FER Fetovi

Fakultet elektrotehnike i raunarstvaZavod za elektroniku, mikroelektroniku,

raunalne i inteligentne sustave

Elektronika 1. Butkovi, J. Divkovi Pukec, A. Bari

5. Unipolarni tranzistori

5. Unipolarni tranzistori 2

Unipolarni tranzistor

Aktivni element s tri prikljuka ulazni, izlazni i zajedniki prikljuak promjenom napona u ulaznom krugu upravlja se struja u izlaznom

krugu

primjena: pojaalo, sklopka prednost: beskonaan ulazni otpor upravljanje bez potroka

snage


Nazivi i tipovi

Nazivi unipolarni tranzistor struju vodi samo jedan tip nosilaca tranzistor s efektom polja elektrikim poljem (naponom) u

ulaznom krugu modulira se poluvodiki otpornik u izlaznom krugu FET skraenica engleskog naziva Field Effect Transistor

Tipovi MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor FET JFET spojni FET (od Junction FET) MESFET Metal-Semiconductor FET


Struktura MOSFET-a (1)

Prikljuci uvod S (engl. Source) odvod D (engl. Drain) upravljaka elektroda

G (engl. Gate) podloga B (engl. Body)

Dimenzije budueg kanala L duina W irina

Struktura n-kanalnog MOSFET-a


Struktura MOSFET-a (2)

za n-kanal p-podloga

osnovni dio strukture - MOS M metal (engl. Metal) O oksid SiO2

(engl. Oxide) S poluvodi

(engl. Semiconductor) struja MOS strukture IG = 0

n+ podruja kontakti uvoda i odvoda

Podloga (B) se najee kratko spaja s uvodom (S)


Prikljuak malog napona UDS

Napon UDS > 0 zaporno polarizira pn-spoj odvod-podlogaIzmeu odvoda i uvoda ne tee strujaUz mali UDS jednake irine osiromaenih slojeva na stranama uvoda i

odvoda


Utjecaj napona UGS formiranje kanala

Napon UGS > 0 na povrinu podloge ispod oksida privlai elektrone i odbija upljine

Uz dovoljno velik UGS > 0povrina postaje n-tip inverzijski sloj n-kanal

Stvaranjem n-kanala izmeu uvoda i odvoda formira se poluvodiki otpornik n-tipa

Granica stvaranja kanala: UGS = UGS0 koncentracija elektrona u kanalu jednaka je koncentraciji upljina u podlozi

UGS0 napon praga


Rad uz mali napon UDSZa UGS > UGS0 i za mali napon

UDS > 0 tee struja odvoda ID

Za mali napon UDS > 0 pad napona u kanalu je zanemariv; MOSFET je linearni otpornik

Poveanjem napona UGS raste koncentracija elektrona u kanalu i vodljivost kanala; MOSFET je naponom upravljani linearni otpornik

UGS0 = 1 V


Rad uz vei napon UDS suavanje kanala

Poveanjem napona UDS nastaje pad napona u kanalu

Koncentraciju elektrona u kanalu odreuje: na strani uvoda UGSna strani odvoda UGD = UGS UDS

Kanal se prema odvodu suava otpor kanala raste


Rad uz vei napon UDS zatvaranje kanala

Za napon UDSS = UGS UGS0 UGD = UGS0 na strani odvoda kanal se zatvara


Promjena struje ID s naponom UDSZa male napone UDS struja ID raste

linearno s UDS linearno podruje

Za vee napone UDS < UGS UGS0 otpor kanala raste; struja ID raste sporije s UDS triodno podruje

Za UDS = UGS UGS0 = UDSS kanal se zatvara; struja postie maksimalnu vrijednost IDS

Za UDS > UGS UGS0 kanal je zatvoren; struja ostaje konstantna ID= IDS podruje zasienja


Izvod strujno-naponske karakteristike (1)

Kapacitet oksida po jedinici povrine:Cox = ox/tox

UGS > UGS0, UDS < UGS UGS0

[ ])()(dd 0 yUUUWyCQ GSGSox =Naboj elektrona:

Driftna struja:d d d d ( )d d d dFn dnQ Q y QI v yt y t y

= = =

( ) ( ) d ( ) /ddn n nv y F y U y y = =[ ]0 d ( )( ) dFn n ox GS GS

U yI C W U U U yy

= D FnI I= Struja odvoda:


