elektronske komponente -...

Elektronskekomponente

MOS tranzistor

Struktura i principrada

Struktura

Princip rada

Tehnološka realizacija

(informativno)

Elektricnekarakteristike

Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage

Tranzistor kaoprekidac

CMOS invertor

Tranzistor kaopojacavac

Fotonaponski relej

Završne napomene

Elektronske komponente

MOS tranzistor

Univerzitet u Nišu, Elektronski fakultetKatedra za mikroelektroniku

Zoran Prijic – predavanja 2014.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Sadržaj

Struktura i princip rada

Struktura

Princip rada

Tehnološka realizacija (informativno)

Elektricne karakteristike

Strujno–naponske karakteristike

Proboj

Disipacija snage

Tranzistor kao prekidac

CMOS invertor

Tranzistor kao pojacavac

Fotonaponski relej

Završne napomene


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Definicija

MOS tranzistor (metal oxide semiconductor – MOS) je po-

luprovodnicka komponenta koja se tehnološki realizuje sa

cetiri elektrode. Elektrode se nazivaju sors, drejn, gejt i sup-

strat (source, drain, gate, bulk). U zavisnosti od tehnološke

realizacije, razlikuju se dve vrste MOS tranzistora:

NMOS tranzistor

PMOS tranzistor

Tranzistor se naziva i MOSFET (MOS Field Effect Tranzis-

tor), odnosno MOS tranzistor sa efektom polja.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Elektricni simboli(a) NMOS tranzistor; (b) PMOS tranzistor

Uobicajena slovna oznaka za MOS tranzistor u elektricnim

šemama je T.

Elektroda supstrata je na šematskom simbolu oznacena stre-

licom, a u najvecem broju slucajeva je tehnološki kratko-

spojena sa elektrodom sorsa, pa se ne pojavljuje kao zase-

ban izvod.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

StrukturaStruktura i osnovna polarizacija NMOS (a) i PMOS (b) tranzistora.

MOS tranzistor se sastoji od dva simetricna p–n spoja: sors–

supstrat i drejn–supstrat. Izmedu ova dva spoja, na sups-

tratu se nalazi sloj silicijum dioksida (SiO2), koji je elek-

tricni izolator. Na silicijum dioksidu se nalazi sloj metala

koji predstavlja gejt. Struktura metal–SiO2–supstrat pred-

stavlja MOS strukturu.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

StrukturaDefinicija geometrijskih parametara.

Dimenzije gejta su L×W, dok je debljina sloja silicijum diok-

sida dox. Sloj silicijum dioksida se uobicajeno naziva oksid

gejta (gate oxide).


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

StrukturaPolarizacija

Smisao polarizacije sastoji se u tome da omoguci protok

naelektrisanja kroz tranzistor, od sorsa prema drejnu, pri

cemu se intenzitet tog protoka kontroliše preko gejta. Da

bi se to postiglo potrebna su dva izvora napajanja, jedan na

gejtu i drugi na drejnu. Ako je zajednicka elektroda sors,

tada su naponi na gejtu i drejnu VGS i VDS, respektivno. Nor-

malna polarizacija NMOS tranzistora podrazumeva da su

naponi VGS i VDS pozitivni, dok je kod PMOS tranzistora

obrnuto.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Sadržaj


Struktura

Princip rada




Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Princip radaPolarizacija NMOS tranzistora: (a) osiromašenje; (b) inverzija.

Kod NMOS tranzistora je supstrat poluprovodnik p–tipa,

što znaci da su unutar njega vecinski nosioci naelektrisa-

nja šupljine, a manjinski nosioci elektroni.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Princip radaOsiromašenje

Kada je napon VDS = 0, porast napona VGS

uspostavice transverzalno elektricno polje ~E preko

oksida gejta.

Pod dejstvom ovog polja, šupljine neposredno ispod

oksida gejta bivaju odgurnute ka dubini supstrata,

ostavljajuci za sobom negativne akceptorske jone.

