Nobel ödüllü yarı iletken: Transistör

Nobel ödüllü yarı iletken: Transistör

Teknolojinin gelişmesiyle son kullanıcının hayatını iyice etkisi altına alan elektronik ürünlerin olmazsa olmazı transistör, insanlığa sunduğu katkı ile kendisinden söz ettirmeye değer nitelikte bir buluştur. Bu yazımızda transistörlerin aslında neler olduklarından bahsederek Transistör nedir? Transistör nasıl çalışır? Transistör yapısında neler bulunur? Transistör çalışma mantığı nedir? Transistör ne için kullanılır? Transistör nasıl kullanılır ? Kaç çeşit transistör vardır? BJT nedir? Mosfet nedir? Transistör sağlamlık kontrolü nasıl yapılır? Transistörlerin fiyat bandı nedir? gibi sorulara yanıt bulacağız.


enerji360_işlemci

Cep telefonları, bilgisayarlar, ATM cihazları ve hatta konuşan oyuncak bebekler... Günümüzde hali hazırda kullandığımız elektronik cihazların hemen hemen hepsi transistör adında yarı iletken devre elemanından oluşan bir ordunun bir araya getirilip işlemci denilen yapı altında toplanarak kombineli bir şekilde tetiklenmesi prensibiyle çalışır. Bu ordudaki asker -transistör- sayısı cep telefonlarında genellikle milyonlar ile ifade edilirken bilgisayarlarda ise milyarlar mertebesindedir.

Elektronik cihazların beynini oluşturan işlemcilerin içerdiği transistör sayısı her geçen gün artmaktadır. Öyle ki, Intel kurucu ortaklarından Gorden Moore’un ortaya attığı “Moore Yasası”na göre geçen her iki yılda bir, bir transistörün kapladığı alan yarıya inmektedir. Diğer bir deyişle, aynı işlemcinin içerebileceği transistör sayısı her iki yılda bir ikiye katlanmaktadır. Aslına bakarsanız Gorden Moore, bu öngörüsünde haklı çıkmıştır ve transistörlerin gelişimi günümüzde aynen bu şekilde ilerlemektedir.

Örneklerle desteklemek gerekirse; 90’lı yılların sonunda piyasaya çıkan Intel firmasının Pentium II işlemcisi 7,5 milyon transistöre sahipken 2008 yılında kullanıcıya sunulan Intel Core i7 işlemcisi 731 milyon transistöre sahipti. Yani, geçen on yılda bir işlemciye 10 kat daha fazla adette transistör sığdırılabildi. Yakın tarihten bahsedecek olursak Apple’ın 2020 yılının son çeyreğinde tanıttığı ve Iphone 12 cihazlarında kullanmaya başladığı A14 Bionic işlemcisi tam olarak 11,8 milyar adet transistör içermektedir.

Günümüzde üretilen bir transistörün boyutu, birkaç atom boyutuna eşit olacak seviyeye kadar gelmiştir ve küçülmeye de devam etmektedir. Ancak fizik kurallarının da elbette bir sınırı vardır. Atom boyutundan daha küçük transistör üretmek mümkün değildir. Dolayısıyla bir gün transistörler, boyutları artık küçültülemeyen yapılar haline geleceklerdir. Teknoloji devlerinin ve bilim insanlarının beklenen bu doygunluk aşamasından sonrası için cevabını aradıkları soru tam olarak şöyledir : Nobel ödüllü bir icat olan transistörün yerini hangi teknoloji alacak ?

Transistörlerin kullanıldığı yerler ve gelişimleri hakkında bilgi edinip merakımızı onların nasıl çalıştığını öğrenmek isteyecek doğrultuda uyandırdık. Şimdi ise transistörleri yakından inceleyerek “Transistör nedir? Nasıl çalışır?” gibi soruların cevaplarını detaylıca öğrenmeye çalışalım.

Transistör Nedir?

Transistör, iki adet P-N diyotunun birleştirilmesi ile oluşan, girişine uygulanan zayıf sinyali güçlendirmek veya bir devreyi anahtarlamak için kullanılan yarı iletken bir komponenttir. Bu tanım, bir transistörün çalışma mantığını anlatma konusunda epeyce zayıftır. Transistörün bu görevleri yerine getirebilmesinin sırrı ve onun mantığı ise yapısında saklıdır.

enerji360_silisyum

Diyot, entegre, fotodiyot, transistör gibi elektronik komponentlerin yapıları yarı iletkenlerden oluşmaktadır. Yarı iletkenler, normal şartlarda yalıtkan ancak özel koşullar altında iletken hale geçebilen elementlerdir. Isı, ışık etkisi veya gerilim uygulanması ile dış elektronları serbest hale geçen yarı iletkenler elektriği iletebilir hale gelirler. Ancak bu etki ortadan kalktığında yalıtkan hale geri dönerler. Bununla birlikte içlerine bazı özel maddeler katılarak iletkenlikleri artırılabilir.

