DONANIM KURSU-4
Retro bilgisayarKursumuzun bu ayki konusu da elektronikte çok önemli yeri olan transistörler. Transistörlerin bulunuşu 1948 yıllarına kadar uzanmaktadır. Her ne kadar günümüzde entegre devreler yüzünden eskisi kadar fazla kullanılmıyorlarsa da, transistörler ihmal edilemeyecek kadar önemlidirler. Zaten entegreler de çok sayıda transistörün aynı kılıf içerisinde birleştirilmişinden başka bir şey değildir. Transistörlerin yapısı diyotlarınkine oldukça benzemektedir, yani P veya N (pozitif veya negatif) maddeler ile kirletilmiş bir silikon kristali, transistörün de temel maddesidir. Burada transistörlerin imalatına değinmeyeceğiz, fakat en basit şekliyle kullanılan yarı iletkenlerin dizilimi Resim 1'de gösterilmiştir. Diyotlarda, iki bacak kullanılarak ileri ve ters yönde olmak üzere iki ayrı direnç değeri okunabilir. Transistörlerin ise 3 bacağı olduğu için her seferinde iki tanesi kullanılmak üzere toplam 6 ölçüm yapılabilir. Ölçümlerin sonucu şu şekildedir:
* Uç — Uç Sonuç Baz Emiter — Düşük direnç Emiter Baz Yüksek direnç Baz Kollektör Düşük direnç Kollektör Baz Yüksek direnç Emiter — Kollektör Yüksek direnç Kollektör Emiter Yüksek direnç
Yukarıda görüldüğü gibi kollektör emiter arası her iki yönde de yüksek direnç göstermektedir. Baz-emiter ve baz-kollektör arası normal birer diyot davranışı sergilerler. Sonuç olarak direnç açısından bir transistör Resim 2'deki gibi düşünülebilir. Ancak fonksiyon olarak bir transistörü bu şekilde zannetmek ileride de görülebileceği gibi son derece hatalıdır. Bir transistörün sağlam olup olmadığını veya bacağı belli olmayan bir transistörün hangi bacağının baz olduğunu bir ölçü aleti ile kolayca bu-
ANIL GÜL labilirsiniz. Bacaklar arasında yukarıda bahsettiğimiz direnç değerleri okunabiliyorsa transistörümüz sağlam demektir. Eğer baz-emiter veya baz-kollektör arasında her iki yönde de düşük direnç okunuyorsa eklemler tahrip olmuş demektir. Buna benzer bir mantıkla bacağı belli olmayan bir transistörün bacakları arasındaki dirençler ölçülüp ve her iki yönde de yüksek direnç gösteren bacak bulunduğunda, diğer üçüncü bacak baz demektir. Bu işlemin yapılış sırası Resim 3'de gösterilmiştir.
Resim 2: Bir transistörün direnç olarak eşdeğeri.
PNP Emitör Kolektör Emitör Kolektör E ) Cc E c B B Baz Baz
NPN
Resim 1: NPN ve PNP transistörlerin yapısı.
