Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίου Field-effect transistors (FET)

Transcript

1 Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίου Field-effect transistors (FET) Χρησιµοποιούνται σε κλίµακα υψηλής ολοκλήρωσης VLSI Χρησιµοποιούνται και σε αναλογικούς ενισχυτές καθώς και στο στάδιο εξόδου ενισχυτών Ισχύος- output stage of power amplifers οµές n-καναλιού και p-καναλιού FET ιάταξη ελεγχόµενη από τάση (η τάσηστηνπύλη) BJT - ιάταξη ελεγχόµενη από ρεύµα (Το ρεύµαβάσης) 0

2 MOSFETs Τρείς ακροδέκτες, πηγή (source), απαγωγός (drain) και πύλη (gate). Υπάρχει και τέταρτος που συνδέεται στο υπόστρωµα-substrate (body) Ηπύληείναιµονωµένη (insulated) από το υπόστρωµα µε λεπτόστρώµα οξειδίου του Si. Η αγωγιµότητα του καναλιού που σχηµατίζεται στο υπόστρωµακάτωαπότην από την πύλη ελέγχεται από την τάση που εφαρµόζεται στην πύλη 1

3 Φυσική δοµή FET n-καναλιού: Τυπικές τιµές L = 0.35 έως 10 µm, W = 2 έως 500 µm, ενώ το πάχος του στρώµατος οξειδίου είναι στην περιοχή από 0.02 έως 0.1 µm. Ο λόγος των διαστάσεων W/L 2

4 MOSFETs MOS - metal oxide semicondutor structure (original devices had metal gates, now they are silicon) NMOS - n-channel MOSFET PMOS - p-channel MOSFET CMOS - complementary MOS, both n-channel and p-channel devices used 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 3

5 CMOS ιατοµή ενός τρανζίστορ CMOS ολοκληρωµένου κυκλώµατος (integrated circuit). Το PMOS δηµιουργείται σε ξεχωριστή περιοχή τύπου n 4

6 Αν το VGS > VT (τάση κατωφλίου-threshold voltage), δηµιουργείται µε επαγωγή κανάλι αγωγιµότητας τύπου n (n-channel) µεταξύ της πηγήςsource και του απαγωγού-drain. Η αγωγιµότητα του καναλιού είναι ανάλογη της διαφοράς δυναµικού v GS - V t. 5

7 n-channel Συµβολισµοί και συµβάσεις Ηπύληέχειτηνµορφή οπλισµού πυκνωτή Στον συµβολισµό δεξιάτοβέλος αναφέρεται στην συµβατική φορά του ρεύµατος. Η πηγήσυχνάσυνδέεται µετουπόστρωµα και γειώνεται. drain + Το βέλος του υποστρώµατος δείχνει gate προς το n κανάλι στα σύµβολα δίπλα Με διακεκοµµένη γραµµή στοσύµβολο δεξιά τα MOSFET πύκνωσης (enchancement) Τα πύκνωσης είναι σε κανονική κατάσταση off!! όταν V GS =0. Για τον λόγο αυτό συµβολίζονται µε διακεκοµµένη Γραµµή!!!) + VGS - VDS - source Με συνεχή γραµµή στασύµβολα δεξιά τα MOSFET αραίωσης (depletion) (Τα αραίωσης είναι σε κανονική κατάσταση on!! όταν V GS =0. Για τον λόγο αυτό συµβολίζονται µε συνεχήγραµµή!!!) 6

8 Συµβολισµοί και συµβάσεις p-channel Ηπύληέχειτηνµορφή οπλισµού πυκνωτή Στον συµβολισµό δεξιάτοβέλος αναφέρεται στην συµβατική φορά ου ρεύµατος. Η πηγή συχνά συνδέεται µε την τροφοδοσία VDD gate Το βέλος του υποστρώµατος δείχνει προς το n κανάλι στα σύµβολα δίπλα Με διακεκοµµένη γραµµή στοσύµβολο δεξιά τα MOSFET πύκνωσης (enchancement) (Τα πύκνωσης είναι σε κανονική κατάσταση off!!) + VGS - drain + VDS - source Με συνεχή γραµµή στασύµβολα δεξιά τα MOSFET αραίωσης (depletion). (Τα αραίωσης είναι σε κανονική κατάσταση on!!) 7

9 Χαρακτηριστικές εξόδου (n-channel) (linear) + VDS - n-channel MOSFET µεεφαρµοσµένες V GS και V DS και αναφορά στις συµβατικές φορές των ρευµάτων 8

10 Χαρακτηριστικές εισόδου (n-channel) + VDS - ID = K(VGS-VT) 2 9

11 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) 10

12 Σύγκριση BJT και FET BJT Ελεγχόµενο από ρεύµα VBE 0.7 V για να λειτουργεί Για λειτουργία στην γραµµική περιοχή (ενισχυτής); ΗεπαφήBE ορθά πολωµένη, ΗεπαφήBC ανάστροφα πολωµένη FET vελεγχόµενο από τάση VGS > VT Τάση Κατωφλίου για να λειτουργεί Για λειτουργία στην περιοχή κόρου (ενισχυτής) VDS > VGS -VT IC = βib ID = K(VGS-VT) 2 11

