MOSFET ve FET Nedir? Nasıl Ölçülür?





Mosfet Nedir? Nasıl Ölçülür?

Lazer ve radar gibi bazı kelimeler o kadar yaygındır ki aslında çoğumuz bu kelimelerin birer kısaltma olduklarını bilmeyiz ve bu kısaltmaların kökeni hakkında da pek bilgi sahibi değilizdir. Elbette bunun gibi kısaltmalar kullanılarak anılan ancak halk arasında popüler olmamış, tıpkı lazer ve radar gibi bahse değer pek çok buluş mevcuttur ve MOSFET, kesinlikle bu kategoride yer alır. MOSFET, 1959 yılında Bell Laboratuvarları‘nda görevli Dawon Kahng ve Martin M. (John) Atalla tarafından icat edildi.

Bir MOSFET’in (metal oxide semiconductor field effect transistor – metal oksit yarı iletken alan etkili transistör) hareketli parçaları yoktur. Genel olarak N P N harfleri ile anılan üç materyalden oluşan bir sandviç şeklini düşünerek onun biçimini ve işlevini kabaca anlayabiliriz. Teller sandviçimizin iki N bileşenine bağlıysa akım gerçekleşmez. Bunun nedeni, P tabakasının farklı elektriksel özelliklerinden kaynaklanmaktadır.

Peki bir akımın gerçekleşmesini nasıl sağlayabiliriz? Garip bir şekilde, P tabakasının bir tarafını yalıtımı iletken olmayan bir malzeme ile kaplamalı ve daha sonra bu izolatörün üzerine bir metal plaka yerleştirmeliyiz. Bu hâlâ bir akıma izin vermez, ancak metal plaka (“geçit” olarak adlandırılır) ona uygulanan bir voltaja sahip olduğunda, iletken olmayan materyalden ve altındaki P tabakasına bir elektrik alanı oluşur. Elektrik alanı, P katmanındaki pozitif yükleri iterek onları uzaklaştıracaktır. Bu, P katmanında NPN sandviçindeki iki N katmanı arasında iletime izin veren bir “kanal” yaratır ve bu sayede akım gerçekleşmiş olur.

MOSFET küçük ve önemsiz görünebilir ancak daha büyük şeyler için üretilmiştir. Bir anahtar ya da amplifikatör görevi görebilir, minyatürleştirme için uygun olduğunu kanıtlamıştır, düşük ısı profillerine sahiptir ve onu üretmek ucuzdur. Temelde modern bilgisayarda kullanılan entegre devrelerin standart bir bileşeni olmak için gereken tüm özelliklere sahiptir.

FET Nedir?

Field Effective Transistor yani Alan Etkili Transistör, yarı iletken malzeme içerisinde kanal akımını ve iletkenliğini yük taşıyıcıları yardımıyla değiştirmeye yarayan bir elemandır. Tek kutuplu olan FET, çift kutuplu olan standart BJT transistörlerden çok daha önce bulunmuştur.



FET, en çok MOSFET ve CMOS teknolojilerinde karşımıza çıkar. Dijital entegre devreleri, analog sinyal devreleri, yükseltici (amplifier) devreler ve IGBT gibi alanlarda da kullanılırlar.

Julius Edgar Lilienfeld tarafından 1926 yılında patenti alınan ve icat edilen FET, 1934 yılında Oskar Heil tarafından büyük geliştirmeler yaşadı. 1947 yılında Bell laboratuvarlarında ise JFET, elektrik alan etkisinin keşfedilmesi ile icat edildi.

FET İle İlgili Genel Bilgiler

FET, çoğunluk yük taşıyıcısı görevini üstlenebilir. Bu görevini de Source (Kaynak) ve Drain (Kanal) uçları arasında gerçekleştirir. FET üzerinde 3 terminal bulunmaktadır: Source (Kaynak), Drain (Kanal) ve Gate (Kapı).

Kaynak terminalinden taşıyıcılar giriş yaparken Kanal terminalinden çıkış yaparlar. Kapıya voltaj uygulandığında ise kontrollü bir şekilde kanal iletkenliği modülasyonu sağlanmış olur.

BJT çeşidi olan çift kutuplu transistörde Emiter, Kollektör ve Base uçlarına karşılık gelen bu terminallere ek olarak bazı FET tipi transistörlerde ek bir terminal daha bulunur. Body (gövde), Base, Bulk (Yük) veya Substrate (Tabaka) isimlerini alabilen bu terminal, transistörün karakteristiğini belirliyor. Bu 4. terminal çoğunlukla entegre devrelerde karşımıza çıkıyor.

Kaynak – kanal arası mesafenin de önemli olduğu çeşitli araştırmalar sonucu gözlenmiş. Örneğin bu mesafenin 1 µm olması FET’in 5 GHz frekans ile sınırlandığını gösterirken 0.2 µm ise 30 GHz frekans sınırını gösteriyor.

FET’in görevlerinin en başında ise anahtarlama bulunuyor. Kapısına uygulanan kontrollü voltaj ile elektronların kolay akmasını veya zor akmasını sağlayarak çeşitli anahtarlama görevlerini gerçekleştirebiliyor.

FET karakteristiğinde ise 3 çalışma bölgesi bulunur:

1) Aktif olmayan yani transistörün çalışmadığı bölge.