Katkı maddeleriyle iletkenlikleri artırılabilen yarı iletkenlerin elektronikte çok özel bir yeri olduğu aşikardır. Bunlardan en özel iki tanesi ise silisyum ve germanyum elementleridir. Yazımız boyunca bahsedeceğimiz transistörlerin kaynağını işte bu yarı iletken elementler oluşturur. -Germanyumun sızıntı akımlarının fazla olması ve sıcaklıktan çabuk etkilenmesi sebebiyle transistör üretiminde yaygın olarak silisyum elementi kullanılır.-

Saf kristal yapıda olan silisyum atomları normal şartlarda son yörüngelerindeki elektronları ortak kullanma prensibine dayanan kovalent bağ etkileşimi içerisindedir. Bu koşullar altında tüm elektronlar bir diğer silisyum atomunun elektronlarını ortak kullanacağı için ortamda serbest elektron bulunmaz ve element uyarılmadığı taktirde yalıtkan halde olur.

Eğer silisyuma son yörüngesinde 5 elektron bulunduran fosfor, arsenik elementlerinden biri eklenirse birbirleriyle kurdukları kovalent bağdan arsenik veya fosfor atomunun 1 elektronu açıkta kalır. Diğer bir deyişle bu madde elektron verme eğiliminde olur. Bu da bileşime negatif madde özelliği kazandırır. Bu tür iletkenliği artırılmış yarı iletken maddeler N tipi yarı iletken olarak adlandırılır.

Bir diğer işlem ise silisyuma son yörüngesinde 3 elektron bulunduran bor, galyum elementlerinin eklenmesidir. Bu koşulda ise silisyum ile kovalent bağ kuran bor veya galyum elementlerinin yörüngelerinde 1 elektronluk eksiklik kalır. Bu eksikliğe oyuk denir. Oyuklar -elektron eksiklikleri- bileşime pozitif madde olma özelliği kazandırır. Diğer bir deyişle bu madde, oyuklarını doldurmak isteyeceğinden elektron alma eğilimindedir. Bu tür iletkenliği artırılmış bileşimler ise P tipi yarı iletken olarak adlandırılır. Bu madde bir güç kaynağında bulunan farklı potansiyele sahip iki ucun kendisine uygulanması neticesinde kaynağın eksi kutbundan gelen elektronları oyukları vasıtasıyla artı kutba geçirir.

Tek başlarına kullanılan P ve N tipi yarı iletkenler akımı iki yönde de iletebilme yeteneğine sahiptir. Fakat onların bu halleri, elektronik devreleri kontrol edebilmemize olanak tanımaz dolayısıyla bu özellik tek başına bir işe yaramaz. Fakat P ve N tipi yarı iletkenler yan yana yani birlikte kullanıldığında akımı belli koşullarda geçiren elemanlar haline gelirler.

En başta yaptığımız tanımlamada da belirttiğimiz gibi iki adet P-N diyotundan oluşan transistörün yapısını incelemeden önce diyotun yapısına göz atmamız gerekmektedir.

Diyotun Yapısı

enerji360_diyotyapısı

Yukarıda bir diyotun yapısını görmekteyiz. Diyot, birer adet P ve N tipi yarı iletkenin birleştirilmesi ile oluşan ve tek yönde akım geçiren devre elemanıdır.

enerji360_diyotyapısı2

N tipi yarı iletkenlerde elektron fazlalığı, P tipi yarıiletkenlerde de elektron azlığı olduğunu ve oyuk kavramını hatırlayalım. Eğer bir diyotun N kısmına güç kaynağının artı kutbu, P kısmına ise eksi kutbu bağlanırsa güç kaynağının artı kutbu N kısımda dolaşan elektronları kendine doğru çeker. Güç kaynağının eksi kutbu ise P kısımda bulunan oyukları kendine çeker. Sonuç olarak elektron akışı mümkün olmaz, elektrik iletilmez, diyot yalıtkan gibi davranır. Bu duruma ters kutuplama (reverse bias) denir.

