ffi§,EKT§ğ.üNğK
ffitHh/flANtARI DERS
NoTLARn
Dr. Serkan Aksoy 2012 Revizyon'],.B.7
içiwnnrir,nn ELEKTRoNirc ELEMANLARI
--------_----
1
-_-_----
1
DERS
1
NoTLARI
1
Dr. Serkan Aksoy
1
ELEKTRoNix ELEMANLARI r. r. raRiusnı, crcr,işiıvr
5
1.
----_----6
Elektronik ve Bilgi Çağı 1.2. TEMEL Br,grrnİr DEVRE ELEMANLARI 1.2.1. Direnç 1.2.2. Kondansatör 1.2.4. indııktans 1.2.5.
6 7 7 9
--------------Transformatör--------2. ELEKTRoN ve İyox HAREKETLERİNİN 2.1.
ELEKTRİK Ar-axDA
YAPISI---HAREKET-----___-----
Elektrik Alan Kavraml --------------.2. Elektrik Kuıııet Kavramı
2.1 . 1. 2.1
HAREI(ET Kavramı Kaıramr
2.2. MANYETİK ALANDA 2.2.I.Manyetik Akı Yoğunluğu
2.2.2.ManyetikKuwet
BOHR ATOM
MODELİ--
YAPILAR 3.1. KRiSTALLER---3.
-*--
_____-
14
_--__**_= 14 ----- 15
----------_--,l7 ------------|7
-----Teorisi 3.2. ELEKTRON EMİSYONU-----3.2.1. Termo-ElektronikEmisyon------3.2.2. Foto-Elektrik Emisyon --------------3.2.3. İkincil Emisyon---3.2.4, AlanEmisyonu
----,---"----" 17
3.1.1. Kübik Kristal Geometrisi 3.1.2. Kristallerin Enerji Bant
4.
-------- |2 -------------- 12 --------- 12
-----------__---- 14
KATI
3.3.
-----l2
------- 13
ELEKTnİK errıu KAVRAMI_-----------2.4. ELEKTRİKve MAGNETİKALANDA HAREKET, 2.5.1. Enerjinin Elektron Volt (eV) Birimi
l0 l0
-_--- 13 -------------- 13
2.3.
2.5.
--------------------------
------------------- 18
----------- 18 -------------- 18 -------------- i9
ELEKTRONLARIN İr,rrİnr BANDI DAĞILIMLARI
YALITKANLAR
-------_-
,------,------,20 -------------"--",-20
----------------2|
-------------2|
5.ILETIM----_ 5.1. ELEKTRIKSEL ILETKENLIK BAKIMINDAN KATI MADDELER 5.1.1. Metallerde Iletim
22 71 22
5. 1.2.
Yarıiletkenlerde İletim
')7,
5. l .3.
Yarıiletken Akımı
27
---
5.1.4. Yarıiletkenlerde Üreme ve Birleşmeler 33
5.2.
6.
PROBLEMLER
34
PN JONKSIYONU
6.1.
35
PN JONKSiYONUNDA DENGE DURUMU
---------_-------- 38 1
KARAKTEnİsrix Öz Bcnİsİ
6.3.
PN JONKSiYONUNU
6.5.
LİI.{EERLEŞTiRİLMİŞ EŞ
DEĞERDE\aRE
DiYoT DiRENCİ-6.7. PN JoNKsIYoN KAPASITESI 6.s. ÇIG OLAYI ve ZENER DİYODU---
--------44 -------------44
6.6.
6.9.
--43
-----46
TÜNEL DİYODU
6.10.
DIYOT IIYGULAMALARI
._----------------- 48
----___
6.10.1. Doğrultucular
48
1 0.3. Fotodiyot ---------* 6.10,4. Işık Veren Diyot 6.10.5. Diyot Testi ve Katalog
--
6.
bilgileri
----------------- 50
PROBLEMLER 7. TRANSISTOR 7.1. BİPOLAR JoNKsİyor*r,u TRANSİSTÖR (BıD -7.2. BİPOLAR TRANSİsrönüx ÇALIŞMA İı-xrsİ-_--6.11.
7.2.LBaz (Ara) Bölgesinin Geniş Olması
Durumu-------
7.2.2.Baz (Ara) Bölgesinin Dar Olması Durumu
7.2.3. BJT Emetör Verimi 7.2,4. BIT Taşıma Katsayısı
ORTAK BAZL| DEVRE
62
_*___-64 *64
----
67
--
KÜÇÜKİŞanrr
----
EŞ DEĞERİ
BILGILERI
7.8.
BJT KATALOG
7.9.
BJT SAĞLAMLIK TESTİ
PROBLEMLER 8. ALAN ETKİLİ TRANSİSTÖR 8.1. MoSFET ve BJT TRANSİSTÖnÜxÜx KARŞILAŞTIRILMASI 7.10.
8.2.
66
-------_------------ 68
BİPOLAR TRANSİsrÖn MODELLERİ
7.7.Bxİ
.---_----_- 65
-.----- 67
7.5.1. Giriş Öz Eğrisi 7.5.2. Çıkış Öz Eğrisi 7.5.3. Geçiş Oz Eğrisi -
Ebers-Moll Modeli
------------- 58 59
-----------63
nBvnE
7.4.4.Early Olayı - Etkin Baz Genişliği --7"4.5. Gerilim Kuwetlendirici olarak Ortak Emetörlü Devre
7.6. 1,
--_----------58
62
7.4"1. Ortak Emetörlü Devre Akım Kazancı 7.4"2. Ortak Emetörlü Devre Geçiş Iletkenliği 7.4.3. Ortak Emetörlü Devre Kazanç bağıntılan----
7.6"
57
62
-_
Bağıntıları
ORTAK EMETÖRLÜ
57
61
7.3.1. Gerilim Kuwetlendirici olarak Ortak Bazlı Dewe 7.3.2. Ortak Bazlı Dewe Gççiş Iletkenliği 7.3.3. Oılak Bazlı Dewe Kazanç
7.4.
-----*-.-"52
--- 61
7.2.5. BJ't lleri Akım Kazar,ı;
7.3.
48
MOSFET TRANSİSTÖR
72
-------------74 /5
-------------76
79 __-----_-_-__---------------79 79
8.2,
l. MOSFET Çalışma Prensibi------
8.2.2. MOSFET'de I/DS'nin Etkisi 8.2.4. MOSFET Tanım Bağıntısı 8.2.5. MOSFET Küçük İşaret Eş 8.2.6. MOSFET Katalog Bilgileri
8l
-----
82 84
JONKSIYONLU FET ( JFET) TRANZiSTOR
8.4.
UNIJUNCTION (UJT) TRANZİSTÖR
8.3.1. JFET Çalışma Prensibi ve Kanal Oluşumu -------
Prensibi 8.5. PROBLEMLER 9. ANAHTAR DEVRE ELEMANLARI 8.4.1. UJT Çalışma
9.1. Anahtar Devre Elemanı olarak
BJT
9.2. Anahtar Devre Eleman ı olarak MOS-------9.4.
Diyodu-----
Tiristör
9.5. Divak
Triyak---10. KAYNAKÇA
9.6.
87 90
----
8.3.
9.3. PN-PN
85
Değeri-----
----
91
9l
---_-- 93 ------------- 93
____-__94 97 97 98 98 ----------_--- 99 100 100 101
1.
ELEKTRONIK ELEMANLARI
Elektroniğin gelişimi temelde aşağıdaki gibi gösterilebilir. Elektronik Elemanlar - Direnç, Kondansatör - İndiiktör, Transformatör -
Diyot
- Transistör
Elektronik Devreler -
Doğultucular Kuwetlendiriciler
Eleklronik Sistemler
- AnaloğSayısal Sistemler - Bilgisayarlar
Şekil 1.1. Elektronik Sistemler.
Elektronik devreleri direnç, indüktans, transformatör, diyoÇ transistör vb. devre
elemarüarrndan oluşur. Burüar aktif ve pasif devre elemarılar olarak iki gruba ayrrlrrlar.
Eş değer devrelerinde kaynak bulunan ve devreye enerji veriyormuş gibi düşünülebilen diyot, transistör, entegreler vb. devre elemarüarrdrr.
Akti_f Derı,e Elenıarıı:
Pesif T)eıre EIeıııanı:Eş değer devrelerinde kaynak bulunmayan ve devreden enerji çekiyormuş gibi düşünülebilen direnç, kondansatör, indüktans, transformatör vb. devre elemarüarrdrr.
Devre elemarüarınrn bir başka sruflandırılma şekli ise Tenıel Eleldrik Dezıre Elenıııılrırı ve Elektrtnik Der,ıre EleıııaııIıırı o|arak yapılabilir. Aşağıdaki bölümde öncelikle temel elektrik devre elemanlarrndan bahsedilecekfu . Devre elemarılarr üzerlerinden akan akrm 1 (Amper) ve üzerlerine düşen gerilim 7 (VoIt) arasrndaki matematiksel ilişkiyi belirleyen ve tanıın bağıııhsı olarak bilinen denklemlerle karakterize edilirler.
Tüm elektronik devre ve sistemler, belirli bir amacr gerçekleştirmek üzere ortaya konan matematiksel modeli (işlemleri) belir]i şartlar altında gerçekleştirmek amacr ile tasarlarurlar.
1.1.
TARIHSEL GELIşIM
Vakumlu diyot (ilk elektronik devie elemanr), Fleming 1904. - Triyoğ Forest, 1907, - Vakumlu devre elemanlarr (vakumlu ttipler), 195O'lere kadar. - Transistör (ilk yarıiletken devre elemanı), Bardeen, Brattain ve Shockley,1947. - İlk entegre devre ve hesap makinesi, Jack Kilby, 1958. -
Yarr İletken Devre Elemanlarr Teknolojisi
Uzun ömür Az güç ti.iketimi Küçük boyutlar Seri üretime uygunluk (Düşük maliyet)
Yarı İletken Tüm Devre Teknolojisi (Tümleşik Devre)
Elektronik ve Bilgi Çağı Şekil 1.2. Elektfoniğin kısa tarihsel gelişimi.
1.2.
TEMEL ELEKTRİK DEVRE ELEMANLARI
Direnç Direnç üzerinde belli
1".2.1.
bir gerilim düşümü ile devreden akırn geçmesini güçleştiren (sınnlayan) devre elemanıdrr. R Ohm (O) cinsinden direnç değeri olmak izere, direnç sembolü aşa$daki gösterilmiştir.
RR
q/Vvt-o o--r-}-o Şekil 1.3. Direnç sembolü. Direnç taıııııı bağntı
sı1
V=RxI olarak verilir. Tarurn bağıntısına göre içinden 1 akrmr akan bir R direnci uçlarr arasnda 7 değeriııde bir gerilim düşümü olur. Eğer direnç değeri akrma, gerilime, srcaklığa vb. bağlı olarak değişmiyorsa (yani sabit ise), o zaman bu direnç Liııeer bir devre elemarudrr, Lineer dirençte akan akım, direnç uçlarındaki gerilimin değişimini zamarra (t) göre aynen izleyeceğinden, direnç tarum bağıntısı zamuma bağlı olarak
v(t)=RX,(t) şeklinde genişleülebilir. Direnç akrm ve gerilimi çarplmr olan elektriksel güç (P : V x I Watt) açığa çıkarak, rsrya dönüşüp lıarcaı.ırr. Isrya dönüşen bu güç direnci rsrtarak etrafa yayılrr. Direncin özelliklerini bozmadan üzerinde harcayabileceği ınaksiııııını güç direncin yaprsrno boyutlarına/ _l.sr ya,}/ma yeteneğine vb. bağlı olup aşılmamasr gereken bir değerdir. Brı değerin aşrlmasr irairrtde ıii,enÇ yanarak tafuıp olur. 1.2|l,
|L. Di.renç Çeşitleti
Dirençler temelde üç farkh yapıda olup, bunlar:
1) Karbon film dirençler, 2) Metal veya metal oksit film dirençler, 3) Yarıiletken kullanrlaraküretilen dirençler. Yaygın olarak kullanılan dirençlerin görünümü aşıdaki şekilde gösterilmiştir.
Şekil 1.4. Bazr dirençlerin görünümü. l
Olım Yasası, (1827)
'|.2.1,1.-l.
Varistor
Uçlarındaki gerilime bağlı olarak, direnç değeri değişen elemarüara Valtaja Duyarlı Direnç lzDR) adr verilir. Titanyum oksit vb. maddelerin, çoğurılukta disk biçiminde preslenmesi ile elde edilirler. Bağlantı terminalleri, diske bağlanıp, dşı plasük malzeme ile kaplanır. Diski oluşturan maddenin kristalleri arasrndaki kontak direncinin voltajdan etkilenmesi, varistöre gerilime duyarlr olma özelliği kazandur. (Valiage Dtperıdent Jtesıstor,
V,
V"
*W"" Gq-< Şekil1.5, Gerilime duyarh direnç.
Varistör belli gerilim değeri ve üstündeki değerleri algrlayarak aktif duruma geçer. Gerilim arthkça iletkenliği artar (direnci azalır), gerilim azaldıkça iletkerıtiği azalır (direnci artar). Böylece uçlarrna uygulanan gerilimdeki aşrrrlıklarn etkileri, bir sonraki devre katınr etkilemez. Besleme gerilimi algrlama değeriniır alhnda olduğu sürece, varistör yüksek direnç değerindedir (prıtik alnrık ıs*lıtkıiıı), Varistör enerji sistemlerinde, değişken gerilim kaynağı ile gerilime duyarlr alrcr devreler araslna paralel bağlanarak kullarulrr. 1,2.1.1.2.
Termistör
Çevre §rcl veya üzerinden akan akrmın oluşturduğu rsr sonucu direnç değeri sıcaklıkla değişen devre elemarüarrdır. Sıcaklığrn değişimi ile ilgili olarak direnç değerleri azalan termistörler Negatif Sıcaklık Kıtsayılı {Negatiıe Teııı,perature Coeİficieııt, Nrq ve srcakhk değişimine bağlr olarak direnç değerleri artan termistörler Pozitif Sıcaklık Kntsnyılı (Positirıe T eıııp er n tur e C o effi ci en t, P TC) olarak bilinirler.
_ ^ r--=,--T o# FTı: !H
/
H]
+ L-,
Şekil1.6. Isrya duyarlı direnç. "J,.2
|J..1.3.
Fotoresistör
Çevredeki ışık şiddetine göre direnç değeri değişen devre elemarüarrdrr. Genel görünümü ve devre sembolü aşağıda verilmiştir. (:]adıııitıııı Sulphirle
\ çf]--o
Şekil 1.7. Işığa duyarlı diıenç.
1.2"1.1.4.
*
Memristör
L. Chua tarafindan 1971'de teorisi verilen ve HP laboratuvarlarrnda 2008'de gerçeklenmiş devre elemanrdrr. Menııistör (Memory - Resistor) tarum bağnhsı elemandan geçen yük değişimi ile ilgili olarak Memistans, M(t) = M|q(t)] adr verilen parametre üzerinden
v(t)=M|q(t)Jxi(t) olarak verilir. Eğer yük değişimi yoksa gerilim ve akım arasrnda lineer bir bağıntı vardır. Akımın akmaması durumunda i(t) = 0 iken v(t) = 0 ve M(t) sabit değer a|acağından,hafızaetkisi mevcuttur.
"*@l* Şekil 1.8. Memristör sembolü.
Kondansatör Kondansatör elektrik yükü biriktiren ve C (Farad) kondansatörün kapasitesi olmak üzere biriken,elektrik yüküniin Q (Coulomb), kondansatöriin uçları arasındaki gerilimle orantı]r olduğu bir elemandır. Çeşitli kondansatör sembolleri aşağıdaki şekilde görüldüğü gibidir. 1.2.2.
+Jt ]l- Jt+lt Şekil 1.9. Çeşitli kondansatör sembolleri. Buna göre kondansatörün tanrm bağıntısı
Q=CxV olarak verilir. Eğer gerilim ve yük miktarr zamiına bağlı değişiyorsa, kondansatörün tanrm bağınhsr zarrıarıa bağlı olarak
q(t):Cxv(t) biÇiminde genişletilir. Elektronik devrelerinde büyüklüklerin ölçüIebitirliklei nedeni ile akrm ve gerilim cinsinden ifade edilmesi tercih nedenidir. Buna göre birim zamanda taşrnan yük miktarı akrmr gösterdiğinden tanrm bağınfusı yardrmı ile
dv6(t) . /ı\ dq(t) + tc(t)=; ic(t)=r_ff olarak düzenlenir. Bu bağıntı kondansatör çalışma prensibi hakkında aşağdaki bilgileri verir:
1) 2) 'L.2.2|],.
Kondansatörden akan akrm, uçlarr arasrndaki gerilimin zamana göre tiirevi ile (zamana i: ığlı de ğişinı lıizı) orantıJrdır. Kondansatöre uygulanan gerilim zaman]a değişmiyorsa (DC), kondaısatörden akrm akmaz. Kondansatör Çeşitleri ve Yaprları
Kondansatörler temelde dört çeşit olup, burüar:
1) Stirofleks kondansatör, 2) Seramikkondansatör,
3) Poliesterkondansatör, 4) Elektrolitik kondansatörler. Yaygın kullanılan kondansatörlerin görünümü aşağıda gösterilmiştir.
Stri *t Ö*. ü!rş ı_*t,
Şekil 1.10. Çeşitli kondansatörlerin görtinümleri.
İndüktans Manyetik akı değişikliği bir iletkenin uçlarr arasrnda bir gerilim indüklenmesine yol açar. İndüklenen gerilim manyeük alanrn değişim lrızr ile oranhlrdır. Manyetik alanı oluşturan akrm gerilimiır indükleırdiği iletkenden akmakta ise bu ilişkiye göre oluşan orantr katsayrsrna ındıilttnııs dcğeri,l denilir. Böylece uçlarr arasındaki gerilimin, içinden geçen akrmın zamana göre tiirevi ile oranhlr olmak üzere tanrm bağıntısrna sahip iki uçlu devre elemanı o|an bobiıı Qı ı dı' ikt öı;) tanrml anrr. B obin tarum ba ğrntısı 1.2.4.
vL(t) =
(t\
di, ,_#
olarak veriiir. Bu bağıntı bobinin çalışma prensibi hakkında aşağıdaki bilgileri verir:
i) 2)
Bobiı.jıı_ uçlarr arasındaki gerilirn, bobin,Jen akan akrmm zaınaila göre fJrevi i|ç {,znınına.
arıtı|ıdır, Bobiırden akan akrm zamarüa değişmiyorsa (DC), bobinin uçlarr arasrnda gerilim düşümü oluşmaz. b a
ğ! ı, ıie
ğişiı ı ı i ıı zı) or
Bobin sembolü ve çeşitli görünümleri aşağıda gösterilmiştir.
ir*^: ı:.4
ö
!
o
Şekil 1.11. Iııdüktans sembölü ve çeşitli görüırümleri.
Transformatör Transformatör giriş ve çıkrş kapıları arasrnda gerilim ve akrm dönüşümü yapmayl sağ|ar. ve n2 sarlm sayrlarr olmak üzere transformatörün tanrm bağıntısr 1.2.5.
U2 L1 U1 L2
TL2
n1
olarak verilir. Transformatörün sembolü ve çeşitli görünümleri aşağıda verilmiştir.
10
n1
at)*;_. _;"/r(i)
ğıH *,-§|ry.,-
Şekil 1.12. Transformatör sembolü ve çeşitli görünümleri.
Transformatörlerin kontrol, emniyet yalrhmlr, iç fazlı vb. çeşitli modelleri mevcut olmakla beraber, elektronik devre uygulamalarr bakmından en yaygn olarak kullanrlaru PCB ttirü transformatörlerdir. L.2.5.7. Baskrlr Dewe Kartr Türü Transformatörler
Baslcilı T)ezıre .Kartı (Pinted Circuit Board, PCB) tiirü transformatörler plastik bir kutu içerisine
aş etkenlere karşr Yerüeştiiiümlş döküm ma_lzemesi ile doldurulmuş nem, toz, darbe korunan 0.5 VA ile 16 VA arasrnda değişik güçlere sahip iğne şeklindeki "U. ayaklar ile baskılı devre kartlarırra kolayca yerleştirilebilen devre elemarılarrdrr.
Şekil 1.13. PCB transformatörleri genel göriinümü.
ELEKTROI§ ve İYoN HAREKETLERİNİnı 2.1. ELEKrnix ALANDA HAREKET
2.
Elektrik Alan Kawamr Hareketsiz elektrik yüklerin oluşturduğu stntik elelttrik
yar,ısı
2.1"1.
E(V
/m) =
(elektrostatik) ılaıı2
7a
on*ii
formülü ile tarumlanır,
4
yükü (Coulomb)
Şekil2.1. q yükünün oluşturduğu elektrostatik alan çizgileri. 2.1.2.
Elektrik Kuwet Kawamr
tteKlrlK A.lan, L
Şekil 2.2. q yüküne etki eden elektrostatik kuwet. Elektrostatik Kuwet, F(Newton) = qE
Elektrik kuwet etkisi altında kalan m kütlesine sahip q yükü belirli bir ivme kazanrr. Bu durumda kuwetle ivme arasrnda aşagrdaki bağıntı geçerli olur. F = qE
=md=*#=*Ü{.
Buna göre uo ilk hrzına sahip bir elektronunu hareket denklemleri Kartezyen koordinatlarında ilk konumu xg,lg,zg olmak üzere aşağıdaki gibi ifade edilebilir.
x=vort*xo ,
2
y=-+Et2 /.m
Coulomb Yasası (1785) 12
+vout+yo
,
z=vaz+zo
Örnek: Hidrojen Atomu
Pozitıf yüklü çekirdek ile negatif yüklü elektrorüar arasında Coulomb yasasl gereği çekme kuweti mevcutfur. Elektron v lrıızı ile dönüyorsa, yöriingede katabilmesi için aşağıdaki eşitliğin sağlanması gerekir. (e : -1.602 x 10-19 Coulomb, m = 9.11x 10-31 kg)
- e yüklü
elektron
Elektronun yöriingesi
* e yüklü çekirdek Şekil2.3. Hidrojen atomu yaprsr.
lFl 2.2.
=
I e2 regrz
mvz
r
MANYETIK ALANDA HAREKET
Manyetik Akı Yoğuniuğu Kavramr Sabit hızla hareket eden (znıııına göı,e d"eğişıneyeıı) elektrik yüklerinin (sabit DC akım) oluşturduğı st atik ınnııyetik (ııııııı1 etostatik) alanı 2.2.1.
biçiminde verilir.
Şekil2.4. Sabit akım akan bir telin oluşturduğu manyetostatik alan (Sağ el kuralı). 2.2.2.
Manyetik Kuwet Kavramr
Şekil2.5. İetken bir tele etki eden manyetostatik kur,,vet.
F =IdIxpoH 3
Biot-Savart Yasasr (1820-1821) 13
2.3.
ELEKTRIK AKIMI KAVRAMI
N: Hareketli taşıylcl yoğunluğu
q: Bir taneciğin eleldrik yükii
Toplam Yük:
Şekil 2.6. A kesitli bir telden geçen elek
Q:qANxdl Akım taşıyıcrlarrn bir yüzden diğer yüze ulaşmalarr için geçen sire, dt -J+ _ u, -;
dl
olmak izere, birim sürede geçen yük miktarına eşit olan elektrik akrmr değeri,1
' Q 2+=AdMql + '-a-odü-"-"''rüü olur [i?.aııııı"
1Ç3r}].
