Diyotlar yapım tekniğine bağlı olarak;1) Nokta temaslı
diyotlar,
2) Yüzey birleşmeli diyotlar olmak üzere iki gruba ayrılır.Diyotlar
yapımlarında kullanılan malzemeye göre;1) Germanyum diyotlar,
2)
Silisyum diyotlar olmak üzere iki gruba ayrılır.Diyotlar
kullanım alanlarına göre ise,1) Zener diyotlar,
2) Işık yayan
diyotlar,
3) Varaktör (Varikap) diyotlar,
4) Tunnel diyotlar,
5)
Foto diyotlar,
6) Kristal diyotlar,
7) Schottky diyotlar,
8b)
PIN diyotlar gibi çok çeşitli şekillerde isimlendirilirler.
ZENER
DİYOTLARZener diyot, ters polarma altında çalışan ve gerilim
regülasyonunda kullanılan bir diyot çeşididir. PN birleşiminin
terspolarma altındaki kırılma noktasından yararlanılarak geliştirilmiş
özel diyotlardır. Zener diyotlar doğru polarma altında bir kristal diyot
gibi (Germanyum 0.3V, Silisyum 0.7V) iletime geçer.
Şekil 4.1: Zener diyodun (a) Sembolleri (b) Ters polarması (c) KarakteristiğiZener
bölgesinin konumu, katkılama düzeyleri değiştirilerek ayarlanabilir ve
eklenen katkı maddelerinin sayısı artırılarak zener potansiyeli
değiştirilebilir. Zener diyotların yapımında genelde, yüksek sıcaklık ve
akım kapasitesi nedeniyle silisyum tercih edilir.Zener diyodunun
tam eşdeğer devresi Şekil 4.2a`da gösterildiği gibi küçük bir dinamik
dirençten ve zener potansiyeline eşit bir DC kaynaktan oluşur. Ancak,
zener eşdeğer direnci kullanılan harici dirençlerden çok küçük olduğu
için ihmal edilerek, uygulamalarda Şekil 4.2b`deki yaklaşık zener
eşdeğer devresi kullanılacaktır.
Şekil
4.2 : (a) Zener tam eşdeğer devresi (b) Zener yaklaşık eşdeğer
devresiAşağıdaki tabloda 500mW ve % 20 ile tanımlanan 1N961
zener diyoduna ait elektriksel karakteristikler verilmiştir.
Tablo
4.1: Elektriksel karakteristikler (Aksi belirtilmedikçe 25°C
ortam sıcaklığında)
| Jedectipi | ZenerAnmaGerilimiVZ(V) | TeotAkımıIZT(mA) | Max.DinamikEmpedansıIZT`de
ZZT(W) | Max.DinamikEmpedansıIZT`de
ZZT(mA) (W) | Max.BükülmeEmpedansıIZK`da
ZZK(µA) | TestGerilimiVR(V) | TestGerilimiVR(V) | TipikSıcaklıkKatsayısı(% /
oC) |
| 1N961 | 10 | 12.5 | 8.5 | 700 0.25 | 10 | 7.2 | 32 | +0.072 |
Bu karakteristik
değerleri şekil üzerinde gösterecek olursak aşağıdaki zener
karakteristiği elde edilir.
Şekil 4.3
: Zener test karakteristiği (1N961)
IŞIK YAYAN DİYOTLAR (LEDLER)Işık
yayan diyot (LED), adından da anlaşılacağı gibi enerji verildiği zaman
görülebilir bir ışık yayan diyottur. Genel olarak kırmızı, sarı ve yeşil
olmak üzere üç değişik renkte yapılırlar. Çalışma akımları 5 mA ile 50
mA arasındadır. Çalışma gerilimleri ise, sırası ile kırmızının 1.5V,
sarının 1.8V, yeşilin 2.2V civarındadır.LED diyotların verdikleri
ışık rengi ve ışığın dalga boyu, yapımlarında kullanılan katkı
maddelerinin oranlarına bağlıdır. Katkı maddeleri ve oranları
değiştirilerek istenilen renkte ve istenilen dalga boyunda LED diyotlar
yapılabilir.Galyum Arsenit (GaAs) katkısı ile gerçekleştirilen
diyot, kızıl ötesi yani gözle görülmeyen diyottur. Infrared diyot yada
kısaca IRED diyot olarak da anılır. Katkı maddesi ayarlanarak
gerçekleştirilen hızlı GaAs IRED diyotları, MHz`lere varan frekans
bantlarında, fiberoptik kablolu optik veri aktarma sistemlerinde
kullanılırlar.LED diyot deyimi ise genelde gözle görülebilir
dalga boyunda ışık veren diyotlar için kullanılır. Galyum Arsenit Fosfat
(GaAsP) ve Galyum Fosfat (GaP) katkıları değişik oranlarda
gerçekleştirilerek kırmızıdan yeşile kadar değişik renklerde görünür
ışık veren LED`ler yapılır.