Bir güç kaynağının eksi kutbu diyotun N kısmına, artı kutbu ise diyotun P kısmına bağlanırsa N kısmındaki fazla elektronlar güç kaynağının eksi kutbu tarafından itilir ve elektronlar P kısmındaki oyuklara yerleşirler. Sonrasında ise oyuklara giren bu elektronlar güç kaynağının artı kutbu tarafından çekilir ve elektron akışı söz konusu olur, elektrik iletilir, diyot iletken gibi davranır. Bu duruma ise ileri kutuplama (forward bias) adı verilir.

Transistör yapısı

enerji360_transistör

Yukarıda bulunan resimde soldaki NPN, sağdaki PNP olmak üzere iki çeşit transistör görmekteyiz -NPN ve PNP kavramlarının ne olduğunu ve transistör çeşitlerini yazının devamında detaylıca inceleyeceğiz.-. Bu transistörlere bakıldığı zaman aslında iki adet diyottan oluştukları direkt belli olmaktadır. Fakat çalışma prensibi diyot ile farklılık göstermektedir.

Transistörler resimde görüldüğü üzere üç adet yarı iletken plakanın yan yana birleştirilmesiyle oluşurlar ve çıkışları bu plakalara temas edecek şekilde emitter, base ve collector olmak üzere üç tanedir.

Soldaki NPN tip transistör yapısını inceleyerek çalışma mantığını anlamaya çalışalım. Görüldüğü üzere VCE güç kaynağı Collector (C) ve Emitter (E) plakalarına bağlıdır. Normal şartlarda Base (B) bacağına elektrik uygulanmadığı taktirde Collector (C) ve Emitter (E) plakaları birbirinden izoledir. Aynı durum VBE  isimli güç kaynağı için geçerli değildir. Bu kaynak Base (B) ve Emitter (E) adlı plakalara bağlanmıştır. Bu kısım normal bir diyotun çalışmasını andırmaktadır. VBE kaynağından güç verildiği taktirde Base (B) ve Emitter (E) plakaları normal bir diyot gibi davranacak ve Emitter (E) plakasından Base (B) plakasına elektron akışı olacaktır. Yani orada bir akım meydana gelecektir.

Base (B) plakasına geçen elektronların bir kısmı VBE kaynağının artı kutbu tarafından çekilip güç kaynağına geri dönecektir ancak bu tüm elektronların VBE kaynağına dönmesi söz konusu olmaz. Çünkü, aynı zamanda Emitter (E) plakasına VCE kaynağından da elektron gelmektedir ve Base (B) plakası kendisine gelen tüm elektronları VBE  kaynağına geri gönderecek kadar geniş değildir, diğer iki plakaya göre daha dar bir yüzeye sahiptir. Bu elektronların kalan kısmı ise Base (B) plakasından Collector (C) plakasına geçer ve buradan da VCE kaynağının artı kutbunun bu elektronları çekmesi ile VCE kaynağına geri döner. Bu şekilde Base (B) bacağına akım uygulanması halinde transistörün Emitter (E) ve Collector (C) plakaları iletime geçmiş, transistör geçirgen hale gelmiş ve transistörden akım akmaya başlamış olur. Base (B) plakasına uygulanan akım değeri arttıkça Emitter (E) ve Collector (C) üzerinden geçen akım değeri de buna orantılı olarak artar.

Buradaki VCE hattı üzerinden geçen akım değeri VBE hattı üzerinden geçen akım değerine göre çok daha büyüktür. Zaten transistörlerin kullanım amacı küçük bir etkiyle büyük bir etkiyi kontrol etmektir. Bu bağlamda bir örnek vermek gerekirse kimi transistörlerde Base bacağına uygulanan 1mA akıma karşılık Emitter ve Collector bacaklarından 25mA akım geçişine izin verilir. Bu da küçük akımlarla büyük akımları kontrol edebilmemizi sağlar.

Transistör nedir? Yapısı nasıldır? Nasıl çalışır? Gibi sorulara cevap bulduğumuza göre komponentin iç yapısından bahsetmeyi sonlandırarak elektronikte nasıl kullanıldığını konuşmaya başlayabiliriz. Bu bağlamda transistör çeşitlerini inceleyelim.

Transistör Tipleri

Elektroniğin bel kemiğini oluşturan transistörler, BJT ve MOSFET olmak üzere temel olarak iki çeşitten oluşmaktadır.

BJT (Bipolar Junction Transistor)

enerji360_BJTtiptransistör

Yukarıda devre şematik gösterimi bulunan BJT transistörler, üzerlerinden geçecek büyük akımı Base bacağına uygulanan küçük akım miktarı ile orantılı olarak değiştirebilen transistörlerdir.

PNP ve NPN olmak üzere iki çeşit BJT transistör vardır.

