05_fet

Report
A térvezérelt tranzisztorok
(JFET és MOSFET)
Térvezérelt tranzisztor
(Field Effect Transistor, FET)
Működésük alapelve, hogy egy térrészen átfolyó áramot úgy
szabályozunk, hogy külső elektromos erőtérrel megváltoztatjuk a
félvezető vezetőképességét, ill. a rendelkezésre álló
keresztmetszetet.
FET-ek csoportosítása
2 csoportjuk:
•MOSFET
•JFET
Közös tulajdonságaik:
 bemenő áramuk 0
 kis teljesítményigény,
 kis helyigény
 a többségi töltéshordozók árama határozza meg a
működést.
 kisebb hőmérsékletfüggés
Működésük alapja: feszültségvezérelt áramforrás
A záróréteges térvezérelt
tranzisztor (JFET)
Záróréteges térvezérelt tranzisztor
(Junction Field Effect Transistor, JFET)
Alapszerkezet
A forrás (source) és a nyelő (drain) elektródák közötti többségi töltéshordozó
áramot a kapu (gate) elektródára kapcsolt feszültséggel tudjuk változtatni
azáltal, hogy változtatjuk a záróirányba előfeszített pn átmenet feszültségét,
ezáltal a kiürített réteg vastagságát, ezáltal az áramvezetésre alkalmas csatorna
keresztmetszetét.
Az eszköz n és p csatornás változatban is készül (nJFET, pJFET).
A JFET metszeti rajza
Jellemző alkalmazás:
Bemeneti tranzisztor
(bipoláris integrált áramkörökben)
Kiürített rétegek a JFET-ben
• Telítés nélküli (ohmikus) működési tartomány:
Telítés nélküli (ohmikus)
tartomány: A még el nem
záródott csatorna ellenállásként
viselkedik
• Telítéses működési tartomány
Telítéses tartomány: A csatorna elzáródik,
és a töltéshordozók sodródási sebessége
eléri azt a határértéket, ami fölött már nem
függ a térerősségtől, hanem állandó  ID
az UDS-től függetlenül állandó
N-csatornás JFET (nJFET)
Az n-csatornás JFET
Vp elzáródási
feszültsége negatív
előjelű
Kimeneti jelleggörbék
A fém-oxid-félvezető tranzisztor
(MOSFET)
A MOS tranzisztorok
•Fém-oxid-félvezető (Metal Oxid Semiconductor, MOS)
1957: Az első MOS tranzisztor (MOSFET)
1970: Az első nagy tételben árult MOS IC
 DRAM (dinamikus RAM)
 Egy kapacitás töltése jelenti az információt, amely azonban egy idő után
elszivárog, ezért egy áramkörnek rendszeresen frissítenie kell
 3 tranzisztoros cellákból épült fel
 1 kbit tárolóképességű
 Intel készítette
•A MOS helyzete manapság:
• A vezető technológia
 1 DRAM több száz millió MOSFET-et tartalmaz
 Az integrált áramkörökben (IC-k) leggyakrabban a MOS
tranzisztor fordul elő
•A MOS tranzisztor működésének alapja: a MOS kapacitás
A MOS kapacitás
A „-” töltések a mozgóképes
töltéshordozókból és a helyhez
kötött ionizált adalékatomok
negatív töltéséből állnak
A szerkezeten a térerősség hatására a fémen
pozitív töltések jelennek meg, a p típusú
