23/01/52

Field-Effect T i t

1

241241--209209

Basic ElectronicsBasic Electronics

By dk

FieldField--Effect TransistorsEffect Transistors

88

Field-Effect T i t

2

Chapter 8Chapter 8FieldField--Effect TransistorsEffect Transistors

23/01/52

Field-Effect T i t

3

เนอหา : ชนดของ FET จงกชนฟลดเอฟเฟกทรานซสเตอร แผนแสดงขอกาหนดลกษณะสมบตของ JFET การเปรยบเทยบระหวาง JFET และ BJTทรานซสเตอรแบบมอสเฟต มอสเฟตแบบเพมพน มอสเฟตแบบลดพาหะ

Field-Effect T i t

4

บทนาบทนาBJT : Current-controlled Device) การไหลของกระแส Electron และ Hole ทางดานเอาทพตจะไหลผานรอยตอ p-n FET : Voltage-controlled Device

OutputCurrent

ControlCurrentIB

-

+

IC

BJT

VGSControlVoltage

ID

FET

OutputCurrent

OutputCurrent

23/01/52

Field-Effect T i t

5

FET แบงออกเปนแบบ

n-channel : ใชแรงดนควบคมการไหลของกระแสอเลกตรอน (Electron)p-channel : ใชแรงดนควบคมการไหลของกระแสชองวาง (Hole)

Field-Effect T i t

6

คณสมบตของ FET เทยบกบ BJTขอดของ FETp Zi สงมาก (MΩ ถง >1000 MΩ) :: BJT ระดบ kΩ

p ไมม Offset Voltage เมอทาหนาทเปนสวทชp คณสมบตหลก ไมถกผลกระทบจากการรงส :: β ของ BJT ไวตอรงสp Noise ตา :: BJT ม Noise สง จากพาหะไหลผานรอยตอ p-np มเสถยรภาพทางอณหภมทดกวา BJTp โครงสรางเลกกวา BJT สามารผลตเปนไอซเลกๆทม FET ไดจานวนมาก

ขอเสยของ FETp มคา เกนแบนดวดท (Gain-bandwidth) ตา *p เสยหายไดงายจากไฟฟาสถต

* ปจจบน FET บางชนดทสามารถใชงานความถสงมาก ได

23/01/52

Field-Effect T i t

7

ชนดของชนดของ FET FET

ในทนจะศกษา FET 2 ชนดคอ

1. จงกชนฟลดเอฟเฟกทรานซสเตอร(Junction Field-Effect Transistor, JFET

2. เมตลออกไซดเซมคอนดกเตอรฟลดเอฟเฟกทรานซสเตอร(Metal-Oxide Semicoductor Field-Effect Transistor, MOSFET)

Field-Effect T i t

8

Junction FieldJunction Field--Effect Transistor, JFETEffect Transistor, JFETJFET จะมแชนแนล (Channel) หรอชองทางเดนพาหะ เพอให

กระแสไฟฟาไหลผานไปได

ความกวางของ Channel ถกควบคมไดโดยแรงดนอนพต (VGS) ทาใหสามารถควบคมปรมาณการไหลของกระแสทผานแชนแนลได

23/01/52

Field-Effect T i t

9

โครงสราง JFET

Gate(G)

Source(S)

Drain(D)

n-typematerial

p pGate(G)

Source(S)

Drain(D)

p-typematerial

n n

Channel Channel

(a) n-channel JFET (b) p-channel JFET

Field-Effect T i t

10

สญญลกษณของ JFET ทพบไดโดยทวไป

1

2

D

GS

D

GS

D

GS

D

GS

(a) n-channel (b) p-channel

23/01/52

Field-Effect T i t

11

เพอใหเขาใจการควบคมการไหลของกระแส ID ผาน Channel สามารถเปรยบเทยบการควบคมการไหลของนาผานทอนา

Gate(G)

