiconductor FET) ya da “mosfet” denir. MOSFET’ ler; azaltan tip Mosfet (Deplation- MOSFET) ve çoğaltan tip MOSFET (Enhancment- Mosfet) olarak imal edilir. Mosfet elektronik dünyasında sık sık karşımıza çıkıyor.

Azaltan tip MOSFET’ lere kısaca D MOSFET, çoğaltan tip MOSFET’ lere ise E- Mosfet denir. Mosfet çeşitleri; her iki tip MOSFET’ inde; P kanal ve N kanal olmak üzere iki tipte imal edilir. N kanallı D- MOSFET ve E MOSFET ‘in temel yapıları aşağıdaki şekildeki gibidir. MOSFET’ lerde tıpkı JFET’ler gibi 3 uçlu aktif devre elamanları sınıfındandır. Uçlarına görevlerinden dolayı; Gate (Gate), Dreyn (Drain) ve Sörs (Source) isimleri alırlar. Şekilde verilen temel yapıda Sabstreyt (Subsrate) terminali, dördüncü uç gibi görünse de genel olarak source’e bağlanır veya şase potansiyelinde tutulur.

D-MOSFET’in yapısında kanal fiziksel olarak yapılmış durumdadır. D-MOSFET’ in, drain-source uçlarına bir dc gerilim kaynağı bağlandığı zaman drain ile source arasında bir akım oluşur. E-MOSFET’ in yapısında ise, imalat sırasında şekillendirilmiş  ya da meydana getrilmiş  bir kanal yoktur. E-MOSFET’ in; drain-source uçlarına gerilim uygulandığı zaman akım oluşması için, şarj taşıyıcılarının kanalı meydana getirmesi gerekir. Bunun için de gate ucuna gerilim uygulanmalıdır.

N kanal azaltan (E-MOSFET) ve çoğaltan tip (D-MOSFET) MOSFET’lerin yapıları

MOSFET ÇEŞİTLERİ

• Azaltan MOSFET (D-MOSFET) Yapısı

n-kanal ve p-kanal olmak üzere başlıca iki tipde D-MOSFET üretimi yapılır. Aşağıdaki “a” şeklinde n-kanal D-MOSFET’in yapısı ve şematik D-MOSFET sembolü görülmektedir. “b” şeklinde ise p-kanal D-MOSFET’in yapısı ve şematik sembolü görülmektedir.

N kanallı D MOSFET, p tipi gövde (substrate-sabstreyt) üzerine yerleştirilir. N tipi yarı iletken maddeden yapılan source ve drain bölgelerine, source ve drain terminalleri bir metalle (alimünyum) bağlanmıştır. Ayrıca source ve drain bölgeleri içten N tipi kanal bölgesi ile birbirine bağlanır. N kanalın üzerinde bulunan ve kanal ile gate arasındaki izolasyonu sağlayan ince silikon dioksit (SiO₂) tabakasının üzerine ince bir metal tabaka konur. Bu bileşim DMOSFET’i meydana getirir.

Şematik sembol’de elemanın gate, source ve drain uçları gösterilir. Sabsreyt ucu ise çoğunlukla source’e bağlı olarak gösterilir. Şematik gösterimde elemanın kanal tipi sabstreyt ucundaki okun yönü ile belirtilir.

Şekilde görüldüğü gibi ok yönü elemanın içine doğru ise n-kanal D-MOSFET, ok yönü dışarı doğru ise p-kanal D-MOSFET tanımlanır.

a ve b: N kanal ve P kanal DE-MOSFET sembolü ve yapısı

Azaltan Tip (D-MOSFET)

MOSFET Çalışma Prensibi ve Karakteristiği

N-kanallı D-MOSFET’in gate-source arasına negatif bir gerilim (V_GS) uygulandığında elektronlar kanal bölgesinin ortasına doğru itilir ve kanalda daralma meydana gelir. Yeterli büyüklükte gate-source gerilimi kanalı tamamen daraltarak kapatır. Diğer taraftan; pozitif gate-source geriliminin uygulanması durumunda, p tipi taşıyıcılar itildikleri için kanal büyüklüğünde bir artış meydana gelir. Bu durum daha çok şarj taşıyıcısının meydana gelmesine izin verdiği için daha büyük bir kanal akımı oluşur. N kanallı D-MOSFET’in transfer ve drain karakteristikleri ise aşağıdaki şekilde görülmektedir.

a ve b: N Kanal D-MOSFET’in transfer ve V-I karakteristikleri

Karakteristik eğriler; elemanın  pozitif ve negatif gate-source geriliminde çalışmasını göstermektedir. Negatif VGS değerleri, daraltma gerilimine (pinch-off) kadar drain akımını azaltır. Bu gerilimden sonra drain akımı hiç akmaz. N kanallı D-MOSFET’in transfer karakteristiği, negatif gate-source gerilimleri için JFET karakteristiği ile aynıdır. Pozitif VGS değerleri için de bu özellik korunur. Negatif ve pozitif her iki V_GS değerinde de gate kanaldan izole edildiği için MOSFET, V_GS ‘nin her iki polarite durumunda çalıştırılabilir. İki polarite durumun da da gate akımı oluşmaktadır.

