field effect transistor mos-fet, j-fet · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet...
TRANSCRIPT
![Page 1: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/1.jpg)
Τρανζίστορ Επίδρασης ΠεδίουField Effect Transistor
MOS-FET, J-FET
![Page 2: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/2.jpg)
History (form wikipedia)
• The field-effect transistor was first patented by Julius Edgar Lilienfeld in 1926 and by Oskar Heil in 1934, but practical semiconducting devices (the JFET) were developed only much later after the transistor effect was observed and explained by the team of William Shockley at Bell Labs in 1947. The MOSFET, which largely superseded the JFET and had a more profound effect on electronic development, was invented by Dawon Kahng and Martin Atalla in 1960.
![Page 3: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/3.jpg)
Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor (MOS-FET)
![Page 4: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/4.jpg)
Φυσική λειτουργία MOS-FET
VG=0V
VDS>0
ID≈0, στην πραγματικότητα RDS~1012Ohm
![Page 5: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/5.jpg)
Φυσική λειτουργία MOS-FET
0<VG<VT (τάση κατωφλίου)
VDS>0
ID=0
Η τάση VG απωθεί τις οπές από την περιοχή p-,
με αποτέλεσμα να δημιουργεί μια περιοχή απογύμνωσης.
Ακόμα και για VDS>0, το ID=0
![Page 6: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/6.jpg)
Φυσική λειτουργία MOS-FETΚαθώς αυξάνει η τάση VG περισσότερο από την τάση κατωφλίου VT,
αρχίζει να έλκει ηλεκτρόνια και να δημιουργεί ένα στρώμα αντιστροφής (inversion layer)
ή αλλιώς ένα κανάλι n-type (NMOS).
Μετά την τάση κατωφλίου VT, αρχίζει να άγει το NMOS
VG>VT (τάση κατωφλίου)
0<VDS< VGS-VT
ID>0, Για μικρά VDS, αυξάνει γραμμικά το ρεύμα
(τρίοδος ή ομική περιοχή)
![Page 7: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/7.jpg)
Φυσική λειτουργία MOS-FETΚαθώς αυξάνει η τάση VDS για VDS > VGS-VT το βάθος του καναλιού μηδενίζεται:
Σημείο στραγγαλισμού (pinch-off)
VG>VT (τάση κατωφλίου)
VDS> VGS-VT
ID~Σταθερό,
Η διαφορά δυναμικού στο κανάλι από S→D είναι 0V → VDS
Συνεπώς η διαφορά δυναμικού της πύλης σε σχέση
με το κανάλι είναι: VGS → VGS-VDS.
όταν VGS-VDS = VT ή VDS = VGS-VT το κανάλι στραγγαλίζετε.
![Page 8: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/8.jpg)
Λειτουργία Λυχνιών
Δίοδος Λυχνία
Τρίοδος Λυχνία
![Page 9: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/9.jpg)
Φυσικά χαρακτηρίστηκα MOS-FET
Για VG>VT (+(1-3)V για NMOS, -(1-3)V για PMOS) άγει
Για 0<VDS< VGS-VT ομική ή τρίοδος περιοχή
Για VDS> VGS-VT στραγγαλισμός, περιοχή κόρου.
MOS-FET, μεταβαλλόμενη αντίσταση ελεγχόμενη από τάση ή
πηγή ρεύματος ελεγχόμενη από τάση
Τα FET είναι τρανζίστορ μονοφυούς αγωγής (unipolar), ενώ τα
BJT διφυούς (bipolar)
To ρεύμα εισόδου (στην πύλη) λόγω της ύπαρξης του οξειδίου
(πολύ καλός μονωτής) είναι μηδενικό στο DC.
Τα MOS-FET υλοποιήθηκαν αργότερα (1959) από τα BJT (1947)
λόγω τεχνολογικής δυσκολίας, αν και είχε προταθεί από το 1926.
![Page 10: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/10.jpg)
Συμβολισμός MOS-FET πύκνωσης (enhancement)
![Page 11: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/11.jpg)
Περιοχές Λειτουργίας MOS-FET πύκνωσης (enhancement)
kKL
WCk oxn 2
1, μn, ευκινησία φορέων
Cox, χωρητ. Καναλιού /μον. Επιφ.
W,L, πλάτος & μήκος καναλιού
![Page 12: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/12.jpg)
kKL
WCk oxn 2
1,
μn, ευκινησία φορέων
Cox, χωρητ. Καναλιού /μον. Επιφ.
