www.radartutorial.eu Radar Temelleri

Kavşak- Alan Etkili Transistörler (JFET)

Kollektör
Taban
Emetör
Akaç
Geçit
Kaynak

Resim 1: Transistör ve Alan Etkili Transistör simgelerinin karşılaştırması

Kollektör
Taban
Emetör
Akaç
Geçit
Kaynak

Resim 1: Transistör ve Alan Etkili Transistör simgelerinin karşılaştırması

İki kutuplu (npn/pnp) transistörlerin elektronikte devrim yaratmış olmalarına karşın önemli bir dezavantajı bulunmaktadır. Taban-emetör hattının küçük direnci, büyük dirence sahip salınım devresini yükler ve sonuçta bu devrenin Q seçicilik faktörü kötüleşir ve yükselteç işlevinde uyumsuzluklara sebep olur.

İki kutuplu transistörlerde yükseltme işlemi taban akımı ile kontrol edilirken, alan etkili transistörlerde (FET, Field EffectTransistor) bu görevi geçite uygulanan gerilim yapar.

Alan etkili transistörün kavşak türü, JFET (Junction FET) e ve iki kutuplu transistöre ait uçlar Resim.1 de verilmektedir. „Geçit” ucu transistörde tabana, „Kaynak” kollektöre ve „Akaç” ucu emetöre karşılık gelir.

Akaç
Geçit
Kaynak
n- katkılı
silisyum
n- kanal
yayınım ile
p-katkılanmış
malzeme

Resim 2: Bir JFET şematik yapısı

Akaç
Geçit
Kaynak
n- katkılı
silisyum
n- kanal
yayınım ile
p-katkılanmış
malzeme

Resim 2: Bir JFET şematik yapısı

Resim.2 de bir JFET in şematik yapısı yer alıyor. Üstleç (substrate) n-veya p-katkılanmış yarıiletken malzemelerden meydana gelir (çoğu kez silisyum katmancıklardan). Bu taşıyıcı çubuğun her iki yanında birbirlerine zıt konumda iki adet yayınım (diffusion) yoluyla oluşmuş „inci” gibi bölgeler yer almıştır. Bu iki bölge elektriksel olarak birbirlerine bağlıdır ve buraya çıkan uç „geçit” olarak adlandırılır. Bu iki inci nedeniyle çubuk malzemesinin kesiti bir kanala benzer 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 malzemesi p-katkılı yarıiletkendir, geçit ise n-katkılı malzemedendir. İki kutuplu transistörlerde olduğu gibi, JFET in iki tipide uygulanan ön gerilimlerinin polaritelerine göre sınıflanırlar, okun yönü buna bağlı olarak belirtilir. Okun ucu daima n-katkılı malzemeye doğru bakar. Yani n-kanal bir JFET te ok yönü akaç-kaynak kanalına, p-katkılı iletkende ise geçit ucuna doğrudur.

Çalışması

İşlevi tanımlayan kilit sözcük yukarda bahsedildi: Kesiti, geçite uygulanan gerilim ile kontrol edilen, Resim.3 ve 4 te görülen akaç-kaynak kanalı.

Akaç
Geçit
Kaynak
VDD=+5V
kıtlık
bölgeleri

Resim 3: Geçit ucunda ön gerilim bulunmayan JFET

Akaç
Geçit
Kaynak
VDD=+5V
VGG=-1V
kıtlık
bölgeleri

Resim 4: Geçiti ters ön gerilimlenmiş JFET

Akaç
Geçit
Kaynak
VDD=+5V
kıtlık
bölgeleri

Resim 3: Geçit ucunda ön gerilim bulunmayan JFET

Akaç
Geçit
Kaynak
VDD=+5V
VGG=-1V
kıtlık
bölgeleri

Resim 4: Geçiti ters ön gerilimlenmiş JFET

Resim.3 te görüldüğü gibi, geçit ve kaynak uçları aynı gerilimdedirler, ikisi de şaseye bağlıdır. Akaç ve kaynak arasında ki gerilim sonucu yarıiletken kristalde bir akım akar. Bu gerilim koşulları altında akaç ile kaynak arasındaki direnç tipik olarak yaklaşık 500 Ω kadardır. Bu devrede akaç gerilimi VDD 5 V iken, ID akaç akımı 10 mA dir. Geçit uyarılmamış iken JFET yine iletken durumdadır.

