Transistörün Yapısı

Transistörler, katı-hal “solid-state” devre elemanlarıdır. Yapımında silisyum, germanyum ya da uygun yarıiletken karışımlar kullanılmaktadır. Transistor sözcüğü akla ilk olarak BJT’leri getirir. Diğer transistörler adları ile anılırlar. FET, MOSFET, UJT… gibi. Bipolar Transistörler NPN ve PNP olmak üzere iki temel yapıda üretilirler.

Bipolar Jonksiyon Transistor (BJT) elektronik de kullanılan en temel yarıiletken devre elemanlarındandır. BJT; anlam olarak “Çift kutuplu yüzey birleşimli” ifadesindedir. BJT içinde hem çoğunluk taşıyıcıları hem de azınlık taşıyıcıları görev yapar. Bundan dolayı bipolar (çift kutuplu) sözcüğü kullanılır. İlk icat edildiğinde yarı iletken maddeler birbirlerine nokta temaslı olarak monte edilirlerdi. Bu nedenle onlara “Nokta Temaslı” denirdi. Yapımında kullanılan yarı iletkenler, birbirlerine yüzey birleşimli olarak üretilmektedir. Bu nedenle “Bipolar Jonksiyon ” olarak adlandırılırlar.

BJT transistörler katkılandırılmış P ve N tipi malzeme kullanılarak üretilir. NPN ve PNP olmak üzere başlıca iki tipi vardır. NPN transistörde 2 adet N tipi yarıiletken madde arasına 1 adet P tipi yarıiletken madde konur. PNP tipi transistörde ise, 2 adet P tipi yarıiletken madde arasına 1 adet N tipi yarıiletken madde konur. Dolayısıyla 3 adet katmana veya terminale sahiptir.

Transistörün her bir terminale işlevlerinden ötürü; Emiter (Emiter), Beyz (Base) ve Kollektör (Collector) adları verilir. Bu terminaller; genelde E, B ve C harfleri ile sembolize edilirler. Şekil’de NPN tipi ve PNP tipi transistörün fiziksel yapısı ve şematik sembolleri verilmiştir. Fiziksel yapıdan da görüldüğü gibi transistörün iki jonksiyonu vardır. Bunlardan beyz-emiter arasındaki bölge “beyz-emiter jonksiyonu”, beyz-kollektör arasındaki bölge ise “beyz-kollektör jonksiyonu” olarak adlandırılır. Transistörlerde beyz bölgesi; kollektör ve Emiter bölgelerine göre daha az katkılandırılır. Ayrıca beyz bölgesi; kollektör ve Emiter bölgesine nazaran çok daha dar tutulur.

Transistörün Çalışması

Bipolar transistörlerin genelde iki çalışma modu vardır. Yükselteç (amplifier) ve anahtar olarak. Her iki çalışma modunda harici DC besleme gerilimlerine gereksinim duyar. PNP tipi transistörün çalışma ilkeleri, NPN ile benzerlik gösterir. PNP tipi transistörde DC besleme gerilimi ve akımlarının yönleri terstir.

Transistörler genellikle çalışma bölgelerine göre sınıflandırılarak incelenebilir. Transistörün çalışma bölgeleri; kesim, doyum ve aktif bölge olarak adlandırılır. Kesim ve doyum bölgelerinde bir anahtar işlevi görür. Özellikle sayısal sistemlerin tasarımında transistörün bu özelliğinden yararlanılır ve anahtar olarak kullanılır. Transistörün çok yaygın olarak kullanılan bir diğer özelliği ise yükselteç olarak kullanılmasıdır. Yükselteç olarak kullanılacak bir transistor aktif bölgede çalıştırılır. Yükselteç olarak çalıştırılacak bir transistörün PN jonksiyonları uygun şekilde polarlandırılmalıdır.

NPN tipi bir transistörde; beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde, beyz-kollektör jonksiyonu ise ters yönde polarlanır. Her iki transistöründe çalışma ilkeleri aynıdır. Sadece polarma gerilimi ve akımlarının yönleri terstir.

