Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · PDF file...

Click here to load reader

  • date post

    06-Jun-2020
  • Category

    Documents

  • view

    7
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · PDF file...

  • Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίου Field Effect Transistor

    MOS-FET, J-FET

  • History (form wikipedia)

    • The field-effect transistor was first patented by Julius Edgar Lilienfeld in 1926 and by Oskar Heil in 1934, but practical semiconducting devices (the JFET) were developed only much later after the transistor effect was observed and explained by the team of William Shockley at Bell Labs in 1947. The MOSFET, which largely superseded the JFET and had a more profound effect on electronic development, was invented by Dawon Kahng and Martin Atalla in 1960.

    http://en.wikipedia.org/wiki/Julius_Edgar_Lilienfeld http://en.wikipedia.org/wiki/Oskar_Heil http://en.wikipedia.org/wiki/JFET http://en.wikipedia.org/wiki/Transistor http://en.wikipedia.org/wiki/William_Shockley http://en.wikipedia.org/wiki/Bell_Labs http://en.wikipedia.org/wiki/MOSFET http://en.wikipedia.org/wiki/Dawon_Kahng

  • Metal–Oxide–Semiconductor Field- Effect Transistor (MOS-FET)

  • Φυσική λειτουργία MOS-FET

    VG=0V

    VDS>0

    ID≈0, στην πραγματικότητα RDS~10 12Ohm

  • Φυσική λειτουργία MOS-FET

    00, το ID=0

  • Φυσική λειτουργία MOS-FET Καθώς αυξάνει η τάση VG περισσότερο από την τάση κατωφλίου VT,

    αρχίζει να έλκει ηλεκτρόνια και να δημιουργεί ένα στρώμα αντιστροφής (inversion layer)

    ή αλλιώς ένα κανάλι n-type (NMOS).

    Μετά την τάση κατωφλίου VT, αρχίζει να άγει το NMOS

    VG>VT (τάση κατωφλίου)

    00, Για μικρά VDS, αυξάνει γραμμικά το ρεύμα

    (τρίοδος ή ομική περιοχή)

  • Φυσική λειτουργία MOS-FET Καθώς αυξάνει η τάση VDS για VDS > VGS-VT το βάθος του καναλιού μηδενίζεται:

    Σημείο στραγγαλισμού (pinch-off)

    VG>VT (τάση κατωφλίου)

    VDS> VGS-VT

    ID~Σταθερό,

    Η διαφορά δυναμικού στο κανάλι από S→D είναι 0V → VDS Συνεπώς η διαφορά δυναμικού της πύλης σε σχέση

    με το κανάλι είναι: VGS → VGS-VDS.

    όταν VGS-VDS = VT ή VDS = VGS-VT το κανάλι στραγγαλίζετε.

  • Λειτουργία Λυχνιών

    Δίοδος Λυχνία

    Τρίοδος Λυχνία

  • Φυσικά χαρακτηρίστηκα MOS-FET

    Για VG>VT (+(1-3)V για NMOS, -(1-3)V για PMOS) άγει

    Για 0 VGS-VT στραγγαλισμός, περιοχή κόρου.

    MOS-FET, μεταβαλλόμενη αντίσταση ελεγχόμενη από τάση ή

    πηγή ρεύματος ελεγχόμενη από τάση

    Τα FET είναι τρανζίστορ μονοφυούς αγωγής (unipolar), ενώ τα

    BJT διφυούς (bipolar)

    To ρεύμα εισόδου (στην πύλη) λόγω της ύπαρξης του οξειδίου

    (πολύ καλός μονωτής) είναι μηδενικό στο DC.

    Τα MOS-FET υλοποιήθηκαν αργότερα (1959) από τα BJT (1947)

    λόγω τεχνολογικής δυσκολίας, αν και είχε προταθεί από το 1926.

  • Συμβολισμός MOS-FET πύκνωσης (enhancement)

  • Περιοχές Λειτουργίας MOS-FET πύκνωσης (enhancement)

    kK L

    W Ck oxn 2

    1,   μn, ευκινησία φορέων

    Cox, χωρητ. Καναλιού /μον. Επιφ.

    W,L, πλάτος & μήκος καναλιού

  • kK L

    W Ck oxn 2

    1,  

    μn, ευκινησία φορέων

    Cox, χωρητ. Καναλιού /μον. Επιφ.

