0

Τρανζίστορ Επίδρασης ΠεδίουField-effect transistors (FET)

•Χρησιµοποιούνται σε κλίµακα υψηλής ολοκλήρωσης VLSI

•Χρησιµοποιούνται και σε αναλογικούς ενισχυτές καθώςκαι στο στάδιο εξόδου ενισχυτών Ισχύος- output stage of power amplifers

•∆οµές n-καναλιού και p-καναλιού

•FET – ∆ιάταξη ελεγχόµενη από τάση (η τάση στην πύλη)

•BJT - ∆ιάταξη ελεγχόµενη από ρεύµα (Το ρεύµα βάσης)

MOSFETs• Τρείς ακροδέκτες, πηγή (source) , απαγωγός

(drain) και πύλη (gate). Υπάρχει και τέταρτοςπου συνδέεται στο υπόστρωµα-substrate(body)

• Η πύλη είναι µονωµένη (insulated) από τουπόστρωµα µε λεπτό στρώµα οξειδίου του Si.

• Η αγωγιµότητα του καναλιού πουσχηµατίζεται στο υπόστρωµα κάτω από τηναπό την πύλη ελέγχεται από την τάση πουεφαρµόζεται στην πύλη

1

2

Φυσική δοµή FET n-καναλιού:

Τυπικές τιµές L = 0.35 έως 10 µm, W = 2 έως 500 µm, ενώ το πάχος τουστρώµατος οξειδίου είναι στην περιοχή από 0.02 έως 0.1 µm. Ο λόγοςτων διαστάσεων W/L

3

MOSFETs

•MOS - metal oxide semicondutor structure (original devices had metalgates, now they are silicon)

•NMOS - n-channel MOSFET

•PMOS - p-channel MOSFET

•CMOS - complementary MOS, both n-channel and p-channel devicesused in conjuction with each other (most popular in IC’s)

•MESFET - metal semiconductor structure, used in high-speed GaAs devices

•JFET - junction FET, early type of FET

4

∆ιατοµή ενός τρανζίστορ CMOS ολοκληρωµένου κυκλώµατος(integrated circuit). Το PMOS δηµιουργείται σε ξεχωριστή περιοχή τύπουn

CMOS

5

Αν το VGS > VT (τάση κατωφλίου-threshold voltage), δηµιουργείται µεεπαγωγή κανάλι αγωγιµότητας τύπου n (n-channel) µεταξύ της πηγής-source και του απαγωγού-drain. Η αγωγιµότητα του καναλιού είναιανάλογη της διαφοράς δυναµικού vGS - Vt.

6

Συµβολισµοί και συµβάσεις•n-channel

Η πύλη έχει την µορφή οπλισµού πυκνωτήΣτον συµβολισµό δεξιά το βέλοςαναφέρεται στην συµβατική φοράτου ρεύµατος. Η πηγή συχνά συνδέεταιµε το υπόστρωµα και γειώνεται.

Το βέλος του υποστρώµατος δείχνειπρος το n κανάλι στα σύµβολα δίπλαΜε διακεκοµµένη γραµµή στο σύµβολο δεξιάτα MOSFET πύκνωσης (enchancement)Τα πύκνωσης είναι σε κανονική κατάσταση off!!όταν VGS=0. Για τον λόγο αυτό συµβολίζονταιµε διακεκοµµένη Γραµµή!!!)

Με συνεχή γραµµή στα σύµβολα δεξιάτα MOSFET αραίωσης (depletion)(Τα αραίωσης είναι σε κανονικήκατάσταση on!! όταν VGS=0.Για τον λόγο αυτό συµβολίζονταιµε συνεχή Γραµµή!!!)

+VDS

-+VGS

-

drain

source

gate

7

•p-channel

Η πύλη έχει την µορφή οπλισµού πυκνωτήΣτον συµβολισµό δεξιά το βέλοςαναφέρεται στην συµβατική φοράου ρεύµατος. Η πηγή συχνά συνδέεταιµε την τροφοδοσία VDD

Το βέλος του υποστρώµατος δείχνειπρος το n κανάλι στα σύµβολα δίπλαΜε διακεκοµµένη γραµµή στο σύµβολοδεξιά τα MOSFET πύκνωσης (enchancement)

(Τα πύκνωσης είναι σε κανονική κατάσταση off!!)

