Transcript 04 MOSFET

MOSFET
MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect
Transistor): Metal – Oksid –poluvodič FET
ili
Tranzistor s efektom polja s izoliranom upravljačkom
elektrodom
Osnovna karakteristika:
• Kod ove vrste tranzistora ne postoji vodljivi kontakt između upravljačke
elektrode (G) i poluvodičkog materijala (izolirana je)
• Vrlo vrlo veliki ulazni otpor (veći od JFET-a → praktično beskonačan).
1
Općenito
• Po električnim karakteristikama slični JFET-u
• Princip rada i konstrukcija različiti od JFET-a
• Posebno pogodni za izradu u integriranim krugovima (IC) – danas
dominiraju (pogotovo digitalna elektronika)
Dva tipa i dva “podtipa” (ukupno 4 različita tipa):
• N-kanalni (N-MOSFET, NMOS) i P-kanalni (P-MOSFET, PMOS)
• No, svaki može biti i osiromašenog i obogaćenog tipa
2
G
S
D
metal
SiO2
+
+
N
N
P (podloga)
N – kanalni MOSFET obogaćenog tipa
3
• Upravljačka elektroda (G) nalazi se na površini između izvoda i
izvora. Zbog ove slojevitosti metal-oksid-poluvodič i nastao je naziv
MOSFET.
S
G
D
metal
SiO2
N+
N+
P (podloga)
ili substrat
4
Kako ulazni napon upravlja izlaznom strujom?
• Ako nema ulaznog napona,
nema kanala – nema struje
• Obogaćeni tip se ponekad zove i
“normalno isključen” (Normally
OFF) tranzistor
• Pod “normally” se
podrazumjeva situacija kada
ništa nije spojeno na upravljačku
elektrodu (G)
S
G
N+
ID=0
D
N+
+
UDS
P
• Ako pogledamo sliku, vidimo da struktura MOSFETa predstavlja NPN spoj, tj.
dva PN spoja sa zajedničkim P dijelom. Struja ID ne može teći jer je desni PN
spoj uvijek zaporno polariziran (desna N strana spojena na najveći
(“najpozitivniji”) potencijal).
• Da bi se uključio (počeo voditi izlaznu struju), potrebno je imati kontinuirani N
tip poluvodiča od D do S. tj. potrebno je formirati N –kanal.
5
Osnovni princip rada
S
G
+
Ulazni napon je
napon UGS, koji se
priključi na način da
je G na većem
potencijalu od S (za
N kanalni tip, za P
kanalni obrnuto),
kako pokazuje slika.
UGS=0,5V
N+
elektron
šupljina
E
ID=0
D
N+
+
UDS
P
• Pozitivan potencijal G u odnosu na S stvara el. polje između G i podloge (P
tipa poluvodiča, priključenog na S). Ovo privlači elektrone (dakle,
manjinske nositelje) prema G (tj. prema vrhu podloge) i potiskuje šupljine
(većinske nositelje) natrag u P podlogu.
• Rezultat priključenja UGS je stoga nešto povećana koncentracija elektrona i
smanjena koncentracija šuplijna na vrhu podloge. Međutim, struja ID i dalje
ne može teći.
6
Osnovni princip rada
• Možemo reći da se vrh P podloge
“obogaćuje” elektronima.
• Međutim, i dalje se između 2 N
područja (D i S) nalazi P tip
poluvodiča, pa i dalje struja ID ne
teče.
G
E
N+
D
ID=0
N+
+
UDS
P
S
UGS=1,5V
G
+
• Drugim riječima, daljnje povećanje
ulaznog napona povećava
koncentraciju manjinskih i smanjuje
koncentraciju većinskih nositelja u
području pri vrhu P podloge.
UGS=1V
+
• Daljnje povećanje iznosa UGS još
više povećava el. polje → još više
elektrona je privučeno na vrh P
podloge, a još više šupljina je
odbijeno u unutrašnjost P podloge.
S
N+
E
D
ID=0
N+
+
UDS
P
7
Osnovni princip rada
S
G
+
Ulazni napon UGS se
dovoljno povećao da
je koncentracija
elektrona pri vrhu
podloge dosegla
koncentraciju šupljina
– formiran je N kanal!