I:ANqv
Bu durumda 1dJ birim elemanrna etkiven toplnın ıııaıııleiilt kuazıet, F
F =,4NqvBdlsin(u) olacağından, tek bir yüklü taneciğe etkiyen kuvvet ve ivme, d
P=qvBsin(a)=qixB =
a=+:a drm
6rE1
olacaktrr. Manyetik kuvvet (ae iame) hem lırz, hem de alan vektörüne diktir. Bu nedenle Luzın büyüklüğü (yami taneciklerin kineük enerjisi) değişmez.
2.4.
ELEKTRİK ve MAGNETİK ALANDA HAREKET
Yüklü tanecikler elektrik ve manyetik alanrn birlikte olduğu ortama girerse, elektrik ve manyetik kuwetin birlikte etkisi altında kalrrlar. Bu ku,ı,,vetler aşağrdaki gibi gösterilebilir.
F=n+F^:*#; 2.5.
- dr' L(E+l"B\ *1
dt'
nI
'
)
BOHR ATOM MODELI
Rutherford atom modelinirr, elektronlarrn ayrık enerji dağılımına sa}rip olmasr, atom]arın kararlrlrğı (elektronun atoma düşmenıesi) ve elektron yörüngesi yarlçapl hakkında slruI belirtmemesi vb. çeşitli yetersizlikleri Planck'ın Kuantum teorisini kullanrlarak Niels Bofu tarafindan 1913'de Bohr atom modeli ile ortadan kaldırilmrştıı. Kuantum teorisine göre Kuanta 14
denilen bir birimin tam katlarr olarak elektron enerji yörtingeleri meydana gelir. Enerjinin bilinen birimlerinden farkh olarak bir kuanfum enerjisi seviyesi frekansrn fonksiyonu olarak
E=lıf gibi verilir. Burada ğ kuanfum enerjisini (Joule), h Planck sabitini, 1)
/
frekansıru (Hz) gösterir.
Bir atom sadece belirli enerji durumunda bulunabilir. Böyle bir atomun elektronlarının yörünge yarrçaplarr açrsal momentumunun tam katlarr (n değerleri) ile ilgili olarak nh mvrh _-+
2ır
nh 'n 2ırnıv ' "ı1
biçiminde belirli yarıçap ve enerji değerlerine sahiptir (k = 2)
2n2k2meo
n'h'
I/
ııercg).
Elektron söz konusu yörüngelerden birinde kaldığı sürece ivmeli hareket yapnrasrna rağmen, hiçbir enerji yayma veya alma olayr meydana gelmez. Ancak elektronlar mevcut yörüngelerden birinden diğerine slçrarsa oluşacak radyasyon frekansr
ı Er-E, J: h
olarak bulunur. Burada kalite faktorü Q çok yüksek olduğundan, L/f = I/Q^f ilişkisi gereği, yüksek doğrulukta atomik saat'in temellerini oluşturur.
Enerjinin Elektron Volt (eV) Birimi 1 eV' |ıık enerji bir elektronun bir volt]uk bir potaırsiyel farkının kat etmesi için gerekli enerji olup 1.6 x 10-19 Joule'e eşrtnr (Hidrojen atomu içın eV brimi n = L iken Et 13.6 eV bulunur). Tek bir elektron çok düşük bir enerji'ye sahip olmasrna rağmen küçük bir akrmrn akmasr için bile çok sayıda elektron gerektiğinden eV birimi bu ttir olayların ifadesi için uygundur. Atomların elektron-ları belli enerji seviyelerine sahip olan kabuk ve alt kabuklara belirli kurallar ile yerleşirler (Shrodinger dalga denklemi çözümü). Bu durum ana ve alt kabuk yapılarr biçiminde aşağıda verilmiştir (Atom nuftMrası = Elektron Sayısı), 2.5.1.
Ana kabuklar:
Alt kabuklar:
1s2
2s2 ,
2po
3s2
4s2
^6 Jp
4pu
3d10
4d10
4f4
Tablo 2.1 Ana ve alt kabuk yapdarı.
a
Atomun büyilklügü yaklaşık 10-rı m ikerı, evrenin büyüklüğiiniin 1028 m civannda olduğu tahmin editnektediı. l5
Örnek: Silisyum IV- grubu atomu: 14 elektronlu: 1s2 zsz 2p6 3s2 3p2 valans elektronları
"'A
içsel kabuklar
Ş
eki| 2.7 " Silislıu11 atomun un elektron
d
ağrlrrrrr.
İçsel kabuk elektronlarr atoma çok srkı bağlanmış olup kolayca atomdan ayrrlmazlar. Çekirdeğe en yakrn elektronlar çekirdeğe en srkı bağlı olarüardrr. Atomun son yörüngesindeki elektronlar zıalaııs elektronları olarak bilinir. Atomik yapısında kabukları ve alt kabukları tamamen dolmuş olan Srıy.gıız gibi elementler (He, Ne, A ab.) kı.rnrlı bir yapı oluştururlar. Silisyum, Germanyum vb. ise son kabuklarr tamamen dolmamrş elementler olup yarıiietkeıı atomlarr olarak bilinirler. Gerçekte atom çekirdek ve elektron bulutundan oluşur. Çekirdek ve elekhorüar arasındaki kuwetler eiektı,oırıanyetik teori ile açıklanrr. Buna göre aralarındaki 1,ı,-iig!li5i;ıg| aralarındji ..tesafeiür i,,isi İle aza\ıp, aralarında aluır-,-.73i;len büyüklükler fotonlardır5.
s Çekiıdek 10-1a m civarlannda büytiklüğe sahip olup, nötron ve protondaı oluşuı. Burüar aralannda çekidek kuwetleri ile bağlrdırlar. Aralarında alınrp-verilen büyükliik piyorıiardır. Proton 10-15 m civarııda büyüklüğe sahip olup, kuarklardan oluşur. Kuarklar aralannda güçlü etkileşme ile bağlr olup, ara_laıındaki potansiyel aralarındaki nıesafenin karesi ile
artar.
_J.6
3.
KATI YAPILAR
-
Katı yaprların atomlarr aşağrda gösterildiği gibi üç farklı biçimde srralanmış olabilir.
,;;;-. .6-ı-},-. ,r:;;. ,;;;; ı ı..O
(ü iti.,{ö, _O, ,1,3-t
Ifuistal Yapı
Poli-kristal Yapı
Amorf Yapı
(Düzenli)
(Düzensiz)
Şekil3.1. Çeşitli Katı Yaprlar. 3.1.
KRİSTALLER
Atomlarr düzgün bir şekilde srralanmrş katı cisimlere kristal denilir. Kristal yaprda atomlar birbirlerine kimyasal olarak bağlanmıştır. Atomlar arası bağlar;
Kuvvetli bağlar - Iyonsal Bağlar
1)
- Koaalan BağIar -
Metalsel Bağlar
2} 7ayrt -
bağlaı
Geçici Kutuplaşma
Yarriletkende atomların birbirlerinin elektrorüarını ortak kullanrmr nedeni Lle kovglaıı tıağtnr mevcutfur. 3.1".1.
Kübik Kristal Geometrisi
Kristal geometrileri Kübik, Tetragonal, Ortorombik, Monoklinik, Hekzagonal vb. olabilir.
b)
a)
Basit Kübik yapı
Merkezi Kübik yapı
Şekil 3.2. Kübik kristal geometrisi.
L/
Şekil3.3. Silisyum ve Germanyumun kristal geometrisi yapsı. 3.1".2.
Kristallerin Enerji Bant Teorisi iüetim Bandı q
Yasak Band (6 e7) (^
valans Bandı
rİ]
Şekil3.4. Elmas kristali için enerji bantlarr (Yalıtkanlara benzerdir). 3.2"
ELEKTR.ON EMİSYONU
Bir katı maddenin serbest elektronlarından enerjisi yeterince yüksek birinin veya bazrların:n yaplyı terk ederek katı madde yüzeyinden çrkmasr olayına elektı,aı eıııisyoııu (sı'iııııını) adı verilir. Bu olay aşağıdaki gibi çeşitli yollarla meydana gelir.
Termo-Elektronik Emisyon Termo-Elektronik emisyonda yüzeyden çıkan elektrorüarın oluşturduğu akrm yoğurüuğu, /
3.2.1.
J:a,T2ei
(A/ınr)
malzemeye bağlı bir katsayı, T Kelvin olarak srcaklrk, k = 8.62 x 10-5 eV /"K olarak Boltzmann sabitini, ğ ise malzeme çrkrş enerjisini gösterir.
olarak verilir. Bu deırklemde
q,
Herhangi bir yolla rsrtrna
Şekil 3.5. Termo-Elektronik emisyon. 18
3.2.2.
Foto-Elektrik Emisyon
\
Şekil 3.6. Foto-Elektronik emisyon.
/ frekanslı bir elektromanyetik rşlrum]n foton
enerjisi:
Enerji = hf olmak izere, Foto-elektrik emisyon şarh:
hf >W olarak verilir. Eşik frekansı
f
(Hz) ve Eşik dalga boyu 7 (m)
).:
= "
)u
hc W
--} Jf: Jef
:
W h
burada c = 3 x 108 m/sn şrk hrzınr göstermektedir. Yüzeyden çrkan elektronların kineük eneriilerinin frekansla değişimi asağıda göstcrilrniştir.
I,
-my 2o
.fo
Şekil 3.7. Yüzeyden çıkan elektrorüarın kinetik enerjilerinin frekansla değişimi.
79
S.Z.3.
İkincil Emisyon
Katı bir maddenin yüzeyine hrzlandrrrlmış elektrorüar çarptığında (en az 20 - 30 eV enerjiye sahip) yüzeyden elektronlar çıktığı görülür. Bu olay aşağıdaki gibi çeşitli sebeplerden meydana gelebilir: - Gelen elektrorüardan bir bölümü yüzeyden yansrr.
- Gelen elektronlardan bir bölümü yüzeyden içeri girdikten sonra çarpşmalarla yön
değiştirerek tekrar dqarr çıkarlar.
- Gelen elektronlardan bazrları enerjilerini
yapıdaki elektrorılara vererek onların
drşarı çrkmasna neden olurlar.
Bir çeşit elektronik emisyon olan bu olaya ikiııcil eırıisyoıı adr verilir. Bu prensip kullanilarak aşağrda gösterilen ve çoğaltmalı tiip adr verilen cihazlar yapılabilir.
V3)V2)V1 Şekil3.8. Çoğaltrnaiı foto ttip. 3.2.4.
Alan Emisyonu
İüetken
bir yizey üzerindeki elektrik alan şiddetı ynzey negatif olmak üzere 709V/m
mertebesine ulaşhrrlrrsa, iletkendeki serbest elektronlar koparak elektron emisyonu meydana getirirler. Alan emisyonunda akım yoğurüuklarr çok yüksek değerler alabilir. Sivri uçlardan elektriksel boşalmaların daha kolay meydana gelmesi olayr, alan şiddetinin sivri iletken uçlarrnda çok yüksek değerler almasr nedeni büyük değerlere ulaşan alan emisyonunun bir sonucudur.
3.3.
ELEKTRONLARIN ILETIM BANDI DAGILIMLARI
İletim bandındaki elektronlar kristal yapı içerisiırde serbest hareketleri esnasrnda enerjileri sürekli değişerek dolaşırlar. Enerjisi bilinen bir yerin, bir elektron tarafndan doldurulmuş olma ihtimali için Feııııi Fnktİ,ijyıden, F (ğ)
F(E)' =
I + g(E-Ei/kr
formülü ile yararlarulır. Burada E enerjisi bilinen bir yer için enerji değeri, Ep Fermi enerji seviyesi, k Boltzman sabiti, Z ise Kelvin cinsinden sıcaklık değerini gösterir. F(E) değeri 0 ile 1 arasında olup; 0 olmasr E enerjisindeki yerin boş olnınsıııı, 1 olmasr ise dolıı olınasını gösterir. Ep Fermi enerji seviyesi yaniletken elektroniği için referans bir büyüklük olup büyük önem taşır. Özel olarak 0 derece Kelvin sıcaklığında F(E)
E)Er E)Er
F(E)
=
I*e*
1 + F(E)= 1+r*
değerlerini alır. Fermi enerji seviyesi has yarriletken]erde yasak bandu,ı ortasnda, N tipi yarriletkenlerde yasak bandın ortasrnrn biraz yukarrsında ve P tipi yarıiletkerılerde yasak bandın ortasrnrn alhndadır. 4.
YALITKANLAR Yalıtkanlarda elektron]arrn serbest elektron haline geçmeleri için çok yüksek enerji
gerekmekte dit. (Örneğiıı; SiOz_(K.ııwı) içir," 8 eıl), Bu neden]e yalıt}ıai-Jarin oda sıcaklrğirrda serbest elektron yoğurüukları düşük ve dolayrsr ile özgül dirençleri çok yüksektir. Yalıtkan]arın enerji bant dağılımı aşağıda gösterilmiştir. I]etim Bandı ö
0)
Yasak Band
aJ
U) k
0)
E
Şekil
valans Bandr
4. 1 .
Yalıtkarıların enerji bant d ağılrmı.
21
s.
iıEriivt
İüetim (akım akıtma) çeşitli ortamlarda şu şekilde sağlanrr.
. vakum: Elektron hareket kurallarr geçerli olup elektronlarla. -
Vakumlu tüpler.
. Gaz: Gaz atomlarının iyonlaşmasl ile ortaya çrkan pozitif iyonlar ve elektroııIarla.
-
Gaz|ı gerilim regülatörü tiipleri, Gaz|ı doğrulfucu tiipler, - Yüksek güçlerde anahtar olarak kullanrlan tiratron tiipleri.
. srvrlarda: İnorganik bileşiklerin çözürrerek iyonlaşmasryla oluşan pazitıf ve negatif iyonlarla. . Kahlarda: Elektronlarla -
5.1.
Kah hal elektroniği elemanları.
ELEKTRİKSEL İıarxgNLİK BAKIMINDAN KATI MADDELER
Aşağıda maddeler iletim mekanizmalarr ve iletkenlik dereceleri birbirinden farklrdır. 1. İletkerüer 2. 3.
Yarriletken]er Yalıtkanlar
Metallerde İletim Metallerde dış kabuk elektrorilarınn çekirdek ile bağları çok zayıf olduğundan dış etki ile (rsr, rşrk vb.) bu elektronlar kolayca koparak kristal yapı içinde serbest ve rastgele dolaşan bir elektron gaz bulutu oluştururlar. Elektroırların elektik alan etkisi altında hız kazrıarak sürüklenmeleri sonucu oluşan akrma sı'irı,ikJeıııııe ıskıını adıverilir ve 5.1.1.
ü -- *pE olarak ifade edilir. Burada ü (m/s) ortalama sürüklenme lıı.zıtıı, p Çmz /Vs) mobiliteyi (hareket yeteneği), E elektrik alarıı (V /m) gösterir. Formülde ki negatif işaret elektronların a|ana zıt hareketini simgeler. Mobilite akrm taşryrcrlarrn hareket yeteneği olup malzemenin cinsine ve sıcaklrğa bağlıdır. Dış etki ile elektron kaybederek pozitıf iyon haline dönüşen metal atomlarr kristal yapıda sabit yerde kaldıklarından akrm iletimine katkılarr yoktur. Metallerde akım iletimi sadece elektrorılarla sağlanrr. 5.1.1.1. Metallerde Atoınik Yapr ve Enerji Bantlaır
Metal atomlarr son yörüngelerinde tek elektron bulunduran bakır vb. atomlardrr. Metallerin atomik yap61 aşağıda gösterilmiştir.
22
Şekil 5.1. Metallerin atomik yapısl.
Iletirn Bandı
o 0.)
>, ,a O
Va]ans Bandı
Cn
L (]
tr
t!
Şekil 5.2. Metaller için enerji bantlarr.
Metallerde iletim bandı ile valans bandr iç içe geçmiş olduğundan/ son yörüngelerindeki elektronlar ısr, rşrk vb. bir dş etki ile kolayca kopartılabilir. Yarriietkenlerde İletim Silisyum (Sü, Germanyum (Ge) vb. elementler yarıiletkenler olup bunlarda valans elektronun serbest elektron haline geçmesi için gerekli dış enerji (ısı, ışık zb.) sıcaklık|a aza7ır (Örneğin; Si:1.2LeY, Ge:0.7BeV). Özel olarak ayrıca/ Garyum Arsenid (GaAs) ve Garyum Fosfid (GaP) vb. bileşik kristallerde yardletken özelliği gösterirler. Yarriletkenlerde iletim olayı dış etki sonucu yarriletken atomunun son yörüngesinden kopan elektroıılar ve yerinden kopan bir elekfuonun yerinden ayrrlmasr sonucu meydana ge|en eleltran noksaıılığ nedeni ile o yerde bir pozitif yükün varlığı şeklinde yorumlanabilecek delik adıverilen sözde pozıtıf yüklerle sağlarur. Delikler de elektronlar gibi bu boş elektron yerlerinin komşu atomlardan alınan elektronlarla doldurulmasr sonucu rastgele hareket ederler. 5.1.2.
5.1.2.1. Elektron - Delik Cifti Kavramr
Şekil 5.3. Silisyum atomlarınrn birlikte bulunmalarr. 23
Yarıiletkenlerin iki ana çeşidi mevcuttur: 1) Has yarıiletkenler 2) Katkılı yarıiletkerüer -
N tipi yarıiletken_ler P tipi yarıiletkenler
Yaygın olarak kullanrlan yarriletkerüerin periyodik tablodaki yerleri aşağıda verilmiştir. ıV C
Zı
Cd
si
,.{l
[ia Iiı
Gc
Da
As Sb
§c ']'e
Tablo 5.1. Yaygın yarıiletkenlerin periyodik tabloda yerleri. 5
|l""2.Z. Has Yarriletken
Has yarıiletkenlerin atomlarrnda valans elektron]arı yeterli dış enerji ile
ışık
vb.) uyarrldığında yerlerinden koparak serbest elektron haline dönüşürler. Elektrorüarın serbest elektron haline geçmeleri için gerekli enerji yarriletken maddenin cinsine bağlıdır. Drş uyarrlma sonucu yerinden kopan elektronun o yerde meydana getirdiği elekkon noksarürğr o yerde bir (rsr,
pozitıf yük etkisi oluşturmuş gibi yorumlanarak sözde pozltıi yüklü kabul edilip delik olarak adlandrrrlrrlar. Has yarıiletkerüerin elektron ve delik sayıldfl TLi ve p; ile gösterilir. Has yarriletken için atomik yapı aşağıda gösterilmiştir.
Şekit 5.4. Has yarıiletken için atomik yapı. Yirre has yarıiletken için enerji bant dağılımı aşağıda gösterilmiştir,
Iletim Bandr Yasak Band
o
0J
valans Bandı
(.)
(r) L 0,)
t!
Şekil5,5. Has yarriletken enerji bant dağılımı. aA
5.1.2.3. Aı -
Tipi Katkılı Yarıiletken Fosfor Atomu
Fosfor atomu nedeni ile oluşan fazla
elektron Elektron Si Atomu
Şekil5.6. Beş elektronlu "Fosfor" atomu katkılanmasr (Veren atomlar). 5.1.2,3.1.
Pozitif YükIü İyon Oluşumu
N tipi yarıiletkenlerde Fosfor atomu katkıIanması ile oluşan serbest elektron ve pozitif yüklü iyonlardan başka rsrl uyarmalar nedeni ile delikler ve elektronlar da mevcuttur. Böylece N tipi yarıiletkerü
er
de ah ın
t
a
şıyıcıl ar,
- Çoğunluk Taşıyıcılar: Elektronlar, n - Azınlık TaşıyncıIar: Delikler, p
olarak mevcuttur. Bu durumda belirli bir srcaklrk için N tipi yarıiletkende
nP=niPi=T7 formülü geÇerli olacaktır. I{aikıl*i,.jikitiit sonra Fosftr,. ıi,-ıırıu Li, elckirrrl vermiş olacağındary sistemin dengede olabilmesi bakrmından + yüklü iyon haline dönüşür. Yine N tipi yarıiletken için enerji bant dağılımı aşağıda gösterilmiştir.
+1
pozitif
yüklu Fosfor iyonu
Şekil 5.7. Pozitif yüklü hareketsiz iyon oluşumu. iletlm Bandı o 0J
a
Yasak Band
0J
u]
valans Bandı
qJ
Şekil5.8. N tipi yarriletken enerji bant dağılrmı. 25
5"1.2.4. P -
Tipi Katkılr Yarriletken Delik
Alüminyum Atomu
YElektron
->
Si Atomu
Şekil 5.9. Üç elektronlu Alüminlum atomu katkılanması (Alan atomlar) 5.1.2.4.1,.
Negatif Yüklü İyon Oluşumu -
l negatif
yüklü Alüminyum iyonu
Şekil 5.10. Negatif yüklü hareketsiz iyon oluşumu. A]j!.pip.n11n
atomu i<11[1lnnrllkfan
sonra.....
l_ıir clekiro11 alııılş gibi oiaaaaınrlan idelik
oluşumu), - yüklü iyon haline dönüşür. P tipi yarıiletkenlerde Alüminyum atomu katkrlanması ile oluşan delikler ve negatif yüklü iyorıIardan başka rsrl uyarmalar nedeni ile delikler ve elektrorüarda mevcutfur. Böylece P tipi yarıiletkenl er de rıkıııı tilşıvıcılür ( chnr ge cnrit: rs) -
Ço
gunluk Taşıyıcılar
:D
elikler, p
- Azınlık Taşıyıcılar: Elektronlar, n
olarak mevcuttur, Böylece belirli bir sıcaklık için P tipi yarıiletkende de
nP:niPi=n! formülü geçerli olacaktır. P tipi yarıiletken için enerji bant dağılrmı aşağıda gösterilmiştir. Iletim Bandı o
c.ü
cJ
,-
U)
Yasak Band
valans Bandı
o
lİ]
Şekil 5.11. P tipi yarıiletken enerji bant dağrlrmı.
Genel olarak N,a yoğunluğundaki alnıı atoınlar ve N2 yoğurıluğundaki zıeı-e-rı ıtomlnrla katkılanmş bir yarıiletken bütün olarak nötr olacağrndan aşağıdaki bağıntı sağlanır.
N4*
n:
No
tp
N tipi }ıarriletkenlerde: Nı = 0 iken Np yeterince büyükse aşağıdaki bağıntı geçerli olur.
n=ND
9
p-
n?
=n? n-No
P tipi yarıiletkenlerde: N tipine benzer şekilde aşağıdaki bağıntı geçerli olur.
P=Ne
n?
-_--!-=--!-
n?
PNa
Bu durumda katkılanmış yarfletkenlerde (N ve
P
tipi) katkı yoğurıluklarının Fermi enerji
seviyesi Ep ve has yarıiletken enerji seviyesi E; ile bağınhsı aşağıdaki gibi verilebilir. TL= TLiy
g(Er-Eı)/kT,
p =piy g(ErEil/kT
Yarıiletkenlerdeburayakadaranlatıları]ar KıistalYapıvePoli-KristalYapılnriçindeanahatlarr ile ayru olvp, Amoıf yapılarda ise elektriksel davranışlar oldukça farklrdır. Amorf yapıların incelemeleri bu ders kapsamında ele alınmayacaktır.