Transistörün yükselteç olarak çalışması şekil’de verilen bağlantılar dikkate alınarak anlatılacaktır. NPN tipi bir transistörde beyz terminaline, emitere göre daha pozitif bir gerilim uygulandığında doğru polarma yapılmıştır. Bu polarma etkisiyle geçiş bölgesi daralmaktadır. Bu durumda P tipi maddedeki (beyz) çoğunluk akım taşıyıcıları, N tipi maddeye (emiter) geçmektedirler.

Emiter-beyz polarmasını iptal edip, beyz-kollektör arasına ters polarma uygulayalım. Bu durumda çoğunluk akım taşıyıcıları sıfırlanacaktır. Çünkü geçiş bölgesinin kalınlığı artacaktır. Azınlık taşıyıcıları, beyz-kollektör jonksiyonundan VCB kaynağına doğru akacaktır.

Özet olarak yükselteç olarak çalıştırılacak bir transistörde; Beyz-emiter jonksiyonları doğru, beyz-kollektör jonksiyonları ise ters polarmaya tabi tutulur diyebiliriz.

NPN tipi bir transistore polarma gerilimleri birlikte uygulanmıştır. Transistorde oluşan çoğunluk ve azınlık akım taşıyıcıları ise şekil üzerinde gösterilmiştir. Transistorün hangi jonksiyonlarına doğru, hangilerine ters polarma uygulandığını şekil üzerindeki geçiş bölgelerinin kalınlığına bakarak anlayabilirsiniz.

Doğru yönde polarlanan emiter-beyz jonksiyonu, çok sayıda çoğunluk taşıyıcısının P tipi malzemeye (beyze) ulaşmasını sağlar. Beyz bölgesinde toplanan taşıyıcılar nereye gidecektir. Ib akımına katkıda mı bulunacaklardır yoksa N tipi malzemeye mi geçeceklerdir. Beyz bölgesinin (P tipi malzeme) iletkenliği düşüktür ve çok incedir. Bu nedenle; az sayıda taşıyıcı yüksek dirence sahip bu yolu izleyerek beyz ucuna ulaşacaktır. Dolayısıyla beyz akımı, emiter ve kollektör akımlarına kıyasla çok küçüktür.

Şekil’de gösterildiği gibi çoğunluk taşıyıcılarının çok büyük bir bölümü, ters polarmalı kolektör-beyz jonksiyonu üzerinden difüzyon yoluyla kollektör ucuna bağlı N-tipi malzemeye geçecektir. Çoğunluk taşıyıcılarının ters polarmalı jonksiyon üzerinden kolaylıkla geçmelerinin nedeni, N-tipi maddede (emiterde) bulunan oyuklardır. Bu durumda akım miktarı artacaktır. Sonuç kısaca özetlenecek olursa; emiterden enjekte edilen elektronların küçük bir miktarı ile beyz akımı oluşmaktadır. Elektronların geri kalan büyük bir kısmı ile kollektör akımı oluşmaktadır. Buradan hareketle; emiterden enjekte edilen elektronların miktarı, beyz ve kollektöre doğru akan elektronların toplamı kadar olduğu söylenebilir. Transistor akımları arasındaki ilişki aşağıdaki gibi tanımlanabilir.

I_E=I_C + I_B

Kısaca, kollektör akımının miktarı beyz akımının miktarı ile doğru orantılıdır ve kollektöre uygulanan gerilimden bağımsızdır. Çünkü kollektör ancak beyzin toplayabildiği taşıyıcıları alabilmektedir. Emiterden gelen taşıyıcıların yaklaşık %99’u kollektöre geçerken geriye kalan çok küçük bir kısmı beyze akar.

Bir transistörün çalışması için gerekli şartları kısaca özetlersek;

Transistörün çalışabilmesi için; beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde, beyz-kollektör jonksiyonu ise ters yönde polarlandırılmalıdır. Bu çalışma biçimine transistörün aktif bölgede çalışması denir.

Beyz akımı olmadan, emiter-kollektör jonksiyonlarından akım akmaz. Kesimdedir. Farklı bir ifadeyle; beyz akımı küçük olmasına rağmen transistörün çalışması için çok önemlidir.

PN jonksiyonlarının karakteristikleri transistörün çalışmasını belirler. Örneğin; VBE olarak tanımlanan beyz-emiter jonksiyonuna doğru yönde bir başlangıç gerilimi uygulanmasına gereksinim duyar. Bu gerilimin değeri silisyum transistörlerde 0.7V, germanyum transistörlerde ise 0.3V civarındadır.

