Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι

Transcript

1 ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου (FET) FET) Ι VLI Techology ad Comuter Architecture Lab Τρανζίστορ Φαινοµένου Ι Γ.Πεδίου Τσιατούχας 1 ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Διάρθρωση 1. Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου επαφής. MO τρανζίστορ επίδρασης πεδίου 3. Λειτουργία MO τρανζίστορ 4. I V χαρακτηριστικές 5. Διαμόρφωση μήκους καναλιού 6. Το MO ως αντίσταση Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 1

2 Τρανζίστορ FET Επαφής JFET + + I Πηγή ource ate Πύλη + + Απαγωγός rai I JFET I V ate Πύλη V V V Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 3 Τρανζίστορ MO FET Αγωγός + L + Πηγή ource Μονωτής Πύλη ate υ =0 =V >V t Πηγή ource () υ L + + Υπόστρωμα υ =0 Meta al ate W Υποδοχή Απαγωγός rai () V t = τάση κατωφλίου V t > Υπόστρωμα Bulk ανάλι Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 4

3 MO Τρανζίστορ Λειτουργία (Ι) υ >V t υ0 < =0 υ << + + i Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 5 MO Τρανζίστορ Λειτουργία (ΙΙ) i υ = V t +4V υ = V t +3V υ = V t +V υ = V t +1V υ V t i 0 υ (mv) Αποκοπή Γραμμική Περιοχή Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 6 3

4 MO Τρανζίστορ Λειτουργία (ΙΙΙ) υ =0 >V t υ V =0 t > υ >>0 + + Τρίοδος: υ υ V t Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 7 MO Τρανζίστορ Λειτουργία (ΙV) υ >V t υ = υ V t υ >>> υ V t + + Pich Off Κόρος: υ > υ V t Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 8 4

5 i υ Χαρακτηριστική MO Τρίοδος (Γραμμική) Περιοχή Αύξηση της αντίστασης του καναλιού και καμπύλωση της χαρακτηριστικής i Περιοχή Κόρου υ > υ V t Κορεσμός ρεύματος. Αύξηση της υ σχεδόν δεν επιφέρει μεταβολή στο ρεύμα υ >V t Γραμμική συμπεριφορά i υ υ sat = υ V t υ υ V OV =υ V t τάση υπεροδήγησης (overdrive voltage) Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 9 Εξισώσεις Ρεύματος MO Τρανζίστορ W + L + µ ε = t β = ox W L Συντελεστής Απολαβής 0 υ V t < 0 Αποκοπή i = ( ( υ Vt) υ υ) 0 < υ < υ V t Τρίοδος ( υ V ) t 0 < υ V t < υ Κόρος Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 10 5

6 i υ Χαρακτηριστικές MO Τρίοδος (Γραμμική) Περιοχή i υ sat = υ V t Περιοχή Κόρου υ = V t +4V t υ > υ V t υ = V t +3V i υ = V t +V i =0 υ i =i υ i = υ sat Αποκοπή υ = V t +1V υ V t υ Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 11 i υ Χαρακτηριστική MO Περιοχή Κόρου: υ υ V t και υ V t i υ i ( υ V ) t υ i V t ( ) = υ V t υ i =i Ισοδύναμο κύκλωμα ισχυρού σήματος ή C λειτουργίας για το MO στον κόρο Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 1 6

7 Το MO Τρανζίστορ V > 0 Αγωγός + L + V Πηγή ource Μονωτής Πύλη ate υ =V <V0 t Πηγή ource () L + + Υπόστρωμα υ = 0 Meta al ate W Υποδοχή Απαγωγός rai () V t = τάση κατωφλίου + + Υπόστρωμα Bulk V t < 0 V ανάλι Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 13 MO Τρανζίστορ Λειτουργία (Ι) V υ <V t υ<<υ = 0< i V Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 14 7

8 MO Τρανζίστορ Λειτουργία (ΙΙ) V υ <V t υ V =0 t < υ <<0 + + V Τρίοδος: 0 > υ > υ V t Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 15 MO Τρανζίστορ Λειτουργία (ΙII) υ <V t V υ = υ V t υ <<< υ V t + + V Pich Off Κόρος: υ < υ V t < 0 Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 16 8

