www.radartutorial.eu Radar Temelleri

npn- Transistör

Doğru yönde ön gerilim uygulanmış (forward biased) bir kavşakta (junction) düşük dirençli bir devre meydana gelir: Yani, çok küçük gerilimle daha büyük akım oluşur. Buna karşılık ters ön gerilim uygulanmış (reverse biased) bir pn-kavşağındaki devrenin direnci yüksektir. P = I2·R formülüne göre akım sabit ise, daha yüksek bir direnç ile daha büyük güç elde edilebileceği açıktır. Keza eğer bir doğru yönde ön gerilim uygulanmış pn-kavşağına düşük güçte bir sinyal uygulandığında, bu sinyal ters yönde ön gerilim uygulanmış diğer pn-kavşağında daha büyük bir gerilim oluşturuyorsa, o zaman bu kristalin bir yükselteç gibi çalıştığı söylenebilir. Bunlar, transistörü 1948 yılında keşfedenlerin hayalleri idi ve ardından npn transistörler geliştirildi. Olayı şimdi fiziksel olarak anlamaya çalışalım.


Resim 1: Bir npn transistörün doğru ön gerilimlenmiş pn-kavşağı

Bir npn transistörün doğru ön gerilimlenmiş pn-kavşağı
Resim 1: Bir npn transistörün doğru ön gerilimlenmiş pn-kavşağı

Bir diyotun pn-kavşağında olduğu gibi, transistörün n-katkılı (doped) her iki yarıiletken katmanındaki yük taşıyıcıları serbest elektronlarıdır. p-katkılı ince yarıiletken katmanındaki yük taşıyıcıları deliklerdir. Yarıiletken diyotlarda anlatılan olayların aynısı transistörün her bir pn-kavşağında fiziksel olarak aynen tekrarlanır. Yük taşıyıcıların sınır bölgesinde yayınımı (diffusion) ve eşzamanlı yeniden birleşmeleri (recombination) sonucunda burada yüksek dirence sahip, ve bu direnci dışardan uygulanan ön gerilimin büyüklüğü ile değiştirilebilen, bir kıtlık bölgesi (depletion region) meydana gelir. Transistörün bir yükseltici eleman olarak kullanılabilmesi için kıtlık bölgelerinin boyutunun dışardan uygulanan gerilimle değiştirilebilmesi gerekir. İlk pn-kavşağına (taban-emetör) doğru, ikincisine (taban-kollektör) ters yönde ön gerilim uygulanır. Hatalı polariteli gerilimin uygulanmasını önlemek için katkılama harflerine dikkat edilmelidir:

Transistör terminal sıralaması daima şöyledir: Emetör-Taban-Kollektör. Resim.2 görüldüğü gibi, npn nin ilk harfi n dir, yani negatif ön gerilim; ikinci harf p, taban içindir, yani pozitif ön gerilim; üçüncü harf n dir, kollektör içindir ve ön gerilim negatiftir. (Kollektör ve taban gerilimlerinin örtüşmesi nedeniyle, kollektörün ters ön geriliminin değeri, emetörün gerilimine göre çok daha yüksek pozitif bir gerilim olması gerekir.)


Resim 2: npn transistörde ki gerilimler

npn transistörde ki gerilimler
Resim 2: npn transistörde ki gerilimler

Doğru ön gerilimlenmiş pn-kavşağı


Resim 3: Doğru ön gerilimlenmiş pn-kavşağındaki akımlar

Doğru ön gerilimlenmiş pn-kavşağındaki akımlar
Resim 3: Doğru ön gerilimlenmiş pn-kavşağındaki akımlar

Diyotun incelenmesi sırasında üzerinde durmadığımız, fakat işlevin kavranabilmesi için önemli olan bir nokta var: n-katkılı yarıiletken malzemelerde bulunan katışkıların (yani yabancı atomların) sayısı, p-katkılı yarıiletkende bulunan katışkıların sayısından çok daha fazla olmalıdır. Yani n-yarıiletken daha kuvvetli katkılanmış olmalıdır. Bunun bir sonucu olarak, n-yarıiletkende çoğunluk taşıyıcılar (burada serbest elektronlar) tarafından oluşan akım, p-yarıiletkende ki çoğunluk taşıyıcılar (yani delikler) tarafından yaratılan akımdan çok daha büyük olur. Taban (base) bu arada n-katkılı yarıiletken emetörden gelen elektronların „istilasına uğrar”.

