Τα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET) Σπύρος Νικολαΐδης Αναπληρωτής Καθηγητής Τομέας Ηλεκτρονικής & ΗΥ Τμήμα Φυσικής

Τα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET) Σπύρος Νικολαΐδης Αναπληρωτής Καθηγητής Τομέας Ηλεκτρονικής & ΗΥ Τμήμα Φυσικής

Τα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου Τα πιο βασικά στοιχεία δομής των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων Οι φορείς του ηλεκτρικού ρεύματος για τα FET είναι μόνο ενός είδους, δηλ. ηλεκτρόνια ή οπές (μονοφυούς αγωγιμότητας) Έλεγχος μέσω επίδρασης ήλεκτρικού πεδίου που δημιουργείται με αντίστοιχη τάση στην πύλη Χρησιμοποιούνται ευρύτατα κυρίως στα ψηφιακά κυκλώματα (τεχνολογία CMOS) Πλεονεκτήματα Πυκνή δόμηση σε ολοκληρωμένα κυκλώματα Υψηλή αντίσταση εισόδου Μικρή ευαισθησία στο θόρυβο Δύο τύπου FET: JFET (αντίσταση εισόδου: 10ΜΩ), MOSFET (αντιστ. εισ. 10GΩ)

Το FET επαφής (JFET) κανάλι n p Δεν υπάρχει φυσική διαφορά μεταξύ πηγής απαγωγού Η φορά του ρεύματος μέσα στο δίαυλο καθορίζει τα S και D Το άκρο από όπου φαίνεται να πηγάζουν οι φορείς αποτελεί τον ακροδέκτη της πηγής Όταν υπάρχει εναλλαγή πολικότητας της πηγής τροφοδοσίας τα S και D θα εναλλάσσονται Η πόλωση μεταξύ S και G πρέπει να διατηρεί την επαφή pn σε ανάστροφη πόλωση

ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΠΕΔΙΟΥ πύλη πηγή n p απαγωγός p πύλη

ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΠΕΔΙΟΥ V GS πύλη πηγή n p ------------ > ΡΟΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ απαγωγός p πύλη I D Vp = ΤΑΣΗ ΦΡΑΓΗΣ V DS

ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΠΕΔΙΟΥ V GS πύλη πηγή n p απαγωγός p πύλη I D V DS

Αρχή λειτουργίας του JFET και χαρακτηριστικές καμπύλες Δυναμικό εκφόρευσης V p =u GSp εκείνο για το οποίο το κανάλι κλείνει (έχει απομακρυνθεί όλο το κινητό φορτίο) Περιοχή κατάρευσης Προοδευτική αύξηση δυναμικού Γραμμική περιοχή Περιοχή κόρου Κίνηση φορέων

Η χαρακτηριστική μεταφοράς Σχέση ρεύματος i D και τάσης u GS i D I DSS u V GS 1 p 2 Υπάρχει μια μικρή αύξηση του ρεύματος με την u DS u GS i I 1 1 u V p D DSS DS 2

ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor FET Πηγή Πύλη Απαγωγός Υπόστρωμα (σώμα)

ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ MOSFET Υπόστρωμα Κανάλι Διάχυση Κάτοψη Πολυκρυσταλλικό πυρίτιο Ενεργός περιοχή Μέταλλο Επαφές

Τα FET μονωμένης πύλης (MOSFET) Στα MOSFET η πύλη διαχωρίζεται από το δίαυλο μέσω ενός μονωτικού στρώματος SiO 2 μεγάλης αντίστασης Τρανζίστορ διακένωσης ή αραίωσης Σύμβολα για το nmos διακένωσης

Τρανζίστορ διακένωσης n + n + P-τύπου Το κανάλι είναι προκατασκευασμένο με ιοντική εμφύτευση. Η τάση κατωφλίου είναι αρνητική. Για V gs =0 υπάρχει ροή ρεύματος εφόσον V ds >0

