Birleşim-Alan Etkili Transistörler (JFET)
Resim 1: Transistör ve Alan Etkili Transistör simgelerinin karşılaştırması
Resim 1: Transistör ve Alan Etkili Transistör simgelerinin karşılaştırması
İki kutuplu (npn/pnp) transistörlerin elektronikte devrim yaratmış olmalarına karşın önemli bir sakıncası bulunmaktadır. Taban-yayıcı hattının düşük direnci, yükselteç teknolojisi devrelerinde, büyük dirence sahip salınım devresini kuvvetle yükler ve sonuçta bu devrenin Q seçicilik kalitesi kötüleşir ve yükselteç işlevinde uyumsuzluklara yol açar. İkikutuplu transistörlerde kazanç, bir taban akımı ile kontrol edilirken, bu görevi kapı geriliminin kullanıldığı bir elektrostatik alan, yani alan-etkili transistörlerde (Field Effect Transistor, FET) akaç-kapı akımı yapar.
Alan etkili transistörün birleşim türü JFET (Junction FET) e ve ikikutuplu transistöre ait uçlar karşılaştırmalı olarak Resim.1 de verilmektedir. „Kapı“ ucu transistörde tabana, „Kaynak“ ucu toplayıcıya ve „Akaç“ ucu ise yayıcıya karşılık gelir.
silisyum
p-katkılanmış
malzeme
Resim 2: Bir JFET in şematik yapısı
silisyum
p-katkılanmış
malzeme
Resim 2: Bir JFET in şematik yapısı
Resim.2 de bir JFET in şematik yapısı yer alıyor. Alt katman (substrate) n-katkılanmış veya p-katkılanmış yarıiletken malzemelerden meydana gelir (çoğu kez silisyum katmancıklardan). Zıt yönde katkılanmış yarıiletken topaklar bu alt katmana her iki tarafta yayılmıştır (diffused). Bu iki topak elektriksel olarak birbirlerine bağlıdır ve buraya çıkan uç „kapı“ olarak adlandırılır. Bu iki topak malzemesinin kesiti kanala benzer bir tarzda daralır. Resim.2 de n-katkılı malzemeden yapılmış kanal görülüyor, bu nedenle bu JFET e „n-kanal JFET“ denilir.
Bir p-kanal JFET te taşıyıcı malzeme ve dolayısıyla kanal p-katkılı yarıiletken malzemeden yapılırken, „kapı“ bağlantısı n-katkılı malzemeden yapılır. İki kutuplu transistörlerde olduğu gibi, JFET in iki tipi de uygulanan öngerilimlerinin kutuplarına göre sınıflanırlar. Devre şemasında ok yönü ile gösterilir (Okun ucu daima n-katkılı malzemeye doğru bakar!). Yani bir n-kanal JFET te ok yönü akaç-kaynak kanalına ve p-katkılı JFET te ise kapı ucuna doğrudur.
Çalışması
İşlevi tanımlayan kilit sözcük yukarda bahsedilmişti: Kesiti, Resim.3 ve 4 te daha yakından görülebildiği gibi, kesiti kapı ucuna uygulanan gerilim ile kontrol edilen, akaç-kaynak-kanal.
bölgeleri
Resim 3: Kapı ucunda öngerilim bulunmayan JFET
bölgeleri
Resim 4: Kapısı ters öngerilimlenmiş JFET
bölgeleri
Resim 3: Kapı ucunda öngerilim bulunmayan JFET
bölgeleri
Resim 4: Kapısı ters öngerilimlenmiş JFET
Resim.3 te görüldüğü gibi, kapı- ve kaynak uçları aynı gerilimdedir, burada ikisi de şaseye bağlıdır. Akaç ve kaynak arasındaki gerilim sonucu yarıiletken kristalde bir akım akar. Bu gerilim koşulları altında akaç ile kaynak arasındaki tipik direnç yaklaşık 500 Ω kadardır. Bu devreye bağlı bir miliampermetre akaç gerilimi VDD 5 V iken, ID akaç akımını 10 mA gibi gösterir. Kapı sürülmezken JFET yine iletkendir.
Resim.4 teki devrenin kapı ucuna -1 V luk bir ters öngerilim (VGG) bağlıdır. Varaktörlerde de bahsedildiği gibi, bu öngerilim değeri yükseltildiğinde tükenim bölgeleri, keza pn-birleşimlerinin engel katmanlarının her iki topağı da büyür, yani yük taşıyıcılarının sayısı daha da azalacağından, n-kanalın etken iletken kesiti de azalır. Bunun sonucu olarak n-kanalın direnci yükselecek ve daha az akım akacaktır.