Na taj nacin se ispod gejta stvara osiromašena oblast

(depletion layer), pa se ovaj proces naziva

osiromašenje.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Princip radaInverzija

Sa daljim porastom napona VGS intenzitet

transverzalnog elektricnog polja ~E postaje dovoljan

da privlaci elektrone iz supstrata, tako da se oni

gomilaju neposredno ispod površine oksida gejta.

Na taj nacin se formira sloj elektrona koji se naziva

invertovani sloj (inversion layer).

Ovaj proces se naziva inverzija, jer suštinski odgovara

situaciji u kojoj je supstrat neposredno ispod površine

gejta invertovan iz poluprovodnika p–tipa u

poluprovodnik n–tipa.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Princip radaNapon praga, kanal

Napon VGS pri kome dolazi do inverzije zove se napon

praga (threshold voltage) i oznacava se sa VT!

Invertovani sloj predstavlja kanal (channel), koji je u

stvari provodni put izmedu sorsa i drejna.

Sa porastom napona VDS duž kanala se uspostavlja

lateralno elektricno polje.

Pod dejstvom ovog polja, kroz kanal se uspostavlja

protok elektrona od sorsa ka drejnu, pa kroz

tranzistor tece struja drejna ID.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Princip radaUslovi provodenja struje kroz: (a) NMOS tranzistor; (b) PMOS tranzistor.

Kod MOS tranzistora u provodenju struje ucestvuje samo

jedna vrsta nosilaca naelektrisanja (kod NMOS-a elektroni,

a kod PMOS-a šupljine). Zbog toga je MOS tranzistor uni-

polarna poluprovodnicka komponenta.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Princip radaUslovi provodenja

NMOS tranzistor provodi struju kada je napon VDS

pozitivan, a napon VGS pozitivan i veci od napona

praga VT.

PMOS tranzistor provodi struju kada je napon VDS

negativan, a napon VGS negativan i po apsolutnoj

vrednosti veci od napona praga VT.

Primer:

Ako je napon praga NMOS tranzistora VT = 2V, tada ce on

provoditi struju kada je npr.: VGS = 3V i VDS = 5V.

Ako je napon praga PMOS tranzistora VT = −2 V, tada ce

on provoditi struju kada je npr.: VGS = −3 V i VDS = −5 V.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Princip radaNMOS (a) i PMOS tranzistor (b) u konfiguraciji sa zajednickim sorsom.

Mogu se razlikovati ulazno i izlazno kolo, sa referencom na

zajednicku elektrodu. Pošto je zajednicka elektroda sors,

ulazno kolo se u ovom slucaju naziva kolo gejta, a izlazno

kôlo drejna.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene


Napon na gejtu se može posmatrati kao kontrolni para-

metar u ulaznom kolu, pomocu koga se upravlja strujom

drejna u izlaznom kolu. Mala promena napona na gejtu iz-

aziva veliku promenu struje drejna, pa se tranzistor može

posmatrati kao pojacavac struje.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene


Pored toga, kada je napon na gejtu manji od napona praga,

tada nema ni struje drejna, pa se tranzistor može posma-

trati kao prekidac. Kao zakljucak se može izvesti:

Dva osnovna nacina primene MOS tranzistora su:

pojacavac i prekidac.

Pored konfiguracije sa zajednickim sorsom, moguce su i

konfiguracije sa zajednickim gejtom, kao i sa zajednickim

drejnom.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Sadržaj


Struktura

Princip rada




Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Tehnološka realizacijaIlustracija tehnološke realizacije MOS tranzistora kao diskretne

komponente

Protok struje kroz komponentu je vertikalan, tako da se ova

struktura naziva VDMOS (Vertical Double diffused MOS).


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Tehnološka realizacijaUgradena dioda kod MOS tranzistora kao diskretne komponente

S obzirom da su p–oblast i n+ sors korišcenjem metalizacije

kratko spojeni, to se u strukturi pojavljuje ugradena dioda.

Ova dioda se naziva body–drain dioda i elektricno se ma-

nifestuje kao da je povezana izmedu sorsa i drejna.

