Alan etkili transistörlerin bazı tipleri gate terminali kanaldan izole edilmiş (yalıtılmış) şekilde yapılır. Bu tür alan etkili transistörlere, metal oksitli yarı iletken FET (Metal-Oxide Semiconductor FET) ya da “mosfet” denir. MOSFET’ ler; azaltan tip Mosfet (Deplation- MOSFET) ve çoğaltan tip MOSFET (Enhancment- Mosfet) olarak imal edilir.
Azaltan tip MOSFET’ lere kısaca D MOSFET, çoğaltan tip MOSFET’ lere ise E- Mosfet denir. Mosfet çeşitleri; her iki tip MOSFET’ inde; P kanal ve N kanal olmak üzere iki tipte imal edilir. N kanallı D- MOSFET ve E MOSFET ‘in temel yapıları aşağıdaki şekildeki gibidir. MOSFET’ lerde tıpkı JFET’ler gibi 3 uçlu aktif devre elamanları sınıfındandır. Uçlarına görevlerinden dolayı; Gate (Gate), Dreyn (Drain) ve Sörs (Source) isimleri alırlar. Şekilde verilen temel yapıda Sabstreyt (Subsrate) terminali, dördüncü uç gibi görünse de genel olarak source’e bağlanır veya şase potansiyelinde tutulur.
D-MOSFET’in yapısında kanal fiziksel olarak yapılmış durumdadır. D-MOSFET’ in, drain-source uçlarına bir DC gerilim kaynağı bağlandığı zaman drain ile source arasında bir akım oluşur. E-MOSFET’ in yapısında ise, imalat sırasında şekillendirilmiş ya da meydana getrilmiş bir kanal yoktur. E-MOSFET’ in; drain-source uçlarına gerilim uygulandığı zaman akım oluşması için, şarj taşıyıcılarının kanalı meydana getirmesi gerekir. Bunun için de gate ucuna gerilim uygulanmalıdır.
- RF yükselteçlerinde
- Yüksek frekanslı mikserlerde
- Anten yükselticilerinde
- Analog anahtar devresi
- Multiplexer devresi
- Güç kaynağı yapımında
- Akım sınırlayıcı devresi
- Faz kaydırmalı osilatör devresi
- Push -Pull devresi
- H-Bridge devresi
- PWM hız kontrol devresi
- LED efekt devresi vb gibi devrelerde kullanılır.
Kullanım alanları, yapısı ve özelliklerine göre mosfet fiyatları değişmektedir. Mosfetler FET’lerin ileri versiyonu olup BJT’ler gibi kontrol edebilme özelliğine sahiptir.
Power mosfet yani güç mosfetleri, SMPS lerde en çok kullanılan anahtarlama elemanlarıdır. BJT transistörleri anlatmama sebebim az kullanılıyor olmalarıdır. Mosfetler BJT lerden yaklaşık 10 kat daha yüksek anahtarlama yapabilme kabiliyetleri vardır ve dizaynda kullanılmaları daha kolaydır.
MOSFET’lerin Özelliklerinden Bazıları
- Güç harcamaları çok azdır.
- İç kapasiteleri düşüktür.
- Mekanik dayanımları fazladır.
- Çok hassas yapılı oldukları için statik elektriklenmeler de bozulabilirler. Bundan dolayı montaj işlemlerinin topraklanmış havya ile yapılması gerekir.
BJT ile MOSFET’in Karşılaştırılması
Mosfet nasıl çalışır? sorusunun en kolay cevabı, pnp ve npn transistör ile karşılaştırmaktır. Mosfetin avantajı, gate akımının sıfıra yakın veya sıfır olmasıdır. Bu mosfetten 60 amper geçse bile değişmez. Herhangi bir transistörün yerine Mosfet kullanılabilir. Normal bir NPN transistör tetiklendiğinde beyz gerilimi 0,65 volt civarındadır. Mosfet ise geyt gerilimi 2-5 Volt düzeyine varmadan tetiklenmez.