Yarriletken Akımr Has veya katkrlr yarriletkenlerde akan toplam akım uygulanan potansiyel nedeni ile oluşan sı'jrtikleııırıt (drift) akıınlürı ve taşıyıcı yoğunluk farkları nedeni ile oluşan ıli_fiizılon (ıli"ffiı,siaığ nkırnlaıı ,ri*,ol. .ıı._iılellenebilir. Sürü}l=:._rıre vc ı-lifüzj,,_,n akrmlarr hem elektronllir iıerıı,_ie delikler için ayrı ayrı geçerlidir. Bu durumda yarriletkenden akan toplam akım aşağıdaki gibi dört ana unsurdan oluşacaktır. 5.1.3.
Toplam Akım
Elektronların Deliklerin Elektronların Deliklerin akımı Sürüklenme akımı Difrizyon akımı Diflizyon akımı
Sürüklenme
Yarriletkenlerde ayrr nedenlerden kaynaklanan sürüklenme ve difüzyon akrmlarr bir arada bulunuyorsa, toplam akım yoğunl"ğ, /- = İn * İp (A/m') aşağıdaki gibi verilir. Toplam elektron akrmr Toplam delik akrmı:
:
İn = İn, * İna = afnpnE + DnVn] İo = İo, * İpa = a|ıuoE
5.1.3.1. Yaniletkenlerde Sürüklenme
-
Dovp]
Akımı
Has veya katkrlı yarriletkenlerde akrm taşryrcrlarr (elektrorüar ve delikler) rastgele kaynaşma hareketlerinin yaru srra, ek olarak elektrik alan etkisi altında bir sürüklenme hrzr kazanarak süijkleııı,ne akııııı akmasrna neden olurlar. Sürüklenme akrmr elektrorüar ve delikler için ayrr ayrr incelenmelidir.
5
|L.3.2. Elektron Siirüklenme Akrrrıı
Kristal yapı içinde rastgele dolaşan serbest elektroıılara drşarrdan bir elektrik alan uygulanırsa, elektronJar bu alana zıt yönde (*) uçtan (*) uca doğru sürüklenerek sı.,iıükleıııııe akııııı akmasrna neden olurlar, Bu durumda elektrorıların ortalama sürüklenme hızlarr
İr:
-1ınE
formülü ile verilir. Burada Ü, (m/s) elekironların ortalama sürüklenme hızını, pn elektronların mobilitesini (hareket yeteneği), E ÇV1^1elektro-statik alanı gösterir. 5.1.3.3.
(m2
/Vs)
Delik Sürüklennre Akrmı
Elektrik alan uygulandığında delikler alarüa ayru yönde pozitıi uçtan negatif uca doğru sürüklenerek elektrorüara benzer biçimde sijrü.ltleıııııe akı,nıl akmasna neden olurlar. Bu durumda deliklerin ortalama sürüklenme hrzları +
üo = *1ıoE
formülü ile verilir. Burada İ, (m/s) deliklerin oıııalama sürüklenme hızını, [ıp (m2/Vs) deliklerin mobilitesini (hareket yeteneği ;, E ry7m1 elektro-statik alanı gösterir. Elekkonların ve deliklerin hareket }ıetenekleri: - Malzeme cinsine, - Sıcaklrğa, - Katkı y::i;r.luğu;:ı
bağhCr.
Sıcaklığın ve katkı yoğunluğunun artmasr akrm tarşryrcr hareket yeteneğini azaltrr. Tüm yarıiletkenlerde elektrorıların hareket yeteneği deliklerden yüksektir. Elektron ve deliklerin hareket yeteneklerinin toplam katkı yoğurüuğu ile değişimi aşağıda gösterilmiştir.
+- ııİ.ı
a-!
-_re E jı ğ: ıı(,
23-
ıoğiğ İ lt5
şEE ğ
=
E
ıo
ıİo
ı LJL_ıtİtL ı lıı
ıor. to.' N ırpıarr koıı,
ıorı
a,
,ş
o
ıorı
!ğğuntuŞu ücıa-3ı
Şekil 5.12. Elektron ve delik hareket yeteneklerinin toplam katkı yoğunluğu ile değişimi.
5.1.3.4. Yarıiletkenlerde Toplam
Akrm
İçinde N ve P tipi akım taşryrcrları olan
l uzunluklu
ve,4 kesitli bir katı madde düşünülsün.
Şekil 5.13. P ve N türü akım taşıyıcılarının hareket yönü. V
O=T , in=-HnE , ,4
;J
üo=*pıoE
alanlr yüzeyden geçen p yoğunluklu deliklerin 1 saniyede taşıdığı yük: T-Il to:Apquo:ApqF"İ
-4
alarılı yüzeyden geçen 1f yoğurüuklu elektrorüarm
Toplam akım şiddeti:
1
saniyede taşıdığı yük:
In: Anqun =+ I^: Arqp_) "L Il
T -L ro: A;s !T-- !,,,],
nLL,,
l
PlJp
Ohm kanundan G elektriksel iletkerıliği ve Parçanın Direnci, R verir.
,: C-I
nF*tPFp V:-A-^,, Lq I
+ R:Y: I
q rılü,"*ppp
Özgül iletkenlik o ve Özgül direnç p:
o:q np,+plüo
=Ş
p:
Q
nlf,,"
*
plJe
Parça eğer iletken ise delikler olmayacağınd* (, = 0), özgül iletkenlik o = QrLLtn olur. Burada (parça iletken iken) sıcaklık arthkça rsıl kaynaşmalardan dolayı hareket yeteneği azalacağından iletkerılik düşer (direnç artar). Eğer parça Hns \|aııiletken ise; (rı = n = p) o = qni(lın+ po)
yazılabilir. n; srcaklığa, elektron-delik hareket yetenekleri bağımlılığına göre çok daha fazla bağlı olduğundan, elektriksel iletkenlik n; iie çok etkilenir. n;' nin sicaklığa bağımlılığı , ^.,, -WfkT n, : A-I e
olarak verilir. Burada Ag bir sabit sayryı, T mutlak srcaklrğr, k Boltzman sabitini, I4l elektrondelik çifti oluşturmak için minimum enerjiyi gösterir. Katkılanmış yarıiletkerı]erde oda sıcnltlıflızda iletkerüik pratik olarak ya7nızca çcğunlıık tnşıyı.cılar tarafindan sağlanacağmdan;
on=qpnND,
opğqppNA
yazı|abl|ir. Dolayısı ile katkılanmış yarıiletkerüerde sıcaklrğa bağrmlılık has yardletkene göre oldukça zayrttıı ve daha çok hareket yeteneği ile belirlenir. 5.t.3.5. Yardletkenlerde Difüzyon Akrnrı
Serbest hareket yeteneğine sahip taneciklerin (tlrktrırı ııe dalikieı,} yüksek yoğuırluklu bulundukları bölgeden düşük yoğtınluklu bulundukları bölgelere yoğunluk farkı nedeni akmalarr ile oluşan akıma difuizyın nkı,nıı denllir. Meydana gelen tanecik ak4ınrn değeri, tanecik yoğuntuğunun ortam içinde uzaklığa bağlr olarak değişim lnızı {tııııadlt yoğuııluğu gradynııı} ile orantrlrdrr. Difüzyon olayr serbest elektronlar ve delikler için geçerlidir. 5.1.3.6. Deliklerin Difüzyon Akımr
Yarıiletkende delik yoğurüuğu sadece x yönünde aşağıdaki gibi değiştiği düşünülsün.
p(x)
Şekil 5.14. Delik yoğunluğunun x boyunca değişimi.
Delikler yüksek yoğurüuklu oldukları bölgelerden düşük yoğunluklu olduklarr bölgelere doğru geçeceklerdir. Bu durum * x yönünde akan bir delik difüzyon akrmr oluşturur. Deliklerin difüzyonu sonucu meydana gelen bu akrm aşağıdaki gibi ifade edilebilir.
l, : +aD,ff Burada q birim yükü, D, diflizyon katsayısinı, türev x yönünde delik yoğunluğu değişimini gösterir. Eğer delik yoğurüuğu sadece x yönünde değil de her yönde değişiın gösterirse (gerçekçi analiz), difüzyon akrmr gradyan yardrmr ile aşağıdaki şekilde ifade edilir.
Vp(r,a,z)
:
H, *ffiı
-ff,
=+ } o
:
+QDoyp(r,y,z)
5.1".3.7.
Elektronların Difüzyon Akımr
Yarıiletkende elektronlar içinde deliklere benzer biçimde difüzyon akrmr oluşur. n(x)
Şekil 5.15. Elel(ron yoğunluğunun z boyunca değişimi,
Elektrorılar yüksek yoğunluklu olduklarr bölgederç düşük yoğunluklu olduklarr bölgeye doğru geçeceklerdir. Elektron]ar negatif yüklü olduklarındarı -x yönünde akan bir elektron difüzyon akrmı oluşur ve bu akrm aşağrdaki gibi ifade edilebilir. 1ılrı^ -
-6|)
0n -oI
Burada q birim yükü, Dn diftizyon katsayrsını, tiirev x yönünde delik yogunluğu değişimini gösterir. Eğer elektron yoğunluğu sadece ı yönünde değil de her yönde değişim gösterirse (gerçekçi analiz), difüzyon akrmr gradyan ile şu şekilde ifade edilir.
Yn(.r.y,
**".....--.Ş
z'ı
0n",0n^,En^
ör
r|__ql
Delik difiizyonu yönü Difiizyon akımı yönü
p(x)
öa'
dz
p
+,I-
-aD,Vn,{.r,y,z)
ffi*ıeğ*ğs*r Elektrondifiizyonuyönü
<--
Difii4ıon akımı yönü
n(x)
Şekil 5.16. Delik ve eleklron difiizyon akımlarının konuma göre değişimi.
Yük taşıyıcılannrn diftizyon katsayrsı D, taşryrcrlarrn hareket yeteneği,ıı ile ilgili olup bu ilişki
DkT İ- q - "' _
lf
olarak Einsteiıı brığntısı adınr ahr. Örneğin 300Kelvin srcaklrkta (oda sıcaklıfu) Vr = 25.9mV
bulunur.
31
Yarıiletkenlerde Üreme ve Birleşmeler Yarıiletkende çok sayıda bulunan elektron ve deliklerin rastgele dolaşrmlarr sonucu birbirlerine rastladrkça birleşip yok olurlar. Bir taraftan da ortama verilen dış enerjiler (ısı, ışık zb.) nedeni ile yeni yeni elektroıı-düik çi,ftleri oluşur. Buna göre 1 sn'de birim hacimde ortaya çıkan elektron veya delik sayısı a ile gösterilsin. Yardletken içinde bir taşıyıcrrun ortaya çrkmasından birleşme ile yok olmasrna kadar geçen ısrtairıınrı süre {ortalaırıa tışıyıcı öıııri)} elektrorılar için z, ve delikler için r, ise elektron ve deliklerin zamanla değişimi aşağıdaki diferansiyel denklemler ile gösteriir. 5.1"4.
Elektronlarda:
Deliklerde:
dn
n
dt
Tn
dpp d"t
Tp
Uyarrlmamış (dengede) bir yarıiletkeırde belirli sıcaklıklarda elektron ve delik yoğunlukları (nç ve po) belirli ve sabittir. n, elektron yoğunluğu için bu durum
0-a-
nndn o + TTdt rLn
(1
:--!-
=+
-:
n -n l
n
olarak gösterilebilir. Bu durumda yukarıda ki diferansiyel denklemin çözümü
Tı=ü,J*Lne-t/r" olur. Burada An, t: 0 arundaki yoğunluğun nç denge yoğunluğundan farkınr ve ng elektron yoğunluğu denge değerini gösterir. Yarıiletkende herhangi bir noktada elektron yoğunluğun bir an için no denge değerinin An kadar üzerine çrkarhlsa, üstel fonksiyon nedeni ile yoğurüuk zamanfa azalıp n6 değerine yaklaşır. Bu durum zarrıafla ve konuma bağlı olarak aşağıdaki gibidir. n(t)
noi An
Şekil5.17. Zamana göre değişim
n(x) no* An
graflği.
Şekil5.18. Konuma göre değişim grafiği.
Değişimin zaman sabiti (rr,) ortalama taşryrcr ömriine eşittir. Benzer biçimde yaııiletken içinde herhangi bir yerde elektron yoğurüuğun bir an için nç denge değerinin ln kadar üzerine çrkarhlrrsa yoğunluk difüzyon olayr ve birleşmelerin ortak etkisi ile ı = O'dan başlayarak üstel olarak azalır.
Bu durumda değişimin
içeresindeki di,fıizyoıı
karakteristik büyüklüğü olan Ln'ye elektrorüarın malzeme uzaklığı denilir ve aşağıdaki gibi verilir
Ln: JtnDn
n: n * Lııe
r
".l "" "l
Hall Olayr Yarıiletkenlerde (veya iletkenler) akan akrma dik yöırde bir manyetik alan uygulanrsa elektron]ar maddenin alt yüzeyine (alt yüz üste göre ne7atiJ), delikler maddenin ıj.st yizeyine (alt yüz üste göre pozitifl doğru saparlar. Böylece akrm taşıyrcr ti,iriiırıe göre oluşan bu gerilime HıılJ 5.1.5.
geriliıııi denilir.
.
Ş_ekil 5.19. Manyetik alanda eleklron hareketi.
F:ıaT r'B Hall olayrrun neden olduğu gerilimin doğurduğu elektrik alan N tipi yarıiletkenlerde -y ve P tipi yarıiletkenlerde *y yönündedir. Yani taşryrcrlara manyetik alann etki ettirdiği kuwete ters yönde olacaktrr. Bu nedenle bir denge durumuna ulaşrlarak
qE=qvB 9
Vaoıı
q-
d-:
qvB
olur. Eğer P tipi yarıiletkenler söz konusu ise
I Io:pATuo + uo:L
pAq
Vr",,
,d
o
_ 0BpI '
pAq
+ A:wd
\I 'H^U
-
BIp
ffi
olur. Burada B elektrom:knahsla sağlanryorsa değeri bobinden geçen akımla orantı]rdrr. Bu bağınh ile ilgili yorumlar; 1. B ve /,
bilindiğine göre,
[.o11
gerilimi ölçülürse buradan p delik yoğunluğu bulunabilir.
2, Özgnliletkerıliği o, ölçülebileceğine göre aşağıdaki bağınfo ile p, hesaplanabilir.
_
o,,:qppp
=+
o
ro:* qp
3. Malzemeye ait p ve w biliniyorsa B endüksiyonu ölçülebilir (Manyetik alan (Hall) sensörü). 4. B biliniyorsaV1o11gerilimi ölçülerek 1 akrmı bulunabilir.
5.2. 1*)
PROBLEMLER
Bir kondansatöriirı DC akım kaynağı ile sürülmesi durumunda, olabilecek olayları tarum
bağıntısı kapsamında açrklayrnrz.
2") Bobinin farklr tasarrrn]arr kullanrlarak akrm hrzrn:n düz bir tel'e göre daha hızlı akması sağlanabilir mi?
Bir elektron ve çekirdekten oluşan atomik bir yapınn toplam enerjisinden faydalanarak, elektronlarmrn bulunabileceği enerji seviyesini gösteren
3*)
,
Lı _ -
_2zr'k'nıeo 2ı nn
2
denklemi Kuantum teorisini kullanarak ispat ediniz . (lc
:lf
+rrc, so)
ilk enerji seviyesindeki bir elektronun kopartılmasr için gerekli enerji seviyesini bulunuz? (Germanyum atomu için m = 0.72mo,mo = 9.!I X 10-31, €T = 76).
4) Germanyum atomunun
5) Silisvum (.§j) Has-;zarıiletkeni !0L7 at,omf cm3 oranrnda Arsenik atomlarr ile katkılanmrşhr. T=3a0 "K ve ıı;=1.5;f Slt] çxli-3 olarak veriliyorsa:
durumundaki delik say$l nedir? b) Delikler bakımından Fermi enerji seviyesi Has-yarıiletken ortalama enerji seviyesine göre ne kadar yukarıda veya aşağrda olur? a) Denge
6) Has-yarıiletken Germanyum (Ge) atomu için 300'K'de ni=2.5x1013 cm-3 olmak üzere özgül direnç değerini bulunuz? (p.:3900 cmzfVs ve pn:1900 cm2/Vs).
Silisyum (.§ı) parçacığı 7017 atom/cm3 mertebelerinde fosfor atomlarr ile katkrlanmş olsun. Eğer Io=1 mA, P=lg-s Wb/cmz ise 100 pm kalınlığındaki bir parça Silisyum için özgü1 direnç değerini ve Hall gerilimini bulunuz? (p"=700 cm2/Vs). 7)
8) N tipi Germanyum (Ge)'un örnek boyu 1 cm olup ve bu ömeğe 2 V gerilim uygulanmışhr. Buna göre elektron mobilitesini (p") hesaplayırıız? (0.95 cm uzuıluklu iki prob arasrnı taşryrcınrn 0.25 ms'de aldığı bilinmektedir). 9) Germanyumun (Ge) N tipi bir örneği Np:]Qıo cm-3 mertebesinde katkrlanarak 160'C'da bir jonksiyon oluşturulsun (n; = 2.5 x 1013 cm-3). Fakirleşmiş bölgedeki alıcr yoğunluğunun katı çöziinürlüğüne (= 3 x 16ıs ..-s; eşit olduğu varsaylmr ile Fermi enerji seviyelerini hesaplayınız? a) 300 0K' de N ve P tipi bölgelerde Fermi seviyelerini hesaplayıruz? b) Jonksiyon için denge durumunda enerji-bant diyagramıru çiziriz? 10*) Tel
için verilen direnç formülünü kullanarak, havanın direncini hesaplayınız.
5.
PN IONKSIYONU
P ve N üpi yarıiletkenlerin bir araya geürilmesi ile oluşa:r elektronik elemana PN jonksiyoııı,ı (Yaniletken diyot) adı verilir. Burada jonksiyon ifadesi ile iki madde arasındaki geçiş bölgesi
kastedilmiştir. P ve N tipi yarıiletkenler kullanrlarak PN jonksiyonu oluşturmak için birbirleri iÇerisine nıifuz etmeleri gerekir. Bu nötr bir gaz kullanılarak özel tekniklerle yapilrr.
N tipi
P tipi
yarıiletken
yarıiletken
Şekil6.1. PN jonksiyonu oluşumu. P ve N tipi yarıiletkenlerin bir araya getirildiğinde, P bölgesinde çok sayrda olan delikler N bölgesine doğru, N bölgesinde çok sayıda olan elektronlar ise P bölgesine doğru yoğunluk farkından dolayı difiizyon ile geçerler. N tipi bölge slnulru geçen delikler bu bölgede çok sayrda bulunan elektronlar ile birleşerek birbirlerini yok ederler. P tipi bölge sırurınl geçen elektronlar, ara bölgede çok sayrda bulunan deliklerle birleşerek birbirlerini yok ederler. Böylece taşryrcrlar bakımından fakirleşmiş PN geçiş bölgesi oluşur. Geçiş bölgesinde N tipi bölgede bir elektron vererek kristal yapı içerisinde negatif iyon halindeki atomlar vermiş olduklarr elektrorüarın deliklerle birleşerek yok olmasr sonucu negatif yük haline dönüşerek negatif yük birikirni oluştururlar, Benzer şekilde N tipi bölge sınrrında da pozitıi yük birikimi oluşur. Bunun sonucu karşılıklı elektron ve delik akışı frerüenir ve sonunda durur. Pozltıi ve negatif yüklü iyorüarın akrm taşınmasına katkrları yoktur. P
dOoOo Oo O@O-o
O'Oe6O
%OoO'
O CI
o CI
xn
o
eAoe vo oeeQo o
e e e
eeeo ooee o
o
e
o
O
e
:
pozitif iyon
:Negatif iyon
o
:
ElekJron
o
:
Delik
o
xp
Şekil 6.2. PN yarıiletken yapı.
Eğer P ve N tipi bölgelerin katkı yoğunlukları eşitse, geçiş bölgesini N ve P üpi yarıiletken iÇinde kalan krsrmlarr da eşit olur. Fakat katkı yoğunlukları eşit değilse, katkr yoğunluklarının farklılığına göre xo ve ffr'de faklr olur. Bu durum XnNp = XoNa
Şeklinde formülize edilir. Bu durumda geçiş bölgesinin her iki tarafindaki yük yogunlukları
pn=*QN» , pp=-QNe
35
olacaktrr. P ve N bölgelerinde katkı yoğurüuklarrrun homojen olduklarr ve P bölgesinden N bölgesine sert bir geçiş olduğı kabul edilsin, Bu durumda elektron ve deliklerin sükünet halindeki yoğurüukları ile pozitif ve negatif geçiş bölgesi yükleri aşağıda gösterilmiştir.
E
-#
N
*
e e e e e @ e e
P
Geçiş Bötgesi >l
flno Ppo
flpo
Pno
Şekil 6.3 Katkı yoğurüuklarınrn konuma göre de$şimi.
Burada nna ve pno süasl ile N bölgesinde denge durumunda elektron ve delik say§lru/ ILpg Ye ppg ise srrası ile P bölgesinde denge durumunda elektron ve delik sayrru gösterir. P bölgesinde potansiyelin değişimi tek boyutta Pdsson' denklemi ile
d'V(r) d"r2
Po
-8 LL
No
:q;r*C + + dv(r\ d, N,,
V(r):n+rICr*D.
/m) dielektrik sabiti olup, ı = 0 srnrrı potansiyel için referans kabuledilerekx:O'daV=0alrnabilir.BudurumdaintegrasyonsabitiD=0olur,xrsrnunda potansiyel I ile gösterilirse ve geçiş bölgesi dışında yüksek iletkenlik nedeni ile potansiyel o1arak hesaplarur. Burada e
(F
değişimi olmadığı kabul edilirse,
udzv7dx2=-p/€o
V =Vı
qN, 1/, N -r=q}x-q}*o } C=_7ro = dV €ax€a
{=O dx
bulunrrr. Böylece
x, srrurrndaki
I
potansiyeli ve x,. srnrrrndaki
Vr=
-fNox| ,
v2=
V2
potansiyeli
+fxox|.
olarak bulunur. Böylece potansiyelin geçiş bölgesinin bir sınrrrndan diğerine değişimi V6 ifadesi
XnND = xoNabağıntısı kullanılarak
vu
: 4_4= };(ı,ı,",
+
N ox}) =,
ry(, - #)
halini alır. 76'nin bilinmesi halinde geçiş bölgesi genişlikleri aşağıdaki gibi bulunabilir.
Bu hesaplamalar ile, potansiyelin konuma- göre değişimi aşağıda gösterilmiştir.
E
+
e
€E
N
e e
€E
:O
P
Şekil 6.4. Potansiyelin konuma göre değişimi.
VB'rjr. bilinmesi halinde geçiş bölgesinde oluşan elektrik alanrn konuma göre değişimi aŞagrda gösterilmiştir. Buna göre elektrik alan geçiş bölgesi sınrrlarında srfir, ortasında ise maksimumdur.