Elektricni simboli (a) NMOS i (b) PMOS tranzistora sa ugra-

denom diodom.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Tehnološka realizacijaIlustracija tehnološke realizacije CMOS invertora u integrisanim kolima

MOS integrisana kola se tehnološki realizuju tako da na is-

tom cipu sadrže NMOS i PMOS tranzistore. Osnovni razlog

za ovo je mogucnost formiranja elektricnog kola koje se na-

ziva CMOS (Complementary MOS) invertor1.

1Videti pod: CMOS invertor


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Tehnološka realizacijaTehnološka realizacija CMOS invertora u integrisanim kolima

NMOS tranzistor se realizuje unutar posebne p–oblasti u n–

supstratu. Izolacija izmedu tranzistora se postiže pomocu

SiO2, koji delom zalazi u supstrat. Elektricna konfiguracija

CMOS invertora zahteva da drejn NMOS tranzistora i drejn

PMOS tranzistora budu kratkospojeni, što se postiže me-

talizacijom. Slicno, gejt NMOS i gejt PMOS tranzistora su

kratkospojeni, što se postiže posebnim kontaktima (u trecoj

dimenziji strukture). Tipicna dužina kanala CMOS tranzis-

tora je par desetina nm, a debljina oksida gejta par nm.

Ovako male dimenzije omogucavaju veliku gustinu pako-

vanja komponenata po jedinici površine. Današnja CMOS

integrisana kola mogu sadržati i do nekoliko stotina mili-

ona tranzistora po cm2, pri cemu je smanjivanje dimenzija

tranzistora kontinualan proces.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

PakovanjaPakovanja MOS tranzistora

MOS integrisana kola i diskretni tranzistori u kucištima:

DIL-14, TQFP-64, SOIC-14, TO-92, TO-220 (s leva na desno).

MOS tranzistori i integrisana kola su komponente koje su veoma

osetljive na elektrostaticko pražnjenje, koje tipicno dovodi do de-gradacije oksida gejta. Zbog toga je pri manuelnom rukovanju

obavezno uzemljenje operatera!


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Podela

Diskretni MOS tranzistori se prema nameni mogu uopšteno

podeliti na:

tranzistore opšte namene (general purpose

MOSFETs),

tranzistore za rad na visokim ucestanostima (RF

MOSFETs),

tranzistore snage (power MOSFETs).

MOS integrisana kola se prema nameni mogu uopšteno po-

deliti na:

analogna,

digitalna.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Sadržaj


Struktura

Princip rada




Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Elektricne karakteristikeStrujno–naponske karakteristike

Strujno–naponske karakteristike MOS tranzistora standardno

predstavljaju skup zavisnosti struje drejna od napona na

gejtu i drejnu.

Kada je napon na gejtu NMOS tranzistora veci od napona

praga, a napon na drejnu jednak nuli, tada je izmedu sorsa

i drejna formiran kanal. Dovodenjem malog pozitivnog na-

pona na drejn, kroz tranzistor pocinje da tece struja cija je

jacina:

ID ≃ k(VGS − VT)VDS , (1)

pri cemu je:

k= µn

W

LC′ox [A V−2] . (2)


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene


U izrazu (2) je µn pokretljivost elektrona u kanalu2, a C′ox

je kapacitivnost oksida gejta po jedinici površine:

C′ox =ǫox

dox

[F cm−2] . (3)

Dielektricna konstanta SiO2 je ǫox = ǫrǫ0 = 3, 9ǫ0 i njena

vrednost iznosi 3.45× 10−13 F cm−1.

Za male napone na drejnu, kanal se može posmatrati kao

otpornik, cija je specificna otpornost odredena koncentra-

cijom elektrona u invertovanom sloju. Struja drejna je line-

arno proporcionalna promeni napona na drejnu, što opisuje

izraz (1).