UGS1=2V =UP
N+
N kanal
D
ID1>0
N+
+
UDS
P
• Ako se UGS nastavi povećavati, za dovoljno velik iznos UGS koncentracija
elektrona pri vrhu P podloge toliko poraste da se izjednači sa koncentracijom
šupljina. Ovo područje više se ne ponaša kao P tip poluvodiča, već se može
smatrati N tipom poluvodiča. Ovaj efekt se naziva inverzija kanala, a iznos
napona koji je bio potreban za ovo je napon praga UP (u ovom primjeru UP=2V).
Ovako formirano N-područje pri vrhu P podloge se naziva kanal.
• Sada više nemamo 2 PN spoja, već samo 1, s obzirom da su 2 N područja sada
“spojena” N-kanalom. Struja ID stoga počinje teći kroz kanal između D i S 8.
Osnovni princip rada
G
N+
D
ID2>ID1
N+
+
UDS
P
S
UGS3=5V
G
+
• Na slici je efekt povećanja
vodljivosti shematski prikazan
povećanjem debljine kanala, radi
zornijeg prikaza efekta povećanja
vodljivosti. Stvarno se debljina
kanala vrlo malo mijenja, već raste
koncentracija elektrona (no
promjena koncentracije je teža za
slikovni prikaz, pa se obično efekt
promjene vodljivosti kanal prikazuje
jednostavno debljinom kanala)
UGS2=3V
+
• Daljnjim povećanjem iznosa ulaznog
napona UGS iznad UP još više
elektrona se nastavlja privlačiti u
kanal → koncentracija elektrona u N
kanalu raste → vodljivost N kanala
raste → struja ID raste.
S
N+
D
ID3>ID2
N+
+
UDS
P
9
Prijenosna karakteristika obogaćenog NMOSa
ID [mA]
• Dok UGS < UP NMOS je “izgašen”
(nema kanala → nema izl. struje ID)
• Povećanje UGS iznad UP povećava
koncentraciju elektrona u kanalu
(“podebljanje” kanala), te vodljivost
kanala raste → izl. struja ID
eksponencijalno raste
a će
ni ti
p
20
15
Obo
g
• Opisani princip rada (kako iznos
ulaznog napona UGS upravlja
izlaznom strujom ID) se grafički
prikazuje prijenosnom
karakteristikom MOSFET-a
10
5
UP =2V
0
1
2
3
4
UGS [V]
• Daljnje povećanje UGS bez ograničenja povećava struju ID (naravno, mora se
voditi računa da se ne prijeđe maksimalno dopuštena struja i snaga za
promatrani tranzistor). Dakle, za razliku od JFETa MOSFET nema maks.
struju IDSS !
10
Izlazne karakteristike obogaćenog NMOSa
• Oblik sličan kao kod JFET-a
• Izlazne karakteristike za veće
iznose ulaznog napona UGS
pokazuju veće struje ID i
potreban je veći iznos izlaznog
napona UDS da bi MOSFET ušao
u područje zasićenja (granica
između triodnog područja i
zasićenja je prikazana
isprekidanom krivuljom).
(UP= 2V)
UGS= 6V
UG
S -U
P
40
S=
30
UD
• Isto ima triodno područje (s
lijeve strane isprekidane
krivulje) i područje zasićenja
(desna strana isprekidane
krivulje)
ID [mA]
UGS= 5V
20
UGS= 4V
10
UGS= 3V
0
1
2
3
4
5
UDS [V]
6
Temeljno isti razlog usporavanja
rasta struje i dosizanja zasićenja
kao kod JFET-a, no fizikalno kod
MOSFETa mehanizam različit.
11
Zašto struja usporava sa rastom UDS ?
