Elektronika a Mikroelektronika A4B34EM

5. přednáška

• Unipolární tranzistory

• JFET

• MESFET

• MOSFET

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Tranzistory – základní rozdělení

Unipolární tranzistory

MESFET JFET MOSFET

Z a

b u

d o

v a

n ý

k a n á l

I n

d u

k o

v a

n ý

k a n á l

O b

o h

a c o

v a

n ý

k a n á l

O c h

u z o

v a

n ý

k a n á l

k a n á l N

k a n á l P

N M

O S

P M

O S

N M

O S

P M

O S N P N P

k a n á l P

N P N P

MOSFET - metal oxide field effect transistor semiconductor MESFET – Metal semiconductor field effect transistor JFET – junction field effect transistor

Unipolární tranzistory Obecné vlastnosti

 Napětí na řídící elektrodě (gate) ovládá proud mezi elektrodami drain (D) a source (S)

 U všech typů je mezi elektrodami D-S tenký vodivý kanál typu n nebo p, jehož vodivost se ovládá elektrickým napětím přiloženým na řídící elektrodu G

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

FET ( Field Effect Transistor)

1. Funkce závisí pouze na jednom typu nosičů (elektrony nebo díry)

2. Součástka řízená napětím (napětí na řídícím hradle ovládá proud mezi D-S)

3. Velmi vysoká vstupní impedance ( 109-1014 )

4. Source a Drain je zaměnitelný

5. Možnost funkce v tzv. Low Voltage Low Current módu 6. Menší šum ve srovnání s BJT 7. Žádná akumulace minoritních nosičů (Rychlé vypínání) 8. Velice malé rozměry, výhodné v integrovaných obvodech

Výhody unipolárních tranzistorů:

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Tranzistor JFET

 U tranzistorů JFET je řídící elektroda z polovodiče opačné vodivosti než kanál

 Od kanálu není elektricky oddělena a tvoří P-N přechod.

 Tento přechod je polarizován závěrně.

 Napětím na hradle se moduluje OPN (oblast prostorového náboje), čímž se řídí tloušťka kanálu a tudíž i jeho vodivost

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

P P +

-

+

-

+

-

N

N

Základní princip modulace kanálu JFETu

Gate

Drain

Source

OPN

Reálná struktura JFETu

 Průřez tranzistory JFET

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Princip činnosti

 Při malém napětí UDS

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

OPN

Princip činnosti

 Při nulovém napětí na hradle

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

OPN

Výstupní charakteristiky JFETus kanálem N.

Odporová oblast (režim):

Proud drainem je dán:

   

  

 

2

2 2

2

DS DSPGS

P

DSS DS

U UUU

U

I I

2

1  

  

 

P

GS DSSDS

U

U II

Kde IDSS proud drainem při UG = 0, VP prahové napětí

Výstupní charakteristiky a režimy JFET

Oblast saturace:

 PGSDS UUU 

 PGSDS UUU 

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Převodní charakteristika

 JFET s kanálem N pro UDS = 10V

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Mezní parametry JFETu

 Průrazné napětí UDS maximální ztrátový výkon PDmax Maximální proud IG

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Základní zapojení JFET

 Zdroj proudu

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Zdroj proudu IDSS

Zdroj proudu ID

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Struktura tranzistoru PMOS

P+ P+

S D

L

G

Oxid SiO2

PolySi Gate

Difúzní oblast drainu

Difúzní oblast source

Substrát N

Kanál P

Indukovaný Zabudovaný

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

MOS před spojením jednotlivých částí

oxid

dox

P NA

Evac

eUB

Ec

EFs Ev

es

es

Ei

KOV

EFm

em

Pásová struktura:

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

MOS struktura bez napětí

dox

Kov oxid p NA

+ + +

- - -

xd

QG QD

eUs Evac

eUB

Ec

EFs Ev

es

es

Ei EFm

em

eUbi eUox

Ubi=s- m

pp

np

pp0

npo

ppnp=ni 2

x

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Vznik inverzní vrstvy – vodivého kanálu

N+ N+

S D

VG

Substrát N

h h h h h h

h

OPN

Díry

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

MOS struktura + malé napětí na gate UGS < UT

eUB

e(Ubi+UG)

Kov oxid p

dox

+ + +

- - -

xd

QG

QD

+ +

- - +VG

Evac

Ec

EFs Ev

es

es

Ei

EFm

em

eUox

eUs

Ubi=s- m

eUG

USUB

Ochuzená oblast

pp

np

pp0

npo

x

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

MOS struktura - malé napětí na gate UGS < UT + vznik inverzní vrstvy

pp

np

pp0

npo

UB

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

MOS struktura – inverzí vodivost napětí a náboje

kov oxid p

dox

+ + +

- - -

xd QG QD

+ +

- -

+UG UB UT

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

S nenulovým napětím UDS

N+ N+

S D

e e e e e e

L

UDS

G

UGS

UGS > UT

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

e

L

Lef

N+ N+

S G

D Poly Si Oxid

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

 Kolektorový proud (Drain Current):

Lineární oblast ID

UDS

UGS1

UGS2

UGS3

U G

S 1 - U

t

U G

S 2 - U

t

U G

S 3 - U

t

N+ N+

S D

e e e e e e

0 x L

UDS G

UGS

   

  

 



  

 

2

2

DS DStGSoxnD

U UUU

L

W CI 

Lineární oblast: (UGS > Ut, UDS < UGS - Ut) (Triode region)

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

 Kolektorový proud (Drain Current):

Saturační oblast ID

UDS

UGS1

UGS2

UGS3

U G

S 1 - U

t

U G

S 2 - U

t

U G

S 3 - U

t

N+ N+

S D

e e e e e

0 x L

VDS G

VGS

Saturační oblast: (UGS>Ut, UDS >UGS - Ut) (Active region)

p

n n+ drain

 2tGSoxnD UU L

W CI 



  



  

Zaškrcení kanálu

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

 Kolektorový proud (Drain Current):

 Proud Id s modulací délky kanálu - Drain current (with channel

length modulation):

 Transkonduktance (Transconductance):

 2tGSoxnD UU L

W CI 



  