@ @ @ tİ,
e e a e
Şekil 6.5. Elektrik alanrn konuma göre (E(ı) 6.1.
- x)
değişimi,
PN IONKSİYONUNDA DENGE DURUMU
PN jonksiyonunda denge durumunda hiçbir al,ım akmayacağından 0n = İp = 0)
J,=nlı,E+n,fla,=o, d
jo= ppoE+Do*ur=o
olacaktrr. Burada E = -dV /dx bağıntısı kullanılarak
nür^ry=O,# ilişkisi bulunur. Buradan dV çekl|ip -.xr.'den *xo'yekadar integral alrnrrsa
ay=2o!4, ='İon-D,,'Flan '" F, ,i,"n Pn n
*
VB
=v,_v,=*^(;)
bulunu,r. Burada Dn/l-ın = 7r bağıntısr kullanılarak, kutuplanmamrş PN jonksiyonu için gerilim ve yük yoğurüuklarr arasrndaki bağmtı aşağıdaki gibi verilebilir. yB
flro _ -h froo
Bu bağıntıda PN jonksiyonu için 73 potansiyel seddi geçiş bölgesinin her iki yanındaki elektron yoğunluklarr cinsinden verilmişür. Örneğin 73 Silisyurırdrı yaklaşık 303 mV'dır,
6.2.
PN IONKSİYONUN KUTUPLANMASI
Kısa Devre Durumu Diyot için denge durumunda elde edilen sonuçlar yarıiletkenlerin dış uçlarrnrn bir iletkerıle krsa devre edilmesi durumunda da değişmez ve geçerliliğini korur. Diyodun uçlarr krsa devre olmasr durumunda herhangi bir akım ya da gerilim kaynağı olmadığından, diyottan hiçbir akm akmaz. PN jonksiyonunun krsa devre edilmesi durumu aşağıdaki gösterilmişür. 6.2.1.
Şekil 6.6. PN jonksiyonunun kısa devre durumu.
Kutuplama Bir diyota P bölgesinin N bölgesine göre daha pozitıf olmasr yönünde gerilim uygulanmasr haline geçirrne yiıntinde kııtu1ıla:nnıa denilir. PN jonksiyonuna bir dış etki olarak gerilim uygularursa denge bozulur. Gerilim Vg'yi azaltacak yönde ise difüzyon akrmr artar ve (diftizyonu engelleyen alan laiçülece§nden), alan akrmr aza|ır. Yani difüzyon akrmr yönünde net bir 6.2.2. Geçfume Yönünde
akrmakar.
i _E"
Şekil 6.7. PN jonksiyonunun geçirme yönünde kutuplanması ile ara bölgenin daralması.
Geçirme yönünde kutuplanma hali; jonksiyondaki taşıyrcıların hareketini sınırlayan elektrik alana ters ve dolayrsı ıle Vg gerilimini azaltacak yönde bir gerilimin uygulanmasr halidir. Böylece çoğunluk taşryrcrlarr geçiş bölgesine yığılarak karşılıklı elektron-delik geçişleri ile diyot akrmr akıtacaklardır. Bu durumda jonksiyonda şu değişiklikler oluşur: Jonksiyon üzerindeki toplam gerilim Vg - V olıır. - Elektrik alan şiddeü E - Eu değerinde azalır. - Gerilim düşümü ile geçiş bölgesi daralr. - N ve P bölgelerindeki azuılrk taşryrcılarr geçiş bölgesi srrurrnda üstel olarak artar. - Diyottan P bölgesinden N bölgesine doğru bir akrm akar. -
PN jonksiyonunun geçirme yönünde kutuplanma durumunda elektron ve deliklerin durumlarr aş a grdaki şekilde daha detaylıca aniatrlmştır.
E-En
Oun e /Tı tDo
oooo;'
O O
oo
e O., c O O O"'
oO
tD
O
ueA
o
o
e
e
oV
o
ooo
e eo o e e e" oğ
e e oeee o
o o
Şekil 6.8. PN jonksiyonunun geçirme yönünde kutuplaması.
Geçirme yöntinde kufuplama durumunda azrn]rk taşryrcrlarrn_ın geçiş bölgesi sınrrındaki değişimi aşağıdaki gibi olur N bölgesi flp (0)
--,
n(0\ n\ J _
no(O)
nno
^
floo
Grafiğe göre geçiş bölgesi srnrrrnda azrnlrk taşryrcrlarr sayılarr çok miktarda değişirken, çoğunluk taşryrcrlarr sayilarındaki değişme ihmal edilebileceğinden nr(O) =
nno :,
ne(g) = nooev/Vr
bağıntısr yazılabilir. Bu durumda delikler içinde benzer şekilde pn(O) = pnoeV/Vr
İfadesi yazrlabilir. Geçirme yönünde kufuplama durumunda difüzyorüa geçen elektrorılarln
ı
N
bölgesinden P bölgesine
= 0 düzleminden akıttıklarr akrm yoğurüuğu
4,(0)=
r".l*f,
l*),,=-t|,,
(0)-
J,(0)=-no,}l",Q)-n*f
"o"f
nr=lloo*Moe-'lL' , Ano
= no(O)
no(O):nooeı'/V'
-
no,
ş
J,(O)
:-n?r*(eı'M, -|)
Olarak bulunur. Benzer şekilde P bölgesinden.iV bölgesine difiizyon ile geçen deliklerin x düzleminden akrttıkları akrm yoğunluğu
:
l p(0)
*n
oİo,o
GV
/V7 -
:
0
ı1
olur. Bu durumda jonksiyondan akan toplam akım
J = Jn*Jo
=
n|"_?- o_orlr'/V,
-|)
olacaktrr. Azınlık taşıyrcılarr ifadeleri yerine katkı yoğurıluklarr cinsinden toplam akrm
J
e,,,, -1) =J.+J_=r,İ++-l3l, n P ,,lNnL, NoLo)'
olur. Bu durumda PN jonksiyon alanr.4 olmak izere, toplam iletim yönü akımr 1gçi*"
=,Eqtl++
-
;
""tlren,,,
-l) = I "çrv
rr
-11
olarak verilir, İletim yönünde akan toplam / akımı sıcaklrk ve jonksiyonun yap§al özelliklerine bağhdır. Pratikte difiizyon yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilen diyotlarda PN geçişi kabul edildiği gibi sert olmadığından bulunan ifadeler yaklaşık olarak geçerlidir, V ) Vr olmasr durumunda ise, iletim yönü toplam akrmr Igeçirme
-
Ig(ev/vr
-
1)
=
Igev/vr
olarak yazılır. Bu bağıntıdan görüleceği gibi, diyot tanım bağınhsındaki üstel fonksiyon nedeni ile lineer olmayan bir devre elemanrdrr. 4-1,
Yönünde Kutuplama Diyotta N bölgesi P bölgesine göre daha pozitif olaeak şekilde gerilim uygulanrrsa tıktıııııs yöııünde l«ıtı,ı7ı!ç1711ylç1 oluşur. Bu durumda uygulanan gerilim 76 gerilim seddini artrrarak difüzyonu engeileyen alanı büyüteceğinden, difüzyon akrmrn:n akmasrna engel olur. 6.2.3. Trkama
Şekil 6.9. PN jonksiyonunun tıkama yönünde kutuplanması ile ara bölgenin genişlemesı.
Tıkama yönünde kutuplanma hali: jonksiyonclaki taşıyıcıların hareketini sınrrlayan elektrik alanı ile ayru yönde ve dolayrsr ile 76 gerilimini arhracak biçimde bir gerilimin uygulanması halidir. Bu durumda azrnlrk taşryrcrlarr jonksiyon uçlarrna yığılarak diyottan akrm akmasnr önlerler. Bu durumda jonksiyonda aşağıdaki değişiklikler oluşur. Jonksiyon üzerindeki toplam gerilim V3 * V oIur, Elektrik alan şiddeti artar. - Gerilim artmasr ile jonksiyon genişliği artar. - N ve P tipi bölgelerdeki azırüık taşryrcrlarr geçiş bölgesi srrurında üstel olarak azalır. - Diyottan çoğurüuk taşryrcrsr akrmr akmaz. -
-
'.lrkamada yönünde kutuplanan bir Pı! jonksryonunun iç yap§l aşagrda oiarak gösterilmiştir.
E+EB
." OOO ,;nOOOo
CI
o
. n o O Oo o O OOO
\J A
\,
e
e e
Ooo
. OeQo 'oo ceeQo
v
o
eeeoo
Şekil6.10. PN jonksiyonunun hkama yönünde kufuplaması.
Tıkama yönünde kutuplamada çoğurüuk taşıyıcılarrnrn akrm akrtınasr mümkün olmazken, azuılrk taşryrcrlarınrn akrtacaklarr akrm artacakhr. Akan bu küçük değerdeki akrma doynıtı alınıı denilir ve değeri daha önce bulunan akrm değerindeki sabit katsayı ile ayrudır. Doyma akrmr çok küçük olduğundan, pratikte trkama yönünde diyottan akım akmryor kabulü yapılabilir.
Aşağıda trkama yönünde kutuplanma durumunda PN jonksiyonunda akan tıkama akrmının değeri verilmiştir.
ruko.o = Io =
6.3.
qAn|l
P"l-%_Ll
|r, nn'
Lo No)
PN JONKSİYONUNU KARAKTunİsrİx Öz gcnİsİ
Geçirme yöntinde PN jonksiyonu tanrm bağınhsı Igeçirıne
-
1o(gv/Vr
-
r)
=
IgeV/vr
olarak verilir. Buna göre P,lV jonksiyonunda akrmrn gerilime göre değişimi jonksiyonunun devre sembolü gösterilimi aşağıda verilmiştir.
PN __
Tıkama Bölgesi
ı\ı
ve
PN
-
-ı-
Şekil 6.11. Diyot akım-gerilim karakteristik öz eğrisi ve diyot sembolü.
DiYot bir yönde akrmr geçirery aksi yönde akım geçirmeyen iki uçlu bir devre elemarudrr. 6.4.
ISIL BAĞIMLIK
DiYotların hkama ve geçirme yönünde belirli bir gerilim için akrtacağr akım, hem 16 hem zı| ile oranhlı olmasr ve hem de V7 : kT / q bağnhsı nedeni ile sıcaklrğa bağlıdu. Bu etkiler nedeni ile geçirme yönü için diyotun akım-gerilim eğrisi sıcaklık aittıkça sola ötelenir- Akrmın belirli bir değeri için gerilim değişimi -2 ile -2.5 mY /"C mertebesindedir. Geriliminin sıcaklıkla değişimi aşağıd a gösterilmiştir.
-2
yrı{ı?
"ü
,i ,İ .I İ İ
İ
ı
Şekil 6.12. Diyot için akım-gerilim değişiminin artan sıçaklıkla ötelenmesi durumu.
6.5.
LINEERLEşTIRILMIş Eş DEGER DEVRE
Diyot eş değer devresi ideal bir diyoÇ diyot direnci ve gerilim kaynağı ile aşağıdaki gibi gösterilir. l'/, 1j
iı
ı*şCw; ''
-*
*--*_
l_ .iJ
1r,
Şekil 6.13. Diyot ve eş değer devresi.
Diyot tanrm bağıntrsndaki üstel ifade nedeni ile lineer olmayan bir devre elemandrr. Diyotun çeşitli kolaylıklar için eş değer devresi elde edilirkery lir,ıeer olmayan karakteristiğin parça parça lineerleştirilmesi yardrmr ile sonuca varrlır. Lineerleştirilmiş diyot eş değer devresi aşağıda gösterilmiştir.
kil
|-
btırı
i
ııtı*,rXeşı i ıi
l*tiş Diı,*ı
li*ıi*ii
§}*siı1*ştiıilıtıiş $it ııı
Llııçieii
id*al I}i5ııı h,i*çi*Ii
Şekil 6,14. Diyot lineerleştirilmiş eş değer dewesi.
6.6.
DİYOT DİRENCİ
Bir diyot belirli bir V gerilimde geçirme yönünde kufuplansın. Eğer kufuplama gerilirrıi ZV kadar değiştirilirse diyottan akan akrmda da A1 kadar bir değişim oluşacağr aşağıdaki gibi gösterilebilir. Bu değişime göre belli bir çalışma noktasında (I = Ip) aşağıdaki gibi tarumlanan büyüklüğe diyotun kıiçiik işaret direııci (dinaınik direnç) adı verilir.
dvl
1_1 'd dll,, ,,-,D
V-
I
AI
Şekil 6.15. PN jonksiyonunun dinamik direncinin tanrmlanması. 6.'7.
PN IONKSİYON KAPAsİrgsİ
ı }onksiyon Kapasitesi: PN jonksiyonu geçiş bölgesinin her iki yanrnda alan ve veren katkr atöm iyonlarırun oluşturduğu negafif ve pozitif yükler mevcuttur. Birbirlerine eşit olan -bu yüklerin değeri,.4 yarıiletkenin kesit alanr olmak izere Q = qANpxn
olarak verilir. Trkama yönünde kufuplama durumunda geçiş bölgesindeki potarsiyel seddi - V olacağından, xn Lfadesi
negatifse) yükselerek Va
halini alrr. Bu durumda biriken
Q
ğ
yükü Q= qANo
n,.(,-ffi)
olarak hesaplarur. 0 yükünün 7 gerilimine göre değişimi jonksiyoıı kaçıasilesi, Ç'ırirr varlığıru gösterir:
C,= C,(V)=
dQ
dV
Bu durum jonksiyon kapasitesi tıkama yönünde kufuplanan bir diyotun kapasitesinin gerilim ile de§.ştiıilebileıı bir kiındrııısatör olarak kullarulabileceğini gösterir. Bu amaçla kullarulan diyotlar knpasite diyatlaıı (aarııktor, ı,aikap) adrnr alrrlar. Kapasite diyotlarr aktif filtreler, frekans çaprcılar vb. elektronik uygulamalarda yüksek frekanslr rezonans devrelerinin tasarlanmasında kullanılrr. Bir kapasite diyotun kapasitesinin gerilimle değişimi C = C(V) değişimi aşağıda verilmiştir.
+
Şekil 6.16. Diyotun (C
-
V) değişimi ve devre sembolü.
Bu karakteristiğe göre diyotun geçirme yönünde kutuplanmasr halinde geçirme
akrmı
kapasiteyi şöntleyeceğinden (paralel olacağından), geçirme yöniinde kutuplanan diyotun kapasite diyodu olarak kullanılmasr söz konusu değildir.
. Difüzyon kapasitesi: Geçirme yönünde kutuplanan bir diyotta jonksiyon kapasitesi yanında bir diğer kapasitif etki ile karşılaşrlır. Bu büyük değerli kapasite jonksiyorı yakınındaki geçiş bölgesinirr dışında depo edilerr yüklerin uygulanan gerilirr.le tii.flizıioıı ka:pasitesi, Ca denilen
değişimi sonucu oluşur ve aşağıdaki gibi ifade edilebilir.
Ca=M ^0 6.s.
çIG OLAYI ve ZENER DİYODU
İdeal ve doymada olan bir diyofun tanrm bağıntısr lVl >> Vr olmasr durumunda bile diyottan Fakat gerçek bir yaniletl«n diyotta bu akım belirli bir çerilinıı}erı şurıra eniden aytıııavu Lıaşlır. Bu duiuirr Ze,ney ,-,t Çığ drı.,1," derıilen ı./e aşağlda açklanan olaylar sonucu oluşabilir;
bir /g doyma akrmr akmasrnr gerektirir.
Zener Olrıyı: Fazla katkrlanmrş yarriletkenlerde geçiş bölgesi genişliği dar olacağından, tkama yönü geriliminin belli bir değerinden sonra geçiş bölgesindeki alan şiddeti yarıiletken atomlarrna ait elektrorüarr kopartabilecek kadar yüksek bir değere (Ör: Silisyum için 300 kV/ cm) ulaşarak, .çok fazla sayıda serbest elektronun oluşmasına neden olabilir. Böylece diyot akrmr birdenbire artar. 1)
Çığ ülnyı: Katkr oraru çok yüksek olmayan yarriletkenlerde Zener olayrndan önce geçiş bölgesi geniş oldrığundan bu bölgeyi geçen elektronlar artan alarun etkisi ile çarpıştıklarr yarıiletken atomlarrn elektroıılarrnın kopmasına, böylece taşryrcr say§ffin aniden artarak diyot akrmın artmasrna neden olurlar. Bu prensipler ile üretilen diyotlara Zener dı'yat ve akrmrn birden artmaya başladığı bel-verme gerilimine Zener gerilirıi denilir. Zener diyot için akım-gerilim öz eğrisi ve devre sembolü aşağıda gösterilmiştir. Zener diyot dinamik direnci kapsamnda akrmın belli araIrkta değişimine karşın, gerilimi sabit tutabilmektedir. 2)
Şekil 6.17. Zener diyot akım-gerilim karakteristiği ve devre sembolü.
6.9.
TÜNEL DİYODU
PN jonksiyonunda katkı atomlarr sayısr çok fazla artırrlrrsa jonksiyon potansiyel duvar
geniŞhgl daralrr. Öyle ki katkı atomları yoğurıluğu 1019 cm-3'e yükseltilirse potansiyel duvarr genişliği 10-6 cm'ye kadar düşer. Bu değer ışığın dalga boyunun 1/50'si kadardır. Klasik teoriye göre bir taneciğin potansiyel duvarrnr geçmesi için enerjisinin duvar kalırılığı dikkate alrnmaksrzn en az potarrsiyel duvarrnın enerjisine eşit olmasr gerekir. Buna karşın Schrodinger
dalga denklemi potansiyel duvarr kalırürklarrnın çok ince olmasr durumunda, taneciklerin duvar içinden geçme ihtimallerinin büyük olduğunu göstermektedir, Kuantum mekaniği ile açrklanabilen bu olaya tinel aiayı (fuiııelleme) ve bunu temel alan yüksek katl« yoğunluğu ile üretilen diyotlara hinel diyotlrııı adr verilir. Esnki rl,iyoıiu olarak da bilinen ti,inel diyodu çalrşmasr ile L. Esaki 1973'de Nobel Öatıltı almrştır.
Şekil 6.18. Tiinel diyot akım-gerilim karakteristiği ve devre sembolü.
Tünel diyot geçirmede kutuplanrrsa 1, ve 1, arasrndaki herhangi bir akım değerine üç farkh gerilimle ulaşabilıneyi (çak ıleğerlilik) sağ|ar. Vo i|e Vu gerilimleri arasnda negatif dirençli olmak üzere çok iyi iletken özelliği gösterir. Çok değerlilik manhk devrelerinde anahtar olarak, negatif direnç ile istenmeyen direnç etkisi yok için ideal olmayan kondansatör ve bobin ile tasarlanan yüksek frekanslr osilatörlerde ve yükselteçlerde kullan:]ır. Yüksek frekanslarda çalışabilir ve güç sarfiyah nispeten düşükttir. Bunurı]a birlikte negatif direnci nedeni ile kontrolü zor (kararlr değil) ve istenmeyen işaret bozulmalarına neden olabilir.
.
lırzlı anahtarlama yapabilen ve düşük kapasite gösteren yüksek frekanslarda (mikrodalga) çalışabilen Sclıatt}ty diyotu RF sclıottl"! diqafu: Düşük trkama gerilimi seviyeli, çok
karıştrrrcrlarda dedektör, yüksek güç uygulamalarrnda doğrultucu, " guç veya devresi", güneş panellerinde anahtar, transistörlerde tuzlanma sağlamak için (B ve C arasrna) kelepçe olarak kullanr]rr.
6.10.
DIYOT UYGULAMALARI
oğultucular Elektronik devreleri ıloğırı {zııııaııin değişnıcyeıı) gerilim veya akrm (DC) üreten 8üç
6."J,a.1. D
kaynaklarına fütiyaç gösterirler. Düşük güçlü sistemler için bataryalar yeterli olmakla beraber yüksek güçlü sistemlerde alteııınti!'(:arnnııla değişeız) gerilim veya akrmr (AC) doğru gerilim veya akrma dönüştiirecek doğıultucııiarı ihİ:yaç duyulur. Bu tür diyotlar yardrmı ile yapılan devreler -
Yarrm dalga doğrultucularr, dalga doğrultucularr olarak bilinirler.
- Tam 6
"10.2.
Anahtarlayıcıl ar
L}i_vctlar geçirme ve trkama koşullarında ard arda kııllanıIarak elektronik devrelerde anahtar rolü üstlenirler. Burada verimi etkileyen en önemli durum geçirme-trkama veya hkama-geçirme geçişlerinde diyofun kararlr olarak çalrşmasr için geçen ve toprırlrııııııtı sı.iresi (recaTeı,|! ?iıııei adı verilen zamarun mümkün olduğu kadar kısa olmasıdır. Diyotlarrn toparlanma sürelerinirr iyileştirilmesi için çeşitli teknikler kullanı]makta olup bu konuda araşhrmalar yoğun bir biçimde devam etmektedir. Toparlann,ıa süresi değeri diyofun çalışma hızını ve kalitesini srnrrlar.
Fotodiyot PN jonksiyonun uçlaır kısa devre edilirse, denge durumunda akan akrm sıfir olur. Eğer jonksiyona yarıiletken atomlarrndan elektron kopartarak elektron-delik çifti oluşturabilecek kadar drşarrdan foton enerjisi radyasyonu düşerse, o zarnaT| geçiş bölgesinde oluşan yeni taşryrcrlar burada mevcut elektrik alan tarafindan sürüklenerek akrm oluştururlar, Bı olaya loto zıoitaik oluy ve bu diyotlara da fototliıltıf denilir. 6.10.3.
})
\\ n\\ İİ L=li N
P
Şekil 6.19. Fotodiyot genel görünümü.
Fotodiyot'ta akan akrmrn şiddeti jonksiyona birim zamanda gelen foton sayrsı ve dolayısı ile ışık şiddeti ile oranhlıdrr. Gelen rşığın foton enerjisi/reıi;ansa (dalgaboyııııa) bağlı olarak
E=hf=lıc7-1 olmak izere, bu enerjinin elektron-delik çiftleri oluşabilmesi için yarriletkenin belli bir E"r;;, enerjisinden daha yüksek olmasr gerekir. Örneğin; Silisyum fotodiyotunun eşik enerjisi 1.1eV olduğuna göre, elektron-delik çifti oluşfurmak için;
E> E
.,,.
.hc
) )1-
E-I eşik
bağınhsı gereğince 1l2B0 Angström dalga boyuna ihtiyaç duyulur. Bu durum görünen rşık spektrumunun tümü ile mor ötesi ışırüar ve krzrl ötesi rşrnların bir krsmrnrn fotovoltaik olayı oluşturabileceğini gösterir. Fotodiyotlarda yalırrzca geçiş bölgesi içinde veya yakurlarında oluşan elektron-delik çiftleri fotovoltaik akrmr oluşturduğundan, verimi artırmak için jonksiyonun ışık gelen yizeye yakın yaprlmalr ve rşrk alan yüzey ile elektriksel bağıntıda ışığı kesmeyecek şekilde tasarlanmalrdır. Fotodiyodun akıttığı akrm trkama akrmr yönünde olup fotodiyoda gerilim uygulanmasr durumunda fotodiyot'un akım-gerilim bağıntısr foto-voltaik akım ile diyofun uygulanan gerilim nedeni ile akıtacağı akrmrn toplam. I topıam
= -I
lotouottai"k
t
ltıkama(eV /vr
- l)
olur. Fotodiyotun akım-gerilim karakteristiği ve devre sembolü aşağıda gösterilmiştir.
