MOSFET’in temel yapısı ve anahtarlama işlevi
Metal oksit yarı iletken alan etkili transistör (MOSFET), kapısı kanaldan ince bir yalıtkanla ayrılmış alan etkili transistör türüdür. Kapıya uygulanan gerilim, kaynak ile savak arasındaki kanalın iletkenliğini belirler; aygıt bu sayede bir anahtar ya da yükselteç olarak çalıştırılabilir. Yalıtkan katman kapıdan kanala akım geçmesini önlediğinden, çift kutuplu transistörlerin tersine, yük akımını denetlemek için sürekli bir giriş akımı gerekmez.
MOSFET, sayısal devrelerde en çok kullanılan aygıt olup bellek yongalarında ve mikroişlemcilerde milyarlarca sayıda bulunur. Hem n tipi hem p tipi olarak üretilebildiğinden, birbirini tamamlayan çiftler hâlinde CMOS mantığında kullanılır ve çok düşük güç harcayan anahtarlama devreleri kurulmasına olanak verir.
Kanalların oluşumu ve çalışma bölgeleri
Kapı ile gövde arasına gerilim uygulandığında oluşan elektrik alanı yalıtkanı aşarak yarı iletken yüzeyine ulaşır ve orada iletken bir kanal oluşturur. Akım kaynak ile savak arasında bu kanal üzerinden geçer. Kapı gerilimi artırıldıkça yalıtkanın altındaki yüzeyde önce çoğunluk taşıyıcıları uzaklaştırılır, sonra karşı işaretli taşıyıcılar toplanmaya başlar. Bu ikinci taşıyıcıların oluşturduğu ince tabaka kaynak ile savakı birbirine bağlayan iletken kanaldır; kanalın oluştuğu kapı gerilimi eşik gerilimi (Vth) olarak adlandırılır.
Savak akımı iki gerilime birden bağlıdır: kapı ile kaynak arasındaki VGS kanalın ne kadar yüklü olduğunu, savak ile kaynak arasındaki VDS ise bu kanal boyunca ne kadar sürükleyici alan bulunduğunu belirler. Arttıran tip bir n kanallı MOSFET bu iki gerilimin aldığı değerlere göre üç bölgede çalışır.
Kesim bölgesi
Kapı gerilimi eşiğin altındaysa (VGS < Vth) kanal oluşmaz ve savak akımı yok denecek kadar küçüktür. Akım tam olarak sıfır değildir: eşiğin hemen altında akım, kapı gerilimiyle üstel olarak azalır. Bu eşik altı akım, aygıtlar küçüldükçe ve eşik gerilimleri düşürüldükçe önem kazanmış, işlem yapılmadığı hâlde harcanan durağan gücün başlıca kaynaklarından biri olmuştur.
Doğrusal bölge
Kapı gerilimi eşiği aşmış ancak savak gerilimi düşükse (VGS > Vth ve VDS < VGS − Vth) kanal kaynaktan savağa kadar süreklidir ve her noktasında yük taşır. Transistör bu bölgede, direnci kapı gerilimiyle ayarlanan bir direnç gibi davranır; küçük VDS değerlerinde savak akımı VDS ile yaklaşık doğru orantılı artar. Sayısal devrelerde iletime geçmiş bir transistör bu bölgede çalışır ve üzerine düşen gerilim küçük olduğundan az güç harcar.
Savak gerilimi büyüdükçe kanalın savak ucundaki yük azalır, çünkü kapı ile kanal arasındaki gerilim farkı orada küçülür. Akımın VDS ile artışı bu yüzden giderek yavaşlar ve eğri düzleşmeye başlar.
Doyum bölgesi
Savak gerilimi VGS − Vth değerine ulaştığında kanalın savak ucundaki yük tükenir ve kanal orada sona erer. Bunun ötesinde savak gerilimi artırılsa da kanal boyunca düşen gerilim yaklaşık aynı kalır. Sonuçta savak akımı VDS’ye neredeyse bağlı olmaktan çıkar. Basit bir yaklaşımla akım, kapı geriliminin eşiği aşan payının karesiyle orantılıdır:
I_D ≈ (1/2)·μ_n·C_ox·(W/L)·(VGS − Vth)²
Burada μ_n taşıyıcı hareketliliği, C_ox birim alandaki kapı sığası, W ile L ise kanalın genişliği ve uzunluğudur. Kare kanunu adı verilen bu bağıntı kaba bir yaklaşımdır. Gerçek aygıtlarda akım doyumda tam olarak sabit kalmaz; savak gerilimi arttıkça kanalın etkin uzunluğu bir miktar kısaldığı için akım hafifçe yükselmeyi sürdürür. Kanal kısaldıkça bu ve benzeri etkiler büyür ve basit model gerçek davranıştan belirgin biçimde ayrılır.
Akımın gerilimden bağımsız olması transistörü bu bölgede bir akım kaynağına yaklaştırır; analog yükselteçler bu nedenle doyum bölgesinde çalıştırılır.
Analog ve sayısal devrelerde kullanım
MOSFET, sayısal devrelerden analog katlara ve güç elektroniğine dek birbirinden çok farklı görevlerde kullanılır. Kullanım biçimini belirleyen şey, transistörün hangi çalışma bölgesinde tutulduğudur. Sayısal devrelerde transistör bir anahtar gibi çalıştırılır: ya kesimdedir ya da doğrusal bölgede tam iletimdedir. CMOS düzeninde n kanallı ve p kanallı transistörler karşılıklı bağlandığından, kapı iki kararlı durumundan birindeyken iki transistörden biri kapalı kalır ve durağan akım yok denecek düzeydedir; güç yalnızca durum değiştirirken harcanır.
Analog devrelerde transistör doyum bölgesinde çalıştırılır. Bu bölgede savak akımı savak gerilimine neredeyse bağlı olmadığından aygıt bir akım kaynağına yaklaşır ve kapı gerilimindeki küçük değişimler savak akımında orantılı değişimler üretir. Yükselteçler, akım aynaları ve karşılaştırıcılar bu davranış üzerine kurulur.
Bu açıklama Vikipedi kaynaklarından uyarlanmıştır ve şu lisans altında sunulur: CC BY-SA 4.0.