P ve N kanallı D-MOSFET’ler çalışma prensibi bakımından birbirinin benzeridir. Ancak P kanallı D-MOSFET’te polarma kaynaklarının yönü terstir. Akım taşıyıcıları oyuklardır. Gate-source gerilimi negatif olduğunda drain akımı artarken, pozitif olduğunda azalır.

Bu sebeple daralma gerilimi VP pozitif değerlidir.

a ve b: N kanallı ve P kanallı E-MOSFET’in yapısı ve sembolü

• Çoğaltan Tip MOSFET (D-MOSFET) Yapısı

Çoğaltan tip MOSFET’in (E-MOSFET) yapısı ve E-MOSFET sembolü şekilde verilmektedir. E-MOSFET imalatı, mosfet üreticileri tarafından n-kanallı ve p-kanallı olmak üzere iki tipte yapılır. Şekildeki yapıdan da görüldüğü gibi E-MOSFET’in temel yapısında fiziksel olarak meydana getirilmiş bir kanal yoktur. E-MOSFET, drain ile source arasında fiziksel bir kanala sahip değildir. E-MOSFET sembolünde drain ile source arası kesik çizgilerle gösterilir. Bu durum başlangıçta E-MOSFET’de kanal olmadığını belirtmek içindir. E-MOSFET sembolünde sabsreyt ucundaki ok’un yönü E-MOSFET’ in kanal tipini belirtir. Ok yönü içeri doğru ise, N tipi kanalı ok yönü dışarı doğru ise P tipi kanalı gösterir. E-MOSFET’ lerde kanal tipi ile sabsreyt’te kullanılan yarı iletken malzemelerin tipleri terstir.

Çoğaltan (Enhancement) Tip (D-MOSFET) 

MOSFET Çalışma Prensibi ve Karakteristiği

E-MOSFET’lerde kanal, gate terminaline uygulanan harici bir besleme ile meydana getirilir. Gate-source uçları arasına pozitif bir gerilimin uygulanması, gate altında sabstreyt bölgesinde bulunan oyukları (boşlukları) iter ve orada bir azalma (deplasyon) bölgesi yaratır.

Gate gerilimi yeteri kadar pozitif değere çıkarıldığı zaman; elektronlar, pozitif gerilim tarafından bu azalma bölgesine çekilir. Böylece, drain ile source arasındaki bu bölge N kanalı gibi hareket eder. Pozitif gate gerilimi ile meydana getirilen ve şekillendirilen N kanallı E-MOSFET’in transfer ve V-I karakteristiği şekilde gösterilmektedir. Aşağıdaki şekilde  N kanallı E-MOSFET’in V-I karakteristikleri görülmektedir.

N kanallı E-MOSFET’in V-I karakteristikleri

Elemanın transfer karakteristiğinden de görüldüğü gibi, gate-source gerilimi eşik (threshold) başlangıç değeri VT’yi aşıncaya kadar drain akım hiç akmaz. Bu eşik gerilimi değerinin üzerindeki pozitif gerilimlerde, artan değerli bir drain akımı meydana gelir. Bu akımın transfer karakteristiği de,

I_D = K . (V_GS – V_r)²

eşitliği yardımıyla tanımlanabilir. Eşitlik yukarıdaki formülde yalnız V_GS -V_T şartı için geçerlidir. Eşitlikte k sabitesi tipik olarak 0.3 mA/V² değerinde olan ve elemanın yapısına bağlı olan bir özelliktir. V_GS=0 volt durumunda drain akımı akmadığı için E- MOSFET’ lerde I_DS değerinden söz edilebilir. E-MOSFET’lerin çalışma alanı; D-MOSFET’ lerden daha sınırlı olmasına karşın, E-MOSFET’ler, büyük-ölçekli entegre devreler için çok kullanışlıdır. Çünkü E-MOSFET’ler basit yapılı ve küçük boyutlu elemanlardır. E-MOSFET  sembolünde drain ile source arası kesik çizgilerle gösterilir. Bu çoğaltan tip elemanda başlangıçta kanalın olmayışını belirtmek içindir. Bundan başka sabstreyt ucundaki ok P tipi sabstreyti ve N kanalı gösterir. P kanallı E-MOSFET’in sabstreyti, N tipi yarı iletkenden yapılır.

