LAUGARREN MULZOA: EREMU EFEKUKO RANSSOREA 15. EREMU EFEKUKO RANSSOREAK : SALKAPENA EA MOSFEA 59 15.1 MOSFE transistorearen oinarria: MOS egitura 61 15.1.1 Metal-Oxido-Erdieroale egitura orekan 61 15.1. MOS egituraren portaera tentsiopean 6 15. MOSFE transistorearen egitura, motak eta funtzionamendua 64 15..1 MOSFEaren egitura eta motak 64 15.. Ugaltze n kanaleko MOSFEaren funtzionamendua 65 15.3 Ezaugarri-kurbak 70 15.3.1 N pasabideko ugaltze MOSFEa 70 15.3. N pasabideko urritze MOSFEa 71 15.3.3 P pasabideko urritze MOSFEa 7 15.3.4 Kurba idealarekiko desbideratzeak: - kurba errealak 7 16. EREMU EFEKUKO RANSSOREAK : JFEAK 75 16.1 JFEaren egitura 75 16. turri aldeko kanalaren zabalera kalkulatzea: atariko tentsioa 77 16.3 Funtzionamenduaren oinarriak (n pasabideko JFE) 78 16.4 - ezaugarriak 84 17. FEAK ERREGMEN NAMKOAN: SENALE XKA 87 17.1 Seinale txikiko planteamendua eta garapen matematikoa 87 17. Seinale txikiko zirkuitu baliokidea 90 18. FEEN POLARZAZOA 93 18.1 turri autopolarizatutako zirkuitua 94 18. Metaketazko MOSFEarentzako zirkuitua 95 18.3 Polarizazio zirkuitu orokorra 96 EREMU EFEKUKO RANSSOREE BURUZKO ARKEAK 99 vii
15. EREMU EFEKUKO RANSSOREAK : SALKAPENA EA MOSFEA KONZEPUA Eremu-efektuko transistorea (Field Effect ransistor, FE) zirkuitu analogiko eta digitaletan maiz erabiltzen den transistore mota da. Material erdieroalez osatzen den eragingailu honetan, eremu batek kontrolatzen du korrontea (eramaile-jarioa) eta hortik datorkio FE izena. FEetan, eramaile mota bakar batek hartzen du parte eta, horren ondorioz, dispositibo polobakarra da (Bipolar Junction ransistorea ez bezala). FEetan, korronteak pasabide estu eta luze batetik pasatu behar du (ikus 15.1 rudia). Eremuak bide horren zabalera modulatzen du eta, horren bidez, transistore mota horren funtzionamendua kontrolatzen du. Pasabidea n edo p motakoa izan daitekeenez, bi transistore (azpi)mota izango ditugu beti: n pasabidekoak eta p pasabidekoak. kusiko dugunez, FEek (BJek bezala) tentsioz kontrolatutako korronte-sorgailu modura edo kontrolatutako etengailu gisa lan egin dezakete. Erabilera horietaz gain, tentsioaren bidez kontrolatutako erresistentziak eraikitzeko ere erabiltzen dira.
N eskualdea P P pasabidea w(eremua) P AEA 15.1 rudia. P pasabideko FEen funtzionamenduaren oinarria SALKAPENA Bi mota nagusi daude (gero, bakoitza p eta n azpi-motetan berizten da): solaturiko Atekoak edo Metal - Oxido - Erdieroale FEak; MOSFE edo MOS (Metal Oxide Semiconductor FE edo MOS ransistor) dute izena. Horietan, metalaren eta erdieroalearen artean aplikatzen den tentsio batek ( G ) kontrolatzen du pasabidearen eroankortasuna. Oxidoak bi material horiek isolatzen ditu. Bi azpimota daude: Jatorrian (orekan, G = 0 denean) pasabiderik ez badago, aplikatutako tentsioaz, normalean korrontea ahalbidetzeko pasabidea sortzea bilatzen dugu. Pasabidea eraikitzeko eramaileak metatu nahi ditugu eta Metatzezko / Aberastezko FEa dugu orduan. Jatorrian ( G = 0) pasabiderik badugu, aplikatutako tentsioak, normalean, pasabidea estutzea/murriztea bilatzen dualdaketak eragiteko (korrontea etetea kasu). Murrizketazko / Urritze FEa dugu orduan. Junturako atekoak. Junturako FEa: JFE (Junction Field Effect ransistor). Horietan, alderantziz polarizaturiko bi junturen zabaleren bidez modulatzen da pasabidearen eroankortasuna. Metal-Erdieroale FEak: MESFE (MEtal Semiconductor Field Effect ransistor). MOSFEak bezalakoak dira, baina isolamendurik gabekoak. 60
Atea solatua (MOSFE/MSFE) Junturazkoa Eragingailuaren izena Orekan w = 0 Orekan w > 0 Ugaltze Urritze MOSFEa MOSFEa - JFE (pn) - MESFE (p-metal) Eragingailu horiek guztiek askotariko egiturak izan arren beren funtzionamenduaren funtsa berbera denez, antzeko ezaugarriak dituzte eta, horrenbestez, ekuazio eta ezaugarri-kurba berdintsuak izaten dituzte. 15.1 MOSFE transistorearen oinarria: MOS egitura 15.1.1 MEAL-OXO-EREROALE EGURA OREKAN (MOS) MOS egitura kondentsadore berezia da, MOS-C eta dispositibo askoren oinarria da, pn junturarekin gertatzen zen bezala. G Atea = Metala solatzailea = Oxidoa 0'01 µm-1'0 µm Oinarria edo substratua = Erdieroalea 15. rudia Atearen eta substratuaren arteko tentsioa: G MOSa egiteko, silizioaren gainazala oxidatu (SiO oxidozko geruza isolatzailea sortu) eta, gainean, metalezko geruza eroalea ezartzen da (Al). Eroalea, metalaren ordez, silizio polikristalino oso dopatua izaten da. solatzailea ere ezberdina izan liteke; beraz, MS, Metal nsulator Semiconductor, da izen egokiagoa, eta, egitura horretan oinarritutako 61
