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. | Özellik | BJT | MOSFET |
|---|---|---|---|
| 1 | Transistör türü | Bipolar jonksiyon transistörü | Metal oksit yarı iletken alan etkili transistör |
| 2 | Sınıflandırma | NPN ve PNP | P kanallı ve N kanallı |
| 3 | Uçlar | Baz, emetör, kolektör | Kapı, kaynak, savak |
| 4 | Sembol |  |  |
| 5 | Yük taşıyıcıları | İletime elektronlar ve delikler katılır | Kanal türüne göre elektronlar veya delikler iletime katılır |
| 6 | Sürme gereksinimleri | Sürekli baz akımıyla baz-emetör sürme | Kapı-kaynak gerilimi; geçici akım kapıyı şarj ve deşarj eder |
| 7 | Sürme akımı | Baz akımı kolektör akımına, kazanca ve anahtarlama koşullarına bağlıdır | Düşük DC kapı kaçak akımı; dinamik akım kapı yüküne ve anahtarlama hızına bağlıdır |
| 8 | Anahtarlama hızı | Bileşene ve devreye bağlıdır; depolanan yük kapanmayı yavaşlatabilir | Bileşene ve devreye bağlıdır; kapı yükü, sürücü ve kayıplar pratik sınırları belirler |
| 9 | Giriş empedansı | Kutuplama akımına ve devre yapısına bağlıdır | Yüksek DC giriş direnci; anahtarlamada kapı kapasitansı önemlidir |
| 10 | Çıkış empedansı | Çalışma bölgesine, kutuplamaya ve devre topolojisine bağlıdır | Çalışma bölgesine, kutuplamaya ve devre topolojisine bağlıdır |
| 11 | Sıcaklık ve paralel çalışma | Paralel BJT’lerde akım paylaşımı ve ısıl analiz gerekir | Kanal tam açıkken iletim direnci genellikle sıcaklıkla artar; paralel bileşenler için yine de akım paylaşımı analizi gerekir |
| 12 | Güç kaybı | Gerçek yükte iletim, baz sürme ve anahtarlama kayıplarını değerlendirin | Gerçek yükte sıcak iletim direncini, kapı sürme ve anahtarlama kayıplarını değerlendirin |
| 13 | Frekans yanıtı | Hedef çalışma noktasında veri sayfasındaki bant genişliği ve anahtarlama verilerini kullanın | Hedef çalışma noktasında veri sayfasındaki bant genişliği ve anahtarlama verilerini kullanın |
| 14 | Kazanç parametresi | hFE kolektör akımına, sıcaklığa ve bileşene göre değişir; belirtilen test koşullarını kullanın | BJT akım kazancıyla değerlendirilmez; geçiş iletkenliğini, kapı yükünü ve iletim direncini karşılaştırın |
| 15 | Güvenli çalışma alanı | İkincil kırılma sınırları dahil bileşenin SOA değerlerini kontrol edin | Bileşenin SOA değerlerini kontrol edin; doğrusal çalışma sıcak noktalara ve ısıl kararsızlığa yol açabilir |
| 16 | ESD önlemleri | Seçilen bileşenin ESD kullanım gereksinimlerine uyun | Seçilen bileşenin ESD kullanım gereksinimlerine uyun |
| 17 | Maliyet karşılaştırması | Bileşen değerlerini, kılıfı, adedi ve sürücü devresi maliyetini karşılaştırın | Bileşen değerlerini, kılıfı, adedi ve sürücü devresi maliyetini karşılaştırın |
| 18 | Tipik uygulamalar | Analog yükseltme, osilatörler, akım kaynakları ve anahtarlama devreleri | Bileşene bağlı olarak anahtarlamalı dönüştürücüler, motor sürücüleri, yük anahtarları ve analog devreler |
Prototipten önce MOSFET devresi tasarım kontrolü
Bir MOSFET devresi gerçek gate sürme gerilimi, yük akımı, anahtarlama frekansı ve sıcaklıkta denetlenmelidir. Eşik gerilimi VGS(th) yalnızca küçük bir test akımının başladığını gösterir; aygıtın tamamen iletimde olduğunu kanıtlamaz. Kullanılabilir gate gerilimine yakın koşulda veri sayfasında verilen RDS(on) değerini kullanın, hem iletim hem anahtarlama kaybını hesaplayın.
- Gate: reset sırasında kapalı kalması için pull-down veya pull-up ekleyin; çınlama ve geçiş hızını gate direnciyle ayarlayın.
- Source referansı: özellikle üst taraf devrelerinde sürücünün gate-source gerilimini doğrulayın.
- Isı: sıcak dirençle oluşan kaybı ve mevcut bakır veya soğutucuyu değerlendirin.
- Endüktif yük: uygun flyback, kelepçe veya snubber kullanıp enerji değerini kontrol edin.
- Yerleşim: gate ve anahtarlanan akım döngülerini kısa ve ayrı tutun.