  • PNP Transistörler

enerji360_pnptransistör

Transistör, daha önce de bahsettiğimiz üzere emitter, collector ve base olmak üzere üç adet bacağa sahiptir. Bu bacaklardan Emitter bacağı, her zaman devrenin güç kaynağına bağlanır. Base bacağı ise transistörün tetikleyicisidir. Bu bacağa uygulanan akıma göre Emitter ve Collector’den akım geçer. Son olarak Collector bacağı, transistörün güç çıkış bacağıdır ve her zaman yüke bağlanır.

PNP tip transistörler elektronik devrenin artı kısmını kesecek şekilde kullanılırlar. Yani PNP transistöre ait emitter bacağı güç kaynağının artı kutbuna bağlanır. Collector ise devrenin artı kutup girişine bağlanır. Base bacağına uygulanan negatif gerilim -yani base bacağının güç kaynağının eksi hattına bağlanması- transistörü açık konuma getirir. Base bacağı eğer artı kutba bağlanırsa transistör kapalı konuma geçer ve akım geçirmez.

Ayrıca şematik gösteriminde emitter bacağının üzerindeki okun içe doğru olması bize o transistörün PNP olduğunu gösterir.

enerji360_pnptransistörörnekdevre

Yukarıda BC307 PNP transistörü ile yapılmış bir örnek devre görmekteyiz. Şemada görüldüğü üzere transistör, devrenin artı hattını kesecek şekilde bağlanmıştır. Emitter bacağı güç kaynağına bağlanmış olup Collector bacağı ise devrenin yüküne yani LED’e bağlanmıştır. Bu LED’i açıp kapamak istediğimizde ise yapmamız gereken şey Base bacağını tetiklemek olacaktır. Devrede güç olduğu taktirde b butonuna basıldığı zaman 4.7k’lık direnç üzerinden Base bacağı toprak hattına (GND) bağlanacak ve LED, ışık vermeye başlayacaktır. Eğer Base bacağını devrenin artı kısmına bağlarsak veya Base bacağının bağlantısını kesersek transistör kapalı konuma geçecektir.

Peki, burada neden butonu direkt olarak LED’in yanına bağlayıp transistörü saf dışı bırakarak daha basit bir devre yapmadık ? Aslına bakarsanız incelediğimiz örnek devre için bu mümkün olabilir. Çünkü tek bir LED yaklaşık olarak 25-30mA akım çeker. Bu değer o LED’i bir buton aracılığıyla açıp kapamamıza yetecektir. Ancak, oradaki bir adet LED yerine yüksek akım çeken şerit LED olsaydı ? O zaman butonun içerisinden geçecek akım değeri onun üzerinden geçirebileceği maksimum akım değerinden yüksek olabilirdi ve bu ona zarar verebilirdi. Dolayısıyla devreyi anahtarlamamız, şerid LED’i bir transistör aracılığıyla bu şekilde sürmemiz mecburi olurdu.

  • NPN Transistörler

enerji360_npntransistör

NPN tip transistörler devrelerin eksi kısmını kesecek şekilde bağlanırlar. Bu sefer emitter bacağı güç kaynağının eksi kutbuna bağlanırken collector yükün eksi kutbuna bağlanır. Base bacağına ise pozitif gerilim uygulanması taktirde transistör açık hale gelir. Base bacağına negatif gerilim uygulandığı taktirde veya Base bacağının bağlantısı boşta ise elektron geçiş olmaz, akım akmaz, transistör kapalı konuma geçer.

Şematik gösterimde Emitter üzerindeki okun dışa doğru olması transistörün NPN olduğunun göstergesidir.

enerji360_npntransistörörnekdevre

Yukarıda bir önceki örneğimize çok benzer bir devre görmekteyiz. Burada NPN türünde olan BC237 transistörü bir LED’i sürmek için devrenin eksi kutbunu kesecek şekilde bağlanmıştır. B butonuna basıldığı taktirde Base bacağı devrenin artı hattı ile bağlanmış olacak ve direnç üzerinden Base bacağına pozitif yönlü akım ulaşacaktır. Bu neticede transistör açılacak ve LED ışık vermeye başlayacaktır. Ancak, eğer Base bacağı GND hattına bağlanırsa veya Base bacağının bağlantısı kesilirse transistör kapanır ve üzerinden akım geçirmez.

BJT transistörler voltaj düşümüne sebep olurlar. Bu yüzden kullanılmak istenen devrelerde eğer yaşanacak voltaj düşümü önemliyse bu duruma dikkat edilerek gerekli hesaplamalar yapılmalıdır.

Şimdi ise diğer bir transistör türü olan MOSFET transistörleri inceleyelim.