transistoreetarako, GFE (nsulated Gate FE, ate isolaturiko FE) izena aproposagoa litzateke, baina MOS eta MOSFE izenak erabili ohi ditugu. MOS egitura idealaren ezaugarriak: Erdieroalearen gainazaleko ezaugarriak eta bolumenekoak guztiz berdinak dira. Oxidoa isolatzaile perfektua eta karga elektrikorik gabekoa da. G edozein izanda ere, atearen eta substratuaren artean ez dago korronte jarraiturik, oxido batez perfektuki isolaturik baitaude. 15.1. MOS EGURAREN PORAERA ENSOPEAN Hiru egoera bereizten dira ezarritako G ateko tentsioaren arabera. Oharra: hurrengo azalpena p motako erdieroaledun MOSarentzako da (n motakodunetan polarizazioaren, kargaren eta eramaileen zeinua alderantzizkoa da). 1. Metaketa: G < 0 Kondentsadoreetan gertatzen den bezala, erakarpen elektrostatikoaren eraginez, metala karga negatiboarekin eta erdieroalea karga positiboarekin gelditzen dira oxidoarekin muga duten gainazaletan. Erdieroaleko karga positiboak, elektroi falta duten Si atomoak dira; hau da, hutsuneen baliokideak dira. entsioak hutsuneak metatu ditu, eta, ondorioz, eroankortasuna handitu.. eplexioa edo hustuketa: G > 0 Metalean, karga positiboak agertzen dira eta, erdieroalean, berriz, negatiboak. Erdieroaleko elektroi berri horiek hutsuneak betez, eramailerik gabeko gunea sortzen dute, deplexio gunea, hain zuen. Elektroiak ez dira gainazalean pilatzen, hutsuneen tokiak "erosoagoak" direlako. G eplexio gunearen zabalera eplexio- edo hustuketa-gunean ez dago eramailerik eta, beraz, eroankortasunik ere ez. Hustuketak p motako eskualde hori bete dezake, N A ezpurutasun hartzaileen kontzentrazioa G tentsioak eragindako karga-kopuruak berdintzen duenean. entsio berezi hori atariko tentsioa da,, hreshold oltage. 6
3. Alderanzketa edo inbertsioa: G > entsio horrek erdieroalera bidalitako elektroietako batzuek, eskualde bateko hutsune guztiak betez, hustutako eskualde bat sortzen dute eta beste batzuek, berriz, oxidoaren ondoko gainazalean pilatzen dira, oso geruza mehean. Elektroi askeak dituen n motako geruza bat sortzen da. Nolabait, erdieroale mota aldatu da. Alderanzketako geruza deituriko geruza hori eroalea da, bertako elektroiak mugikorrak baitira. P + < 0 = 0 0 < < > Metala Oxidoa N mota Hustutakoa P mota Metala 15.3 rudia Metaketa Oreka Hustuketa - Alderanzketa p motako oinarria berez n motako pasabidearekin Fabrikazio-prozesuan, oinarriaren kontrako motako geruza bat eraikitzen bada oxidoaren azpian. Lehenago esandakoek baliagarri izaten jarraitzen dute, baina balioa aldatuta (orain negatiboa izango da). Orduan: entsio positiboak aplikatuz gero, n kanala zabalagoa (sakonagoa) izango da. entsio negatiboak aplikatzean, n pasabidea sortzen duten elektroi askeak desagertzen hasiko dira. (- ) tentsiotik aurrera ( G <- ) pasabidea erabat desagertzen da (hustutako eskualde bat agertzen da eta). entsio oso negatiboek, lehenago n zen eskualdea p bihurtzen dute. N motako oinarriak: Argi dagoenez, tentsio oso positiboetan ez da kanalik izango oinarria eta pasabidea kontrako motakoak direnean (p motako kanala) eta, oso negatiboa denean, pasabidea izango dugu. tentsio batek markatuko digu bi kasuen arteko muga: ( positiboa bada, kanala berez izango dugu eta urritze (p kanaleko) MOSFEa izango dugu; negatiboa bada, orekan ez dago pasabiderik: ugaltze (p kanaleko) MOSFEa izango dugu). 63