:-@-i Şekil 6.20. Farklı ışık şiddetleri için fotodiyot (I
-
V) karakteristiği ve dewe sembolü.
Özel olarak; pratikte ışık algılamasında veya rşık şiddeti ölçmede kullarulan küçük yüzeyli ve akrmlı fotodiyotlar mevcut o|up Güııeş Pilleıi veya Fofo Voltçik Dönı'iştıiriiü olarak bilinirler. Bu :]:;;'.ı;"ida gü;ıeş pilinin kısı d:vıc ı,l
*
!'\ In/
Örneğin; parlak güneş altında 1m2'ye düşen giineş gücü 1kW civarlarındadır. Buna göre belli elektriksel güçleri elde etrnek için gerekli jonksiyon alanr hesaplanabilir. Büyük güçler için çok sayıda güneş pilinin kullarulmasr gereklidir.
Veren Diyot Geçirme yönünde kufuplanan bir diyotta difüzyonla karşr tarafa geçen bir taşıyıcınrn orada çoğunlukta bulunan bir taşıyıcr ile birleşmesi srrasrnda üreme için harcanmasr gereken kadar (Eeşı) enerji açığa çıkar. Bu enerji §r veya elektromanyetik radyasyon biçiminde ortaya çıkabilir. Işık olarak ortaya çrkması durumunda ki diyotlara zşık zıeı,eıı diyot {Liglıt E,nıittiııg Diode, LED) denilir. Bu enerjinin elektromanyetik radyasyon şeklinde ortaya çrkmasr durumunda 6.10.4. Işrk
dalga boyu,,1
)
hc
--EG
olarak bulunur. Burada h Planck sabitini, c ışık hrzrru gösterir. Ör; .Sl atomu için oda srcaklığında 7 = 1'128 pım'dir. Yani radyasyon kızrl ötesi bölgededir. Galyum Fosfid (GaP) içiıı ise radyasyon görünen dalga boylarında olup (0.4 ...0.8 p.m) bu ttir malzemeden yaprlan diyotlar yeşil veya sarr rşrk verip sayısal göstergeler vb, uygulamalarda kullanı]rrlar. Radyasyon ayrlca morötesi bölgede de olabilir. LED devre sembolü aşağıda gösterilmiştir. 49
#
fu
t
Şekil 6.2l. Işık veren diyot (LED) dewe sembolü 6.]"0.5.
Diyot Testi ve Katalog bilgileri Multimetre
r_] l,]]
-1
l c:,.:1 l
]
l+---i
::i:i;]i:.:.j:*lİi]il:İ eğf,: v;]ş * i
-A
\,._
\
>k
\
*-
:::]:=;:::::;:]:::ili::!.l
:-
i
ji
l
,]]İ
,. ., ,§E l' d:'.,,ji;lü ,İ,-şl
,ılı;,,
j :r|
-"-'_--__.}F.
*1l
r,.------] lt lı
la)j
:., 6
Multimetre
!1
:l l/''l}
?-1
l+ -l
\
!d,
Şekil 6.22. Diyot ölçüınü. Di1,ot
iki faıklı polarizayoncla rnulümetre7 ile ölçüm yapılarak test edilir. Polarizayonlardan
birinde diyot akrm geçiriyor, diğerinde geçirmiyorsa diılot srığlanı denir.
Örnek bir diyot için katalog bilgileri yanda gösterilmiştir. Buna göre katalog bilgilerindeki harflerin arı]amlarr aşağıda verilmiştir: A: Belirlenmiş doyma akımı için minimum ters kufuplama gerilimi, B: Isr ile ilgih özellikler,
Güc vavrirrnı iie ılgilı özc]liklcr, Maksimum sürekli iletim akımı, E: Geçirme gerilimi ve akrmr test değerleri, F: Geçirme gerilimi üst limit durumu, G:Tıkama yönü akrmr, H: Kapasite değeri, /: Ters kutuplama toparlanma süresi. C:
D:
7
Multimetre akm, gerilim, direnç vb. değerleri ölçen bir ölçüm cihazrdrr. 50
*
§T"
"
- li§}.]
ı}iiğ Siffi
\Sl{}l"i"ş[ \§ğ\lUt
11
p-t
tr&,üliiı
il,!
}}
ı
\ti1 : \ııtiı
1.
_ _. li.,
,-,
ü,
1 ;
ü
İ.'İFit'.,i:liri
&w:tşr.T,3ryş4ry6§;ş**.. . . ltş"şı *t İıgutt* ie§ Trşffı*;ıqt
Pı* şg l!:iışpş.i;,:ış
r&*yş
ıı
4İ:{w+ffi;]d{l
:,
T*np*ıı,*tr
,', ,', +i35'{) +*,:ı.-l İ,.
ilııit
ı!1
§{;$iı*ıiffi? ib riümş6$@a§A.l&&,fur^i' İ.ıtrş P,,nı: [h*ng İ.ıııı:,ı iiıtı ]i'ft
!iııişışiıi
:,,. ,}
§.*iç]ğ
3j
n*
_.i
i:
\}
i
i
:',i,1.
§(|lh4
ıiii,tL ,
|f
'o,,lt;ır* ;ııtl { itrı,**li
i
:
ı i{ 1k l
_
1ü İ f
:;
ltl\İ1(
,1,1
,
ll
İ ü"ii} | if.1} 1 iiii
,
. \i[ı t
tl _:"l
..,. :"_
"
: iiı;
-r
i
*""1]! 1 r,-, ! *ğl!i9i t ,_. , l {nt x ::i
:
T 'i
:
i}r| ı ı;\l}İ|'|tt\ı fu*}.$ıtua
i,
l
ilt] ra:l
1,.
ı
iııı,-,
et 1
}ş;;.§}1.1.'}"*,3,ݧ{l',
1";i:;,ı,l '"o
:
\
i: ] ı;i
]
i
i;:iij:-li .
,1
;
; ilı,!1.
,: t :.iii:
t_lı
1, ,:
;ji
;
1
}
- jıa
a
ilii,ı.i,-i:.:", :i't ııii ;
.i l'l.ı.
ılıi,ı.t
9üj,:il
ş
Şekil 6.23. Düşük slzdmah yüksek gerilim diyotu katalog bilgileri. 51
:.
trIL
İ
,.
6"11"
PROBLEMLER
1)
Ge Vo
+
Vt =
lZV
0.7 V
0.3 V
R=5.6 kQ
-L : Şekile göre; a) R direnci üzerinden akan akrmr bultınuz.
b) Diyotlar ters bağlanrrsa söz konusu akrmın değeri ne olur? 2) Şekile göreVp = 0.7 V iken R direnci üzerinden akan akımı lıesaplayanız.
Vi=8
V
3) Şekile göre 2O mA ve
-
10 V noktaiarında diyot direnç değeri nedir?
I,
(mA)
52
4) Şekile göre L/6, In,Ioı ve 1p2 değerlerini hesaplayınız?
(Vr\:Vur:0.7 V)
Vi=10 V
5) Şekile göre 1 akımının değerini hesaplayınızl
(Vız
-
VD,
:0.7 V
)
Dt
Vı=20 V
-_l_
Vz=4 V
g
R=2.2 kQ
'Dz 6) Şekile göre
|, Vnı,
F
Vn , Vg değerlerini hesaplayınız,t \vD = 0,7 V)
lllY{+
+
Rı=4.7 kQ
D
Vo
L
Vi- Iov
Rz=2.2
:L
ka=
,,I
7) Şekile göre 76 çıkış gerilimini hesaplayınız(Vo
:VI)2
= 0.7
12v sj D2
D1
R=2.2 kQ
L 53
V).
i
3.3 ko 8)
Vi=20 V
Devreye göre
11,
Iz, Ioz
değerlerini hesaplayınız? (Akm yörüeri belirsizdir).
9)
*=",T Vo
R=l kQ F=
V»ı:
+
Voz = 0.7 7 olmak izere, verilen şekile göre Vo' ı belirleyerek devreyi yorumlayrnrz.
10)
R=2
ka
Pzu=30 mW
Rr=4 kQ
Vi=20 V
V,=11,41V Verilen şekile göre a) R ve R1
dirençleri üzerine düşen gerilimleri hesaplayıruz.
b) 17 ve P7 değerlerini hesaplayıruz. b) Eğer Rr=3 ka olsa 12 akrmr değerini bulunuz.
ı 1)
Verilen şekile göre
I7
ve R5 değerlerini hesaplayırıız? (lz= 14, Vz= 8,2V, Vu= 12V)
I2) la
R=1 kQ
---)
lı. &
Vr=10 V
lrr"r=32 mA
Verilen şekile göre; a) 7p ve 1p değerlerini hesaplayınız.
b)
Rl'nin alabileceği maksimum değeri hesaplaynz.
13)
R=220 Q
lt Vr=10
Şekile göre Zener diyodun iletimde olmasr
RFl.2
içnV{ nin
kQ
sınrr değerlerini belirleyiniz?
14") Şekil6.4'ün grafik bakrmından doğruluğu üzerinde tartrşrruz. 15") Tünel diyofun tanrm bağınhsını çıkartınız.
16") Üstel bir fonksiyonun direnç, kondansatör ve bobin elemanlarr kullanrlarak gerçeklenmesi
mümkün müdür?
17") Diyot taırm bağıntısın:n elde edilmesinde, yarriletken]erde üreme-birleşme olayınr modelleyen diferansiyel denklemlerin çözümiinün üstel önerilmemesi durumunda, ne tiir bir ifade ile karşılaşılrr?
55
TRANsisrön z.r. git oLAR;ox«sivoNlu rRaNsisrön EIT) 7.
Bipolar Jonksiyonlu Transistör (Bipolar |ııııction Tı,aıısistar-BJT) yarıiletken akrm kontrol elemarıların:n ilk iivesidir. Bir BJT iki N ti.irü yarıiletken bölge arasına çok ince (| pm daha dar) bir P türü yarıiletken tabaka ile ayrılmış bir sisteın olarak gerçekleştirilir. Bu ttir transistöre ffPN tijnj Transistör, iki P tipi yarriletken bölge araslna ince bir N tipi yarriletken tabakanın oluşturulmasr ile meydana gelen transistöre ise PNP tı'ini Traıısistör denilir. Her iki transistörde aradaki bölgeye Baz (Base), uçlardaki bölgelere Eıııetör (Eıııitter) ve Ktılieiüör (Collector) adı verilir.
ü,
ıii
ıil
iı
Şekil 7.1. Bipolar jonksiyonlu ilk transistör ve çeşitli görünümleri.
NPN ve PNP
ti.lrü transistörlerin devre sembolü ve genel yapısı aşağıda gösterilmiştir.
Jı.
I(ollekiör
KoıIektör
#fIn 7ı'
A
|l,
Tl
a
Emetör
NPN Transistör
l/
İl'"
Emetör
PNP Transistör
Şekil 7.2. NPN ve PNP türü transistörlerin devre sembolü ve genel yaplsl.
Bir akım kuwetlendirici olarak BJT uç akrmlarırun referans yörıIeri uçtan içeriye doğru alınmıştır (eğer uç akrmr içeriye doğru ise referans akrmlarrnrn işareti pozitıf, aksi haide negatif olacaktır), NPN BJT için genelde önce kollektör bölgesine oluşturan N tipi bir yarıiletken tabanın bir bölgesinin P tipine dönüşecek biçimde katkrlanmasr ve daha sonra bu bölge içindeki başka bir bölgesinin tekrar N tipi yarıiletken biçimine dönüşecek şekilde katkrlanması ile oIuşturulur. Bu katkılamalar sonucu ara bölgenin genişliği lpm'den az olmalrdır. Bir NPN BJT'ninyandan ve üstten göriinümü aşağrda verilmiştir.
Şekil 7.3. BJT yandan ve üstten görtinümü.
BJT çalışma prensibinin anlaşılması için sıı uıatleii kullan_ı]abilir. Buna göre baz (B) bölgesinden gönderilen kontrol suyu ile, kollektör (C) ile gösterilen ana tanktan emetör (E) ile gösterilen bölüme ne kadar su akıhlacağr kontrol edilir. Bu modelde elektronik anlamda su yerine elekfuik akrmr düşünülerek transistörün çalrşma prensibi anlaşılabilir.
Şekil 7.4. BJT su modeli. 7.2.
BipoLAR TRANsisTöRüN çALIşMA
irrnsi
B/7 çalışma ilkesi NPN BJT üzerinde baz bölgesinin dar yada geniş olmasr durumuna göre anlahlacak olup, PNP BJT içın yalrıızca akrm yönleri farklı olmak üzere temelde çalışma prensibi aynrdır.
Baz (Ara) Bölgesinin Geniş Olmasr Durunıu N türü bölgeler arasrndaki baz bölgesi (P bölgesi) geniş bir NPN BJT düşünülsün. Burada PN jonksiyoıılarrrun biri geçirme diğeri tıkamada şekildeki gibi kutuplansrn. Bu durumda geçirrnede kutuplanan emetör-baz (E-B) jonksiyonunda çoğurüuk taşryrcrlarr olan elektron]ar baz bölgesine geçerek 15.,. emetör elektron akrm:ru oluşfururlar. Benzer olarak deliklerde emetör bölgesine geçerek 7ş6 gerilimine bağlı olarak emetör delik akımıru (1rp) oluşturular. Bu iki bileşeninin toplamı toplam emetör akrmrnr (16) verir ve l7r7ro^o doyma akrmr olmak üzere 7.2.1 .
Ir = Irn,7 Iw = -Irruo^o("u'"/vr
-
I)
olarak verilir. Emetör akrmrnın gerçek yönü (*'dan -'ye) seçilen 16 referans emetör akrmrnrn yönü ile ters olduğundan işareti negatiftir. Burada dikkat edilmesi gereken en önemli nokta toplam emetör akrmınrn (16) yalırızca emetörden baza doğru akan akrmlardan oluşfuğu ve emetörden kollektöre doğru hiçbir akım akrşr olmadığrdır. Yani söz konusu yapr transistör olarak çalrşmamaktadır.
58
o Elekron o Delik
Vrs
.
Vca
Şekil 7.5. Baz bölgesi geniş olan BJT genel yaplsl.
Şekilde gösterildiği gibi baz bölgesinin uzunluğunun yeterince geniş ve elektroııların bu bölge içerisindeki Ln difij.qıon uzaklığının yeterince büyük olmasr nedeni ile, emetördenbaza geçen elektrorılar baz bölgesindeki çoğurüuk taşryrcrlarr olan deliklerle birleşerek yok olacaklarrndan, kollektör-baz (C-B) jonksiyonuna erişemezler ve emetörden kollektöre doğru akrm akmaz. Sadece emetör baz jonksiyonu geçirme yönünde kufuplandığından sadece emetörden baza doğru akrm akar. Bu durumda C-B jonksiyonu trkama yönünde kufuplandığrndan, bu jonksiyondan sadec€ lcso doyma akrmr akacakhr. Yani ara bölgenin yeterince geniş olması durumunda E-B ve C-B jonksiyon akrmlarr birbirinden tamamen bağımsızdrr.
7.2.2.BaziAıa) Bölgesinin Dar Olmasr Duruınu Yukarrda arüahlanlara karşr gerçek bfu NPN BJT göz öniine alrrsak: yaribaz bölgesi genişliği oldukça dar ve baz bölgesi içinde elektrorıların difüzyon uzaklığr l,. küçük olmasr durumunda
daha önceki gibi E-B jonksiyonu geçirme C-B jonksiyonu ise trkama yönünde kutuplaırsın. Bu
kutuplama biçimine Nc,trnnl Kutırplnına denilir ve transistörlerin kuwetlendirici olarak kullarulmalarr durumunda uygulanır. Bu durumda P bölgesi genişliği az olduğundan emetörden baza geçen elektrorüar P bölgesi içerisinde deliklerle birleşip yok olamadaız kollektöre
geçerler. Kollektörti kutuplayan gerilimde elektronları kendine çekecek biçimdedir (+ kufuplama - yüklü elektronlarr çeker). Bu durumddvcs:0 olsa bile elektronlar emetörden kollektöre ulaşarak akrm akmasına neden olurlar.
ı
Elektron
o Delik
Vrg
Vcs
Şekil 7.6. Baz bölgesi dar olan BJT'nin genel yapısı.
Kollektöre geçen elektronların akıttığr akımlar, ara bölgede bir krsrm elektron-delik
birleşmeleri ile oluşan elektron sayrsrndaki azalmalar nedeni ile E-B jonksiyoır akımından biraz daha azdrr. Bu fark baz bölgesinden geçerken deliklerle birleşen az sayıdaki elektronlara karşı düşen akrma yani rekaıııLrtı,ıasqoıı ıı,i*ııılaıııın eşittir. Transistörde ğ-B akımlarından başka; - Bazdan emetöre difüzyorila geçen deliklerin akrttığı akrmlar, - Tıkama yönünde kutuplanan C-B jonksiyonunun doyma akrmr,
vardır. Eğer emetör katkı yoğuniuğu baz katkr yoğunluğuna göre büyük yaprlırsa delik difüzyon akrmr elekh"on difüzyon akrmrnın yanında ihmal edilebilir. Ayrrca C-B doyma akrmr da son derece küçükti.ir. Buna göre B]T'de hakim akrmlar E-B elektron akımlarıdrr. Aşağıda NPN BJT için elekhon yoğunluğunun baz boyunca değişimi iki ayrr durumda için verilmiştir.
Şekil7,7. Elektron yoğurüuğunun baz boyunca değişimi: Baz içi birleşmelerin a) ihmal edilmesi hali, b) ihmal edilmemesi hali. 7.2.2.7. B|T
Akım Bileşenleri
Elektron yoğunluğunun bazdaki değişimi lineer kabul edilerek, emetör difüzyon akrmr elektron bileşeni, 1ğ., I,n=
AqD,*=rno,"#
olarak yazılabilir. Yine bazdaki atom katkı yoğunluğu üniform kabul ederek değerinin Na3 olduğunu düşünelim. Bu durumda 1ş,,
olur. Benzer biçimde bazdan emetöre difüzyorıla geçen deliklerin akıttığı emetör akrmı
jonksiyonun delik akrmı olup
I
_ L) rp = Aq?p,or@-nBe/Vr up
olarak yazılabıLir, Yine emetördeki atom katki yoğunluğunun üniform olduğunu kabul ederek değeriırin Np6,olduğunu düşünelim. Bu durumda /6,
_Aa T^ LP
D_ y n?ı e-/Blv| ' Lo Nuu
olur. Böylece toplam emetör akımr 15.referans yönlerini de dikkate alarak Iu = I
1 I uo =
^
-l *r(e
n*
h
-l)
olarak verilir. Burada 1E65 akrmr E-B jonksiyonun geçirme yönünde akıttığı doyma akrmdu. Pratikte Ig > Inss veyaVgg >> Ç olduğundan 16 akrmr yaklaşık olarak aşağıdaki gibi yazıIabilir. IB
=
,Igg,e-Vrı/Vr
BIT Emetöt Verimi BJT'de hakim elektron akrmr lB,-'nin toplam emetör akrmr /E'ye oranffra eınetör z,eriıııi, (yr) denilir ve
7.2.3.
_ !", _( r, -Wu ., lF IE-l I l Z,
Do N,, )-'
p,N*)
l
olarak hesaplarur. Emetör veriminin ideal değeri olan bire yaklaşmasr için,baz bölgesi genişliği (I4l3) mümkün olduğu kadar dar ve emetör katkı yoğunluğu baz katkı yoğunluğuna göre mümktin olduğu kadar çok yüksek olmasr gerektiği (Nıa << Np5) görülür.
BIT Taşrma Katsayrsr kollektör akrmrnın elektron hiieşeni I6n için, baz içindeki birieşmeier sonrı.cu ortaya çıkan IRekombinasy* akrm değerinin bulunarak 16rr'den çıkarhlması gerekir. Yani 7.2.4.
I
cn = Irn
-
I
Rekombinasyon
hesaplanmahdu. Içn'isrı Isr'ye oranrna baz taşımn B_
katsnynsı.
(fr,) denilir ve
=b Ir, =|_Wu 2L,
olarak hesaplanrr. Pr'rir. ideal değeri olan 1'e ulaşması için, baz genişliğinin difüzyon uzaklrğına oranlnın küçük olmasr gereküği açrktrr. 7.2.5.Bl'I İleri Akrm Kazancı Toplam kollektör akrmr 16, doyma akrmr lç36 ve yörüeri de dikkat edilerek
16.,
akrmrndan oluşur. Bu durumda referans
I^ I_^ + ( = I^ (, * I^^ , !ı L L Löo =_B^v^I^t Lbo =_a^I^ ! L
I^^ Lbo
yazı|ır. Burada cp normal kutuplama şarhnda ileri nkıın kaznııcı olarak bilinir ve değeri 1'e yakndır. Genelde I699 1( 16 olduğundan, normal kufuplamada aşağıdaki bağıntı geçerlidir.
Ic=_arls + 61
or=_'t
7.3.
ORTAKBAZL| DEVRE
Baz ucu giriş veya çıkş olarak kullaırılmayarr ve 16 akrmr emetör-baz gerilimi (veya emetör akımı) tarafindan kontroJ edilerı BJT'li devreye artnk btızlı d.eın,e deni|ir ve genel yap§r aşağıda gösterilmişiir.
RC
Vcc
VraQ
Şekil7.8. Oılak bazlı devre. 7.3.1-"
Çeıilim Kur.vetlendirici olarak Ortak Bazh Devre
IlBEQ + AVBEa
Şekil 7.9. Gerilim kuwetlendirici olarak ortak bazlı devre.
Ortak bazlı devre Vçç ve 76,3q gerilim kaynakları ile besleırsin ve kollektörüne R6 yük direırci bağlansın. Derrrede sadece kutuplama gerilimlerinin bulunması (V6ç ve Vggq) haline süküııet ılurı.ımu, denilir. Sükunet durumunda ki akım ve gerilimler Q indisi ile gösterilir ve kollektör-baz çevriminden aş ağıd aki bağıntı y azılabllir .
VcnQ=Vcc-RcIcQ burada R6'rıiır değişimi V6gq'nın değişimine yol açacağından C-B jonksiyonurrun tıkamadan çrkmasında etkili olabilir. 7.3.2. Ortak Bazlr Devre Geçiş
İetkenliği
Transistör 7gg geri]imimi AVEB kadar değiştirilsin (girişteki çeşitli dirençlerin değişimi nedeni ile olabilir). Bu durumda 15.akrmr 4763 değişimine bağlı olarak aşağıdaki gibi değişecektir.
Bu durunrda
1g
^IEa
: -I"are
6Vuu
_I'uuQ _LVru ^l'EB vT : _r""ra I'r e 1; : rrqe
,I'EBQ+
IF +
akımında meydana gelen A15 akım değişimi
|',,,
olarak bulunur. LVrg ((
Ç
^IE
: I"o
yazılabileceğinden
_1
durumunda
_L|'"" |', 1- ^1r =
e
e-^\1"/U,
,r
I^ + --t "r:
+
LI":
I_
-tLV"u I_.
