Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

A térvezérelt tranzisztorok (JFET és MOSFET). Térvezérelt tranzisztor (Field Effect Transistor, FET) Működésük alapelve, hogy egy térrészen átfolyó áramot.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "A térvezérelt tranzisztorok (JFET és MOSFET). Térvezérelt tranzisztor (Field Effect Transistor, FET) Működésük alapelve, hogy egy térrészen átfolyó áramot."— Előadás másolata:

1 A térvezérelt tranzisztorok (JFET és MOSFET)

2 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.

3 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 FET-ek csoportosítása

4 A záróréteges térvezérelt tranzisztor (JFET)

5 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).

6 A JFET metszeti rajza Jellemző alkalmazás: Bemeneti tranzisztor (bipoláris integrált áramkörökben)

7 Kiürített rétegek a JFET-ben Telítés nélküli (ohmikus) működési tartomány: Telítéses működési tartomány Telítés nélküli (ohmikus) tartomány: A még el nem záródott csatorna ellenállásként viselkedik Telítéses tartomány: A csatorna elzáródik, és a töltéshordozók sodródási sebessége eléri azt a határértéket, ami fölött már nem függ a térerősségtől, hanem állandó  I D az U DS -től függetlenül állandó

8 N-csatornás JFET (nJFET) Kimeneti jelleggörbék Az n-csatornás JFET V p elzáródási feszültsége negatív előjelű

9 A fém-oxid-félvezető tranzisztor (MOSFET)

10 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 tranzisztorok

11 A MOS kapacitás 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 V T küszöbfeszültség. V T értékét a következő tényezők befolyásolják:  az oxid vastagsága, töltései és permittivitása (dielektromos állandója,  ox )  a Si adalékolása és permittivitása (  Si ) A „-” töltések a mozgóképes töltéshordozókból és a helyhez kötött ionizált adalékatomok negatív töltéséből állnak

12 A MOS kapacitás kiszámítása ahol –W: az MOS kapacitás szélessége –L: az MOS kapacitás hosszúsága –C ox : a W széles és L hosszú MOS kapacitás területe –  ox : az oxid permittivitása (dielektromos állandója) –t ox : az oxid vastagsága Legegyszerűbb képlet:

13 A MOS kapacitást önmagában is használják töltések mozgatására, pl. a töltéscsatolt szerkezetekben (Charge Coupled Devices, CCD ) Pl.: videókamera (camcorder) V 2 > V T > V 1 és V 3 : a töltés a kettes jelű kapacitás alatt marad. V 3 > V 2 > V T > V 1 : a töltés a hármas jelű kapacitás alá mozdul. V 3 > V T > V 1 és V 2 : a töltés a hármas jelű kapacitás alatt marad.

14 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.

15 A MOS tranzisztor keresztmetszeti képe 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 U GS = 0 esetén nincs áramvezető csatorna. Kiürítéses (depletion mode) MOS tranzisztor, ha U GS = 0 esetén van áramvezető csatorna. 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).

16 MOS tranzisztor működése Ha az U GS gate feszültség nagyobb, mint a V T küszöbfeszültség, a Si és SiO 2 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 V GS szabályozza.  A drain feszültség miatt az inverziós csatornán feszültség esik, ezért a csatorna a drain felé szűkül.

17 ahol W a gate szélessége, L a gate hosszúsága,  ox az oxid permittivitása, t ox az oxid vastagsága,  n a csatorna töltéshordozóinak mozgékonysága, U GS a gate-source feszültség, V T a tranzisztor küszöbfeszültsége, U DS a drain-source feszültség. Egy adott drain feszültségnél (U DSsat, telítési feszültség) a csatorna a drain-nél elzáródik (pinch-off) U DSsat = U GS -V T Ha ugyanis U DS > U GS -V T, 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.

18 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 U DS drain feszültség csak egy igen rövid, U DS /E mértékű szakaszon tudja fenntartani Ez az elzáródott szakasz nagyon rövid a csatorna teljes hosszúságához képest, csak néhány század μm –Ha az U DS drain feszültséget tovább növeljük, ez az elzáródott szakasz kicsit hosszabb lesz, de a feszültség növekménye az elzáródott szakaszra fordítódik, így az I D nem változik

19 Telítéses tartomány

20 A MOSFET működési tartományai

21 A poli-Si kapus MOS keresztmetszete Vékony oxid (1…20 nm vastag) n+ SourceDrain p hordozó Vastag oxid n+ Poli-Si kapu 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)

22 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 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.