Transistörde Akım ve Gerilim İlişkileri

Bir transistor devresinde akım ve gerilimler arasında belirli ilişkiler vardır. Transistörün her bir terminalinde ve terminalleri arasında oluşan gerilim ve akımlar birbirinden bağımsız değildir. Transistorün her bir jonksiyonundan geçen akımlar ve jonksiyonlar arasında oluşan gerilimler şekil üzerinde gösterilmiş ve adlandırılmıştır.

Transistörün beyz-emiter jonksiyonu VBB gerilim kaynağı ile doğru yönde polarlanmıştır. Beyz-kollektör jonksiyonu ise VCC gerilim kaynağı ile ters yönde polarlanmıştır. Beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde polarlandığında tıpkı ileri yönde polarlanmış bir diyot gibi davranır ve üzerinde yaklaşık olarak 0.7V gerilim düşümü oluşur.

VBE ≈ 0.7V

Devrede I. Göz için K.G.K yazılırsa;

VBB = IB . RB + VBE

Olur. Buradan beyz akımı çekilirse;

VBB – VBE = IB . RB

Olarak bulunur. Buradan kollektör ve emiter akımlarını bulabiliriz.

IC = β . IB , IE = IC + IBB

RC direnci üzerine düşen gerilim;

VRC = IC . RC

Transistörün emiter-kollektör gerilimini bulmak için devredeki II. Göz’den yararlanırız. II.Göz için K.G.K yazılırsa;

VCC = (IC . RC) + VCE
VCE = VCC – (IC . RC)

Transistörde Çalışma Bölgeleri

Transistorlerde başlıca 3 çalışma bölgesi vardır. Bu bölgeler; aktif bölge, kesim (kat-off) bölgesi ve doyum (saturation) bölgesi olarak adlandırılır. Transistorün çalışma bölgeleri şekil’de transistörün çıkış karakteristikleri üzerinde gösterilmiştir. Bu bölgeleri kısaca inceleyelim.

Aktif Bölge

Transistörün aktif bölgesi; beyz akımının sıfırdan büyük (IB>0) ve kollektör-emiter geriliminin 0V’dan büyük (V B CE>0V) olduğu bölgedir. Transistor aktif bölgede çalışabilmesi için beyz-emiter jonksiyonu doğru, kollektör-beyz jonksiyonu ise ters yönde polarlanır. Bu bölgede transistörün çıkış akımı öncelikle beyz akımına, küçük bir miktarda VCE gerilimine bağımlıdır. Doğrusal yükselteç tasarımı ve uygulamalarında genellikle bu bölgede çalıştırılır.

Kesim Bölgesi

Yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi transistörün beyz akımı IB=0 olduğunda, beyz-emiter gerilimi de VBE=0V olacağı için devrede kollektör akımı (IC) oluşmayacaktır. Bu durumda kesimdedir. Kollektör-emiter jonksiyonları çok yüksek bir direnç değeri gösterir ve akım akmasına izin vermez. Transistörün kollektör-emiter gerilimi VCE, besleme gerilimi VCC değerine eşit olur. Kollektörden sadece IC0 ile belirtilen çok küçük bir akım akar. Bu akıma “sızıntı akımı” denir. Sızıntı akımı pek çok uygulamada ihmal edilebilir.

Doyum Bölgesi

Transistöre uygulanan beyz akımı artırıldığında kollektör akımı da artacaktır. Bu işlemin sonucunda transistörün VCE gerilimi azalacaktır. Çünkü IC akımının artması ile RC yük direnci üzerindeki gerilim düşümü artacaktır.

Kollektör-emiter gerilimi doyum değerine ulaştığında (VCE (doyum)) beyz-emiter jonksiyonu doğru 20 yönde polarlanacaktır. Sonuçta IB de B değeri daha fazla yükselse bile IC akımı daha fazla artmayacaktır. Bu durumda transistördeki    eşitliği doğruluğunu kaybedecektir. Doyum bölgesinde çalışan bir transistörün kolektör-emiter gerilimi VCE yaklaşık 0V civarındadır. Bu değer genellikle VCE (doyum)=0V olarak ifade edilir.