Şekil
4.4 : LED diyodun (a) Sembolü (b) Bağlantı şemasıŞekil
4.4′de görüldüğü gibi LED diyot doğru polarmalandırıldığı zaman, enerji
seviyeleri farklı elektron ve oyuklar birleşebilmek için enerjilerinin
bir kısmını vermek zorunda kalırlar. Elektronlar bu enerjilerini ısı ve
ışık şeklinde ortama verirler. Eğer PN birleşimi şeffaf plastik bir
kılıfla kaplanırsa, PN yapıda elektron-oyuk birleşimi anında harcanan
enerji ışık şeklinde ortama yayılır.LED diyotların, elektronik
devrelerde kullanım alanları iki grupta toplanabilir. Bunlar;1)
Bir elektronik devrede gerilimin varlığını, polaritesini ve seviyesini
göstermek için kullanılırlar.
2) Dijital sistemlerde harf ve
rakamları göstermek için kullanılırlar.Harf, rakam ve özel
işaretleri göstermek için kullanılan ve bir gövdeye yerleştirilmiş LED
gruplarına display (gösterge) adı verilir. Displayler de kullanım
yerlerine göre; 7 parçalı gösterge, matriks gösterge, çok parçalı
gösterge gibi adlar alırlar.Çalışma akım ve gerilim değerlerine
dikkat edilmek şartıyla LED`ler istenilen gerilim değerlerinde istenilen
bağlantı şeklinde çalıştırılabilirler.
VARİKAP(Değişken
Kapasiteli) DİYOTBu tip diyotlar üzerine uygulanan ters yöndeki
gerilimin değerine bağlı olarak, uçları arasında görülen kapasitif
değeri değişen diyotlardır. Bu yüzden elektronik devrelerde değeri
uçlarındaki voltajla değişen kondansatör olarak kullanılırlar. Normal
bir P-N birleşimli diyot ters yönde kutuplandığında, geçiş bölgesi
genişliği artar. Geçiş bölgesi içinde N tipi bölge pozitif, P tipi bölge
ise negatif yüke sahiptir. Geçiş bölgesinin genişlemesi ile burada
açığa çıkan yük miktarıda artar. Açığa çıkan yük miktarı direkt olarak
diyot uçlarına uygulanan ters yönlü gerilim değerine bağlı olduğundan,
birleşim yüzeyinde bir kapasite ortaya çıkar.Bu kapasiteye
birleşim(jonksiyon) kapasitesi ismi verilir. Bu kapasitenin değeri diyot
uçlarına uygulanan ters yönlü voltajla ters orantılı olarak değişir.
Yani gerilim artarsa kapasite düşer. Çünkü diyot uçlarına uygulanacak
ters yönlü gerilim değerinin artması, geçiş bölgesinin genişlemesine
neden olur. Bildiğimiz gibi kapasitif etki iki iletken arasındaki mesafe
ile ters orantılı olduğundan, diyotun kapasiteside düşecektir. Bu
diyotlar özellikle radyo ve televizyonlarda kanal ayarı amacı ile
kullanılır. Daha önceden belirlenen farklı değerdeki gerilimler diyot
uçlarına ters yönlü olarak uygulanarak, farklı frekanstaki kanallar
seçilebilir. Varikap diyotun sembolü Şekil 4.5′de verilmiştir.
Şekil 4.5 : Varikap
diyotun sembolüTUNNEL DİYOTLARŞekil 4.6 tipik
bir tunnel diyotun sembolünü ve akım-gerilim(I-V) karakteristiğini
göstermektedir. Tunnel diyotlar oldukça zenginleştirilmiş germanyum(Ge)
veya galyum arsenik(GaAs) maddelerinden yapılmış, P ve N tipindeki iki
yarıiletkenin yüzey birleşmesine tabi tutulması ile elde edilirler.
Dolayısı ile ileri(doğru) yönde kutuplandırıldıklarında çok küçük
gerilimlerde dahi iletime geçerler. Grafikte görülen Vp voltajının
altında kalan çok küçük voltaj değerlerinde bir iletken gibi davranır ve
üzerinden büyük bir akım akar. Üzerine uygulanan voltaj Vp değerini
aştığı anda diyot negatif dirence sahip bir eleman gibi davranır ve
gerilim arttıkça direnci artar. Buna bağlı olarak üzerinden geçen ileri
yön akımı azalır.Bu durum Vv voltaj değerine kadar devam eder. Bu
voltaj değerinden sonra tunnel diyot normal bir diyot gibi çalışmaya
başlar. Uygulama devrelerinde tunnel diyot grafik üzerinde gösterilen
negatif direnç bölgesinde çalıştırılır. Böylece üzerine uygulanan
gerilim değeri düştüğünde, üzerinden geçen akım miktarını arttırır. Bu
durum özellikle L-C devrelerinde osilasyonun devamlılığı için
kullanılır. Böylece LC devresindeki voltaj değeri azaldığında, devreye
artan miktarda akım pompalayarak, osilasyonun(salınımın) devamlılığını
sağlar.
Şekil 4.6 : Tunnel
Diyodun sembolü ve karakteristik eğrisi
FOTODİYOTNormal
bir diyot ters yönde kutuplandığında, akan ters yönlü akım sızıntı
akımıdır ve değeri çok küçüktür. Bu akıma azınlık akım taşıyıcıları
neden olur ve eğer dışarıdan müdahale edilmez ise değeri çok küçük olur.
