Upload
terminator91
View
232
Download
5
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Elektronika
Citation preview
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
5. Unipolarni tranzistori 3
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
5. Unipolarni tranzistori 4
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
5. Unipolarni tranzistori 5
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)
5. Unipolarni tranzistori 6
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
5. Unipolarni tranzistori 7
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
5. Unipolarni tranzistori 8
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
5. Unipolarni tranzistori 9
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
5. Unipolarni tranzistori 10
Rad uz vei napon UDS zatvaranje kanala
Za napon UDSS = UGS UGS0 UGD = UGS0 na strani odvoda kanal se zatvara
5. Unipolarni tranzistori 11
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
5. Unipolarni tranzistori 12
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:
5. Unipolarni tranzistori 13
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
5. Unipolarni tranzistori 14
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
5. Unipolarni tranzistori 15
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
5. Unipolarni tranzistori 16
Veza prijenosnih i izlaznih karakteristika
Prijenosne karakteristike mogu se konstruirati iz izlaznih karakteristika
5. Unipolarni tranzistori 17
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
5. Unipolarni tranzistori 18
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
5. Unipolarni tranzistori 19
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?
5. Unipolarni tranzistori 20
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
5. Unipolarni tranzistori 21
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
5. Unipolarni tranzistori 22
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
5. Unipolarni tranzistori 23
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
5. Unipolarni tranzistori 24
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
5. Unipolarni tranzistori 25
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
5. Unipolarni tranzistori 26
Primjer 5.2 (2)
5. Unipolarni tranzistori 27
Porast struje u zasienju
n-kanalni MOSFET obogaenog tipa UGS0 = 1 V
5. Unipolarni tranzistori 28
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
5. Unipolarni tranzistori 29
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
5. Unipolarni tranzistori 30
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
5. Unipolarni tranzistori 31
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
5. Unipolarni tranzistori 32
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
5. Unipolarni tranzistori 33
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
5. Unipolarni tranzistori 34
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 =
5. Unipolarni tranzistori 35
Karakteristike JFET-a
IDSS maksimalna struja JFET-aza UDS = UDSS < UGS UP triodno podrujeza UDS = UDSS > UGS UP podruje zasienja
prijenosna karakteristika izlazne karakteristike
5. Unipolarni tranzistori 36
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
= =
5. Unipolarni tranzistori 37
MESFET
Radi se u galij-arsenidu velika brzina radaSlian JFET-uUpravljaka elektroda- kanal je ispravljaki spoj metal-poluvodiZa ispravan rad UGS < 0
5. Unipolarni tranzistori 38
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
5. Unipolarni tranzistori 39
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
5. Unipolarni tranzistori 40
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=
5. Unipolarni tranzistori 41
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
5. Unipolarni tranzistori 42
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
5. Unipolarni tranzistori 43
Grafiko odreivanje dinamikih parametara (1)
Strmina:
konst==
DSUGS
Dm u
ig
5. Unipolarni tranzistori 44
Grafiko odreivanje dinamikih parametara (2)
Izlazni dinamiki otpor:
konst==
GSUD
DSd i
ur
5. Unipolarni tranzistori 45
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
5. Unipolarni tranzistori 46
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
5. Unipolarni tranzistori 47
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).
5. Unipolarni tranzistori 48
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.
5. Unipolarni tranzistori 49
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.
5. Unipolarni tranzistori 50
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
5. Unipolarni tranzistori 51
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= = =