Bolum 5 the Field-Effect Transistor

download Bolum 5 the Field-Effect Transistor

of 35

  • date post

    24-Feb-2018
  • Category

    Documents

  • view

    216
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of Bolum 5 the Field-Effect Transistor

  • 7/24/2019 Bolum 5 the Field-Effect Transistor

    1/35

    5. BLM: ALAN ETKL TRANZSTRLER 1Dr. smail Tekin

    5. BLM: ALAN ETKL TRANZSTRLER

    Alan etkili tranzistrler (Field - effect transistor, FET) genel olarak metal oksit

    yariletken alan etkili tranzistrler (MOSFET) ve jonksiyonlu FET olmak zere iki ana

    gruba ayrlrlar. Jonksiyonlu FETler de pn jonksiyonlu FET (JFET) ve metal yariletkenalan etkili tranzistr (MESFET) olmak zere iki gruba ayrlrlar. MOSFETlerde NMOS ve

    PMOSlar beraber kullanlarak (CMOS) ok kk alanlara daha fazla tranzistr

    sdrldndan zellikle saysal devrelerde MOSFETler kullanlr. JFETler ise ok az

    kullanlr.

    MOSFETlerin BJTlere gre bir takm avantajlar vardr:

    1. MOSFETler gerilim kontroll olduundan devrenin almas iin akma ihtiya

    duymazlar. Lojik geiler dnda beslemeden (sznt akmlar hari) akm

    ekmezler. Dolaysyla statik g harcamalar BJTli devrelere gre ok ok azdr.

    2.

    MOSFETler BJTye gre ok daha az yer kaplar.3. Diyot, diren gibi ilave devre elemanlarna (koruma elemanlar hari) ihtiya

    duymazlar.

    Dezavantajlar ise,

    1. Yke verebilecekleri akm BJTyegre daha azdr. Dolaysyla daha yavatrlar.

    2. Akm kazanlarn BJTden daha azdr.

    5.1. Metal Oksit YariletkenAlan Etkili Tranzistrler(MOSFETLER)

    5.1.1. Metal oksit kapasite

    Metal oksit yariletken alan etkili tranzistrler (MOSFET, ksaca MOS) saysal

    devrelerde en ok kullanlan devre elemandr. MOSFETlerin temelini metal oksit

    yariletken kapasite oluturur. ekil 5.1de metal oksit yariletken kapasitenin yaps

    gsterilmitir. Burada metal olarak nceleri genellikle alminyum kullanlmtr.

    Sonralar ise yksek iletkenlie sahip polikristal silikon tabaka kullanlmtr. Ancak

    hala eski isimlendirme kullanlmaktadr. Oksit tabakas olarak SiO2kullanlr. Burada tox

    oksit tabakasnn kalnl, oxise dielektrik sabitidir.

    Semiconductor substrate

    oxtox

    Metal

    Isolator

    (oxide)

    ekil 5.1. Metal oksit yariletken kapasite.

  • 7/24/2019 Bolum 5 the Field-Effect Transistor

    2/35

    5. BLM: ALAN ETKL TRANZSTRLER 2Dr. smail Tekin

    MOS tranzistrlerin alma prensibi paralel plakal kapasitenin alma

    prensibine benzer. ekil 5.2ada paralel plakal kapasiteye gerilim uygulanmas

    gsterilmitir. Burada st plakada negatif ykler alt plakada ise pozitif ykler birikir ve

    ekilde gsterildii gibi iki plaka arasnda bir elektrik alan meydana gelir.

    - - - - - - - - - - - - - -

    + + + + + + + + + +

    E - fieldd V

    -

    +

    (a)

    h+ E - field

    p - type

    - - - - - - - - -

    V-

    +

    + + + + + + + +

    oksit layer

    (b)

    ekil 5.2. Paralel plakal kapasiteye ve p tipi MOS kapasiteye gerilim uygulanmas.

    ekil 5.2bde p tipi tabana sahip bir MOS kapasiteye gerilim uygulanmas

    gsterilmitir. st tabaka ayn zamanda kap (gate, G) olarak da adlandrlr ve negati f

    ykldr. Elektrik alann yn de ekilde grld gibidir. Bu alann etkisi ile p tipi

    blgedeki delikler p tipi yariletken ile oksit blgesinin kesiim noktasna doru hareket

    ederler. Bylece p tipi yariletkenin oksit tabakasna yakn blgedeki delik younluu

    dier blgelere gre daha fazla olur.

