8-MOSFET Karakteristiklerinin Çıkarılması

Çukurova Üniversitesi
Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik-1 Laboratuvarı Deney Föyü
Deney#8
Alan Etkili Transistör (FET) Karakteristikleri
Arş. Gör. Mustafa İSTANBULLU
Doç. Dr. Mutlu AVCI
ADANA, 2015
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab. 1 Deney#8
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab. 1 Deney#8
DENEY 8
Alan Etkili Transistör (FET) Karakteristikleri
1. Amaç
Bu deneyin amacı, alan etkili transistör (field effect transistor, FET) elemanının çalışma prensibinin
anlaşılması ve akım-gerilim karakteristiklerinin çıkarılmasıdır.
2. Temel Bilgiler
Alan etkili transistörler (field - effect transistor, FET) genel olarak metal oksit yarıiletken alan etkili
tranzistörler (MOSFET) ve jonksiyonlu FET olmak üzere iki ana gruba ayrılırlar. Jonksiyonlu FET’ler de
pn jonksiyonlu FET (JFET) ve metal yarıiletken alan etkili transistör (MESFET) olmak üzere iki gruba
ayrılırlar. MOSFET’lerde NMOS ve PMOS’lar beraber kullanılarak (complementary MOS-CMOS) çok
küçük alanlara daha fazla transistör sığdırıldığından özellikle sayısal devrelerde MOSFET’ler kullanılır.
MOSFET’lerde akım yarıiletken yüzeye ve akımın aktığı doğrultuya dik olarak uygulanan bir elektrik
alan ile kontrol edilir. Bu devre elemanında kontrolü uygulanan elektrik alan sağladığından alan etkili
terimi kullanılmaktadır. Transistörün çalışma prensibi genel olarak iki terminal arasına uygulanan
gerilim ile üçüncü terminalden akan akımın kontrol edilmesidir.
n-Kanal Enhancement Mod MOSFET
Şekil 1’de bir MOSFET elemanının kaynak (source), geçit (gate), savak (drain), oksit ve kanal
bölgelerini gösteren basitleştirilmiş kesit görüntüsünü verilmiştir. Burada iki n bölgesi arasında
(source ve drain) bir p bölgesinin olduğu görülmektedir. Kanal uzunluğu L ve kanal genişliği ise W ile
belirtilmektedir.
Şekil 1 N kanal oluşturmalı (enhancement) tipi MOSFET’in şematik gösterimi
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab. 1 Deney#8
Şekil 2(a)’da gösterildiği gibi transistörün geçit terminaline gerilim uygulanmadığında kaynak ve savak
terminalleri p bölgesi ile ayrılmış olarak kalacaktır. Bu yapının eşdeğer devresi Şekil 2(b)’deki gibi arka
arkaya bağlanmış ikş adet pn eklem ile tanımlanır. Bu durumda transistor den akan akım sıfıra eşittir.
Eğer transistörün geçit terminaline yeterince büyük bir pozitif gerilim uygulanırsa oksit-yarıiletken
arayüzünde elektron evirtim tabakası (electron inversion layer) oluşur ve bu tabaka Şekil 2(c)’de
gösterildiği gibi n-tipi kaynak ile n-tipi savak terminallerini birbirine bağlar. Böylece kaynak ve savak
terminalleri arasında akım akması olanaklı hale gelir.
Şekil 2 (a) n-kanal bir MOSFET’in elektron evirtim tabakası oluşmadan önceki kesit görüntüsü (b) transistör
kesim durumunda iken kaynak ve savak terminalleri arasındaki eşdeğer modeli (c) elektron evirtim tabakası
oluştuktan sonraki kesit görüntüsü
Elektron evirtim tabakasının oluşması için geçit terminaline gerilim uygulanması gerektiğinden bu tip
MOSFET’lere kanal oluşturmalı MOSFET adı verilir. Ayrıca elektron evirtim tabakasında taşıyıcıların
elektron olması nedeniyle bu yapıya n-kanal MOSFET (NMOS) de denir.