félvezetőben először egy kiürített réteg jön
létre, majd adott térerősségnél negatív
mozgóképes töltéshordozók az ún. inverziós
töltések.
Az a feszültség, amit a szerkezetre kell adni,
hogy az inverziós csatorna létrejöjjön, a VT
küszöbfeszültség.
VT értékét a következő tényezők
befolyásolják:
az oxid vastagsága, töltései és permittivitása
(dielektromos állandója, ox)
a Si adalékolása és permittivitása (Si)
A MOS kapacitás kiszámítása
• Legegyszerűbb képlet:
C ox   ox
W L
t ox
• ahol
–
–
–
–
–
Cox: a W széles és L hosszú MOS kapacitás értéke
W: az MOS kapacitás szélessége
L: az MOS kapacitás hosszúsága
ox: az oxid permittivitása (dielektromos állandója)
tox: az oxid vastagsága
A MOS kapacitást önmagában
is használják töltések
mozgatására, pl. a töltéscsatolt
szerkezetekben (Charge
Coupled Devices, CCD)
Pl.: videókamera (camcorder)
V2 > VT > V1 és V3 : a töltés
a kettes jelű kapacitás alatt
marad.
V3 > V2 > VT > V1: a töltés a
hármas jelű kapacitás alá
mozdul.
V3 > VT > V1 és V2 : a töltés
a hármas jelű kapacitás alatt
marad.
CCD kamerákban a CCD fényészlelőként (photo detector) is szolgálhat (esetenként
erre pn-átmeneteket használnak).
A generált töltéshordozók száma minden pixel pontban az adott pontra beeső fény
intenzitásától függ. A keletkező töltéseket soronként kiolvassák a CCD-ből.
A MOS tranzisztor keresztmetszeti képe
A MOS tranzisztor egy forrás (source) és egy nyelő (drain) elektródával kiegészített MOS
kapacitás. a MOS kapacitás egyik fegyverzete a kapu (gate) elektróda, a másik a hordozó
(substrate).
n csatornás eszköz: p típusú hordozón (substrate), az inverziós csatornát elektronok
alkotják, ezekhez csatlakozik az n+ source és drain.
p csatornás eszköz: n típusú hordozón
Növekményes (enhancement mode) MOS tranzisztor: ha UGS= 0 esetén nincs áramvezető
csatorna.
Kiürítéses (depletion mode) MOS tranzisztor, ha UGS = 0 esetén van áramvezető csatorna.
MOS tranzisztor működése
Ha az UGS gate feszültség nagyobb, mint a VT küszöbfeszültség, a Si és SiO2
átmenetnél egy elektronokból álló inverziós réteg alakul ki.
Az n+ - source tartomány a MOS
kapacitás inverziós töltéseinek gyors
megjelenését biztosítja.
Az n+ – drain tartomány pozitív
előfeszítése hatására az inverziós
csatornában a source-tól a drain felé áram
folyik.
A pozitív feszültség a drain körüli pn
átmenetet záróirányban feszíti elő, ennek
eredménye a széles kiürített réteg a drain
körül.
Az inverziós csatorna töltéseinek számát
VGS szabályozza.
A drain feszültség miatt az inverziós
csatornán feszültség esik, ezért a csatorna
a drain felé szűkül.
ID 
W
L
n
 ox 
t ox
 U GS  V T U DS