    ekil 5.3de ayn MOS kapasiteye ters gerilim uygulanm hali gsterilmitir. Bu

    durumda pozitif yk st plakada oluur ve elektrik alan yn bir ncekinin tersi olur.Oksit tabakasna yakn blgedeki delikler aaya doru itilirler. Deliklerin itilmesi ile bu

    blgede aznlkta olan elektronlar ounluk haline gelir. Aznlk tayclarnn ounluk

    tayclar haline geldii bu blge electron inversion layer olarak adlandrlr. Eer

    kapya uygulanan gerilim artrlrsa elektrik alann iddeti de artar. Oksit tabakas ile p

    tipi blgenin kesime blgesinde elektron younluunun fazla olduu blgenin genilii

    kapya uygulanan gerilime baldr.

    h+ E - field

    p - type

    - - - - - - - - -V

    -+

    + + + + + + + +

    oksit layer

    Electron

    inversion

    layer

    ekil 5.3. p tipi MOS kapasitenin kap ucuna pozitif gerilim uygulanmas.

  • 7/24/2019 Bolum 5 the Field-Effect Transistor

    3/35

    5. BLM: ALAN ETKL TRANZSTRLER 3Dr. smail Tekin

    ekil 5.4de n tipi tabana sahip MOS kapasiteye gerilim uygulanmas

    gsterilmitir. Burada da benzer bir mekanizma vardr. Burada deliklerin ounluk

    tayclar haline geldii blge hole inversion layer olarak adlandrlr.

    n+ E - field

    n - type

    - - - - - - - - -

    V-

    +

    + + + + + + + +

    oksit layer

    Hole

    inversion

    layer

    ekil 5.4. n tipi MOS kapasitenin kap ucuna negatif gerilim uygulanmas.

    Enhancement mode tabiri inversion layer oluturmaya yetecek kadar kapya

    gerilim uygulandn gsterir. P tipi tabana sahip bir MOS kapasitede electron

    inversion layer olumas iin kapya pozitif bir gerilim uygulanmaldr. Benzer ekilde n

    tipi tabana sahip bir MOS kapasitede hole inversion layer olumas iin kapya negatif

    bir gerilim uygulanmaldr.

    5.1.2. MOSFETin yaps

    ekil 5.5de metal oksit yariletken alan etkili transistorn (MOSFET)

    basitletirilmi kesiti gsterilmitir. Kap, oksit ve p tipi blgeler MOS kapasitedekinin

    aynsdr. Kaynak ve aka terminalleri olmak zere iki yeni n tipi blgeler eklenmitir.

    n+ n+

    p typeL

    W

    S DG

    ekil 5.5. N kanall MOSFETin yaps.

    ekil 5.6ada gsterildii gibi MOSFETe herhangi bir gerilim uygulanmadnda

    kaynak ve aka terminalleri arasnda p tipi blge vardr. Bu ekil 5.6bde gsterildii

    gibi ters balanm iki diyot ile gsterilebilir. Bu durumda teorikte akm sfrdr. Eer

    kapya inverse layer oluturacak kadar bir gerilim uygulandnda n tipi kaynak blgesi

  • 7/24/2019 Bolum 5 the Field-Effect Transistor

    4/35

    5. BLM: ALAN ETKL TRANZSTRLER 4Dr. smail Tekin

    ve n tipi aka blgesi n tipi kanal ile birbirlerine balanrlar (ekil 5.6c). nversion

    layerde tayclar elektronlar olduundan bu tip MOSFET n kanall MOSFET veya ksaca

    NMOS olarak adlandrlr. NMOSda aka - kaynak geriliminin uygulanmas ile

    elektronlar kaynaktan akaa doru akarlar (akm yn ise tersidir). Akan akmn deeri,

    inversion layerdaki tayc younluuna dolaysyla da kap gerilimine baldr. Kapblgesi kaynak ve aka arasndaki kanaldan oksit tabakas ile ayrldndan teorik

    olarak kapdan akm akmaz. Benzer ekilde kanal ile taban da birbirinden fakirlemi

    blge ile ayrldndan tabana doru da bir akm akmaz.

    n+ n+

    p type

    L

    S

    G

    G

    (a)

    (b) (c)

    ekil 5.6. NMOSun yaps ve gerilim uygulanmas.

