Yarı İletkenli Elektronik Devre Elemanları - JFet Transistör

15 - JFet Transistör:

Jfet transistörler normal transistörlerle aynı mantıkta çalışırlar. Üç adet uca sahiptir. Bunlar Kapı (G)(normal transistörün beyzi), oyuk (D)(normal transistörün kollektörü) ve kaynak (S) 'dır. Normal transistörle jfet transistör arasındaki tek fark, normal transistörün kollektör emiter arasındaki akımın, beyzinden verilen akımla kontrol edilmesi, jfet transistörün ise geytinden verilen gerilimle kontrol edilmesidir. Yani jfetler gate ucundan hiç bir akım çekmezler. Jfet'in en önemli özelliğide budur. Bu özellik içerisinde çok sayıda transistör bulunduran entegrelerde ısınma ve akım yönünden büyük bir avantaj sağlar. Normal transistörlerin NPN ve PNP çeşitleri olduğu gibi jfet transistörlerinde N kanal ve P kanal olarak çeşitleri bulunmaktadır. Fakat genel olarak en çok N kanal jfetler kullanılır. Aşağıda jfetin iç yapısı ve sembolü görülmektedir.

FET

Fetlerin Yapısı

NPN ve PNP tipi olarak adlandırılan klasik tip transistörler (İki Kutuplu Jonksiyon Transistör - BJT) alçak giriş empedansına sahiptirler. BJT 'ler, hem elektron akımı hem de delik (boşluk) akımının kullanıldığı akım kontrollü elemanlardır.

FET (Field Effect Transistör - Alan Etkili Transistör) ise yüksek giriş empedansına sahip, tek kutuplu, gerilim kontrollü bir elemandır. Elektrik alanı prensiplerine göre çalıştığından alan etkili transistörler olarak bilinir. FET 'ler, transistörlerin kullanıldığı yerlerde rahatlıkla kullanılıbilir.

FET 'lerin klasik transistörlere (BJT) göre üstünlükleri şöyle sıralanabilir:

Giriş empedansları daha yüksektir. (BJT 'de 2KΩ iken FET 'lerde yaklaşık 100MΩ 'dur.)

Anahtar olarak kullanıldığında, sapma gerilimi yoktur.
Radyasyon (yayınım) etkisi yoktur.
BJT 'lere nazaran daha az gürültülüdür.
Isısal değişimlerden etkilenmezler.
BJT 'lere göre daha küçüktür. Bu nedenle entegrelerde daha fazla kullanılırlar.
Yüksek giriş empedansı ve alçak elektrodlar arası kapasitans özelliği ile yüksek frekans devrelerinde rahtlıkla kullanılırlar.
BJT 'lere göre sakıncası ise band genişliklerinin dar olması ve çabuk hasar görebilmesidir.

Alan etkili transistörler (FET) iki ana gruba ayrılır:

JFET (Junction Field Effect Transistor, Eklem Alan Etkili Transistör)
MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistör, Metal Oksit Yarı İletken Alan Etkili Transistör)

JFET 'in Çalışması

BJT 'lerde olduğu gibi JFET 'lerde de 3 terminal vardır. Bunlar; Drain (Oluk, Akaç), Source (Kaynak) ve Gate (Kapı, Geçit) dir. Transistörlerde, kollektörün karşılığı drain, emiterin karşılığı source, beyzin karşılığı gate 'dir. Transistörler nasıl NPN ve PNP tipi olmak üzere iki tipte ise JFET 'ler de;
* n - kanallı JFET
* p - kanallı JFET
olmak üzere iki tipte imal edilirler.

Şekil 1.1(a) - n-kanallı JFET 'in Fiziksel Yapısı ve Smbolü

Şekil 1.1(b) - p-kanallı JFET 'in Fiziksel Yapısı ve Smbolü

Şekil 1.1.(a) 'da görüldüğü gibi n-tipi bir maddenin iki yanına p-tipi madde enjekte edilerek n-kanallı JFET elde edilir. İki p-tipi madde birleştirilerek gate ucu çıkarılır. n-tipi maddenin bir ucu Drain, diğer ucu da Source 'dur. Burada gövde n-tipi maddeden meydana geldiği için JFET 'in adı n-kanallıdır.Gövdenin yapıldığı maddenin adı JFET 'in tipini belirler. JFET 'in çalışmasında n-kanallı üzerinde durulacaktır

Aynı şekilde eğer gövde p-tipi maddeden oluşursa p-kanallı JFET elde edilmiş olur. (Şekil 1.1.(b)) Sembollerden de anlaşılacağı gibi ok yönü gate 'e doğru ise n-kanallı, gate 'ten dışarı doğru ise p-kanallı JFET 'tir.