W,L, πλάτος & μήκος καναλιού
2)(2
1TGSD VVkI
2)( TGSD VVKI
Στον κόρο, VDS>VGS-VT
(Λειτουργία σαν ενισχυτής)
ή
Παράμετροι MOS-FET
Παράμετροι Τεχνολογίας (σταθερές):
Tο L και το πάχος tox (ή Cox) του οξειδίου.
Παράμετρος σχεδιασμού (μεταβλητή): Το W
Οι παράμετροι τεχνολογίας στο BJT
Είναι πολυπλοκότεροι
![Page 13: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/13.jpg)
![Page 14: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/14.jpg)
Input characteristics (n-channel)
+
VDS
-
ID = K(VGS-VT)2
![Page 15: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/15.jpg)
An n-channel MOSFET with VGS and VDS applied and with the
normal directions of current flow indicated.
Output characteristics (n-channel)
(linear)
+
VDS
-
![Page 16: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/16.jpg)
Σύγκριση BJT & FET
FET
•Ελεγχόμενο από τάση
•VGS > VT Τάση Κατωφλίου
για να λειτουργεί
•Για λειτουργία στην περιοχή
•κόρου (ενισχυτής)
VDS > VGS - VT
•ID = K(VGS-VT)2
BJT
•Ελεγχόμενο από ρεύμα
•VBE 0.7 V
για να λειτουργεί
•Για λειτουργία στην γραμμική
περιοχή (ενισχυτής);
Η επαφή BE ορθά πολωμένη,
Η επαφή BC ανάστροφα πολωμένη
•IC = bIB
![Page 17: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/17.jpg)
MOS-FET αραίωσης (depletion)
![Page 18: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/18.jpg)
MOS-FET αραίωσης (depletion)Χαρακτηριστική εξόδου
![Page 19: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/19.jpg)
MOS-FET αραίωσης (depletion)Χαρακτηριστική εισόδου
![Page 20: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/20.jpg)
NMOS Αραίωσης
VGS=0 → Άγει το τρανζίστορ (IDSS)VGS>0 → Άγει περισσότερο (ID↗)
Περιοχήπύκνωσης
VGS<0 → Άγει λιγότερο ((ID↘)VGS≤VT(αρνητική) → ID=0
Περιοχή αραίωσης
NMOS Πύκνωσης
VGS≤VT(θετική) → ID=0VGS≥VT(θετική) → ID>0
Περιοχήπύκνωσης (μόνο)
PMOS Αραίωσης
VGS=0 → Άγει το τρανζίστορ (IDSS)VGS<0 → Άγει περισσότερο (ID↗)
Περιοχήπύκνωσης
VGS>0 → Άγει λιγότερο ((ID↘)VGS≥VT(Θετική) → ID=0
Περιοχή αραίωσης
PMOS Πύκνωσης
VGS≥VT(θετική) → ID=0VGS≤VT(θετική) → ID>0
Περιοχήπύκνωσης (μόνο)
Σύγκριση MOS-FET αραίωσης & πύκνωσης
![Page 21: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/21.jpg)
J-FET (junction gate field-effect transistor)
To JFET είναι στοιχείο απογύμνωσης (Vp<0 για n-type),
Το οποίο όμως δεν μπορεί να λειτουργήσει με πύκνωση.
Για VP<VGS<0 & VDS=VGS-VP → στραγγαλισμός (pinch off)
![Page 22: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/22.jpg)
J-FET (junction gate field-effect transistor)
![Page 23: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/23.jpg)
ID = K(VGS-VT)2
K = Παράμετρος διαγωγιμότητας (transconductance)
K = 1/2 K’ (W/L)
K’= nCox, όπου n είναι η κινητικότητα των ηλεκτρονίων
και Cox είναι η χωρητικότητα του στρώματος οξειδίου
W/L τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του τρανζίστορ
το χαρακτηρίζουν!! W είναι το πλάτος της πύλης
και L είναι το μήκος της
Όπως φαίνεται από την το ID W/L
Ρεύμα MOS-FET περιοχή κόρου
Διαγωγιμότητα gm=ΔIout/ΔVin
![Page 24: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/24.jpg)
Ρεύμα MOS-FET περιοχή κόρου
Μοντέλο Ισοδύναμου κυκλώματος μεγάλων σημάτων
Large-signal equivalent-circuit model ενός n-channel
MOSFET το οποίο λειτουργεί στην περιοχή κόρου.