Yukarıdaki şekilde NPN transistörle N kanal mosfetin karşılaştırılması gösterilmektedir.
Şayet kaynak gerilimi 20 Volt un altında ise geyt ucuna zener diyot bağlanmalıdır. Transistör akım yükseltici olarak kullanılır.
BC547 transistörü 100mA lik yük akımı için 1 mA beyz akımına ihtiyaç duyacaktır. Bu akım kazancının 100 olduğu anlamındadır.
Mosfet voltaj kontrollü bir elemandır. Akım değeri fiziksel büyüklüğüne ve yapısına bağlıdır. Bu parametreler değiştirilemez. IRZ40 ın 35 A yük akımı için geyt ucundan 0,25 mA den daha az akım geçer. Geyt gerilimi source geriliminden 3-4 V yüksek olduğunda iletime geçer. Drain 0,028 ohm değerinde olur.
MOSFET Gövde Diyodu
Mosfetlerin drain-source uçlarına paralel olacak şekilde, Drain kısmına ters polarlanmış yani reverse biased olmuş şekilde diyot bulunur. Bu diyot mosfetin uçlarında ters gerilimin oluşmasını önlemek içindir. Bu diyot normal rectifier doğrultucu diyotlardan daha hızlı olmasına rağmen schottky hızlı diyotlardan daha yavaştır.
Özellikle half ve full bridge topolojilerinde, motor drive devreleri ve endüktif yükler body diode un yavaşlığından dolayı sorun çıkartabilirler. Bu sorunu ortadan kaldırmak için drain source uçlarına paralel olacak şekilde, drain e diyotun katodu gelecek şekilde bağlanır.
Ayrıca D1 deki diyot gibi seri bi diode body diode a ters gerilim esnasında gelecek akımı önlemek için de kullanılabilir. Fakat bu diyodun da schottky diyot gibi hızlı bi diyot olması gerekmektedir.
Mosfet Sağlamlık Kontrolü
Mosfet sağlamlık testi : Mosfet sağlamlık testi avometre ile yapılır. Ölçü aletinin siyah olan prop ucu “n mosfet” in “S” ucuna sürekli değdirilir, kırmızı prop ucu ise “D” ucuna değdirildiğinde ibre sapıyor, sonra “G” ucuna değdirildiğinde bir şey göstermiyor. Bu kez kırmızı prop “S” ucuna sürekli değdirilip, siyah prop ucu “D” ye değdirildiğinde bir şey göstermiyor. Sonra “G” ucuna değdirilir yine bir şey göstermiyor ve tekrar “D” ucuna değdirildiğinde ibre sapıyor ise mosfet sağlamdır.
Güç MOSFET Sınırlaması
Güç MOSFET Sınırlaması : Datasheet bilgisi olarak geçen bu sınırlamaların başında kapı-oksit bozulma sınırı bulunur. 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 sınır. 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.
Maksimum çalışma sıcaklığı sınırlaması bulunur. 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.
MOSFET Giriş Empedansı ve Miller Efekti
Mosfetin giriş empedansı yani gate ucundaki empedans çok yüksek olmaktadır. Vgs 10V iken, gate akımı nanoamper civarında olabilir.
Tüm mosfetlerin içinde gate-source ve gate-drain arasında belli değerlerde kapasitans vardır. Ayrıca drain-source arası bi kapasitans bulunur. Fakat mosfetin anahtarlama hızını, performansını belirleyen gate-source ve gate-drain kapasitanslarıdır.
Bu kapasitanslar mosfetlerin datasheetlerinde yazar ve çok önemlidir diyebiliriz. Coss kapasitansı drain-source kapasitansıdır fakat direkt olarak çok fazla bi etkisi yoktur. Ciss ve Crss yani sırasıyla gate-source ve gate-drain kapasitansları daha önemlidir ve hesaplanabilir etkileri vardır. Crss kapasitansının diğer bi adı Miller kapasitansıdır.