Bu akımı arttırmanın yolu dışarıdan bir enerji vererek valans
bağlarının koparılması ve dolayısı ile azınlık akım taşıyıcı sayılarının
arttırılması ile mümkündür.Bu enerji ısı enerjisi olabildiği
gibi, ışık enerjiside olabilir. Bu amaçla bir mercek vasıtası ile
toplanan ışık enerjisi, tam birleşim yüzeyine odaklanarak valans bağları
koparılıp, azınlık akım taşıyıcıları sayısı ve buna bağlı olarakta ters
yön akımı arttırılabilir. Bu tür diyotlara fotodiyot denir. Bu diyotlar
elektronik devrelerde ters yönde kutuplanarak ışık şiddeti ölçme ve
ışıkla kontrol devrelerinde ışık şiddeti ve dalga boyunu değişken akıma
çeviren dönüştürücüler olarak kullanılırlar.
Şekil 4.7 : Fotodiyot
sembolüSCHOTTKY DİYOTLARŞekil 4.8′de sembol ve
yapısı görülen schottky diyotlar, yüksek anahtarlama hızlarına ihtiyaç
duyulan bilgisayarlar ve radyo frekans devrelerinde doğrultma amacı ile
kullanılırlar. Diyot yapısı yukarıdaki şekilden de görüldüğü gibi ilginç
bir özellik gösterir. Yapısında az bir oranda
katkılandırılmış(genellikle N tipi) silisyum(Si) ve bununla yüzey
temasına tutulmuş bir metal(genellikle altın, gümüş veya platin) vardır.
Bu diyot yapımında P tipi madde olmadığından ileri yön polarması
altında valans bandı iletimi sadece N tipi madde ve metal iletim
bandında oluşur. Bu yüzden iletime geçme hızları oldukça yüksektir.N
tipi madde içerisindeki elektronların sahip oldukları enerji seviyeleri
metale göre daha düşük seçildiğinden, diyotun iletime geçmesi için bir
ileri yön polarmasına(gerilimine) ihtiyaç vardır. Bu dizayn şekli, ileri
yön polarmasının diyot üzerinden kaldırıldığı durumda, birleşim
yüzeyinin yüksek seviyede şarj tutmasına engel olur. Böylece diyot çok
hızlı bir şekilde iletim durumundan kesim durumuna geçirilebilir.
Örneğin 30 MHz(30000000 Hz) frekansında çalışan normal diyotun 10 ns’de
kesime gittiğini düşünsek bile, sinyalin bir alternansı 16.7 ns
olacağından bu sinyalin büyük bir kısmında iletim durumunda kalacak ve
görevini yapamayacaktır. Schottky diyotta ise bu durum söz konusu
değildir.
Şekil 4.8 :
Schottky diyodun sembolü ve yapısıPIN DİYOTLARPIN
diyotlar Şekil 4.9′da görüldüğü gibi katkı bakımından zenginleştirilmiş
P ve N tipi iki yarı iletken arasına saf bir yarı iletken
yerleştirilmek sureti ile elde edilirler. İleri yönde
kutuplandırıldığında değişken bir direnç gibi, ters yönde
kutuplandırıldığında ise yaklaşık olarak sabit bir kondansatör gibi
davranırlar. İleri yönde geçen akım miktarı arttıkça, saf haldeki
maddenin direnci azalır.Bu diyotlar doğru yönde kutuplandırılarak
yüksek frekanslı radyo sinyallerinin genliğini, düşük frekanslı ses
frekanslarının genliğine bağlı olarak değiştirmek yani genlik
modülasyonu yapmak amacı ile kullanılırlar. Yine ileri yöndeki akımı
değiştirilerek, değişken direnç ihtiyacının olduğu elektronik devrelerde
kullanılırlar.
Şekil
4.9 : PIN diyodun yapısı ve karakteristiğiTransistörlerÖzel teknikle diyot yapısına
üçüncü bir tabaka (P tipi veya N tipi) ilave edilerek oluşturulan üç
uçlu elemana transistör adı verilir. Bu üçüncü uç sayesinde elde edilen
yeni elemanla dış devre akımları, devre yükü ve kaynak voltajı
değiştirilmeden kontrol edilebilir.Transistörler yapım tekniğine
göre;a) Nokta temaslı transistörler,
b) Yüzey birleşmeli
transistörler olarak iki grupta toplanabilir.Yüzey birleşmeli
transistörler; transistörün yapımında kullanılan maddelerin sayısı ve
yapım tekniğine göre;a) Bipolar transistörler (BJT),
b) Foto
transistörler ,
c) Unijonksiyon transistörler (UJT),
d) Alan
etkili transistörler (FET),
e) Metal oksit yarıiletken alan etkili
transistörler (MOSFET) diye gruplandırılabilir.Transistörler,
elektronik devrelerde sinyal yükseltme veya anahtarlama yapan
yarıiletken devre elemanlarıdır. Pasif elemanlarca ve diyotlarda olmayan
sinyal yükseltme özelliğine sahip oldukları için “aktif devre elemanı”
diye isimlendirilirler.
BİPOLAR JONKSİYON TRANSİSTÖRLERİN YAPISIBir
bipolar yüzey birleşmeli transistör, iki N ve bir P tipi malzeme
tabakasından veya iki P ve bir N tipi malzeme tabakasından oluşan üç
katmanlı bir elemandır. İlkine NPN transistörü, ikincisine ise PNP
transistörü denmektedir. Şekil 5.1′de PNP ve NPN tipi transistörlerin
yapıları görülmektedir. Transistör ayaklarının isimleri Şekil 5.1′de de
görüldüğü gibi emiter (Emitter), kollektör (Collector) ve beyz (Base)
olarak adlandırılır. Transistörün tipini (PNP veya NPN) belirtmek için
emiter ucu kullanılır. Ok dışarı ise NPN, ok içeri ise PNP tipi
transistördür. Yarıiletken sembollerindeki ok aynı zamanda yapıdaki N
tipi maddeyi veya akım yönünü gösterir.
