Transcript 05_fet
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