15. MOSFE transistorearen egitura, motak eta funtzionamendua 15..1 MOSFEAREN EGURA EA MOAK MOSari, oinarriaren kontrako motako bi eskualde gehituz (sakoneran modulatu edo sor daitekeen eskualdearen bi muturretan) MOSFEaren egitura lortzen dugu. Guztira, lau aukera daude: p oinarrian, berezko n kanala duena / p oinarrian, n kanala berez ez duena / n oinarria eta berezko p kanalekoa / n oinarrian, p kanala berez ez duena. N pasabideko ugaltze MOSFEA P pasabideko ugaltze MOSFEA N pasabideko urritze MOSFEA P pasabideko urritze MOSFEA 15.4 rudia. Ugaltze (enhancement) (goian) eta Urritze (depletion) (behean) MOSFEak a) N pasabideko ugaltze MOSFE transistorea Berez (tentsiorik aplikatzen ez dugunean), ez dago pasabiderik eta etenik dago. G = 0 denean, korronteak ezin du npn bidea zeharkatu. G > aplikatuz, oxidoaren azpian elektroi geruza bat, alderanzketako geruza, agertzen da. Geruza horren portaera elektrikoa n motakoa da, nahiz eta erdieroalea jatorrian p motakoa izan. Geruzan elektroiak dira eramaile nagusiak eta "nnn" egitura eroalea dugu, kanala, alegia. b) N pasabideko urritze MOSFE transistorea Berez (fabrikazio prozesuan), badago pasabidea eta irekita dago. G = 0 denean drainaren () eta iturriaren (S) artean, badago eramaileentzako bide erraza edo igarobidea. 64
G eroankortasun handiagoa; G eroankortasun txikiagoa Mikroelektronikan, transistore asko sartzen dira siliziozko lagin bakarrean, eta p erdieroalea euskarri fisikoa izaten da. 15.. UGALZE N KANALEKO MOSFEAREN FUNZONAMENUA S Source, S turria - Gate, G (Atea) rain, raina + solatzailea (SiO ) n + n n + L W p (normalean lotuta) Bulk, B (Oinarria) 15.5 rudia. MOSFEaren egitura, tentsioak, korrontea eta eramaile-fluxua Abiapuntuak: a) turria (S) eta oinarria zirkuitulaburtu ohi dira eta, Atearen eta turriaren/oinarriaren artean, tentsioa aplikatzen dugu. entsio horren arabera sortu ( > ) edo desagertuko da ( < ) pasabidea. b) rainaren () eta iturriaren artean, S tentsioa (definizioz positiboa, n pasabideko MOSetan; negatiboa p kanalekoetan) aplikatzen da, pasabideko eramaileen fluxua eragiteko asmoz (iturritik drainerako jarioa, definizioz). Korrontea ager liteke drainaren eta iturriaren artean ( S ): 65
Pasabiderik ez badago, ez dago korronterik = 0. EENK AGO (EENURA). Pasabidea sortuz gero, = S /R pasabidea > 0 da Ohmen legea aplikatuz gero [Erresistentzia, materialaren, geometriaren eta kontzentrazioaren menpe dago, beraz, besteak beste, -tentsioaren menpe]. S = = Gpasabidea S = k1 Rpasabidea ( ) S Portaera erresistiboa edo lineala du kasu horretan. (MOSa, tentsioak kontrolaturiko balioa duen erresistentzia da). ESKUALE LNEALEAN EO ERRESSBOAN GAUE. S G S n + n n + p 15.6 rudia. Pasabidea S txikia denean Arrazoiketa horrek S << denean bakarrik balio digu. S hain txikia ez denean, (~ denean), G = - S < eta, horrenbestez, pasabidearen sakonera ezberdina izango da iturriaren eta drainaren inguruetan. zan ere, S haztean ( G haztean), pasabidea estutzen hasten da drainaren aldetik. Kanalaren erresistentzia hasierako balioa baino handiagoa gertatzen da. ESKUALE GRAUALEAN GAUE. 66
S G S n + n + p 15.7 rudia. Pasabidea S hazten hasten denean S igotzean, korronteak gora egin du, baina aurreko joera erresistiboa ikusita pentsa genezakeena baino gutxiago. = k ( ( ) ) S S S altua denean, G ( G = - S S - ) gerta liteke eta, ondorioz, drainaren aldean, pasabidea ito daiteke. Hori betetzen duen S minimoa pinch-offeko tentsioa edo itotze tentsioa da ( S p. off = - ). Pasabidean jauzten da tentsio hori. Une horretan, R zabalik geratzen den pasabidea = S pinch off Eskualde gradualaren amaieran eta ASEASUNAREN HASERAN GAUE. emagun S > S pinch off eta, beraz G < <. rainaren eta iturriaren artean, A izeneko puntuan, GA =, pasabidea ixten da; itotzen da. 67
S G S n + A n + l L p 15.8 rudia. Pasabidea S > S pinch off denean ( AS = S pinch off ) A puntutik iturriraino, kanala zabalik egongo da, baina drainean itota. S tentsioa bitan banatzen da: AS = ( S pinch off ) = R zabalik geratzen den pasabidea erresistiboa da A = S - AS = S - ( - GA ) = S - ( - ), hustutako (beraz, oso erresistiboa den) eskualde bat zeharkatzean korronteak eragiten duen tentsioa da A = R hust. A = S - S pinch off, oso distantzia laburrean jauzten da ( L<<L). Zabalik geratzen den pasabidearen luzera: L- L ~ L eta, beraz, haren erresistentzia ia konstante mantentzen da nahiz eta S handitu. S pinch-off agertzeko behar den korrontea: = S pinch off / R zabalik dagoen pasabidea ~ konstantea S rekin = asetasunekoa Ezin dugu gehiago igoarazi: kanala ase da. aset = aset ( G ) = k 1 = = SS 3 SS 1 = SS, = 0 denean, dugun asetasunezko aset da: horretarako SS G =0 gordetzen da asetasunezko korrontea izendapena (kontuz: korronte erreala izateko, urritze MOSFEa izan behar du). 68