Source(S)Source

Drain(D) Drain

np p

Field-Effect T i t

12

โครงสรางของ JFET ทาใหมความแตกตางของ ขา เดรน และ ขา ซอรส จงไมสามารถสลบกนไดในทางปฏบต

ID

S D G

23/01/52

Field-Effect T i t

13

การทางานของการทางานของ JFET nJFET n--channelchannel สวนทเปนรอยตอระหวาง p-type material และ n-type material จะเปน p-n Junction ทาใหเกด บรเวณปลอดพาหะ (Depletion Region) เหมอนไดโอด

Gate(G)

Source(S)

Depletion RegionDrain(D)

n

pp

เมอไมมการไบแอส (No Bias) Depletion Region จะเปน ฉนวน อยบรเวณรอยตอp-n Junction

Field-Effect T i t

14

เมอ ให VGS = 0V แลวปรบคา VDS

G

S

ConstantCurrent

Or Saturation

region

Depletion Region

2 4 10 VDS(V)

+VDD

IS

10

20

a

VGS=0cb

ID(mA)IDSSW

D

n

pp

กระแสจากขา Drain จะไมไหลออกไปยงขา Gate เนองจาก Reverse Bias ดงนน

IG = 0 และ ID = IS

23/01/52

Field-Effect T i t

15

กราฟ ID vs VDS เมอ VGS=0

(a) ชวงความตานทาน (Ohmmic)

ConstantCurrent

Or Saturation

region

2 4 10 VDS(V)

10

20

a

VGS=0cb

ID(mA)IDSS

(c) ชวงกระแสคงท (Constant Current) หรอ ชวงอมตว (Saturation)

(b) ชวงโคง (Curve หรอ Knee)

Field-Effect T i t

16

เมอมการปอนแรงดนลบใหกบขา เกต-ซอส (VGS<0) แลวปรบคา VDS

ท VDS คงท ยง VGS มคาเปนลบเทาไร Depletion Region จะยงกวางมากขน ทาให ID ไหลไดนอยลง

G)

S

VGS+

VGS+

+

VDD

+VDD

IDID

IS IS

D

npp

DG

S

IS

G)

S

VGS+

+VDD

D

n

pp

23/01/52

Field-Effect T i t

17

เมอแรงดน VDS อยในชวง Saturation (>5V)ID = IDSS (สงสด) เมอ

VGS = 0

กราฟ ID vs VDS เมอ VGS เปนลบ

N-channel JFETID=0 เมอ

|VGS| ณ |VP|

VP : Pinch-OffVoltage

G)

SVGS

+

+VD

D

ID

IS

D

npp

Field-Effect T i t

18

หมายเหต

VP, Pinch-Off Voltage มสองความหมาย คอ

1. เปนแรงดน VDS ททาให ID เรมเขาสชวง Costant Current เมอ VGS=02. เปนแรงดน VGS ททาให JFET OFF

N-channel JFET

G)

SVGS

+

+VD

D

ID

IS

D

npp

23/01/52

Field-Effect T i t

19

JFET แบบ p-channelคลายJFET แบบ n-channel แตตางกนท ขวของแรงดนทงหมดจะตรงกนขามกบ JFET แบบ n-channelการใชงาน

VP > 0, VGS ≤ 0 และ VDS < 0

G

S

+VGS

+VGS

VDD+

VDD+

IDID

IS IS

D

pnn

DG

S

Field-Effect T i t

20

Breakdown RegionเพมแรงดนVDS ขนมากๆ จะทาให FET เปลยนจากพฤตกรรม Constant Current เปนการนากระแสอยางมาก ซงจะทาใหอปกรณ JFET เสยหายได

23/01/52

Field-Effect T i t

21

ลกษณะสมบตถายโอนของ FET, ID กบ VDS (FET transfer characteristic)ลกาษณะสมบตถายโอนของ JFET เปนไปตามสมการชอคเลย (Shockley’s Equation ) ในชวง 0 ≤ |VGS| ≤ |VP| ดงน