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor / Metal Oksit Yarı iletkenli Alan Etkili Transistör)

enerji360_mosfettransistor

MOSFET’ler diğer tüm transistörlerle aynı kullanım alanına sahiptir fakat onları BJT transistörlerden ayıran önemli birkaç husus bulunmaktadır. MOSFET transistörlerin bacakları Source, Gate ve Drain olarak isimlendirilir. Drain bacağı her zaman yüke, Source bacağı her zaman kaynağa bağlanırken Gate bacağı ise kontrol bacağıdır ve buraya uygulanan gerilim sayesinde MOSFET belli miktarda açılır veya kapanır.

BJT transistörler base bacağına akan akıma göre kendilerini açıp kaparken MOSFET transistörler ise Gate bacağına uygulanan gerilim ile kendini açıp kaparlar. Buradaki en önemli nokta ise Gate bacağından herhangi bir akım akmamasıdır. Dolayısıyla MOSFET transistörlerde BJT’lerin aksine voltaj düşümü yaşanmaz. Sebebi ise Gate bacağının MOSFET’in diğer bacaklarından izole olmasıdır.

MOSFET’ler BJT transistörlere kıyasla içlerinden çok daha yüksek miktarda akım geçirebilirler. Bu özellikleri elbette onların fiyatlarına da yansır.

enerji360_mosfetşematik

Şematik gösterimi yukarıdaki gibi olan MOSFET transistörler P ve N Channel olmak üzere iki çeşittirler.

  • P Channel MOSFET

P Channel MOSFET’ler PNP transistörler gibi devrenin artı kutbunu kesecek şekilde bağlanırlar. Source bacağı transistörün kullanıldığı devrenin güç kaynağının artı kutbuna bağlanırken Drain bacağı ise yüke bağlanır.

Gate bacağı ise bahsettiğimiz üzere tetik bacağıdır. Gate bacağına uygulanan gerilim değeri devrenin çalışma geriliminden bir miktar aşağıya düştüğünde, 0V’a yaklaştıkça veya 0V olduğunda iki P tipi madde arasına pozitif yükler toplanır, MOSFET açık hale geçer ve üzerinden akım geçirir. Uygulanan gerilim devrenin çalışma voltajına eşit veya çok yakın olduğunda ise P Channel MOSFET’ler kapalı konuma geçerler ve üzerlerinden akım geçişine izin vermezler.

enerji360_pchannelörnekdevre

Yukarıda görmekte olduğumuz “LOAD” adlı yükün P Channel MOSFET transistör sayesinde anahtarlanması için tasarlanmış örnek devrede transistör, devrenin artı kısmını kesecek şekilde bağlanmıştır. Gate bacağından uygulanan voltaj değerine göre “LOAD” adlı yük üzerinden akım geçecek veya geçmeyecektir. P Channel transistörlerde Gate bacağına 0V veya 0V’a yakın gerilim değeri uygulandığında MOSFET’in açılacağı bilgisiyle “LOAD” adlı yük üzerinden akım akmaya başlar. Gösterilen 5V değeri uygulandığında ise MOSFET kapanır ve “LOAD” adlı yük üzerinden akım geçmez. Burada MOSFET’lerin karakteristik bir özelliği daha öne çıkmaktadır. BJT transistörlerin açık veya kapalı olması için Base bacaklarından sürekli akım akması gerekir. Ancak, MOSFET transistörlerde bu durum farklıdır. Örneğin; yukarıdaki örnekte transistörü açıp devreden akım geçişini sağlamak için Gate bacağını GND hattına dokundurmamız yeterlidir. Sonrasında bağlantıyı kesecek olsak bile transistör açık kalmaya devam edecektir. Bir diğer senaryo olan Gate bacağına 5V uygulanması halinde de eğer sonrasında Gate bağlantısı sökülse bile MOSFET kapalı kalmaya devam edecektir.

  • N Channel MOSFET

N Channel MOSFET’ler ise NPN transistörler gibi devrenin eksi hattını kesecek şekilde bağlanır. Drain bacağı yine yüke bağlanırken Sourcebacağı bu sefer devrenin GND’sine bağlanır.

N Channel MOSFET’lerde Gate bacağının tetiklenip transistörün açılması için ise artı voltaj uygulanması gerekmektedir. Uygulanacak bu artı voltajın değeri ise devrenin çalışma voltajına göre belirlenir. Örneğin; 12V ile çalışan bir devrede Gate bacağına uygulanan gerilim 12v’a yaklaştıkça MOSFET açılır, 0v’a yaklaştıkça ise MOSFET kapanır.