Negatif öngerilim arttırıldığı takdirde bu etki daha da kuvvetlenecek ve hatta gerilimin daha da yükseltilmesi ile akaç-kaynak akımı tümüyle durma noktasına gelebilecektir. Bu gerilim transistörün tipine bağlı olup „Pinch-off”-gerilimi olarak adlandırılır. Gerçi Resim. 4 teki - 1 Volt öngerilim değeri çok küçüktür, bu durumda bile daima bir akım akar. Ancak 10 mA olan özgün akım 5 mA e düşer. Bu nedenle JFET iç direnci ise 500 Ω dan yaklaşık 1 kΩ a yükselir.
Bu ölçümler bize, yapıları temelde farklı da olsa, bir ikikutuplu transistör ile JFET in benzer biçimde çalıştığını gösteriyor. Daha önce de belirtildiği gibi, bir alan etkili transistörün üstünlüğü yüksek giriş empedansına sahip olmasıdır. Kapı-kaynak pn-birleşimi sonuçta ters yönde ile çalıştırılır: Değeri 0,5 µA civarında olan bir engel akımı akar. Ohm kanununa göre giriş direnci (1 V/0,5 µA) yani 2 MΩ dur. Buna karşılık, benzeri koşullardaki bir ikikutuplu transistörde taban akımı 1 mA kadar olabilir: yani, giriş direnci yaklaşık 1 kΩ kadardır.
Şimdiye kadar bahsedilen n-kanallı JFET e ait örnekteki işlevler, benzer yapıya sahip bir p-kanallı JFET için de geçerlidir. Taşıyıcı malzeme ve yayınımla oluşmuş geçit bağlantıları zıt katkılanmış yarıiletken malzeme ile yapılmış olduğu için çalışma geriliminin kutbunun tersine çevrilmesi gerekir. p-kanal JFET in VDD akaç-gerilimi negatif, kapı öngerilimi ise pozitif olmalıdır. Böylece, akım, p-kanal JFET te akaçtan kaynağa doğru akar.
Bir JFET in yükselteç olarak kullanılması
Resim 5: Bir JFET li yükselteç devresi
Resim 5: Bir JFET li yükselteç devresi
Resim. 5 te BF245A tipi n-kanal JFET kullanılan bir standart yükselteç devresi görülüyor. Bu yükselteç devresi çok yüksek bir giriş empedansına ve çok büyük bir gerilim kazancına sahiptir. Bu yükselteç devresinin işlevi, bir vakum tüp triyot bulunan yükselteçle karşılaştırılabilir. C1 ve C3 giriş- ve çıkışta kondansatörleri DC gerilimi ayırmak için konulmuştur. R1 kapıya paralel bağlı bir kaçak direncidir. Bu direnç, girişin DC gerilimini 0 Volta (şaseye) çeker ve girişte olabilecek çok yüksek statik gerilimleri engeller. C1 giriş kondansatörü için bir boşaltım devresi gibi çalışır. Çalışma akımının (quiscent current) R2 üzerinde yarattığı gerilim düşümü, kapalı devre vasıtasıyla kapı için bir negatif gerilim meydana getirerek kaynağı daha pozitif bir gerilime getirir. C2 çok büyük bir kapasitansa sahiptir, bu sayede işaret yükseltme işlemi sırasında girişte olabilecek hızlı akım dalgalanmalarının öngerilimi etkilemesini engeller. (Eğer bu kondansatör olmazsa, R2 akımı geri beslemeler meydana getirebilir ve kazanç katsayısı kuvvetli bir şekilde azalır.) R3 diğer tüm yükselteç devrelerinde olduğu gibi sükûnet akımını ve çalışma noktasını belirleyen bir dirençtir.
Buradaki 180° lik faz kayması, ikikutuplu bir transistörün yayıcı-taban devresindeki ile aynıdır. Bu faz kaymasının nedeni çok basittir: Giriş işareti pozitif bir yönde değişirken, bu gerilim negatif öngerilim ile örtüşür, keza öngerilim küçülür. Bunun sonucunda JFET teki engel katmanı küçülür ve dolayısıyla iç direnci azalır. Yani, eşit akaç-gerilimi ile çalışma akımından daha büyük bir akım akar. Bununla birlikte, daha büyük bir akım R3 çalışma direnci üzerinde daha büyük bir gerilim düşümü meydana getirir ve bu, çıkış geriliminin düştüğü anlamına gelir. Bu, yükselteç devresinin giriş- ve çıkış işaretleri arasında 180° lik bir faz kayması demektir.
Resim 6: JFET yükselteçte faz kayması