J ohn Rawls,1972, 《正義論》 A Theory of Justice 新自由主義與社群主義的論爭 林朝成.
第3 章 MOSFET 講義與作業 -...
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第 3 章 MOSFET 講義與作業 一、MOSFET
何謂場效: 經由外加垂直半導體表面的電場來調變半導體的傳導性或電流
重要性 70 年代實現,比起 BJT,可以做的很小 數位電路可以只含 MOSFET,不用電阻及二極體,所以可以製成高密
度 VLSI 引發第二次電子革命,使高密度 VLSI 可行
金屬-氧化物-半導體(MOS) 結構(MOSFET) 金屬:鋁或其他金屬,很多是用高導的多晶矽 氧化層:厚度 tox,介電常數 εox
N-MOS
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P-MOS
n-MOSFET
臨界電壓 VTN 的含意:可看成 D-G 所形成之電位障(VD-VG),VGD 恰抵銷此電位障,則剛好通與不通之間
1. VDS 與 IDS 的關係如同一個線性電阻
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2. 增加 VDS 即 D 極電壓增加
3. VDS 增加至飽和電壓 vDS(sat)= vGS-VTN iD 對 vDS 之斜率為零 vGS-vDS(sat)= VTN:可想成 VTN= vGD(sat)
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4. vDS>vDS(sat) :飽和區:理想 MOSFET 有固定之 D 極電流
I-V 曲線 (n-MOSFET)
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1. vDS
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例 3.1:
n 通道 MOSFET 之參數為 VTN=0.75V,W=40μm,L=4μm, μn=650cm2/V-s,εox = (3.9)(8.85×10-14)F/cm。求當電晶體在飽和區, VGS = 2VTN 之 iD 電流。 解: 算出導電參數
假設在飽合區 vGS=2VTN
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MOSFET 電路符號 n-MOSFET
p-MOSFET
n-MOSFET 與 p-MOSFET 的比較
以上討論為長通道元件下的 I-V 特性曲線
通道長度大於 2 μm
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在通道中的水平電場是由 vDS 所造成 在通道中的垂直電場是由 vGS 所造成 兩電場間之間互為獨立不受影響
短通道效應 現今元件中通到長度大多在 0.2 μm 範圍或更短 臨界電壓 ---VT 正比 L 反比 vDS 通道導電常數---Kn` 正比 μn 反比 EG 與反轉層的垂直電場(正比於 vG)成正比 漂移速度飽和 當通道水平電場(正比於 vDS)持續增加,則水平飄一速度會達到一
個固定值後不再增加 造成較低的 vDS(sat) ⎝ 在較小的 vDS 下,iDS 就會達到飽和電流 iDS - vG 在飽和區形成線性關係(長通道下圍二次曲線關係)
非線性電流電壓特性 有限輸出阻抗
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二、MOSFET 直流電路分析
例 3.3:
一個 n 通道增強型 MOSFET 之共源極電路,求其 ID 和 VDS。如圖(a) 之電路,R1 = 30kΩ,R2 = 20 kΩ,RD=20 kΩ,VDD= 5V,VTN= 1V,Kn = 0.1mA/V2。
解:
假設電晶體偏壓於飽和區,汲極電流為
汲-源極電壓為
大於 Vds,sat = Vgs-Vtn = 2-1=1 符合飽和區的假設
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例 3.4:
電路如圖 3.26(a), 設 R1=R2=50kΩ,VDD=5V,RD=7.5 kΩ,VTP= -0.8V,KP=0.2mA/V2。
解:
假設電晶體偏壓於飽和區中,則汲極電流
源-汲極電壓為
小於 Vsd,sat = VSG + VTP = 2.5 – 0.8=1.7 V
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重算汲極電流
解一元二次方程式, 得
源-汲極電壓為
VSD
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可解出
例 3.11:
其電晶體參數為 VTND = VTNL = 1V, KnD = 50μA/V2, and KnL = 10μA/V2, 並假設λnD = λnL = 0。 (下標 D 所指的是驅動電晶體,而 L 所指的為負載電晶體) 試算出當輸入為 VI=5V 與 VI=1.5V 時,輸出值 V0 為何 ?
解 (a) 輸入為 VI=5V 時:
若 VI 為高電位,VO 則降為低準位 VDSD 應為較低電位 假設驅動電晶體將偏壓在非飽和工作區域 但 負載電晶體將偏壓在飽和工作區域
在負載電晶體的 IDL 應當等同於驅動電晶體的 IDD
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利用二次方程式的求解公式
由於 VDSD = V0 = 0.349 V < VGSD – VTND = 5 – 1 = 4 V,則驅動電晶體偏壓在非飽和區,如同起始假設工作狀態 工作電流
(b)輸入為 VI=1.5V 時: 由於驅動電晶體 VTN = 1V 且 VI=1.5V
IDD 應當相對較小 Vo 應當相對較大 . 我們假設驅動電晶體將偏壓在飽和工作區域 在負載電晶體的 IDL 應當等同於驅動電晶體的 IDD
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可求得 Vo=2.88V 由於 VDSD = Vo = 2.88 V > VGSD – VTND= 1.5 – 1 = 0.5 V, 驅動電晶體將如同前述設定的偏壓工作在飽和區 而工作電流為