N kanal bir MOSFET’te savak-kaynak arasına gerilim uygulandığında, elektronlar kaynak
terminalinden çıkıp savak terminaline doğru akar. Buna bağlı olarak transistörde akım savak ucundan
girip kaynak ucundan çıkar. Transistörde akan akımın genliği elektron evirtim tabakasında bulunan
yük miktarına, buradaki yük miktarı ise geçit terminaline uygulanan gerilime bağlı olarak değişir.
Transistörde geçit terminali oksit tabaka ile (yalıtkan) kanaldan ayrıldığı için buradan akım
akmayacaktır.
N kanal bir MOSFET’te eşik gerilimi (threshold voltage) elektron evirtim tabakasının oluşması için
geçit terminaline uygulanması gereken gerilim olarak tanımlanır. Başka bir deyişler transistörün
açılması için geçit terminaline eşik gerilim kadar gerilim uygulanması gerekmektedir.
N kanal bir MOSFET’te eşik gerilimi pozitiftir. Geçite uygulanan gerilim eşik değerinden düşükse
transistor den akacak olan akım sıfırdır. Geçite uygulanan gerilim eşik değerinden büyük ise transistor
üzerinden akım uygulanan savak-kaynak gerilimiyle akar.
Şekil 3(a)’da kaynak ve substrat terminalleri topraklanmış bir n kanal MOSFET gösterilmiştir. Geçitkaynak arası gerilim eşik geriliminden küçüktür ve savak-kaynak arasına ise küçük bir gerilim
uygulanmıştır. Bu durumda elektron evirtim tabakası oluşmayacağından savak-kaynak arasındaki pn
eklem ters kutuplanacak ve savak akımı sıfır olacaktır. (pn eklemdeki sızıntı akımı ihmal edilmiştir).
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab. 1 Deney#8
Şekil 3(b)’de aynı MOSFET’in geçit terminaline eşik geriliminden büyük bir gerilğim uygulanmıştır. Bu
durumda elektron evirtim tabakası oluşacak küçük bir savak gerilimi uygulandığında elektron evirtim
tabakasındaki elektronlar kaynak terminalinden pozitif savak terminaline doğru akmaya
başlayacaktır. Burada dikkat edilmesi gereken nokta; savak ucuna pozitif gerilim uygulandığı anda
savak-substrat arasındaki pn eklem ters kutuplanacak ve böylece akım pn eklemden değil kanal
bölgesinden akacaktır.
Şekil 3 n-kanal oluşturmalı MOSFET (a) geçit gerilimi 𝒗𝑮𝑺 < 𝑽𝑻𝑯 iken ve (b) geçit gerilimi 𝒗𝑮𝑺 > 𝑽𝑻𝑯 iken
Şekil 4’te 𝑣𝐷𝑆 değerlerine bağlı olarak küçük 𝑣𝐷𝑆 değerlerinde 𝑖𝐷 − 𝑣𝐷𝑆 karakteristiği gösterilmiştir.
𝒗𝑮𝑺 < 𝑽𝑻𝑯 iken savak akımı sıfırdır. 𝒗𝑮𝑺 gerilimi 𝑽𝑻𝑯 eşik geriliminde büyük olduğu anda elektron
evirtim tabakası oluşur ve savak akımı 𝑣𝐷𝑆 ’nin artmasıyla artar.
Şekil 4 Üç farklı 𝒗𝑮𝑺 gerilimi için 𝒗𝑫𝑺 ’nin küçük değerlerinde 𝒊𝑫 − 𝒗𝑫𝑺 karakteristiği
Şekil 5 farklı 𝒗𝑮𝑺 ve 𝑣𝐷𝑆 değerleri için 𝑖𝐷 − 𝑣𝐷𝑆 eğrilerini göstermektedir. İdeal bir MOSFET’te 𝑣𝐷𝑆 >
𝑣𝐷𝑆 (𝑠𝑎𝑡) değerleri için savak akımı sabittir. Bu bölgeye saturasyon bölgesi denir. 𝑣𝐷𝑆 < 𝑣𝐷𝑆 (𝑠𝑎𝑡)
değerlerinin olduğu bölge ise saturasyon olmayan ya da tirode bölgesi olarak adlandırılır.
