«Αναθεώρηση των FET Transistor»

Transcript

1 ΗΥ335: Προχωρημένη Ηλεκτρονική «Αναθεώρηση των FET Transistor» Φώτης Πλέσσας ΤΗΜΜΥ

2 Δομή FET Χαρακτηριστικά Λειτουργία Πόλωση Μοντέλα και υλοποιήσεις μικρού σήματος για FET ΤΗΜΜΥ - 2

3 Field Effect Transistors Το ρεύμα ρέει από το D προς το S ελεγχόμενο από την τάση στο G. Δύο είδη καναλιών: n-channel FET p-channel FET Δύο είδη ηλεκτροδίων πύλης: Junction FET (JFET) Metal-oxide semiconductor FET (MOSFET) ΤΗΜΜΥ - 3

4 n-channel MOSFET Το κανάλι αρχικά (όσο η τάση στο G είναι μηδέν) δεν άγει Όταν η τάση στο G γίνει θετική τότε συγκεντρώνονται ηλεκτρόνια και δημιουργείται ένα κανάλι τύπου-n Η διαδικασία ονομάζεται channel enhancement ΤΗΜΜΥ - 4

5 Χαρακτηριστικά n-channel MOSFET Χαρακτηριστικά: Το ρεύμα στο Gate είναι πάντα 0 Ο σχηματισμός του καναλιού καθορίζεται από την V GS ενεργός περιοχή στα BJT H τάση κατωφλίου V th είναι 1.7V σε αυτό το παράδειγμα ΤΗΜΜΥ - 5

6 Περιοχή κορεσμού Μοιάζει με τα npn BJT. Με μια πιο προσεκτική ματιά το ρεύμα κορεσμού είναι ανάλογο του (V GS -V th ) 2 ενεργός περιοχή στα BJT H τάση κατωφλίου V th είναι 1.7V σε αυτό το παράδειγμα ΤΗΜΜΥ - 6

7 Περιοχή κορεσμού στην περιοχή κορεσμού ΤΗΜΜΥ - 7

8 Τρίοδος ΤΗΜΜΥ - 8

9 Χαρακτηριστικά n-channel MOSFET στην τρίοδο στον κορεσμό ΤΗΜΜΥ - 9

10 Παράδειγμα: πόλωση στον κορεσμό Με χρήση της γραμμής φορτίου ΤΗΜΜΥ - 10

11 Παράδειγμα: πόλωση στον κορεσμό Με ανάλυση ΤΗΜΜΥ - 11

12 Παράδειγμα: πόλωση στην τρίοδο άρα είναι στην τρίοδο??? ή Τα 1.88mA δίνουν V DS = x1.88V=1.54V Τα 1.57mA δίνουν V DS = x1.57V=2.95V ΤΗΜΜΥ - 12

13 Enhancement & Depletion MOSFET Αυτό που έχουμε μελετήσει ως τώρα είναι τα MOSFET πύκνωσης. Πύκνωση (Enhancement) το κανάλι αρχικά (όταν η τάση στην πύλη είναι 0) δεν άγει, και πρέπει να εφαρμόσουμε μια θετική τάση (στην πύλη), μεγαλύτερη από την τάση κατωφλίου V th, ώστε αυτό να ξεκινήσει να άγει. Απογύμνωση (Depletion) υπάρχει ένας δεύτερος τύπος MOSFET, στον οποίο το κανάλι άγει ακόμα και χωρίς την εφαρμογή τάσης στην πύλη. Χρειάζεται να εφαρμόσουμε ανάστροφη τάση στην πύλη για να σταματήσει να άγει (αποκοπή). Αυτό ονομάζεται MOSFET απογύμνωσης (depletion). Λόγω των ιδιοτήτων νόθευσης (doping) των ημιαγωγών, μπορούμε να υλοποιήσουμε n-channel MOSFET και των δύο τύπων (enhancement και depletion). Αντίθετα μόνο enhancement p-channel MOSFET μπορούνε να υλοποιηθούν. ΤΗΜΜΥ - 13

14 Junction FET (JFET) Το ρεύμα αρχικά ρέει λόγω της περίσσιας ηλεκτρονίων που υπάρχουν στο κανάλι. Gate: Εφαρμόζεται αρνητική τάση για την αύξηση του πλάτους της περιοχής απογύμνωσης, έτσι ώστε να μειωθεί το ρεύμα. Όταν η τάση γίνει αρκετά αρνητική η ροή του ρεύματος θα σταματήσει. Άρα, είναι ένα στοιχείο απογύμνωσης. Το πλάτος της περιοχής απογύμνωσης εξαρτάται από την ανάστροφη πόλωση της πύλης (Gate) ΤΗΜΜΥ - 14

15 Junction FET (JFET) Εφαρμόζεται αρνητική τάση για τη μείωση του ρεύματος Περισσότερο αρνητική τάση, το κανάλι γίνεται πιο στενό ΤΗΜΜΥ - 15