Şekil
5.1 : PNP ve NPN tipi transistörün yapılarıE : Emiter
ucu
K : Kollektör ucu
B : Beyz ucuIE : Emiter akımı
IC :
Kollektör akımı
IB : Beyz akımıBipolar (iki kutuplu)
transistörün kısaltılması olan BJT terimi; bu üç uçlu eleman için sık
sık kullanılmaktadır. İki kutupluluk terimi elektron ve oyukların, zıt
polarizasyonlu malzemedeki enjeksiyon işlemine katıldıklarını
göstermektedir.NPN veya PNP transistör yapısında emiter bölgesi
yoğun katkılı beyz bölgesi emitere göre çok ince (1/100 gibi) ve az
katkılı, kollektör bölgesi ise emitere göre büyük yapılı ve normal
katkılı gerçekleştirilir.
BİPOLAR JONKSİYON TRANSİSTÖRÜN
ÇALIŞMASITransistörün görevini yapabilmesi için uçlarına uygun
yön ve değerde DC gerilim verilmesi gerekir. Uygulanan bu DC gerilime
“transistörün
polarma gerilimi”, işleme de
“transistörün
polarmalandırılması” denir.Bir transistörün aktif
yükseltme işlemini yapabilmesi için; beyz-emiter arası doğru,
beyz-kollektör arası ters polarmalandırılmalıdır. Diğer bir deyişle,
eğer transistör PNP tipinde ise beyzi emitere göre negatif, kollektöre
göre ise pozitif bir voltaj değerinde olmalıdır. Aynı şekilde NPN
trqansistör için ise, beyzi emitere göre pozitif, kollektöre göre ise
negatif bir voltaj değerinde olmalıdır. Bu kurala
“transistörün
aktif çalışma şartı” da denir.
Şekil
5.2 : (a) PNP tipi transistörün doğru polarmalandırılm (b) NPN
tipi transistörün doğru polarmalandırılmasıBu açıklamalardan
sonra bir transistörün çalışması, Şekil 5.2a`daki PNP tipi transistör
gözönüne alınarak anlatılacaktır. NPN tipi transistörün çalışması ise,
elektron ve oyukların rolleri karşılıklı olarak yer değiştirildiğinde
PNP transistör ile aynı olmaktadır.Şekil 5.2a`daki PNP
transistörü beyz-kollektör öngerilimlemesi olmadan Şekil 5.3a`da yeniden
çizilmiştir. Bu durumda boşaltılmış bölgenin genişliği uygulanan
öngerilimleme nedeniyle azalmıştır ve dolayısıyla P tipi malzemeden N
tipi malzemeye büyük bir çoğunluk taşıyıcı akışı olacaktır. Şekil
5.3b`de ise beyz-emiter öngerilimlemesi olmadan Şekil 5.2a`daki PNP
transistörün yeniden çizilmiş hali görülmektedir. Bu durumda çoğunluk
taşıyıcılarının akışı sıfırlanıp, yalnızca azınlık taşıyıcı akışı
olacaktır.
Şekil
5.3 : (a) PNP transistörün ileri öngelimli jonksiyonu (b) PNP
transistörün ters öngelimli jonksiyonuŞekil 5.4`de her iki
öngerilimleme potansiyeli bir PNP transistörüne uygulanmıştır. Burada
görüldüğü gibi, çok sayıda çoğunluk taşıyıcısı, ileri öngerilimli PN
jonksiyonunu difüzyon yoluyla aşarak N tipi malzemeye ulaşmaktadır. Bu
taşıyıcıların doğrudan IB beyz akımına mı katkıda bulundukları yoksa
doğrudan P tipi malzemeye mi geçtikleri sorusu gündeme gelmektedir.
Arada kalan N tipi malzeme, çok ince ve iletkenliği düşük olduğu için
çok az sayıda taşıyıcı, yüksek dirence sahip bu yolu izleyerek beyz
ucuna ulaşacaktır. Tipik olarak mA düzeyindeki beyz akımı, emiter ve
kollektör akımlarında görülen mA düzeylerine oranla çok küçüktür.
Şekil
5.4 : Bir PNP transistörde çoğunluk ve azınlık taşıyıcılarının
akışıŞekil 5.4`de gösterildiği gibi, çoğunluk taşıyıcılarının
ters öngerilimli jonksiyon üzerinden difüzyon yoluyla kollektörün ucuna
bağlı P tipi malzemeye geçeceklerdir. Ters öngerlilimli jonksiyona
enjekte edilen çoğunluk taşıyıcılarının N tipi malzemede azınlık
taşıyıcısı olarak görünmesi, çoğunluk taşıyıcılarının ters öngerilimli
jonksiyon üzerinden kolaylıkla geçmelerini sağlamaktadır.Şekil
5.4`deki transistör tek bir düğüm olarak kabul edilerek Kirchhoff akım
yasası uygulanırsa;
———— (5.1)elde edilir.