23 A MOS tranzisztor Mikronalatti MOS szerkezet Vázlatrajz és elektron- mikroszkóppal készült metszeti kép

24 Növekményes n csatornás MOS tranzisztor szimbólumok Kiürítéses n csatornás MOS tranzisztor szimbólumok Mindegyik változat használatos

25 A MOS tranzisztor kimeneti jelleggörbéi I D =f(U DS ), paraméter: U GS Kimeneti karakterisztika

26 W a gate szélessége, L a gate hosszúsága,  ox /t ox a felületegységre eső oxidkapacitás,  n a csatorna töltéshordozóinak mozgékonysága, U GS a gate-source feszültség, V T a tranzisztor küszöbfeszültsége MOS modellegyenletek (NMOS-ra) Ezek másik neve: jelleggörbe egyenletek Telítéses tartomány: Határhelyzetben: Határhelyzetben mindkét modellegyenlet igaz. Trióda (lineáris tartomány):

27 Jellemző értékek NMOS technológiai paraméterek: Konstrukciós paraméterek mindkettőnél: PMOS technológiai paraméterek:

28 Példa Mennyi a MOS tranzisztor telítéses árama U GS =5V vezérlő feszültség mellett, ha V T =1V, és a tranzisztor méretei a) W= 10μm, L=0,8μm, b) W= 1,6μm, L=10μm Megoldás a) b) A W/L arány megfelelő változtatásával tehát több nagyságrendnyi tartományban változtathatjuk a drain áramot

29 A V BS 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 A hordozó visszahatás

30 Küszöb alatti áramok A valóságban V T -nél kisebb U GS 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

31 1. Példa n Határozza meg az áramkör ellenállásait a következő DC működési tartományokra! n Itt a Zener dióda letörési feszültsége: U Z = -4,7 V n Ebben a kapcsolásban a Zener dióda záróirányban van bekötve

32 Megoldás – A feladat 1. példa

33 Megoldás – B feladat 1. példa

34 Megoldás – C feladat 1. példa

35 2. Példa Határozza meg a csomóponti feszültségeket és az ágáramokat DC működési körülmények között! U Z1 a Zener dióda letörési feszültsége U DD U2U2 U1U1 T1T1 R2R2 I2I2 I1I1 I4I4 R1R1 N I5I5 Z1Z1 I3I3 R3R3 NévAB U Z1 -4 V-6 V KNKN 16  A/V 2 W/L0,53 U DD 12 V VTVT 1 V R1R1 40 k  20 k  R2R2 15 k  5 k  R3R3 40 k 

36 A Zener dióda záróirányban van előfeszítveA Zener dióda záróirányban van előfeszítve –Ha nem folyna rajta áram, akkor a nem földelt sarka az U DD tápfeszültségen lenne, ekkor (0V-U DD ) feszültségnek kellene esni rajta, ami viszont abszolút értékben nagyobb, mint az U Z 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 U Z Mivel a dióda záróirányban van bekötve, ezért a nem földelt sarka lesz U 1 =0V-U Z potenciálon Az A feladatban U 1 =4V Az U 1 potenciál a T 1 MOS tranzisztor U G gate feszültségével egyezik megAz U 1 potenciál a T 1 MOS tranzisztor U G gate feszültségével egyezik meg Mivel a T 1 tranzisztor source elektródája a földre van kötve, ezért U S =0VMivel a T 1 tranzisztor source elektródája a földre van kötve, ezért U S =0V –Az A feladatban U GS =4V Segítség a megoldáshoz (A feladat) 2/1 2. példa

