Poglavlje_05_El1

Fakultet elektrotehnike i raunarstvaZavod za elektroniku mikroelektronikuZavod za elektroniku, mikroelektroniku,

raunalne i inteligentne sustave

El kt ik 1Elektronika 1. Butkovi, J. Divkovi Pukec, A. Bari

5 Unipolarni tranzistori5. Unipolarni tranzistori

Unipolarni tranzistor

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

krugukrugu

primjena: pojaalo, sklopka d b k l i lj j b k prednost: beskonaan ulazni otpor upravljanje bez potroka

snage

5. Unipolarni tranzistori 2

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 FET skraenica engleskog naziva Field Effect Transistor

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


Struktura MOSFET-a (1)

Prikljuci

Struktura n-kanalnog MOSFET-a

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

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

Dimenzije budueg kanala L duina W irina


Struktura MOSFET-a (2)

za n-kanal p-podloga

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

( l O id )(engl. Oxide) S poluvodi

(engl. Semiconductor) struja MOS strukture IG = 0

n+ podruja kontakti uvoda in podruja kontakti uvoda i odvoda

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


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 strujaIzmeu 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 p p j pinverzijski sloj n-kanal

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

G i t j k l U U k t ij l kt k lGranica 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;

OSMOSFET je linearni otpornik

Poveanjem napona UGS raste j p GSkoncentracija 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: jna strani uvoda UGSna strani odvoda UGD = UGS UDS

Kanal se prema odvodu suava otpor kanala rasteotpor kanala raste


Rad uz vei napon UDS zatvaranje kanala

Za napon UDSS = UGS UGS0 U = U na strani odvodaUGD = 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 podrujeDS

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

Za U > U U kanal jeZa 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 d d dt y t y

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

2( ) DSU t j I t i d d j0( ) 2

DSD GS GS DS

UI K U U U = struja ID u triodnom podruju

n oxWK C= strujni koeficijentn ox L j j

Za UDS = UDSS = UGS UGS0

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


Izlazne karakteristike

2U

triodno podrujeza 0 UDS UGS UGS0

20( ) 2

DSD GS GS DS

UI K U U U = podruje zasienja

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

za UDS UGS UGS0

2linearno podruje za mali UDS

DSGSGSD UUUKI )( 0

obogaeni tip UGS0 = 1 Vpodruje zapiranja za UGS < UGS0

0=DI


Prijenosne karakteristike

za UDS = 3 V podruje zasienja

U 1 V d j i jza 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 U = Unegativnim naponom UGS = UGS0

n-kanalni MOSFET vodi struju uz U > Uuz UGS > UGS0


Elektriki simboli n-kanalnog MOSFET-a

osiromaeni tip obogaeni tip

puna crta izmeu uvoda i odvoda postojanje kanala uz UGS = 0 Visprekidana crta izmeu uvoda i odvoda izostanak kanala uz UGS = 0 Vt li d dl k lstrelica od p-podloge prema n-kanalu


Primjer 5.1

Prijenosna karakteristika MOSFET-a podruju zasienja prikazana je na slici. Debljina sloja SiO2 iznad kanala je 20 nm, a 2pokretljivost veinskih nosilaca u kanalu je 400 cm2/Vs

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

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 presjeku n kanalnog MOSFET-a uz zamjenu tipova primjesa

za p-kanal n-podloga

+ d j k t kti d ip+ podruja kontakti uvoda i odvoda


Elektriki simboli p-kanalnog MOSFET-a

osiromaeni tip obogaeni tip

puna crta izmeu uvoda i odvoda postojanje kanala uz UGS = 0 Visprekidana crta izmeu uvoda i odvoda izostanak kanala uz UGS = 0 Vt li d k l dl istrelica od p-kanala prema n-podlozi


Tipovi p-kanalnog MOSFET-a

struja je ID negativna

b i ti k l tobogaeni 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 zasienja

( )

=2

20

DSDSGSGSD

UUUUKI

p j jza UDS UGS UGS0

( )202 GSGSD UUKI =

koeficijent struje

LWCK oxp=

2

obogaeni tip UGS0 = 1 VLoxp

podruje zapiranja za UGS > UGS0

0=DI


CMOS struktura

nMOS na p-podlozipMOS u zasebnom n-otokupMOS 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,a) n kanalni,b) p-kanalni.

a))V ,GSU 1 0 1 2 3

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

b)

VU 1 2 3 4 5V,GSU 1 2 3 4 5V ,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