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab. 1 Deney#8
Şekil 5 n-kanal oluşturmalı bir MOSFET’in kesit görüntüsü ve 𝒗𝑮𝑺 > 𝑽𝑻𝑯 bölgesinde 𝒊𝑫 − 𝒗𝑫𝑺 eğrisi (a) küçük
𝒗𝑫𝑺 değerleri için, (b) daha büyük fakat 𝒗𝑫𝑺 < 𝒗𝑫𝑺 (𝒔𝒂𝒕) değerleri için, (c) 𝒗𝑫𝑺 = 𝒗𝑫𝑺 (𝒔𝒂𝒕) ve (d) 𝒗𝑫𝑺 >
𝒗𝑫𝑺 (𝒔𝒂𝒕) değerleri için
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab. 1 Deney#8
İdeal bir MOSFET’te saturasyon olmayan bölgede akım gerilim karakteristiği;
2
𝑖𝐷 = 𝐾𝑛 [2(𝑣𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝐻 )𝑣𝐷𝑆 − 𝑣𝐷𝑆
]
eşitliği ile ifade edilir.
𝒗𝑮𝑺 > 𝑽𝑻𝑯 değerlerinde saturasyon bölgesindeki ideal bir MOSFET için akım-gerilim karakteristiği;
𝑖𝐷𝑆 = 𝐾𝑛 (𝑣𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝐻 )2
eşitliği ile ifade edilir.
Burada 𝐾𝑛 iletim parametresidir ve;
𝐾𝑛 =
𝑊𝜇𝑛 𝐶𝑜𝑥
2𝐿
ifadesi ile tanımlanır. Burada 𝐶𝑜𝑥 birim alan için oksit kapasitanstır. 𝐶𝑜𝑥 = 𝜖𝑜𝑥 ⁄𝑡𝑜𝑥 iken 𝜖𝑜𝑥 oksit
geçirgenliği, 𝑡𝑜𝑥 ise oksit kalınlığıdır.
𝐾𝑛 eşitliği aynı zamanla;
𝐾𝑛 =
𝑘′𝑛 𝑊
2 𝐿
olarak da tanımlanır. Burada 𝑘′𝑛 = 𝜇𝑛 𝐶𝑜𝑥 eşitliği ile ifade edilir. 𝑘′𝑛 değeri fabrikasyon sürecine
bağlıdır ve sabittir. Böylece genişliğin kalınlığa oranının transistör tasarımı için önemli bir parametre
olduğu anlaşılmaktadır.
KAYNAKLAR:
1. Microelectronics Circuit Analysis and Design, Neamen D., 2010
2. Microelectronic Circuit Design, Jeager R., Blalock T., 2011
MALZEME LİSTESİ




Dirençler
: 100, 220, 2x1k, 1M
MOSFET
: BS170
Diyot
: 1N4001
Standart deney teçhizatı
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab. 1 Deney#8
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab. 1 Deney#8
Adı, Soyadı:
Öğrenci No:
3. Hazırlık Çalışması
1. Parametreleri verilen n kanal oluşturmalı bir MOSFET için; 𝑉𝑇𝐻 = 0.4𝑉, 𝑊 = 20𝜇𝑚, 𝐿 =
0.8𝜇𝑚, 𝜇𝑛 = 650𝑐𝑚2 /𝑉−𝑠 , 𝑡𝑜𝑥 = 200Å ve 𝜖𝑜𝑥 = (3.9)(8.85𝑥10−14 )𝐹/𝑐𝑚
Saturasyon bölgesindeki transistör akımını ;
(a) 𝒗𝑮𝑺 = 0.8𝑉
(b) 𝒗𝑮𝑺 = 1.6𝑉
için bulunuz.
