Ch4 mosfet

บทท่ี 4Metal-oxide-semiconductor

Field-Effect Transistor (MOSFET)

1

Electronics Engineering Technology DepartmentCollege of Industrial Technology

King Mongkut’s University of Technology North Bangkok

2

MOSFET MOSFETs have characteristics similar to those

of a JFET between cutoff and saturation at IDSS but have the added feature of characteristics that extend into the region of opposite polarity for VGS.

There are 2 types:1. Depletion type2. Enhancement type

3

MOSFET : Depletion-type MOSFET Basic construction

สาร n จะเชื่อมต่ออยูก่ับขา drain และsource

ขา gate เป็นขาที่เชื่อมต่อกับโลหะแต่ ต่ออยูก่ับฉนวนที่ทำาจาก SiO2 ซลิิคอน

ไดออกไซด์ SiO2 ซลิิคอนไดออกไซด์ คือ ฉนวนท่ีทนความรอ้นหรอืเรยีกวา่อิเล็กทรกิ

ในอุปกรณ์หลายๆ ตัวจะต่อแผนผลัก ฐานเขา้กับแหล่งจา่ยจงึมขีัน้เพิม่ขึ้นมา

เรยีกวา่ ขัว้ผลึกฐาน SS (substrate : SS) ทำาใหม้ขีัว้เพิม่เป็น4 ขัว้

4

MOSFET : Depletion-type MOSFET Basic construction

ไมม่กีารต่อไฟฟา้โดยตรง ระหวา่งขัว้ G กับสาร n ของ

MOSFET ชัน้ท่ีเป็นฉจนวน SiO2 จะทำาให้

MOSFE มค่ีาความต้านทาน(Zin)สงูตามความต้องการได้

5

MOSFET : Depletion-type MOSFET Graphic symbols :

an n-channel depletion-type an p-channel depletion-type

6

MOSFET : Depletion-type MOSFET Basic operation and characteristics of n-

channel type The drain current of a depletion-type MOSFET, ID,

is expressed as that of a JFET :ID=IDSS (1-VGS/VP)2

VP denotes the gate-source cutoff voltage. In some books, we use “VGS(off)” in abbreviation.

7

MOSFET : Depletion-type MOSFET Basic operation and characteristics of n-

channel type When VGS = 0 V

8

MOSFET : Depletion-type MOSFET Basic operation and characteristics of p-

channel type

9

MOSFET : Depletion-type MOSFET Shorthand Method

VGS ID0 IDSS

0.3 VP IDSS/20.5 VP IDSS/4VP 0+1 IDSS (1-1/VP)2

10

MOSFET : Depletion-type MOSFET Data sheet

Maximum Ratings

11

MOSFET : Depletion-type MOSFET Data sheet

Electrical Characteristics

12

MOSFET : Depletion-type MOSFET Data sheet

Electrical Characteristics

13

MOSFET : Depletion-type MOSFETExercise

Sketch the transfer characteristics for an n-channel depletion-type MOSFET with IDSS = 10 mA and VP = -4 V.

Sketch the transfer characteristics for an p-channel depletion-type MOSFET with IDSS = 6 mA and VP = +6 V.

14

MOSFET : Enhancement-type MOSFET แมว้า่โครงสรา้งและขอบเขตการทำางานของดีเมสเฟทกับอีมอสเฟทจะคล้ายกันอยูบ่า้ง แต่กราฟคณุลักษณะสมบติัของอีมอสเฟทจะแตกต่างออกไปโดนสิน้เชงิ

กล่าวคือ ไมส่ามารถนำาสมการ Shockley’s มาเขยีนกราฟการถ่ายโอนของอีมอสเฟทได้

และการควบคมุกระแสใน n-channel จะยงัไมเ่กิดขึ้นจนกระ ทัง้ แรงดันท่ี gate-to-source(VGS) จะมค่ีาสงูถึงค่าเฉพาะ

ค่าหนึ่ง

15

MOSFET : Enhancement-type MOSFET Basic contruction

The construction of an enhancement-type MOSFET is similar to thatof the depletion-type MOSFET.

The main difference is the absence of a channel between the two n-doped regions.