^Ic: "r-ffLV",
olmak üzere A16.'nin AVgg'ye oraruna BJT geçiş iletkeııliği (g*) denilir ve
'
g-:ft:o"I-!9_:_?
olarak verilir. baz-emetör gerilimdeki değişikliğin neden olduğu A16 değişimi nedeni ile Vçg gerilimi ^VEB'lik de aşağıdaki gibi LV6g kadar değişir.
LVca=Rc^Ic=-g^R6LV5g AVrsq değişimi A,Igq'yu etkileyerek, A/6.q'nun değişmesineve AVçgq'nun değişimine yol açarlar. 7.3.3. Ortak Bazlr Devre Kazanç Bağıntrlarr
|g-R6|'nin değeri 1'den büyük olursa, devre çr[<ışıı:ıdaki gerilim giriş geriliminden büyiik
oiıır- Yani ortakhaz|t devre gt:riliıııkuazıetleııçliiı_ı. olarak caiısrr Bu durunrdakaz.anciar:
Gerilim Kazancı, Kç: nu
:O#=
-umRc
Akım Kazancr (1'den biraz küçük), ğ:
n,=o#= o, Güç Kazancr, K5:
K":KuK,:ffio*=*' olarak verilir.
7"4.
ORTAK EMETÖRLÜ DEVRE
Bir NPN BJT emetör ucrr ortak krı].larrrlmak izere, E-B jonksiyorıu giriş, C-E joııksiyonu çrkrş olacak biçimde aşağıda gösterildiği gibi kutuplanınasr haline oı,tak eıııetörlı'i dezıre adı verilir.
I'aı
Vcc = Vcr
Şekil 7.10. Oılak emetörlü devre.
Ortak bazlr devrede 1E, akmr geçirme yöni.inde kutuplanan 766 gerilimi tarafından kontrol edilmektedir. Ortak bazlı devrede girişten akan (kaynaktan çekileır) .Iğ. akımr ile 16 çıkış akrmr yakiaşık olarak birbirine eşit olduğundan, ortak emetörlü devreye göre daha az kullaruşlrdır. Çünkü ortak emetörlü devrede çrkış akrmı Iç, giriş akrmr /6'ye göre oldukça büyüktür, Ortak Emetörlü Devre Akım Kazancr Ortak emetörlü devrede çrkrş akrmı Iç, giriş akrmr 13 olarak ele alındığmda, 16/19 oranlna akını kazü]ıır:ı (fp) denilir ve 7.4.1.
I ıI lf]:, ,. -(,r _r, , Ic _ _.:i " Ir- L-]-' ''
_I, _ üF' R _I^ l-ı. ''ri Iu l_a,
olarak ifade edilir, Ortak bazlr devre için akım kazancr ap bire çok yakın iken, ortak emetörlü devre akrm kazancı Pp ise 50 ile 10000 aıasındadrr. Ortak emetörlü devrede Ig lleVge arasrnda ilişki referans yönleri de dikkate alrnarak, yukarıdaki bağıntılar Iu =
olarak yazılabi|ir. Uygulamada Be
/V, _ ı ) = _!gş_ (e-V*'', _ l\ I,* (l _ a,) l'\ ( g-l',, l
>>
'
I veVgB ))
Ç
Fr*|'
olduğundan, /g yaklaşık olarak
I_=I'u, DD
_vEB /Vr
"
biçiminde yazılır. Ortak emetörlü devrenin giriş akrmı olan bu akrm ortak bazlr devrenin giriş akrmr olan emetör akrmr ile karşrlaştrrrlrrsa Pp kadar daha küçük olduğu görülür. Bu tiir devrelerde transistör için çıkış gücü P = VcrIc ile hesaplanr. 7.4.2. Ortak Emetörlü Devre Geçiş İtetkeırliği
Ortak emetörlü devrede için giriş gerilimi olan Vnr'nin çıkrş akrmnr olan
yeteneği arüamı gelen 5eçiş ileikeııliğ aşağıdaki gibi ifade edilir.
16.'yi
kontrol etme
Sr=
Irg ^Ic
l,b
Vr
^V-^
Ortak Emetörlü Devre Kazanç bağrntrlarr Gerilim Kazancı, Ky: AV", K,,=J=-o^_R,, " LVrs Akım Kazancı,K1: AI. Kı =;} = Bp : hpr Als Güç Kazancı, KG: Ko= KnK, =-g,&Fr 7.4.3.
7.4.4.Early Olayr - Etkin Baz Genişliği Normal kutuplanmrş ortak emetörlü devrede 16'nin daha öncede ifade edildiği gibi Vgg bağımlrlığı
l" =Pe-vrs/vr PF olarak ifade edilir. Bu bağınhda gerçekte tıkamada kutuplanan C-B jonksiyonunun baz akrmr üzerindeki etkisi ihmal edilmiştir. Aslında C-B jonksiyonunu trkama yöniinde kufuplayan 763 gerilimi artrrrlrrsa bu jonksiyonun geçiş bölgesi genişlikleri artar. Dolayısr ile etkin baz genişliği aza7ır (Fakirleşmiş bölgenin baz içinde kalan bölümtiniin genişliğinin artrnasr nedeni ile). Farklı 769 gerilimleri için etkin baz genişliğinin değişimi grafikte gösterilmiş olup, buna göre Vçg'nin daha büi.ük değerleri için (I/632 > l,c".) baz bölgesinde etkin baz genisliüi aza|,,r. Yani tı]
lvcızl>lvcul
Şekil 7.11. Farklı 766 gerilimleri için etkin baz genişlikleri.
Gerilim Kuı.vetlendirici olaıak Ortak Emetörlü Devre Ortak emetörlü devre kollektör kolu üzerine bir yük direnci konularak kuwetlendirici olarak kullanılabilir. Bu durumda Ygg giriş geriliminde oluşan 4769 değişimleri giriş ve çrkrş 7.4.5.
akrmlarrnda da 416 ve 416 kadar değişimlere yol açar.
Ing+hIı
Vcc
VagQ
Şekil7.12. Gerilim kuwetlendirici olarak ortak emetörlü devre.
Ortak emetörlü devrede B-E jonksiyonu geçirme yönünde kutuplanmş iken, C-B jonksiyonunun trkama yönünde kutuplanmasr gerekir. Bu tiir kutuplamaya noııııal kıtııpiııııa (nktif çıiışıııa bölgesi) denilir. Ortak emetörlü devre normal kufuplama bölgesinde kuvvetlendirici olarak kullanılabilir. Normal kutuplamann sağlanabilmesi için Vcg ) Vsı(VcıGot)) şarh sağlanmalıdr. Aksi ha|de V6g 1Vgg(V6gçrot;) iken BJT do!ıma bölgesinde çal.şil,ı-.ı ıii*1,: licr iki jonksiy,-,n ıia 5cçiı,iitt^. i,,öııiiflde kutuplanmışhr. Simetril
Vcr=Vcc-R7I7(VBE)
şeklinde modellenebilir, V6g gerilimdeki aza|ma nedeni iIe Vçg 1Var olursa, transistör dayrıın (satiirasyan) bölgesiııe girer. Doyma bölgesine giren bir transistörde artık C-B jonksiyonu da geçirmede kutuplarrmş olacağından, normal kufuplama içirı daha önce bulunan bağıntılar geçerliliğini kaybederler. Özel olarak vct = vsr durumu normal kutuplama ve doyma bölgeleri srnırr tanrmlar. R6'nin değişimi ile 765'nirr değişmesi durumu önemlidir. B-E ve B-C jonksiyorüarının her ikisinin de hkama yönünde kutuplanmasr durumunda transistör kes iı ıı bölgesinde olup akrm akrtmaz. Transistörlerin farklr çalşma bölgeleri kapsamrnda davraruşlalrnln incelenmesi için imalatçı katalo glarından veya transistör modellerinden yararlanılır. Sonuçta B/7
.
ı
.
Norrnnl Kuhıplaıııa: E-B geçirme ve C-B trkama
Ters Kutııplaıııa: E-B hkamave C-B geçirme Drıyına (Saturası7an): E-B geçirme ve C-B geçirme
. .Kesinı: ğ-B ükamave C-B trkama
olmak üzere dört farklı çalışnın hiil7esine sahiptir.
BIT
7.5.
öz EĞnirnni
Transistör öz eğrileri transistör giriş ve çrkış akrm ve gerilimlerinin birbiri ile nasıl değiştiğini gösterir. Burada
. In Vgg, Giriş Öz eğrisi . Ic - 766,, Çıkış Öz eğrisi , Is 16 , Geçiş Özeğrisi olmak üzere üç farklı öz eğri mevcuttur. Bu öz eğrilere tasarrm bakrmından katalog bilgileri kapsammda bakılmalrdır. 7.5.1.
Giriş Öz Eğrisi
Giriş öz eğrileri baz-emetör gerilimi
(IZ6g)
ile baz akrmınn
(16)
değişimini gösterir.
b
:
.J a
1:ıı
(.lrolt)
Şekil 7.13. Vsr - Ia değişimi.
Çıkış Öz Eğtisi Çıkış öz eğrileri kollektor akrmr Iç i|e, kollektör-emetör gerilimi Vc1'njr. nasıl değiştiğini gösterir ve farklı Iaı 1Isz 1Ia3 < /6a akımları için aşağıdaki gibi farklı eğrileri tanrmlar. 7.5.2.
f*
P-LLsai
HrŞf,nooin*] Iffğ Şekil 7.14. Vcı - Is değişimi.
Çıkış öz eğrisinde sabit bir baz akrmr için inceleme yaprlrrsa, eğrinin aşağıdaki gibi üç farklr karaktere sahip olduğu gözlenir.
.
Vcr, ) Vas bölgesi: Normal krrtuplama bölgesi olarak bilinir. Bu bölgede /c'nin Vcs'ye bağımlılığı çok zayıftır. Transistörün bu bölgesindeki az miktardaki kollektör akrmr
arhşlarr Early olayından kaynaklanrr.
VcE < VBE(Vcr(sat)) bölgesi: Doyma (Saturasyon) bölgesi olarak bilinir. Bu bölgede C-B jonksiyonu da geçirme yönünde kutuplandığından, transistör doyma bölgesine girer. Bu durumda artık akrm kazancr lıpt'ye eşit olmayıp daha küçüktiir. Vcn : Vsr bölgesi sınır bölgesi olarak düşünülebilir.
Vcr
)
Vsr(Vcr(*ops;) bölgesi: BJT delinme (tahrip) böigtsı olarak bilinir.
Geçiş Öz Eğrisi Belli 765 gerilimi için geçiş özeğrisi Igbazakrmrnın, /6 kollektör akımı ile değişimini gösterir.
7.5.3.
.- -'.l
! -
5i
':/' :) ::/ii/ ;i -.-jt */', '. { ;./' :/ ]jJ:] i!|
O
İ
1ı
Ii l
*
ii
|...
-
"--.
i,uo*J,*
Şekil 7.15.
7.6.
--
16
l§
- /6 değişimi.
BipoLAR TRANsİsTöR MoDELLERİ
Tüm kutuplama koşullarrrrda transistör uç akrm ve gerilimlerini karakterize eden temsili eş değer devrelere traıısistör modelleri deırilir. Bu modellerdeki akım ve gerilimler dışrnda kalan yapısal büyüklüklere ise model parametrelei olarak bilinir. İlk transistör modeli L954'de J. J. Ebers ve J. L. Moll tarafindan önerilmiş olup Ebers-Moll modeli o]arak bilinir. Ebers-Moll modeli lineer olmayan işlemler gerektirdiğinden uzun yı_llar kullarulmamq, fakat bilgisayar teknolojisinde ki gelişmelere paralel olarak gündeme gelmiştir. Bu modelde emetör, bazve kollektör katkı yoğurüuklarının üniform olduğunu aarsayılmaktadır. Daha sonralarr gerçekte ernetör, baz ve kollektör katkı yoğun]uklarrn:n üniform olmamasr nederıi ile yeni modeller için arayışlara girilmiş ve 1969 yrlında Gumnıel-Poon modeli ortaya atılmışhr. SPICE plogramr bu modeli kullanmaktadu,
68
7.5.1.
Ebers-Moll Modeli
7.6|J.|]..
Ortak Bazlı Devre Ebers-Moll Modeli
Normal kutuplanmış ortak baz]r devrede giriş akrmr
16.
ve çrkrş akrmı
16
olmak üzere
I6=-aplg*Icao I, =-Ior(eu*'"
-ı)
bağıntrları yazıJ,abllıir. Bu bağmhları sağlayan eşdeğer devre aşağıda verilmiş olup, NPN ttiriinde ortak bazh devre Ebers-Moll modeli olarak bilinfu.
Şekil 7.16. NPN türü ortak bazlı devre Ebers-Moll modeli.
Bu ı-ı,oicic gcre Dg3 diyodu gcçırnıecie kutuplanan E-B jonksiyonunu, D63 ,iiyoau siı.;:r.ı yönünde kutuplanan C-B jonksiyonunu/ aplğ. akım kaynağı ise emetör ilebaz akrmr arasındaki ilişkiyi tarumJar. BJT simetrik olduğundan E-B ve C-B jonksiyonlarl sırasl ile tıkama ve geçirme yöntinde olacak biçimde furs ku.tııpiırıırsa, Ehers-Moll modeli aşağıdaki gibi olur.
Şekil 7.17. Ters kutuplama durumunda Ebers-Mol/ modeli. Ters kutuplamada 16 çıkış akımı
Ic=_Icas(r-Vcı/Vr_|) olarak yazıLır. Emetör ve kollektör katkr yoğunluklarr farklr olmasr nedeni ile ters kufuplama durumunda akrm kazancr farklı olduğundan ileiye akını kazaııcı cp yerine geıiye nkı_ın kazaııcı
olarak bilinen üp kullanılır. E-B ve C-B jonksiyonlarının biriikte geçirme yöniinde kutuplanmasr durumunda devre modeli jonksiyon_tarın birbirinden bağunsrz çalrşmalarr prensibine dayanarak aşağıdaki gibi verilir.
<-Iç
IB
----*
Kol lektör Dca
_l
\
l'..
ü
Şekil 7.18. Her iki jonksiyonunun geçirme yönünde olduğu devre ınodeli. Bu model gereği IBg ve 1;6 akımları aşağıdaki gibi verilir.
Io=-I*r(e'*'+
-l) ,
I,.r,= -Iru,(rA''n' _1)
Ebers-Moll modeli her iki jonksiyonun geçirme yönünde kutuplanmrş olmasr durumu için geçerli olmakla beraber, transistörün mümktin dört farkh çalışma koşulunda da geçerlidir. Bö1,lece trbers-Mol! rrıııdelinde; Ip ve Iç giriş ve crkrş akımlatıVgg veVçg gerilimleri cinsinden tem(} rııü(iei rjenkleıııLei olarak aşağıdaki gibi yazılabiiir. Iu =
I,
-I o,
(e-u*
ıı;
=aoIrr,r(e-n*'n'
-
I) + a
^I
ru,
(e"*'" -|)
-1)-l*, (eJ""l'; - l)
Bu denklemlere bakıldığında, her ti.irlü kutuplama şartı alhnda doğru akrm ve gerilim ilişkilerini veren dört tane model parametresi olduğu görülür. Bu model parametreleri
. . : .
İleriye Doğru Akrm Kazanc1 ü,p Geriye Doğru Akrm Kazarıcı, ap E-B jonksiyonu Doyma Akrmr, Irss (Vcg = 0 iken) C-B jonksiyonu Doyma Akrmr, Icss (Vıs = 0 iken)
olur. Bu dört parametre birbirindeı,ı bağımsız gibi görünseler de, aslında transistörün yapısal ilişkileri nedeni ile aralarrnda aşağıdaki ilişki mevcuttur.
üplıas = ü.plçg5: Bu durumda model denklemleri aşağıdaki hali alır.
70
15
," :
-tk
'*'n, -7)+ ır(en*'h -
ı) ,
r,
= Ir(e-V,"tV, -
i-.İÇ
r,"/V,
- 1)
Bu denklem]erden görüldüğü gibi artık model parametre sayrsl bir azalmrştır. 7.6.1.2. Ortak Emetörlü Dewe Ebers-Moll
Modeli
Vng
Vcı
Şekil 7.19. Ortak emetörlü devre Ebers-Moll modeli.
Verİlen devreden Vnz = -Vıa ve 13 * Ic + IE = 0 bağıntıları yazılabilir. ortak emetörlü devre için daha önce yazrlan Ig ve 16 bağnhlarından 16 ve 16 akrmr yeni gerilim değişkeııIeri için düzerrlenirse
,
Ir=#:k,-", -ı) *!rÇ"n*,',"ı'",ıı', - 1) bağınhları bulunur. Burada sabitler Br = qe/(L 7.6.1.3. Early
-
I"= Ir(etG,/v,
ap) ve Bn
:
-ı)-+
an/(I
-
oİ'r"-*'r,"vu,lu, -
1)
ap) olarak verilir.
Gerilimi
Ebers-Moll modeli transistörler için akrm-gerilim bağımlıhklarlru .ına hatları ile temsil
etmekle beraber, zayıf yönü Early olayırun fümal edilerek akrm ve gerilim bağıntıların çrkartrlmrş
olmasrdrr. 1971 yılında Lindolm ve Hamiltorç Early olayınr da modele katarak gelişim sağlamışlarıdır. Bu durumda daha önce akım denklemlerinde sabit olarak ele alrnan Pp ve lgg3 parametreleri
F,
=
4o|-?), \ V*)'
I
*, =,*,o( üJ -"'\.
r-3l V*)
olarak hesaplanmalıdır, Burada Vap Early gerilimi adıru alır ve çıkış öz eğrileri ile aşağıdaki gibi bulunur.
7-1
*:@*-"
*-j"*
-
,t,
t
Şekil 7.20. Vap Early geriliminin çıkış öz eğrisi ile tespiti. 7 "7
"
BIT KÜÇÜK
İşanEr EŞ DEĞERİ
Transistörlü devrelerde akrm ve geriliın değişiınlerinin gen_likleri, doğru akrm kutuplama halinde çalışma noktasrndaki akım ve gerilim değerlerine göre çok küçük kalryorsa (v << V durumu), bu akrm ve gerilim değişimleri için IB = f
(VBr,Vcs),
Iç
:
f (Vgg,Vçg)
ilişkileri tabarür yeni bağınhlar çıkarülabilir. Buna göre ortak emetörlü devrede çalşma noktasrnr belirleyen DC gerilimlere, u6, ve uce değişken AC bileşerüerinin ilave edilmesi halinde, baz ve kollektör akrmlarrnda meydana gelecek değişimleri ortaya koyan denklem]ere '1'ı gıısistti, Küçıik İşaref ilş Değeri (Small Signal Model) adı verilir. Çeşitli parametrelerle formülize edileru bu değişenlere bir örnek olarak İb:lirvbr*lreYce İc=/tevbe*/ceVce y ile gösterileny (admitans) paranıetrelei gösterilebilir. Bu parametreler matris formunda
[;) [;; ;:)[;)
)
!,"
olarak yazı7abi|ir, Burada her bir parametre Krsa devre Kısa devre lre Krsa devre !te Voe Krsa devre
ileri doğru geçiş admitansı geri doğru geçiş admitansı giriş admitansı çıkış admitansı
adıru alrr. Yine y parametreleri aşağıdaki gibi eş değer devre ile temsil edilebilir.
i"
{_-
l
jf"vı"
!rr!"" !in
!be
|ce
lon
Şekil 7.2l. y parametreleri ile
eş değer transistör dewesi.
y parametreleri ile ilişkilendiıilmesiyle transistörün yapısal parametrelerini içeren küçük işaret eş değeri aşağıda gibi bulunabilir. Bu modelde r, giriş admitansrnr, 16 çrkrş admitansını, Pp ise akrm kazancıru gösteren parametrelerdir. Transistörün Ebers-Moll ve küçük işaret eş değeri modellerinden başka, yüksek frekarıslarda, parazitik etkilerin (kapasitif etkiler) dikkate alrnmasr ile modellendiği Giamlettc veya Karnıa ır eş değr dearesi vb. devre modelleri de mevcuttur. Bu ttir modellerde transistör modellenmesi için gerekli parametre say§l 40'ı bulmaktadrr. Transistörün AC analizinde yaygın olarak kullanılan lı - hibrid eş değer devresi de aşağıda Ebers-Moll modelinin
l*: * - A^ı^_: lğl rrrruŞ^ilul . HUö
i6
ts
---+
ıc
c +
lılrin U-1.1ho"
hroTru
Şeki|7 .22. h
-
Htbrtd eş değer transistör devresi.
Mevcut eş değer derelere ek olarak transistörün büyük işaret eş değeri v )) V olmasr
durumunda geçerli olmak üzere mevcutfur.
73
7.8. BJT
KATALOG BILGILERI
Transistörler model ve yaprsal parametrelerinin veri]diği katalog bilgileri yardımı ile kullanrlırlar. Bu tür örnek bir katalog bilgisi aşağıda verilmiştir. \l.\1l!it:X ı.1
[İ\{.;§
iıııılıııl i
[l ıtl ı)r İı
.
-*-_..
1:::i:,:::.*i:::_-!:::j":li:* }:]n:;ı.l|.ı-lll;t!j \i,lİ Ji:itı
..
l"\.l1:"]
[:ııiı:
\1iiı
:,X]i,i
}iıic_
Vt,ı;,
.l-ı]
i ,ril:
,"li]itl De\ i.c Dıssinalişİı G T,r ş Dglalç 1hlıv9 ]ilÇ i. l']l'. ' ,
İ
(}l,ı,,.,ı:ı,." ,
.
:ıııı!'il.iııi:ı
15. _;;_
C
__
*-}:"]:-
\ ilc
üü
?öıi
jliiiırl
5_i
il, ,
]ll-ü.ü-i. 51")'l..İ:i
l)iı i
!
.i Ç';ı|lıi:l.:ı
/ --{ .r\ !'L/ \ l
:--H
iılW::1§i (
\,,l ıı:ıt, \ ..--t-
]__
]ıiJ,J!,Jii]i, l{.ıi:-j]
1
'l'{]-9] ı'Ii,}-]]lı:\;\i
i
;ıiıı.51
{tl ,]
]u:1,:Iiı,ıi
2ii'4l23
a,\s]j
i,lrii,içlç:
tı,f,?i{,iii. :
:
r,*--*
ı
i
l
(]
l;N }:lt,,\l.
i:]ı»iiiı:ı
ll,]RP|)sl
[](,.\NSl§,l0]t \i
j,s 5ii i((,lii
\'ı }iii ıllt,,ı ı
{|:i ('Il§ tiA{l'ı'§RIs'l'I(]s
iıı
,-
Sal
§
ıiiaıi.Şl
r**iilç*iİ,:.:.i".
İi,:..,{İj il,i,;Ojiiiğ dt,;I.iı;;|J=
;.=i.:
:,..::
j$.!:di;f..;.$,!,İ|l,i
Burada transistörlerin belirli frekans aralrklarrnda çalıştıklarına dikkat edilmelidir.
/4
i
ııl]
i
ııi
]
7.9.
BIT SAGLAMLIK TESTI
f _:, -ı-f.