Izvod strujno-naponske karakteristike (2)

Diferencijalna jednadba:

[ ] )(d)(d 0 yUyUUUWCyI GSGSoxnD = Integriranjem po kanalu: od y = 0 do y = L; od U(0) = 0 do U(L) = UDS

20( ) 2

DSD GS GS DS

UI K U U U = struja ID u triodnom podruju

n oxWK CL

= strujni koeficijent

Za UDS = UDSS = UGS UGS0

20( )2D DS GS GSKI I U U= = struja ID u podruju zasienja


Izlazne karakteristike

20( ) 2

DSD GS GS DS

UI K U U U =

triodno podrujeza 0 UDS UGS UGS0

20( )2D DS GS GSKI I U U= =

podruje zasienjaza UDS UGS UGS0

obogaeni tip UGS0 = 1 V

linearno podruje za mali UDS

DSGSGSD UUUKI )( 0podruje zapiranja za UGS < UGS0

0=DI


Prijenosne karakteristike

za UDS = 3 V podruje zasienja

za UDS = 1 V podruje zasienja i triodno podruje

za podruje zasienja nelinearna prijenosna karakteristika izlazne karakteristike nisu ekvidistantne


Veza prijenosnih i izlaznih karakteristika

Prijenosne karakteristike mogu se konstruirati iz izlaznih karakteristika


Tipovi n-kanalnog MOSFET-a

obogaeni tip kanal se stvara pozitivnim naponom UGS = UGS0

osiromaeni tip vodi struju uz UGS = 0 V; kanal se zatvara negativnim naponom UGS = UGS0

n-kanalni MOSFET vodi struju uz UGS > UGS0


Elektriki simboli n-kanalnog MOSFET-a

puna crta izmeu uvoda i odvoda postojanje kanala uz UGS = 0 Visprekidana crta izmeu uvoda i odvoda izostanak kanala uz UGS = 0 Vstrelica od p-podloge prema n-kanalu

osiromaeni tip obogaeni tip


Primjer 5.1

Prijenosna karakteristika MOSFET-a podruju zasienja prikazana je na slici. Debljina sloja SiO2 iznad kanala je 20 nm, a pokretljivost veinskih nosilaca u kanalu je 400 cm2/Vs

a) Koliki je omjer irine i duine kanala W/L?

b) Kolika je duina kanala L ako kapacitet upravljake elektrode prema kanalu mora biti CG 20 fF?


p-kanalni MOSFET

tehnoloki presjek jednak presjeku n-kanalnog MOSFET-a uz zamjenu tipova primjesa

za p-kanal n-podloga

p+ podruja kontakti uvoda i odvoda


Elektriki simboli p-kanalnog MOSFET-a

puna crta izmeu uvoda i odvoda postojanje kanala uz UGS = 0 Visprekidana crta izmeu uvoda i odvoda izostanak kanala uz UGS = 0 Vstrelica od p-kanala prema n-podlozi

osiromaeni tip obogaeni tip


Tipovi p-kanalnog MOSFET-a

struja je ID negativna

obogaeni tip kanal se stvara negativnim naponom UGS = UGS0

osiromaeni tip vodi struju uz UGS = 0 V; kanal se zatvara pozitivnim naponom UGS = UGS0

p-kanalni MOSFET vodi struju uz UGS < UGS0


Izlazne karakteristike p-kanalnog MOSFETa

triodno podrujeza UGS UGS0 UDS 0

podruje zasienjaza UDS UGS UGS0

koeficijent struje

obogaeni tip UGS0 = 1 VL

WCK oxp=

( )

=2

20

DSDSGSGSD

UUUUKI

( )202 GSGSD UUKI =

podruje zapiranja za UGS > UGS00=DI


CMOS struktura

nMOS na p-podlozipMOS u zasebnom n-otokuZbog elektrike izolacije p-podloga se spaja na najnii, a n-otok na najvii

potencijal u sklopu


Primjer 5.2 (1)

MOSFET ima strujni koeficijent K iznosa 0,4 mA/V2 i napon praga UGS0 = 1 V. Nacrtati izlazne karakteristike ako je MOSFET

a) n-kanalni,b) p-kanalni.

a)V ,GSU 1 0 1 2 3

V ,0GSGS UU 0 1 2 3 4 mA ,DI 0 0,2 0,8 1,8 3,2

b)