Gerekli eşik değerler ve detaylı bilgiler elektronik komponentlerin DATASHEET dokümanında yazar ve oradan bakarak tüm komponentlerin karakteristik özellikleri hakkında bilgi edinebiliriz.

enerji360_nchannelmosfetdevre

Yukarıdaki devrede "LOAD" adlı yükü tetiklemek amacıyla kullanılmış N Channel bir MOSFET devresi görüyoruz. MOSFET, devrenin eksi kutbunu kesecek şekilde bağlanmıştır. Gate bacağına pozitif gerilim uygulandığı taktirde bu devre özelinde transistör açılacak ve "LOAD" yükü üzerinden akım geçişine izin verilecektir.

enerji360_karşılaştırma

Bir devrede transistör kullanılması gerekiyorsa eğer mümkünse her zaman devrenin eksi kutbunu kesen bir transistör kullanılması tavsiye edilir. Bunun sebebini yukarıdaki örnek devreyle anlamaya çalışalım.

Sağdaki devrede görüldüğü üzere transistör, devrenin artı kutbunu kesecek şekilde bağlanmıştır. Bu devrenin 5v ile çalıştığını hayal edelim. Devre çalıştığında güç kaynağının artı ucundan gelen 5v, ilk olarak transistörden geçerek sonra dirence ve en sonda da LED üzerinden geçip GND hattına akacaktır. Burada odaklanmamız gereken nokta transistör üzerinden 5v geçtiğidir.

Şimdi ise soldaki devreye bakacak olursak transistör devrenin eksi kutbunu kesecek şekilde bağlanmıştır. Şimdi ise az önceki durumu tekrar gözden geçirelim. 5V’luk gerilim artı kutuptan çıktıktan sonra ilk olarak direnç üzerinden geçecek ve bir voltaj düşümü yaşanacaktır. Zaten direncin amacı da bu voltaj düşümünü yapıp LED’in kendi çalışma voltajı olan 2-3V aralığında çalışmasını sağlamasıdır. Bu bağlamda dirençten çıkan gerilim değeri yaklaşık 3 volt seviyelerine kadar düşecektir. Sonrasında LED’e giren yaklaşık 2-3 volt değerine sahip bu gerilim onun güvenli bir şekilde çalışmasını sağlayacaktır. Ancak burada da bir voltaj düşümü yaşanacaktır çünkü LED de bir akım çekmektedir. Burada da yaşanacak yaklaşık 2 voltluk voltaj düşümünden sonra transistöre girmek için yoluna devam eden gerilim yalnızca 0.3-0.5v seviyelerinde yani çok küçük bir değerde olacaktır. Dolayısıyla bu şekilde transistöre daha az yük binecek ve transistör üzerinden daha fazla akım geçirmek mümkün olacaktır. Verdiğimiz sayılar temsili olmakla birlikte özetleyecek olursak; burada asıl anlatılmak istenen, transistörün eksi hattı kesecek şekilde bağlandığında üstüne daha az yük binmesidir. İşte bu yüzden eğer mümkünse eksi hattı kesecek bir transistör kullanılması her zaman tavsiye edilir.

Transistörlerin nasıl çalıştığını ve yapısını inceledik. Şimdi ise transistörlerin devrelerde hangi amaçlarla kullanıldığına örneklerle göz atalım.

Transistör Kullanımı

Teknoloji çağını mümkün kılan transistörler, yan yana çok sayıda adette bir araya geldiklerinde mantıksal işlemlerin yapılabilmesine olanak tanırlar. Birden fazla transistör ile mantıksal işlem yapılmasına olanak tanıyan birime mantık kapısı denir. Mantık kapılarından milyonlarca tanesinin birleştirilmesiyle de işlemciler ortaya çıkar. Yani işlemciler, içlerindeki bu mantık kapıları aracılığıyla mantıksal işlemler yaparlar.

Mantık kapıları hakkında fikir edinebilmek adına bir çeşit mantık kapısı olan AND (VE) kapısını inceleyelim.

enerji360_andkapısı

Yukarıda bir AND kapısı görmekteyiz. Bu kapının görevi adından da anlaşılacağı üzere “Ve” mantığını gerçekleştirmesidir. Yan yana bağlanan iki transistör bulunan devrede devreden akım akması için iki transistörün de Base bacağına akım verilmesi gerekmektedir. İki transistörden herhangi biri tetiklendiğinde devreden akım geçmez. Ancak ve ancak iki transistör de tetiklenirse devreden akım geçişine izin verilir.

