Ch. 8Ch. 8 Field-Effect Transistor (FET) d Bi(FET) and...

Ch. 8Ch. 8 Field-Effect Transistor

(FET) d Bi(FET) and Bias

공핍영역

D공핍영역

G

채널S

Yun SeopYu8-3 JFET 바이어스

자기 바이어스 (self-bias)

RG -접지로부터 AC 신호를 분리

IG = 0 VG = 0IID ≈ IS

IG = 0 VG = 0

VD

ID

VS = ISRS ≈ IDRS

VGS = VG - VS = 0 – IDRS= - IDRSV

VD = VDD - IDRD

VDS = VD - VS

VGSVS

ISVDS VD VS

= VDD - ID(RD+RS)

15


VDD = 15 V, RD=1 kΩ , RS = 220 Ω , ID = 5m A VDS, V ?

Ex.8-6 Q.

VGS ?

IG = 0 VG = 0A.

G G

VS = ISRS ≈ IDRS = (5m)(220)=1.1 V

V

ID

VD = VDD – IDRD = 15 – (5m)(1k) = 10 V

VDS = VD – VS = 10 – 1.1 = 8.9 V

VD

VGS = VG - VS = 0 –1.1 = -1.1 V

VDS VD VS 10 1.1 8.9 V

VGSVSIS

ID가 주어지면 쉽게 VDS, VGS를 구할 수 있으나

ID가 주어지지 않으면 VDS, VGS?

16


2참고

자기 바이어스

2

( )

1 GSGS D S DSS S

GS off

VV I R I RV

⎛ ⎞=− =− −⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠2 2

( ) ( ) ( )

21 1GS GS GS GS

DSS S GS off GS off GS off

V V V VI R V V V

⎛ ⎞ ⎛ ⎞−= − = − +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

2( ) 2 2

( ) ( )2GS GS offGS off GS off GS GS

DSS S

V VV V V V

I R−

= − +

2( )2

( )2GS offGS GS off GS GS

DSS S

VV V V V

I R⎛ ⎞+ − +⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠

2( ) 0off = VGS: 2차 방정식의 해

22 2( ) ( ) 2

( ) ( ) ( )2 2 4GS off GS offGS off GS off GS off

DSS S DSS S

V VV V V

I R I RV

⎛ ⎞ ⎛ ⎞− ± − −⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠

2( ) ( )

2

2 2 4

GS

GS off GS off

V

V VV

⎝ ⎠ ⎝ ⎠=

⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥±⎜ ⎟ ⎜ ⎟

4

17

( ) ( )( ) 2 2 4

2

GS off GS offGS off

DSS S DSS S

GS

VI R I R

V

⎢ ⎥− ± − −⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦=


자기 바이어스 (self-bias)된 Q점 결정

원하는 VGS 값에 대한 ID 결정 방법 -2가지GS D

전압전달 특성곡선

규격표의 IDSS, VGS(off) 사용하여 ID 전류식 계산DSS, GS(off) D

RS = |VGS/ID| 계산

Ex.8-7

전압전달 특성곡선Q.VGS = -5V에서 자기바이어스 되도록 RS 결정?

VGS = -5V, ID = 6.25 mA

R |V /I | | 5/6 25 | 800 Ω

A.

18

RS =|VGS/ID|= |-5/6.25m| = 800 Ω


중점 바이어스

ID = 0.5 IDSS 되도록 JFET를 바이어스 시키는 것이 바람직

ID = 0.5 IDSS VGS= VGS(off)/3.4

22⎞⎛⎞⎛

VV

0.5VV1

VV1I0.5II

2

GS(off)

GS

2

GS(off)

GSDSSDSSD =⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−>−−⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−==

3.4V

V1/3.40.51VV GS(off)

GSGS(off)

GS =>−−≈−=

19


중점 바이어스 위한 RS, RD 결정?

VDD = 12 V , IDSS= 1.0mA, VGS(off)= -0.5V, 단, VD = 6 V VDD/2

Ex.8-9 Q.