V ,GSU 1 2 3 4 5 V ,0GSGS UU 0 1 2 3 4

mA ,DI 0 0,2 0,8 1,8 3,2


Primjer 5.2 (2)


Porast struje u zasienju

n-kanalni MOSFET obogaenog tipa UGS0 = 1 V


Modulacija duine kanala

U podruju zasienja struja ID raste s naponom UDS

)/(11)(

21 20 LL

IUULL

WCI DSGSGSoxnD ==

Toka dodira pomie se prema uvodu

Kanal se skrauje

U kanalu elektroni se ubrzavaju naponom UDS = UDSS = UGS UGS0


Struktura spojnog FET-a

Prikljuci uvod S odvod D upravljaka elektroda G druga upravljaka elektroda G2

Kanal L duina W irina 2a tehnoloka debljina

Struktura n-kanalnog JFET-a


Elektriki simboli JFET-a

strelica od p-tipa prema n-tipu poluvodiaza n-kanalni od p-upravljake elektrode prema n-kanaluza p-kanalni od p-kanala prema n-upravljakoj elektrodi

n-kanalni p-kanalni


Napon dodira i linearno podruje rada

UGS < 0 zaporno polarizira pn-spoj upravljaka elektroda-kanal

Uz mali UDS zanemariv pad napona u kanaluPoveanjem iznosa UGS osiromaena

podruja se ire kanal se suavaZa UGS = UP kanal se zatvaraUP napon dodiraZa mali napon UDS JFET je linearni otpornik

DSPK

GSKD UUU

UUGI

=

2/1

0 1

UK kontaktni potencijal upravljaka elektroda-kanal

G0 vodljivost potpuno otvorenog kanala


Rad uz vei napon UDSPoveanjem napona UDS nastaje pad

napona u kanalupn-spoj upravljaka elektroda-kanal

jae se zaporno polarizira na strani odvoda

Kanal se prema odvodu suava otpor kanala raste

Struja ID sve sporije raste s naponom UDS triodno podruje

+

=2/32/3

0 233 PKGSK

PK

DSGSK

PK

DSPKD UU

UUUU

UUUUU

UUUGI

Struja ID mijenja se s naponima UDS i UGS


Zatvaranje kanala

Za napon UDSS = UGS UP UGD = UP kanal se na strani odvoda zatvara

Struja postie maksimalnu vrijednost ID = IDS podruje zasienja

+

==2/3

0 2313 PKGSK

PK

GSKPKDSD UU

UUUUUUUUGII

Struja ID mijenja se samo s naponom UGS


Modulacija duine kanala

Toka dodira pomie se prema uvoduKanal se skraujeU kanalu elektroni se ubrzavaju

naponom UDS = UDSS = UGS UP

U podruju zasienja struja ID raste s naponom UDS

LLLII DSD =


Karakteristike JFET-a

IDSS maksimalna struja JFET-aza UDS = UDSS < UGS UP triodno podrujeza UDS = UDSS > UGS UP podruje zasienja

prijenosna karakteristika izlazne karakteristike


JFET u podruju zasienja

JFET se najvie koristi u pojaalima radi u podruju zasienja

puna crta toan izrazcrtkano jednostavniji izraz

Umjesto tonog i nepraktinog izraza u sklopovskoj analizi koristi se jednostavniji izraz

2

1 GSD DS DSSP

UI I IU

= =


MESFET

Radi se u galij-arsenidu velika brzina radaSlian JFET-uUpravljaka elektroda- kanal je ispravljaki spoj metal-poluvodiZa ispravan rad UGS < 0


Temperaturna svojstva FET-ova

MOSFET porastom temperature smanjuju se K i UGS0

JFET - porastom temperature smanjuje se pokretljivost i suavaju osiromaeni slojevi

Kod obje vrste FET-ova porastom temperature pri manjim strujama struja ID se poveava, a pri veim strujama se smanjuje


Proboji FET-ova

MOSFET lavinski proboj spoja odvod-podloga prohvat proboj oksida

JFET lavinski proboj spoja odvod-kanal;

uz probojni napon UB proboj nastupa uz UDS = UB + UGS


Dinamiki parametri FET-a

Opisuju odnose malih izmjeninih veliina u reimu malog signalaUz mali signal: iD = f(uGS, uDS)