Transistörün Anahtar Olarak Çalışması

Transistörlerin en popüler uygulama alanlarına örnek olarak yükselteç ve anahtarlama devrelerini verebiliriz. Transistörün elektronik anahtar olarak kullanılmasında kesim ve doyum bölgelerinde çalışmasından yararlanılır.

İdeal bir anahtar, açık olduğunda direnci sonsuzdur. Üzerinden akım akmasına izin vermez. Kapalı konuma alındığında ise direnci sıfırdır ve üzerinde gerilim düşümü olmaz. Ayrıca anahtar bir durumdan, diğer duruma zaman kaybı olmadan geçebilmelidir. Transistörle gerçekleştirilen elektronik anahtar, ideal bir anahtar değildir. Fakat transistor küçük bir güç kaybı ile anahtar olarak çalışabilir.

Transistörün bir anahtar olarak nasıl kullanıldığı şekil’de verilmiştir. Şekil’de görüldüğü gibi transistörün beyz-emiter jonksiyonu ters yönde polarmalanmıştır. Dolayısıyla transistörün kesimdedir. Kollektör-emiter arası ideal olarak açık devredir. Transistör bu durumda açık bir anahtar olarak davranır.

Kesimde anahtar açık

Doyumda anahtar kapalı

Şekil’de ise transistörün beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde polarmalanmıştır. Bu devrede beyz akımı yeterli derecede büyük seçilirse transistor doyum bölgesinde çalışacaktır. Kollektör akımı maksimum olacak ve transistörün kollektör-emiter arası ideal olarak kısa devre olacaktır. Transistor bu durumda kapalı bir anahtar gibi davranır.

Transistörün Yükselteç Olarak Çalışması

Transistörlerin çok popüler bir diğer uygulama alanı ise yükselteç (amplifier) devresi tasarımıdır. Yükseltme (amplifikasyon) işlemi, transistöre uygulanan herhangi bir işaretin genliğinin veya gücünün doğrusal olarak kuvvetlendirilmesi (yükseltilmesi) işlemidir.

Transistörün en temel uygulama alanlarından biri de yükselteç (amplifier) devresi tasarımıdır. Temel bir yükselteç devresinin işlevi, girişine uygulanan işareti yükselterek (kuvvetlendirerek) çıkışına aktarmasıdır.

Devrede kullanılan dc kaynaklar transistörün aktif bölgede çalışmasını sağlamak içindir. Devre girişine uygulanan AC işaret (VİN) ise yükseltme işlemine tabi tutulacaktır.

Transistörlü yükselteç devresinde; devrenin yükselteç olarak çalışabilmesi için DC besleme (polarma) gerilimlerine gereksinim vardır. Dolayısıyla transistörlü yükselteç devreleri genel olarak iki aşamada incelenilirler. Bu aşamalar;

Transistörlü yükselteç devrelerinin dc analizi ve Transistörlü yükselteç devrelerinin AC analizi.

DC Analiz

İyi bir yükselteç tasarımı için transistörün özelliklerine uygun DC polarma akım ve gerilimleri seçilmelidir. Dolayısıyla yükselteç tasarımında yapılması gereken ilk adım transistörlü yükselteç devresinin DC analizdir. Analiz işleminde transistörün çalışma bölgesi belirlenir. Bu bölge için uygun akım ve gerilimler hesaplanır. Sonuçta; transistörlü yükselteç devresi AC çalışmaya hazır hale getirilir.

AC Analiz

Transistörlü yükselteç tasarımında ikinci evre, tasarlanan veya tasarlanacak yükselteç devresinin AC analizidir. Yükselteç devresinin AC analizini yapılırken eşdeğer devrelerden yararlanılır. Şekil’de transistörlü temel bir yükselteç devresi verilmiştir. Aynı devrenin AC eşdeğeri devresi ise şekil’de görülmektedir.

                                    Transistörlü yükselteç devresi                                       Transistörlü yükselteç devresinin AC eşdeğeri

Transistörlü bir yükselteç devresinin AC eşdeğer devresi çizilirken, DC kaynaklar kısa devre yapılır. Yükselteç devresi doğal olarak girişinden uygulanan AC işareti yükselterek çıkışına aktaracaktır. Dolayısıyla bir kazanç söz konusudur.

