FET MOSFET Tranzistori

7/24/2019 FET MOSFET Tranzistori

1/51

Sveu ilite u Zagrebu

Zavod za elektroniku, mikroelektroniku,ra unalne i inteligentne sustave

e ron a

. Butkovi , J. Divkovi Pukec, A. Bari

.


2/51

Unipolarni tranzistor

Aktivni element s tri priklju ka

ulazni izlazni i za edni ki rikl u ak

promjenom napona u ulaznom krugu upravlja se strujom u

primjena: poja alo, sklopka

pre nost: es ona an u azn otpor uprav an e ez potro asnage

5. Unipolarni tranzistori 2


3/51

Nazivi i tipovi

Nazivi

unipolarni tranzistor struju vodi samo jedan tip nosilacatranzistor s efektom polja elektri kim poljem (naponom) uulaznom krugu modulira se poluvodi ki otpornik u izlaznom krugu

Ti oviMOSFET Metal-Oxide-Semiconductor FET

JFET spojni FET (od Junction FET)MESFET Metal-Semiconductor FET



4/51

Struktura MOSFET-a (1)

Priklju ci

Struktura n-kanalnog MOSFET-a

uvod S (engl. Source)odvod D (engl. Drain)

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

Dimenzije budu eg kanala

L duinaW irina



5/51

Struktura MOSFET-a (2)za n-kanal p -podloga

- M metal (engl. Metal)O oksid SiO2eng . x e

S poluvodi (engl. Semiconductor)

struja MOS strukture I G = 0

n+ odru a kontakti uvoda i odvoda

Podlo a B se na e e kratko s a a s uvodom S



6/51

Priklju ak malog napona U DS

Napon U DS

> 0 zaporno polarizira pn -spoj odvod-podloga

Uz maliU DS jednake irine osiromaenih slojeva na stranama uvoda iodvoda



7/51

Utjecaj napona U GS formiranje kanala

Napon U GS > 0 na povrinupodloge ispod oksidaprivla i elektrone i odbijaupljine

Uz dovoljno velikU GS > 0povrina postaje n-tip

inverzijski sloj n -kanalStvaranjem n-kanala

izme u uvoda i odvodaformira se poluvodi kiotpornikn-tipa

ran ca s varan a ana a: GS = GS 0 oncen rac a e e rona u ana u jednaka je koncentraciji upljina u podlozi

U GS 0 napon praga



8/51

Rad uz mali napon U DS

Za U GS > U GS 0 i za mali naponU DS > 0 te e struja odvoda I D

Za mali napon U DS > 0 pad naponau kanalu je zanemariv;MOSFET je linearni otpornik

Pove anjem napona U rastekoncentracija elektrona u kanalui vodljivost kanala; MOSFET jenaponom upravljani linearniotpornik

U GS 0 = 1 V



9/51

Rad uz ve i napon U DS suavanje kanala

Pove anjem napona U DS nastaje pad

napona u kanalu

Koncentraciju elektrona u kanaluodre u e:

na strani uvoda U GS na strani odvoda U GD = U GS U DS

Kanal se prema odvodu suava



10/51

Rad uz ve i napon U DS zatvaranje kanala

Za napon U DSS = U GS U GS 0

GD GS 0 kanal se zatvara



11/51

Promjena struje I D s naponom U DS Za male napone U DS struja I D raste

linearno s U DS linearno podru je

Za ve e napone U DS < U GS U GS 0 otpor kanala raste; struja I D rastesporije s U DS triodno podru je

Za U DS = U GS U GS 0 = U DSS kanal se

vrijednost I DS

DS GS GS 0 zatvoren; struja ostaje konstantna I D= I DS podru je zasi enja



12/51

Izvod strujno-naponskekarakteristike (1)

Kapacitet oksida po jedinici povrine:C ox = ox/t ox

U GS > U GS 0, U DS < U GS U GS 0

[ ])()(dd 0 yU U U W yC Q GS GS ox =Naboj elektrona:

Driftna struja:d d d d( ) Fn dn

Q Q y Q I v y= = =

( ) ( ) d ( ) /ddn n nv y F y U y y = =

[ ]0 ( )d

Fn n ox GS GS I C W U U U y y

=

D Fn I I = Struja odvoda:



13/51

Izvod strujno-naponskekarakteristike (2)

Diferencijalna jednadba:

[ ] )(d)(d 0 yU yU U U W C y I GS GS oxn D =

Integriranjem po kanalu: od y = 0 do y = L; od U (0) = 0 do U ( L) = U DS 2U

02

D GS GS DS I K U U U =

s ru a D u r o nom po ru u

W K C = stru ni koefici ent

L

Za U DS

= U DSS

= U GS

U GS 0

20( )

2 D DS GS GS

K I I U U = = struja I D u podru ju zasi enja



14/51

Izlazne karakteristike

2

triodno podru jeza 0 U DS U GS U GS 0

0( )2 DS

D GS GS DS I K U U U =

podru je zasi enja

20( ) D DS GS GS

K I I U U = =

za U DS

U GS

U GS 0

linearno podru je za mali U DS

DS GS GS D U U U K I )( 0

oboga eni tip U GS 0 = 1 Vpodru je zapiranja za U GS < U GS 0

0= D I



15/51

Prijenosne karakteristike

za U DS = 3 V podru je zasi enja

za DS = po ru e zas en ai triodno podru je

za podru

je zasi

enja nelinearnaprijenosna karakteristika izlazne karakteristike nisuekvidistantne



16/51

Veza prijenosnih i izlaznihkarakteristika

Prijenosne karakteristike mogu se konstruirati iz izlaznih karakteristika



17/51

Tipovi n -kanalnog MOSFET-a

oboga eni tip kanal se stvara

pozitivnim naponomU GS = U GS 0

osiromaeni tip vodi struju uzU GS = 0 V ; kanal se zatvara

GS GS 0

n-kanalni MOSFET vodi strujuGS GS 0



18/51

Elektri ki simboli n -kanalnog

MOSFET-a

osiromaeni tip oboga eni tip

puna crta izme u uvoda i odvoda postojanje kanala uz U GS = 0 Visprekidana crta izme u uvoda i odvoda izostanak kanala uz U

GS = 0 V

s re ca o p-po oge prema n- ana u



19/51

Primjer 5.1Prijenosna karakteristika MOSFET-a podru ju

zasi enja prikazana je na slici. Debljinasloja SiO2 iznad kanala je 20 nm , apokretljivost ve inskih nosilaca u kanalu je400 cm 2/Vs

a Koliki e om er irine i duine kanalaW / L?

b) Kolika je duina kanala L ako kapacitetupravlja ke elektrode prema kanalu morabitiC G 20 fF ?



20/51

p -kanalni MOSFET

tehnoloki presjek jednakres eku n-kanalno

MOSFET-a uz zamjenutipova primjesa

za p-kanal n -podloga

p po ru a on a uvo aodvoda



21/51

Elektri ki simboli p -kanalnog

MOSFET-a

osiromaeni tip oboga eni tip

puna crta izme u uvoda i odvoda postojanje kanala uz U GS = 0 Visprekidana crta izme u uvoda i odvoda izostanak kanala uz U

GS = 0 V

s re ca o p- ana a prema n-po oz



22/51

Tipovi p -kanalnog MOSFET-a

struja je I D negativna

o oga en p ana se s varanegativnim naponom U GS = U GS 0

osiromaeni tip vodi struju uzU GS = 0 V ; kanal se zatvarapozitivnim naponomU GS = U GS 0

p-kanalni MOSFET vodi struju

uz U GS < U GS 0



23/51

Izlazne karakteristike

p -kanalnog MOSFETatriodno podru je

za U GS U GS 0 U DS 0

odru e zasi en a

( )

=2

2

0 DS

DS GS GS DU

U U U K I

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

K I =

koeficijent struje

W C K ox=

oboga eni tip U GS 0 = 1 V

Lpodru je zapiranja za U GS > U GS 0

0= D I



24/51

CMOS struktura

nMOS na p-podlozi-

Zbog elektri ke izolacijep-podloga se spaja na najnii, a n-otok na najviipotencijal u sklopu



25/51

Primjer 5.2 (1)MOSFET ima strujni koeficijentK iznosa 0,4 mA/V 2 i napon praga

U GS 0 = 1 V . Nacrtati izlazne karakteristike ako je MOSFETa n -kanalnib) p -kanalni.

