JFET Nedir? Yapısı, Çalışması

JFET nedir: (junction field effect transistor – birleşim yüzeyli alan etkili transistör). Üretilen ilk alan etkili transistörlerdir.

JFET transistör üç (bacaklı) uçludur:

• Geyt (Gate),
• Sörs (Source),
• Dreyn (Drain).

JFET’ lerin G bacakları normal transistörlerin beyz bacağına benzer. Source bacakları normal transitörlerin emiter bacağına benzer. Drain bacakları ise normal transistörlerin kolektör bacaklarına benzetilebilir.

Transistör ile JFET transistör Arasındaki Fark

Normal transistör ile JFET transistör arasındaki tek fark;

Normal transistörün kolektör emiter arasındaki akımın, beyz’inden verilen akımla kontrol edilmesidir. JFET transistör’ ün ise gate’ inden verilen gerilim ile kontrol edilmesidir.

Yani JFET’ ler gate ucundan hiçbir akım çekmez. Bu da JFET’ in en önemli özelliğidir. Bu özellik, içerisinde çok sayıda transistör bulunduran entegrelerde ısınma ve akım yönünden büyük bir avantaj sağlar.

JFET Yapısı 

JFET üretimi iki şekilde yapılır: N kanallı ve P kanallı olmak üzere iki tipte üretilir. Yukarıdaki şekilde JFET’in fiziksel yapısı ve elektriksel sembolü görülmektedir. JFET sembolünde, gate ucunda bulunan okun yönü kanal tipini anlatır. Ok yönü içeri doğru ise N kanal JFET, ok yönü dışarıya doğru ise P kanal JFET olduğu anlaşılır. Bu durum şekilde “a” ve “b” de gösterilmektedir.

Üç yarı iletkenin birleşiminden oluşan transistörlerin giriş empedansı düşüktür. Bu nedenle yüksek giriş empedanslı devreler üretebilmek için karmaşık tasarımlar yapmak gerekir. Yani, transistörler akım kontrollüdür. FET‘ lerde ise giriş ucunun direnci (empedansı) çok  yüksek olduğundan çekilen akım çok çok azdır. 

N kanallı JFET ile P kanallı JFET’ in çalışma prensibi aynıdır. Aralarındaki tek fark akım yönleri ile polarma gerilimlerinin ters olmasıdır.

• N kanallı FET’ in Çalışması

JFET’ in polarmalandırılması ve elektron akışı (Şekil 1) üzerinde gösterilmektedir. Drain-source arasına uygulanan besleme gerilimi, drain ucu ile şase arasına bağlanır. Bu gerilim, drain devresindeki besleme gerilimi olarak ifade edilir. V_DS ile sembolize edilir. V_DS gerilimi, N kanal içerisindeki elektronların hareket etmesini sağlar. Bu elektronlar, source’den drain’e oradan da V_DS kaynağının pozitif kutbuna gider. V_DS kaynağının içinden source’e geri döner. Source ve drain üzerinden geçen bu akıma drain akımı denir. I_D ile sembolü ile gösterilir.

Gate terminali kullanmadan JFET’ in çalışması

JFET’ in gate terminali kontrol ucudur. JFET’ in iletkenliğini kontrol eder. Gate terminali kullanmadan JFET’ in çalışmasını inceleyelim. Aşağıda verilen devrede, V_DS gerilimi 0V (şase) yapılır. V_DS besleme kaynağı da 0V’ dan başlayarak yükseltilir. Bu durumda kanal içerisinden geçen akım miktarı da artar. Ancak N tipi kanalın jonksiyon direnci maksimum akım değerini sınırlar. V_DS daha fazla artırıldığı zaman  JFET’ de bir ters polarma bölgesi meydana gelir. Bu polarma bölgesine, azalma bölgesi adı verilir. Azalma bölgesi, kanal akımının n maddesinin dar bir kesiti içinden geçmesini gerektirir. Bundan dolayı ile I_D akımında artık bir azalma söz konusu olur.

V_DS kaynağının daha fazla artırılması sonucu kanalın tamamen daraldığı bir duruma ulaşılır. Bu değerden sonra daha fazla akım akışı oluşmaz. Çünkü kanal kapanma moduna girmiş ve drain akımı doyuma erişmiştir. Bu durum şekilde görülmektedir.

Sonuç;

Kanal direncinden dolayı drain-source arasında bir gerilim düşümü oluşur. V_DS artarken drain ve source uçlarında V_DS gerilim düşümü oluşur. Bu gerilim düşümüne ise I_D akımı neden olur.

Şekil 2 de görüldüğü gibi V_P noktasında, V_DS artarken I_D sabit bir değerde kalır. I_D maksimum değerine erişmiştir. 