Toka dodira pomie se prema uvodu

Kanal se skrauje

U k l l kt i b jU kanalu elektroni se ubrzavaju naponom UDS = UDSS = UGS UGS0

U podruju zasienja struja ID raste s naponom UDS

)/(11)(

21 20 LL

IUULL

WCI DSGSGSoxnD ==


Struktura spojnog FET-a

Prikljuci

Struktura n-kanalnog JFET-a

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

K lKanal L duina W irina 2a tehnoloka debljina


Elektriki simboli JFET-a

n-kanalni p-kanalni

strelica od p-tipa prema n-tipu poluvodiaza n-kanalni od p-upravljake elektrode prema n-kanalu

k l i d k l lj k j l kt diza p-kanalni od p-kanala prema n-upravljakoj elektrodi


Napon dodira i linearno podruje rada

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

Uz mali UDS zanemariv pad napona u kanaluDS p pPoveanjem iznosa UGS osiromaena

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

2/1DS

PK

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 pn spoj upravljaka elektroda kanal

jae se zaporno polarizira na strani odvoda

Kanal se prema odvodu suava Kanal se prema odvodu suava otpor kanala raste

Struja ID sve sporije raste s naponom UDS triodno podrujeUDS triodno podruje

+

=2/32/3

0 233 PKGSK

PK

DSGSK

PK

DSPKD UU

UUUU

UUUUU

UUUGI 3 PKPKPK UUUUUU

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 3 PKPK UUUU

Struja ID mijenja se samo s naponom UGS


Modulacija duine kanala

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

naponom UDS = UDSS = UGS UP

U podruju zasienja struja ID raste s naponom UDS

LLLII DSD =


Karakteristike JFET-a

prijenosna karakteristika izlazne karakteristike

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


za UDS = UDSS > UGS UP podruje zasienja

JFET u podruju zasienja

JFET se najvie koristi u pojaalima radi u podruju zasienja

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

2

1 GSD DS DSSP

UI I IU

= =

puna crta toan izrazcrtkano jednostavniji izraz


MESFET

Radi se u galij-arsenidu velika brzina radaSlian JFET-uUpravljaka elektroda- kanal je ispravljaki spoj metal-poluvodiUpravljaka 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 slojevisuavaju osiromaeni slojevi

Kod obje vrste FET-ova t t t iporastom temperature pri

manjim strujama struja ID se poveava, a pri veim strujama se smanjujese smanjuje


Proboji FET-ova

MOSFET lavinski proboj spoja odvod-podloga prohvat proboj oksida

JFET lavinski proboj spoja odvod kanal; 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 +=

Di iki t iDinamiki parametri: strmina

d dD ii

konst 0d

DS ds

dDm

GS gsu u

gu u= =

= =

izlazna dinamika vodljivost izlazni dinamiki otpor izlazna dinamika vodljivost izlazni dinamiki otpor

konst 0

dd

GS gs

dDd

DS dsu u

iigu u= =

= =d

d gr 1=


g

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

= =

= = faktor naponskog pojaanja

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

gsgsdmds uurgu ==


p p j j

Model za visoke frekvencije

Kapaciteti Cgs i Cgd:za MOSFET kapacitet MOS struktureza JFET kapacitet zaporno polariziranih pn-spojevaza 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:

= DSd urkonst=

=GSUD

d ir


Analitiko odreivanje dinamikih parametara (1)

Strmina:

MOSFET

( )202 GSGSD UuKi =

( )D IKUUKi 2d ( ) DGSGSGS

Dm IKUUKu

g 2d 0

===

JFET2

1

=P

GSDSSD U

uIi

JFET

PDDSS

PP

GS

P

DSS

GS

Dm IIUU

UUI

uig =

==

212dd


Analitiko odreivanje dinamikih parametara (2)

Izlazni dinamiki otpor:model nagiba izlaznih karakteristika u podruju zasienja

MOSFET

( ) ( )DSGSGSD uUuKi += 120karakteristika u podruju zasienja ( ) ( )DSGSGSD 2 0( )20dd 2Dd GS GSDS

i Kg U Uu

= = JFET

( )DSGSDSSD uuIi + = 112 ( )DS

PDSSD uU

Ii + 112

d 1d

GSDd DSS

Uig Iu U

= = d DS Pu U 11 1DS

dUr

g I I

+= = za oba FET-a


d D Dg I I

Primjer 5.3

Parametri n-kanalnog MOSFET-a su koeficijent K = 80 A/V2, napon pragaU 2 V i faktor modulacije duine kanala 0 005 V-1 FET radi sUGS0 = 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 U = 4 V vodi struju od 1 mA Koliki supodruju 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 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

t i U likza 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

d j i j

2

0 0( ) za 02DS

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

= podruje zasienja za UDS UGS UGS0

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

KI I U U U U U= = 2

oxWK CL

=strujni koeficijent


Pregled bitnih jednadbi (2)

MOSFET dinamiki parametristruja odvoda

strmina

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

i l i di iki t

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

u= = =

Documents

Poglavlje_05_El1