aV,GS U 1 0 1 2 3

V,0GS GS U U 0 1 2 3 4

, , , , ,

b),GS

V,0GS GS U U 0 1 2 3 4

mA, D I 0 0,2 0,8 1,8 3,2



26/51

Primjer 5.2 (2)



27/51

Porast struje u zasi enju

n-kanalni MOSFET oboga enog tipa U GS 0 = 1 V



28/51

Modulacija duine kanalaTo ka dodira pomi e se prema

uvodu

Kanal se skra uje

ana u e e ron se u rzava unaponom U DS = U DSS = U GS U GS 0

U podru ju zasi enja struja I D

raste s naponom U DS

)/(11

)(21 2

0 L L

I U U L L

W C I DS GS GS oxn D

=

=



29/51

Struktura spojnog FET-a

Priklju ci

Struktura n-kanalnog JFET-a

uvod Sodvod D

druga upravlja ka elektroda G 2

ana L duina

W irina2a tehnoloka debljina



30/51

Elektri ki simboli JFET-a

n-kanalni p-kanalni

strelica od p-tipa prema n-tipu poluvodi aza n-kanalni od p-upravlja ke elektrode prema n-kanaluza p- ana n o p- ana a prema n-uprav a o e e ro



31/51

Napon dodira i

linearno podru je radaU GS < 0 zaporno polarizira pn -spoj

upravlja ka elektroda-kanalUz maliU zanemariv ad na ona u kanaluPove anjem iznosa U GS osiromaena

podru ja se ire kanal se suavaZa U GS = U P kanal se zatvaraU

P napon dodira

Za mali napon U DS JFET je linearni otpornik

DS P K

GS K D U

U U U U

G I

= 0 1

U K kontaktni potencijalupravlja ka elektroda-kanal

G0 vodljivost potpuno otvorenog kanala



32/51

Rad uz ve i napon U DS Pove anjem napona U DS nastaje pad

napona u kanalun-s o u ravl a ka elektroda-kanal

ja e se zaporno polarizira na straniodvoda

otpor kanala rasteStruja I D sve sporije raste s naponom

+

=2/32/3

0 23GS K DS GS K DS P K

DU U U U U U U U

G I

Struja I D mijenja se s naponima U DS i U GS



33/51

Zatvaranje kanalaZa napon U DSS = U GS U P U GD = U P

kanal se na strani odvodazatvara

Struja postie maksimalnu vrijednost I D = I DS podru je zasi enja

+

==2/3

0 2313

GS K GS K P K DS D

U U

U U

U U

U U U U G I I

Struja I D mijenja se samo s naponom U GS



34/51

Modulacija duine kanalaTo ka dodira pomi e se prema uvoduKanal se skra uje

naponom U DS = U DSS = U GS U P

U podru ju zasi enja struja I D raste s naponom U DS

L L L

I I DS D =



35/51

Karakteristike JFET-a

prijenosna karakteristika izlazne karakteristike I DSS maksimalna struja JFET-aza U DS = U DSS < U GS U P triodno podru je


DS DSS GS P


36/51

JFET u podru ju zasi enjaJFET se najvie koristi u poja alima radi u podru ju zasi enja

sklopovskoj analizi koristi se

jednostavniji izraz

21 GS D DS DSS

P

U I I I U

= =

puna crta to an izrazcrtkano jednostavniji izraz



37/51

MESFET

Radi se u galij-arsenidu velika brzina radaSli an JFET-u

U ravl a ka elektroda- kanal e is ravl a ki s o metal- oluvodi Za ispravan rad U GS < 0



38/51

Temperaturna svojstva FET-ova

MOSFET porastom temperature

smanjuju se K i U GS 0

JFET - porastom temperaturesmanjuje se pokretljivost i

Kod obje vrste FET-ova poras om empera ure prmanjim strujama struja I D sepove ava, a pri ve im strujama



39/51

Proboji FET-ova

MOSFET

lavinski proboj spoja odvod-podlogaprohvatproboj oksida

JFET -

uz probojni napon U B probojnastupa uz U DS = U B + U GS



40/51

Dinami ki parametri FET-aOpisuju odnose malih izmjeni nih veli ina u reimu malog signalaUz mali signal:i D = f (uGS , u DS )