Ancak kollektör akımı çoğunluk ve azınlık taşıyıcıları olmak üzere iki
bileşenden oluşmaktadır. Azınlık akım bileşenine kaçak akım denir ICO
sembolüyle gösterilir (emiter ucu açıkken akan IC akımı). Bu nedenle
kollektör akımı eşitlik 5.2 ile belirlenir.
————(5.2)Genel amaçlı
transistörlerde, IC mA düzeyindeyken, ICO µA veya nA düzeyindedir. Ters
öngerilimlenmiş diyotlardaki IS akımında olduğu gibi, Ico akımı da
sıcaklığa karşı duyarlıdır ve geniş sıcaklık aralıklarına sahip
uygulamalar sözkonusu olduğunda dikkatle incelenmelidir. Gerekli önem
verilmezse yüksek sıcaklıklarda sistemin kararlığını önemli ölçüde
etkileyebilmektedir. Yapım tekniklerinde sağlanan ilerlemelerle Ico
düzeyleri, etkilerinin ihmal edilebileceği noktalara kadar
düşürülmüştür.Şekil 5.2`de NPN ve PNP transistörleri için görülen
devre, beyzin hem giriş (emiter) hem de çıkış (kollektör) uçlarında
ortak olması nedeniyle ortak beyzli devre olarak anılmaktadır. Ortak
beyzli devrede sabit VCB değerleri için IC`deki küçük bir değişmenin
deki küçük bir değişime olan oranı ortak beyzli kısa devre yükseltme
faktörü olarak tanımlanmakta ve a (alfa) sembolüyle gösterilmektedir.
———— (5.3)Tipik a
değerleri, 0.90 ile 0.998 arasında değişmektedir. Pratik uygulamaların
çoğunda değeri aşağıdaki formülle belirlenebilir:
————(5.4)Burada IC ve
IE sırasıyla, transistör karakteristiği üzerinde bulunan, belli bir
noktadaki emiter ve kollektör akım değerleridir.Denklem (5.3) ve
(5.4), transistör karakteristikleri veya devre koşullarından a değerini
bulmak için kullanılır. Ancak a değeri, sadece Şekil 5.4`ün P tipi
emiter ucundan çıkıp kollektör ucuna ulaşan oyukların (çoğunluk
taşıyıcılarının) yüzdesini gösteren bir ölçüdür. Bu nedenle IC akımı
aşağıdaki formülle ifade edilebilir.
———— (5.5)
Şekil 5.5 : Bir NPN transistörde çoğunluk ve azınlık taşıyıcılarının akışıŞekil
5.5′de bir NPN transistörünün çalışması canlandırılmıştır. Eğer devre
üzerinde bulunan S anahtarı kapatılırsa(üzerine tıklanarak), devrenin
çalışması incelenebilir.
A) ORTAK BEYZLİ DEVREBeyzin,
hem giriş hem de çıkış uçlarında ortak olarak kullanılmasıyla oluşan
devrelere, ortak beyzli devre denir. Ortak beyzli devrede, uygulanan
potansiyeller, beyz potansiyeline göre VEB ve VCB şeklinde
isimlendirilirler. Başka bir deyişle, indisin ikinci harfi daima
transistörün devre tipini belirtmektedir. Her durumda indisin ilk harfi,
Şekil 5.6`de de gösterildiği gibi daha yüksek potansiyele sahip noktayı
tanımlar. Bu nedenle PNP transistörü için Şekil 5.7`daki
karakteristikde belirtildiği gibi, VEB pozitif ve VCB negatifdir (çünkü
VCB kaynağı, kollektörü daha düşük potansiyelde tutmaktadır). NPN tipi
transistörde ise, VEB negatif ve VCB pozitifdir.
Şekil
5.6 : Ortak beyzli devre için kullanılan işaret ve semboller
(a) PNP transistör (b) NPN transistörŞekil 5.7a`daki çıkış veya
kollektör karakteristiği, kollektör akımını, kollektörden beyze giden
gerilime ve emiter akımına ilişkilendirir. Kollektör karakteristiği
Şekil 5.7a`da da gösterildiği gibi iletim, kesim ve doyma bölgelerine
sahiptir. İletim bölgesinde kollektör jonksiyonu ters yönde, emiter
jonksiyonu ise ileri yönde öngerilimlenmiştir.