N PASABEKO MOSFEEN LAN GUNEAK: LABURPENA S Lan-gunea R kanala < Berdin dio Etendura 0 S ~ 0 Erresistiboa S /R kanala R kanala ( ) = R 0 > S < ssat Graduala S /R kanala R kanala (, S ) S > ssat Asetasuna SS R kanala ( ) > R 0 Oharrak (n pasabidekoentzat): S beti positiboa da > 0 urritzea; < 0 ugaltzea Ssat = - BESE AZP-MOAK Formula horiek guztiak MOSFE azpi-mota guztietarako dira baliagarriak (motaren arabera, eta positiboak edo negatiboak izango dira). BESE EREU BAZUK Zenbait kasutan (Spice programan, adibidez), - kurba λ eta β parametro lagungarriak erabiliz definitzen dira. Orduan: = β λ ( + λ )( ) = 1 = β ( 1+ ) 1 S SS SS S Askotan, λ = 0, eta SS = β 69
15.3 Ezaugarri-kurbak 15.3.1 N PASABEKO UGALZE MOSFEA ( SS = 10 ma, = ) (Ampere) S(olt) 15.9 rudia. N pasabideko ugaltze MOSFEaren - kurba orokorrak (Ampere) (asetasunean) (olt) 15.10 rudia. N pasabideko ugaltze MOSFEaren - kurba asetasunean 70
15.3. N PASABEKO URRZE MOSFEA ( SS = 10 ma, = -) (Ampere) S (olt) 15.11 rudia. N pasabideko urritze MOSFEaren - kurba orokorrak (Ampere) (olt) 15.1 rudia. N pasabideko ugaltze MOSFEaren - kurba asetasunean 71
15.3.3 P PASABEKO URRZE MOSFEA ( SS = -10 ma, = -) (Ampere) (asetasunean) (olt) 15.13 rudia. P pasabideko ugaltze MOSFEaren - kurba asetasunean 15.3.4 KURBA EALAREKKO ESBERAZEAK: - KURBA ERREALAK Egia esan, estugunearen eroankortasuna ez da zeharo nulua, eta soberako S -,sat tentsioa erortzeko behar den L luzera (kanal laburreko MOSFEetan) alderagarria gerta liteke L-rekin zenbait kasutan. Ondorioz, S igoz gero, korronteak pixka bat egiten du gora eta, ezaugarri-kurbetan, atal horizontalek malda txiki bat izaten dute. S l/l 0 l/l ~ 0 Ssat S 15.14 rudia. = ( S ) ezaugarria jakin bat mantenduz Horixe da λ parametroaren eragina: λ = 0 kasuan, kasu idealean gaude. 7
Hurrengo irudian, anplifikatzeko erabil daitekeen MOSFE bat aurkezten da. N7000 Small Signal MOSFE 00 mamps, 60 olts N Channel O 9 15.15 rudia. MOSFE erreal baten ezaugarriak (www.onsemi.com) 73
74
16. EREMU EFEKUKO RANSSOREAK : JFEAK kasgai honetan, JFEen egitura eta funtzionamendua analizatuko ditugu. MOSFEaren kasuan egindako urratsak hemen ere errepikatuko ditugu. Hasteko, egitura aurkeztuko dugu, eta korrontearentzako pasabidea fabrikazio-prozesuan sortzen dela ikusi. Gero, pasabidea desagertarazteko aplikatu behar dugun tentsioa analizatuko dugu. Azkenean, - ezaugarriak arrazoitu, aurkeztu eta marraztuko ditugu. 16.1 JFEaren egitura 16.1 rudian, n pasabideko JFE transistoreen ohiko egitura eta ikurra azaltzen dira. N motako oinarri batetik abiatuz, bi kontaktu ohmiko eransten zaizkio: draina (, drain) eta iturri (S, source). Horrela, erresistentzia sinple bat lortzen da (R = ρ x l /A = l / (σa); non σ = q x µ n x N ). Egitura horretan S tentsioa aplikatzen dugunean, = S / R. Horren inguruan, dopaketa altuko p motako bi eskualde gauzatzen dira (fabrikazioprozesuan, barreiapenez, adibidez): ateak (G, gate).
Source, S (turria) Gate, G (Atea) rain, (raina) W n + p L p 16.1 rudia. N pasabideko JFEen egitura eta ikurra (Urritze) MOSFEetan bezala: efinizioz, eramaileak iturritik irten eta drainera iristen dira. Ateetan aplikatutako tentsioak berez dagoen pasabidearen eroankortasuna kontrolatzen du. Atearen eta iturriaren artean, tentsioa aplikatzen da, pn junturak beti alderantziz polarizatuz. Atetik sartuko den korrontea, beraz, ez da aintzat hartzen (junturen sat korrontea ~ 1 pa). p + G 1 Hustutako eskualdea S F e n pasabidea p + < 0 G S 16. rudia. N pasabideko JFEen polarizazioa: tentsioak eta korronteak 76
MOSFEetan bezala, hemen ere: N pasabideko JFEetan, negatiboa izango da eta S eta, positiboak ( sartzen, S irteten, ugarienak (elektroiak) iturritik drainerantz doaz) G S S 16.3 rudia. N pasabideko JFEaren ikurra eta korrontearen noranzkoa P pasabideko JFEetan, positiboa izango da eta S eta negatiboak ( irteten da, S sartzen da, ugarienak (hutsuneak) iturritik drainerantz doaz, definizioz) G S S 16.4 rudia. P pasabideko JFEaren ikurra eta korrontearen noranzkoa [Ateko korrontea aintzat ez harzeko modukoa denez, = - S ] OHARRA: (ateko) geziak pn junturako korronteak (zuzenean) hartuko lukeen noranzkoa adierazten digu (n eskualderantz begira dago, beraz). 16. turri aldeko zabalera kalkulatzen: atariko tentsioa Eragingailu horretan, egitura fisikoa dela-eta, drainaren eta iturriaren arteko kanalaren zabalera erraz kontrola daiteke baldin eta pasabidearen inguruan agertzen den hustutako eskualdearen hedapena modulatzen badugu (ikus 16.5 rudia). Eta, hori lortzeko, pn junturak alderantziz polarizatu besterik ez dugu egin behar. l hustuta n eskualdean l hustuta = l orekan Φ Φ = l orekan Φ + Φ 77