Resim.4 teki devrenin geçit ucuna -1 V luk bir ters on gerilim (VGG) bağlıdır. Varaktörler de bahsedildiği gibi, bu ön gerilim değeri yükseltildiğinde kıtlık bölgeleri (depletion regions) eni, keza pn-kavşaklarının (pn-junctions) engel sınırları büyür, yani yük taşıyıcılarının sayısı daha da azalacağından, n-kanalın iletken-kesiti de daralacaktır. Bunun sonucu olarak n-kanalın direnci yükselecek ve daha az akım akacaktır. Negatif ön gerilim arttırıldığı takdirde bu etki daha kuvvetlenecek ve gerilimin daha da yükseltilmesi ile akaç-kaynak akımı bütünüyle batacaktır (sinking). Bu gerilim transistörün tipine bağlı olup „Pinch-off”-gerilimi olarak adlandırılır. Gerçi Resim. 4 teki - 1 Volt ön gerilim değeri çok küçüktür, bu durumda bile bir akım akar. Orijinal 10 mA olan akım 5 mA e batar. JFET iç direnci ise 500 Ω dan yaklaşık 1 kΩ a yükselir.

Bu ölçümler bize, yapıları temelde farklı da olsa, bir iki kutuplu transistör ile JFET in benzer biçimde çalıştığını gösteriyor. Söylediğimiz gibi, bir alan etkili transistörün avantajı çok yüksek bir giriş empedansına sahip olmasıdır. Geçit-kaynak pn-kavşağı sonuçta ters ön gerilim ile çalıştırılır: Değeri 0,5 µA civarında olan bir sızıntı akımı akar. Ohm kanununa göre giriş direnci (1 V / 0,5 µA) yani 2 MΩ dur. Buna karşılık benzeri koşullarda ki bir iki kutuplu transistörde taban akımı 1 mA kadar olabilir: Yani giriş direnci yaklaşık 2 kΩ kadardır.

Şimdiye kadar bahsettiğimiz n-kanallı JFET e ait örnekteki işlevler, benzer yapıya sahip bir p-kanallı JFET içinde geçerlidir. Taşıyıcı kanal ve yayınımla oluşmuş geçitler zıt katkılanmış malzeme ile yapılmış olduğundan işletme gerilim polaritelerinin tersine çevrilmesi gerekir. p-kanal JFET in VDD akaç-gerilimi negatif, geçit gerilimi ise pozitif olmalıdır. Bunun sonucu olarak akım p-kanal JFET te akaçtan kaynağa doğru akar.

JFET in yükselteç olarak kullanılması
in
out

Resim 5: Bir JFET yükselteç devresi

in
out

Resim 5: Bir JFET yükselteç devresi

Resim. 5 te BF 245A tipi n-kanal JFET kullanılan bir standart yükselteç devresi görülüyor. Bu yükselteç devresinin giriş empedansı çok yüksektir ve gerilim kazancı çok büyüktür. Bu yükselteç devresinin işlevi bir vakum tüp triyot bulunan devreninkine benzer. C1 ve C3 kondansatörleri giriş ve çıkışta DC gerilimi yalıtır. R1 geçite paralel bağlı bir şönt dirençtir. Bu direnç girişin DC gerilimini 0 Volta (şaseye) çeker ve girişte olabilecek çok yüksek statik gerilimleri engeller. C1 giriş kondansatörü için bir deşarj hattı gibi çalışır. Kaynak daha büyük bir pozitif gerilimde iken, sükunet akımının (quiscent current) R2 üzerinde yarattığı gerilim düşümü geçit için bir negatif gerilim meydana getirir. C2 çok büyük bir kapasitansa sahiptir, bu sayede sinyal yükseltme işlemi sırasında girişte olabilecek hızlı akım dalgalanmalarının ön gerilimi etkilemesini engeller. (Eğer bu kondansatör olmazsa akım geri beslemeleri meydana gelebilir ve kazanç katsayısı kuvvetli bir şekilde azalır.) R3 diğer tüm yükselteç devrelerinde olduğu gibi sükunet akımını ve çalışma noktasını (quiscent point) belirleyen bir dirençtir.

Uout
t
Uin
t

Resim 6: JFET yükselteçte faz kayması

Buradaki 180° lik faz kayması, bir iki kutuplu transistörün emetör-taban devresindekine benzer. Bu faz kaymasının sebebi çok basittir: Bir giriş sinyalinin pozitif yönde değişmesi sırasında bu gerilim negatif ön gerilim ile örtüşür- keza negatif ön gerilim küçülür. Bunun sonucunda JFET teki engel sınırı küçülür ve dolayısıyla iç dirençte azalır. Eşit akaç-gerilimi ile sükunet akımından daha büyük bir akım akar. Daha büyük bir akım R3 direnci üzerinde daha büyük bir gerilim düşümü meydana getirir ve yani, çıkış gerilimi batar. Bu, yükselteç devresinin giriş ve çıkış sinyalleri arasında 180° lik bir faz değişimi demektir.

Uout
t
Uin
t

Resim 6: JFET yükselteçte faz kayması