Şekil
5.7 : Ortak beyzli PNP transistörünün karakterisrikleri (a)
Kollektör veya çıkış karakteristikleri (b) Emiter veya giriş
karakteristikleriEmiter akımı (IE) sıfır düzeyindeyken kollektör
akımı Şekil 5.7a`da gösterildiği gibi, ters doyma akımı Ico`dan
oluşmaktadır. Ico akımı, IC`nin düşey eksen ölçeğine (mA) göre o denli
küçüktür ki (µA), IC = 0 ile aynı yatay eksende görülmektedir. Ortak
beyzli devrede IE = 0 durumunda görülen devre koşulları Şekil 5.8`de
gösterilmiştir. Ico için bilgi sayfalarında en sık kullanılan işaret,
Şekil 5.8`de de gösterildiği gibi, ICBO`dır. Gelişen yapım teknikleri
sayesinde genel amaçlı (özellikle silisyum) transistörlerde düşük ve
orta güç aralıklarında ICBO düzeyi ihmal edilebilmektedir.Ancak,
yüksek güç elemanlarında ICBO yine µA düzeyindedir. Buna ek olarak ICBO,
aynı diyottaki IS akımı (her ikisi de kaçak akımdır) gibi, sıcaklığa
karşı duyarlıdır. Yüksek sıcaklıklarda herhangi bir düzeydeki güç
elemanı için, sıcaklıkla beraber hızlı bir yükselişe geçmesi sebebiyle
önemli bir faktör olabilir.Şekil 5.7a`ya dikkat edilirse, emiter
akımı sıfırın üzerine çıkınca kollektör akımı da yaklaşık olarak,
transistör akım denklemlerinde belirtildiği gibi emiter akımının
artışına eşit bir artışla yükselmektedir. Ayrıca VCB`nin kollektör akımı
üzerindeki etkisi, neredeyse ihmal edilebillir ölçüdedir. Eğrilerden de
açıkça anlaşılabileceği gibi, IE ve IC arasındaki ilişki iletim
bölgesinde yaklaşık olarak
———— (5.6)kadardır.
Şekil 5.8 : Ters
doyma akımıKesim bölgesinde, hem kollektör hem de emiter
jonksiyonu ters öngerilimlenmiştir. Bu da Şekil 5.7 a`da gösterildiği
gibi ihmal edilebilir bir kollektör akımına yol açmaktadır.Doyma
bölgesi adı verilen bölgede ise kollektör ve emiter jonksiyonları ileri
öngerilimlenmiştir. Bu da, kollektör-beyz potansiyelindeki küçük
değişiklere karşılık kollektör akımında üstel değişimler
oluşturmaktadır.Şekil 5.7b`de gösterildiği gibi, giriş veya
emiter karakteristiklerinin sadece bir bölgesi ile ilgilenilmektedir.
Sabit VCB gerilimi altında, emiter-beyz potansiyeli arttıkça emiter
ekımı da artmaktadır. Artan VCB düzeyleri ise, aynı akımı sağlayacak
şekilde, VEB düzeyinin azalmasına yol açmaktadır. Yarıiletken silisyum
diyotta olduğu gibi, DC çalışmada ileri öngerilimli beyz-emiter
jonksiyonu için VEB değeri yaklaşık olarak,
————(5.7)bulunmaktadır.
Örnek
5.1Şekil 5.7`deki karakteristikleri kullanarak;(a)
IE = 3mA ve VCB = -10V için devredeki kollektör akımını (IC) bulunuz.
(b)
VEB = 750mV ve VCB = -10V için devredeki kollektör akımını (IC)
bulunuz.
(c) IC = 5mA ve VCB = -1V için VEB`yi bulunuz.
Çözüm
: 
(b)
VEB = 750mV ve VCB = -10V değerlerindeki kesişme noktasında IE =
3,5mA`dir. Böylece IC ;
olarak belirlenir.(c) IE = IC =
5mA`dir. Giriş karakteristiğinde IE = 5mA ve VCB = -1V`un kesişme
noktasında VEB= 800mV = 0.8V olarak bulunur.
Şekil
5.9B) ORTAK EMİTERLİ DEVREŞekil
5.10`da, PNP ve NPN transistörleri için en sık rastlanılan
transistörler devreleri gösterilmiştir. Emiterin hem giriş hem de çıkış
uçlarında ortak kullanılmasıyla oluşan devrelere, ortak emiterli devre
denir. (Bu durumda hem beyz hemde kollektör uçları emiteri ortak olarak
kullanır).Şekil 5.10`da da görüldüğü gibi devrenin tipini
belirtmek üzere potansiyellerde, ikinci indis olarak E (emiter) harfi
kullanılmıştır. Transistör devre tipinin değişmesine rağmen, daha önce
ortak beyzli devre için geliştirilen akım denklemleri ortak emiterli
devre için de geçerlidir.
Şekil
5.10 : Ortak emiterli devre için kullanılan işaret ve
semboller (a) PNP transistör (b) NPN transistörGiriş akımının
(IB) değer aralığı için, çıkış akımının (IC) çıkış gerilimine göre
grafiği ortak emiterli devrenin çıkış karakteristiğini oluşturmaktadır.
Giriş karakteristiği ise, çıkış geriliminin (VCE) değer aralığı için,
giriş akımının (IB) giriş gerilimine (VBE) göre bir grafiğidir.Şekil
5.11`daki karakteristiğe dikkat edilirse, IC mA düzeyinde olmasına
karşın IB mA`ler düzeyindedir. Ayrıca IB eğrilerinin, ortak beyzli
devrelerde elde edilen IE eğrileri kadar yatay olmadığına da dikkat
edilmelidir. Bu olgu kollektör-emiter geriliminin, kollektör akımının
büyüklüğünü etkilediğini gösterir.
Şekil
5.11 : Ortak emiterli NPN transistörünün karakterisrikleri (a)
Kollektör karakteristikleri (b) Beyz karakteristikleriOrtak
emiterli devrenin iletimde olduğu bölge, eksenin en büyük doğrusallığa
sahip parçası; yani IB eğrilerinin hemen hemen düz ve eşit aralıkta
olduğu bölgedir. Şekil 5.11a`da bu bölge VCE doyma noktasındaki düşey
kesik çizginin sağında ve IB = 0 eğrisinin üstünde kalan bölümdür. VCE
doyma noktasının solundaki bölgeye doyma bölgesi denir. Iletim
bölgesinde kollektör jonksiyonu ters öngerilimlli olmasına karşılık,
emiter jonksiyonu ileri öngerilimlidir. Ortak emiterli devrenin iletim
bölgesi, gerilim akım veya güç yükseltmede kullanılabilir.Daha
önce tartışılan IB = 0 durumunu ele alır ve bu değeri denklem (5.