2
U DS 


2 
ha
U GS  V T , U DS  U GS  V T
ahol W a gate szélessége, L a gate hosszúsága, ox az oxid permittivitása, tox az oxid
vastagsága, n a csatorna töltéshordozóinak mozgékonysága, UGS a gate-source
feszültség, VT a tranzisztor küszöbfeszültsége, UDS a drain-source feszültség.
Egy adott drain feszültségnél
(UDSsat, telítési feszültség) a
csatorna a drain-nél elzáródik
(pinch-off)
UDSsat = UGS-VT
Ha ugyanis UDS > UGS-VT, a drain-nél nem tud inverziós csatorna kialakulni. Az
elzáródás bekövetkezte után a MOS tranzisztor un. telítéses üzemmódban
dolgozik, a drain feszültség tovább nem befolyásolja a csatorna áramot.
Telítéses tartomány
• Elzáródott az inverziós réteg a drain mellett
– Az elzáródott szakaszban a potenciálviszonyok eredményeként nincs
inverziós töltés
– De a drain és a source közötti feszültségkülönbség hatására átjutnak
elektronok a csatornából a drainbe
• A csatornához képest az elzáródott részbe behatolt elektronok
sűrűségi kicsi
– Így nagy elektromos térerősség kell ugyanakkora áram fenntartásához,
mint a csatornában
– Ezt a nagy E térerőt az UDS drain feszültség csak egy igen rövid,
UDS/E mértékű szakaszon tudja fenntartani
• Ez az elzáródott szakasz nagyon rövid a csatorna teljes
hosszúságához képest, csak néhány század μm
– Ha az UDS drain feszültséget tovább növeljük, ez az elzáródott szakasz
kicsit hosszabb lesz, de a feszültség növekménye az elzáródott
szakaszra fordítódik, így az ID nem változik
Telítéses tartomány
A MOSFET működési tartományai
A poli-Si kapus MOS keresztmetszete
Vékony oxid (1…20 nm vastag)
Poli-Si kapu
Source
n+
Drain
n+
Vastag oxid
p hordozó
• A fenti ábrán egy n-vezetéses MOS, azaz NMOS látható
• A MOS tranzisztorok jellegzetes csatorna hosszúsága: L = 0,3 μm
• A gate anyaga általában polikristályos szilícium, röviden: poli-Si
• A poli-Si vezetőképessége sokkal jobb, mint a szilíciumé, a fémekére hasonlít, bár a
fémekénél azért nagyobb a fajlagos ellenállása
•A MOSFET készülhet alumínium gate-tel is, de a poli-Si gate előnye az
önillesztő technológia (következő dia)
A MOS tranzisztor
Önillesztő, poli-Si gate eljárás
1. Aktív zóna vékonyoxid
2.Bújtatott kontaktus
ablaknyitás
3. Poli-Si felvitel, maszkol
4. Aktív zónát nyit, n+
diffúzió
5. Szigetelő bevonat
6. Kontaktus ablakok
7. Fémezés
Önillesztés:
A csatornát a poli-Si gate és
az aktív zóna átfedése jelöli
ki.
A MOS
tranzisztor
Mikronalatti
MOS szerkezet
Vázlatrajz és
elektronmikroszkóppal
készült
metszeti kép
Növekményes n csatornás MOS tranzisztor szimbólumok
Kiürítéses n csatornás MOS tranzisztor szimbólumok
Mindegyik változat használatos
A MOS tranzisztor kimeneti jelleggörbéi
ID=f(UDS), paraméter: UGS
Kimeneti karakterisztika
MOS modellegyenletek (NMOS-ra)
Ezek másik neve: jelleggörbe egyenletek
Trióda
(lineáris tartomány):
Telítéses tartomány:
Határhelyzetben:
1

2
I D    (U GS  V T )U DS  U DS  , ha U DS  U GS  V T
2


  KN
ID 
 n  ox
t ox
2
állandó
L
 (U GS  V T ) ,ha U DS  U GS  V T
2
U DS  U DS , sat  U GS  V T
Határhelyzetben mindkét modellegyenlet igaz.
KN 
1
W
W a gate szélessége,
L a gate hosszúsága,
ox/tox a felületegységre eső oxidkapacitás,
n a csatorna töltéshordozóinak mozgékonysága,
UGS a gate-source feszültség,
VT a tranzisztor küszöbfeszültsége
Jellemző értékek
NMOS technológiai
paraméterek:
PMOS technológiai
paraméterek:
K  K N  16
K  KP  8
Konstrukciós paraméterek
mindkettőnél:
W
A
V
A
V
,
2
2
,
V T  1V
V T   1V
 10 ... 1
L
1
10
Példa
Mennyi a MOS tranzisztor telítéses árama UGS=5V vezérlő
feszültség mellett, ha
 
K 
 110  A / V
VT =1V, és a tranzisztor méretei
n
N
2
ox
t ox
a) W= 10μm, L=0,8μm , b) W= 1,6μm, L=10μm
Megoldás
a) I
D

b)I D

W KN
L 2
W KN
L
2
(U GS  V T ) 
2
(U GS  V T ) 
2
10 110
0 ,8 2
1, 6 110
10
10
10
6
6
( 5  1)  11  10
2
3
( 5  1)  141  10
2
A  11 mA
6
A  141  A
2
A W/L arány megfelelő változtatásával tehát több nagyságrendnyi
tartományban változtathatjuk a drain áramot
A hordozó visszahatás
• A VBS hordozóra kapcsolt feszültség is erősen befolyásolja a töltésviszonyokat, ez a
hordozó visszahatás (body effect)
• Jelölése abból adódik, hogy a hordozó (Bulk) és a Source elektróda között mérik
• A vizsgált áramköri példákban a hordozó visszahatást elhanyagoljuk
Küszöb alatti áramok
•A valóságban VT -nél kisebb UGS feszültségnél is van áram, amely
közel exponenciálisan csökken
• A nagy integráltságú digitális áramkörökben használatos MOS
tranzisztorok egyik legnagyobb gondja, hogy a méretek
csökkenésével a küszöb alatti áramok egyre kevésbé hanyagolhatók
el
1. Példa

Határozza meg az áramkör
ellenállásait a következő DC
működési tartományokra!

