MOSFET transistörü nedir?
MOSFET (Metal-Oksit-Yarıiletken Alan Etkili Transistörün kısaltması), yüksek gerilim ve yüksek akım akışını kontrol etmek amacıyla elektronik devrelerde genellikle anahtar veya amplifikatör olarak kullanılan bir elektronik bileşendir. Metal bir geçit, bir oksit tabakası ve bir yarıiletken kanaldan oluşan bir transistör türüdür.
MOSFET transistörünü kim icat etti?
1959 yılında, Bell Labs'tan D. Kahng ve Martin Atalla, MOSFET transistörünü icat ederek elektronik dünyasında devrim yarattı. Bu çığır açan icat, elektronik bileşenlerin küçültülmesini mümkün kıldı ve entegre devre ile modern bilgisayarın önünü açtı. İcatın kendisi devrim niteliğindeyken, icat sürecinin kendisi de hayranlık uyandırıcıydı.
Kahng ve Atalla, MOSFET üzerine araştırmalarına önce metal-oksit-yarı iletken (MOS) yapılarının özelliklerini inceleyerek başladılar. Kimyasal buhar biriktirme (CVD) adı verilen bir teknik kullanarak, silikon bir alt tabakanın üzerine ince bir silikon dioksit tabakası biriktirmeyi başardılar. Bu silikon dioksit tabakası, MOS yapısının iki iletken tabakası arasında bir yalıtkan görevi gördü.
Sürecin bir sonraki adımı MOSFET'i üretmekti. Kahng ve Atalla, yalıtkan tabakaya bir katkıcı madde ekleyerek iki iletken tabaka arasında bir kanal oluşturmayı başardılar. Bu kanal daha sonra bir geçide bağlandı; bu sayede tetiklendiğinde MOSFET'ten elektrik akışı sağlanabildi. Bu, voltaj girişi ile transistörden geçen akım akışını kontrol etmeyi mümkün kıldı.
Son olarak, Kahng ve Atalla, icatlarının düzgün çalıştığından emin olmak için testler yaptılar. MOSFET'in akımı hızlı bir şekilde açıp kapatabildiğini gördüler; bu da onu bilgisayarlar ve diğer elektronik cihazlarda kullanım için ideal hale getirdi. Araştırmaları ve sıkı çalışmaları sayesinde, MOSFET transistörü modern elektroniğin ayrılmaz bir parçası haline geldi.
MOSFET Yapısı
Bir metal-oksit-yarıiletken alan etkili transistör (MOSFET), bir metal geçit, bir oksit tabakası ve bir yarıiletkenden oluşur; oksit tabakası genellikle silikon dioksitten yapılmıştır. Geçit malzemesi genellikle metal yerine polikristal silikon ile değiştirilir. Bu yapı bir kondansatör oluşturur; burada oksit tabakası dielektrik görevi görür ve kapasitans, oksit tabakasının kalınlığı ile silikon dioksitin dielektrik sabiti tarafından belirlenir. Polikristal silikon geçit ve silikon yarı iletken, MOS kondansatörünün iki terminalini oluşturur. Kondansatör yapısına ek olarak, tam bir MOSFET yapısı, sırasıyla çoğunluk taşıyıcıları sağlamak ve bunları kabul etmek için bir kaynak ve bir drenaj içerir.
MOSFET Devre Sembolü
Elektronik devrelerde yaygın olarak kullanılan MOSFET transistörünün devre sembolü, kanalı temsil eden dikey bir çizgi, kanalın yanında kaynak ve drenajı temsil eden iki paralel çizgi ve sol tarafta geçidi temsil eden dik bir çizgiden oluşur. Kanal çizgisi, zenginleştirme modu ile tükenme modu MOSFET'leri birbirinden ayırmak için kesikli bir çizgi ile de gösterilebilir.
MOSFET transistörleri, kaynak, drenaj, geçit ve gövde uçlarından oluşan dört uçlu elemanlardır. Kanaldan gövde ucuna uzanan okun yönü, MOSFET’in p-tipi mi yoksa n-tipi bir eleman olduğunu gösterir; bu durumda ok her zaman P-tarafından N-tarafına doğru işaret eder. Ok, kanaldan geçide doğru işaret ediyorsa, bu bir p-tipi MOSFET veya PMOS'u temsil ederken, tersi yön ise bir n-tipi MOSFET veya NMOS'u temsil eder. Entegre devrelerde, gövde terminali genellikle ortaktır, bu nedenle polaritesi belirtilmezken, PMOS'un geçit terminaline NMOS'tan ayırt etmek için genellikle bir daire eklenir.