Şekil 1.2 - JFET 'in çalışması

Şekil 1.2 'de n-kanallı bir JFET 'in uygun çalışma için harici güç kaynaklarına nasıl irtibatlandırıldığı gösterilmiştir. Drain, R_L yük direnci üzerinden V_DD drain güç kaynağının pozitif terminaline, Source V_DD 'nin negatif terminaline irtibatlandırılır. Gate, V_GG güç kaynağının negatif terminaline bağlanır. Bu irtibatla Gate-Source p-n eklemi ters bayaslanmıştır yani polarmalandırılmıştır. Gate p- maddesinden oluştuğu için V_GG güç kaynağının (-) terminali gate 'e, (+) terminali source 'a bağlanarak ters polarma sağlanmıştır. Gate 'in ters polarmalanmasıyla devreden akan gate akımı son derece küçük değerdeki bir ters akımdır.

I_D drain akımı, JFET üzerinde source 'den drain 'e doğru akar. (Akımın, güç kaynaklarının (-) terminalinden, (+) terminale dolaştığı kabul edilmiştir.)

İlk durumda V_GG güç kaynağının olmadığını, gate ucunun doğrudan şaseye bağlı olduğunu düşünelim, Bu durumda V_GG=0V olduğu için Gate-Source arası voltaj da (V_GS) o Volt 'tur. Bu anda I_D akımı, n-tipi maddenin direnci ve R_L tarafından limitlenir. JFET üzerinden drain akımı (I_D) arttkça n-madde parçası boyunca bu gerilim düşümü meydana gelir. Bu gerilim, source 'a göre pozitif olup, gate p-n eklemini ters polarmalanmıştır.

p-n eklemi ters polarmalandığı her durumda, eklem civarında; içinde akım taşıyıcıları bulunmayan bir boşluk bölgesi (eklem setti) meydana gelir. Bu furum Şekil 1.3 'te p maddelerinin çevresinde gösterilmiştir. p maddelerinin çevresindeki boşluk bölgesinde akım taşıyıcıları olmadığından I_D drain akımı akamaz. Böylece, drain kımı boşluk bölgeleri arasındaki sahada sınırlandırılmış olunur. Bu bölge kanal olarak adlandırılır. V_DD kaynak voltajı arttıkça drain akımı da artar. Fakat bu artış doğrusal değildir. Bu artışın doğrusal olmamasının nedeni, gate p-n eklemindeki ters polarmalanmasının artmasındandır.

Şekil 1.3 'te V_DD = 4 Volt iken boşluk bölgesi ile V_DD = 6 Volt iken boşluk bölgesinin durumu görülmektedir. V_DD drain kaynak voltajının daha fazla arttırılması (V_DD = 6V) Şekil 1.3 'te görüldüğü gibi boşluk bölgelerinin birbirine daha fazla yaklaşmasına neden olur. Böyle bir durumda drain kaynak voltajnın daha fazla arttırılması I_D drain alımında çok az bir artış meydana getirir.

Böylece drain akımı saturasyona (doyum) ulaşmış olur. Drain akımının saturasyon değerine ulaştığı noktaya PINCH - OFF noktası denir. Pimch - off nokasına kritik gerilim adı da verilebilir. V_P ile gösterilir. Bu değer n-kanallı JFET 'te negatif, p-kanallı da ise pozitif değerdir.

Şekil 1.4 - n-kanallı JFET Karakteristik Eğrisi

Şekil 1.4 'te gösterilen karakteristik eğrinin yatay ekseni Drain - source arası voltajı, dikey ekseni ise I_D drain akımını gösterir. Şimdi JFET 'in çalışmasını bu karakteristik eğri üzerinda tekrar edelim;

**Gate - Source gerilimi (V_GS) Şekil 1.2 'de olduğu gibi V_GG bataryası ile sağlanırsa JFET 'ten I_D akımı akar. Gate - Source eklemi V_GG bataryası ile ters polarmalandığı için gate akımı I_G=0 olur.
**Şekil 1.3 'te olduğu gibi gate - source arası voltaj 0 Volta ayarlandığında I_D drain akımı önemli bir büyüklüktedir ve I_DSS olarak adlandırılır. (I_DSS = Gate - Source eklemi kısa devre olduğunda Drain - Source arasında akan akım) V_DS, sıfırdan itibaren yaklaşık 4 Volta kadar arttırıldığında I_D akımıda artar. Karakteristik eğride V_A noktası kanal pinch - off noktasıdır. I_DSS değeri de yaklaşık 1mA 'dir.
**Pinch - off noktasından itibaren V_DS voltaj değişime karşılık I_D akım değişimi çok çok azdır. Bu ana saturasyon (doyum) denir.
**Eğer drain kaynak voltajı daha fazla arttırılırsa, ters polarmalı gate ekleminin bozulma olayı (breakdown) meydana gelir. Bu ise yüksek bir I_D akımına neden olarak JFET hasara uğrar.