Bu ve diğer (OR kapısı, XOR kapısı, NOR kapısı…) kapıların binlerce, milyonlarca tanesinin bir araya gelip saniyede milyarlarca kez tetiklenerek koordineli bir şekilde çalışması sayesinde bilgisayarlar mantıksal işlem yapabilme yeteneğine olurlar.

Transistörler günümüzde işlemciler haricinde güç devreleri, kontrol devrelerinde ve diğer birçok tür devrede yaygın olarak kullanılırlar. Transistörlerin bu albeniyi oluşturan iki özellikleri vardır: Anahtarlama, sinyal yükseltme.  

  • Anahtarlama

Odamıza girdiğimizde eğer etraf karanlıksa anahtar düğmesine basar ve ışığı açarız. Burada yaptığımız şey, elektrik ile lamba arasındaki devre yolunu tamamlamaktır. Bahsi geçen işlemi elimizle anahtara dokunarak yani fiziksel yolla yaparız. Transistörler ise bu işlemi fiziksel yollarla değil elektrik sinyalleri ile yaparlar.  

Elimizde bulunan 15 metre şerit LED’i salonumuzun duvarını saracak şekilde uygulayarak loş bir ambiyans aydınlatması yaratmak istediğimizi hayal edelim. Bu aydınlatmayı da bir kontrolcü vasıtasıyla (örneğin; Arduino) uzaktan kumanda kullanarak açıp kapamak istediğimizi varsayalım. O taktirde karşımıza şöyle bir durum çıkar; Arduino’nun çıkış pimleri yalnızca 40mA’e kadar çıkış sağlayabilir fakat bizim kullanmak istediğimiz 15 metre şerit LED 4-5A kadar akım çekecektir. Dolayısıyla bu LED’leri direkt Arduino çıkışı üzerinden beslememiz mümkün değildir. Ancak eğer bir MOSFET transistör kullanır, MOSFET’in Gate bacağını Arduino ile tetikler ve şerit LED’i harici bir güç kaynağına bu transistörü kullanarak bağlarsak amacımıza ulaşmış oluruz.

Transistörler bize böylece küçük akımlar ile büyük yükleri kontrol edebilmemizi, açabilmemizi, kapatabilmemizi, kısabilmemizi kısacası anahtarlayabilmemizi sağlarlar.

  • Sinyal Güçlendirme

Transistörin Base (veya Gate) bacağına verilen akımla orantılı olarak Emitter (Source) ve Collectorden(Drain) akım geçişine izin verdiğinden bahsetmiştik. Bu özellikleri onların sinyal yükseltici olarak kullanılmalarına olanak tanır. Örneğin; mikrofondan şarkı söyleyen bir sanatçının sesini hoparlörler aracılığıyla yükseltip konser alanının tamamına duyurmak transistörler sayesinde mümkündür.

Mikrofon, üzerine düşen ses dalgasına göre çıkış uçlarında değişken gerilim değerleri meydana getiren bir aygıttır. Ancak meydana gelen bu gerilim değerleri çok küçüktür ve asla büyük hoparlörleri beslemeye yetmezler. Dolayısıyla bu sinyallerin büyük hoparlörleri besleyebilmeleri için güçlendirilmeleri gerekmektedir. Daha doğrusu yüksek enerjili sinyalin bu küçük enerjili sinyale benzetilmesi gereklidir. Burada da devreye transistörler girer.

enerji360_transistörsinyalgüçlendirme

Transistörün Base bacağına giren akım miktarı mikrofondan alınan sesin değişimine göre farklılık gösterecektir. Alınan bu sinyal, harici güç kaynağından gelen güçlü sinyali kendisine benzetir. Yukarıdaki grafikte de görüldüğü üzere Base bacağına gelen akım miktarı değiştiğinde onunla doğru orantılı olarak transistörün açılma miktarı da değişir ve yüksek güçlü sinyal, Base bacağına gelen sinyalle aynı fakat daha yüksek genlikli yani daha şiddetli olur. Bunun sonucunda büyük hoparlörlerden verilen ses tüm konser alanı içinde duyulur.

Şimdi ise transistörlerin sağlamlık kontrolünün nasıl yapıldığından bahsedelim.

Transistör Sağlamlık Kontrolü Nasıl Yapılır ?

enerji360_sağlamlıktesti

Bir devre tasarlanırken sonradan yaşanabilecek olumsuzlukları engellemek adına kullanılan komponentleri kontrol etmek doğru bir karar olacaktır.

Transistörlerin sağlamlığını BJT ve MOSFET transistörler için ayrı ayrı inceleyelim.