Silikon Anahtarlama:
Bir ohmmeter ile transistörlerin kollektör-emiter arasını ölçtüğünüzde iki bacak arasında çok büyük bir direncin olduğunu görürsünüz. Ancak bu özellik transistör hiçbir yere bağlı değilken geçerlidir ve bir devreye bağlandığında bozulur. Bunu basit bir deneyle gözleyebiliriz. Bu amaçla piyasada bol bulunan ve ucuz transistör çeşitleri olan 2N697, veya 2N3053 tiplerinden herhangi birisini kullanabilirsiniz. Bu tip transistörler metal kılıflıdır ve bacak bağlantıları Resim 4'de gösterilmiştir. Kollektör ucu gövdeye bağlı olduğu için transistörün gövdesinin devredeki diğer elemanlara veya çıplak tellere değmemesine dikkat edilmelidir. Metal kılıflılar ısıyı daha fazla dağıtabildikleri için plastik kılıflılarına oranla daha verimlidirler. Şimdi Resim 5'deki devreyi kuralım. Bu devrede bir ölçü aleti ampermetre olarak transistörün kollektör yükünü teşkil etmekte ve kollektörden akan akımı ölçmektedir. İlk olarak 100KOhm'luk R1 direncini A6 ve Y1 uçları arasına, yani transistörün bazı ile emiteri arasına bağlayalım. Bu durumda transistörün bazı ile emiteri aynı gerilimde olacak, dolayısıyla baz-emiter arasında herhangi bir akım akmayacaktır. Transistörün bu durumuna “transistör kesimde” denir. Şimdi 100 KOhm'luk R1 direncini A6 ve X1 terminalleri arasına bağlayalım. Bu durumda transistörün bazı 100 KOhm'luk direnç üzerinden 9 Volt'a bağlanmış olacaktır. Diyotların çalışma prensibini öğrendiğimiz için ne olacağını tahmin edebiliriz. 100KOhm'luk direnç üzerinden bir akım akacak, bu akım aynı zamanda baz-emiter diyotu üzerinden de akacaktır. Baz-emiter uçları arasında bir diyotun iletim gerilimi olan 0.6V oluşacak, direnç üzerinden ise Volt civarında bir gerilim kalacaktır. Ohm kanununa göre akacak akım 8.4/100 miliamper, yani 84 mikroamper (84 uA) olacaktır. Halbuki ölçü aletine baktığımızda, en azından birkaç miliamperlik bir akım göreceğiz. İşte bu basit deney transistörün bir yükseltici olarak çalışmasının güzel bir örneğidir. Transistör aslında bir akım yükseltecidir. Baz-emiter arasında akan akım ne kadar küçük olursa olsun, bunun çok daha fazlası kollektör-emiter arasında oluşur. Daha doğrusu kollektör akımı baz akımı ile orantılıdır. Eğer baz-emiter akımını iki katına çıkaracak olursanız, kollektör-emiter akımının da iki katına çıkacağını görürsünüz. Kollektör akımı/Baz akımı oranı sabittir ve transistörün “akım kazancı” olarak adlandırılır. Bir fikir vermek gerekirse akım kazançları bazı güç transistörlerinde 10'dan başlarken, modern yüksek frekans transistörlerinde bu değer 1000'in üzerine çıkmaktadır. Peki bu akım kazanç değerleri ne şekilde işe yaramaktadır? Bu değerlerin asıl kullanılış amaçları, transistörlerde sadece bir akım değerini bilerek diğer akım değerlerinin hesaplanmasıdır. Örneğin akım kazancı olan bir transistörün kollektör devresinden 2.5 mA akıtılmak isteniyor. Bu demektir ki, kollektör akımı baz akımının 150 katı olacaktır. 2.5mA/150 = 16.6 mikroamper olduğu için baz-emiter arasında akacak 16.6 uA'lık bir akım, kollektör devresinde 2.5 mA akmasına yetecektir.
. ÇENTİK ALTTAN GÖRÜNÜŞ
Resim 4: Kılıflı bir transistörün bacak bağlantıları.
BAZ X'DİR
Resim 3: Bazı bilinmeyen bir transistörün bazının bulunması.
Resim 5: Bir ölçü aleti ile anahtarlama işlevinin testi.
NPN veya PNP tabakalarının üst üste yerleştirilmesi ile yapılan ve şimdiye kadar anlatılan transistörlere “bipolar” transistörler denir. Devrelerde kullanılan transistörlerin büyük çoğunluğu bu tiptir. Diğer bir teknikle imal edilen ve değişik özellikler gösteren diğer bir transistör çeşidi daha vardır. Bunlara “alan etkili transistörler” veya kısaca FET adı verilir. FET'lerde “Eklemli FET” ve MOSFET olmak üzere iki çeşittir. MOSFET tipi olanlar daha çok entegre devrelerin yapımında, eklemli olanlar ise normal transistör şeklinde kullanılırlar. Bir FET'in yapısında en önemli kısım, kirletilmiş silikon bir kanaldır. Normalde bu kanalın direnci oldukça yüksektir. FET'in davranışı ise bu kanalın direncinin değiştirilmesi ile değişir. Kanalın direnci arttırıldığında daha az, azaltıldığında ise daha çok akım geçirebilir. FET'ler ile MOSFET'ler arasında en önemli fark kanal direncinin değiştirilme biçimidir. Eklem tipi FET'lerde kanal üzerinde bir eklem oluşturulur. Eğer FET N-tipi ise, kanalda N tipi silikondur ve bu kanalın bir ucunda P tipi bir madde ile bir eklem meydana getirilir. Buradan alınan uca ise kapı anlamına gelen GATE adı verilir. Kanalın GATE ucuna yakın olan ucu SOURCE, diğer ucu ise DRAIN olarak isimlendirilir. Resim 6'daki eklem FET'inin N tipi olduğunu varsayalım. DRAIN ve SOURCE terminalleri arasına bir gerilim tatbik edildiğinde kanal üzerinden bir akım akacaktır. Ancak kanal üzerinde bir eklem olduğu için, burada bir “depletion” bölgesi meydana gelecektir. Bu bölgenin kanal üzerinde bulunması adeta bir caddenin bir araba tarafından kısmen kapatıl-
SUBSTRATE METAL SUBSTRATE GATE GATE piri
ÖK YÖNÜ
Resim 7: MOSFET transistörlerin yapısı.