Yükseltecin temel amacı da bu kazancı sağlamaktır. Bir yükselteç devresi; girişinden uygulanan işaretin genliğini, akımını veya gücünü yükseltebilir. Dolayısıyla bir akım, gerilim veya güç kazancı söz konusudur.

Yükselteçlerde kazanç ifadesi A ile sembolize edilir. Gerilim kazancı için AV, Akım kazancı için AI ve güç kazancı için AP sembolleri kullanılır.

Örneğin şekil’de görülen yükselteç devresinin gerilim kazancı AV;

FET

FETler (Alan etkili transistörler) BJTlere çok benzer yapıdadır.

Benzer yanları:

Yükselteçler, anahtarlama devreleri ve empedans uygunlaştırma devreleri.

Farkları;

FETler gerilim kontrollü, BJTler ise akım kontrollü kaynaklardır. FETler daha yüksek giriş empedansına sahiptir, BJTler ise daha yüksek kazanç değerlerine. FETler sıcaklık değişimlerinden daha az etkilenirler ve bu nedenle entegre devrelerde daha kolay kullanılırlar. FETler genellikle BJTlerden daha kararlıdırlar. FET’in en büyük avantajı yüksek giriş empedansıdır.

JFET YAPISI

İki tip JFET vardır n kanal ve p kanal. N kanal daha yaygın kullanılmakta.

Üç bağlantı ucu vardır; Drain (D), Source (S) ve Gate(G)

JFET’in Çalışma Yapısı

JFET’in çalışması bir vanaya benzetilebilir.

Source (Kaynak), drain-source geriliminde negatif kutuptaki elektronların toplamını ifade eder.

Drain (Akaç) uygulanan gerilimin pozitif tarafında elektron eksikliğini ya da oyukları ifade eder.

Su akıntısının Kontrol kısmı ise n-kanalının genişliğini ve dolayısıyla kaynaktan akacak yük akışını kontrol eden gate (kapı) gerilimidir.

JFET’in Çalışma Karakteristiği

JFET’in 3 temel çalışma karakteristiği vardır:

VGS = 0, pozitif artan VDS, VGS <0, pozitif VDS , Gerilim kontrollü direnç

VGS = 0 ve VDS sıfırdan pozitif bir değere yükselirken 3 durum gerçekleşir:

N-kanaldaki elektronlar ile p-kapısındaki oyuklar karşılaşırken p-kapısı ve n-kanalı arasındaki geçiş bölgesi artar.

Geçiş bölgesinin artması n-kanalın boyutunu azaltır ve n-kanal direncini yükseltir.

N-kanal direncinin artmasına rağmen, VDS gerilimi yükseleceği için source-drain arasındaki akım (ID) artar.

VGS = 0 iken VDS daha yüksek bir pozitif değere getirilirse, geçiş bölgesi (boşaltılmış bölge) n-kanalı tıkayacak kadar genişler.

Bu durum, n-kanal akımının (ID) 0A’e düşeceğini gösterir ancak VDS arttıkça ID de artacaktır.

Bükülme noktasında:

 VGS arttırılsa da ID akımında herhangi bir artışın elde edilemeyeceği bir noktaya ulaşılır. Bükülme noktasındaki VGS gerilimi Vp olarak tanımlanır.

ID doyum ya da maksimum değerdedir ve bu durumda akım IDSS olarak adlandırılır.

Kanalın direnç değeri maksimumdur.

VGS negatif değer aldıkça geçiş bölgesi artar.

VGS negatif değer aldıkça:

 JFET daha düşük bir gerilimde (Vp) bükülme noktasına ulaşır.

 VDS artsa da ID azalır (ID <IDSS)

Sonuç olarak ID 0A’e ulaşır. Bu noktada VGS, Vp ya da VGS (off) olarak adlandırılır.

Bunun yanı sıra yüksek VDS geriliminde JFET kırılma durumuna gelecektir. Eğer VDS> VDSmax olursa ID kontrolsüz bir şekilde artar.

P-Kanal JFET

Polariteleri ve akım yönlerinin ters olmasının dışında p-kanal JFETler n-kanal JFET gibi çalışır.

VGS pozitif olarak arttığında geçiş bölgesi artar, ID azalır (ID <IDSS) sonuçta ID = 0A olur.