    W,L, πλάτος & μήκος καναλιού

    2)( 2

    1 TGSD VVkI 

    2)( TGSD VVKI 

    Στον κόρο, VDS>VGS-VT

    (Λειτουργία σαν ενισχυτής)

    ή

    Παράμετροι MOS-FET

    Παράμετροι Τεχνολογίας (σταθερές):

    Tο L και το πάχος tox (ή Cox) του οξειδίου.

    Παράμετρος σχεδιασμού (μεταβλητή): Το W

    Οι παράμετροι τεχνολογίας στο BJT

    Είναι πολυπλοκότεροι

  • Input characteristics (n-channel)

    +

    VDS

    -

    ID = K(VGS-VT)2

  • An n-channel MOSFET with VGS and VDS applied and with the

    normal directions of current flow indicated.

    Output characteristics (n-channel)

    (linear)

    +

    VDS

    -

  • Σύγκριση BJT & FET

    FET

    •Ελεγχόμενο από τάση

    •VGS > VT Τάση Κατωφλίου

    για να λειτουργεί

    •Για λειτουργία στην περιοχή

    •κόρου (ενισχυτής)

    VDS > VGS - VT

    •ID = K(VGS-VT)2

    BJT

    •Ελεγχόμενο από ρεύμα

    •VBE  0.7 V

    για να λειτουργεί

    •Για λειτουργία στην γραμμική

    περιοχή (ενισχυτής);

    Η επαφή BE ορθά πολωμένη,

    Η επαφή BC ανάστροφα πολωμένη

    •IC = bIB

  • MOS-FET αραίωσης (depletion)

  • MOS-FET αραίωσης (depletion) Χαρακτηριστική εξόδου

  • MOS-FET αραίωσης (depletion) Χαρακτηριστική εισόδου

  • NMOS Αραίωσης

    VGS=0 → Άγει το τρανζίστορ (IDSS) VGS>0 → Άγει περισσότερο (ID↗)

    Περιοχή πύκνωσης

    VGS0

    Περιοχή πύκνωσης (μόνο)

    PMOS Αραίωσης

    VGS=0 → Άγει το τρανζίστορ (IDSS) VGS0 → Άγει λιγότερο ((ID↘) VGS≥VT(Θετική) → ID=0

    Περιοχή αραίωσης

    PMOS Πύκνωσης

    VGS≥VT(θετική) → ID=0 VGS≤VT(θετική) → ID>0

    Περιοχή πύκνωσης (μόνο)

    Σύγκριση MOS-FET αραίωσης & πύκνωσης

  • J-FET (junction gate field-effect transistor)

    To JFET είναι στοιχείο απογύμνωσης (Vp

  • J-FET (junction gate field-effect transistor)

  • ID = K(VGS-VT)2

    K = Παράμετρος διαγωγιμότητας (transconductance)

    K = 1/2 K’ (W/L)

    K’= nCox, όπου n είναι η κινητικότητα των ηλεκτρονίων

    και Cox είναι η χωρητικότητα του στρώματος οξειδίου

    W/L τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του τρανζίστορ

    το χαρακτηρίζουν!! W είναι το πλάτος της πύλης

    και L είναι το μήκος της

    Όπως φαίνεται από την το ID  W/L

    Ρεύμα MOS-FET περιοχή κόρου

    Διαγωγιμότητα gm=ΔIout/ΔVin

  • Ρεύμα MOS-FET περιοχή κόρου

    Μοντέλο Ισοδύναμου κυκλώματος μεγάλων σημάτων

    Large-signal equivalent-circuit model ενός n-channel

    MOSFET το οποίο λειτουργεί στην περιοχή κόρου.

    (Ανάλυση DC)

  • Δίνεται: VT = 2V, K = (1/2) .5 mA/V 2

    (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 -

    +

    ID IG = 0

    n channel

    Υπολογισμός Σημείου Λειτουργίας

  • Δίνεται: VT = 2V, K = (1/2) .5 mA/V 2

    (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

    Υπολογισμός Σημείου Λειτουργίας

  • Δίνεται: VT = 2V, K = (1/2) .5 mA/V 2

    (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

    Υπολογισμός Σημείου Λειτουργίας

  • DC ανάλυση

    Να ευρεθούν τα ID, V