Depletion bölgesi sabit değildir. Eğer GATE gerilimi SOURCE geriliminden daha düşük yapılırsa, bu bölge büyür. Böylece kanalın direnci daha da artar. Diğer taraftan eklem ileri yönde polarlanırsa, yani değişik bir dolgu maddesi, yani substrate vardır. N-tipi kanalda serbestçe hareket edebilecek elektronlar, substrate'de serbestçe hareket edebilecek (4) yüklü parçacıklar bulunmaktadır. Buna göre eğer GATE gerilimi
GATE gerilimi SOURCE gerilimine SOURCE gerilimine göre daha negagöre daha pozitif yapılırsa, bu takdir- — tif yapılacak olursa, kanal üzerinde de depletion bölgesi küçülür ve kana- — elektronlar ve (4 ) yüklü parçacıklar ln direnci minimuma iner. Bu şekil- — birleşerek kanalı daraltırlar, yani kade GATE ile SOURCE arasındaki ge- nalın direnci artar. Eğer GATE geririlim değiştirilmek suretiyle kanal di- limi SOURCE gerilimine göre daha renci istenildiği gibi kontrol edilebi- pozitif yapılacak olursa, bu takdirde lir. İşte bu özelliği nedeni ile FET'- kanalın bu kısmındaki (4) yüklü ler bipolar transistörlerden ayrılırlar. — parçacıklar itilerek kanal genişler, ya- MOSFET transistörlerde ise eklem — ni kanalın direnci azalır. N-tipi her yoktur. Yine N-tipi veya F-tipi bir s- — MOSFET'in GATE-SOURCE gerililikon kanal, substrate adı verilen adı — minin değişimine karşılık DRAIN verilen bir tabaka üzerine yerleştiril- — akımının değişimini gösteren karakmiştir. Yine SOURCE ucuna yakın bir yerde küçük bir silikon-oksit tateristik Resim 8'de yer almaktadır. Aslında ilk bulunan transistörler bakası oluşturulup bunun üzerine — FET tipi olmasına rağmen imalat tekelektriksel temas için alüminyum bir — niklerinin yetersizliği nedeniyle piyaparça yerleştirilmiştir. Bu silikon- — saya bipolar transistörlerden sonra çıoksit tabakası bir yalıtkan görevi gör- — kabilmişlerdir. Bu yüzden de bipolar mekte ve GATE ucunun silikon kanal ile hiçbir teması olmamaktadır.
transistörler, elektronik devrelerde sinyal yükseltme işlemlerinin temel
Şimdi Resim 7'nin yardımıyla MOS- — taşları olmuşlardır. FET transistörün nasıl işlev gördüğünü anlatmaya çalışalım. M-tipi MOS- — devrelerini ele
FET için N-tipi silkondan yapılmış ması gibi olup kanal direncini arttırır. — bir kanal ve bu kanalın monte edil- Bu aylık hoşçakalın... DRAİN DRAİN AKIMI DRAIN DRAİN kei KANAL GATE-GATE. DEPLATION BÖLGESİ 2 SOURCE — SOURCE 1 SOURCE NKANALL Ti KESİM NOKTASI GERİLİMİ
Resim 6: FET tipi bir transistörün yapısı. 48
Resim 8: Bir N-Kanal MOSFET'in karakteristiği.