2Kod PMOS tranzistora je µp, odnosno pokretljivost šupljina u

kanalu.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene


Dalji porast napona na drejnu uzrokuje širenje

osiromašene oblasti inverzno polarisanog p–n spoja

drejn-supstrat. S obzirom da je koncentracija primesa u supstratu

manja nego u drejnu, to se osiromašena oblast mnogo

više širi na stranu supstrata, nego na stranu drejna. Zbog toga se smanjuje i koncentracija elektrona u

invertovanom sloju, neposredno uz drejn.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene


Struja drejna nije više linearno proporcionalna naponu na

drejnu, jer otpornost kanala lagano raste:

ID = k

(VGS − VT)VDS −1

2V2

DS

(4)

Oblast rada koja se opisuje izrazom (4) naziva se triodna

oblast (triode region). Unutar triodne oblasti, za male na-

pone na drejnu, nalazi se linearna oblast, koja se opisuje

izrazom (1).


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene


Dalji porast napona na drejnu sve više širi

osiromašenu oblast inverzno polarisanog p–n spoja

drejn–supstrat, „potiskujuci“ na taj nacin kanal od

drejna.

Napon na gejtu više nije dovoljan da održava

koncentraciju elektrona u invertovanom sloju

neposredno uz drejn, pa dolazi do prekida kanala.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene


Prekid kanala ne znaci da kroz tranzistor prestaje da

tece struja. Elektroni kroz osiromašenu oblast od

kraja kanala do drejna prolaze privuceni elektricnim

poljem sa drejna.

Medutim, struja drejna prestaje da raste sa porastom

napona na drejnu i tranzistor ulazi u oblast zasicenja

(saturation region).

Napon na drejnu pri kome tranzistor ulazi u oblast

zasicenja je:

VDS(sat) = VGS − VT . (5)


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene


U oblasti zasicenja struja drejna se može opisati izrazom:

ID =1

2k(VGS − VT)

2 . (6)

Može se zakljuciti:

MOS tranzistor ce biti u zasicenju za svaku vrednost

napona na drejnu za koju je ispunjen uslov:

|VDS| ≥ |VGS − VT| . (7)


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Elektricne karakteristikeStrujno–naponske karakteristike: Izlazne karakteristike


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Elektricne karakteristikeStrujno–naponske karakteristike: Prenosna karakteristika

Za svaku konkretnu vrednost napona VDS može se nacrtati

kriva koja predstavlja zavisnost struje drejna od napona na

gejtu. Ova kriva naziva se prenosna karakteristika MOS

tranzistora:


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Uticaj temperature

Sa porastom temperature opadaju i napon praga i

pokretljivost nosilaca u kanalu.

Za male napone na gejtu dominira pad napona praga,

pa struja drejna raste.

Za vece napone na gejtu dominira pad pokretljivosti

nosilaca u kanalu, pa struja drejna opada.

Za jednu vrednost napona na gejtu efekti se

medusobno kompenzuju i time je odredena tacka u

kojoj se prenosne karakteristike presecaju. Ova tacka

naziva se tacka nultog temperaturnog koeficijenta

(Zero Temperature Coefficient – ZTC).


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Sadržaj


Struktura

Princip rada




Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Elektricne karakteristikeProboj

Napon VDS se u oblasti zasicenja može povecavati sve dok

kod p–n spoja drejn–supstrat ne nastupi proboj. Tada do-

lazi do naglog porasta struje ID.

MOS tranzistor se normalno ne polariše tako da bude u

oblasti proboja, koji po njega može biti destruktivan.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Sadržaj


Struktura

Princip rada




Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Elektricne karakteristikeDisipacija snage

Disipacija snage oznacava se sa PD i njena maksimalna do-

zvoljena vrednost se definiše u tehnickim specifikacijama

proizvodaca za odredenu temperaturu okoline TA u kojoj se

tranzistor nalazi. Prilikom projektovanja elektronskih kola

potrebno je obezbediti da disipacija snage na tranzistoru u

svakom trenutku bude manja ili jednaka vrednosti PD, od-

nosno da važi uslov:

VDSID ≤ PD . (8)


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Elektricne karakteristikeDisipacija snage: Oblast sigurnog rada

Oblast sigurnog rada

Granicna kriva predstavlja uslov (8).