Akım, bataryanın eksi kutbundan n-katkılı yarıiletkene giden elektronlarca gerçekleşir. Keza emetörün n-katkılı yarıiletken malzemesinde serbest elektronlarca bir akım meydana gelir. Tabanın p-katkılı malzemesine giren her elektron orada bir deliği doldurur. Eşzamanlı bir elektron yarıiletkeni taban terminalinde terk eder ve geride bir delik bırakır. Bu delik bir pozitif yük taşıyıcıdır ve (modelde belirtildiği gibi) elektron akışına zıt yönde hareket eder. Elektron akımı tabanı, taban-terminalinde terk eder ve yeniden bataryanın artı ucuna döner.

npn Ters ön gerilimlenmiş pn-kavşağı


Resim 4: Bir npn transistörün ters ön gerilimlenmiş pn-kavşağı

Bir npn transistörün ters ön gerilimlenmiş pn-kavşağı
Resim 4: Bir npn transistörün ters ön gerilimlenmiş pn-kavşağı

İkinci pn-kavşağı taban ve kollektör arasında (Resim.4) yer alır ve ters ön gerilim altında bulunur. Çok küçük bir sızıntı akımı dışında pn kavşağından hiç elektron akışı olmaz. Bu sızıntı akımı azınlık taşıyıcılarınca meydana gelmektedir. (Hatırlatma: Azınlık taşıyıcıları, n-katkılı yarıiletkende delikler ve p-katkılı yarıiletkende elektronlardır.) Ve bu sızıntı akımının transistörün çalışmasında çok önemli bir görevi vardır.

pn-kavşakları arasındaki karşılıklı ilişki

Veri sayfalarında ön gerilim değerleri belirtilirken kullanılan özel semboller kullanılır. Bunlardan VCC kollektör gerilimini ve VBB taban ön gerilimini belirtir (Resim. 5). VBB, VCC den daima çok daha küçüktür. Kollektör gerilimi genellikle 6 Volt civarındadır.

Harici devrelerdeki akım sadece serbest elektronlarca gerçekleşir. Her iki devrede bataryaların eksi ucundan çıkan elektronlar n-katkılı yarıiletken malzemeden yapılmış emetöre giderler. Bu birleşik akıma IE denilir. Burada çoğunluk taşıyıcıların elektronlar olması sebebiyle, bunlar emetörden geçerek doğru ön gerilimlenmiş emetör-taban kavşağına ilerlerler. pn-kavşağından sonra p-katkılanmış yarıiletkene giren elektronlar artık burada azınlık taşıyıcıları haline gelirler. Bazıları burada deliklerle yeniden birleşirler. Yeniden birleşen her elektron için, taban terminalinden diğer bir elektron IB taban akımı olarak (arkasında birleşmeye hazır bir delik bırakarak) tabanı terk eder ve bataryanın tabanı besleyen artı ucuna döner. Taban malzemesindeki çoğunluk yük taşıyıcıları elektron delikleridir.


Resim 5: Çok küçük bir taban akımı nispeten yüksek bir kollektör akımına sebep oluyor

Çok küçük bir taban akımı nispeten yüksek bir kollektör akımına sebep oluyor
Resim 5: Çok küçük bir taban akımı nispeten yüksek bir kollektör akımına sebep oluyor

p-katkılı yarıiletken malzemede ki deliklerle yeniden birleşen elektronların kaybı kollektör akımına sebep olur. Tabanın n-katkılı yarıiletken emetörden gelen ilave serbest elektronların „istilasına” uğradığından söz etmiştik. n-katkılı yarıiletkenden gelen sadece az sayıda serbest elektronun yeniden birleşebilmesi için bu yarıiletken zonları çok çok ince yapılır ve en önemlisi zayıfça katkılanır. Bir çok elektron kollektör geriliminin kuvvetli elektrik alanının etkisi altında yasak bölgeyi geçmeyi başarırlar ve kollektör akımını yaratırlar! Ve kollektörün n-katkılı yarıiletken malzemesine ulaşan elektronlar burada kolaylıkla hareket ederler ve IC kollektör akımı olarak bataryanın VCC ucuna dönerler.

Kollektör zonu, tabana zonuna göre zorunlu olarak çok daha büyük yapılır. Böylece çok daha fazla sayıda yük taşıyıcısı kabul edilebilir ve kollektör daha kolay soğutulabilir. Soğutma sayesinde transistör daha büyük akımları hasarlanmadan taşıyabilir.


Resim 6: npn transistörde ki akımlar

npn transistörde ki akımlar
Resim 6: npn transistörde ki akımlar

Özet olarak tüm transistör akımları emetör ucundan geçer. Bunun yaklaşık %2 ila %5 i taban akımı IB ve kalanı kollektör akımı IC dir:

IE = IB + IC

Taban akımı kollektör akımının meydana gelmesine sebep olur. Taban akımındaki çok küçük değişiklikler kollektör akımında çok büyük değişikliklere yol açar. Sonuç olarak baz-emetör arasındaki küçük bir ön gerilim ile büyük ölçekteki emetör-kollektör akımı kumanda edilebilir.