MOSFET Nedir ?

Güncelleme 16/08/2024

Mosfet – Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

Metal oksit yarı iletken alan etkili transistör

Mosfetler analog ve digital devrelerde sık kullanılan bir alan etkili transistördür.

MOSFET’in Su Modeli

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.

Bu iki tip MOSFET hem p kanallı ve hem de n kanallı olarak üretilebilir.

Burada bu türlerden sadece zenginleştirilmiş tip n-kanal MOSFET açıklanacaktır.

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 Mosfet	P Kanallı Deplasyon Mosfet

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.

N Kanallı Enhancement Mosfet	P Kanallı Enhancement Mosfet

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 geçiişi 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.

MOSFET’ler yüksek akımlı uygulamalarda iletime geçirilmesi daha kolay olduğundan oldukça sık kullanılırlar
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 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.
Birde mosfetlerin iç yapıları yine elektronları taşımak için kullandıkları metod türüne göre ikiye ayrılır. Biri enhancement mode yani artış modu, diğeri depletion type yani tüketim modu mosfetlerdir. Depletion type olanlar güç mosfeti olarak kullanılmamaktadır ve nadiren tek mosfetli düşük güç uygulamalarında kullanılmaktadır. Asıl odaklanmamız gereken n-type enhancement mode mosfetlerdir.
Farkını anlatacak olursak, enhancement mode n-type olanlarda, Vgs gerilimi 0 iken, Ids akımı da 0 olmaktadır. Fakat depletion mode n-type olanlarda ise, Vgs gerilimi 0 iken Ids akımı 0 değildir. 0 yapabilmek için Vgs ye negatif voltaj uygulamak gerekmektedir.

Yukardaki resimde n-type enhancement mode mosfetin saturation, doyum ve cutoff, kesim alanlarını görmektesiniz. Cutoff çizgisinde yani Ids akımının 0 a çok yakın olduğunu görebilirsiniz. Saturation bölgesinde ise, Vgs ye bağlı olarak Ids akımının değiştiğini anlayabilirsiniz. Eğer siz mosfetten max akım geçişi isterseniz o zaman Vgs ye  +5V ile mosfetin izin verdiği max Vgs voltajı arasında gerilim uygulayabilirsiniz. Fakat ideal olarak 5 ile 10-12V yeterlidir diyebiliriz.

Cutoff Region – Kesim Alanı

Resimdeki gibi bir mosfet ve devremiz olduğunu varsayarsak cutoff alanında iken;
1) Vgs voltajı 0 olduğundan dolayı mosfetin Ids tarafı açık devre olarak davranmaktadır. Böylece drain den source kısmına akım geçmeyecektir.
2) Vgs voltajı belli bi eşik voltajı olan Vth değerini geçmediği sürece mosfet cutoff alanında kalacaktır.
3) Ids akımı olmadığı için RL üzerinde voltaj kaybı olmayacaktır böylelikle tüm DC baradaki gerilim yani VDD, direk olarak mosfetin üzerinde kalacaktır. Mosfet seçerken dikkat etmemiz gerekende mosfetin VDS geriliminin uygulanacak DC gerilimden daha büyük olması zorunluluğudur. Ayrıca mosfetin Ids akımının da aynı şekilde en fazla geçecek olan Ids akımından daha büyük olması gerekmektedir.

Saturation Region – Doyum Alanı

1) Vgs voltajı Vth eşik voltajından daha büyüktür.
2) Mosfet tamamen on halinde yani Ids kısmı kısa devre halinde gibidir.
3) İdeal durumda Vds arasında mosfet doyum alanında iken voltaj kalmaz fakat Rdson direncinden dolayı Vds uçlarında voltaj elbette görülecektir. Rdson direnci mosfetin on durumunda olduğu yani Ids akımına izin verdiği durumda iken drain ve source arasında gösterdiği dirençtir. İşte bu direnç mosfetin ısınmasına yol açan dirençtir ve bu direncin küçük olduğu mosfetler seçilmesi ısıya dönüşen güç kayıplarını düşürecektir.
Mosfetin hızı işte bu saturation ve cutoff alanlarına ne kadar hızlı girebildiği ve bu alanlardan ne kadar hızlı çıkabildiğine bağlıdır.

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.

Gate Akımı Hesaplanması

C1 = Ciss ve C2 = Crss olarak datasheetlerde geçebilmektedir.

dV kısmı 10V olarak yani gate-source arasına verdiğimiz Vgs voltajıdır.
tr = trise süresi diye geçer. Yani mosfetin on oluncaya kadar ki geçen zamandır.
C1 ve C2 lerin birimi faraddır.

Vcc = Vdc dir. C2 deki akım, I2, I1 den daha büyük olacağı için I1 ihmal edilebilir.
Ig = I1 + I2

MOSFET Body Diode

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’İN ÇALIŞMASI

Şekil de, direnç üzerindeki gerilimler ve n-kanal zenginleştirilmiş tip MOSFET’in 3 farklı gate gerilimleri gösterilir. Gate gerilimi 2.5 volt civarındayken direnç üzerinde hiçbir gerilim yoktur. Bu ise hiçbir akımın akmadığı anlamına gelir yani transistör iletimde değildir. Transistör kısmi iletime geçtiğinde ise her iki devre elemanında da gerilim düşümü olacaktır. Transistör tamamen iletime geçtiğinde de (gate gerilimi yaklaşık 4.5 volt olduğunda) bütün kaynak gerilimi direnç üzerinde düşer ve transistör üzerinde hiçbir gerilim düşümü olmaz. Bu ise transistörün source ve drain uçlarının aynı gerilime sahip olduğunu gösterir. Transistör tamamen iletime geçtiğinde direncin alt ucu toprağa bağlanmış gibidir.

Şekil  MOSFET’in çalışması

MOSFET’LE İLGİLİ BİR ANİMASYON
Şekildeki simülasyonda bir lambaya bağlanmış bir n-kanal zenginleştirilmiş tip MOSFET görülmektedir. Uygulanan ayarlı gerilim 3 voltun altına düştüğünde, lamba sönüktür. Lamba veya MOSFET üzerinden hiçbir akım akmamaktadır. Butona basar basmaz, kondansatör şarj olmaya başlayacaktır (yükselen sarı çizgiyle gösterilir). MOSFET iletime geçtiğinde, drain ucundaki gerilim düşmeye başlayacaktır (alçalan yeşil çizgiyle gösterilir). Gate ucundaki gerilim düşmeye başladığında, lamba üzerindeki gerilim de artmaya başlayacaktır.
Bu gerilim ne kadar çok artarsa lambada o kadar parlak hale gelecektir. Gate geilimi yaklaşık 4 volta eriştikten sonra lambanın en parlak olduğu anı görebilirsiniz (Bu anda lamba uçlarında 12 volt vardır). MOSFET üzerinde ise hiçbir gerilim yoktur. Dikkat edilirse, 3 voltun altında MOSFET tamamen kesimde (drain-source uçları arası açık devre) ve 4 voltun üzerinde de iletimdedir. 3 voltun altındaki herhangi bir gate gerilimi MOSFET üzerinde hiçbir etki oluşturmaz, 4 voltun üzerindeki gerilimlerde ise çok az bir etki vardır.

MOSFET  Pdf