V VDD/2

I = I /2 = 1m/2 = 0 5 mAA. ID = IDSS/2 = 1m/2 = 0.5 mA

VGS = VGS(off)/3.4 = -0.5/3.4 = -147mVV

ID

RS = |VGS/ID| = |-147m/0.5m| = 294 ΩVD

VD = VDD- IDRD = VDD/2 = 6VGSVS

ISRD = (VDD- VD)/ID = (12-6)/(0.5m) = 12kΩ

20


1. JFET 전달특성곡선 (규격표 or ID 전류식을 이용 plot)

자기 바이어스 (self-bias)된 JFET의 그래픽적 해석

직류 부하선V I R2. VGS = 0 when ID = 0 (1)에서 시작해서

VGS = -IDSSRS when ID = IDSS (2)까지 dc 부하선을 그려라

VGS= -IDRS

2

3. 1과 2의 곡선들이 만나는 점: Q점

2 -IDSS

ID

Q

VD

QVGS

VS

IS

21

1

-IDSSRS


JFET의 Q점? 전달특성곡선 이용

VDD = 9 V, RD = 2.2 kΩ, RS = 680 ΩEx.8-10 Q.

- 1 when ID = 0 , VGS = 0 V- 2 when ID = IDSS, VGS = -IDSSRS = -(4m)(680) = -2.72 V

A.

D DSS, GS DSS S ( )( )- 1 과 2 를 연결한 부하선 전달특성곡선과 만나는 점: Q점

2

VD

ID

VGS VS

IS

22

1


전압 분배 바이어스

게이트-소스 접합: 역방향 바이어스

VS > VG

⎞⎛

V

IDVS = IDRS DD

21

2G V

RRRV ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

VD

VG

IG≈0 VS = VG - VGS

GSGS VVV −VS

VG

S

GSG

S

SD R

VVRVI ==

V V I RVD = VDD - IDRD

VDS = VD - VS = VDD - ID(RD+RS)

23


VD = 7 V 전압분배 바이어스 ID, VGS = ?

VDD = 12 V RD = 3 3 kΩ RS = 2 2 kΩ R1 = 6 8 MΩ

Ex.8-11Q.

VDD = 12 V, RD = 3.3 kΩ, RS = 2.2 kΩ, R1 = 6.8 MΩ, R2 = 1 MΩ

I 0A.

IG ≈ 0

V 1.54 (12)6.8M1M

1MVRR

RV DD21

2G =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

+=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=21 ⎠⎝⎠⎝

VD = VDD - IDRD

ID = (VDD – VD)/RD=(12-7)/3.3k = 1.52 mAVD

ID

IG≈0D ( DD D) D ( )

VS = IDRS = (1.52m)(2.2 k) = 3.34 V

VD = VD - V = 7 – 3 34 = 4 66 VVS

VG

VDS = VD - VS = 7 3.34 = 4.66 V

VGS = VG – VS = 1.54 – 3.34 = -1.8 V

24

VD가 주어지면 쉽게 VDS, VGS를 구할 수 있으나 VD가주어지지 않으면 ID, VDS, VGS?


전압 분배

바이어스

2

( )

1 GSGS G D S G DSS S

GS off

VV V I R V I RV

⎛ ⎞= − = − −⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠2 2

( ) ( ) ( )

21 1G GS GS GS GS

DSS S GS off GS off GS off

V V V V VI R V V V

⎛ ⎞ ⎛ ⎞−= − = − +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

( ) 2( ) 2 2

( ) ( )

2

2G GS GS offGS off GS off GS GS

DSS S

V V VV V V V

I R

V

−= − +

⎛ ⎞ V⎛ ⎞

VGS: 2차 방정식의 해2

( )2( )2GS off

GS GS offDSS S

VV V

I R⎛ ⎞+ −⎜ ⎟⎜⎝ ⎠

2( )

22 2

1 0GGS GS off

DSS S

VV VI R

V V V

⎛ ⎞+ − =⎜ ⎟⎟ ⎝ ⎠

⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞2 2( ) ( ) 2

( ) ( ) ( )2 2 4 1

2

GS off GS off GGS off GS off GS off

DSS S DSS S DSS SGS

V V VV V VI R I R I R

V

⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞− ± − − −⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠=

2( ) ( )

( ) 2 2 4 1GS off GS off GGS off

DSS S DSS S DSS

V V VVI R I R I

V

⎛ ⎞ ⎛ ⎞− ± − − −⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠ SR

⎡ ⎤⎛ ⎞⎢ ⎥⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

25

GSV =2

⎣ ⎦


전압 분배 바이어스된 JFET의 그래프적 해석

직류 부하선

1 For I = 0

직류 부하선VGS= VG-IDRS

1. For ID = 0, VGS = VG 1

2

2. For VGS = 0,

GVI = 21

2S

D RI = 2

3. 1과 2 연결하는 dc 부하선를 그린 후, dc 부하선과 JFET 전달 특성 곡선과만나는 점이 Q점이다

26

만나는 점이 Q점이다.