2. Aşağıdaki devre için drain akımını, drain-source gerilimini ve transistörde harcana gücü
bulunuz. 𝑅1 = 30𝑘, 𝑅2 = 20𝑘, 𝑅𝐷 = 20𝑘, 𝑉𝐷𝐷 = 5𝑉, 𝑉𝑇𝐻 = 1𝑉, 𝐾𝑛 = 0.1𝑚𝐴/𝑉 2 ,
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab. 1 Deney#8
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab. 1 Deney#8
4. Deney Çalışması
Deney 8.1:
1. Aşağıdaki devreyi kurunuz.
2. 𝑉𝐷𝑆 kaynağını 2V’a ayarlayınız. Daha sonra 𝑉𝐺𝑆 ’yi 0V’tan itibaren artırarak mosfetin iletime
geçtiği 𝑉𝐺𝑆 eşik gerilimini tespit ediniz ve aşağıda ilgili yere yazınız.
3. Aşağıdaki tabloyu doldurunuz. 𝐼𝐷𝑆 akımını bulurken 1k’lık direnç üzerindeki gerilimden hesaplayınız.
4. Doldurduğunuz tablodaki değerlerden yararlanarak 𝐼𝐷 − 𝑉𝐷𝑆 karakteristiğini çiziniz.
MOSFET’in eşik
𝑘 ′ 𝑛 = 0.1233
gerilimi:…………
𝑊
=1
𝐿
𝑽𝑫𝑺
0V
0.1V
0.2V
0.3V
0.4V
0.5V
0.7V
1V
2V
4V
6V
8V
10V
𝑽𝑮𝑺 = 𝟎V
𝑰𝑫𝑺
𝑽𝑮𝑺 = 𝟎. 𝟓𝑽
𝑰𝑫𝑺
𝑽𝑮𝑺 = 𝟏𝑽
𝑰𝑫𝑺
𝑽𝑮𝑺 = 𝟏. 𝟓𝑽
𝑰𝑫𝑺
𝑽𝑮𝑺 = 𝟐V
𝑰𝑫𝑺
𝑽𝑮𝑺 = 𝟐. 𝟐V
𝑰𝑫𝑺
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab. 1 Deney#8
Deney 8.2:
1. Aşağıda gösterilen devreyi kurunuz.
2. 𝐼𝐷 − 𝑉𝐷𝑆 grafiğini osiloskobun x-y modunu kullanarak çizdiriniz.
3. Elde ettiğiniz grafiği deney sonuç sayfasına çizerek yorumlayınız.
4. 𝑉𝐺𝐺 ve 𝑉𝐷𝐷 gerilim değerlerini artırıp azaltarak x-y modunda elde ettiğiniz eğri üzerinde meydana
gelen değişiklikleri yorumlayınız.
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab. 1 Deney#8
Deney 8.3:
1. Aşağıda gösterilen devreyi kurunuz.
2. 𝐼𝐷 − 𝑉𝐺𝑆 grafiğini osiloskobun x-y modunu kullanarak çizdiriniz.
3. Elde ettiğiniz grafiği aşağıya çiziniz.
4. 𝑉𝐷𝐷 = 5𝑉 ve 𝑉𝑖𝑛 = 10𝑉 değerleri için 𝑉𝐺𝑆 ve 𝐼𝐷𝑆 değerlerini teorik olarak hesaplayınız.
5. 𝑉𝐷𝐷 ve 𝑉𝑖𝑛 gerilim değerlerini artırıp azaltarak x-y modunda elde ettiğiniz eğri üzerinde meydana
gelen değişiklikleri yorumlayınız.
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab. 1 Deney#8
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab. 1 Deney#8
Adı, Soyadı:
Öğrenci No:
5. Tartışma
1. BS170 transistörünün pspice parametrelerini bulunuz ve ne anlama geldiklerini yazınız.
2. NMOS kanal oluşturmalı bir MOSFET içyapısını çiziniz ve kısaca nasıl çalıştığını anlatınız.
3. Bir MOSFET için W/L oranının 𝐼𝐷𝑆 akımına olan etkisi nedir açıklayınız.