MOSFET Transistörü Nasıl Çalışır?
Metal-oksit-yarıiletken alan etkili transistörün (MOSFET) temel çalışma prensibi, geçit elektroduna voltaj uygulayarak kanalın oluşumunu ve iletkenliğini kontrol etmek ve böylece drenaj ile kaynak elektrotları arasında akan akımı düzenlemektir. MOSFET, geçit, kaynak ve drenaj olmak üzere üç elektrottan oluşur. Geçit ve kaynak elektrotları arasında yalıtkan bir oksit tabakası bulunur ve kanal, bu tabakanın altında yarıiletken yüzeyinde oluşur.
Geçide pozitif bir gerilim uygulandığında, geçidin altındaki yarı iletken yüzeyindeki delikler itilir ve negatif yüklü bir ters tabaka oluşur. Ters tabaka, delik yoğunluğundan daha yüksek bir elektron yoğunluğuna sahiptir ve kanal olarak adlandırılan n-tipi bir iletken tabaka oluşturur. Drenaj ile kaynak arasına bir gerilim uygulandığında, akım kanal üzerinden drenaja doğru akar. Kanalın iletkenliği ve yük yoğunluğu, geçit voltajının büyüklüğü ve polaritesi ile modüle edilebilir, bu da MOSFET'in kontrol edilebilir bir akım anahtarı olarak işlev görmesini sağlar.
MOSFET türleri
Kanalının polaritesine göre MOSFET transistörleri şu şekilde sınıflandırılabilir: N-kanallı MOSFET ve P-kanallı MOSFET. Ayrıca, geçit gerilimi genliğine göre şu şekilde sınıflandırılabilir: tükenme tipi ve zenginleştirme tipi.
N-kanallı zenginleştirme MOSFET
N-kanallı zenginleştirme MOSFET'leri, elektronik devrelerde genellikle anahtarlama ve güçlendirme amacıyla kullanılır. Kanalın açılması için geçitte pozitif gerilim gerektirdiği için zenginleştirme MOSFET olarak adlandırılır; negatif taşıyıcı tipine sahip olduğu için ise N-kanallı olarak adlandırılır.
N-kanallı tükenme MOSFET
Bir N-kanallı tükenme tipi MOSFET, akımı taşıyan bir kanal oluşturmak üzere belirli safsızlıklarla katkılanmış yarı iletken malzeme katmanlarından oluşur. Kapı terminaline gerilim uygulanmadığında kanal zaten oluşmuş durumdadır. Bu, güç verilmediğinde MOSFET’in “tükenme” modunda olduğu anlamına gelir. Kapıya gerilim uygulandığında, tükenme bölgesi küçülür ve akımın kanaldan akmasına izin verir.
P-kanallı güçlendirilmiş MOSFET
P-kanallı güçlendirme MOSFET, kaynak ve drenaj uçları arasında elektron akışını sağlamak için P-kanallı bir alt tabaka kullanan bir MOSFET türüdür. P-kanallı güçlendirme MOSFET’in geçit ucuna bir gerilim uygulandığında, pozitif yüklü delikleri (N-kanallı MOSFET’teki negatif yüklü elektronların aksine) kanala çeken bir elektrik alanı oluşturur ve böylece kaynak ile drenaj uçları arasında akım akışını sağlar.
P-kanallı tükenme MOSFET
Bir P-kanallı tükenme MOSFET'i, yarı iletken kanaldaki negatif yük taşıyıcılarının (elektronların) akışını kontrol ederek çalışır. Negatif yük taşıyıcılarını çeken pozitif yüklü bir geçit ile üretilen N-kanallı MOSFET'lerin aksine, P-kanallı MOSFET'ler pozitif yük taşıyıcılarını (delikler) iten negatif yüklü bir geçit ile üretilir. Bir tükenme MOSFET'inde, yarı iletken kanal, akım akışına dirençli bir bariyer görevi gören bir tükenme bölgesi oluşturan safsızlıklarla katkılanır. Kapıya bir voltaj uygulanarak, tükenme bölgesi genişletilebilir veya daraltılabilir ve böylece kanal üzerinden geçen akım akışı kontrol edilebilir.
MOSFET Nerede Kullanılır?
