Transistörün Yapısı
Transistörler, katı-hal “solid-state” devre elemanlarıdır. Yapımında silisyum, germanyum ya da uygun yarıiletken karışımlar kullanılmaktadır. Transistor sözcüğü akla ilk olarak BJT’leri getirir. Diğer transistörler adları ile anılırlar. FET, MOSFET, UJT… gibi. Bipolar Transistörler NPN ve PNP olmak üzere iki temel yapıda üretilirler.
Bipolar Jonksiyon Transistor (BJT) elektronik de kullanılan en temel yarıiletken devre elemanlarındandır. BJT; anlam olarak “Çift kutuplu yüzey birleşimli” ifadesindedir. BJT içinde hem çoğunluk taşıyıcıları hem de azınlık taşıyıcıları görev yapar. Bundan dolayı bipolar (çift kutuplu) sözcüğü kullanılır. İlk icat edildiğinde yarı iletken maddeler birbirlerine nokta temaslı olarak monte edilirlerdi. Bu nedenle onlara “Nokta Temaslı” denirdi. Yapımında kullanılan yarı iletkenler, birbirlerine yüzey birleşimli olarak üretilmektedir. Bu nedenle “Bipolar Jonksiyon ” olarak adlandırılırlar.
BJT transistörler katkılandırılmış P ve N tipi malzeme kullanılarak üretilir. NPN ve PNP olmak üzere başlıca iki tipi vardır. NPN transistörde 2 adet N tipi yarıiletken madde arasına 1 adet P tipi yarıiletken madde konur. PNP tipi transistörde ise, 2 adet P tipi yarıiletken madde arasına 1 adet N tipi yarıiletken madde konur. Dolayısıyla 3 adet katmana veya terminale sahiptir.
Transistörün her bir terminale işlevlerinden ötürü; Emiter (Emiter), Beyz (Base) ve Kollektör (Collector) adları verilir. Bu terminaller; genelde E, B ve C harfleri ile sembolize edilirler. Şekil’de NPN tipi ve PNP tipi transistörün fiziksel yapısı ve şematik sembolleri verilmiştir.
Fiziksel yapıdan da görüldüğü gibi transistörün iki jonksiyonu vardır. Bunlardan beyz-emiter arasındaki bölge “beyz-emiter jonksiyonu”, beyz-kollektör arasındaki bölge ise “beyz-kollektör jonksiyonu” olarak adlandırılır. Transistörlerde beyz bölgesi; kollektör ve Emiter bölgelerine göre daha az katkılandırılır. Ayrıca beyz bölgesi; kollektör ve Emiter bölgesine nazaran çok daha dar tutulur.
Transistörün Çalışması
Bipolar transistörlerin genelde iki çalışma modu vardır. Yükselteç (amplifier) ve anahtar olarak. Her iki çalışma modunda harici DC besleme gerilimlerine gereksinim duyar. PNP tipi transistörün çalışma ilkeleri, NPN ile benzerlik gösterir. PNP tipi transistörde DC besleme gerilimi ve akımlarının yönleri terstir.
Transistörler genellikle çalışma bölgelerine göre sınıflandırılarak incelenebilir. Transistörün çalışma bölgeleri; kesim, doyum ve aktif bölge olarak adlandırılır. Kesim ve doyum bölgelerinde bir anahtar işlevi görür. Özellikle sayısal sistemlerin tasarımında transistörün bu özelliğinden yararlanılır ve anahtar olarak kullanılır. Transistörün çok yaygın olarak kullanılan bir diğer özelliği ise yükselteç olarak kullanılmasıdır. Yükselteç olarak kullanılacak bir transistor aktif bölgede çalıştırılır. Yükselteç olarak çalıştırılacak bir transistörün PN jonksiyonları uygun şekilde polarlandırılmalıdır.
NPN tipi bir transistörde; beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde, beyz-kollektör jonksiyonu ise ters yönde polarlanır. Her iki transistöründe çalışma ilkeleri aynıdır. Sadece polarma gerilimi ve akımlarının yönleri terstir.
Transistörün yükselteç olarak çalışması şekil’de verilen bağlantılar dikkate alınarak anlatılacaktır. NPN tipi bir transistörde beyz terminaline, emitere göre daha pozitif bir gerilim uygulandığında doğru polarma yapılmıştır. Bu polarma etkisiyle geçiş bölgesi daralmaktadır. Bu durumda P tipi maddedeki (beyz) çoğunluk akım taşıyıcıları, N tipi maddeye (emiter) geçmektedirler.