• Pri ovome, ulazni napon
UGS se drži konstantnim
(npr. 5V)
0V
5V
5V
5V
N+
0,5V
0V
ID
D
G
+
• Pogledajmo što se
događa sa rastom
izlaznog napona (do
sada smo pretpostavljali
vrlo male izl.napone)
UGS=5V
S
ID
1V
N+
1V
+
UDS=1V
P
• Prolaskom kroz kanal, ID stvara pad napona duž kanala, tako da su točke kanala
bliže D na višem potencijalu od onih bliže S. Na gornjem primjeru potencijal duž
kanala opada od maksimalnih 1V (koliki je UDS) u području D, do minimalnih 0V
(potencijal S, odnosno podloge). Kako kroz G nema struje, sve točke na G su na
istom potencijalu (ovdje 5V). Također, ni kroz podlogu nema struje, pa su sve
točke P-podloge na potencijalu 0V.
• Potencijali nekoliko ilustrativnih točaka su naznačeni na slici
12
Zašto struja usporava sa rastom UDS ?
0V
+
• Električno polje (koje
određuje koncentraciju
elektrona u kanalu) ima
to veći iznos što je veći
napon (sjetimo se,
E=U/d, a ovdje je d =
konst) između G i
promatrane točke kanala
UGS=5V
S
5V
G
5V
5V
N+
0V
0,5V
ID
D
ID
1V
N+
1V
+
UDS=1V
veliko E
srednjePE
malo E
• S obzirom da je potencijal G isti, a potencijali točaka duž kanala padaju od D
prema S, razlika potencijala (napon ΔU) između G i točaka kanala od S prema D
pada. Ovaj napon je najveći uz S (ovdje ΔUS=5V), a najmanji uz D (ovdje
ΔUD=4V).
• Prema tome, el. polje također pada od S prema D, pa stoga i koncentracija
elektrona koje ovo el.polje održava u kanalu.
• Kao je el. polje najmanje uz D, i koncentracija elektrona je najmanja uz D, tj.
kanal je “najtanji” uz D. Za točke duž kanala bliže S, el.polje raste pa kanal
13
postaje sve “deblji”.
Zašto struja usporava sa rastom UDS ?
UGS=5V
S
5V
D
G
+
• Ako se sada UDS poveća
na 2V, struja ID se još
poveća, no i kanal se još
“stanji”, s obzirom da su
sada potencijali duž
kanala još veći, pa je
napon između G i točaka
kanala ΔU još manji.
5V
N+
1V
0V
ID
5V
2V
N+
+
UDS=2V
P
• Ali, na “dnu” kanala (odmah uz S), debljina kanala ostaje ista, jer je S uvijek na
istom potencijalu (0V). Svim točkama duž kanala desno od S potencijali porastu, a
najviše opet na “vrhu” kanala (uz D). Napon je najmanji uz D (ΔUD= 3V), pa je
ovdje i el. polje najslabije, tj kanal je “najtanji” (najmanja koncentracija el.)
• Ovo “stanjenje” kanala kao posljedica povećanja ID znači da se i otpor kanala
povećao, pa je porast izlazne struje ID manji.
• Rezimirajmo: povećanje UDS povećava struju ID, no povećanje struje povećava
otpor kanala (“stanjuje” ga), pa se stoga (za isto povećanje UDS) struja sve manje
14
povećava, tj. raste ali usporeno.
Kada struja prestaje rasti (koji UDS ) ?
UGS=5V
S
5V
D
G
+
• Ako UDS dosegne
vrijednost pri kojom je
napon između G (ovdje
5V) i točaka na “vrhu”
kanala (uz D) ΔUD
padne ispod napona
praga UP (u ovom
primjeru 2V), dolazi do
prekida kanala!
5V
N+
1,5V
0V
ID
5V
3V
N+
+
UDS=3V
P
• Naime, kako smo pokazali, za sve napone niže od UP , el. polje od G prema kanalu
više nije dovoljno jako da održava N kanal. Dakle, u ovom primjeru, ako se UDS
poveća iznad 3V, napon između G i “vrha” kanala ΔUD pada na ispod napona praga
UP (u ovom primjeru 2V).
• Međutim, struja ID nastavlja teći jer je uzdužno el.polje (od D prema S) dovoljno
jako da se elektroni ubrzavaju kroz osiromašeno područje (odnosno kroz “prekid”
kanala). Daljnje povećanje izlaznog napona UDS ne izaziva daljnji rast struje tj.