DSDS

DGS

GS

DD uu

iuuii ddd

+= dsdgsmd ugugi +=

Dinamiki parametri: strmina

konst 0

dd

DS ds

dDm

GS gsu u

iigu u= =

= =

izlazna dinamika vodljivost izlazni dinamiki otpor

konst 0

dd

GS gs

dDd

DS dsu u

iigu u= =

= =d

d gr 1=


Model FET-a za mali signal

Koristi se u podruju zasienja Drugi oblikSlijedi iz: id = gm ugs + uds/rd uds = ugs + rd id , = gm rd

konst 0

dd

D d

DS ds

GS gsi i

u uu u

= =

= =

Za neoptereen izlaz id = 0maksimalno naponsko pojaanje FET-a

gsgsdmds uurgu ==

faktor naponskog pojaanja


Model za visoke frekvencije

Kapaciteti Cgs i Cgd:za MOSFET kapacitet MOS struktureza JFET kapacitet zaporno polariziranih pn-spojevaza MESFET kapacitet zaporno polariziranog spoja metal-poluvodi


Grafiko odreivanje dinamikih parametara (1)

Strmina:

konst==

DSUGS

Dm u

ig


Grafiko odreivanje dinamikih parametara (2)

Izlazni dinamiki otpor:

konst==

GSUD

DSd i

ur


Analitiko odreivanje dinamikih parametara (1)

Strmina:

MOSFET

( )202 GSGSD UuKi =

( ) DGSGSGS

Dm IKUUKu

ig 2dd

0 ===

2

1

=P

GSDSSD U

uIi

DDSSPP

GS

P

DSS

GS

Dm IIUU

UUI

uig =

==

212dd

JFET


Analitiko odreivanje dinamikih parametara (2)

Izlazni dinamiki otpor:model nagiba izlaznih karakteristika u podruju zasienja

MOSFET

( ) ( )DSGSGSD uUuKi += 12 20( )20dd 2Dd GS GSDS

i Kg U Uu

= = JFET

( )DSP

GSDSSD uU

uIi +

= 112

2d 1

dGSD

d DSSDS P

Uig Iu U

= = 11 1DS

dd D D

Urg I I

+= = za oba FET-a


Primjer 5.3

Parametri n-kanalnog MOSFET-a su koeficijent K = 80 A/V2, napon pragaUGS0 = 2 V i faktor modulacije duine kanala = 0,005 V-1. FET radi s naponom UGS = 5 V. Izraunati struju odvoda ID, strminu gm, izlazni dinamiki otpor rd i faktor naponskog pojaanja uz:

a) UDS1 = (UGS UGS0)/2,b) UDS2 = 2(UGS UGS0).


Primjer 5.4

Napon praga p-kanalnog MOSFET-a je UGS0 = 1,5 V. Kada MOSFET radi u podruju zasienja pri naponu UGS = 4 V vodi struju od 1 mA. Koliki su napon UGS i strmina gm tog FET-a u podruju zasienja uz struju od 4 mA? Zanemariti porast struje odvoda u podruju zasienja.


Primjer 5.5Izlazne karakteristike nekog realnog

MOSFET-a, dobivene mjerenjem, prikazane su na slici.

a) U radnoj toki A odrediti dinamike parametre: strminu gm, izlazni dinamiki otpor rd i faktor naponskog pojaanja .

b) Odrediti parametar modulacije duine kanala koji aproksimira nagib izlaznih karakteristika u podruju zasienja.

c) Koritenjem parametra izraunati izlazni dinamiki otpor za UDS = 7 V i za sva tri napona UGS sa slike.


Pregled bitnih jednadbi (1)

MOSFET strujno naponske karakteristikepodruje zapiranjaID = 0 za UGS < UGS0 (n-kanalni) i za UGS > UGS0 (p-kanalni)triodno podruje

podruje zasienja za UDS UGS UGS0

2

0 0( ) za 02DS

D GS GS DS DS GS GSUI K U U U U U U

=

20 0( ) za 2D DS GS GS DS GS GS

KI I U U U U U= =

oxWK CL

=strujni koeficijent


Pregled bitnih jednadbi (2)

MOSFET dinamiki parametristruja odvoda

strmina

izlazni dinamiki otpor

( )20 1d 1d 2 DSDd GS GS dDS d DUi Kg U U r

u g I

+= = = =

( ) ( )20 12D GS GS DSKi u U u= +

( )0d 2 uz 1d Dm GS GS D DSGSig K U U K I U

u= = =

Documents

FER Fetovi