• P kanallı FET’ in Çalışması

P kanal FET D ucuna (-) ve S ucuna (+) polarma uygulandığında U GS geriliminin değeri 0 V ise, P maddesinden yapılmış kanaldan maksimum değerli akım geçişi olur. U GS gerilimi 0 V değerinden itibaren (+) yönde artırılırsa P – N birleşim bölgesinde elektron ve oyuk azalması ortaya çıkacağı için S’den D’ye geçen akım azalır.

JFET’ in Karakteristikleri

JFET’ lerde; gate ucu, kanal bölgesini (azalma bölgesi) kontrol etmek için kullanılır.

Örneğin;

N kanallı bir JFET’ te, gate ile source arasına uygulanan (-) polariteli bir gerilim, gerilim azalma bölgesini büyültür. Bu durum, kanal akımının daha düşük değerlerinde kanalın kapanmasına neden olur. Eğer V_GS gerilimi artırılırsa kanalın azalma bölgesi daha da büyür. Sonuçta drain akımı aşağıdaki şekil a ve b’de gösterildiği gibi daha düşük akım seviyelerinde doyuma erişir. Karakteristikte sabit V_GS geriliminin çeşitli değerlerinde I_D ve V_DS değerleri gösterilmiştir.

Sonuçta N kanal bir JFET’te gate-source arasına uygulanan ters polarma artarken, kanal akımı azalır. Gate-source arasına uygulanan ters polarma gerilimi yeterli büyüklüğe erişirse kanal tamamen kapanır. I_D akımı sıfıra düşebilir. Kanalın kapanıp akım geçirmemesine sebep olan ters gerilim değeridir. Bu gerilim değerine “gate-source daralma gerilimi (pinch-off) denir. Bu değer, “VP (V pinch-off)” ile tanımlanır.

Yukarıdaki şekiller ve grafik incelendiği zaman V_DS‘ nin küçük değeri için I_D akımının lineer olarak arttığı görülür. (Şekil 3 a- b)

V_DS gerilimi artarken kanalın daraldığı görülür. FET’ in bir başka önemli karakteristiği ise transfer karakteristiği olarak ifade edilir. Transfer karakteristiği eğrisi, sabit bir drain – source (V_DS) geriliminde, gate source (V_GS ) geriliminin fonksiyonu olarak elde edilen drain akımının (I_D) eğrisini gösterir. Transfer karakteristiği şekil 4 . a ve b’ de gösterildiği gibi elemanın iki önemli parametresi olan VP ve IDSS değerlerini verir.

Bu eşitlik ya da bu eşitlikten çizilen transfer karakteristiği V_P ve I_DSS değerlerine bağlıdır. JFET’ in çalışmasını iyi ifade eder. Transfer karakteristiği eşitliği ile şekil 4′ deki transfer karakteristiği karşılaştırıldığında;

V_GS = 0 olduğunda, eşitliğin I_D = I_DSS durumunu sağladığı ve eğrinin dikey eksen I_D’ yi, I_DSS değerinde kestiği görülür.

I_D = 0 için eşitlik V_GS = V_P durumu

Diğer taraftan I_D = 0 için eşitlik V_GS = V_P durumunu sağlar. I_DSS ve V_P değerleri imalatçı kataloglarında verilir. Bu değerlerden faydalanılarak transfer karakteristiği çizilebilir. Bu karakteristik eğrisinden ve değerlerden yararlanarak I_D değerleri de hesaplanabilir.

JFET’ in polarmalandırma devresi ve grafiksel eğrisi olarak şekil 5’de görülmektedir.

I_DSS değeri, V_GS =0 durumunda elde edilen akım seviyelerinin oluşturduğu eğriden okunur. V_P değeri ise açık bir şekilde görülmez. Ancak V_P değeri en alttaki V_GS eğrisinin değerinden biraz daha büyüktür. Karakteristikteki kesik çizgi, doyum akımının aktığı noktalardan geçmektedir. Budan dolayı, kesik çizgi V_DS = V_P-V_GS durumunu göstermektedir. Bu çizgi, genel olarak drain karakteristiğinin bir parçası değildir. Fakat eğrinin yatay eksene (V_DS) değdiği noktanın değerini verir.

Şekil 5

Karakteristikten görüldüğü gibi aktif bölgede I_D akımı sabittir. Ancak belli bir V_DS değerinden sonra JFET bozulur, drain akımının artışı JFET tarafından artık sınırlanamaz. JFET’ in bozulma gerilimi değeri BV_GDS olarak işaretlenmiştir.

BV_GDS değeri, küçük gate source polarma gerilimleri için daha büyüktür. JFET’ in drain karakteristiğinde kesik çizgi ile gösterilen bölge ile bozulma eğrileri arasında kalan bölge JFET için aktif çalışma bölgesidir.

JFET’ ler sinyal yükseltmek amacı ile kullanıldıklarında aktif bölgede çalıştırılır. Aktif bölgede çalışma ise büyük ölçüde dc polarma gerilimleri ile sağlanır. JFET’ ler anahtarlama devrelerinde ve sayısal devrelerde çok sık kullanılır.