DS DS

DGS

GS

D D u

ui

uui

i ddd +

= dsd gsmd u g u g i +=

nam parame r :strmina

d ii

konst 0d

DS ds

mGS gsu u

g u u= =

= =

konst 0

dd

GS gs

d Dd

DS dsu u

ii g

u u= == =

d d

g r

1=



41/51

Model FET-a za mali signalKoristi se u podru ju zasi enja Drugi oblikSlijedi iz:id = g m u gs + uds/r d uds = u gs + r d id , = g m r d

konst0

dd

D d

DS ds

GS gsii

u uu u

= =

= = faktor naponskog poja anja

Za neoptere en izlaz id = 0maksimalno na onsko o a an e FET-a

gs gsd mds uur g u ==



42/51

Model za visoke frekvencije

KapacitetiC gs i C gd :za MOSFET kapacitet MOS strukture

- za MESFET kapacitet zaporno polariziranog spoja metal-poluvodi


f


43/51

Grafi ko odre ivanje

dinami kih parametara (1)Strmina:

konst=

= DS U GS

Dmui

g


G fi k d i j


44/51

Grafi ko odre ivanje

dinami kih parametara (2)Izlazni dinami ki otpor:

DS u

konst=

GS U Di


A li i k d i j


45/51

Analiti ko odre ivanje

dinami kih parametara (1)Strmina:

MOSFET

( )202

GS GS D U u K

i =

id DGS GS

GS

m

u

g

d

0 ===

JFET2

1

= GS DSS D

U

u I i

D DSS P P

GS

P

DSS

GS

Dm I I

U U U

U I

ui

g =

== 212

dd


A liti k d i j


46/51

Analiti ko odre ivanje

dinami kih parametara (2)Izlazni dinami ki otpor:

model nagiba izlaznihMOSFET

uU u K i += 12 2

( )20d

d 2 D

d GS GS DS

i K g U U

u = =

JFETGS u =

2

P U 2

d1 GS D

d DSS

U i g I

= =

DS P

11 1 DS d

U r

+= = za oba FET-a


d D D


47/51

Primjer 5.3

Parametri n-kanalnog MOSFET-a su koeficijent K = 80 A/V 2, napon pragaGS 0 = = , - .

naponom U GS = 5 V . Izra unati struju odvoda I D, strminu g m, izlazni dinami kiotpor r d i faktor naponskog poja anja uz:

a) U DS 1

= (U GS

U GS 0

)/2 ,b) U DS 2 = 2(U GS U GS 0).



48/51

Primjer 5.4

Napon praga p-kanalnog MOSFET-a je U GS 0 = 1,5 V . Kada MOSFET radi uGS .

napon U GS i strmina g m tog FET-a u podru ju zasi enja uz struju od 4 mA ?Zanemariti porast struje odvoda u podru ju zasi enja.



49/51

Primjer 5.5Izlazne karakteristike nekog realnog

MOSFET-a, dobivene mjerenjem,

prikazane su na slici.a) U radnoj to ki A odrediti dinami keparametre: strminu g m, izlaznidinami ki otpor r d i faktor

.b) Odrediti parametar modulacije

duine kanala koji aproksimiranagib izlaznih karakteristika upodru ju zasi enja.

c) Koritenjem parametra izra unatiizlazni dinami ki otpor za U DS = 7 V iza sva r napona GS sa s e.



50/51

Pregled bitnih jednadbi (1)MOSFET strujno naponske karakteristike

podru je zapiranja

I D = 0 za U GS < U GS 0 (n-kanalni) i zaU GS > U GS 0 (p-kanalni)

triodno podru je2

0 0( ) za 02 DS

D GS GS DS DS GS GS U

I K U U U U U U

=

po ru e zas en a za U DS U GS U GS 0

2

0 0( ) za

D DS GS GS DS GS GS

K I I U U U U U = =

oxW

K C L

=strujni koeficijent



51/51

Pregled bitnih jednadbi (2)MOSFET dinami ki parametri

struja odvoda

strmina

( ) ( )20 12 D GS GS DS

K i u U u = +

( )0d

2 uz 1d D

m GS GS D DS GS

i g K U U K I U u = = =

Documents

FET MOSFET Tranzistori