Sveučilište u Zagrebu Fakultet elektrotehnike i računarstva Zavod za elektroniku, mikroelektroniku, računalne i inteligentne sustave Elektronika 1R 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 Izvedba MOSFET Metal-Oxide-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
Temperaturna svojstva MOSFET-a MOSFET porastom temperature smanjuju se K i U GS0 Porastom temperature pri manjim strujama struja I D se povećava, aprivećim strujama se smanjuje 5. Unipolarni tranzistori 9
Proboji MOSFET-a MOSFET lavinski proboj spoja odvod-podloga prohvat proboj oksida 5. Unipolarni tranzistori 30
Dinamički parametri MOSFET-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 31
Model MOSFET-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 MOSFET-a u ds = g m r d u gs = μ u gs 5. Unipolarni tranzistori 3
Model za visoke frekvencije Kapaciteti C gs i C gd kapacitet MOS strukture 5. Unipolarni tranzistori 33
Grafičko određivanje dinamičkih parametara (1) Strmina: g m = Δi Δu D GS U DS = konst 5. Unipolarni tranzistori 34
Grafičko određivanje dinamičkih parametara () Izlazni dinamički otpor: r d = Δ Δi u DS D U GS = konst 5. Unipolarni tranzistori 35
Analitičko određivanje dinamičkih parametara (1) Strmina: K id = ( ugs UGS0) di D gm = = K ( UGS UGS0 ) = K I du GS ( ) D 5. Unipolarni tranzistori 36
Analitičko određivanje dinamičkih parametara () Izlazni dinamički otpor: model nagiba izlaznih karakteristika u području zasićenja i D K = GS GS0 1 ( u U ) ( + λ u ) DS di i K ( ) g = = λ U U D d GS GS0 duds r d + λu DS 1 1 1 = = g λ I λ I d D D 5. Unipolarni tranzistori 37
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 38
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 39
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 40
Pregled bitnih jednadžbi (1) 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 41
Pregled bitnih jednadžbi () 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 4