Bunun yanı sıra yüksek VDS geriliminde JFET kırılma durumuna gelecektir. Eğer VDS> VDSmax olursa ID kontrolsüz bir şekilde artar.

JFET’lerin girişten-çıkışa transfer karakteristiği BJTler kadar kolay anlaşılır değildir. BJTler, b IB (giriş) ve IC (çıkış) arasındaki ilişkiyi gösterir. Bir JFET’te ise VGS (giriş) ve ID (çıkış) arasındaki ilişki daha karmaşıktır.

MOSFETLER

MOSFET’ler JFET’lere benzer karakteristik özellikler göstermekle birlikte JFET’lerden daha kullanışlı olmalarını sağlayan özellikleri vardır.

İki tip MOSFET vardır: Kanal Ayarlamalı (Depletion) Tip, Kanal Oluşturmalı (Enhancement) Tip

Metal oksit alan etkili transistörler (MOSFET), FET elemanlarının 2. kategorisidir. Temel farkı, pn jonksiyonunun bulunmaması ve p ve n maddelerinin birbirinden yalıtılmış olmasıdır. MOSFET’ler statik elektriğe karşı duyarlıdırlar ve hassas bir şekilde kullanılması gerekir.

Kanal Ayarlamalı (Depletion) Tip MOSFET Yapısı

Drain (D) ve source (S) n-katkılı kanala bağlanır. Bu n-katkılı kanallar, bir n-kanal ile birbirine bağlıdır. Bu n-kanalı ise ince bir yalıtkan kanalıyla gate (G) ucuna bağlanır. N-katkılı maddeler ise p-katkılı alt katmanın üstüne yerleştirilir. Bu alt katmanın ise substrate (SS) yani alt tabaka bağlantısı yapılır.

Kanal Ayarlamalı Tip MOSFETin Temel Çalışma Prensibi

Kanal Ayarlamalı bir MOSFET iki modda çalıştırılabilir: Kanal ayarlama, Kanal oluşturma

Depletion Mod (Azaltım Tip)

Karakteristik özelliği JFET’e çok benzerdir. VGS = 0V iken ID = IDSS, VGS <0V iken ID <IDSS , Transfer eğrisi çizmek için kullanılan formül aynıdır:

Enhancement Mod (Artırım Tip)

VGS> 0V, ID IDSS’den daha yüksektir, Transfer eğrisi çizmek için kullanılan formül aynıdır:

                                    N kanallı azalan tip MOSFET                                                     N kanallı çoğalan tip MOSFET

                                     P kanallı azalan tip MOSFET                                               P kanallı çoğalan tip MOSFET

Kanal Oluşturmalı (Enhancement) Tip MOSFET Yapısı

Drain (D) ve source (S) n-katkılı kanala bağlanır. Bu n-katkılı kanallar, bir n-kanal ile birbirine bağlıdır.

Gate (G) ucu ince bir yalıtkan SiO2 kanalıyla p-katkılı alt katmana bağlanır.

 Drain source arasında kanal yoktur.

N-katkılı madde ise p-katkılı alt katmanın üstüne yerleştirilir. Bu alt katmanın ise substrate (SS) yani alt tabaka bağlantısı yapılır.

Kanal Oluşturmalı (Enhancement) Tip MOSFETin Temel Çalışma Prensibi

Kanal oluşturmalı MOSFET sadece enhancement modunda çalışır.

VGS daima pozitiftir.

 VGS arttıkça ID de artar.

VGS sabit tutulur ve VDS arttırılırsa, ID (IDSS) değerinde doyuma gider ve VDSsat doyum seviyesine ulaşır.

Belirli bir VGS değerinde ID ’yi belirlemek için:

VT = MOSFETin iletime geçtiği gerilim ya da eşik gerilimi, k = katalogda belirtilen sabit değer

VDSsat ise aşağıdaki gibi hesaplanır:

P-Kanal Enhancement Tip MOSFETler

P-kanal kanal oluşturmalı tip (enhancement) MOSFETler gerilim polariteleri ve akım yönlerindeki terslikler dışında n-kanal Mosfetler ile aynıdır.

Direnç nedir yazımızı da ziyaret edebilirsiniz. Transistör çeşitleri için tıklayınız.

The post Transistör Nedir? Transistör Çalışma Mantığı appeared first on Robolink Akademi.