2) Transistörün tam verimle çalıştığı lineer bölge.

3) Transistörün kesime gittiği doyum bölgesi.



FET Bileşenleri ve FET Çeşitleri

Yarı iletken bir bileşen olan FET yapısında doğal olarak ilk önce silikon bulunuyor. Ancak yarı iletken teknolojisinin gelişmesiyle yarı iletken malzeme olarak silikon yerine kristal kesim teknikleri de kullanılabiliyor.

Silikon Karbit (SiC), Galyum Arsenit (GaAs), Galyum Nitrid (GaN), Indiyum Galyum Arsenit (InGaAs) gibi malzemeler de FET bünyesinde mevcut. 2011 yılında IBM, grafen temelli bir FET ürettiğini de duyurdu.

FET elemanının birçok çeşidi mevcuttur. Ancak başlıca çeşitleri;

JFET: Junction-FET (Bağlantı-FET), ters ön gerilimli p-n bağlantısı ile kapı ile gövdeyi ayırıyor.

MOSFET

FREDFET: (Fast Recovery Epitaxial Diode-FET), özel bir FET türüdür ve hızlı düzelme karakteristiğine sahiptir.

TFET: (Tunnel-FET), band-band arası tünelleme için özel üretim bir FET türüdür.

IGBT

OFET: (Organic-FET), organik yarı iletken malzeme kullanan yine özel bir FET türüdür.

FET Avantajları ve Dezavantajları

FET bileşeninin en büyük avantajı yüksek giriş direncidir. Bu direnç değeri yaklaşık 100 MΩ düzeylerindedir. Bunun yanı sıra FET, voltaj kontrollü bir cihaz ve giriş-çıkış arası yüksek bir izolasyona sahip. Ayrıca kutupsuz bir cihaz olması sayesinde elektronik gürültü miktarı da az. Radyasyona karşı da dayanıklı. Termal kapasitesi ise BJT’ye göre oldukça stabil.

Dezavantajları ise, bant genişliği BJT’ye göre daha dardır. Özellikle MOSFET çeşidi, aşırı gerilim yüklenmelerine karşı çok hassas. Bu yüzden de kullanılırken özel kontrol gerektiriyor. Ayrıca statik hasarlanma olasılığı da fazla.

MOSFET Nedir?

Metal Oxide Semiconductor FET (Metal Oksit Yarı İletkenli Alan Etkili Transistör), geçidi yalıtılmış alan etkili transistör olarak da bilinir. Dijital devrelerde en sık rastlanan FET tipi transistördür. JFET’e birçok yönden benzerliği vardır ancak JFET’e göre daha gelişmiş bir yapıya sahiptir.

Güç MOSFETleri ve Güç Elektroniği

Standart MOSFET çeşitlerine ek olarak yüksek seviyelerde güç kontrolü için tasarlanmış MOSFET çeşitleri de bulunuyor. IGBT, tristör gibi güç elektroniği elemanlarına karşı avantajı ise daha yüksek anahtarlama hızı ve düşük voltajda yüksek verimdir.



Güç MOSFETleri daha çok 200V ve altında bulunan voltaj değerlerinde kullanılırlar. Güç kaynakları, DC-DC çeviriciler, düşük voltajlı motor kontrolleri gibi devrelerde bulunurlar.

Güç MOSFETlerinin yapısı standart versiyonlarına göre daha farklıdır. Dikey ve düzlemsel bir pozisyonda konumlanırlar. Eşik gerilimleri daha yüksektir. Ses yükseltici devrelerinin %90’ında, büyük bir oranla kullanılırlar.

Akım iletimi başladığında MOSFET terminalleri arasında omik empedanslar oluşur. Akım iletimi durduğunda ise PIN diyot gibi bir davranış gösterir.

Kutupsuz yapısından dolayı MOSFET’in anahtarlama hızı çok yüksek seviyelerdedir. Bu hızı azaltan tek parametre ise terminaller arası oluşan kapasitans değerleridir.

Güç MOSFET Sınırlamaları

Çoğunlukla datasheet bilgisi olarak geçen bu sınırlamaların başında kapı-oksit bozulma sınırı bulunuyor. 100 nm kalınlığında olan oksit tabaka, bu inceliğinden dolayı sınırlı voltaj taşıyabilir. Çoğunlukla bu sınır değer 20V oluyor.

Drain (Kanal) – Source (Kaynak) arası maksimum voltaj değeri de bir diğer sınırdır. Aktif durumdan pasif duruma geçerken gerçekleşen gerilim düşümü terminallere zarar verebiliyor. Bu yüzden terminaller arası maksimum voltaj değeri sınırlıdır. Bu doğrultuda kanal akımının da sınırlı olduğu görülüyor.

Son olarak ise maksimum çalışma sıcaklığı sınırlaması bulunuyor. MOSFET dayanıklılığı ve verimi için bu sıcaklık değeri çok önemlidir. Özellikle bünyesindeki elementler sebebiyle böylesine hassas bir yapı için sıcaklık etkeni göz önünde bulundurulması gereken ilk etkenlerden biri. Bu sıcaklık değeri ise her MOSFET’e göre değişkenlik gösteriyor.

POPÜLER KONULAR

YORUMLAR