16 Pinch off στα JFET Το κανάλι στραγγαλίζεται, το ρεύμα σταματά να ρέει Περισσότερο αρνητική τάση Τάση στραγγαλισμού (pinch-off) voltage V p στοιχείο απογύμνωσης ΤΗΜΜΥ - 16

17 Χαρακτηριστικά των n-channel JFET Τα χαρακτηριστικά είναι παρόμοια με αυτά του MOSFET. Η διαφορά είναι πως η τάση κατωφλίου που τώρα ονομάζεται τάση στραγγαλισμού (pinchoff ) V p είναι αρνητική. Η τάση στραγγαλισμού (pinch-off) του JFET είναι V p = - 2 V ΤΗΜΜΥ - 17

18 Χαρακτηριστικά των n-channel JFET Όλα είναι σχεδόν ίδια!! περιοχή τριόδου Η τάση στραγγαλισμού (pinch-off) του JFET είναι V p = - 2 V Προσοχή στο πρόσημο! Η V GS μπορεί να είναι θετική ή αρνητική, αλλά η V p είναι αρνητική. περιοχή κορεσμού ΤΗΜΜΥ - 18

19 Παράδειγμα: πόλωση στον κορεσμό ΟΚ στον κορεσμό! Αν η αντίσταση είναι μεγαλύτερη από 10kΩ, θα μπει στην τρίοδο. ΤΗΜΜΥ - 19

20 Παράδειγμα (πόλωση στην τρίοδο) Άρα, δεν είναι σε κορεσμό! Επαναϋπολογίζοντας το I D : ή Τα mA δίνουν V DS = 1.366V, δεκτό Τα mA δίνουν V DS = 3.051V, απορρίπτεται ΤΗΜΜΥ - 20

21 Παράδειγμα (πόλωση στην τρίοδο) Φυσικά μπορεί να λυθεί με χρήση της γραμμής φορτίου ΤΗΜΜΥ - 21

22 Σημαντικά χαρακτηριστικά small-signal Παρόμοια με τα BJT!! Σκεφτείτε μόνο την περιοχή κορεσμού. Αν αλλάξουμε ελαφρά την V GS τότε και το I D θα αλλάξει ελαφρά. Ο λόγος της μεταβολής του I D προς την μεταβολή της V GS ονομάζεται transconductance (διαγωγιμότητα) που είναι η κλίση της καμπύλης του I D συναρτήσει της V GS=, ή αναλυτικά: ΤΗΜΜΥ - 22

23 Άλλα FETs Μέχρι τώρα έχουμε μιλήσει για: 1. n-channel MOSFET (enhancement type) 2. n-channel JFET (depletion type) παρόμοια με τα npn BJT Άλλα FETs: ΤΗΜΜΥ - 23

24 p-channel FETs Η λειτουργία είναι σχεδόν ίδια όπως στα n-channel FETs. Αντιστρέφεται η πολικότητα της τάσης και η φορά του ρεύματος. Αλλά στα στοιχεία p-channel, Οι φορείς είναι οπές (όχι ηλεκτρόνια). Έτσι, η κινητικότητα είναι μειωμένη και ο χρόνος ζωής των φορέων μειονότητας μικρότερος. Συμπέρασμα: Τα στοιχεία p-channel έχουν συνήθως πιο φτωχή απόδοση! Μεγαλύτερη τάση κατωφλίου, μεγαλύτερη αντίσταση και μικρότερες δυνατότητες ρεύματος. ΤΗΜΜΥ 24

25 Αρχικό μοντέλο μικρού σήματος για το FET Παρόμοιο με το BJT, αλλά η αντίσταση εισόδου είναι. Παράμετροι μικρού σήματος του FET: g 2 K m I D r o 1 I D λ: παράμετρος channel length modulation K : παράμετρος ημιαγωγών Όλοι οι ενισχυτές που υλοποιούνται με BJT μπορούν να υλοποιηθούν και με FET. THΜMΥ - 25

26 Ενισχυτές με FET +10V RG1 RL source follower (μοναδιαίο κέρδος) + + vin RG2 vgs speaker IS 1 10Ω - common-source amplifier gm (υψηλό κέρδος = -g m R L ) vo THΜMΥ - 26

27 Ενισχυτής κοινής πηγής (CS) με ωμικό φορτίο THΜMΥ - 27

28 Ενισχυτής (CS) με ωμικό φορτίο Μοντέλο μικρού σήματος THΜMΥ - 28

29 Ενισχυτής κοινής πύλης (CG) με ωμικό φορτίο THΜMΥ - 29

30 Ενισχυτής (CG) με ωμικό φορτίο Μοντέλο μικρού σήματος r o = για πεπερασμένη r o THΜMΥ - 30

31 Ενισχυτής κοινού απαγωγού (CD) με ωμικό φορτίο Ακόλουθος πηγής THΜMΥ - 31

32 Ενισχυτής (CD) με ωμικό φορτίο Μοντέλο μικρού σήματος THΜMΥ - 32

33 Ενισχυτής (CS) με εκφυλισμό πηγής THΜMΥ - 33

34 Ενισχυτής (CS) με εκφυλισμό πηγής Μοντέλο μικρού σήματος THΜMΥ - 34

35