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Tranzistor kao prekidacIlustracija principa primene MOS tranzistora kao otvorenog (a) i

zatvorenog (b) prekidaca

Kada je tranzistor u triodnoj oblasti, napon VDS je relativno

mali, tako da se tranzistor ponaša približno kao kratak spoj

na izlazu.

Da bi MOS tranzistor radio kao prekidac, potrebno je

da u neprovodnom stanju bude zakocen, a da u

provodnom stanju bude u triodnoj oblasti.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Tranzistor kao prekidacOsnovna kola NMOS (a) i PMOS (b) tranzistora kao prekidaca

Kola se u praksi najcešce realizuju tako da je VGG = VDD.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Tranzistor kao prekidacTalasni oblici ulaznog i izlaznog signala u prekidackom kolu NMOS

tranzistora

Izlazni signal je invertovan u odnosu na ulazni. Zbog toga

osnovno prekidacko kolo tranzistora u logickom smislu pred-

stavlja invertor.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Sadržaj


Struktura

Princip rada




Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Tranzistor kao prekidacCMOS invertor

Sastoji se od NMOS i PMOS tranzistora:

Tranzistori imaju iste vrednosti napona praga (VTN = |VTP|),

kao i struje drejna pri datim naponima polarizacije.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene


Kada je na ulazu invertora VIN = 0, NMOS tranzistor

je zakocen jer je VGSN = 0.

Pošto je VGSP = VIN − VDD = −VDD, to ce PMOS

tranzistor imati kanal cija je otpornost RchP, pa ce

napon na izlazu biti VOUT = VDD.

Kada je napon na ulazu invertora VIN = VDD, PMOS

tranzistor je zakocen jer je VGSP = 0.

Pošto je VGSN = VDD, to ce NMOS tranzistor imati

indukovani kanal cija je otpornost RchN, pa ce napon

na izlazu biti VOUT = 0.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene



MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Tranzistor kao prekidacCMOS invertor: Naponska prenosna karakteristika VOUT = f(VIN)


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene


Struja kroz invertor tece samo u prelaznom režimu,

odnosno kada invertor menja stanje. Zbog toga se u

stabilnom stanju na invertoru ne disipira snaga, što je

velika prednost u odnosu na invertor sa otpornikom

stalne otpornosti.

PMOS tranzistor na cipu zauzima mnogo manje mesta

od otpornika, pa je time omogucena veca gustina

pakovanja komponenata po jedinici površine cipa.

Savremeni mikroprocesori i memorije izraduju se iskljucivo

u CMOS tehnologiji.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Tranzistor kao pojacavacPojacanje malih signala

Koncept primene tranzistora kao pojacavaca zasniva se na

pojacanju naizmenicnih malih signala.

Ulazni signal vin se pojacava tako da se na izlazu (drejnu

tranzistora) pojavljuje signal cija je amplituda proporcionalno

uvecana.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Tranzistor kao pojacavacNaponsko pojacanje

Da bi tranzistor pravilno radio kao pojacavac, radnu tacku

Q treba postaviti na odredenom mestu duž radne prave,

tako da se ulazni signal pojacava bez izoblicenja3.

Da bi MOS tranzistor radio kao pojacavac, potrebno

je da u provodnom stanju bude u oblasti zasicenja.

3Videti: Bipolarni tranzistor


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Tranzistor kao pojacavacPrimer: VT = 2 V, RD = 56Ω i VDD = 9 V

Radna prava:

ID =VDD − VDS

RD

za VDS = 0 ⇒ ID =VDD

RD

=9

56≃ 160mA ;

za ID = 0 ⇒ VDS = VDD = 9V .