Akımın P yarı iletkeninden N yarı iletkenine doğru aktığını, aksi yönde çok yüksek bir direnç söz konusu olacağından akışın mümkün olmayacağını hatırlayalım. Bu bilgiler eşliğinde her bir transistör çeşidi için multimetre yardımıyla sağlamlık kontrolünün nasıl yapıldığına bakalım.

Yapılacak işlemden önce multimetre, en yüksek direnç seviyesini ölçecek kademeye getirilmelidir.

  • PNP Tip kontrolü : Multimetrenin artı probu Emitter veya Collector bacağına, eksi probu Base bacağına bağlandığında düşük direnç göstermesi transistörün sağlam olduğu anlamına gelir çünkü P yarı iletken olan Emitter veya Collector bacağından N yarı iletkeni olan Base bacağına akım akacaktır. Dolayısıyla burada düşük direnç vardır.
  • NPN Tip kontrolü : Multimetrenin eksi probu Emitter veya Collector bacağına, artı probu Base bacağına bağlandığında düşük direnç göstermesi transistörün sağlam olduğu anlamına gelir çünkü P yarı iletken olan Base bacağından N yarı iletkeni olan Collector veya Emitter bacağına akım akacaktır. Dolayısıyla burada da düşük direnç söz konusu olur.

Ek olarak transistör boştayken Emitter ve Collector bacakları ölçülecek olursa sağlam bir transistörde buradaki direnç çok yüksek çıkar yani multimetrede “1” rakamı okunur çünkü normal şartlarda Emitter ve Collectorden akım geçmez. Bu da çok yüksek direnç olmasıyla mümkündür zaten.

  • P Channel MOSFET kontrolü : MOSFET’lerin kontrolü BJT’lerden biraz farklıdır. P Channel için Drain ve Source bacağına eksi artı önemli olmaksızın multimetreye bağlanır. Biz burada artı probu Source bacağına, eksi probu ise Drain bacağına bağladığımızı düşünelim. Daha sonra cımbız gibi iletken bir cisimle Gate bacağı Drain ve Source bacağına temas ettirilir. Eğer Gate bacağını Source bacağına değdirdiğimizde multimetrede yüksek direnç (yani “1” rakamı), Drain bacağına değdirdiğimizde ise multimetrede düşük direnç okuyorsak MOSFET sağlam demektir. Çünkü artı probu Source bacağına bağlamıştık ve artı ile tetiklenen Gate bacağı P Channel MOSFET’in kapanmasına sebep olur. Aksine Drain bacağına bağlanan eksi kutup ise Gate’i MOSFET’i açacak şekilde tetikletir ve transistör açılır.
  • N Channel MOSFET kontrolü : N Channel MOSFET için ise yukarıdaki düzenek aynen kurulduğ taktirde Gate bacağı Source bacağına değdirilirse MOSFET açılır yani düşük direnç okunur, Drain bacağına değdirilirse yüksek direnç okunur. Bu durum MOSFET transistörün sağlam olduğuna işaret eder.

Transistör Fiyatları

Transistör fiyatları transistörün türüne, dayanabileceği akıma göre değişiklik göstermektedir. Buraya tıklayarak BJT tip, buraya tıklayarak da MOSFET transistörlerin fiyat listesine ulabilirsiniz.

 

 

"Güç kalitesi" kategorisindeki  "Nötr, Faz ve Toprak Nedir ?" ve "Sistemlere hareket veren enerji dönüştürücüleri: Elektrik Motorları" isimli makalelerimize göz atabilirsiniz.

 

 

Kaynaklar:

https://circuitglobe.com/transistor.html

https://www.youtube.com/watch?v=7ukDKVHnac4

https://www.youtube.com/watch?v=OXLiHRuupzM&t=932s

https://www.youtube.com/watch?v=fmysik8Smn8

https://www.youtube.com/watch?v=wMfkpeOLWD8

https://www.youtube.com/watch?v=1r9pNtSAveE

https://www.youtube.com/watch?v=ARS78ptmdAM

https://acikders.ankara.edu.tr/pluginfile.php/154970/mod_resource/content/0/5.%20%C4%B0letken%2C%20Yal%C4%B1tkan%20ve%20Yar%C4%B1%20%C4%B0letken%20Maddeler.pdf#:~:text=N%20tipi%20yar%C4%B1%20iletken%20elektron,yar%C4%B1%20iletkende%20serbest%20oyuk%20fazlad%C4%B1r.&text=D%C4%B1%C5%9Fardan%20madde%20katk%C4%B1s%C4%B1%20yap%C4%B1larak%20elde,ak%C4%B1m%C4%B1%20iki%20y%C3%B6nde%20de%20ta%C5%9F%C4%B1yabilirler.