Q점의 안정도

같은 형태의 JFET 소자에서도 전달특성은 상당히 다르다

Q점의 큰 변화 I 와 V 변화Q점의 큰 변화 ID와 VGS 변화

전압 분배 바이어스가 자기바이어스보다 Q점의 안정성이 크다.ΔQd < ΔQs

전압 분배 바이어스자기 바이어스부하선

최대

자기 바이어스부하선

최대Qs max

Qd_max

최대

최소 ΔQd

Qs_max

ΔQs

27

Qd_min

최소

Qs_min

Yun SeopYu8-4 MOSFET

Metal-Oxide-Semiconductor FET (금속 산화물 반도체 FET )

전류는 게이트와 기판 사이의 좁은 채널을 통해 흐름.

게이트와 채널은 SiO2로 절연 분리

공핍형 (depletion): 채널이 형성되어 있음공핍형 ( p ) 채널이 형성되어 있음

증가형 (enhancement): 바이어스에 의해 채널 형성

E-MOSFETs 는 바이어스가 없으면 OffE MOSFETs 는 바이어 가 없 면 Off

28


공핍형 MOSFET (D-MOSFET)

기본구조

29


D-MOSFET 동작

체널을 미리 형성

게이트 전압게이트 전압

음: Depletion mode

양: Enhancement mode양: Enhancement mode

공핍형 모드

게이트에 음의 전압 채널에 양이온 발생 전자 공핍 전도도감소감소

VGS(off) :채널이 완전히 공핍되는 전압 ( ID = 0)

VGS(off) ≤ VGS ≤ 0VGS(off) ≤ VGS ≤ 0

증가형 모드

게이트에 양의 전압 채널의 전도도 증가

30


D-MOSFET 동작

31


D-MOSFET 동작

32


증가형 MOSFET (E-MOSFET)

바이어스 없을 때, 채널이 형성되어 있지 않다.

VGS를 양으로 증가

임계전압 이상에서

채널 형성

33


E-MOSFET

도식 기호

34


E-MOSFET 동작

전달특성곡선VGS < VGS( h) no channel ID = 0 VGS < VGS(th) no channel ID = 0

VGS > VGS(th) channel ID > 0

35

Yun SeopYu8-5 MOSFET 특성과 파라미터

D-MOSFET 전달 특성 JFET과 동일

Shockley’s equation:2

GSDSSD

V1II ⎟⎟⎞

⎜⎜⎛−=

Shockley s equation:

GS(off)DSSD V

1II ⎟⎠

⎜⎝

F d dForward transconductance:

⎟⎞

⎜⎛

GSD V1g∆Ig ⎟⎟⎠

⎜⎜⎝−==

GS(off)

GSm0

GS

Dm V

1g∆V

g

2IDSS (at VGS = 0)|V|2IgGS(off)

DSSm0 =

36VGS(off) = -Vp


n채널과 p채널 D-MOSFET의 전달특성

37


D-MOSFET IDSS=10 mA, VGS(off) = -8V

채널 채널

Ex.8-17Q.

n채널, p채널?

VGS(off) < 0 n 채널A.

VGS = -3 V ID ?

3V 22⎞⎛⎞⎛

3.91mA831(10m)

VV1II

2

GS(off)

GSDSSD =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

−−

−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

VGS = 3 V ID ?

18.9mA831(10m)

VV1II

22

GS(off)

GSDSSD =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

−−=⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

38

( ) ⎠⎝


E-MOSFET 전달특성

VGS < VGS(th) no channel ID = 0 ( )

VGS > VGS(th) channel ID > 0

( )2GS(th)GSD VVKI −=

K: MOSFET 종류에 따른 고유값

( )2D(on)

VVI

K=( )GS(th)GS VV −

ID(on) 규격표로 부터 얻음

39

ID(on) 규격표로 부터 얻음


2N7008 E-MOSFET

VGS = 10V 일때 VGS(th) = 1V 이고 ID(on) = 500 mA Ex.8-16

Q.