MOSFET je u području zasićenja.
15
Kada struja prestaje rasti (koji UDS ) ?
UGS=5V
S
5V
D
G
+
• Također uočiti da sa rastom
UDS osiromašeno područje
postaje sve šire prema D
(potencijal N strane raste, a
potencijal P strane – P podloge
– je konstantan (0V) uvijek).
Dakle, zaporna polarizacija
raste, pa se i osiromašeno
područje širi.
5V
N+
1,5V
0V
ID
5V
3V
N+
+
UDS=3V
P
• Općenito, za koji iznos izlaznog napona UDS MOSFET sa poznatim
naponom praga UP i ulaznim naponom UGS ulazi u područje zasićenja?
Uz područje D (“najtanji” kanal): ΔUD= UGS-UDS
Uvjet prekida kanala (ulaska u zasićenje): ΔUD <=UP
Dakle, minimalni UDS pri kojem MOSFET ulazi u zasićenje:
UP = UGS-UDS → UDS = UGS - UP
16
Osiromašeni NMOS
• Sve isto kao i obogaćeni osim što inicijalno (za UGS=0) ima kanal
• Kanalom se upravlja podjednako kao kod obogaćenog tipa
• Osnovna razlika – i ako nema ulaznog napona (UGS=0) postoji ID (“normally
ON” tranzistori), s obzirom da kanal postoji i za UGS=0
• Posljedično, mogu raditi i za UGS<0 – pri tome se elektroni “odbijaju” iz
kanala (otpor kanala raste, struja pada) – kanal se osiromašuje
• Stoga, osiromašeni tip MOS-a (svejedno NMOS-a ili PMOS-a) ima 2 moda
rada: obogaćeni (UGS>0 – kanal se “obogaćuje” sa rastom iznosa ulaznog
napona UGS) i osiromašeni (UGS<0 – kanal se “osiromašuje” sa rastom iznosa
ulaznog napona UGS). Suprotno, obogaćeni MOS ima samo obogaćeni mod
rada.
• Kada UGS <= UP struja ID padne na 0 (tranzistor se “isključi”)
17
Osiromašeni NMOS (karakteristike)
ID [mA]
(UP= 2V)
UGS= 6V
40
(UP= -1V)
30
UD
S=
UGS= 3V
40
UG
S -U
P
ID [mA]
UGS= 5V
S -U
P
20
UGS= 4V
UG
10
UGS= 3V
UD
S=
0
UGS= 2V
UGS= 1V
4
5
6
UDS [V]
6
10
UP =-1V
-3
-2
5
-1
ni ti
a će
15
UDS [V]
ma
3
Os
iro
2
5
p
20
UGS= -0.5V
1
4
ID [mA]
UGS= 0V
0
3
i tip
10
2
še n
20
1
Obo
g
30
UP =2V
0
1
2
3
4
18
UGS [V]
Simboli
Obogaćeni tip: kanal simboliziran
isprekidanom crtom → inicijalno ne
postoji, te se treba “obogatiti” kako bi
se formirao
D
D
G2
G
P-kanalni:
strelica pokazuje
od kanala
D
D
G2
G2
G
G
S
N-kanalni:
strelica pokazuje
prema kanalu
S
P-kanalni
N-kanalni
(a) MOSFET obogaćenog tipa
S
N-kanalni
G2
G
S
P-kanalni
(b) MOSFET osiromašenog tipa
* Još različitih varijacija simbola, no iste temeljne karakteristike
(orijentacija strelica pokazuje N ili P kanalni, a izgled kanala –
isprekidana ili puna crta- pokazuje dali je obogaćeni ili osiromašeni tip)
19
Korištenje MOSFET-a
Slično kao JFET:
• Kao pojačalo: koristi se u području zasićenja (ID ne ovisi o UDS , samo o
UGS)
• U triodnom području: naponski upravljan promjenjiv otpornik
• Kao sklopka:
– UGS velik: zatvorena sklopka (točnije, izlazni otpor (između D i S) je
vrlo male vrijednosti) u triodnom području
– UGS < UP : otvorena sklopka – zapiranje, vrlo velik (gotovo
beskonačan) izlazni otpor
20
Osnovne relacije
• U području zasićenja veza između struje ID i napona UGS :
I D  K U GS  U P 
2
• Strmina i izl. otpor – isto kao JFET:
I D
gm 
U GS
U DS  konst .