`de
yerine koyarsak;
(5.9)olarak tespit
edilir.a = 0.996 için,
bu da, IB = 0 eğrisinin
yatay gerilim ekseninden düşey doğruda sapmasını açıklamaktadır. İlerde
kullanmak üzere denklem (5.9) ile tanımlanan kollektör akımı, denklem
(5.10)`daki gibi gösterilecektir.
————(5.10)Yeni tanımlanan bu akımı çevreleyen
koşullar, buna ilişkin referans yönü ile birlikte Şekil 5.12`de
verilmiştir.
Şekil 5.12 : ICEO`a ilişkin devre koşullarıICEO`nun büyüklüğü silisyum
malzemelerde germanyum malzemelerde olandan çok daha düşüktür. Benzer
anma değerlerine sahip transistörlerde tipik ICEO değeri, silisyumda
birkaç mA`ken, germanyumda birkaç yüz mA olabilmektedir.Transistör
bir bilgisayarın mantık devrelerinde anahtar olarak kullanıldığında,
kesim ve doyum bölgesi olmak üzere iki önemli çalışma noktasına sahip
olmaktadır. Kesim durumu, seçilen VCE gerilimi için ideal olarak IC = 0
ile belirlenmiş olmalıdır. ICEO, silisyum malzemelerde tipik olarak
düşük olduğu için, anahtarlama amacına yönelik kesim, yalnızca silisyum
transistörlerde IC = ICBO veya IB = 0`da gerçekleşmektedir. Germanyum
transistörlerde ise anahtarlama amacına yönelik kesim, ICEO = ICEO = ICO
koşulları altında tanımlı olmaktadır. Bu koşul, germanyum
transistörlerde, normalde ileri öngerilimli beyz-emiter jonksiyonunu,
gerilim değerinin onda biri-ikisi kadar ters öngerilimleyerek elde
edilebilir.
Örnek 5.2Şekil 5.11`daki
karakteristikleri kullanarak;(a) VBE = 800mV ve VCE = 10V`a
karşılık gelen IC değerini bulunuz.
(b) IC = 4mA ve IB = 40mA`e
karşılık gelen VBE ve VCE değerlerini bulunuz.
Çözüm : (a)
Giriş karakteristiğinde, VBE = 800mV ile VCE = 10V`un kesiştiği
noktadan IB =
50mA gibi bir değer bulunur.Çıkış
karakteristiğinde ise, IB = 50mA ve VCE = 10V`un kesiştiği noktadan, IC =
5.1mA değerinde bir akım elde edilir.(b) Çıkış
karakteristiğinde, IC = 4mA ve IB = 40mA`in kesiştiği noktadan, VCE =
6.2V değerinde bir gerilim bulunur.Giriş karakteristiğinde ise,
IB = 40mA ve VCE = 6.2V`un kesiştiği noktadan, VBE =
770 mV değerinde bir gerilim elde edilir.Daha önce bahsedildiği gibi
alfa (a) sembolü, ortak beyzli devrenin ileri akım transfer oranı için
kullanılmıştı. Ortak emiterli devrede, sabit bir kollektör-emiter
geriliminde (VCE) kollektör akımındaki küçük bir değişikliğe karşı beyz
akımındaki değişikliğin oranı beta (b) sembolü ile gösterilir ve genelde
ortak emiter ileri yönde akım yükseltme faktörü adını alır. b`nın
değeri,
————(5.11)formülüyle
verilir. Beta (b) değeri, yaklaşık olarak şu formülden de bulunabilir:
————(5.12)Burada
IC ve IB, doğrusal bölgedeki (yani, ortak emiter karakteristiğinin
yatay beyz akımı çizgilerinin paralel ve eşit aralıklı olmaya en yakın
oldukları yerde) belirli bir çalışma noktasının kollektör ve beyz
akımlarıdır. Denklem (5.12) ile belirlenen değere DC değer (IC ve IB
sabit veya DC değerler olduğu için), Denklem (5.11) ile bulunan değere
de AC veya dinamik değer denmektedir. Tipik değerleri 20 ile 100
arasında değişmektedir. Denklem (5.1), (5.4) ve (5.12) üzerinde
aşağıdaki işlemleri yaparsak:
Örnek
5.3(a) Şekil 5.11`daki karakteristikte VCE =10V ve IC =
3mA çalışma noktasındaki DC beta (b) değerini bulunuz.(b) Bu
çalışma noktasıyla ilgili a değerini bulunuz.(c) VCE =10V`a
karşılık gelen ICEO değerini bulunuz.(d) (a) şıkkından elde
edilen bDC değerini kullanarak yaklaşık ICBO değerini hesaplayınız.