Το MOSFET προσαύξησης Δεν υπάρχει πρόσμιξη μεταξύ της πηγής και του απαγωγού για τη δημιουργία του διαύλου Ο δίαυλος σχηματίζεται επαγωγικά με την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου Το δυναμικό στο δίαυλο αυξάνεται καθώς προχωρούμε προς τον απαγωγό Το εύρος του διαύλου μηδενίζεται για u DS =u GS -V T

ΑΝΑΣΤΡΟΦΗ n + n + P-τύπου όταν V gs >V T Λευκή περιοχή Το υπόστρωμα πρέπει να βρίσκεται στο χαμηλότερο δυναμικό (P-τύπου) για να εξασφαλίζεται η ανάστροφη πόλωση μεταξύ των επαφών πηγής/απαγωγού και υποστρώματος. V sb =0 όλες οι τάσεις θα σχετίζονται με την τάση πηγής. δημιουργία καναλιού (μπλε περιοχή μεταξύ πηγής και απαγωγού) περιοχή αραίωσης Δυνατότητα ροής φορέων από την πηγή προς τον απαγωγό εάν V ds >0 Δυναμικό απαγωγής θετικότερο από δυναμικό πηγής (συμμετρία!!!)

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ Κοντά στον απαγωγό η τάση που είναι υπεύθυνη για την αναστροφή είναι V gd =V gs V ds και κατά συνέπεια μικρότερη από ότι κοντά στην πηγή. Το κανάλι έχει τη συμπεριφορά γραμμικής αντίστασης εξ ου και η ονομασία γραμμική ή ωμική περιοχή.

ΣΤΕΝΕΜΑ ΤΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ Pinch - off Εάν η V ds αυξηθεί μέχρι του σημείου που V ds = V gs V Τ τότε δεν υπάρχει τάση κοντά στον απαγωγό ικανή για τη δημιουργία στρώσης αναστροφής. Το κανάλι στενεύει στην περιοχή του απαγωγού

ΠΕΡΙΟΧΗ ΚΟΡΟΥ Εάν η V ds αυξηθεί επί πλέον προκαλεί επιβράχυνση του καναλιού με μετακίνηση του σημείου pinch-off προς την πηγή. Η τάση στο σημείο pinch-off είναι πάντοτε V ds = V gs V Τ. Όταν τα ηλεκτρόνια φθάνουν από την πηγή στο σημείο pinch-off, εγχύονται στην περιοχή αραίωσης και το ηλεκτρικό πεδίο στην περιοχή αυτή έλκει τα ηλεκτρόνια προς τον απαγωγό.

Το MOSFET προσαύξησης Για μικρές τιμές της u DS, το ρεύμα είναι ανάλογο της u DS, ενώ για τιμές u DS >u GS -V T όπου κλείνει ο δίαυλος, το ρεύμα του απαγωγού i D παμένει σχεδόν σταθερό (περιοχή κόρου) Όταν u GS V T τότε i D =0, όπου V T η τάση κατωφλίου Σύμβολα για το nmos προσαύξησης

Χαρακτηριστικές εξόδου MOSFET προσαύξησης Γραμμική Περιοχή Σημείο pinch-off Περιοχή κόρου Περιοχή αποκοπής

Χαρακτηριστικές εξόδου-λειτουργία του MOSFET προσαύξησης

Εξισώσεις του ρεύματος Οι μαθηματικές εκφράσεις που μοντελοποιούν τη λειτουργία των FET είναι για όλα τα τρανζίστορ αυτά παρόμοιες Για το MOSFET προσαύξησης στο κόρο έχουμε 2 i K u V D GS T Λαμβάνοντας υπόψη την επίδραση της u DS στο ρεύμα, έχουμε Για τη γραμμική περιοχή το ρεύμα είναι ανάλογο της τάσης u DS για μικρές τιμές της τάσης αυτής Για μεγαλύτερες τιμές ισχύει Cox W K 2 L 2 1 i K u V u D GS T DS 2 2 i K u V u u D GS T DS DS Για u DS =u GS -V T 2 id KuDS Διαχωρίζει τη γραμμική περιοχή από τον κόρο