d junturen artean p eskualdea (G) S n pasabidea p eskualdea (G) l hust,n esk 16.5 rudia. Pasabidearen zabalera zehazki Estutzea azken mugaraino eramanez, hustutako eskualdeek kanal osoa jan dezakete. Horretarako aplikatu beharreko tentsioa atariko tentsioa da. l hustuta = junturen arteko distantzia = d itotze = ; l orekan itotze Φ itotze = d Φ Φ d = = Φ 1 lorekan itotze = Φ d l orekan itotze Φ d l orekan Φ = 4l d orekan Φ d = 4 Φ qn qn d = 8 Beraz, tentsio hori nahiko erraz kontrola daiteke. 16.3 Funtzionamenduaren oinarriak (n pasabideko JFE transistoreetarako) > 0 KASUAN Kasu horretan, junturak zuzenean polarizatzen ari gara eta nahiko korronte altuak sar daitezke atetik. Hori ez da guk bilatzen dugun funtzionamendua eta, beraz, ez da inoiz erabiltzen. zan ere, zirkuituaren diseinuak junturak alderantziz polarizatzea ziurtatu behar du. = 0 KASUAN S = 0 : Berez (atean tentsiorik aplikatzen ez dugunean), badago pasabidea (bai eta pn junturako orekako hustutako eskualdea). OREKAN GAUE. 78
G 1 p + S n p + = 0 G = 0 S = 0 16.6 rudia. Pasabidea orekan S (hau da, S > 0, baina txikia denean): aplikatzen den S tentsioarekiko proportzionala den korrontea lortzen dugu: S = S / R pasabidea orekan. (ESKUALE OHMKO EO LNEALEAN GAUE). G 1 p + S n p + = 0 G > 0 ~ 0 S > 0 (~ 0) 16.7 rudia. Pasabidea orekaren inguruan [pasabidearen erresistentzia orekan = erresistibitatea x luzera / orekako sekzioa] 79
S (hau da, S > 0 eta, ertaina denean, junturako Φ potentzial termodinamikoarekin alderagarria): rainaren aldean dagoen tentsioa nabarmena denez, junturako polarizazioa nahiko negatiboa (alderantzizkoa) da inguru horretan eta, beraz, hustutako eskualdea zabalagoa da. Kanala estutzen denez, erresistentziak gora egiten du eta, beraz, korrontearen igotzeko joera moteltzen da. - erlazioa ez da lineala (ESKUALE GRAUALA). [pasabidearen erresistentzia > orekako pasabidearen erresistentzia] p + G 1 S n p + = 0 G > 0 S > 0 16.8 rudia. Pasabidea estutzen (hustutako eskualdeak zabaltzen) S (hau da, S > 0 eta handia denean): kanala desagertu egiten da (ito edo ziztatu egiten da) Ssat denean ( S = 0 izaten denez, sat bakarrik izendatzen da askotan). Eramailerik gabeko eskualde bat agertu da: oso erresistentzia handikoa, beraz. p + G 1 S n p + = 0 G >> 0 S >> 0 16.9 rudia. Pasabidea itotzen den unea 80
entsio horretatik aurrera, S tentsioaren igoera (guretzat soberakina izango dena) kanalaren hustutako zatian agertuko da MOSFEetan gertatzen zen bezala (zati horren luzera S - Ssat soberakina erortzeko behar dena izango da). Nola? 1. Korronteak hustutako eskualdeko eremuak bultzaturik zeharkatzen du eskualde hori. Eskualde oso erresistiboa baina laburra da, tentsio nahiko altuak ager daitezke distantzia laburrean, hau da, eremu elektriko nahiko altuak.. Gainontzeko kanalaren luzera (zabalik mantentzen den kanalaren luzera) nahiko luzea izaten da itotako/hustutako zatiarekin konparatuz, eta, beraz, itotzea gertatu den momentuan zuen geometria gordetzen du: erresistentzia bera R pasabidea ito berria zenean. 3. Argi dagoenez, zabalik geratzen den pasabidearen zatian, Ssat erortzen da beti. Erresistentzia, gutxi gorabehera R pasabidea ito berria zenean = kte Szabalik dagoen pasabidean = Ssat bada, korrontea konstante mantentzen da: sat = asetasuneko korrontea = Ssat / R pasabidea ito berria zenean sat ( =0 denez) = SS p + G 1 S n L p + = 0 G >> 0 S >> 0 16.10 rudia. Pasabidea L distantzian itota da. ASEASUNEAN gaude: kanalak onar dezakeen korronterik altuena pasatzen ari Esan bezala, L << L L - L ~ L R asetasunean ~ R asetasunera sartu berria Egia esan, badakigu R asetasunean < R asetasunera sartu berria, baina hori izango da nabaria pasabide laburreko JFEetan bakarrik ( L << L betetzen ez denean). 81