U DS
rd 
I D
U GS  konst .
• Ulazni otpor – praktično ∞
21
Nadomjesni sklop MOSFET-a
•Gotovo je u potpunosti jednak nadomjesnom sklopu JFET-a.
• Na malim frekvencijama nema nikakve kvalitativne razlike dok kod
viših frekvencija u razmatranje uvodimo osim parazitnih kapaciteta Cgd i
Cgs i parazitni kapacitet Cds.
Cgd
G
Ugs
S
Cgs
D
D
gmUgs
rd
Cds
Uds
S
22
Ograničenja rada i prednosti FETova
• Kod bipolarnih tranzistora sa porastom
temperature dolazi do porasta struje, što
dovodi do veće disipacije snage.
Povećanje snage uzrokuje povećanje
temperature, što opet dodatno poveća
struju, tj. dodatno poveća snagu...itd. - sve
do termičkog bijega i uništenja tranzistora.
• Kod unipolarnih tranzistora ne može doći
do termičkog bijega uz uvjet da je izl.
napon konstantan (otpor kanala sa
porastom T raste → struja sa porastom
temperature za FET pada (slika) → pad
snage → “hlađenje”).
ID(T)
0
ID(T=25 C)
uz UDS=konst.
2
1.5
1
JF E
T
M O S FE T
0.5
0
-50 -25
0
25
50
75
0
100 T( C)
• Međutim, ako je sklop u kojem se FET koristi takav da održava izl. struju
konstantnom (strujni izvor), onda zagrijavanje FET-a dovodi do povećanja pada
napona duž kanala → rast izl.napona → rast disipirane snage → dodatno
23
zagrijavanje…. → termički bijeg (uništenje)
Proboj
• Proboj kod JFET tranzistora je u osnovi proboj između kanala i
upravljačke elektrode (proboj PN spoja), i to u području odvoda (D) s
obzirom da je upravo ovdje najveća razlika potencijala kanala u odnosu
na G.
• Što je apsolutni napon upravljačke elektrode veći, napon odvoda pri
kojem dolazi do proboja je manji (iz istih razloga zbog kojih na većim
iznosima UGS trebaju niži naponi UDS da JFET uđe u područje
zasićenja).
Proboj MOSFET-a
• Na izlazu (za veće napone UDS) dolazi do proboja (lavinskog) PN-spoja i
to u području odvoda (D), s obzirom da je razlika potencijala prema
podlozi (spojenoj na S) najveća upravo u području odvoda (D).
• Proboj upravljačke elektrode (G) – češći - vrlo tanak dielektrik (sloj
oksida): već pri relativno malim naponima stvori se dovoljno jako
el.polje da izazove proboj dielektrika. Često i običan dodir prstom može
izazvati proboj upravljačke elektrode tj. uništenje MOSFEta , uslijed
24
nakupljenog statičkog elektriciteta na ljudskom tijelu.
Zaključak
Prednosti FETova:
 vrlo veliki ulazni otpor tj. nulta ulazna struja (upravljanje gotovo
bez snage*) – vrlo značajno za digit.el.
*
 opadanje struje povećanjem temperature
 jednostavnost izrade
(Tipične) mane FETova u odnosu na bipolarne:
za upravljanje MOSFET-om ipak se
troši malo energije, primarno jer se
tijekom uključenja/isključenja
MOSFET-a puni/prazni parazitni
kapacitet između G i S – struja
punjenja ovog kondenzatora (ulazna
struja MOSFETa) može biti
značajna, no traje vrlo kratko (red
veličine ns do µs)
• veća nelinearnost (izl. struje sa ul. naponom)
• manje pojačanje
• za MOSFET-e: osjetljivost na statički elektricitet uslijed vrlo tankog
dielektrika (otežano baratanje – običan dodir ruke može izazvati
proboj, pa se treba “uzemljiti” prije rukovanja MOSFET-om)
25