BMM212 Elektronik 1 Lab. Deney#8

Çukurova Üniversitesi
Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik-1 Laboratuvarı Deney Föyü
Deney#8
Alan Etkili Transistör (FET) Karakteristikleri
Doç. Dr. Mutlu AVCI
Arş. Gör. Mustafa İSTANBULLU
ADANA, 2016
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab. 1 Deney#8
DENEY 8
Alan Etkili Transistör (FET) Karakteristikleri
1. Amaç
Bu deneyin amacı, alan etkili transistör (field effect transistor, FET) elemanının çalışma prensibinin
anlaşılması ve akım-gerilim karakteristiklerinin çıkarılmasıdır.
2. Temel Bilgiler
Alan etkili transistörler (field - effect transistor, FET) genel olarak metal oksit yarıiletken alan etkili
tranzistörler (MOSFET) ve jonksiyonlu FET olmak üzere iki ana gruba ayrılırlar. Jonksiyonlu FET’ler de
pn jonksiyonlu FET (JFET) ve metal yarıiletken alan etkili transistör (MESFET) olmak üzere iki gruba
ayrılırlar. MOSFET’lerde NMOS ve PMOS’lar beraber kullanılarak (complementary MOS-CMOS) çok
küçük alanlara daha fazla transistör sığdırıldığından özellikle sayısal devrelerde MOSFET’ler kullanılır.
MOSFET’lerde akım yarıiletken yüzeye ve akımın aktığı doğrultuya dik olarak uygulanan bir elektrik
alan ile kontrol edilir. Bu devre elemanında kontrolü uygulanan elektrik alan sağladığından alan etkili
terimi kullanılmaktadır. Transistörün çalışma prensibi genel olarak iki terminal arasına uygulanan
gerilim ile üçüncü terminalden akan akımın kontrol edilmesidir.
n-Kanal Enhancement Mod MOSFET
Şekil 1’de bir MOSFET elemanının kaynak (source), geçit (gate), savak (drain), oksit ve kanal
bölgelerini gösteren basitleştirilmiş kesit görüntüsünü verilmiştir. Burada iki n bölgesi arasında
(source ve drain) bir p bölgesinin olduğu görülmektedir. Kanal uzunluğu L ve kanal genişliği ise W ile
belirtilmektedir.
Şekil 1 N kanal oluşturmalı (enhancement) tipi MOSFET’in şematik gösterimi
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab. 1 Deney#8
Şekil 2(a)’da gösterildiği gibi transistörün geçit terminaline gerilim uygulanmadığında kaynak ve savak
terminalleri p bölgesi ile ayrılmış olarak kalacaktır. Bu yapının eşdeğer devresi Şekil 2(b)’deki gibi arka
arkaya bağlanmış ikş adet pn eklem ile tanımlanır. Bu durumda transistor den akan akım sıfıra eşittir.
Eğer transistörün geçit terminaline yeterince büyük bir pozitif gerilim uygulanırsa oksit-yarıiletken
arayüzünde elektron evirtim tabakası (electron inversion layer) oluşur ve bu tabaka Şekil 2(c)’de
gösterildiği gibi n-tipi kaynak ile n-tipi savak terminallerini birbirine bağlar. Böylece kaynak ve savak
terminalleri arasında akım akması olanaklı hale gelir.
Şekil 2 (a) n-kanal bir MOSFET’in elektron evirtim tabakası oluşmadan önceki kesit görüntüsü (b) transistör
kesim durumunda iken kaynak ve savak terminalleri arasındaki eşdeğer modeli (c) elektron evirtim tabakası
oluştuktan sonraki kesit görüntüsü
Elektron evirtim tabakasının oluşması için geçit terminaline gerilim uygulanması gerektiğinden bu tip
MOSFET’lere kanal oluşturmalı MOSFET adı verilir. Ayrıca elektron evirtim tabakasında taşıyıcıların
elektron olması nedeniyle bu yapıya n-kanal MOSFET (NMOS) de denir.
N kanal bir MOSFET’te savak-kaynak arasına gerilim uygulandığında, elektronlar kaynak
terminalinden çıkıp savak terminaline doğru akar. Buna bağlı olarak transistörde akım savak ucundan
girip kaynak ucundan çıkar. Transistörde akan akımın genliği elektron evirtim tabakasında bulunan
yük miktarına, buradaki yük miktarı ise geçit terminaline uygulanan gerilime bağlı olarak değişir.
Transistörde geçit terminali oksit tabaka ile (yalıtkan) kanaldan ayrıldığı için buradan akım
akmayacaktır.
N kanal bir MOSFET’te eşik gerilimi (threshold voltage) elektron evirtim tabakasının oluşması için
geçit terminaline uygulanması gereken gerilim olarak tanımlanır. Başka bir deyişler transistörün
açılması için geçit terminaline eşik gerilim kadar gerilim uygulanması gerekmektedir.
N kanal bir MOSFET’te eşik gerilimi pozitiftir. Geçite uygulanan gerilim eşik değerinden düşükse
transistor den akacak olan akım sıfırdır. Geçite uygulanan gerilim eşik değerinden büyük ise transistor
üzerinden akım uygulanan savak-kaynak gerilimiyle akar.
