Metal oksit yarı iletken alan etkili transistör (MOSFET) Nedir ?

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

MOSFET’li devreleri optimum şekilde tasarlayabilmek için MOSFET’in çalışma prensibini anlamak önemlidir. Yukarıdaki animasyonda MOSFET’in çalışma prensibi su ile modellenmiştir. İdealde sıfır kabul edilen Gate akımı, animasyonda görüldüğü üzere Gate kapasitesi şarj olana dek sıfırdan büyüktür. Ayrıca Gate kapasitesi deşarj edilmediği sürece MOSFET iletimde kalır. Bu sebeple MOSFET’lerde gate terminali floating (yüzen) şekilde serbest bırakılmaz ve görece yüksek (birkaç on kΩ) bir dirençle toprağa çekilir.

Mosfetlerin giriş empedansı yüksek, elektrodları arasında iç kapasitansları ise çok düşüktür.  Mosfet transistörler, JFET transistörlerden ve normal transistörlerden daha yüksek frenkanslarda çalışabilirler.  Mosfet transistörlerin güç harcamaları düşüktür ve mekanik dayanımları fazladır.

Metal Oksit Silikon FET, MOSFET olarak bilinir. MOSFET, pn eklemine sahip bir yapısı bulunmadığından JFET’ten farklıdır. Onun yerine, MOSFET kanaldan ince bir Silisyumdioksit (SiO2) tabakasıyla yalıtılır. Silisyumdioksit tabakası Alan Etkili Transistörün giriş direncini oldukça yüksek (1010W yada daha yüksek) değerlere çıkarmaktadır. Bu yüksek giriş direnci gate-drain geriliminin her yönünde ve her değerinde korunur. Çünkü giriş direnci ters kutuplanmış p-n eklemine bağlı değildir. İki farklı tip MOSFET vardır: Depletion ve Enhancement  tip MOSFET.

MOSFET Çeşitleri

Deplation (Deplasyon, Azaltan Kanallı, fakirleştirilmiş) Mosfetler ;

Deplasyon mosfetler normalde ”ON” tipi mosfetlerdir, yani gate ucuna uygulanan gerilimin değeri 0 V iken S ve D uçları arasında bir miktar akım geçişi olur. Bu akım miktarı mosfetin gate bacağından uygulanan gerilim pozitif yönde arttıkça yükselir. Mosfetin gate bacağına uygulanan gerilim negatif yönde arttıkça ise S ve D uçları arasından geçen akım miktarı azalır. Aşağıda N kanallı ve P kanallı deplasyon mosfetlerin sembolleri gösterilmektedir.

• N kanallı deplasyon mosfetlerde akım mosfetin D ucundan S ucuna doğru N tipi maddenin içinden geçer.

• P kanallı deplasyon mosfetlerde ise akım tam tersine mosfetin S ucundan D ucuna doğru P tipi maddenin içinden geçer.

Enhancement (Çoğaltan Kanallı , Zenginleştirilmiş ) Mosfetler;

Enhancement mosfetler azaltan kanallı mosfetlerin aksine normalde ”OFF” durumunda olan mosfetlerdir. Enhancement mosfetlerin G ucuna gerilim uygulanmadığı sürece D ve S uçları arasından akım geçmez. Enhancement mosfetlerin sembolleri aşağıda gösterilmiştir.

Deplasyon tipi mosfetler ile enhancement tipi mosfetlerin sembolleri arasındaki tek fark D ve S uçları arasında kanalı temsil eden çizginin enhancement tipi mosfetlerin sembollerinde kesik çizgiler ile belirtilmiş olmasıdır. Bu sembolleştirmenin sebebi enhancement tipi mosfetlerin yapısından kaynaklanmaktadır. Enhancement tipi mosfetlerde, mosfetin D ve S uçları arasında fiziksel bir kanal yoktur. Bu nedenle enhancement mosfetlerin G uçlarına 0 V gerilim uygulandığında S ve D uçları arasında akım geçişi olmaz, yani mosfet iletime geçmez.
N kanallı enhancement mosfetlerin gate ucuna +1 V gerilim uygulandığında, N tipi maddenin birleşim yüzeyine yakın olan kısmında (-) yüklü elektronlar toplanır. Bu elektronlar akım geçişi için kanal oluşturur ve böyle mosfetin D ve S uçları arasında akım geçişi başlar. Çoğaltan kanallı mosfetin gate ucuna uygulanan gerilim pozitif yönde arttırıldığında akım geçişinin olduğu kanal da genişler ve D ve S uçları arasındaki akım miktarı artar.

P kanallı enhancement mosfetlerde ise durum terstir. Bu tip çoğaltan kanallı mosfetlerde gate ucuna uygulanan gerilim -1 V iken P tipi maddenin birleşim yüzeyine yakın olan kısmında (+) yükler toplanarak akım geçişi için kanal oluşturur, böylece mosfetin D ve S uçları arasında akım geçişi olur. P kanallı enhancement  mosfetlerin gate ucuna uygulanan gerilim negatif yönde arttırıldığında akım geçişinin sağlandığı kanal genişler ve D ve S uçları arasından geçen akım artar.

Not:

Mosfet voltaj kontrollü bir anahtarlama elemanıdır. Mosfeti sürebilmek için mosfetin, saturation ve cutoff yani doyum ve kesim alanlarında çalıştırılıyor olması gerekmektedir. Bunu yapabilmek için mosfetin gate-source uçları arasına yeterli miktarda voltaj uygulanmalıdır. 

Gate-source uçları arasındaki voltaj ile yani Vgs ile drain den geçen akım Id arasındaki ilişkiye transconductance yada iki yer arasındaki iletkenlik gibi birşey diyebiliriz.
Elektronları iletme şekline göre iki tür mosfet vardır. 

Biri p-type yani p tipi mosfet, diğeri n-type yani n tipi mosfettir. Bu iki mosfetin arasındaki fark elektronları iletme şeklinin farklılığıdır. Çok detaya girmeden anlatılacak olursa, n-type mosfetler p-type olanlardan daha hızlıdır. Yani elektronları iletme hızı p-type olanlardan daha hızlıdır. N-type mosfetler çok daha sık kullanılmaktadır.