Emiter-beyz polarmasını iptal edip, beyz-kollektör arasına ters polarma uygulayalım. Bu durumda çoğunluk akım taşıyıcıları sıfırlanacaktır. Çünkü geçiş bölgesinin kalınlığı artacaktır. Azınlık taşıyıcıları, beyz-kollektör jonksiyonundan VCB kaynağına doğru akacaktır.
Özet olarak yükselteç olarak çalıştırılacak bir transistörde; Beyz-emiter jonksiyonları doğru, beyz-kollektör jonksiyonları ise ters polarmaya tabi tutulur diyebiliriz.
NPN tipi bir transistore polarma gerilimleri birlikte uygulanmıştır. Transistorde oluşan çoğunluk ve azınlık akım taşıyıcıları ise şekil üzerinde gösterilmiştir.
Transistorün hangi jonksiyonlarına doğru, hangilerine ters polarma uygulandığını şekil üzerindeki geçiş bölgelerinin kalınlığına bakarak anlayabilirsiniz.
Doğru yönde polarlanan emiter-beyz jonksiyonu, çok sayıda çoğunluk taşıyıcısının P tipi malzemeye (beyze) ulaşmasını sağlar. Beyz bölgesinde toplanan taşıyıcılar nereye gidecektir. Ib akımına katkıda mı bulunacaklardır yoksa N tipi malzemeye mi geçeceklerdir. Beyz bölgesinin (P tipi malzeme) iletkenliği düşüktür ve çok incedir. Bu nedenle; az sayıda taşıyıcı yüksek dirence sahip bu yolu izleyerek beyz ucuna ulaşacaktır. Dolayısıyla beyz akımı, emiter ve kollektör akımlarına kıyasla çok küçüktür.
Şekil’de gösterildiği gibi çoğunluk taşıyıcılarının çok büyük bir bölümü, ters polarmalı kolektör-beyz jonksiyonu üzerinden difüzyon yoluyla kollektör ucuna bağlı N-tipi malzemeye geçecektir. Çoğunluk taşıyıcılarının ters polarmalı jonksiyon üzerinden kolaylıkla geçmelerinin nedeni, N-tipi maddede (emiterde) bulunan oyuklardır. Bu durumda akım miktarı artacaktır. Sonuç kısaca özetlenecek olursa; emiterden enjekte edilen elektronların küçük bir miktarı ile beyz akımı oluşmaktadır.
Elektronların geri kalan büyük bir kısmı ile kollektör akımı oluşmaktadır. Buradan hareketle; emiterden enjekte edilen elektronların miktarı, beyz ve kollektöre doğru akan elektronların toplamı kadar olduğu söylenebilir. Transistor akımları arasındaki ilişki aşağıdaki gibi tanımlanabilir.
IE=IC + IBKısaca, kollektör akımının miktarı beyz akımının miktarı ile doğru orantılıdır ve kollektöre uygulanan gerilimden bağımsızdır. Çünkü kollektör ancak beyzin toplayabildiği taşıyıcıları alabilmektedir. Emiterden gelen taşıyıcıların yaklaşık %99’u kollektöre geçerken geriye kalan çok küçük bir kısmı beyze akar.
Bir transistörün çalışması için gerekli şartları kısaca özetlersek;
Transistörün çalışabilmesi için; beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde, beyz-kollektör jonksiyonu ise ters yönde polarlandırılmalıdır. Bu çalışma biçimine transistörün aktif bölgede çalışması denir.
Beyz akımı olmadan, emiter-kollektör jonksiyonlarından akım akmaz. Kesimdedir. Farklı bir ifadeyle; beyz akımı küçük olmasına rağmen transistörün çalışması için çok önemlidir.
PN jonksiyonlarının karakteristikleri transistörün çalışmasını belirler. Örneğin; VBE olarak tanımlanan beyz-emiter jonksiyonuna doğru yönde bir başlangıç gerilimi uygulanmasına gereksinim duyar. Bu gerilimin değeri silisyum transistörlerde 0.7V, germanyum transistörlerde ise 0.3V civarındadır.