9 Εξισώσεις Ρεύματος MO Τρανζίστορ W + L + µ ε = t ox β = W L Συντελεστής Απολαβής 0 υ V t > 0 Αποκοπή i = ( ( υ Vt) υ υ ) 0 > υ > υ V t Τρίοδος ( υ V ) t 0 > υ V t > υ Κόρος Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 17 i υ Χαρακτηριστική MO i Περιοχή Κόρου: υ υ V t και υ V t i ( υ V ) t υ υ i V t ( ) = υ V t υ i =i Ισοδύναμο κύκλωμα ισχυρού σήματος ή C λειτουργίας για το MO στον κόρο Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 18 9

10 i υ Χαρακτηριστικές MO υ υ V t υ = V t 1V υ = V t V υ = V t 3V υ = V t 4V Αποκοπή sat Περιοχή Κόρου i = υ < υ V t υ Τρίοδος (Γραμμική) Περιοχή υ sat = υ V t i Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 19 Τρίοδος και Κόρος Voltage V Voltage Κόρος V V V OV V Τρίοδος V V t V V t V V +V t V V OV Τρίοδος V t d Κόρος MO MO Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 0 10

11 Διαμόρφωση Μήκους Καναλιού (Ι) Κόρος: Πηγή Κανάλι L υ V t L Υποδοχή i Τρίδος Κόρος MO υ Ι (κορ) υ Αποκοπή Τάση Early V A = 1/λ A Αυξάνοντας την υ κατά Δυ πάνω από τη υ (κορ) [υ =υ (κορ) +Δυ ] το μήκος του καναλιού L μειώνεται κατά ΔL. Καθώς το i είναι αντιστρόφως ανάλογο του μήκους του καναλιού, το i αυξάνει. Ακριβέστερα στον κόρο ισχύει: i = ( υ V ) (1 + λυ ) t Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 1 υ Κόρος: Διαμόρφωση Μήκους Καναλιού (ΙΙ) Τα τρανζίστορ με μικρό μήκος καναλιού επηρεάζονται όπως είναι αναμενόμενο περισσότερο από το φαινόμενο της διαμόρφωσης του μήκους καναλιού. Επιπλέον το φαινόμενο αυτό κάνει την αντίσταση εξόδου του τρανζίστορ στον κόρο πεπερασμένη αντί για άπειρη (δηλ. οι χαρακτηριστικές δεν είναι παράλληλες στον άξονα x). ( ) υ Vt i υ υ Η αντίσταση εξόδου r o θα είναι: r o i ro = υ 1 υ =σταθ. = 1 [ λ( υ V ) ] ( λi ) t 1 κορ V = I A κορ i =i Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 11

12 Εικόνα MO Τρανζίστορ i 3 N 4 sacers Poly-i io io 180m Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 3 MO Τρανζίστορ Σύμβολα Αγωγός Μονωτής MO τρανζίστορ B Υπόστρωμα Κυκλωματικά Σύμβολα Αγωγός Μονωτής MO τρανζίστορ B Υπόστρωμα Κυκλωματικά Σύμβολα Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 4 1

13 CMO Τεχνολογία πηγάδι υπόστρωμα Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 5 Fi FETFET TI TI Plaar FET Fi FET FET Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 6 13

14 Παράδειγμα 1 (Ι) V =5V Ι Ι =0 R V =0.1V Δεδομένα: Στο κύκλωμα του σχήματος ισχύει: V t =1V και =0.5mA/V. Ζητούμενα: Ποια η τιμή της R ώστε η τάση V =0.1V; Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 7 Παράδειγμα 1 (ΙI) V =5V Ι Ι =0 R V =0.1V Επειδή πρέπει V =0.1V, συνεπάγεται: V = 0.1V < 4V = V V t Συνεπώς το τρανζίστορ λειτουργεί στην τρίοδο (γραμμική) περιοχή. Το ρεύμα I είναι: [ (V V )V V ] 0.395mA I = ( t = Και συνεπώς από νόμο Ohm: R V V = = 1.4Ω I Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 8 14