P-kanallı E-MOSFET çalışma prensibi N kanallı gibidir. Ancak, P kanallı da polarma kaynaklarının yönü terstir. Akım taşıyıcıları oyuklardır. Negatif değerli eşik gerilimi aşılıncaya kadar drain akımı yoktur. Daha büyük değerli negatif gate gerilimlerinde artan bir drain akımı vardır. Artıran tipi mosfetlerin gate uçlarına uygulanan gerilime bağlı olarak açılıp kapanan bir anahtar (mosfet switch) gibi davranma özelliğinden yararlanılarak CMOS tipi entegreler imal edilmiştir. CMOS tipi dijital entegrelerin içinde bol miktarda mosfet vardır.

MOSFET Parametreleri

JFET parametrelerinde anlatılan, drain source doyma akımı (I_DSS) , gate-source kapama gerilimi (V_P), geçiş iletkenliği (gm) parametreleri MOSFET’lerde de geçerlidir. Drain akımını veren formüller;

MOSFET’lerde geçiş iletkenliği;

bağlantısı ile bulunur.

Soru: Çoğalan tip MOSFET’te V_GS =5 V, V_T= 3V olduğuna göre drain akımını hesaplayınız.

(k=0,3 mA/ V² )

Çözüm:

MOSFET’lerin Özelliklerinden Bazıları

• Güç harcamaları çok azdır.
• İç kapasiteleri düşüktür.
• Mekanik dayanımları fazladır.
• Çok hassas yapılı oldukları için statik elektriklenmeler de bozulabilirler. Bundan dolayı montaj işlemlerinin topraklanmış havya ile yapılması gerekir.

Mosfet Sağlamlık Kontrolü

Mosfet sağlamlık testi : Mosfet sağlamlık testi avometre ile yapılır. Ölçü aletinin siyah olan prop  ucu “n mosfet” in “S” ucuna sürekli değdirilir, kırmızı prop ucu ise “D” ucuna değdirildiğinde ibre sapıyor, sonra  “G”  ucuna  değdirildiğinde bir şey göstermiyor. Bu kez kırmızı prop “S” ucuna sürekli değdirilip, siyah prop  ucu “D” ye değdirildiğinde bir şey göstermiyor. Sonra “G” ucuna  değdirilir yine bir şey göstermiyor ve tekrar “D” ucuna değdirildiğinde ibre sapıyor ise mosfet sağlamdır.

MOSFET Kullanım Alanları

RF yükselteçlerinde, yüksek frekanslı mikserlerde, anten yükselticilerinde, analog anahtar devresi, multiplexer devresi, güç kaynağı yapımında, akım sınırlayıcı devresi, faz kaydırmalı osilatör devresi, Push -Pull devresi, H-Bridge devresi, pwm hız kontrol devresi, led efekt devresi vb gibi devrelerde kullanılır. Kullanım alanları, yapısı ve özelliklerine göre mosfet fiyatları değişmektedir.

Transistör ile MOSFET’in Karşılaştırılması

Mosfet nasıl çalışır? sorusunun en kolay cevabı, pnp ve npn transistör ile karşılaştırmaktır. Mosfetin avantajı, gate akımının sıfıra yakın veya sıfır olmasıdır. Bu mosfetten 60 amper geçse bile değişmez. Herhangi bir transistörün yerine Mosfet kullanılabilir. Normal bir NPN transistör tetiklendiğinde beyz gerilimi 0,65 volt civarındadır. Mosfet ise geyt gerilimi 2-5 Volt düzeyine varmadan tetiklenmez.

Yukarıdaki şekilde  NPN transistörle N kanal mosfetin karşılaştırılması gösterilmektedir.

Şayet kaynak gerilimi 20 Volt un altında ise geyt ucuna zener diyot bağlanmalıdır. Transistör akım yükseltici olarak kullanılır.

BC547 transistörü 100mA lik yük akımı için 1 mA beyz akımına ihtiyaç duyacaktır. Bu akım kazancının 100 olduğu anlamındadır.

Mosfet voltaj kontrollü bir elemandır. Akım değeri fiziksel büyüklüğüne ve yapısına bağlıdır. Bu parametreler değiştirilemez. IRZ40 ın 35 A yük akımı için geyt ucundan 0,25 mA den daha az akım geçer.  Geyt gerilimi source geriliminden 3-4 V yüksek olduğunda iletime geçer. Drain 0,028 ohm değerinde olur.