Φαινόμενο διαμόρφωσης καναλιού

Χαρακτηριστική μεταφοράς Το ρεύμα του απαγωγού συναρτήσει της τάσης πύλης-πηγής διακένωσης προσαύξησης

MOSFET καναλιού-p p + L N-τύπου p + Προσαύξησης Διακένωσης

Προστασία της πύλης των MOSFET Το στρώμα του SiO 2 είναι πάρα πολύ λεπτό και είναι δυνατό να διατρηθεί από τη διαφορά δυναμικού μεταξύ πύλης και διαύλου όταν αυτή υπερβεί κάποια τιμή Η διαφορά δυναμικού μπορεί να προκύψει και από στατικά φορτία όταν η πύλη είναι ελεύθερη Για προστασία του MOSFET κατασκευάζεται μέσα σε αυτό δίοδος zener μεταξύ πύλης και υποστρώματος Έτσι το δυναμικό της πύλης δεν μπορεί να υπερβεί το δυναμικό zener Η τοποθέτηση της zener μειώνει την αντίσταση πύλης του MOSFET

Το αποτέλεσμα της πόλωσης του υποστρώματος (Body Effect) Όταν υπάρχει διαφορά δυναμικού μεταξύ πηγής και υποστρώματος αυξάνεται η τάση κατωφλίου Φαινόμενο body effect Όλες οι χαρακτηριστικές μετατοπίζονται

Τεχνολογία CMOS Ύπαρξη n και p διαύλου τρανζίστορ στο ίδιο ολοκληρωμένο κύκλωμα Τα δυναμικά V SS και +V DD εξασφαλίζουν την ανάστροφη πόλωση των pn επαφών

Το VMOSFET Μεγάλες τιμές λόγου W/L Χρησιμοποιείται ως στοιχείο ισχύος

Παράμετροι των FET και ισοδύναμα κυκλώματα Το ρεύμα i D είναι συνάρτηση των τάσεων u DS και u GS i f ( u, u ) D GS DS Αν θεωρήσουμε μεταβολές στις u DS και u GS, έχουμε: Θέτωντας g m GS u DS i i i u u D D D GS DS ugs u u DS u DS i i, u u, u u D d GS gs DS ds id i uds uds D rd u u id i u D GS ugs GS Διαγωγιμότητα u DS GS Δυναμική αντίσταση απαγωγού Προκύπτει για το ρεύμα 1 i g u u r d m gs ds d

Το ισοδύναμο κύκλωμα για τις χαμηλές συχνότητες Είναι απλούστερο του αντίστοιχου για το BJT Συντελεστής ενίσχυσης u u u u u u DS DS ds GS i GS i gs i D D d 0 g r m d Υπολογισμός των παραμέτρων από τις χαρακτηριστικές του FET

Η διαγωγιμότητα g m Η διαγωγιμότητα g m είναι η κλίση της χαρακτηριστικής μεταφοράς i D =f(u GS ) και εξαρτάται από την u GS Για MOSFET διακένωσης προσαύξησης u GS id IDSS 1 V p did 2I DSS u GS 1 dugs V p V p g di u V g g V 2I DSS ID gm0 gm gm0 V IDSS 2 D GS m GS GS m m0 1 du GS Vp p Για MOSFET 2 i K u V D GS T did gm 2 K( VGS VT ) du GS ID gm 2K 2 KI K D

Η αντίσταση του διαύλου r d u GS i I 1 1 u V p D DSS DS 2 di D u GS id IDSS 1 du V 1 u DS p DS 2 u 1 i I r DS D D d 1 I D Το ρεύμα πόλωσης καθορίζει την αντίσταση του καναλιού (για όλα τα MOSFET)

Ισοδύναμο κύκλωμα του FET για τις υψηλές συχνότητες Στις υψηλές συχνότητες παίζουν ρόλο και οι παρασιτικές χωρητικότητες που περιορίζουν σημαντικά τις επιδόσεις C ds 0,1-1pF C gd,c gs 1-10pF Χωρητικότητα εισόδου uds Ci Cgs (1 Ku ) Cgd ό Ku u (από θεώρημα Miller) gs