15 Παράδειγμα (Ι) R 1 =10MΩ V =10V R =6Ω Δεδομένα: Στο κύκλωμα του σχήματος ισχύει: V t =1V και =0.5mA/V. R =10MΩ Ι =0 Ι Ι R =6Ω Ζητούμενα: Να προσδιοριστούν οι τιμές των τάσεων και των ρευμάτων στους ακροδέκτες του τρανζίστορ. Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 9 Παράδειγμα (ΙI) V =10V R 1 =10MΩ Ι =0 R =10MΩ R =6Ω Ι Ι R =6Ω Το ρεύμα I σε ένα MO τρανζίστορ είναι ίσο με μηδέν. Οι αντιστάσεις R 1 και R δρουν ως ένας απλός διαιρέτης τάσης και συνεπώς V =5V. Με V =5V > V t =1V το τρανζίστορ είναι σε αγώγιμη κατάσταση. Δεν γνωρίζουμε όμως αν λειτουργεί στην τρίοδο ή στον κόρο. Θα υποθέσουμε ότι είναι στον κόρο και αν η υπόθεση δεν επαληθευθεί θα ξαναλύσουμε το πρόβλημα για λειτουργία στην τρίοδο. Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 30 15

16 Παράδειγμα (ΙΙI) V =10V Μεταξύ Πύλης Πηγής θα ισχύει: R 1 =10MΩ R =6Ω V = V V = V I R R =10MΩ Ι =0 Ι Ι R =6Ω Για το ρεύμα I στον κόρο ισχύει: = (V Vt) I Συνεπώς: I = (V Vt IR ) I = 0.89mA ή I = 0.5mA Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 31 Παράδειγμα (ΙV) V =10V R 1 =10MΩ Ι =0 R =10MΩ R =6Ω Ι Ι R =6Ω Επειδή το κύκλωμα είναι σε ισορροπία μόνο μία λύση μπορεί να είναι η σωστή. Αν I =0.89mA τότε: V = I. R =5.34V. Αυτή η λύση δεν ευσταθεί καθώς αν V > V τότε το τρανζίστορ είναι στην αποκοπή και θα έπρεπε I =0. Άρα Ι = 0.5mA. Έτσι V = 3V ενώ V = V V = V>V t Τέλος: V = V IR = 7V Καθώς V =(7 3)V=4V > 1V=( 1)V=V V t το τρανζίστορ είναι όντως στον κόρο και οι λύσεις αποδεκτές! Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 3 16

17 Παράδειγμα (V) V V V =10V R 1 =10MΩ Ι =0 R =6Ω Ι R 1 Ι =0 R V ( V V ) Ι t R V R =10MΩ Ι R =6Ω Ι =Ι Ισοδύναμο κύκλωμα λειτουργίας στον κόρο R Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 33 Παράδειγμα 3 (Ι) R 1 V =+5V Ι =0 V =+3V Ζητούμενα: α) ) Σχεδιάστε το κύκλωμα ώστε να λειτουργεί στον κόρο με Ι =0.5mA και V =+3V. β) Ποια η μέγιστη τιμή της R ώστε το τρανζίστορ να παραμένει στον κόρο; R Ι R Δεδομένα: Στο κύκλωμα του σχήματος ισχύει: V t = 1V και =0.5mA/V. Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 34 17

18 Παράδειγμα 3 (ΙI) R 1 V =+5V Ι =0 V =+3V Για το ρεύμα I στον κόρο ισχύει: = (V V t) I Η λύση του συστήματος που είναι αποδεκτή από φυσική άποψη για να είναι το τρανζίστορ στον κόρο είναι V = V. Συνεπώς με V =5V V =3V. R Ι R Καθώς το ρεύμα I σε ένα MO τρανζίστορ είναι ίσο με μηδέν, οι αντιστάσεις R 1 και R δρουν ως ένας απλός διαιρέτης τάσης και συνεπώς μπορούμε να επιλέξουμε R 1 =ΜΩ και R =3ΜΩ ώστε V =3V. Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 35 Παράδειγμα 3 (ΙΙI) R 1 V =+5V Η τιμή της R θα δίνεται από τη σχέση: R V = = 6Ω I Το τρανζίστορ παραμένει στην περιοχή του κόρου όσο V V V t. Δηλαδή V V V t. N. Ohm Ι =0 V =+3V Συνεπώς στο όριο του κόρου: R Ι V max = V V t = = 4V R Άρα: R max Vmax = = 8Ω I Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 36 18

19 Το MO ως Αντίσταση V > V t υ = υ V t υ = υ κόρος V i υ 4 i =0 υ = υ υ 3 i υ υ 1 Το MO λειτουργεί στον κόρο καθώς: υ V t < υ υ Μη γραμμική αντίσταση! i = (V V t Vt) υ 1 υ υ 3 υ 4 υ υ Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 37 19