Yukardaki grafikte mosfetin dalga formlarını görmektesiniz. Miller kapasitans etkisinden dolayı Ig akımının turn on olurken impulse olarak yani darbeli bi şekilde yüksek akım çektiğini görebilirsiniz.
Gate-source, gate-drain kapasitanslarını da kıyaslayacak olursak, gate-drain kapasitansı yani Miller kapasitansı daha önemlidir. Mosfet on olduğu zaman, yani üzerinden akım geçirmeye başladığı zaman, drain voltajı, gate kapasitansına giden akımla birlikte azalmaya başlar. Drain deki voltajın azalmasıyla birlikte C2 şarj olmaya ve C1 i şarj etmesi beklenen gate akımını da çekmeye başlar. Daha hızlı drain deki voltaj düşümü, daha hızlı ve yüksek bir şekilde gate den akım çekilmesi demektir. Turn on yani açılma sırasında, mosfetin gate empedansı çok düşer. Daha önce dediğim gibi ilk başta fazla akım çekmesinin sebebide budur.
Mosfetin iç yapısı, gate akımını limitlemektedir. Bu yüzden Miller efekti sadece turn on sırasında ve genelde yüksek voltaj uygulamalarında, turn on delay, yani mosfetin açılması sırasında bi gecikmeye yol açmaktadır. IGBT ler daha düşük miller kapasitansına sahiptir.
MOSFET Giriş Empedansı ve Miller Efekti
Mosfetin giriş empedansı yani gate ucundaki empedans çok yüksek olmaktadır. Vgs 10V iken, gate akımı nanoamper civarında olabilir.
Tüm mosfetlerin içinde gate-source ve gate-drain arasında belli değerlerde kapasitans vardır. Ayrıca drain-source arası bi kapasitans bulunur. Fakat mosfetin anahtarlama hızını, performansını belirleyen gate-source ve gate-drain kapasitanslarıdır.
Bu kapasitanslar mosfetlerin datasheetlerinde yazar ve çok önemlidir diyebiliriz. Coss kapasitansı drain-source kapasitansıdır fakat direkt olarak çok fazla bi etkisi yoktur. Ciss ve Crss yani sırasıyla gate-source ve gate-drain kapasitansları daha önemlidir ve hesaplanabilir etkileri vardır. Crss kapasitansının diğer bi adı Miller kapasitansıdır.
Yukardaki grafikte mosfetin dalga formlarını görmektesiniz. Miller kapasitans etkisinden dolayı Ig akımının turn on olurken impulse olarak yani darbeli bi şekilde yüksek akım çektiğini görebilirsiniz.
Gate-source, gate-drain kapasitanslarını da kıyaslayacak olursak, gate-drain kapasitansı yani Miller kapasitansı daha önemlidir. Mosfet on olduğu zaman, yani üzerinden akım geçirmeye başladığı zaman, drain voltajı, gate kapasitansına giden akımla birlikte azalmaya başlar. Drain deki voltajın azalmasıyla birlikte C2 şarj olmaya ve C1 i şarj etmesi beklenen gate akımını da çekmeye başlar. Daha hızlı drain deki voltaj düşümü, daha hızlı ve yüksek bir şekilde gate den akım çekilmesi demektir. Turn on yani açılma sırasında, mosfetin gate empedansı çok düşer. Daha önce dediğim gibi ilk başta fazla akım çekmesinin sebebide budur.
Mosfetin iç yapısı, gate akımını limitlemektedir. Bu yüzden Miller efekti sadece turn on sırasında ve genelde yüksek voltaj uygulamalarında, turn on delay, yani mosfetin açılması sırasında bi gecikmeye yol açmaktadır. IGBT ler daha düşük miller kapasitansına sahiptir.