Με συνεχή γραµµή στα σύµβολα δεξιάτα MOSFET αραίωσης (depletion).(Τα αραίωσης είναι σε κανονικήκατάσταση on!!)

+VDS

-+VGS

-

drain

source

gate

Συµβολισµοί και συµβάσεις

8

n-channel MOSFET µε εφαρµοσµένες VGS και VDS και αναφορά στιςσυµβατικές φορές των ρευµάτων

Χαρακτηριστικές εξόδου (n-channel)

(linear)

+VDS

-

9

Χαρακτηριστικές εισόδου (n-channel)

+VDS

-

ID = K(VGS-VT)2

10

Περίληψη για την συµπεριφορά του MOSFET (n-καναλιού)

•VGS > VT (Τάση κατωφλίου-threshold voltage) για να λειτουργεί

•VDS > VGS - VT για λειτουργία στην περιοχή κόρου

•ID = K(VGS-VT)2

•Πύκνωσης- Enhancement, VT > 0

•Αραίωσης ή Απογύµνωσης -Depletion, VT < 0 (άγει µε VGS = 0)

11

Σύγκριση BJT και FET

FET•vΕλεγχόµενο από τάση

•VGS > VT Τάση Κατωφλίουγια να λειτουργεί

•Για λειτουργία στην περιοχή•κόρου (ενισχυτής)

VDS > VGS - VT

•ID = K(VGS-VT)2

BJT•Ελεγχόµενο από ρεύµα

•VBE ≈ 0.7 Vγια να λειτουργεί

•Για λειτουργία στην γραµµικήπεριοχή (ενισχυτής);Η επαφή BE ορθά πολωµένη,Η επαφή BC ανάστροφα πολωµένη

•IC = βIB

12

Λόγος διαστάσεων (aspect ratio) των MOSFET

ID = K(VGS-VT)2

K = Παράµετρος διαγωγιµότητας (transconductance)K = 1/2 K' (W/L)

K' = µnCox, όπου µn iείναι η κινητικότητα των ηλεκτρονίωνκαι Cox iείναι η χωρητικότητα του στρώµατος οξειδίου

W/L τα γεωµετρικά χαρακτηριστικά του τρανζίστορτο χαρακτηρίζουν!! W είναι το πλάτος της πύληςκαι L είναι το µήκος της

Όπως φαίνεται από την (1) το ID ∝ W/L

13

Μοντέλο Ισοδύναµου κυκλώµατος µεγάλων σηµάτων Large-signal equivalent-circuit model ενός n-channel MOSFET τοοποίο λειτουργεί στην περιοχή κόρου. (Ανάλυση DC)

14

5.41(a)

∆ίνεται: VT = 2V, K = (1/2) .5 mA/V2

(a) Να ευρεθεί η V1

Χρησιµοποιούµε, ID = K(VGS-VT)2

10uA = (1/2) .5 (VGS - 2)2

Λύνουµε ως προς VGS

VGS = 2.2V

V1 = - 2.2V

V1VGS -+

IDIG = 0

n channel

15

5.41(b)

∆ίνεται: VT = 2V, K = (1/2) .5 mA/V2

(b) Να ευρεθεί η V2

Χρησιµοποιούµε, ID = K(VGS-VT)2

10uA = (1/2) .5 (VGS - 2)2

Λύνοντας ως προς VGS

VGS = 2.2V

V2 = VGS = 2.2V

V2

VGS -+

ID

IG = 0

n channel

16

5.41(f)∆ίνεται: VT = 2V, K = (1/2) .5 mA/V2

(f) Να ευρεθεί η VGS

Το ρεύµα στο τρανζίστορ και στην αντίσταση

είναι ίδια λόγω του ότι IG=0

Το ρεύµα στο τρανζίστορ ID = K(VGS-VT)2

Το ρεύµα στην αντίσταση: I = (5 - VGS) /100K

Εξισώνοντας ….