16

MOSFET : Enhancement-type MOSFET Basic operation and characteristics for n-

channel Enchancement-type MOSFET

การทำางาน เปิดในหน้า 264

เมื่อ VGS เพิม่ขัน้จนทำาให้ กระแสเดรนไหลเราเรยีกวา่แรงดัน เธรสโฮลด์ (threshold Voltage : VT) หรอื VGS(Th)

17

MOSFET : Enhancement-type MOSFET Basic operation and characteristics for an n-

channel enchancement-type MOSFET

18

MOSFET : Enhancement-type MOSFET Basic operation and characteristics for n-channel

enchancement-type MOSFET For levels of VGS > VT, the drain current is

k is a constant factor that is a functionof the construction of the device.

For example: if ID(on)=10 mA when VGS(on)=8 V and VT=2 V, the value of k is

k=10mA/(8V-2V)2 = 0.278 x 10^(-3) A/V2

and ID= 0.278 x 10^(-3) (VGS-2)2

19

MOSFET : Enhancement-type MOSFET Basic operation and characteristics for n-

channel enchancement-type MOSFET For example:

if ID(on)=10 mA when VGS(on)=8 V and VT=2 V, the value of k is

k=10mA/(8V-2V)2 = 0.278 x 10^(-3) A/V2

and ID= 0.278 x 10^(-3) (VGS-2)2

20

MOSFET : Enhancement-type MOSFET Basic operation and characteristics for p-

channel enchancement-type MOSFET

21

MOSFET : Enhancement-type MOSFET Basic operation and characteristics for p-

channel enchancement-type MOSFET

22

MOSFET : Enhancement-type MOSFET Graphic symbols

23

MOSFET : Enhancement-type MOSFET How to read data sheet?

Maximum Ratings

24

MOSFET : Enhancement-type MOSFET How to read data sheet?

Electrical Characteristics

25

MOSFET : Enhancement-type MOSFET How to read data sheet?

26

MOSFET : Enhancement-type MOSFETExercise

1. Using the data provided on the data sheet and an average threshold of VGS(Th) = 3 V, determine :

(a) The resulting value of k for the MOSFET(b) The transfer characteristics

27

MOSFET : Enhancement-type MOSFETExercise1. Using the data provided on the data sheet

and an average threshold of VGS(Th) = 3 V, determine :

(a) The resulting value of k for the MOSFET(b) The transfer characteristics

28

MOSFET : Enhancement-type MOSFETExercise

CMOS devices

Advantages

• Useful in logic circuit designs• Higher input impedance• Faster switching speeds• Lower operating power levels

CMOS (complementary MOSFET) uses a p-channel and n-channel MOSFET; often on the same substrate as shown here.

30

Summary

31

Homework 1. MOSFET มกีี่ประเภท อะไรบา้ง 2. สญัญาลักษณ์ของดีมอสเฟทกับอีมอสเฟทแตกต่างกันอยา่งไร 3. แรงดันเธรสโฮลด์คืออะไร D-MOSFET

E-MOSFET

4.

5.

6.

Homework(solution) 1.MOSFET มี 2 ประเภท คือ

1. Depletion type 2. Enhancement type

2. สญัญาลักษณ์ของดีมอสเฟทกับอีมอสเฟทแตกต่างกันอยา่งไร

3. แรงดันเธรสโฮลด์คืออะไร แรงดันท่ีท่ีจุดเริม่ต้นของการไหลของกระแสเดรนเกิดขึ้นเมื่อ VGS เพิม่ขัน้จนทำาให้

กระแสเดรนไหลเราเรยีกวา่แรงดัน เธรสโฮลด์ (threshold Voltage : VT) หรอื VGS(Th)

Depletion type Enhancement type

Homework(solution) 4. Sketch the transfer and drain characteristics of an n -channel depletion-

type MOSFET with IDSS = 12 mA and VP = -8 V for a range of VGS = -VP to VGS = 1 V.

Point 1 ; , Point 2; , Point 3 ; , Point 4 ; , Point 5 ; ,

VGS ID0 IDSS

0.3 VP IDSS/20.5 VP IDSS/4VP 0+1 IDSS (1-1/VP)2

Homework(solution) 5. Given ID = 14 mA and VGS = 1 V, determine V P if IDSS = 9.5

mA for a depletion-type MOSFET

Homework(solution) 6. a. Given VGS(Th) = 4 V and ID(on) = 4 mA at VGS(on) = 6 V, determine k and write the general

expression for I D in the format of Eq. (6.15). b. Sketch the transfer characteristics for the device of part (a). c. Determine I D for the device of part (a) at VGS = 2, 5, and 10 V.