Ondorioz, ~ SS, baina, zehatzak izateko, > SS eta - ezaugarria ez da guztiz horizontala. (kasu horretan, = 0 denez, asetasuenan = SS ) Guztira lortzen den - ezaugarria ( = 0 tentsioa aplikatuz): S Graduala Asetasuna totzea Ohmikoa S Ssat 16.11 rudia. S - S ezaugarri osoa ( = 0 denean) < 0 KASUAN Kualitatiboki, FEak berdin funtzionatzen du < 0 aplikatzen denean. Hasierako pasabidearen sekzioan datza desberdintasun bakarra: pn junturen hustutako eskualdeen zabalera txikiagoa izango da. Litekeena da erabat itxita egotea: [Gogoratu: = - aplikatzean hustutako eskualdea zabaltzen da l hustuta n eskualdean l hustuta = l orekan Φ Φ = l orekan Φ + Φ itotze = = Φ d 1 l orekan < 0 atariko tentsioa aplikatuz, pasabidea erabat itotzen da]. Aplikatutako tentsioarekin, baldin eta oraindik pasabidea badago: S = 0 R pasabidea, baina = 0 A S eskualde ohmikoa, = S /R pasabidea S eskualde graduala itotzea lehenago gertatuko da S asetasuna FUNZONAMENUA < = - ENEAN 8
Kanala erabat itota dago FEa etenik dago, korronterik gabe. Oharrak: totzea gertatzen den puntuan dagoen tentsioa Edozein kasutan ( = 0 zenean ere), itotzea gertatzen den A puntuan (atearekiko) dagoen tentsioa GA = izango da. A = AS = AG + = - + Eta puntu horretako junturan dagoen potentziala: Φ A junturan = Φ orekan - pna = Φ orekan (- ) = Φ orekan + A puntu hori draina izango da hasiera batean: S = Ssat = - + Atearen eta itotzea gertatzen den (lehenengo) puntuaren artean - tentsioa izango dugu. Puntu horretan, junturaren potentziala φ = φ - (- ) = φ + izango da. Edo, beste ere batera esanda, S = - G > - = ssat Asetasunaren baldintzak Asetasunean egoteko, honako hauek beteko dira (n pasabideko JFE batean): Kanala iturri aldean irekita edukitzea > - Kanala drainaren inguruetan itota edukitzea G < - ; ( G > ), edo S > Ssat = - pn junturaren korronteari buruzko bi ohar: Gogoratu > 0 denean juntura zuzenean jartzen dela. Gogoratu (edo G ) < - Breakdown oltage tentsioan juntura hausten dela. Bi kasu horietan, G 0. Gainontzeko guztietan, atetik ez da korronterik sartzen (gutxi gorabehera). 83
16.4 - ezaugarriak Efektu hauek guztiak bilduz, 16.1 rudiko ezaugarria lortzen da. >> 0 ezinezkoa da - = 0. = 0 = -1 = S > 40 S oso handiekin, draineko juntura hausten da S () 16.1 rudia. N JFE baten - S ezaugarriak zenbait - entzat ( ~ -3 ) ASEASUNEAN lortzen den korrontea ez dago S tentsioaren menpe. zan ere, mosfetetan erabiltzen zen formula bera erabiliko da hemen ere: 1 = SS non = SS S sat =0 [- erlazioetatik jakin behar dugun adierazpen analitiko bakarra]. (ma) SS (ma) () () 16.13 rudia. N JFE baten - ezaugarria asetasunean ( S > Ssat = - = + ) 84
kusi dugunez, JFEa eta urritze MOSFEa baliokideak dira. Salbuespen bakarra: JFEetan ezin da orekako pasabidea baino zabalagoa lortu ( < 0, n pasabidekoetan; > 0, p pasabidekoetan). Aurreko ikasgaian aurkezten genuen beste eredua (SPCE programakoa) hemen ere erabilgarria da: = β λ ( + λ ) ( ) = 1 = β ( 1+ ) 1 S SS SS S Askotan, λ = 0, eta SS = β Hurrengo irudietan, n kanaleko JFE baten ezaugarri idealak aurkezten dira. Haren oinarrizko parametroak honako hauek dira: SS = 10 ma, = -. (Ampere) S (olt) 16.14 rudia. N JFE kurba orokorrak 85
(Ampere) (olt) 16.15 rudia. N JFE baten - ezaugarria (asetasunean) 86
17. FEAK ERREGMEN NAMKOAN: SENALE XKA FE transistorea (MOSFE ala JFE izateak berdin dio) asetasunean polarizaturik badago, korrontea tentsioaren menpe dago bakarrik. Erregimen dinamikoan, aldiz, ez, zeren eta kargen mugimenduak eskatzen duen denbora kontuan hartu behar baita. BJan gertatzen zenaren antzera, kommutazioa alde batera utziko dugu hemen ere (nahiz eta elektronika digitalean garrantzi handikoa izan), eta seinale txikian jarriko dugu arreta. Seinale txikian, v tentsioaren aldaketen aurrean, i korrontearen aldaketa proportzionalak agertzen dira lan-puntu jakin baten inguruan. i korrontearen aldaketek v S tentsioaren aldaketak eragiten dituzte eta, baldintza egokiak bermatuz gero (polarizazio egokiaz), anplifikatzea lortzen da. Askotan, v S / v >1 lortzen da (ikus 17.1 rudia). Gehienetan, komeni da problema bitan banatzea (BJekin egin genuen bezala), elikadura / polarizazioa eta seinale txikia / informazioa bereiziz. Orduan, v (t) = + v gs (t) eta i (t) = + i d (t) gisa adierazteak bi abantaila ditu: Azkenean, informazioa v gs (t) seinalean etorri ohi da. Problema erraztu egiten da.