GS GS(th) D(on)

이다.

VGS = 5V 일때 ID ?

500mIA.

( ) ( )2

22GS(th)GS

D(on) 6.17mA/V110

500mVV

IK =

−=

−=

( ) 98.7mA1)(6.17m)(5VVKI 22GS(th)GSD =−=−=

40


취급상 주의사항

ESD (electrostatic discharge)에 취약

입력 커패시턴스와 높은 입력저항 과도한 정전하 축적 소자 손상

스폰지에 운반, 보관

기구와 작업대 접지기구와 작업대 접지

취급자 손목에 접지 연결

전원 on 상태에서 MOS 소자 제거 금지

DC off일 경우, 신호 인가 금지

41

Yun SeopYu8-6 MOSFET 바이어스

D-MOSFET 바이어스Zero bias

V 0 V로 두고 게이트의 교류신호가 이 바이어스 점의 상하로 게이트VGS = 0 V로 두고 게이트의 교류신호가 이 바이어스 점의 상하로 게이트-소스 전압 변동

I 0 V 0 VIG = 0 VG = 0 = VGS

ID = IDSS ≈ IS

IDVD = VDD – IDSSRD VD

D

Ex.8-20

V

VGS(off) = -8V, IDSS = 12 mA

VDD = 18V RD = 620 Ω ID VDS ?

Q.

VSVDD = 18V, RD = 620 Ω ID, VDS ?

IG = 0 VG = 0 = VGS

I I 12 A IA.

42

ID = IDSS = 12 mA ≈ IS

VD = VDD – IDSSRD = 18 – (12m)(620)=10.6 V


E-MOSFET 바이어스

VGS > VGS(th) 이어야하므로 zero바이어스 사용못함

전압분배 바이어스

R ⎞⎛DD

21

2G V

RRRV ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

VGS = VG

( )2VVKVD

ID

VDS = VD = VDD – IDRD

( )2GS(th)GSD VVKI −=D

V

VG

VDS = VD = VDD IDRDVSIG ≈ 0

43


E-MOSFET VGS,VDS, ID ?

VDD = 24 V, RD = 200 Ω, R1 = 100 kΩ, R2 = 15 kΩ

V 4V V 2V I 200 A

Ex.8-18Q.

VGS = 4V, VGS(th) = 2V ID(on) = 200 mA

200IA

( ) ( )2

22GS(th)GS

D(on) 50mA/V2-4

200mVV

IK ==

−=

I

A.

3.13V(24)15k100k

15kVRR

RV DD21

2G =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

+=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=VD

V

ID

VGS = VG = 3.13 V

( ) 2)(50m)(313VVKI 22VS

VG

IG ≈ 0 ( )63.8mA

2)-(50m)(3.13VVKI 2GS(th)GSD

=

=−=G

44

VDS = VD = VDD – IDRD=24-(63.8m)(200)=11.2V


E-MOSFET 바이어스

드레인 귀환 바이어스

VDS = VGS

( ) DSDD2 VVVVKI −

ID

( )D

DSDDGS(th)GSD R

VVKI =−=

VD ( )2)(−

=− DSDDthGSDS KR

VVVVVG

VIG ≈ 0 1

2 2)()(

2

⎤⎡

+−= thGSDSthGSDS

D

V

VVVV

KR

VSIG ≈ 0

021 2)()(

2 =−+⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−+

D

DDthGSDSthGS

DDS KR

VVVVKR

V

VDS: 위 2차 방정식의 해

45

VDS: 위 2차 방정식의 해


E-MOSFET VGS(th) = 3V ID ?Ex.8-19Q.

A.

IG ≈ 0

VDS

VDS = VGS = 8.5 V

8515VVVG 1.38mA

4.7k8.515

RVVI

D

DSDDD =

−=

−=

46

Yun SeopYu

Homework

All Examples

Selected Problems(P.440-450): 19 22 24 27 42450): 19, 22, 24, 27, 42, 43

47

Yun SeopYu

Yun SeopYuSimplified waste water pH neutralization system


- pH sensor and graph of pH vs. output voltage

- pH sensor circuit


- Simulation results for the pH sensor circuit

- Simulate the pH sensor circuit using your Multisim software. M th t t lt f V 50 V V 150 V- Measure the output voltage for Vsensor 50 mV, Vsensor 150 mV,

and Vsensor = -= = 25 mV.

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