    5.1.3. MOS transistorlerin alma modlar

    ekil 5.7de MOS transistorlerin sembolleri gsterilmitir. Burada NMOS ve

    PMOSun 3 terminalli ve 4 terminalli sembolleri gsterilmitir. Eer 5. Terminal (body,

    B) gsterilmemi ise bu gvdenin NMOSda GNDye PMOSda ise VDDye baland

    anlamna gelir.

    G

    D

    S

    (a) 4 Terminalli NMOS

    G

    D

    S

    (b) 3 Terminalli NMOS

    G

    D

    S

    (c) 4 Terminalli PMOS

    G

    D

    S

    (d) 3 Terminalli PMOS

    ekil 5.7. MOS transistorlerin 3 terminalli ve 4 terminalli sembolleri.

  • 7/24/2019 Bolum 5 the Field-Effect Transistor

    5/35

    5. BLM: ALAN ETKL TRANZSTRLER 5Dr. smail Tekin

    Eik gerilimi:NMOSda akatan kaynaa bir akmn akmas iin kap - kaynak gerilimi,

    NMOSun eik geriliminden byk olmal ( ) ve aka - kaynak gerilimi desfrdan byk olmaldr ( ). Eik gerilimi NMOSun yapsna ve fiziksel boyutunabaldr. NMOSda eik gerilimi pozitif iken PMOSda negatiftir. Eik geriliminin deeri

    , | | || (5.1)

    eklinde tanmlanr. Burada ; (VSB; kaynak - gvde) olduundaki eikgerilimi, ; body effect coefficient olarak tanmlanr ve

    (5.2)

    eklinde tanmlanr. Burada ; kap blgesindeki dielektriin birim alanndakikapasitesi ( ), q; elektronun yk, ; silikonun dielektrik sabiti, ; p tipi tabannkatk younluudur. (5.1) nolu eitlikte ; elektrostatik Fermi potansiyeli olup, NMOSve PMOS iin,

    (5.3)

    (5.4)

    eklinde tanmlanr. Burada NA; acceptor younluu,ND; donor younluu, q; elektronun

    yk, nisaf yariletkenin younluu, k; Boltzman sabiti, T; Kelvin cinsinden scaklktr.

    Kesim modu: Eer deeri NMOSun eik geriliminden kk ise NMOS tkamadadrve akatan kaynaa bir akm akmaz (ID=0).

    Lineer mod: deeri NMOSun eik gerilimini adnda ise aka akmakmaya balar (ekil 5.8a). Kanal ierisinde herhangi bir x noktasndaki gerilim V(x)olmak zere, bu nokta iin kap - kanal gerilimi dir. Bu gerilimin kanalntamamnda eik gerilimini atn kabul edersek, x noktasndaki birim alandaki yk

    miktar,

    (5.5)olur. Bu durumda akm, tayclarn (elektronlarn) srklenme hz ile akm tayacak

    tayclarn yknn arpmdr.

  • 7/24/2019 Bolum 5 the Field-Effect Transistor

    6/35

    5. BLM: ALAN ETKL TRANZSTRLER 6Dr. smail Tekin

    (5.6)olur. Elektronlarn srklenme hz, elektronlarn hareket yetenei ( , m2/V.s) ileelektrik alann arpmna eittir.

    (a)(b)

    ekil 5.8.

    (5.7)(5.5) ve (5.7) eitlikleri (5.6)da yerlerine konursa,

    (5.8)olur. Bu eitlik,

    (5.9)eklinde yazlabilir.xin 0dan Lye Vnin de 0dan VDSye kadar integrali alnrsa,

    (5.10)

    ve bu integral alnrsa ve dzenlenirse lineer modda aka akm,

    (5.11)

    veya

    (5.12)

  • 7/24/2019 Bolum 5 the Field-Effect Transistor

    7/35

    5. BLM: ALAN ETKL TRANZSTRLER 7Dr. smail Tekin

    eklinde ifade edilir. Burada olup iletkenlik parametresidir(transconductance parametresi) ve ileride ayrntl incelenecektir.

    Doyum modu:

    iken VDS artarsa ve

    deerine ularsa (5.5)

    eitliine gre kanaln aka ucunda yk younluu sfr olur (ekil 5.8b). VDS daha

    artrlrsa (5.5) nolu eitlik ile verilen yk miktar iaret deitirir. Yani olduunda ka