37 Iterációs módszerrel érdemes megoldaniIterációs módszerrel érdemes megoldani Az U 2 potenciálra érdemes kezdeti értéket adni, majd ezt módosítani az U 2 csomópontra felírt Kirchoff törvény alapján meghatározható E(U 2 )=I 2 -I 5 -I 3 hibafüggvény minimalizálásávalAz U 2 potenciálra érdemes kezdeti értéket adni, majd ezt módosítani az U 2 csomópontra felírt Kirchoff törvény alapján meghatározható E(U 2 )=I 2 -I 5 -I 3 hibafüggvény minimalizálásával Az U 2 kezdeti értékének az (U GS -V T ) értéket célszerű választani, amivel a T 1 MOS tranzisztor a trióda és a telítéses tartomány határhelyzetében működik, ugyanis a példában U 2 =U D és mivel U S =0V, így U DS =U 2Az U 2 kezdeti értékének az (U GS -V T ) értéket célszerű választani, amivel a T 1 MOS tranzisztor a trióda és a telítéses tartomány határhelyzetében működik, ugyanis a példában U 2 =U D és mivel U S =0V, így U DS =U 2 –Tehát a telítés és a trióda tartomány határhelyzetének feltétele az U DS =U 2 =U GS -V T egyenlőség fennállása Ezek után eldönthető, hogy az U 2 -t melyik irányba kell módosítani:Ezek után eldönthető, hogy az U 2 -t melyik irányba kell módosítani: –Ha felfelé (U 2 -t növelve), akkor a T 1 MOS tranzisztor biztosan telítésben lesz –Ha lefelé (U 2 -t csökkentve), akkor a T 1 biztosan triódában fog működni Segítség a megoldáshoz (A feladat) 2/2 2. példa

38 Megoldás NévAB U1U1 4,00 V6,00 V U2U2 2,86 V8,00 V I1I1 0,20 mA0,30 mA I2I2 0,61 mA0,80 mA I3I3 0,57 mA0,20 mA I4I4 0,30 mA I5I5 0,04 mA0,60 mA T1T1 triódatelítéses 2. példa

39 3. Példa Határozza meg a csomóponti feszültségeket és az ágáramokat DC működési körülmények között! U Z1 a Zener dióda letörési feszültsége U DD = +12 V, U BE = 0,7 V, U CE,sat = 0,1 V, B = 500, V T = 1 V, K N = 16  A/V 2 W/L=0,5 NévAB U Z1 -4 V-6 V R1R1 40 k  20 k  R2R2 10 k  R3R3 1 k  6 k  R4R4 1 k  10 k  U DD U2U2 U1U1 T1T1 R2R2 I2I2 I1I1 I5I5 R1R1 N U3U3 U4U4 R3R3 T2T2 I3I3 I7I7 I4I4 I6I6 R4R4 Z1Z1

40 U 1 értéke következik a Z 1 Zener dióda letörési feszültségéből A T 2 tranzisztor üzemmódjára érdemes azzal a feltételezéssel élni, hogy a T 2 aktívban van, mert ebben az esetben első közelítésben a bázisáram elhanyagolható –Tekintettel a nagy B=500 értékre, az elhanyagolás feltétlenül indokolt Így az áramkör R 1, R 2, Z 1, T 1 elemekből álló része önállóan megoldható Ezekután U 2 -re iterálva a feladat megoldható –Ha a T 2 tranzisztor telítésbe kerül, akkor a bázisárama már nem hanyagolható el, s ekkor ez visszahat az U 2 értékére, sőt a T 1 üzemmódjára is Segítség a megoldáshoz 3. példa

41 Megoldás NévAB U1U1 4,00 V6,00 V U2U2 6,89 V8,92 V U3U3 6,29 V8,32 V U4U4 6,19 V8,22 V I1I1 0,20 mA0,30 mA I2I2 0,51 mA0,31 mA I3I3 5,71 mA0,61 mA I4I4 6,19 mA0,82 mA I5I5 0,20 mA0,30 mA I6I6 0,04 mA0,10 mA I7I7 0,48 mA0,21 mA T1T1 telítés T2T2


Letölteni ppt "A térvezérelt tranzisztorok (JFET és MOSFET). Térvezérelt tranzisztor (Field Effect Transistor, FET) Működésük alapelve, hogy egy térrészen átfolyó áramot."

Hasonló előadás


Google Hirdetések