JFET Parametreleri 

• Drain-source doyma akımı (IDSS): Gate-Source eklemi kısa devre yapıldığı zaman drain-source arasından akan akımdır.
• Gate-source kapama gerilimi (VP): Drain-Source kanalının kapandığı gerilim değeridir.
• Gate-source kırılma gerilimi (BVGDS):Bu parametre belirli bir akımda drainsource kısa devre iken ölçülür. Uygulamada bu değerin üzerine çıkılması durumunda eleman zarar görebilir.
• Geçiş iletkenliği (gm): Drain akım değişimine göre gate voltaj değişimine denir.
• Geçirgenlik, direncin tersi olduğu için birimi (MHO) veya Siemens’tir. JFET transfer karakteristiğinde iki önemli nokta IDSS ve VP değerleridir.

JFET Formülleri

Geçirgenlik V_DS sabit iken drain akım değişiminin gate-source arası voltaj değişimine oranıdır. Aşağıdaki formülle hesaplanır.

Örnek soru:

I_DSS = 7,5 mA, V_P = 4 V olan p-kanallı JFET elemanının drain akımını V_GS = 2 Volt için bulunuz.

Çözüm:

JFET Polarmalandırılması (Kutuplanması)

Belli bir drain akımı ve drain-source gerilimi çevresinde JFET’in çalışması için çoğunlukla polarmalandırılması gerekir. JFET bir yükselteç olarak çalıştırılacaksa aktif bölgede çalışacak şekilde polarma gerilim ve akımları seçilir. JFET polarmalarında birçok polarma tipi kullanılabilir. Bunlar:

• Sabit Polarma Devresi

Sabit polarmalı bir JFET yükselteç devresi aşağıdaki şekilde verilmektedir. Yükselteç devresi incelediğinde polarmanın iki adet DC besleme kaynağı tarafından sağlandığı görülmektedir.  Bu devrede çift besleme kaynağı kullanılmıştır.

Şekil 6’da görüldüğü gibi giriş sinyali ile çıkış sinyali arasında 180° derece faz farkı vardır.

• Self Polarma Devresi

Pratik uygulamalarda JFET’ li yükselteçler genel olarak tek bir DC besleme kaynağı ile polarmalandırılır. Böyle bir polarma devresi şekil 8′ de görülmektedir. Devrede gate – source polarma gerilimi elde etmek için bir self polarma direnci RS kullanılmıştır. RS direnci uçlarında ID x RS gerilim düşümü sebebi ile pozitif bir VS gerilimi oluşur.

Gate veya RG gate direncinden dc akımı geçmediği için gate gerilimi sıfır volttur. Gate gerilimi 0V olduğu için, gate (0V) ile source (+V ) arasında ölçülen net gerilim negatif giriş sinyali çıkış sinyali gerilimdir. (referans noktası source alındığı zaman negatif değerde ölçülür). Ölçülen bu negatif gerilim gate-source arası polarma gerilimi VGS’dir.

Gate-source arası polarma bağlantısı;

olduğu devreden görülmektedir.

Bu bağıntı transfer karakteristiği üzerinde gösterilir. Bunun için iki ID değeri seçilir.

JFET kesimde iken; ID = 0 olur. JFET iletimde iken;

Şekil 6’ da self polarmalı JFET yükselteç devresi ve giriş-çıkış sinyal şekilleri gösterilmektedir.

• Gerilim Bölücülü Polarma

JFET için kullanılan bir diğer dc polarma devresi ve giriş-çıkış sinyal şekilleri, aşağıdaki şekil 8′ de gösterilmektedir. Bu polarma şekli, gerilim bölücülü gate polarma olarak bilinir. Polarma gerilimi ve akımının belirlenmesi diğer polarma devrelerindeki gibidir.

JFET Nerelerde Kullanılır?

JFET kullanım alanları; biyomedikal devrelerde yüksek frekansta çalışma giriş sinyali çıkış sinyali, (ultrasonik cihazlar). ve radyoaktiviteye karşı nispeten duyarsız olduğu için çok sık kullanılır.(lineer accelerator-doğrusal hızlandırıcı, kobalt 60 cihazları).

• VHF yükselteçler, alıcı ve vericilerin radyofrekans ve alçak frekans katları,
• Ölçü aletleri, otomatik kazanç kontrol devreleri, osilatörler,
• Mikserler yüksek frekansta çalışacak sürme devrelerinde kullanılabilir.

JFET Sağlamlık Kontrolü

FET’lerde transistörün aksine gate ucu boşta iken drain (D)-source (S) arasından akım geçer. Gate ucu boşta iken D-S arası iletkendir. Normal bir transistör gibi ölçülürken C-E arası kısa devre olmuş gibidir. Ölçülecek malzemenin tipine ve karakteristik özelliklerine göre değişiklik gösterebilir.