MOSFET transistörleri olarak bilinen yarı iletken cihazlar, otomotiv, endüstriyel ve iletişim sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Otomotiv elektroniği alanında, güç MOSFET transistörleri, modern elektrikli araçların elektronik kontrol ünitelerinde ve güç dönüştürücülerinde yaygın olarak kullanılan anahtarlama cihazlarıdır. Ayrıca MOSFET transistörleri, güç kaynakları, motor kontrolleri, voltaj regülatörleri, mikrodenetleyiciler, dijital mantık devreleri ve ses amplifikatörleri gibi çeşitli uygulamalarda anahtar veya amplifikatör olarak da kullanılabilir.
Özellikle MOSFET transistörleri, bilgisayar ve televizyon güç kaynaklarında yüksek gerilimli AC gücü düşük gerilimli DC güce dönüştürmek için; motor kontrol devrelerinde motorların hızını düzenlemek için; ses amplifikatörlerinde düşük seviyeli sinyalleri yüksek seviyeli sinyallere yükseltmek için; ve güneş enerjisi invertörlerinde, genellikle güneş panelleri tarafından üretilen DC gücü konut ve ticari kullanım için AC güce dönüştürmek amacıyla kullanılır.
Son yıllarda, MOSFET transistörlerinin performansının iyileştirilmesiyle birlikte, dijital sinyal işleme alanına (mikroişlemciler ve mikrodenetleyiciler gibi) ek olarak, giderek daha fazla analog sinyal işleme entegre devresi de MOSFET transistörlerini benimsemektedir. Dijital devrelerde, MOSFET transistörleri esas olarak, neredeyse hiç statik güç kaybı olmayan ve akım ve güç tüketiminden tasarruf sağlayan tamamlayıcı metal-oksit-yarı iletken mantık devrelerinin icadında kullanılır. CMOS mantık devrelerinde, her mantık kapısı sürücüsü ve mantık kapılarının her aşaması yalnızca aynı MOSFET transistör kapısına bakmak zorundadır, bu da sürüşlerini kolaylaştırır. Analog devrelerde, devre tasarımındaki MOSFET transistörlerinin transkonduktans, akım sürüş gücü ve gürültü gibi bazı performans parametreleri büyük ölçüde iyileştirilmiştir. Bu nedenle, MOSFET transistörleri artık amplifikatörler, filtreler, osilatörler, güç amplifikatörleri ve anahtarlamalı güç kaynakları gibi analog devrelerde yaygın olarak kullanılmaktadır.
MOSFET ve BJT
MOSFET transistörü ile BJT transistörü arasında birçok fark vardır; işte bunların karşılaştırma tablosu.
| No. | Characteristics | BJT | MOSFET |
|---|---|---|---|
| 1 | Transistor Type | Bipolar Junction Transistor | Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor |
| 2 | Classification | NPN BJT and PNP BJT | P-channel MOSFET and N-channel MOSFET |
| 3 | Port | Base, Emitter, Collector | Gate, Source, Drain |
| 4 | Symbol |  |  |
| 5 | Charge Carrier | Both electrons and holes serve as charge carriers in BJT | Either electrons or holes serve as charge carriers in MOSFET |
| 6 | Control Mode | current-controlled | oltage-controlled |
| 7 | Input Current | milliamps/microamps | picoamps |
| 8 | Switching Speed | BJT is lower: maximum switching speed is close to 100KHz | MOSFET is higher: maximum switching frequency is 300KHz |
| 9 | Input Impedance | low | high |
| 10 | Output Impedance | low | medium |
| 11 | Temperature Coefficient | BJT has a negative temperature coefficient and cannot be connected in parallel | MOSFET has a positive temperature coefficient and can be connected in parallel |
| 12 | Power Consumption | high | low |
| 13 | Frequency Response | poor | good |
| 14 | Current Gain | BJT has low and unstable current gain: the gain can decrease once the collector current increases. If the temperature increases, the gain can also increase | MOSFET has high current gain and is almost stable for changing drain current |
| 15 | Secondary breakdown | BJT has a second breakdown limit | MOSFET has a safe operating area similar to BJT but does not have a second breakdown limit |
| 16 | Static Electricity | Static discharge is not a problem in BJT | Static discharge can be a problem in MOSFET and can lead to other issues |
| 17 | Cost | cheaper | more expensive |
| 18 | Application | low-current applications such as amplifiers, oscillators, and constant current circuits | high-current applications such as power supplies and low-voltage high-frequency applications |