17.1 Seinale txikiko planteamendua eta garapen matematikoa i C Ohmikoa / graduala i i max C Lanpuntua etendura t S KZ v S v Smax S S etendura t 17.1 rudia. turri komuneko zirkuitu anplifikadorea eta uhin-formak kasgai honen helburua i d (t) = i d (v gs (t)) erlazioa lortzea da, horretarako zenbait hurbilketa eginez: - ezaugarriak linealdu egingo ditugu (horretarako, seinale txikian egon behar: zein seinale da, FEetan, txikia?). Egingo dugun analisia bakarrik maiztasun baxuetarako izango da baliagarria. Zehaztasunez, asetasunaren kasua bakarrik aztertuko dugu, baina garapen orokorra planteatuko dugu. 88
v sarreratzat hartzen badugu eta v S, irteeratzat: G Sarrera FE OSOA rteera S S POLARZAZOA (ORAN AREKOA),, S g Sarrera s SENALE XKKO FEA i d, v gs, v ds (lan-puntuaren menpekoak ere) d rteera s 17. rudia. Zirkuitu-anplifikadoreak analizatzeko prozedura i = i ( S + v ds (t), + v gs (t)) i ( t) = ( S, ) + id ( S,, vds, vgs ) i i ( t) = ( S, ) + v S dv S i + v dv i i i ( t) = ( S, ) + v ( t) = ( S, di ) + dv S dv ds i + v dv dv ds S dv = kte1 S = kte + gs di dv gs i ( t) = (, ) + g S d dv ds + g m dv gs i ( t) = + i ( t) = d = ( i ( t) = g d d S, dv ds ) ( t) + g m dv gs ( t) 89
17. Seinale txikiko zirkuitu baliokidea POLARZAZOA: aurreko ikasgaian ikusi dugun prozeduraren bitartez ebazten da. SENALE XKA: 1.- Atea isolaturik mantentzen da: gehienetan, oso kondentsadore txikia dugu eta Z altua izaten da gure ohiko maiztasunetan (ez, ordea, maiztasun oso altuetan). Kondentsadore hori JFEetan junturari dagokiona bada ere (C Juntura ), oxidoak dakarren dielektrikoak sortzen du MOSFEetan (C Oxido )..- Gainontzeko zirkuitua: ebatzi berri duguna. 17.3 rudia. Seinale txikiko zirkuitu baliokidea non g g d m di = dv di = dv S = kte1 S = kte - rteerako edo pasabidearen eroankortasuna (channel conductance) (g d ) eta - ranseroankortasuna (g m ) baitira. 90
Aplikazioa a) Asetasunean bagaude: i g ( t) d v 1 = SS di = dv g S = kte1 d = 0 di v = 1 g m SS 1 SS 1 dv = S = kte g m g m di = dv = S = kte SS = SS SS 1 = SS OHARRA: Zehatzak izateko, g d 0. g d, = ( S ) ezaugarriaren malda da, definizioz. Horrenbestez, asetasunean lehen hurbilketan zuzenak horizontalak izan arren (eta, beraz, g d = 0), malda txiki bat izaten dute (ikus 15.14 eta 16.11 rudiak) eta g d txikia (baina ez nulua) agertzen dute. Kasu gehienetan ez dugu aintzat hartuko; hau da, ontzat emango dugu g d ~ 0 hurbilketa. b) Eskualde ohmiko edo linealean (hemen ez dugu inoiz lan egingo) bagaude: Aurkeztu genituen ekuazio analitikoetatik eratorriko litzateke: g m = 0 g d = asetasuneko g m = SS 91
9 Eranskina: Asetasunean bagaude (ohi den bezala), g m parametroaren garapena bide errazago batetik egin daiteke: 1 1 ) ( + = = gs SS SS v v t i + = = gs gs SS gs SS t v t v t v t i ) ( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) ( gs SS SS gs t v t v t i ) ( 1 1 ) ( ) ( << = = = + = ) ( ) ( 1 ) ( 1 ) ( ) ( t v g t v t i t i t i gs m gs SS d SS d 1 1 1 non = = = G SS SS G SS SS G SS m g SS m g =
18. FEEN POLARZAZOA BJetan bezala, FE transistoreen lan-puntu egokia polarizazio-zirkuituaren bidez ziurtatzen da. Kontuan hartzeko irizpideak BJan erabilitakoak dira: Q puntuaren egonkortasuna, tentsio-irabazia, distortsioa, xahutu behar den potentzia... Azkenean, BJak modu aktiboan polarizatzen bagenituen (eta, askotan, kargazuzen dinamikoaren erdian), FEak aktiboa zenaren baliokidea den asetasunean polarizatuko ditugu. kasgai honetan, horretarako erabiltzen diren hiru zirkuitu nagusiak analizatu ditugu (n pasabidekoentzat): turri autopolarizatuko zirkuitua Ugaltze MOSFEarentzako zirkuitua Polarizazio-zirkuitu orokorra
18.1 turri autopolarizatuko zirkuitua Urritze MOSFEetarako eta JFEetarako da baliagarria. 18.1 rudia. turri autopolarizatutako zirkuitua Lan-puntua bilatzeko bi ekuazio/kurba hartzen dira abiapuntutzat: 1.- - ezaugarri bakarra (asetasunean lan egiten dugunaren hipotesia onartuz).- = G - S = 0 x R S Karga-zuzen estatikoa: = - /R S 18. rudia. Lan-puntuaren ebazpen grafikoa < 0 denean bakarrik balio digu, esan bezala. Zirkuitu horrek ez du asetasunean lan egitea ziurtatzen egiaztatu beharko dugu ( S > Ssat = - egiaztatu beharko dugu) 94
