Τρανζίστορ FET Επαφής

Transcript

1 ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου ((FET) FET) Ι Τρανζίστορ Φαινοµένου Ι Γ.Πεδίου Τσιατούχας 1 ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ 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 Μονωτής (io ) Poly-i + L + Πηγή ource Πύλη ate υ =0 =V >V t Πηγή ource () υ + + Υπόστρωµα υ =0 L Poly-i 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 υ V t 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 υ < υ V t Περιοχή Κόρου υ > υ V t Κορεσµός ρεύµατος. Αύξηση της υ σχεδόν δεν επιφέρει µεταβολή στο ρεύµα υ >V t Γραµµική συµπεριφορά υ sat = υ V t υ Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 9 Εξισώσεις Ρεύµατος MO Τρανζίστορ Poly-i + 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 < υ V t υ sat = υ V t Περιοχή Κόρου υ > υ V t υ = V t +4V υ = V t +3V i =0 υ i υ i = υ sat υ = V t +V υ = V t +1V υ V t i =i Αποκοπή υ Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 11 i -υ Χαρακτηριστική MO Περιοχή Κόρου: υ υ V t και υ V t i ( υ V ) i t υ υ i =i i V t = ( υ V ) t υ 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 Μονωτής (io ) Poly-i + L + V Πηγή ource Πύλη ate υ =V <V0 t Πηγή ource () + + Υπόστρωµα υ = 0 L Poly-i ate W Υποδοχή Απαγωγός rai () V t = τάση κατωφλίου V t < Υπόστρωµα Bulk V ανάλι Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 13 MO Τρανζίστορ Λειτουργία (Ι) υ <V t V υ<<υ = 0< i V Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 14 7

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

9 Εξισώσεις Ρεύµατος MO Τρανζίστορ Poly-i 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 ( υ V ) i 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 Αποκοπή i = υ sat Τρίοδος (Γραµµική) Περιοχή υ = V t 3V υ = V t 4V Περιοχή Κόρου υ < υ V t υ > υ V t υ sat = υ V t i Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 19 Τρίοδος και Κόρος Voltage V V Voltage V V Κόρος Τρίοδος V - V t V V t V V +V t V Τρίοδος V t d Κόρος MO MO Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 0 10

11 ιαµόρφωση Μήκους Καναλιού (Ι) Κόρος: L Κανάλι Πηγή υ L Απαγωγός i Τρίδος Κόρος υ MO υ (κορ) Ι (κορ) Αποκοπή Τάση Early V A = 1/λ Αυξάνοντας την υ κατά υ πάνω από τη υ (κορ) [υ =υ (κορ) + υ ] το µήκος του καναλιού Lµειώνεται κατά L. 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: ιαµόρφωση 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 Ηαντίσταση εξόδου r o θα είναι: r o r o i = υ 1 υ =σταθ. = 1 [ λ( υ Vt ) ] ( λiκορ ) 1 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 Poly-i Poly-i πηγάδι υπόστρωµα Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 5 Παράδειγµα 1 (Ι) V =5V Ι Ι =0 R V =0.1V εδοµένα: 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 6 13

14 Παράδειγµα 1 (ΙI) V =5V Ι Ι =0 R V =0.1V Επειδή πρέπει V =0.1V, συνεπάγεται: V = 0.1V < 4V = V Συνεπώς το τρανζίστορ λειτουργεί στην τρίοδο (γραµµική) περιοχή. Το ρεύµα I είναι: V t [ (V V )V V ] 0.395mA I = t = Και συνεπώς από νόµο Ohm: R V V = = 1.4Ω I Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 7 Παράδειγµα (Ι) R 1 V =10V R εδοµένα: Στο κύκλωµα του σχήµατος ισχύει: V t =1V και =0.5mA/V. R Ι =0 Ι Ι R Ζητούµενα: Να προσδιοριστούν οι τιµές των τάσεων και των ρευµάτων στους ακροδέκτες του τρανζίστορ. Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 8 14

15 Παράδειγµα (ΙI) V =10V R 1 Ι =0 R R Ι Ι R 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. εν γνωρίζουµε όµως αν λειτουργεί στην τρίοδο ή στον κόρο. Θα υποθέσουµε ότι είναι στον κόρο και αν η υπόθεση δεν επαληθευθεί θα ξαναλύσουµετο πρόβληµα για λειτουργία στην τρίοδο. Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 9 Παράδειγµα (ΙΙI) V =10V Μεταξύ Πύλης-Πηγής θα ισχύει: R 1 R V = V V = V I R R Ι =0 Ι Ι R Για το ρεύµα I στον κόρο ισχύει: I = (V Vt ) Συνεπώς: I = (V Vt IR) I = 0.89mA ή I = 0.5mA Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 30 15

16 Παράδειγµα (ΙV) V =10V R 1 Ι =0 R R Ι Ι R 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 31 Παράδειγµα (V)( V V V =10V R 1 Ι =0 R Ι R 1 Ι =0 R V ( V V ) Ι t R V R Ι R Ι =Ι Ισοδύναµο κύκλωµα λειτουργίας στον κόρο R Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 3 16

17 Παράδειγµα 3 (Ι) R 1 V =+5V Ι =0 V =+3V Ζητούµενα: Σχεδιάστε το κύκλωµα ώστε να λειτουργεί στον κόρο µε Ι =0.5mA και V =+3V. Ποια η µέγιστη τιµή της R ώστε το τρανζίστορ να παραµένει στον κόρο; R Ι εδοµένα: R Στο κύκλωµα του σχήµατος ισχύει: V t = 1V και =0.5mA/V. Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 33 Παράδειγµα 3 (ΙI) R 1 V =+5V Για το ρεύµα I στον κόρο ισχύει: I = (V Vt ) Ηλύση του συστήµατος που είναι αποδεκτή από φυσική άποψη για να είναι το τρανζίστορ στον κόρο είναι V = V. Ι =0 V =+3V 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 34 17

18 Παράδειγµα 3 (ΙΙI) R 1 V =+5V Ητιµή της R θα δίνεται από τη σχέση: R V = = 6Ω I Το τρανζίστορ παραµένει στην περιοχή του κόρου όσο V V V t. ηλαδή V V V t. N. Ohm Ι =0 V =+3V Συνεπώς στο όριο του κόρου: R Ι V max = V V t = 3+1 = 4V R Άρα: R max Vmax = = 8Ω I Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 35 Το MO ως Αντίσταση i υ = υ V t υ = υ κόρος V 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 t (V Vt ) υ 1 υ υ 3 υ 4 υ υ Τρανζίστορ Φαινοµένου Πεδίου Ι 36 18