IIDD = I= IDSSDSS(1 (1 -- VVGSGS/V/VPP))22

ID = IDSS เมอ VGS=0 VGS = VP เมอ ID=0

Field-Effect T i t

22

JFET Specification SheetsJFET Specification Sheets

23/01/52

Field-Effect T i t

23

Field-Effect T i t

24

23/01/52

Field-Effect T i t

25

การเปรยบเทยบระหวางการเปรยบเทยบระหวาง JFET JFET และและ BJT BJT

+VBE

=0.7-

ID = βIBIB

IC

IE

C

B

E

+VGS

-

ID = IDSS(1-VGS/VP)2

IG=0

ID

IS

D

G

S

JFET BJTID = IDSS(1-VGS/VP)2 IC = βIBID = IS IC = IEIG = 0 VBE = 0.7

Field-Effect T i t

26

ทรานซสเตอรแบบมอสเฟตทรานซสเตอรแบบมอสเฟต (MOSFET)(MOSFET)MOSFET ยอมาจาก Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect Transistor อนพตของ MOSFET จะมชนของ SiO2 ซงเปนฉนวนมาขนอยทขาเกต ทาให

MOSFET มอนพตอมพแดนซทสงมากแบงเปน 2 แบบ คอ

1. MOSFET แบบเพมพน (Enhancement type MOSFET)

2. MOSFET แบบลดพาหะ (Depletion type MOSFET)

N-MOS

N-MOS

23/01/52

Field-Effect T i t

27

ENHANCEMENT TYPE MOSFETn-channel Enhancement Type MOSFET

Field-Effect T i t

28

คณสมบตเมอ VGS = 0 (VDS > 0) -> MOSFET ไมนากระแสในกรณนเมอ VGS > 0 (VDS > 0) -> เพม VGS -> สนามแมเหลกเขมขนขน -> Free Carrier บรเวณผว SiO2 เพมมากขน -> กระแส ID ไหล

23/01/52

Field-Effect T i t

29

คณลกษณะดานเดรน และ transfer characteristics ของ n-channel enhancement-type MOSFET

Locus of VDSsat

VT : Threshold Voltage (หรอ VGS(Th)) ระดบ VGS ททาให ID เรมไหล

Field-Effect T i t

30

p-Channel Enhancement-Type MOSFETs

เหมอน n-channel แตกลบวสด n-type และ p-type

23/01/52

Field-Effect T i t

31

คณลกษณะดานเดรน และ transfer characteristics ของ p-channel enhancement-type MOSFET

Field-Effect T i t

32

Specification Sheets

23/01/52

Field-Effect T i t

33

Field-Effect T i t

34

23/01/52

Field-Effect T i t

35

DEPLETIONDEPLETION--TYPE MOSFETTYPE MOSFETn-channel Depletion-type MOSFET

ระหวาง Drain และ Source ม Channel วสด n-type อย

Field-Effect T i t

36

เมอ VGS = 0 : ID ไหลเนองจากมพาหะอสระ (n-channel)

เมอ VGS < 0 : เหนยวนา Hole มาท Channel -> Hole รวมตวกบ และ Free Electron การนากระแสกนอยลง

เมอ VGS > 0 : การนากระแสกจะมากขน

23/01/52

Field-Effect T i t

37

Transfer characteristics ของ n-channel depletion-type MOSFETVP : Pintch-off Voltage คอ VGS ททาให ID หยดไหล

Field-Effect T i t

38

p-Channel Depletion-Type MOSFET

23/01/52

Field-Effect T i t

39

Transfer characteristics ของ p-channel depletion-type MOSFET

Field-Effect T i t

40

แผนแสดงลกษณะสมบต (Specification Sheets)

23/01/52

Field-Effect T i t

41

Field-Effect T i t

42

23/01/52

Field-Effect T i t

43

สรป FET แบบตางๆ

Field-Effect T i t

44