Ç: ğ-3
+*
T
]
*
ı,,
Şekil 7.23. Transistörün ölçü aleti ile test edilmesi. BJT sağlamlığının testi için her üç bacağı arasında ölçüm yapılmalıdır. Çünkü tiim bacaklar bakımından ayrr ayrl sağlamlık gerekir. BJT'nin kollektör-emetör bacaklarl arasl hariç diğer bacaklaİın aralarr birer diyotmuş gibi ölçülerek sağlamhklarr kontrol edilir. Yani bu bacaklar doğru ve ters polarize oluyorlarsa sağlamdrrlar. Buna karşın kollektör-emetör uçlarr arasr her iki polarizasyon içinde yüksek direnç gösterir. Pratikte transistör bacaklarınrn hangisinin emetör, baz yada kollektör olduğunu direkt belirlemek mümkün olmayabilir. Bacakların bulunmasr için ölçümle öncelikle en yüksek direnç değeri gösteren iki bacak bulunur. Bun]ardan biri kollektör, diğer ise emetördür. Boşta kalan bacak ise baz olacaktır. B-C arası BE'ye göre ters polarizasyon alhnda daha yüksek direnç gösterir. Bu mantıkla transistörün tiim bacak]arı bulunarak sağlamlrğı test edilmiş olur.
75
7.10.
PROBLEMLşR
l) Yandaki BJT'lu devre için V66 , L0 Y, Vcto:5 V, hnr:250 (25 C1, ] 1 mA için Iü6: I 5 nA (2 5 c) v e Vurn| 0. 65 Lveriliyorsa Ra.ve":R3 direnç değerlerini lıesaplayınız? o
VcC:]o V
o
2)
Verİlen devrede hpr = 200,IcB,o=]0-13A ve Vır, = 50 7 olarak veriliyorsa; a) 7g sükünet
b) 75
geriliminin 0 o]masr için /3 gerilimi ne olmalıdır?
gerilimiV1'yi hangi gerilimin aralrğında izleyebilir, hesaplayınrz?
c) Zg'nin
Vg'yiizlerne aralığın:n daha geniş olmasr için ne yapılabilir?
3) DevredeBp
(Var:0,6V)
-
I00, Is: 5.]aia A olarakveriliyorsa
i6,,
Vr, Vc,
VB,okun",
Vcc=l5 V
Rc=15 kQ
Rı=
180
ka
Reı=220 Q
Rı=27 kQ
Rrz=2,2 kQ
76
değerlerini bulunuz?
4)
Yanda verilen BJT için Vsr=0,6 V, hrr=Pr =300, Icno = 5 nA Ic=2 mA, Vcs = 5 7 olarak verilmiştir. Buna göre R1 ve Rc direnç değerlerini bulunuz?
Vcc=20 V
Rr=l.8 kQ
5)
Vcc=15 V RE:3.9 ld)
R]:220lüQ
RE:S.6ld)
Rıı
Rz=27 kQ
+
I
Yukarıda verilen iki transistörlü devrede Rr.ı = IkQ, hrrrhr72=250, olarak veriliyorsa/ doğru gerilim şartlarml belirleyiniz? 6) Yanda verilen ve Sürüklemeli Boostrap dewesi olarak bilinen yapı
veriliyorsa, dewenin DC analizini yapffilz?
Vcc:20 V
Rı = 220 kQ
Rc:]0ld)
&:4.7ld-, R2--22
K)
RE: I
lı{^'
VBç1 =
0,6V, Vırz= - 0.6 V
için hrı = 260,VBE = 0.6V o|arak
7}
Vcc=l2 V
Verilen şekle göre lIFı:100 ve IEI,5=TQıı A olarak verilmiş ise (T =300 0(],, sükunette iken Vsa = 700 mV olmak izereVctQ :5.5 7 olması istendiğine göre R6 direnç değeri ne olmalıdrr? 8)
Verilen şekle göre
.16.6,
akımrnı ihmal ederek, 16p akrmını hesaplamak için gerekli formülü
bu]unuz? 9)
NPN BJT tanım bağıntısı ile diyotun tanım bağıntısını karşılaştırıp, farklarını yorumlayınız.
10) Diyot ve BJT tanım bağıntıları çıkartılırken, neden sadece difi.izyon akımlarının hesaba katı ldı
ğını açıklay ınız,
1I) BJT"de ara bölgenin çok ince olması durumunda (tünel diyotundakine benzer) ne olayların olacağını tartişınız.
tür
8.
ALAN ETKİLİ TRANSİSTÖR Alan Etkili Transistörler (Field Effect Tranzistor, FET) temelde üç çeşittir:
/
MOSFET (Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Tranzistor)
./ JFET (|unction Field Effect Tranzistor) / MESFET (Metal Semiconductor Field Effect Tranzistor)
Bu ders kapsamında MOSFET ve JFET anlatılacak, MESFET tiirüne değinilmeyecektir. 8.1.
MOSFET ve BIT TRANsİsrÖnÜNÜN KARşILAşTIRILMASI
Şekil 1,1r]'ı;..
ali"ic
8.1 .
FET ve BJT çahşma prensibi.
göre temel İaiiıı, «crrtroi
cicn b,.iyüklüğün akrm
(16) yerine,
gc:iiiı:ı (ii5;
olmasrdrr. Kontrol edilen büyüklük ise yine akımdır. FET'de giriş gerilimi etkisi ile oluşan alan
etkisi nedeni ile akımın akacağı bir kanal oluşfurularak gerilim kontrollü biçimde çıkş akımı sağlanmaktadrr. 8.2.
MOSFET TRANSİSTÖR
MOSFET akrm kontrol elemaru olarak yaygm olarak kullarulan FET çeşididir. Metal-OksitYarıiletken (Meta0-0xydı.-Semiconductor) yapısında olmasr nedeni ile MOS adr verilen bu devre eleman-r elektron veya deliklerin aktıkları yarıiletken akım kanalının elektrik alan ile kontrol edilmesi nedeni ile alan etkili bir transistör olup, üretiminde en çok silisyum maddesinden
yararlarulrr.
D [DreİnJ
,{ap,ı,
§ o*-u
$
İ-'
}iai,nak, § [§ource.]
Şekil 8.2. MOSFET su modeli. 79
MOSFET'II çalrşma prensibinin arrlaşrlması için su modeli kullanılabilir. Buna göre Geçit (Cni:e} adr verilen vana 7ç5 gerilimini göstermek üzere Kana]'dan {Drain} Kaynağa (Soıtr.:e) doğru akan 13 kanal akrmı 7r, gerilim ile kontrol edilmektedir. MaSFET BJT'ye göre;
, Daha küçük boyutlu üretilebilme, . Daha az griç harcamalarr, . Seri üretime uygurüuk vb. nedenlerden dolayı, özellikle çok faz|a sayrda devre elemanrndan oluşan sayrsal sistemlerin geliştirilmesinde elverişlidirler. Geniş Çapta Tümleştirme (Large Scale Iııtegration-LSl) ve Çok Geniş Çapta Tümleştirme (Veıy Large Scale Integration- VLSI) ıygılamalarrnda L cmz yizey üzerinde yüz binlerce FET bulunabilmektedir. Günümüzde 1cm2 yizey üzerinde bir milyondan fazIa FET içeren Aşur Geniş Çapta Tümleştirme (Ultra Large Scale Integration - UtSr) yapılmaktadır. MOSFET'ler uygun tasarlanarak büyük akım (> 10 A) ve gerilimlerde (> 1000 V) çalışacak şekilde güç elektroniği uygulamalarrnda da (M E S F ET) kullanılmaktadrrlar. MOSFET'Ierin yapımlarında kullanılan yarıiletken maddenin türüne bağlı olarak,
. .
N kanallr MOSFET (NMOSFET) P kanallı MOSFET (PMOSFET)
olmak üzere iki tiirlüdürler. NMOS transistörün genel, üstten ve yandan olmak üzere üç farklr görünümü aşağıda verilmiştir. Geçil 6ç1
Kanı[
{ğ.}
Şekil
Aİ{irİi
8.3. N M
Yol$
O S
F
K*ynük
(.
ET genel görünümü.
KaLn oksit ınce
oksit
B Taban
Şekil8.4. NMOSFET üsffen ve yandan görünüm. 80
Şekile göre; P tipi katkrlanm§ ve taban (sııhstrate} adı verilen silisyum üzerine iki ayrı N tipi bölge katkılanmştır. Bu bölgeler arasrnda kalan P tipi bölge ise yüzeyi çok ince (50 ile 100 nm) ve yüzeyin geri kalan krsrmlarr daha kalın (birkaç mikrometre) olan bir yalıtkan tarafından (genelde silisyunı dioksit) kaplanmştır. Geçiş Oksidi denilen bu ince tabakarun üstü metal bir tabaka ile kaplanarak N ve P tipi bölgelerle fiziksel bağlantı sağlanmşhr. Geçit bölgesi üzerindeki metal tabakaya Geçit (Gate), N tipi difüzyon bölgelerin birine Kaynak (Source), diğerine ise Kanal (Drain) adr verilir. Bun]aı srrası ile G, S ve D harfleri ile gösterilirler, Kanal oluşfurmalr ve ayarlama|ı NMOSFET ve PMOSFET sembolleri gösterilmiştir.
J" 'l. ı
Kanal ayarlamalr
N M OSF
Kanal oluşturmalr
ET
NM
OS
F ET
J, ı
ı,
{ Kanal ayarlamalr
PM OSF
ET
Kanal oluşturmalr
ö PM
O SF
ET
Şekil 8.5. Kanal oluşturmalr ve ayar|amalı NMOSFET ve PMOSFET sembollerı.
MOSFET Çalışma Prensibi MOSFET'\n .S ve D uçlarr arasına örneğin D pozitıf olacak şekilde bir doğru gerilim uygulandığında normalde seri bağlı PN jonksiyorüarından bili tıkama yönünde kufuplanacağında herharrgi bir akrm akmamasr gerekecekür. Fakat durum bu kadar basit olmayıp D-S arasrndaV; geçit gerilimi ile kontrol edilebilen bir akrm akması mümkündür. Bu akrmın akmasrnrn nedeni geçide uygulanan gerilimin pozitif değerleri için P tipi tabanda azınlrk taşryrcrsr olan elektrorıların geçide (yüzeye doğru) çekilmeleri sonucu bu bölgede elektron yoğurüuğunun artarak, alan etkisi ile oluşan ince bir N bölgesinin S ve D arasrnda bir rıkıın kana.lı (iletinı yoJı.ı) oluşfurmasrdrr. Böylece yarıiletken bir yüzeyin alan etkisi altrrıda tip değiştirmesine ezıiı,tiııı (inzıersiorı) olayı denilir. Evirümin olduğu (akmın aktığı) en küçük geçit gerilimi Vı,ı|e gösterilip eşik geriliıni adınr alrr. 75 geçit geriliminin farklı değerlerinde MOSFET'in farklı davranrşı aşağrda açıklanmştır. 8.2.1.
a) Geçit geriliminin negatif durumu
(Yc < 0). Tabanda çoğunluk durumundaki delikler yüzeye doğru çekilip yüzeyde çoğurıluk taşryrcrsr say§l (delik sayısr) belli bir po denge değerinin üsttlne çıkar. Kanal akrmr teoride srfir olup gerçekte trkama yönü akımr kadar bir akrm akar. Bu durum yıfulıııa (accıııııulatioıı) olarak bilinir.
b) Gecit geri]iminin değerinin azalhlması durumu: Negatif Vc'rdr. değeri sıfıra doğrıı
küçüldükçe yığılma azalarak belirli bir geçit gerilimi değerinde p = po şeklinde delik 81
saylsl denge değerine ulaşrr. Bu gerilim değerine MOS transistörün düz brıııt geiiiıni, Vpg denilir. 7p6 değeri negafif olan bir gerilimdir. c)
Geçit geriliminin düz baı-ıt geriliminden pozitif bir gerileme doğru arhrılmasr durumu: Bu durumda delikler yüzeyden itilirler ve yoğurüukları denge değeri pg'nun altna düşer. Y nzey de falçrleıııi ş ütjJgı: oluşur.
d)
Geçit geriliminin daha da poziüf değerlere ulaşması durumu: P tipi tabanda azırıJık durumunda bulunan elektron]ar yizeye çekilerek çoğunluk durumuna geçerler. Böylece evirtim olayı meydana gelerek S ve D arasında akrm akmaya başlar. Akrmın aktığı geçit gerilimi V7,- ile gösterilir ve eşik geriliıni olarak bilinir. Eğer eşik gerilimi değeri daha faz|a artırılacak olursa bu durumda kanal genişliği artarak akrm akmaya devam edecektir. Aşağıda D-.§ geriliminin belli bir değeri için kanal akrmrnın G-.S gerilimi ile değişimi verilmiş olup bu tiir grafikler MOSFET geçiş öz eğrisı adınr alır. MOSFET için kanal akrmının (/p) geçit gerilimi (IZ5) ile değişimi aşağıda gösterilmiştir.
Şekil8,6. MOS?'E'r (1o
-Ve)
değişimi.
MOSFET'de l/25'nirı Etkisi MOSFET'de aşağıda gösterildiği gibi S'nin B'ye bağlı olduğunu ve G'ye eşik geriliminden daha büyük bir gerilim uygulandığı düşünülsün (Vcs kanal genişligine etki etmektedir).
8.2.2.
1,,
Kanal oluşumu ve akrm akmasr
Şekil 8.7. Doğru polarlanmış MOSFET. V
ns = 0 ; Kaynakla kanal arasrnda kalırüığından dolayı iletkerüiği V6 lle belirlenen bir kanal oluşacaktrr. Bu durumda Vp5 pozitıf yönde arhrrlmaya başlanrrsa, bu gerilim değeri ve kanal direnci ile oranhlr olarak yukarrda grafikte görüldüğü izere 1p akrmr akmaya başlar. 82
Şekil 8.8. Doğru polarlamada Vas = 0 için kanal.
Vp; aıtınlmaya deııam edilirse: Akrmın 765 ile de$şiminin lineerliğinin bozulduğu ve akrmrn 7p5 ile artış eğiliminin küçüldüğü görülür. Bunun nedeni kanalr oluşturan etkin gerilimin S ucunda 765 değerinde olmasına karşın, kanalın D ucunda Ves - Vos değerine .,,düşmüş olmasrdrr. Buna bağlı olarak kanal kalırrlığın:n azalmasr kanal direncinin artmasına ve akrmrn 725 ile artma eğiliminin azalmasrna neden olur.
G
+
ı
Şekil 8.9. Doğru polarlamada l/as
yönde Vo arttıkça
fakirleşmiş bölge artacağından, kanal
kısılır.
)
0 için kanal.
fazla artınlmaya dezıanı ederse: Belli bir yerde kanalr oluş!ıran D ucunCaki geriiimin cieğeri azalarak eşik değerine eşit oiı_ir. Bu durumda kanairrt D ucunciaki genişliğinin değeri srfir olur. Bu olaya kaıınl lçısılnıızsı denilir. Zp5'nin bu ve daha büyük değerlerinde evirtim tabakasr ortadan kalmış olmakla beraber, fakirleşmiş bölge içerisinde enine elektrik alanrn etkisi ile akrm akmaya devam eder. Akımın değeri krsrlman-ın başladığı andaki değerine yaklaşık olarak eşit kalır. 1p akrmrnın 7p5 gerilimi
Vp5 d.aha da
ile artmasının durduğu bu bölgeye doynıa bölgesi denilir.
Doyma böIgesi içinde Vp5 arttıkça: Ip akırnı başlangıcındaki değerinde sabit kalmayıp gerilimle biraz artar. Bunun nedeni D-S uzaklığı L0 pm'den az olan transistörlerde daha
belirgin olup, kanal direncini belirleyen evirtim bölgesi boyunun krsrlma başlangıcından itibaren 725 arthkça krsalmasr dolayısı ile kanal direncinin küçülmesine yol açmasrdrr. Aşağıda eşik geriliminden büyük herhangi blı VGs gerilimi için /p kanal akımınn 7p5 ile değişimi verilmiştir. Bu eğriye BJT benzeri biçimde çıkış öz eğıisi adı verilir. Yine farklı 755 gerilimleri için /p kanal akrmınrn 7p5 ile değişimi aşağıdaki gösterilmişür.
83
I- Lineer Bölge II-Kanal profilinin bozulması nedeni ile lineerliğin bozulması III- Doyma bölgesi
ı
ı:i a"'
Şekil 8.10. Farklr Vç5 gerilimleri için (In 8.2.3.
- Vıs)
değişimi.
MOSFET Çeşitleri
Bu bölüme kadar kanal oluşturmalı NMOSFET davranışlarna göz ahlmıştrr. 8.2.3.1. Kanal Ayarlamalı
MOSFET
I/cs = 0 iken iletim kanalrnrn varolduğu ve vcs gerilimi ile bu kanalın iletkenliği ayarlanabildiği için transistörlere kana| aıla,r!a.nı.ı.lı. {ııcıııı.ı!lı1-orı veya deyıletion type) MOSFET adı verilir. 8.2.3.2. Kanal Oluşturmalr
MOSFET
NMOSFET kanal bölgesi katkr yoğunluğuna, geçit oksidi kaluılığına vb. bağlı olarak eşik geriliminin pozitıf olmasr mümkündür, Böyle bir transistörde Vcs = 0 iken kanalr bulur,:nadığından ve kar,ıalr ar_rcak 765 geriliıni eşik geriliminden iıüyük clrnasr durumunda oluşacağından dolayr kaıınL alııştıın,nalı (ııırrnnlly-oft veya erıLınrıceyne nt type) M aSFgT adr verilir. NMOSFET gibi PMOSFğT'in de kaııal. ayı,rlaıııııIl ve knııııi. t.rluşttırnıall. olrnak üzere iki farklı tiirü vardrr. Bu iki tiir içinde eşik gerilimleri srrasl ile pozitif ve negatif değerler alır. NMOS için bu durum aşağıda gösterilmiştir,
Şekil 8.11. Kanal ayarlamalı ve oluşturmalı NMOSFET
84
(Ve
s
-
12) karakteristiği.
8.2.4.
MOSFET Tanrm Bağıntrsr Vs:0
Şekil 8.12. MOSFET yaplsı.
MOSFET'*e kaynak (S) elektrodu referans olarak alınan tabana bağlanarak 7s = 0 yapılsrn, Şekilden anlaşılabilecegi gibi FğT kısılma öncesi durumda çalışryor olsun. Kanal bölgesinin boyu l, genişliği ise w ile gösterilsin. Bu durumda ı-y koordinat sisteminde kanalm dy uzunluğu ve dx kalnüığında birim parçasının iletkenliği
dc(y) =
o** ay
olarak verilir. Burada o özgil iletkenlik olup, ortamdaki taşıyrcı yoğunluğuna n(x, y) (NMOS için elektron yoğunluğu) bağlı biçimde o = qpnn(x,y) olarak ifade edilir. Böylece Jr =ıi sabit olmak üzere dy ıazıırılığundaki kanalırı birim parçasının iletkenliği G(y) = olur. 3urada Q; kanal parçasrnrn yüzeysei Q,
_y+g ay
;,ul< 1,ogurılu
olup
=-Co,|Vor-V*-V(y)]
olarak yazılır.Burada C6, geçit elektrodu olup yarriletken taban arasında oluşan kapasitif etkiyi göstermek izete, kana] akımı /p ile gösterilirse, kanal parçasrnn uçlarr arasrndaki gerilim düşümü yardrmr ile 1p kanal akrmr aşağıdaki gibi hesaplanabilir.
av :
rfiı "
=
-wF,Qi# =
I ody
:
wpnCo,fvo,
-4o -VQ)]dV
Yukarrda kanal boyu 0'dan l'ye kadar değiştirilirse,V(y) gerilimi 0'dan Vp'yekadar degişir. Bu bilgi kullarularak kanal akımr hesaplanırsa Io =
B[,r* -
vrn)vos
-}ulr]
burada P = (w/l)unCorve Cor= €or/Xox= sabi"t olmak ijzere, eo, oksidin dielektrik katsayrsr, xo* geçit oksidinin kalırılıgr olmak ij.zerc B transistörün yap§rna bağlı bir sabit bir katsayıdır.
85
8,2.4,1. Kısrlma Olayının Ip Kanal Akrmrna Etkisi
Hesaplanan 1p bağıntısr kanal boyunca evirtim tabakasrnırr varlığı (krsılmanrn olmadığı) varsaylml ile çrkartılmışhr. Eğer 725 arhrrlrrsa V1.5 = Ves - Ç7, değerine ulaşhğrnda kanal krsrlmaya başlayarak daha büyük 7p5 gerilimleri için kısrlma bölgesi genişler. Bu durumda krsrlmarun başladığı Vns = Vcs
ID-
OfrV",
1
-
l'71 için kanal akrmr
-Vrn)' - ;ZJL(Vcs -
_ı:
Vrn)'
|
1
;
B
Q",
-
Vrn)'
I» =
1^(Vcs
1B
-
Vrn)"
olarak bulunur. Kanal bir noktada krsrlmasına rağmen Vp'ıin daha büyük değerleri için de aynr değerini koruyup akrmaya devam eden bu akıın doyırıa ızkıııı, Io = Insat olarak ta bilinir. Bağıntıya göre 1p akrmr Zp5'den bağrmsızdır. Buna karşın gerçekte /p akrmınrn Vp5 ile azda olsa değiştiği bilinmektedir. Bu durumu kanal boyu modülasyonu parametresi (,tr) olarak bilinen parametre kapsamında Io =
1
1B
Vo,
-
Vrn)' (1 + LVDI)
olarak formüle edi]ir. Burada Early olayrna benzer şekilde
.
7:
1/Vı olarak taıumlrdrr.
Knıı.a\ııı Var Olına Şarh:
MOSFET akrm-gerilim eğrisinin srfirdan geçmemesi nedeni 7le Vp5lV77 durumu
oluşabileceğinderç kanal var olmayabilir. Kanalın her zaman var olmasr için gereklilik, yeterli sabit bir gerilimin sağlanmasıdır. Eğer Vcs - Vns 2 Vrn + Vos S Vcs - V77 şaı.tı olabilecek en büyük 7p5 gerilimi için sağlarursa, kanal krsılmasr olmaksrzm daima var olacakhr. . MOSFET Direııç Etkisi: Kanal bölgesinde evirtim oluşmuş bir MOSFET'de, S-D uçlarr arasrnda oluşan direnç etkisinden bir devre elemanr olarak faydalanılrr. Bu direnç etkisinin lineer olmayan karakterinin sakrncalı olmadığı bir takrm sayrsal ttim devrelerde yaygın olarak kullarumında geçit ucunun da uygun bir gerilime bağlanmış olmasr gerekir. Direnç olarak kaıınl clııştuıaı.alı MOSFET kullarırlryor ise, geçidini kanala bağlayarak bir direnç olarak kullanrlmasr mümkündür.
Şekil
8.
l3. Kanal oluşfurmalı
M 0
SF
85
ET' in direnç olarak kullanımı.