Itt a Zener dióda letörési feszültsége:
UZ = -4,7 V
Ebben a kapcsolásban a Zener dióda
záróirányban van bekötve
V DD
R G1
RD
ID
I1

VD
N T1
VG
VS
R G2
Z 4 .7
IS
Név
KN
W/L
UDD
VT
UDS
UGS
I1
A
B
C
16 A/V2 16 A/V2 16 A/V2
5
10
5
+12 V
+12 V
+12 V
1V
-1,5 V
1V
2V
5V
6V
6V
-1 V
2V
1 mA
2 mA
1 mA
Megoldás – A feladat
1. példa
A telítés feltétele: |UDS|  |UGS - VT|.
Ezzel UDS = 2V, UGS - VT = 6V-1V = 5V, ezért a tranzisztor triódában van.
Így
1 2 

I D    U GS  V T U DS  U DS 
2


  KN
W
L
 0 , 016
mA
V
2
 5  0 , 08
,
mA
V
2
Tehát ID = 0,08mA/V2  [10V-2V] = 0,64 mA
US = 4,7V  UD = US + UDS = 6,7V
RD = 5,3V / 0,64mA  8,28 K
UG = US + UGS = 10,7V  RG2 = 10,7V / 1mA = 10,7K
RG1 = (12V - 10,7V) / 1mA = 1,3K
Név
RD
RG1
RG2
Érték
8,28 K
1,3 K
10,7 K
Megoldás – B feladat
1. példa
A telítés feltétele: |UDS|  |UGS - VT|.
Itt UDS = 5V, UGS - VT = -1V-(-1,5V) = 0,5V, ezért telítésben van.
Így ID = (1/2)(UGS - VT)2
  KN
W
L
 0 , 016
mA
V
2
 10  0 ,16
mA
V
2
Tehát ID = (1/2)  0,16 mA/V2  (0,5V)2 = 0,02mA
US = 4,7 V  UD = US + UDS = 9,7V
RD = (12V-9,7 V) / 0,02mA = 115K
UG = US + UGS = 3,7 V  RG2 = 3,7V / 2mA = 1,85K
RG1 = (12V - 3,7V) / 2mA = 4,15K
Név
Érték
RD
115 K
RG1
4,15 K
RG2
1,85 K
Megoldás – C feladat
A telítés feltétele: |UDS|  |UGS - VT|.
Itt UDS = 6V, UGS - VT = 2V-1V = 1V, tehát telítésben van.
Ezért ID = (1/2)    (UGS - VT)2
  KN
W
L
 0 , 016
mA
V
2
 5  0 , 08
mA
V
2
2
Így ID = (1/2)  0,08mA/V  (1V)2 = 0,04mA
US = 4,7V  UD = US + UDS = 10,7V
RD = 1,3V / 0,04mA = 32,5K
UG = US + UGS = 6,7 V  RG2 = 6,7V / 1mA = 6,7K
RG1 = (12 V - 6,7 V) / 1 mA = 5,3K
Név
RD
RG1
RG2
Érték
32,5K
5,3K
6,7K
1. példa
2. Példa
• Határozza meg a csomóponti feszültségeket és az ágáramokat DC
működési körülmények között!
• UZ1 a Zener dióda letörési feszültsége
UDD
R2
R1
I2
I1
U2
T1
U1
R3
N
I3
Z1
I4
I5
Név
A
B
UZ1
-4 V
-6 V
KN
16 A/V2
16 A/V2
W/L
0,5
3
UDD
12 V
12 V
VT
1V
1V
R1
40 k
20 k
R2
15 k
5 k
R3
5 k
40 k
Segítség a megoldáshoz
(A feladat) 2/1
2. példa
• A Zener dióda záróirányban van előfeszítve
– Ha nem folyna rajta áram, akkor a nem földelt sarka az UDD tápfeszültségen
lenne, ekkor (0V-UDD) feszültségnek kellene esni rajta, ami viszont abszolút
értékben nagyobb, mint az UZ letörési feszültség, így a dióda mégiscsak
letöréses üzemmódban lenne
– Ha a Zener dióda letörésben működik, akkor a rá vonatkozó egyszerűsített
eszközmodell szerint a rajta eső feszültség a rajta átfolyó áramtól függetlenül
UZ
• Mivel a dióda záróirányban van bekötve, ezért a nem földelt sarka lesz