Transistörde Akım ve Gerilim İlişkileri
Bir transistor devresinde akım ve gerilimler arasında belirli ilişkiler vardır. Transistörün her bir terminalinde ve terminalleri arasında oluşan gerilim ve akımlar birbirinden bağımsız değildir. Transistorün her bir jonksiyonundan geçen akımlar ve jonksiyonlar arasında oluşan gerilimler şekil üzerinde gösterilmiş ve adlandırılmıştır.
Transistörün beyz-emiter jonksiyonu VBB gerilim kaynağı ile doğru yönde polarlanmıştır. Beyz-kollektör jonksiyonu ise VCC gerilim kaynağı ile ters yönde polarlanmıştır. Beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde polarlandığında tıpkı ileri yönde polarlanmış bir diyot gibi davranır ve üzerinde yaklaşık olarak 0.7V gerilim düşümü oluşur.
VBE ≈ 0.7VDevrede I. Göz için K.G.K yazılırsa;
VBB = IB . RB + VBEOlur. Buradan beyz akımı çekilirse;
VBB – VBE = IB . RB
Olarak bulunur. Buradan kollektör ve emiter akımlarını bulabiliriz.
IC = β . IB , IE = IC + IBBRC direnci üzerine düşen gerilim;
VRC = IC . RCTransistörün emiter-kollektör gerilimini bulmak için devredeki II. Göz’den yararlanırız. II.Göz için K.G.K yazılırsa;
VCC = (IC . RC) + VCETransistörde Çalışma Bölgeleri
VCE = VCC – (IC . RC)
Transistorlerde başlıca 3 çalışma bölgesi vardır. Bu bölgeler; aktif bölge, kesim (kat-off) bölgesi ve doyum (saturation) bölgesi olarak adlandırılır. Transistorün çalışma bölgeleri şekil’de transistörün çıkış karakteristikleri üzerinde gösterilmiştir. Bu bölgeleri kısaca
inceleyelim.
Aktif Bölge
Transistörün aktif bölgesi; beyz akımının sıfırdan büyük (IB>0) ve kollektör-emiter geriliminin 0V’dan büyük (V B CE>0V) olduğu bölgedir. Transistor aktif bölgede çalışabilmesi için beyz-emiter jonksiyonu doğru, kollektör-beyz jonksiyonu ise ters yönde polarlanır.
Bu bölgede transistörün çıkış akımı öncelikle beyz akımına, küçük bir miktarda VCE gerilimine bağımlıdır. Doğrusal yükselteç tasarımı ve uygulamalarında genellikle bu bölgede çalıştırılır.
Kesim Bölgesi
Yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi transistörün beyz akımı IB=0 olduğunda, beyz-emiter gerilimi de VBE=0V olacağı için devrede kollektör akımı (IC) oluşmayacaktır. Bu durumda kesimdedir. Kollektör-emiter jonksiyonları çok yüksek bir direnç değeri gösterir ve akım akmasına izin vermez.
Transistörün kollektör-emiter gerilimi VCE, besleme gerilimi VCC değerine eşit olur. Kollektörden sadece IC0 ile belirtilen çok küçük bir akım akar. Bu akıma “sızıntı akımı” denir. Sızıntı akımı pek çok uygulamada ihmal edilebilir.
Doyum Bölgesi
Transistöre uygulanan beyz akımı artırıldığında kollektör akımı da artacaktır. Bu işlemin sonucunda transistörün VCE gerilimi azalacaktır. Çünkü IC akımının artması ile RC yük direnci üzerindeki gerilim düşümü artacaktır.
Kollektör-emiter gerilimi doyum değerine ulaştığında (VCE (doyum)) beyz-emiter jonksiyonu doğru 20 yönde polarlanacaktır. Sonuçta IB de B değeri daha fazla yükselse bile IC akımı daha fazla artmayacaktır. Bu durumda transistördeki eşitliği doğruluğunu kaybedecektir.
Doyum bölgesinde çalışan bir transistörün kolektör-emiter gerilimi VCE yaklaşık 0V civarındadır. Bu değer genellikle VCE (doyum)=0V olarak ifade edilir.
Konu adı: Transistör Nedir? Transistör Çalışma Mantığı
Yazan: ElemaN
Kaynakça: Teknik Paylaşım Platformu