Bu durumunda Ve = V» (Ves =
Vo) t
Vp;
2 V6 -
V77
bağınblarr geçerli olacağmdary do}ıma bölgesinde calrşan MOSFET kanal akrmr,,I2 ,o
:|PV"s -
Vrn)z
olarak verilir. Burada özel olarak Vp5 1V71- şartr nedeni ile kanal oluşmayacağından /2 akrmr da akmayacaktrr. MOS dirençlerin önemli bir diğer tiirü de kaııal nyarlrııııalı MOSFET ile gerçekleştirilir. Burada 7çs = 0 için kanal mevcut olduğundan, G ve 5 ucu birbirine bağlanarak VGs = 0'a karşı düşen çıkış öz eğrisi elde edilir. Bövlece oluşarr direncin diğerlerinden farkr doyma bölgesinde değişken işaret direncinin çok büyük olmasıdrr.
V»s
Şekil 8.14. Kanal ayarlamalı MOSFE7'in direnç olarak kullanılması. 8.2.5.
MOSFET Küçük İşaret Eş Değeri
Ç çaişına r"ıoktasında i.u
<<
V\ kıı tırplanımrş claır MOSFET bağıntıları
.
I»Q = I»Q(Vrrq,Vorq)
şeklinde yazılabilir. Burada Vç5 ve 725 gerilimlerinin 4755 ve 4725 değişim]eri nedeni ile oluşan Alp değişimi Q çalışma noktasr etrafrnda seriye açılarak küçük değişimler için hesaplanabilir. Böylece gm ve
9
o 1eçiş ae çıkış iletkenligi olarak tarumlanmak üzere
- : önı
O',| OVorlr,,"
o:" ı 6o =V»V
aI,, aV^Dt
Va =Ycsg
şeklinde verilirken, Alp değişimi LIn =
g*LVes* ggLVp7
olarak verilir. Geçiş iletkenliği MOSFET geçiş eğrisinin Q çalışma noktasrndaki eğimi olup, eık§ iletkenliği MOSFET çıkış öz eğrisindeki Q noktasmrn eğimi olarak aşağıdaki gösterildiği gibi
hesaplanabilir.
l»Q
Vnso
Vls
Şekil 8.15. Çıkış ve geçiş iletkenliklerinin grafik gösterilimi.
9o ve g* değerleri srrasr ile Q çalışma noktasında krsılma öncesi (ılirenç bölgesi} ve krsrlma bölgesinde (ioynıı btilge -ıi) aşağıdaki gibi hesaplanabilir. Kısı].mır Öncesi Bölge: s" = §|(Voro
Kgılrna Bölgesi: 9o
: 0,
-V,,)-Vu,of , 9,
9m = B(Ves
= FVuo,
-Vrn)
Krsrlrna bölgesinde sı_fır olarak bulunan çıkış iletkeırliği, gerçekte kanal boyu kısa transistörlerde daha büyük değerler alır.
Daha önce 41 için yazı|an akım-gerilim ilişkilerinde, A küçük değişimleri yerine çalışma noktasrndaki doğru akrm ve gerilim değerlerine ilave edilmiş değişken bileşenlerirr ani değerleri konularak i.6= linug5{ gcve,
bağınhsr bulunur. Bu bağınb kullarularak MOSFET Kı'içük Jşarci E,s Değei aşağıdaki gibi gösterilebilir. i,1
9rVg,
ro
i-
|d,
Şekil 8.16. MOSFET küçük işaret eş değeri.
Eş değer devrede geçit elektrodu, çok iyi bir yalıtkan ile yaprrun diğer kısmrndan yalrtildığından açık devre gösterilmiştir. Çıkrş tarafındaki bağımlr akrm kaynağı (g*vgr) ve çıkış direnci 16 ise verilen ja akrm bağnhsı ile belirlenmiştir. Bu eşdeğer devre, MOSFET içın düşük frekanslarda iyi bir model olarak kullanılabilir. Fakat yüksek frekanslarda eş değer devrenin kullanilabilmesi için kapasitif etkilerinde modele eklenmesi gerekir. Kapasitif etkilerinde modele kahldığı eş değer devre aşağrda gösterilmiştir.
Şekil8.17. Kapasitif etkilerin göz önüne alındığr MOSFET yüksekfuekans
eş
değei.
8.2.6.
MOSFET Katalog Bilgileri
ݧ{]5ı [],t$İ1 'İ
ğ*,i}
l
kı,iış§*qş*
ı|ıı*
l
\ığ
J
i'&:
lr.
{_i
51,nhı{
T*{ıg*ğ
Y.,iiııt
l.}a-ı d.ıX
İ
1
j !ü
i+
llfıh{,ııııt§ğ
ls
§l
rŞfu*
&
§ş
lııiıı",ı*
iiak..k*:*x
ffi şıişş§ tş* ]JÇ *ıııç ı&ıt,* tJ'C
5I}'t.ı.
,:
vııı';
t.
rıri
nX,t\fu
İtn şr}!şt
f
r.{,İİ.i_\\t} - t],}}li!{,,§}İr:!"İ-
1'
Fl.tü']
.ir
$, {:'(.
''ai{f.i.d,,
§İ{}}ii}:,|,
§}Yfti:}1ıXı;
{ı,ıtş:}nmı*jry*" ". . - -*"L*Jı ii:x*ş* T**ç*ıü.ı,ı:* i".ıagt 1 " ecsf,+,6*l.,!,r
".ar
klt rl. { ll{H rü l}.iljl lı"r
ü'i
1, .'\'i
"n,.":(
.(\".:.i,-J;,ı
]
1i,;J
i_,ıt.r:r:ji;;-
{'fu,arıı,rıri,*ti*
{lı|§§n{Tİ:i{ ݧİ,ı{:$
t}}T
İü}.{}.{.
3J,i"|l l. İi
ltt:l{ *.itlİ{i§ §Eıiıın
Tıx*İ
{.}.
t
l},*;,, !:,ı*,ı;* iitı*} ışü \'ı,ı:il*i]* i1 |i E 1l} i.,İ,. 1|i,., ı i-lt
ııı ıiı,r
,- t
-i- -:;
li
i t
ı"*,,
-|;;i
I 1
i ı.
t,." {i1 {:lı { *§İ-T}_
i*iı**t
l}*x'itınş;**i§.
iı,ff
§.İü,§,İ{:§
x }$ Y.
f
ğ}
* |ğıj§1
§}İİİ..ı."İ!ü]§AL t:ilAİtt{ :,l,},.I{ıı,İıü:İ l
i:,:ş*,şıJ Tişrlı§*ı ğıj;:ııı.;;ıı.ç*
iŞtg
e
tli§, l;.,.İ,{'ıt,4..i
{. *ş*":ı:s;rf ',1';,. * iB Y"'ıi;1 * |j.
İş:.-ıı
irr,;ıç Illıt;ıi*ı 1ii1
n !}, i,,,.1
f
,:
ı
.
l]1ş
* §.*ı
t lli
;*ii i}l,"i
iiş:§h; t1,]*{*
i
ş ti,
ı, lS;} t}.itı
i,kı;n ;\*llı§ştş l]ıiııl:;ışx t .: l.ğ{l 1} ırçı t, o İr, l,.
ihııt,$ıçn
ti]L:lİrl
,.
'
r.kı\ * r ii. f ıı
\:. İ-,
Llİİl
1.{i
l}{.ı]
*lffil,l,j:,1,§*[:1l:],: l,\l]t'i
*:niijE*:*ı'i:
ü+ t{l t:":*l 4, İ i*n,".""»-...in»*il.,i*-"ğ
;
,r................
i_:*.§"ibbı:k""1ıj i - _:-=-]1İ' :" --" 1.
],,
.:
1\'r,
,1",.:
,:.
5r\§. \'..,
ji
ı
li: !',J..
\ *; ı
.ı:c li..g", 'ı
",."
:.i ,:ı,: iı'-:
,:ıç,İi
Şekil 8.18. MOSFET katalog bilgileri.
."
f ıl |.
,
iii
"-]:\::]-]!.4..r§i:
,".^":
8.3.
IoNKsiyoNLu FET
(IFEr)
TRANzisron
8.3.1.IFET Çalrşma Pıensibi ve Kanal Oluşumu JFET genel yapısl ve kanal oluşumu aşağıda gösterilmiştir.
ı-'
i
Kanal (D)
Kanal
{ı
1..*," \,ı,,
Bölge§i I NJFEi ot-- E,-r--,ıı t' '/,,l
-.--
-- *-
l
fi
1
).,.
,t
Geçiş
Bölgesi
',
i
Şekil
B. 19
/FET genel yaplsl.
L
Şekil 8.20. JFET kana| oluşumu.
JFET'de öncelikle her iki jonksiyonda hkama yöntinde kutuplanarak her iki tarafta birer geçiş bölgesi oluşturulur. Daha sorua bu geçiş bölgesi artırrlarak bir kanal oluşur. Böylece kanaldan akrm akar. Bu durumda geçiş bölgelerinin birbiri ile çakışmasr durumunda dahi akım akmaya devam edecektir. Çünkü geçiş bölgesi yüzeysel bir jonksiyon oluşturur ve bu yüzeysel jonksiyon nedeni ile deviıe elemanr JFET adııı alır. JFET için Kapı (Gnte) akrmr yüksek giriş ciirenci nedeni ile vaklasık srfrr airnrr,. /FET akım-gerilim karakteristiği ve clevrö sembolü aşağıd a gösterilmiştir.
N kanal JFET
J" ıı ü. .
P kanal JFET
llsr*T
]'| ]
ı |
!'ro --
l, Doçrı; Lıolgı;ıi
ı
1'}ç*üf
,ü:: -
,?'"{"-
'i/ 1*.",- -
l'ıc = *J
*-
l{şnşl
kıııtlı
-} If f
ğ-(
Şekil 8.21. JFET
d,evre sembolü ve akrm-gerilim karakteristiği 91
s
r
!-
Bu durumda doymada LkenJFET kanal akrmr,12 _ ıD.ç.s I^^-(,, Ip =
\'-
olarak bulunur. Burada 7, krsılma gerilimi, *_ önı=
1p55
u'o
_Ysı\' U"
)
doyma akrmr gösterır. JFET geçiş iletkerüiği, 9m
=-T(r_i-l 'Vp EVo, ' V, l- V" ) =_r+JçJi
olarak hesaplanır.
92
s.4.
UNIIUNCTION (UIT) TRANZİSTÖR
UJT yapısıve eş değer devre şeması aşağıda gösterilmiştir.
İİ i
o,,
T F_ö------{
"__.t
!* ,, Iı'
fl ..
İ-"l
J
şt
],
J
1]
I
a
*)- -J ı.:,.
]
'.j.,j
f
:
l
S.
iı,,.ıı
.:
{rj
i
A,j
:
iJ]
i
*i ?:
Şekil8.22. UJT ve eşdeğer devresi. UJT eşdeğer dewesine göre RB1 direnci iizerine düşen 761gerilimi
n,,=4n,,l olarak bulunur. U/T kesim bölgesi sınır gerilimi 7p olup Vp B.4.1. UJT Çalrşma
1Vn
iise UJTkesimdedir.
Prensibi
UJT'de girişten gelen gerilim eşdeğer devrede dirençler arasındaki noktaya göre daha küçük değer
Nş§ğtit siİğöç §öls*si
Şekil 8.23. UJT akım-gerilim karakteristiği.
8.5.
PROBLEMLER
1)
Voo=20V
Rı=7 kO
Verilen MOSFET devresinde Vrh = LV, P : 5.101 AlVz olarak verilmektedir. a) 72 çıkış geriliminin 10 V olmasr için Vı giriş gerilimi değeri ne olmalrdrr? b) Devrede gösterilen
1
akrm kaynağı nasıl gerçeklenebilir?
2)
V1p=
5V
T
lrlğ
n,
l,
Yandaki dewede ID:0.4 m,\ Vo:1 Y, Vrn:2 Y, p,Co":20 1ı"AlY2,
l:1C
r"m,
vı:400 pm olarak vcriliyorsa
a) R.ş direnç değerini bulunuz.
b) Rp direnç değerini bulunuz?
l
_r--lE I
l
ğ*,
'Vçe= Voo=10Y
5V
Yandaki devrede
Iı:0.4 mA, V1,:2 Y, pnCor:20 pAN2, l:I0
w:]00 pm olarak veriliyorsa, R
94
direnç değerini bulunuz.
pm,
Voo=15Y
4)
Rı=250 kO
Rv=10
kQ
Rz=200kQ
Verilen iVMOSFET için Vrh a) Vns
:
7 V o|masl
=
LV, P
:
125 1ı"AN2 olmak üzere;
için Rp direnç değeri ne olmalrdır?
b) NMOSFET geçiş iletkerıIiği
g- değerini bulunuz?
x 10-8 F /cmz, Fn Vrn=2Y, Vo=V7nf2 o|ması için, MOSFET
5) Verilen devrede Co, = 3.5
: 600 cmz f s, afl oranı ne
V»»: 15Y
olmalıdır?
R = 1kO
6)
+Voo=l0V
"-|
i
Vo
Vi
-
lı=0.64 mA -Vss=70
95
V
i
Verilen devrede Vrı, = 1V, lın Eğer a)
pı:
= 600 cmzf Vs, eo,=34.56x']_0-1a
F
/cm, xox = 43,2 nm verilmektedir.
Fz ise
Sükfınette (Vi:OY), Vı =
1
V ise Pı
b) Kuliarulan teknolojid e Pı = 4m
A/Vz
=
wılnCoJl,ı değerini bulunuz?
A/Vz ve minimum boyut 1pm ise wyLı ve
olarak veriliyorsa ise sükünette
geriliminin değerini bulunuz?
c)
Fs:
7)
Yandaki şekle göre kanal oluşfurma|ı NMO.§FEZ için V77 = 3V,
2.10-3
F = 0.4 x 10-3
a)
1ve
12
AlVz olarakveriliyor,
I/g
nedir?
wa/Ie
Vşş=+JQ
Buna göre
akrmlarıru hesaplayrruz.
Rı=l
b) FET'in kaprsına bir indüktans seri olarak bağlarursa,
l
ve
akrmlarının değerlerine ne olur?
Ip
Mfl
Il
Rı=1 MJ2
8)
Şekile göre /255 = 10 mA veVp
-
-B
V ise MOSFET akrm ve gerilim değerlerini
16v
V6ç=2V
9")
JFET'ln MOSFET'e göre avantaj ve dezavantajlarınr araştrrrnrz.
ffi") UJT tarum bağıntrsını bulunuz.
96
bulunuz?
y
9.
ANAHTAR DEVRE ELEMANLARI
Elektronik devrelerde akrm yolunu açıp kapatmak amacr ile kullanılaır elemarüara aııahtıır adı verilir. İdeal bir anahtann bir konumunda krsa devre (sıfrr dirençli), diğer konumunda açrk devre (direnci sonsuz) olmasr gerekir. Mekanik anahtarlardabenzer şekilde kullanrlmalarr ile beraber yorulma, aşrruna/ ark oluşumu vb. nedenlerle uzayan açma ve kapama süreleri pratik açrdan zorluklara neden olmaktadrr. Bu dezavantajlardan kurfulmak için elektronik elemanlar anahtar olarak kullanılmakla beraber, bu elemanlarında yapılarından kaynaklanan başka sınrrlamalarr mevcuttur. Akım kontrol elemaru olarak BJT ve MOSFET'Ierin kesimde iken akrm akrtrnadrklarrnr ve yeteri kadar büyük bir kontrol akımr (veya gerilimi) için uçlarındaki gerilimin küçük bir değere düşttiğünü (1aklaşık ltısa deure} biliyoruz. Bu iki özel çalşma koşulu bu elemarılarrn açık ve kapalı durumlarda kullarularak anahtarlama yapabileceklerini gösterir. 9.1.
Anahtar Devre Elemanr olarak B}T lc 1I !
CC
\
'ac
VcE (sgr:
1,
VCC
\/
V
aE
Şekil 9.1. Anahtar olarak BJT.
Devreye göre [ = 0 için pratikte akrm akrtmayacak, V1> Vae3at) için ise 76E, geriliminin Vcıçsat1 değerine düşmesi ile C-E jonksiyonu yaklaşık olarak krsa devre sayılabilecektir. Bu durumda R direncinden akan akrm
l-
Vcc
- Vcı6at) =V* -R
olur. Anahtarn açrk olmasr durumuna karşr düşefl V1 = 0 için gerçekte anahtar olarak kullarulan BJT'den çok küçük değerde bir akrm aktığındary ihmal edilebilir. Böylece anahtar nçık kabul edilir. Anahtann kapalı a|masr durumuna karşr düşen Vcrçsat1 değerinin 7ç6 gerilimine göre çok küçük olması halinde kapalr bir kontağa eş değer olacaktır,
97
9.2. Anahtar Devre Elemanı olarak
MOS lB
To,
roıq 1r , D§(ft{l _ 1r "DD p_r*
§|
-
Vos
Voo
ço"1
J\ | IoH
Vns
Şekil 9.2. Anahtar olarak B/T kullanıını,
Devrede V1 1V77 iken devreden akan ve jonksiyonların doyma akrmından oluşan akrm ihmal edilebilecek, Vı } V1;. olmasr halinde ise 7p5 gerilimi traıısistörün r* direnci ile belirli olacaktrr.
Akım kontrol elernanlarr o|an BJT ve MOSFET'in drşında bazı yarriletken yapılarda akrmm sürekli olarak kontrolü mümkün olmayıp eleman ya açık ya da krsa devredir. Bir anahtar davranrşrna daha uygun karakteristiğe sahip olan PN - PN Diyot, Tristor, Diyak ve Triyak vb, elemarı]ar aşağıda krsaca incelenecektir.
9.3.
PN-PN Diyodu J1
J_
J^
or (C)
Şekil9.3. PN
-
PN diyot yapısı.
PN - PN diyoduna 7 gerilimi uygulandığında /1 ve /3 jonksiyonları geçirme yönünde, /2 jonksiyonu trkama yönünde kutuplanır ve çok küçük bir akrm (/2 jonksiyonunun doyma akrmr kadar) devreden akar. Bu durum /2 jonksiyonunun belverme geriliminden daha düşük bir gerilime kadar değişmez. Fakat daha düşük bir gerilim durumunda, J2 birdenbire davraruşıru değiştirip uçlarından büyük bir akrmr ktlçtik bir gerilimle akrür. PN - PN diyot davranışı aşağıda ki gibi bir eş değer devre ile açrklanabilir.
Şekil 9.4. PN
-
PN diyodu transistör
98
eş değeri.
Şekile göre yapıda bir PNP ve bir NPN transistör mevcuttur. T, transistörunun kollektörü ile T2 transistörununbazı ayru bölgedir. Benzer şekilde n1 bölgeside hem. Tl'inbazı hem de Tz'nJır. kollektörüdür. Küçük gerilimlerde sadece devreden /2 jonksiyonunun doyma akrmr akar. Bu çok küçük akım içiır hp;1ve lıpg2 çokkiiçük olıır. Tz'rir. baz akrmr Tr'in kollektör-baz jonksiyonu doyma akım:ndan ibarettir. Ancak T1 ve Tz'rtir. kollektOr-baz jonksiyonlarr üzerinden oluşan çevrimden düşünüldüğünde görülür ki hrrr.lrrr, > 1 olduğu takdirde transistörlerin akrmları alabilecekleri en büyük değere sürekli olarak yükselirler ve sonunda doymaya girerler. Bu durumunda elemarun uçlarr arasrndaki gerilim birinin Vııçsatl gerilimi ile diğerinin Vcrçsatl geriliminin toplamına eşit olup, Vn6 gerllirni 1 v mertebelerindedir. Bu durumda devreden akan akrm ,
_V -Vu, R
V
-R
değerinde olup R direnci ile sırurlandrrrlmrştrr. Buna göre elemanın tıkalı durumdan iletim durumuna geçebilmesi için hpglhprz ) I şartırun sağlanması gerekir. PN - PN diyodunun akım-gerilim karakteristiği aşağıda verilmiştir.
Şekil9.5. PN
- PN
diyot akım-gerilim karakteristiği.
PN - PN diyodunun tıkama durumundan iletim durumuna geçmesi transistörlerden birinin akrmına dşarıdan müdahale edilerek sağlanabilir. Örneğin bu amaç için jonksiyonlara dışarrdan ışık gönderilerek elektron-delik çiftlerinin uyarrlmasr ile akrm artrşı sağlanan
elemanlara IşıkUyarınnlı Analıta.r (Light Actizıated Switch - LAS) adr verilir.
9.4.
Tiristör
PN - PN diyodunda akrm artışr transistörlerden birine drşarrdan akrm verilerek sağlanrrsa, böyle bir elemana Tiistor (Silicon Controlled Rectif.er, SCR) denilir. PN - PN diyodunda eğer bir uçtan dış etken olarak 151 akrmr akrtrlrrsa, bu akrm nedeni ile ilk transistörun hp6 değeri artacağından sistem iletime geçer, Bu şekilde tiristörün akrmınrn kesilebilmesi için I/a6 geriliminin 7g geriliminde daha küçük bir değere düşürülmesi gerekir. Bu özellik nedeni ile tiristörler AC devrelerde anahtar devre elemaru olarak kullaırlmaya müsaittirler. Tristor eş değer devresi ve devre sembolü aşağıda gösterilmiştir.
99
Şekil 9.6. Tristor
eş değer devresi ve devre sembolü.
Diyak Akım gerilim değişimleri
9.5.
PN - PN diyodu gibi olan iki tane elamarun ters paralel bağlanması ile oluşan elemana Diyak denilir. Diyaklar genelde düşük güçlü olup Triyak ve transistörlerin tetiklerrmesi için kullanrlrrlar.
Şekil 9.7. Diyak yaplsl ve sembolü.
9.6.
Triyak
Diyak elemanına tıl.ııktrcıt ilave edilerek elde edilen devre elemaı:rra Triyak adı verilir. Triyak iki yönde de akrm iletebilir ve geçit akrmr hem pozitif hem negatif değerlerde tetiklenebilir. Bu özelliği nedeni ile triyaklar kuwetli akım tekniğinde motor|ardalıız kontrolü, direnç özelli$ gösteren yüklerde güç konfuolü vb. uygulamalarda kullanrlrrlar.
Jl J2 J3
T,
Şekil 9.B. Triyak yapısı ve sembolü.
10.
KAYNAKÇA
Physicsof Semiconductor Devices, S. M.SZE,2"a Ediüon, John - Wiley & Sons Lıc.,1981. 2. Elektronik Elemanları, Duran LEBLEBİCİ, İrÜ Yayııı,1993, İstanbul. 3. Tranzistorlar, C. 1, D. Le CROISETTE, Duran LEBLEBİCİ, Yıtdız LEBLEBİCİ, İTÜ Yayınr, 1.
1989, İstanbul.
Analog Elektronik Devreleri, Duran LEBLEBİCİ, İlÜ Yayınr,2001, İstanbul. 5. Yarıiletken Devre Elemanların:n Temelleri, E. Yang (Çeviren: Y. Leblebici), Ytice Yayırüarr, 4.
2008. 6. Elektronik, M. Sait 7. Ramo S., (1939),
lÜR«ÖZ, Birsen Yayınevi,
2004.
Currents induced by electron motiorL Proceedings of the I.R.E., 27-9,584-585.
Lo,ı Öı Lglili{is:,rı
Ho İ:,:
*'i,iE,lr,,.*
Lı, l
,f ;
ii:
1r,l,},, :',,, ı:.J,-'; ı, {-'
101