(Ανάλυση DC)
![Page 25: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/25.jpg)
Δίνεται: VT = 2V, K = (1/2) .5 mA/V2
(a) Να ευρεθεί η V1
Χρησιμοποιούμε, ID = K(VGS-VT)2
10uA = (1/2) .5 (VGS - 2)2
Λύνουμε ως προς VGS
VGS = 2.2V
V1 = - 2.2V
V1VGS -
+
IDIG = 0
n channel
Υπολογισμός Σημείου Λειτουργίας
![Page 26: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/26.jpg)
Δίνεται: VT = 2V, K = (1/2) .5 mA/V2
(b) Να ευρεθεί η V2
Χρησιμοποιούμε, ID = K(VGS-VT)2
10uA = (1/2) .5 (VGS - 2)2
Λύνοντας ως προς VGS
VGS = 2.2V
V2 = VGS = 2.2V
V2
VGS -+
ID
IG = 0
n channel
Υπολογισμός Σημείου Λειτουργίας
![Page 27: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/27.jpg)
Δίνεται: VT = 2V, K = (1/2) .5 mA/V2
(f) Να ευρεθεί η VGS
Το ρεύμα στο τρανζίστορ και στην
αντίσταση είναι ίδια λόγω του ότι IG=0
Το ρεύμα στο τρανζίστορ ID = K(VGS-VT)2
Το ρεύμα στην αντίσταση: I = (5 - VGS)
/100K
Εξισώνοντας ….
(5 - VGS) /100K = (1/2) .5 (VGS - 2)2
Λύνουμε ως προς VGS
VGS = 2.33V
VGS -
+
ID
IG = 0
n channel
Υπολογισμός Σημείου Λειτουργίας
![Page 28: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/28.jpg)
DC ανάλυση
Να ευρεθούν τα ID, VGS και VDS
VGS = 5V
VGS > VT, άρα το τρανζίστορ άγει
Υποθέτουμε πως λειτουργεί
στον κόρο-saturation
ID = K(VGS-VT)2
ID = (0.05 mA/V2)(5-1)2
ID = 0.8 mA
VDS = VDD - ID RD
VDS = 10 - (0.8)6
VDS = 5.2V
VT = 1V
K = 0.05 mA/V2
(τυπικές τιμές)
+
VGS
-
+
VDS
-
ID
ID
IG = 0
Υπολογισμός Σημείου Λειτουργίας
![Page 29: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/29.jpg)
+
VGS
-
+
VDS
-
ID
IG = 0
DC ανάλυση
Να ευρεθούν τα ID, VGS και VDS
Υποθέτουμε πως λειτουργεί
στον κόρο-saturation
ID = K(VGS-VT)2
ID = K(5 - ID RS -VT)2
18ID 2 - 25 ID + 8 = 0
Λύνουμε ως προς ID, ΤΡΙΩΝΥΜΟ
ID = 0.89mA, 0.5mA, ΠΟΙΑ ΑΠΌ
ΤΙΣ ΔΥΟ ΛΥΣΕΙΣ ΕΊΝΑΙ Η ΣΩΣΤΗ:
Για ID = 0.89mA, VGS = 5 - (0.89)6 = - 0.34V
Για ID = 0.5mA, VGS = 5 - (0.5)6 = 2V
Μόνο για ID = 0.5mA, το transistor άγει!VT = 1V, K = 0.5 mA/V2
Υπολογισμός Σημείου Λειτουργίας
![Page 30: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/30.jpg)
Το σήμα εισόδου
που θα ενισχυθεί
επηρεάζει την Vgs
To MOS-FET σαν ενισχυτής
![Page 31: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/31.jpg)
Ενίσχυση τάσης
voltage gain
To MOS-FET σαν ενισχυτής
![Page 32: Field Effect Transistor MOS-FET, J-FET · 2019-06-20 · Φʑσική λειʐοʑργία mos-fet 0](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062317/5f02b55e7e708231d4059d7a/html5/thumbnails/32.jpg)
(a) Ενισχυτής κοινής πηγής common-source amplifier.
(b) Ευθεία φόρτου και γραφική αναπαράσταση με τις
χαρακτηριστικές καμπύλες του τρανζίστορ.
To MOS-FET σαν ενισχυτής