U1=0V-UZ potenciálon
• Az A feladatban U1=4V
• Az U1 potenciál a T1 MOS tranzisztor UG gate feszültségével egyezik meg
• Mivel a T1 tranzisztor source elektródája a földre van kötve, ezért US=0V
– Az A feladatban UGS=4V
Segítség a megoldáshoz
(A feladat) 2/2
2. példa
• Iterációs módszerrel érdemes megoldani
• Az U2 potenciálra érdemes kezdeti értéket adni, majd ezt módosítani az
U2 csomópontra felírt Kirchoff törvény alapján meghatározható
E(U2)=I2-I5-I3 hibafüggvény minimalizálásával
• Az U2 kezdeti értékének az (UGS-VT) értéket célszerű választani, amivel
a T1 MOS tranzisztor a trióda és a telítéses tartomány határhelyzetében
működik, ugyanis a példában U2=UD és mivel US=0V, így UDS=U2
– Tehát a telítés és a trióda tartomány határhelyzetének feltétele az
UDS=U2=UGS-VT egyenlőség fennállása
• Ezek után eldönthető, hogy az U2-t melyik irányba kell módosítani:
– Ha felfelé (U2-t növelve), akkor a T1 MOS tranzisztor biztosan telítésben
lesz
– Ha lefelé (U2-t csökkentve), akkor a T1 biztosan triódában fog működni
2. példa
Megoldás
Név
A
B
U1
4,00 V
6,00 V
U2
2,86 V
8,00 V
I1
0,20 mA
0,30 mA
I2
0,61 mA
0,80 mA
I3
0,57 mA
0,20 mA
I4
0,20 mA
0,30 mA
I5
0,04 mA
0,60 mA
T1
trióda
telítéses
3. Példa
•
•
•
•
Határozza meg a csomóponti feszültségeket és az ágáramokat DC működési
körülmények között!
UZ1 a Zener dióda letörési feszültsége
UDD = +12 V, UBE = 0,7 V, UCE,sat = 0,1 V, B = 500, VT = 1 V, KN = 16 A/V2
W/L=0,5
UDD
R1
R2
R3
U3
I2
I1
I3
U2
T2
T1
U1
Z1
N
I5
I6
I7
I4
U4
R4
Név
A
B
UZ1
-4 V
-6 V
R1
40 k
20 k
R2
10 k
10 k
R3
1 k
6 k
R4
1 k
10 k
Segítség a megoldáshoz
3. példa
• U1 értéke következik a Z1 Zener dióda letörési feszültségéből
• A T2 tranzisztor üzemmódjára érdemes azzal a feltételezéssel
élni, hogy a T2 aktívban van, mert ebben az esetben első
közelítésben a bázisáram elhanyagolható
– Tekintettel a nagy B=500 értékre, az elhanyagolás feltétlenül indokolt
• Így az áramkör R1, R2, Z1, T1 elemekből álló része önállóan
megoldható
• Ezekután U2-re iterálva a feladat megoldható
– Ha a T2 tranzisztor telítésbe kerül, akkor a bázisárama már nem
hanyagolható el, s ekkor ez visszahat az U2 értékére, sőt a T1
üzemmódjára is
3. példa
Megoldás
Név
A
B
U1
4,00 V
6,00 V
U2
6,89 V
8,92 V
U3
6,29 V
8,32 V
U4
6,19 V
8,22 V
I1
0,20 mA
0,30 mA
I2
0,51 mA
0,31 mA
I3
5,71 mA
0,61 mA
I4
6,19 mA
0,82 mA
I5
0,20 mA
0,30 mA
I6
0,04 mA
0,10 mA
I7
0,48 mA
0,21 mA
T1
telítés
telítés
T2
telítés
telítés

similar documents