13 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 ηλεκτρονίων και Cox iείναι 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 (1) το ID W/L 12

14 Μοντέλο Ισοδύναµου κυκλώµατος µεγάλων σηµάτων Largesignal equivalent-circuit model ενός n-channel MOSFET το οποίο λειτουργεί στην περιοχή κόρου. (Ανάλυση DC) 13

15 5.41(a) ίνεται: VT = 2V, K = (1/2).5 ma/v 2 IG = 0 + VGS - n channel ID V1 (a) Να ευρεθεί η V1 Χρησιµοποιούµε, ID = K(VGS-VT) 2 10uA = (1/2).5 (VGS -2) 2 ΛύνουµεωςπροςVGS VGS = 2.2V V1 = - 2.2V 14

16 5.41(b) ίνεται: VT = 2V, K = (1/2).5 ma/v 2 IG = 0 + VGS - n channel ID 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 15

17 5.41(f) ίνεται: 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 IG = 0 Το ρεύµα στο τρανζίστορ ID = K(VGS-VT) 2 + VGS - ID n channel Το ρεύµα στην αντίσταση: I = (5 - VGS) /100K Εξισώνοντας. (5 - VGS) /100K = (1/2).5 (VGS -2) 2 ΛύνουµεωςπροςVGS VGS = 2.33V 16

18 5.4 Τα MOSFET στο DC DC ανάλυση Να ευρεθούν τα ID, VGS και VDS VGS = 5V VGS > VT, άρα το τρανζίστορ άγει Υποθέτουµε πως λειτουργεί στον κόρο-saturation ID = K(VGS-VT) 2 ID = (0.05 ma/v 2 )(5-1) 2 ID = 0.8 ma IG = 0 + ID VGS - + VDS - ID VDS = VDD -ID RD VDS = 10 - (0.8)6 VDS = 5.2V VT = 1V K = 0.05 ma/v 2 (τυπικές τιµές) 17

19 DC ανάλυση Να ευρεθούν τα ID, VGS και VDS Γενική ανάλυση στο DC Υποθέτουµε πως λειτουργεί στον κόρο-saturation ID = K(VGS-VT) 2 ID = K(5 - ID RS -VT) 2 18ID 2-25 ID + 8 = 0 ΛύνουµεωςπροςID, ΤΡΙΩΝΥΜΟ ID = 0.89mA, 0.5mA, ΠΟΙΑ ΑΠΌ ΤΙΣ ΥΟ ΛΥΣΕΙΣ ΕΊΝΑΙ Η ΣΩΣΤΗ: Για ID = 0.89mA, VGS = 5 - (0.89)6 = V Για ID = 0.5mA, VGS = 5 - (0.5)6 = 2V Μόνο για ID = 0.5mA, το transistor άγει! IG = 0 + VGS - + VDS - ID VT = 1V, K = 0.5 ma/v 2 18

20 DC πρόβληµα: δύο FET σε σειρά IG = 0 Να ευρεθεί η V Αν τα τρανζίστορ είναι όµοια VDD = 5V IG = 0 ID V device device V =VDD/2 = 2.5V n channel Ground 19

21 MOSFET Ενισχυτής/Amplifier Το σήµαεισόδου που θα ενισχυθεί επηρεάζει την Vgs 20

22 MOSFET Amplifier Ενίσχυση τάσης voltage gain 21

23 (a) Ενισχυτής κοινής πηγής common-source amplifier. (b) Ευθεία φόρτου και γραφική αναπαράσταση µε τις 22

24 Χαρακτηριστική µεταφοράς-transfer characteristic στην οποία φαίνετα η λειτουργία ενισχυτή µε την πόλωση στο σηµείο λειτουργίας Q. 23

25 ύο ευθείες φόρτου. Η πόλωσηστοq 1 δεν επιτρέπει µεγάλη θετική διακύµανση (πολύ κοντά στην V DD ). ΗπόλωσηστοQ 2 δεν επιτρέπει µεγάλη αρνητική διακύµανση (πολύ κοντά στην τάση αναφοράς-γείωση). 24

26 Παράδειγµα 25

27 Παράδειγµα 26

28 (a) βασική διάταξη (b) εξάρτηση από το I D ; (c) Πόλωση µε ένα τροφοδοτικό (d) Χρήση πυκνωτή για το εναλλασσόµενο σήµα στην είσοδο (AC-coupling σύζευξη AC); (e) Πόλωση µε δύο τροφοδοτικά. 27

29 ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ 28

30 ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ 29

31 Πηγές ECE Electronics - Dr. S. Kozaitis- Florida Institute of Technology - Fall 2002 Sedra & Smith ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ 30