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Tranzistor kao pojacavacPrimer

Ako se radna tacka izabere kao na slici, za VGS = 3 V tran-

zistor ce biti u zasicenju, pri cemu je ID ≃ 75mA.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Tranzistor kao pojacavacPrimer

Naponsko pojacanje se prakticno može izracunati kao:

Av = −2IDRD

VGS − VT

, (9)

pri cemu se smatra da su VGS i ID jednosmerni napon na

gejtu i struja drejna u radnoj tacki, respektivno. Znak „mi-

nus“ ukazuje da su ulazni i izlazni signal suprotni po fazi.

Na osnovu (9) je:

Av = −2× 0, 075× 56

3− 2≃ −8, 4 .

Ako se na ulaz kola dovede naizmenicni signal amplitude

10 mV i ucestanosti 10 kHz, onda se na izlazu dobija signal

cija je amplituda uvecana približno 8,4 puta.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Tranzistor kao pojacavacPrimer: Eksperimentalni rezultat


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Tranzistor kao pojacavacUticaj otpornosti otpornika RD na nagib radne prave


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Tranzistor kao pojacavacUticaj otpornosti otpornika RD na položaj radne tacke

Veca vrednost otpornosti povecava vrednost

pojacanja. Medutim, time se položaj radne tacke

približava granici triodne oblasti, pa se lako može

dogoditi da izlazni signal bude izoblicen.

Manja vrednost otpornosti, pored toga što smanjuje

pojacanje, znaci i vecu jednosmernu struju kroz

tranzistor u radnoj tacki, što povecava disipaciju

snage.

Izbor konkretne vrednosti otpornosti je u praksi kompromis

koji u obzir uzima vrednost napona VDD, tip tranzistora i

željenu vrednost pojacanja.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Tranzistor kao pojacavacEksperimentalni primer

Ulazni signal amplitude Vin = 200mV pojacan je približno

8 puta.

vin

vout

100mV

1V


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Fotonaponski relej

Fotonaponski relej (photovoltaic relay) je optoelektronska

komponenta koja predstavlja elektronski prekidac. Drugi

naziv za ovu komponentu je fotoMOS relej. Osnovna na-

mena mu je da služi kao zamena za elektromehanicke re-

leje. Od standardnih elektronskih prekidaca realizovanih

pomocu MOS tranzistora razlikuje se po tome što su ulaz i

izlaz galvanski izolovani. Pored toga, na izlaz releja se može

prikljuciti opterecenje koje se pobuduje naizmenicnim sig-

nalom.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Fotonaponski relejBlok dijagram


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Fotonaponski relejPrincip rada

Na ulazu kola nalazi se LE dioda, koja pobuduje niz

foto dioda. Ovaj niz u stvari predstavlja fotonaponsku

celiju, ciji je izlazni napon dovoljan da polariše gejt

izlaznih MOS tranzistora na vrednost vecu od napona

praga, tako da tranzistori mogu da provode struju.

Tranzistori su polarisani u linearnu oblast, tako da je

pad napona na njima zanemarljiv. Kada LE dioda

prestane da emituje svetlost, izlazni tranzistori se

iskljucuju.

Izlazni tranzistori su MOS tranzistori snage, tako da se re-

lejem mogu kontrolisati veliki potrošaci. Na izlazu fotona-

ponskog releja može biti i samo jedan tranzistor, ali u tom

slucaju relej može da kontroliše samo opterecenja koja se

pobuduju jednosmernim signalom. Sve komponente na-

laze se unutar jednog kucišta.


MOS tranzistor


Struktura

Princip rada


(informativno)


Strujno–naponske

karakteristike

Proboj

Disipacija snage


CMOS invertor


Fotonaponski relej

Završne napomene

Završne napomeneDodatna literatura

Studenti se upucuju na rukopis pod naslovom:

"Uvod u poluprovodnicke komponente i njihovu primenu".

Mole se studenti prve godine da procitaju Predgovor ovog

rukopisa, u kome je naznaceno koji deo materijala se od-

nosi na predmet ELEKTRONSKE KOMPONENTE.

http://mikroelektronika.elfak.ni.ac.rs/lit_sr.php

elektronske komponente -...

Documents