Şekil 3(a)’da kaynak ve substrat terminalleri topraklanmış bir n kanal MOSFET gösterilmiştir. Geçitkaynak arası gerilim eşik geriliminden küçüktür ve savak-kaynak arasına ise küçük bir gerilim
uygulanmıştır. Bu durumda elektron evirtim tabakası oluşmayacağından savak-kaynak arasındaki pn
eklem ters kutuplanacak ve savak akımı sıfır olacaktır. (pn eklemdeki sızıntı akımı ihmal edilmiştir).
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab. 1 Deney#8
Şekil 3(b)’de aynı MOSFET’in geçit terminaline eşik geriliminden büyük bir gerilğim uygulanmıştır. Bu
durumda elektron evirtim tabakası oluşacak küçük bir savak gerilimi uygulandığında elektron evirtim
tabakasındaki elektronlar kaynak terminalinden pozitif savak terminaline doğru akmaya
başlayacaktır. Burada dikkat edilmesi gereken nokta; savak ucuna pozitif gerilim uygulandığı anda
savak-substrat arasındaki pn eklem ters kutuplanacak ve böylece akım pn eklemden değil kanal
bölgesinden akacaktır.
Şekil 3 n-kanal oluşturmalı MOSFET (a) geçit gerilimi
iken ve (b) geçit gerilimi
iken
Şekil 4’te
değerlerine bağlı olarak küçük
değerlerinde
karakteristiği gösterilmiştir.
iken savak akımı sıfırdır.
gerilimi
eşik geriliminde büyük olduğu anda elektron
evirtim tabakası oluşur ve savak akımı
’nin artmasıyla artar.
Şekil 4 Üç farklı
Şekil 5 farklı
gerilimi için
’nin küçük değerlerinde
karakteristiği
ve
değerleri için
eğrilerini göstermektedir. İdeal bir MOSFET’te
değerleri için savak akımı sabittir. Bu bölgeye saturasyon bölgesi denir.
değerlerinin olduğu bölge ise saturasyon olmayan ya da tirode bölgesi olarak adlandırılır.
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab. 1 Deney#8
Şekil 5 n-kanal oluşturmalı bir MOSFET’in kesit görüntüsü ve
değerleri için, (b) daha büyük fakat
bölgesinde
değerleri için, (c)
değerleri için
eğrisi (a) küçük
ve (d)
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab. 1 Deney#8
İdeal bir MOSFET’te saturasyon olmayan bölgede akım gerilim karakteristiği;
eşitliği ile ifade edilir.
değerlerinde saturasyon bölgesindeki ideal bir MOSFET için akım-gerilim karakteristiği;
ya da parametresinin eklenmesiyle;
eşitliği ile ifade edilir.
Burada
iletim parametresidir ve;
ifadesi ile tanımlanır. Burada
birim alan için oksit kapasitanstır.
geçirgenliği,
ise oksit kalınlığıdır.
iken
oksit
eşitliği aynı zamanla;
olarak da tanımlanır. Burada
eşitliği ile ifade edilir.
değeri fabrikasyon sürecine
bağlıdır ve sabittir. Böylece genişliğin kalınlığa oranının transistör tasarımı için önemli bir parametre
olduğu anlaşılmaktadır.
KAYNAKLAR:
1. Microelectronics Circuit Analysis and Design, Neamen D., 2010
2. Microelectronic Circuit Design, Jeager R., Blalock T., 2011
Malzeme Listesi




Dirençler : 10, 15k(2 adet)
Diyot
: D1N4001
MOSFET : CD4007 Entegresi
Standart deney teçhizatı
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab. 1 Deney#8
Adı, Soyadı:
Öğrenci No:
3. Hazırlık Çalışması
1. Parametreleri verilen n kanal oluşturmalı bir MOSFET için;
,
,
ve
Saturasyon bölgesindeki transistör akımını ;
(a)
(b)
için bulunuz.
,
,
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab. 1 Deney#8
4. Deney Çalışması
Deney 8.1:
1. Aşağıda gösterilen devreyi kurunuz.
2.
grafiğini osiloskobun x-y modunu kullanarak çizdiriniz.
3. Elde ettiğiniz grafiği deney sonuç sayfasına çizerek yorumlayınız.
X
M1
nnMOS
5V
VOFF = 0
VAMPL = 5V
FREQ = 1000
AC =
10
Y
0
Deney 8.2:
1. Aşağıda gösterilen devreyi kurunuz.
,
2.
grafiğini osiloskobun x-y modunu kullanarak çizdiriniz.
3. Elde ettiğiniz grafiği deney sonuç sayfasına çizerek yorumlayınız.
X
M2
15k
5V
VOFF = 0
VAMPL = 10V
FREQ = 1000
AC =
nnMOS
15k
10
Y
0
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab. 1 Deney#8
Adı, Soyadı:
Öğrenci No:
5. Deney 8 Sonuç Sayfası
Deney 8.1 Sonuçları:
Deney 8.2 Sonuçları: