Sveučilište u Zagrebu Fakultet elektrotehnike i računarstva Zavod za elektroniku, mikroelektroniku, računalne i inteligentne sustave Elektronika 1 Ž. Butković, J. Divković Pukšec, A. Barić 5. Unipolarni tranzistori
Unipolarni tranzistor Aktivni element s tri priključka ulazni, izlazni i zajednički priključak promjenom napona u ulaznom krugu upravlja se strujom u izlaznom krugu primjena: pojačalo, sklopka prednost: beskonačan ulazni otpor upravljanje bez potroška snage 5. Unipolarni tranzistori
Nazivi i tipovi Nazivi unipolarni tranzistor struju vodi samo jedan tip nosilaca tranzistor s efektom polja električkim poljem (naponom) u ulaznom krugu modulira se poluvodički otpornik u izlaznom krugu FET skraćenica engleskog naziva Field Effect Transistor Tipovi MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor FET JFET spojni FET (od Junction FET) MESFET Metal-Semiconductor FET 5. Unipolarni tranzistori 3
Struktura MOSFET-a (1) Struktura n-kanalnog MOSFET-a Priključci uvod S (engl. Source) odvod D (engl. Drain) upravljačka elektroda G (engl. Gate) podloga B (engl. Body) Dimenzije budućeg kanala L dužina W širina 5. Unipolarni tranzistori 4
Struktura MOSFET-a () za n-kanal p-podloga osnovni dio strukture - MOS M metal (engl. Metal) O oksid SiO (engl. Oxide) S poluvodič (engl. Semiconductor) struja MOS strukture I G = 0 n + područja kontakti uvoda i odvoda Podloga (B) se najčešće kratko spaja s uvodom (S) 5. Unipolarni tranzistori 5
Priključak malog napona U DS Napon U DS > 0 zaporno polarizira pn-spoj odvod-podloga Između odvoda i uvoda ne teče struja Uz mali U DS jednake širine osiromašenih slojeva na stranama uvoda i odvoda 5. Unipolarni tranzistori 6
Utjecaj napona U GS formiranje kanala Napon U GS > 0 na površinu podloge ispod oksida privlači elektrone i odbija šupljine Uz dovoljno velik U GS > 0 površina postaje n-tip p inverzijski sloj n-kanal Stvaranjem n-kanala između uvoda i odvoda formira se poluvodički otpornik n-tipa Granica stvaranja kanala: U GS = U GS0 koncentracija elektrona u kanalu jednaka je koncentraciji šupljina u podlozi U GS0 napon praga 5. Unipolarni tranzistori 7
Rad uz mali napon U DS Za U GS > U GS0 i za mali napon U DS > 0 teče struja odvoda I D Za mali napon U DS > 0 pad napona u kanalu je zanemariv; MOSFET je linearni otpornik U GS0 = 1 V Povećanjem napona U GS raste koncentracija elektrona u kanalu i vodljivost kanala; MOSFET je naponom upravljani linearni otpornik 5. Unipolarni tranzistori 8
Rad uz veći napon U DS sužavanje kanala Povećanjem napona U DS nastaje pad napona u kanalu Koncentraciju elektrona u kanalu određuje: na strani uvoda U GS na strani odvoda U GD = U GS U DS Kanal se prema odvodu sužava otpor kanala raste 5. Unipolarni tranzistori 9
Rad uz veći napon U DS zatvaranje kanala Za napon U DSS = U GS U GS0 U GD =U GS0 na strani odvoda kanal se zatvara 5. Unipolarni tranzistori 10
Promjena struje I D s naponom U DS Za male napone U DS struja I D raste linearno s U DS linearno područje Za veće napone U DS < U GS U GS0 otpor kanala raste; struja I D raste sporije s U DS triodno područje DS Za U DS = U GS U GS0 = U DSS kanal se zatvara; struja postiže maksimalnu vrijednost I DS Za U DS >U GS U GS0 kanal je zatvoren; struja ostaje konstantna I D = I DS područje zasićenja 5. Unipolarni tranzistori 11
Izvod strujno-naponske karakteristike (1) U GS > U GS0, U DS < U GS U GS0 Kapacitet oksida po jedinici površine: C ox = ε ox /t ox Naboj elektrona: [ U U U ( )] dq = C (d y W ) 0 y ox GS GS Driftna struja: dq dqdy dq I = Fn vdn( y) d t = d y d t = d y v ( y) = μ F( y) = μ d U( y)/dy dn n n [ 0 ( )] I = μ C W U U U y Fn n ox GS GS Struja odvoda: I D = I Fn d U ( y ) d y 5. Unipolarni tranzistori 1
Izvod strujno-naponske karakteristike () Diferencijalna jednadžba: I D [ U U ( y) ] du ( ) d y = μ C W U 0 y n ox GS GS Integriranjem po kanalu: od y = 0 do y = L; od U(0) = 0 do U(L) = U DS ID = K ( UGS UGS0) UDS n ox L U DS W K = μ C strujni koeficijent struja I D u ti triodnom području Za U DS = U DSS = U GS U GS0 K I I U U D = DS = ( GS GS0) struja I D u području zasićenja 5. Unipolarni tranzistori 13
Izlazne karakteristike triodno područje za 0 U DS U GS U GS0 ID = K ( UGS UGS0) UDS područje zasićenja za U DS U GS U GS0 ID = IDS = K ( UGS UGS0) U DS linearno područje za mali U DS I K ) U D ( UGS UGS 0 DS obogaćeni tip U GS0 = 1 V područje zapiranja za U GS < U GS0 I D = 0 5. Unipolarni tranzistori 14
Prijenosne karakteristike za U DS =3 V područje zasićenja za U DS = 1V područje zasićenja i triodno područje za područje zasićenja nelinearna prijenosna karakteristika izlazne karakteristike nisu ekvidistantne 5. Unipolarni tranzistori 15
Veza prijenosnih i izlaznih karakteristika Prijenosne karakteristike mogu se konstruirati iz izlaznih karakteristika 5. Unipolarni tranzistori 16
Tipovi n-kanalnog MOSFET-a obogaćeni tip kanal se stvara pozitivnim naponom U GS = U GS0 osiromašeni tip vodi struju uz U GS = 0 V; kanal se zatvara negativnim naponom U GS = U GS0 n-kanalni MOSFET vodi struju uz U GS > U GS0 5. Unipolarni tranzistori 17
Električki simboli n-kanalnog MOSFET-a osiromašeni tip obogaćeni tip puna crta između uvoda i odvoda postojanje kanala uz U GS = 0 V isprekidana crta između uvoda i odvoda izostanak kanala uz U GS = 0 V strelica od p-podloge prema n-kanaluk l 5. Unipolarni tranzistori 18
Primjer 5.1 Prijenosna karakteristika MOSFET-a području zasićenja prikazana je na slici. Debljina sloja SiO iznad kanala je 0 nm, a pokretljivost većinskih nosilaca u kanalu je 400 cm /Vs a) Koliki je omjer širine i dužine kanala W/L? b) Kolika je dužina kanala L ako kapacitet upravljačke elektrode prema kanalu mora biti C G 0 ff? 5. Unipolarni tranzistori 19
p-kanalni MOSFET tehnološki presjek jednak presjeku n-kanalnog MOSFET-a uz zamjenu tipova primjesa za p-kanal n-podloga p + područja kontakti kti uvoda i odvoda 5. Unipolarni tranzistori 0
Električki simboli p-kanalnog MOSFET-a osiromašeni tip obogaćeni tip puna crta između uvoda i odvoda postojanje kanala uz U GS = 0 V isprekidana crta između uvoda i odvoda izostanak kanala uz U GS = 0 V strelica od p-kanala k l prema n-podlozi i 5. Unipolarni tranzistori 1
Tipovi p-kanalnog MOSFET-a struja je I D negativna obogaćeni ć itip kanal se stvara negativnim naponom U GS = U GS0 osiromašeni tip vodi struju uz U GS = 0 V; kanal se zatvara pozitivnim naponom U GS = U GS0 p-kanalni MOSFET vodi struju uz U GS < U GS0 5. Unipolarni tranzistori
Izlazne karakteristike p-kanalnog MOSFETa triodno područje za U GS U GS0 U DS 0 obogaćeni tip U GS0 = 1 V ID = K UGS UGS0 U područje zasićenja za U DS U GS U GS0 K ID = GS koeficijent struje U DS ( ) ( U U ) GS0 DS W K = μ p C ox L područje zapiranja za U GS > U GS0 I D = 0 5. Unipolarni tranzistori 3
CMOS struktura nmos na p-podlozi pmos u zasebnom n-otoku Zbog električke izolacije p-podloga se spaja na najniži, a n-otok na najviši potencijal u sklopu 5. Unipolarni tranzistori 4
Primjer 5. (1) MOSFET ima strujni koeficijent K iznosa 0,4 ma/v i napon praga U GS0 = 1 V. Nacrtati izlazne karakteristike ako je MOSFET a) n-kanalni, b) p-kanalni. a) U V 1 0 1 3 GS, U GS U GS0, V 0 1 3 4 I D, ma 0 0 0, 08 0,8 18 1,8 3 3, b) U V 1 3 4 5 GS, U GS U GS0, V 0 1 3 4 I D, ma 0 0, 0,8 1,8 3, 5. Unipolarni tranzistori 5
Primjer 5. () 5. Unipolarni tranzistori 6
Porast struje u zasićenju n-kanalni MOSFET obogaćenog tipa U GS0 = 1 V 5. Unipolarni tranzistori 7
Modulacija dužine kanala Točka dodira pomiče se prema uvodu Kanal se skraćuje U kanalu elektroni se ubrzavaju naponom U DS = U DSS = U GS U GS0 U području zasićenja struja I D raste s naponom U DS I D 1 ox GS UGS0) = μn C W ( U L ΔL = I DS 1 1 ( ΔL / L) 5. Unipolarni tranzistori 8
Struktura spojnog FET-a Struktura n-kanalnog JFET-a Priključci uvod S odvod D upravljačka elektroda G druga upravljačka elektroda G Kanal L dužina W širina a tehnološka debljina 5. Unipolarni tranzistori 9
Električki simboli JFET-a n-kanalni p-kanalni strelica od p-tipa prema n-tipu poluvodiča za n-kanalni od p-upravljačke elektrode prema n-kanalu za p-kanalni k l i od p-kanala k l prema n-upravljačkoj j elektrodi 5. Unipolarni tranzistori 30
Napon dodira i linearno područje rada U GS < 0 zaporno polarizira pn-spoj upravljačka elektroda-kanal Uz mali U DS zanemariv pad napona u kanalu Povećanjem iznosa U GS osiromašena područja se šire kanal se sužava Za U GS = U P kanal se zatvara U P napon dodira Za mali napon U DS JFET je linearni otpornik I D = G 0 1 U U K K U U GS P 1/ U DS U K kontaktni potencijal upravljačka elektroda-kanal G 0 vodljivost potpuno otvorenog kanala 5. Unipolarni tranzistori 31
Rad uz veći napon U DS Povećanjem napona U DS nastaje pad napona u kanalu pn-spoj upravljačka elektroda-kanal kanal jače se zaporno polarizira na strani odvoda Kanal se prema odvodu sužava otpor kanala raste Struja I D sve sporije raste s naponom U DS triodno područje I D = G U U 3/ 3/ U DS UK UGS + UDS UK UGS 3 U K U P UK UP UK U K P 0 3 P Struja I D mijenja se s naponima U DS i U GS 5. Unipolarni tranzistori 3
Zatvaranje kanala Za napon U DSS = U GS U P U GD = U P kanal se na strani odvoda zatvara Struja postiže maksimalnu vrijednost I D = I DS područje zasićenja I D = I DS U K UP UK UGS U = G0 1 3 + U K UP U U U GS 3 K P K 3/ Struja I D mijenja se samo s naponom U GS 5. Unipolarni tranzistori 33
Modulacija dužine kanala Točka dodira pomiče se prema uvodu Kanal se skraćuje U kanalu elektroni se ubrzavaju naponom U DS = U DSS = U GS U P U području zasićenja struja I D raste s naponom U DS I D = I DS L L ΔL 5. Unipolarni tranzistori 34
Karakteristike JFET-a prijenosna karakteristika izlazne karakteristike I DSS maksimalna struja JFET-a za U DS = U DSS < U GS U P triodno područje za U DS = U DSS > U GS U P područje zasićenja 5. Unipolarni tranzistori 35
JFET u području zasićenja JFET se najviše koristi u pojačalima radi u području zasićenja Umjesto točnog i nepraktičnog izraza u sklopovskoj analizi koristi se jednostavniji izraz U ID = IDS = IDSS 1 U GS P puna crta točan izraz crtkano jednostavniji izraz 5. Unipolarni tranzistori 36
MESFET Radi se u galij-arsenidu velika brzina rada Sličan JFET-u Upravljačka elektroda- kanal je ispravljački spoj metal-poluvodič Za ispravan rad U GS < 0 5. Unipolarni tranzistori 37
Temperaturna svojstva FET-ova MOSFET porastom temperature smanjuju se K i U GS0 JFET - porastom temperature smanjuje se pokretljivost i sužavaju osiromašeni slojevi Kod obje vrste FET-ova porastom temperature t pri manjim strujama struja I D se povećava, a pri većim strujama se smanjuje 5. Unipolarni tranzistori 38
Proboji FET-ova MOSFET lavinski proboj spoja odvod-podloga prohvat proboj oksida JFET lavinski proboj spoja odvod-kanal; uz probojni napon U B proboj nastupa uz U DS = U B + U GS 5. Unipolarni tranzistori 39
Dinamički parametri FET-a Opisuju odnose malih izmjeničnih veličina u režimu malog signala Uz mali signal: i D = f(u GS, u DS ) di D i i D D = dugs + duds i d = gm ugs + gd uds ugs uds Dinamički ički parametri: strmina g m di D i = = du u GS u DS d = konst gs u = 0 ds izlazna dinamička vodljivost g d did = = du DS u GS i u = konst ds u = 0 d gs izlazni dinamički otpor r d 1 = g d 5. Unipolarni tranzistori 40
Model FET-a za mali signal Koristi se u području zasićenja Drugi oblik Slijedi iz: i d = g m u gs + u ds /r d u ds = μu gs + r d i d, μ = g m r d faktor naponskog pojačanja duds u μ = = du u GS i D ds = konst gs i = 0 d Za neopterećen izlaz i d = 0 maksimalno naponsko pojačanje j FET-a u ds = g m r d u gs = μ u gs 5. Unipolarni tranzistori 41
Model za visoke frekvencije Kapaciteti C gs i C gd : za MOSFET kapacitet MOS strukture za JFET kapacitet zaporno polariziranih pn-spojeva za MESFET kapacitet zaporno polariziranog spoja metal-poluvodič 5. Unipolarni tranzistori 4
Grafičko određivanje dinamičkih parametara (1) Strmina: g m = Δi Δu D GS U DS = konst 5. Unipolarni tranzistori 43
Grafičko određivanje dinamičkih parametara () Izlazni dinamički otpor: r d = Δ Δi u DS D U GS = konst 5. Unipolarni tranzistori 44
Analitičko određivanje dinamičkih parametara (1) Strmina: MOSFET K id = ( ugs UGS0) di D gm = = K ( UGS UGS0 ) = K I du JFET GS ( ) D i D u 1 GS UP = IDSS P g m = di du D GS = I U DSS P U 1 U GS P = U P I DSS I D 5. Unipolarni tranzistori 45
Analitičko određivanje dinamičkih parametara () Izlazni dinamički otpor: MOSFET model nagiba izlaznih K g = di K = λ U U karakteristika u području zasićenja i D = ( u GS U GS 0 ) ( 1 + λ u DS ) JFET i D g ( ) D d GS GS0 duds d u = I DSS 1 UP GS 1 ( 1 + λ u ) di D U = = λ IDSS 1 d u DS U DS GS P za oba FET-a r d 1 1+ λu DS 1 = = g λ I λ I d D D 5. Unipolarni tranzistori 46
Primjer 5.3 Parametri n-kanalnog MOSFET-a su koeficijent K = 80 μa/v, napon praga U Vi 005 GS0 = i faktor modulacije dužine kanala λ = 0,005 V -1. FET radi s naponom U GS = 5 V. Izračunati struju odvoda I D, strminu g m, izlazni dinamički otpor r d i faktor naponskog pojačanja μ uz: a) U DS1 = (U GS U GS0 )/, b) U DS = (U GS U GS0 ). 5. Unipolarni tranzistori 47
Primjer 5.4 Napon praga p-kanalnog MOSFET-a je U GS0 = 1,5 V. Kada MOSFET radi u području zasićenja pri naponu U GS = 4Vvodi4 V struju od 1 ma. Koliki su napon U GS i strmina g m tog FET-a u području zasićenja uz struju od 4mA? Zanemariti porast struje odvoda u području zasićenja. 5. Unipolarni tranzistori 48
Primjer 5.5 Izlazne karakteristike nekog realnog MOSFET-a, dobivene mjerenjem, prikazane su na slici. a) U radnoj točki A odrediti dinamičke parametre: strminu g m, izlazni dinamički otpor r d i faktor naponskog pojačanja μ. b) Odrediti parametar modulacije dužine kanala λ koji aproksimira nagib izlaznih karakteristika u području zasićenja. c) Korištenjem parametra λ izračunati izlazni dinamički otpor za U DS = 7 V i za sva ti tri napona U GS sa slike. 5. Unipolarni tranzistori 49
Pregled bitnih jednadžbi (1) MOSFET strujno naponske karakteristike područje zapiranja I D = 0 za U GS < U GS0 (n-kanalni) i za U GS > U GS0 (p-kanalni) triodno područje U I K U U U U U U DS D = ( GS GS 0) DS za 0 DS GS GS 0 područje zasićenja za U DS U GS U GS0 I = I = K ( U U ) za U U U D DS GS GS 0 DS GS GS 0 strujni koeficijent = μ W K Cox L 5. Unipolarni tranzistori 50
Pregled bitnih jednadžbi () MOSFET dinamički parametri struja odvoda id = K ( ugs UGS 0 ) ( 1+λ uds ) strmina did gm = = K( UGS UGS0 ) = K ID uz λuds << 1 du GS izlazni dinamički otpor di K 1 1 + λu g = = λ U U r = = ( ) D DS d GS GS0 d d uds gd λ ID faktor naponskog pojačanja μ = g m r d 5. Unipolarni tranzistori 51