Çözüm
:(a) VCE =10V, IC = 3mA ve IB = 25mA`in kesişme
noktasında,
Ortak
emiterli devredeki giriş karakteristikleri, ortak beyzli devrenin
karakteristiklerine çok benzemektedir (Şekil 5.11). Her iki durumda da
giriş akımındaki artış, ileri öngerilim potansiyelinin artması sonucu
beyz-emiter jjonksiyonunu geçen çoğunluk taşıyıcılarının artışından
kaynaklanmaktadır. Ayrıca çıkış gerilimindeki değişmelerin (ortak
emiterli devre için VCE ve ortak beyzli devre için VCB)
karakteristiklerde büyük kaymalara yol açmadığına dikkat edilmelidir.
Aslında, genelde karşılaşılan DC gerilim düzeylerinde, çıkış uç
gerilimindeki değişmeler nedeniyle beyz-emiter geriliminde meydana gelen
değişimler, yaklaşık olarak ihmal edilebilir. Burada ortalama bir değer
kullanılacak olursa, kollektör-emiter devresi için Şekil 5.13`deki eğri
elde edilir.Silisyum diyot karakteristikleriyle olan
benzerliklere dikkat edilmelidir. Yarıiletken diyot tanımından da
hatırlanacağı gibi DC analizinde Şekil 5.13`deki eğri, Şekil5.14`deki
eğriyle gösterilmişti. Bu nedenle bir transistör yapısının beyz-emiter
gerilimi, DC analizde silisyum için VBE = 0.7V ve germanyum için de 0.3V
olarak kabul edilebilir. Eğer uygun polariteyle 0.7V öngerilimi
(silisyum transistörler için) sağlayacak yeterli gerilim yoksa,
transistör aktif bölgede olamaz. Ortak beyzli devrenin benzer giriş
karakteristikleri olduğundan, DC analizinde karakteristiğin iletim
bölgesinde öngerilimlenen bir BJT`nin beyz-emiter geriliminin VT olduğu
sonucu çıkarılabilir. Ayrıca kollektör-beyz devresinin çıkış
karakteristiğinde IC = IB olduğu daha önce gösterilmişti.
Kollektör-emiter devresinde IC = bIB`dir ve b çalışma koşullarıyla
belirlenir.
Şekil 5.13 : VCE`nin ihmal edilmesi halinde Şekil 5.11`in yeniden çizilmesi
Şekil 5.14 : DC analiz için Şekil 5.13`ün yaklaşıklık yöntemiyle yeniden çizilmesiUygulanan
DC potansiyelleri için uygun polariteyi belirlemek üzere yapılması
gereken ilk işlem, önce Şekil 5.15`de bir NPN transistörü için
gösterildiği gibi, IE yönünü sembol üzeerindeki ok yönü ile
eşleştirmektir. IE = IB + IC olduğundan hem IB hem de IC şekildeki gibi
gösterilmelidir. Bundan sonra gerekli tek şey, VBE ve VCE kaynaklarını,
IB ve IC akımlarını gösterilen yönde itecek şekilde yerleştirmektir
(Şekil 5.15). Bir PNP transistöründe ise, tüm akımlar ve dolayısıyla da
tüm kaynaklar ters çevrilecektir.
Şekil
5.15 : Ortak emiterli bir NPN transistörünün uygun
öngerilimlenmesinin belirlenmesi
C) ORTAK
KOLLEKTÖRLÜ DEVREOrtak kollektörlü devre, empedans uygunlaştırma
amacıyla kullanılmaktadır. Çünkü bu devre, yüksek çıkış empedansını
düşük çıkış empedansına çevirmektedir. Yani, ortak beyz ve ortak
kollektörlü develerin tam tersi özelliklere sahiptir.
Şekil
5.16 : Ortak kollektörlü devre için kullanılan işaret ve
sembolleri (a) PNP transistör (b) NPN transistörOrtak kollektörlü
devre genelde Şekil 5.17`de gösterildiği gibi emiterden toprağa arada
yük direnci bulunacak şekilde düzenlenir. Bu devrede transistör, ortak
emiterli devreye benzer şekilde bağlanmış olmasına karşın kollektörün
topraklanmış olduğuna dikkat edilmelidir. Pratik açıdan ortak
kollektörlü devrenin çıkış karakteristiği ortak emiterli devreninkiyle
aynıdır.Ortak kollektörlü devrede çıkış karakteristiği, IB değer
aralığında IE`nin VEC`ye göre grafiğidir. Bu nedenle giriş akımı, hem
ortak emiter hem de ortak kollektör karakteristiğinde aynıdır. Ortak
kollektörllü devrenin yatay gerilim ekseni, VEC = – VCE olduğu için
ortak emiter karakteristiği kollektör-emiter geriliminin işareti
değiştirilerek elde edilir. Son olarak, ortak kollektör
karakteristiğinde IC yerine IE konulduğu takdirde, ortak emiter
karakteristiğinin düşey IC ölçeğinde hemen hemen fark edilemeyecek bir
değişiklik meydana gelir (çünkü a = 1).
Şekil
5.17 : Empedans uygunlaştırma amacıyla kullanılan ortak
kollektörlü devreOrtak kollektörlü devrenin giriş devresine
ilişkin gerekli bilgiyi elde etmek için ortak emiter karakteristiği
yeterlidir. Yapılması gereken tek şey Şekil 5.16`daki devreye Kirşof
gerilim yasasını uygulayarak uygun matematiksel işlemleri
gerçekleştirmektir.
Anasayfa
Tam Dalga Doğrultmaç :