18. Ugaltze MOSFEarentzako zirkuitua Ugaltze MOSFEetarako da baliagarria. Aurreko zirkuituan, < 0 behar genuen, baina, honetan, > 0 betetzen da beti eta, beraz, ez da JFEentzat baliagarria; eta urritze MOSFEetarako ere ez ( G = 0). 18.3 rudia. Metakeztazko MosFetarentzako polarizazio-zirkuitua Lan-puntua bilatzeko bi ekuazio/kurba hartzen dira abiapuntutzat: 1.- - ezaugarri bakarra (asetasunean lan egiten dugunaren hipotesia).- = G - 0 = - x R 0 Karga-zuzen estatikoa: = ( - )/R S 18.4 rudia. Lan-puntuaren ebazpen grafikoa 95
Zirkuitu horrek asetasunean lan egitea ziurtatzen digu S = 0 > Ssat = - = - (Beste era batera: G = 0 < draina beti itota dago JFEetan eta Urritze MOSFetetan beti zabalik) Baldintza bakarra: > izatea (eta > 0, noski). 18.3 Polarizazio-zirkuitu orokorra FE mota guztietarako balio digu baina ez digu berez bermatzen: Ez asetasunean egotea Ez eta iturri aldean pasabiderik egotea ere. 18.5 rudia. Polarizazio-zirkuitu orokorra Hortaz, bi baldintza horiek egiaztatu beharko ditugu asetasunean egoteko. Kurbak: 1.- - ezaugarri bakarra (asetasunean lan egiten dugula onartuta).- = G - S = x R G /(R G1 +R G ) x R S K Z E: = [( x R G /(R G1 +R G )) - ] / R S 96
1 /K 18.6 rudia. Lan-puntuaren ebazpen grafikoa 1 ugaltze MOSFEean, JFEean edo urritze MOSFEean (urritze MOSFEetan, positiboetarantz pasa daiteke, JFEetan ez) Egiaztatu behar: 1.- >, (eta >0) (grafikoki egitean ez dago problemarik).- S > Ssat = - 97
98
FE RANSSOREE BURUZKO ARKEAK
300
Eremu efektuko transistoreei buruzko ariketak 1. rudian agertzen den iturriko terminaletik autopolarizatzen den zirkuituan = SS / eta = 9 izatea nahi dugu. Kalkulatu horretarako behar diren R, R S eta R G. AUA: sat = sat ( ) ezaugarria. (ma) SS = 15 ma = -8 (). Beheko ate komuneko eskeman, kalkulatu tentsio-irabazia eta sarrera eta irteerako inpedantziak ( v, Z in, Z out ). AUAK: SS = 10 ma; = -4 ; (y os = 0 µs = 0 1/Ω) 301
Eremu efektuko transistoreei buruzko ariketak 3. Kalkulatu zirkuituko polarizazio-puntua eta tentsio-irabazia. AUAK: SS = 8 ma; = -4 ; (y os = 40 µs). Eta = 0 bada? 4. rudiko zirkuituan, kalkulatu S eta balioak. JFEAREN AUAK: SS = 5 ma; PO =. 30
Eremu efektuko transistoreei buruzko ariketak 5. rudiko zirkuituan, kalkulatu tentsio-irabazia eta sarrerako inpedantzia (A v, Z in ). (g m = mω -1 = (kω) -1 ). 6. rudiko anplifikadoreak ondorengo parametroak ditu: R = 1 kω; R G = 1 MΩ; R S = 470 Ω; = 30 ; SS = 3 ma; p =.4 ; r d >> R d. Kalkulatu: a) Lan-puntua. b) Seinale txikiko tentsio-irabazia. 303
Eremu efektuko transistoreei buruzko ariketak 7. rudiko p pasabideko JFEaren parametroak, honako hauek dira: SS = 4 ma; = 4 ; Kalkulatu haren polarizazio puntua. 8. rudiko bi FEen baliokidea den FE bakarraren parametroak kalkulatu. (rudiko Fetak berdin-berdinak dira: SS, p ) 304
Eremu efektuko transistoreei buruzko ariketak 9. Zirkuituan, bi diodoak berdin berdinak dira eta beren ezaugarriak eta FEarenak beheko irudikoak dira. Kalkulatu: a) SS korrontea b) totze tentsioa c) 1 diodoaren bornetako tentsioa d) e) S 305
Eremu efektuko transistoreei buruzko ariketak 10. rudiko FEaren ezaugarriak: SS = 5 ma eta PO = 3. R = 3 kω, R S = 8 kω, = 15, SS = -8. Kalkulatu eta 0, beheko egoeretan: a) G = 0 b) G = 10 c) Zein kasutan dira handiagoak JFEaren eskualde lineal eta graduala? 11. rudiko FEaren korronteak honako ekuazio honi jarraitzen dio: = 16 1 + 4volt a) Kalkulatu lan-puntua ma b) Frogatu g m = SS betetzen dela, eta kalkulatu haren balioa p 306
Eremu efektuko transistoreei buruzko ariketak 1. SS = 8 ma, PO = 5. Lan-puntua: Q ( = ma, S = 8 ). Kalkulatu: a) R eta R S. b) entsio-irabazia. c) Beste FE bat ( SS = 9 ma eta PO = 4 ) jartzean lortzen den lan-puntu berria. 307
308 Eremu efektuko transistoreei buruzko ariketak