(5 - VGS) /100K = (1/2) .5 (VGS - 2)2

Λύνουµε ως προς VGS

VGS = 2.33V

VGS -+

ID

IG = 0

n channel

17

5.4 Τα MOSFET στο DC

DC ανάλυσηΝα ευρεθούν τα ID, VGS και VDS

VGS = 5VVGS > VT, άρα το τρανζίστορ άγειΥποθέτουµε πως λειτουργείστον κόρο-saturation

ID = K(VGS-VT)2

ID = (0.05 mA/V2)(5-1)2

ID = 0.8 mA

VDS = VDD - ID RD

VDS = 10 - (0.8)6VDS = 5.2V

VT = 1VK = 0.05 mA/V2

(τυπικές τιµές)

+VGS

-

+VDS

-

ID

ID

IG = 0

18

Γενική ανάλυση στο DC

+VGS

-

+VDS

-

ID

IG = 0

DC ανάλυσηΝα ευρεθούν τα ID, VGS και VDS

Υποθέτουµε πως λειτουργείστον κόρο-saturationID = K(VGS-VT)2

ID = K(5 - ID RS -VT)2

18ID 2 - 25 ID + 8 = 0

Λύνουµε ως προς ID, ΤΡΙΩΝΥΜΟID = 0.89mA, 0.5mA, ΠΟΙΑ ΑΠΌΤΙΣ ∆ΥΟ ΛΥΣΕΙΣ ΕΊΝΑΙ Η ΣΩΣΤΗ:

Για ID = 0.89mA, VGS = 5 - (0.89)6 = - 0.34VΓια ID = 0.5mA, VGS = 5 - (0.5)6 = 2V

Μόνο για ID = 0.5mA, το transistor άγει!VT = 1V, K = 0.5 mA/V2

19

DC πρόβληµα: δύο FET σε σειρά

Να ευρεθεί η V

Αν τα τρανζίστορ είναι όµοια

ID

IG = 0

n channel

IG = 0 V

VDD = 5V

Ground

device

device

V =VDD/2 = 2.5V

20

MOSFET – Ενισχυτής/Amplifier

Το σήµα εισόδουπου θα ενισχυθείεπηρεάζει την Vgs

21

MOSFET – Amplifier

Ενίσχυση τάσηςvoltage gain

22

(a) Ενισχυτής κοινής πηγής common-source amplifier.

(b) Ευθεία φόρτου και γραφική αναπαράσταση µε τιςχαρακτηριστικές καµπύλες του τρανζίστορ.

23

Χαρακτηριστική µεταφοράς-transfer characteristic στην οποία φαίνεταιη λειτουργία ενισχυτή µε την πόλωση στο σηµείο λειτουργίας Q.

24

∆ύο ευθείες φόρτου. Η πόλωση στο Q1 δεν επιτρέπει µεγάληθετική διακύµανση (πολύ κοντά στην VDD). Η πόλωση στο Q2δεν επιτρέπει µεγάλη αρνητική διακύµανση (πολύ κοντά στηντάση αναφοράς-γείωση).

25

Παράδειγµα

26

Παράδειγµα

27

(a) βασική διάταξη (b) εξάρτηση από το ID; (c) Πόλωση µε ένα τροφοδοτικό (d) Χρήσηπυκνωτή για το εναλλασσόµενο σήµα στην είσοδο (AC-coupling σύζευξη AC); (e)Πόλωση µε δύο τροφοδοτικά.

28

ΠΑΡΑ∆ΕΙΓΜΑ

29

ΠΑΡΑ∆ΕΙΓΜΑ

Πηγές

30

• ECE 3111 - Electronics - Dr. S. Kozaitis-Florida Institute of Technology - Fall 2002

• Sedra & Smith ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑΚΥΚΛΩΜΑΤΑ