1

VIII PREDAVANJE

TRANZISTORI SA EFEKTOM

POLJA (FET)

2

TRANZISTORI SA EFEKTOM POLJA (FET)-

unipolarni tranzistori

Dva osnovna tipa:

• MOSFET (Metal-oxid-semiconductorfield-efect transistor)-najčešće u upotrebi.

• JFET (junction field-efect transistor) spojni FET;

• MOSFET se realizira tehnološki jednostavnijim postupkom nego JFET.

• MOSFET tranzistori se proizvode sa kanalom „p“ tipa, ili sa kanalom „n“ tipa, te za povećavajući ili za smanjujući način rada (ukupno četiri tipa tranzistora).

3

P- kanalni MOS (PMOS): prvi koji su

uspješno ugrađeni u krugove visokog

stepena integracije (LSI).

• Prvi mikroprocesorski čipovi su koristili

PMOS tehnologiju.

• Bolje performanse su kasnije postignute

uvođenjem u komercijalnu upotrebu N-

kanalnih MOS (NMOS) tranzistora, kako

povećavajućeg, tako i smanjujućeg tipa.

4

Karakteristike MOS kondenzatora

• Središnji dio MOSFET-a je struktura MOS kondenzatora, prikazana na slici:

• Tanki izolacioni sloj ispod vrata, koji je običnosilicium dioksid, razdvaja metalna vrata od silicijumske podloge ili „tijela“ (body), koje predstavlja drugu elektrodu kondenzatora.

• Karakteristike ovog visoko kvalitetnog izolatorapredstavljaju jedan od osnovnih razloga, što je silicijum danas osnovni poluvodički materijal.

5

• Poluvodič koji formira donju elektrodu kondenzatora ima sopstveni otpor i ograničen broj elektrona i šupljina.

• Pod dejstvom vanjskog napona naboj u puluvodičkom materijalu može biti

pomjeren.

a) Oblast akumulacije

• Veliki negativni naboj na metalnoj elektrodi je uravnoteženšupljinama, koje su privučene uz prelaz silicijum-silicijum dioksid, direktno ispod vrata (tanki sloj-list naboja)

+

-

6

b) Osiromašena oblast

• Napon na vratima je lagano povećan i pozitivan (u odnosu na podlogu).

• Šupljine su„odbijene“ (odgurnute) od površine i njihova gustoća blizu površine je smanjena u odnosu na gustoću određenu nivoom dopiranja podloge („smanjenje“ ili „siromašenje“)

• Pozitivan naboj na vratima

je uravnotežen negativnim

nabojem joniziranih akceptorskih

atoma u osiromašenoj oblasti.

• Širina osiromašene oblasti wd :

od dijela mikrona do više

desetina mikrona u zavisnosti

od dovedenog napona i nivoa

dopiranja materijala.

• Oblast ispod metalne elektrode je osiromašena na potpuno isti način kao i osiromašena oblast pn spoja kristalne diode.

-

+

7

c) Inverzna oblast

• Napon na vratima se dalje povećava, elektroni bivaju privučeni prema površini.

• Pri nekom naponu VTN površina mijenja polaritet od izvornog p-tipa u n-tip: dobija se inverzna oblastispod vrata.

• Pozitivan naboj na

vratima je kompenziran

sa negativnim nabojem

u inverznom sloju i

nabojem negativnih jona

(akceptora) u osiromašenoj oblasti.

• Napon na vratima, pri kome se uspostavlja inverzni površinski sloj (značajan parametar) naziva se napon praga (threshold voltage - VTN).

-

+

8

Struktura n kanalnog MOS (NMOS) tranzistora

• Centralna oblast MOSFET-a je

MOS kondenzator, i upravljačka

elektroda MOS-a se naziva

vrata (gate - G). Sa obje

strane MOS kondenzatora,

nalaze se dvije visoko

dopirane oblasti n-tipa (n+),

nazvane izvor (source -S)

i odvod (drain - D), formirane

u p-tipu materijala, koji je

četvrta elektroda NMOSFET-a:

priključak podloge (priključak tijela).

Cijeli MOSFET je realiziran u podlozi (substrate) p tipa.

9

Način spajanja NMOSFET-a na izvore napona; struje MOSFET-a

• struja odvoda - iD,

• struja izvora - iS,

• struja vrata - iG,

• struja podloge - iB.

• napon vrata-izvor :vGS

• napon odvod-izvor: vDS (VS).

• Ovi naponi su uvijek veći ili jednaki nula.

• Oblasti izvora i odvoda sa materijalom podloge formiraju pn spojeve koji trebaju biti uvijek inverzno polarizirani.

• Područje poluvodiča između izvora i odvoda a direktno ispod vrata naziva se kanal (channal region) FET-a.

IG IS IB

10

Kvalitativno ponašanje NMOSFET tranzistora

VTN je napon poređenja kod NMOSFET-a.

a) Ako je napon VGS mnogo manji od VTN,, između izvora i

odvoda postoji np-pn spoj i samo vrlo mala struja može

poteći između dva priključka.

11

b) Ako je napon VGS blizu vrijednost VTN, ali ipak manji od

njega, ispod vrata (a između izvora i odvoda) stvara se

osiromašena oblast.• Osiromašena oblast ne sadrži dovoljan broj slobodnih

nosilaca naboja tako da struja ne može proći između izvora

i odvoda.

12

c) Ako je napon VGS >VTN, elektroni su privučeni uz površinu podloge, formirajući inverzni sloj (n tipa), u odnosu na podlogu, spajajući n+ područje izvora sa n+područjem odvoda. Ova veza između izvora i odvoda ima karakter otpora.

• Ako se sada između odvoda i izvora dovede pozitivan napon (VDS >0), pod dejstvom električnog polja, dolazi do kretanja elektrona kroz kanal i toka struje između odvoda i izvora.

13

• Struja u NMOS tranzistoru, uvijek ulazi u priključak

odvoda, teče kroz kanal i izlazi kroz priključak izvora.

• Priključak vrata je izoliran od ovog kanala, nema

istosmjerne struje kroz vrata i iG =0.

• Pošto su pn spojevi (izvor i odvod prema podlozi) uvijek

inverzno polarizirani, kroz njih teče samo inverzna struja,

koja je obično mala u odnosu na struju kanala iDS i

zanemaruje se. Zbog toga se usvaja da je iB =0.

IG IB

14

• Da bi došlo do provođenja struje, očito je

da kanal mora biti uspostavljen

(induciran) naponom vrata.

• Napon vrata „povećava“ („enhances“)

vodljivost kanala i za ovaj tip MOSFET-a se

kaže da je povećavajućeg tipa

(enhancement- mode device).

15

Izlazne karakteristike NMOSFET tranzistora:

Ovisnost izlazne struje (struja odvod- izvor) NMOSFET–a

za različite iznose napona odvod-izvor i napona vrata.

16

a) Linearna oblast izlaznih karakteristika (uDS mali)

• Struje iG i iB su jednake nuli tako da struja koja ulazi u odvod mora biti jednaka struji koja napušta izvor.

iS = iD = iDS

• Izraz za struju između odvoda i izvora će biti izveden razmatrajući protok naboja u kanalu.

• Ukupan naboj (koji čine elektroni) po jedinici dužine kanala(jedinični naboj) je :

• - kapacitet po jedinici površine (određen debljinom sloja oksida)

• εox -permeabilnost sloja oksida (za silicijum dioksid :

εox = 3,9 ◦ 8,854◦10-14F/cm)

• Tox -debljina sloja oksida (cm)

• W – širina kanala (cm).

( ) /ox ox TNQ x WC u V C cm

oxC

LWS

cmFTST

S

S

CC

ox

ox

ox

oxoxox

.

/ 2

17

• Napon uox predstavlja napon na sloju oksida i funkcija je

mjesta duž kanala:

• u(x) je napon u tački sa koordinatom x duž kanala, u

odnosu na izvor.

• Napon uox mora biti veći od napona VTN, da bi postojao

inverzni sloj (jer će Q´ biti nula ako to nije slučaj).

• Na mjestu na kanalu uz sami izvor je i on se

smanjuje na vrijednost na kraju kanala uz

odvod.

)(xuuu GSox

DSGSox uuu GSox uu

( )ox ox TNQ x WC u V

x0

x

u0x

iDST0x

W

18

• Struja elektrona (drift) na bilo kojem mjestu duž

kanala je data priozvodom naboja po jedinici

dužine i brzine elektrona ( vx):

• Brzina elektrona kroz kanal je određena

pokretljivošću (mobilnošću) elektrona i električnim

poljem u kanalu.

• Kombinirajući jednačinu (*) i jednačinu za uox

slijedi :

)()()( xvxQxi x

(*))(

)()(

dx

xduEuz

EVuCWxi

x

xnTNoxox

)())(()( xduVxuuCWdxxi TNGSoxn

)(xuuu GSox

19

• Pošto je poznat napon koji se dovodi na izvode (izvor i

odvod), to je ux(0)=0 i ux(L)=uDS .

• Struja kroz kanal mora biti jednaka struji iDS kroz svaki

poprečni presjek duž kanala, pa vrijedi da je i(x) = -iDS.

Zato jednačinu za struju treba integrirati u granicama dužine

kanala:

• Iznos je fiksan za datu tehnologiju i predstavlja

konstantu:

• tkz. parametri strmine:

(**))2

(

)())(()(

00

DSDS

TNGSoxn

DS

DSU

TNGSoxn

L

uu

VuL

WCi

xduVxuuCWdxxi

oxnC

L

WKKiCK nnoxnn

20

Jednačina (**) se može napisati:

i predstavlja klasični izraz za struju između odvoda i izvora

NMOS tranzistora, kada su odvod i izvor spojeni preko

otpora kanala.

• Ovaj spoj će postojati sve dok je napon na sloju oksida

veći od napona praga u svakoj tački duž kanala:

što je uočljivo iz jednačine:

DSDS

TNGSnDS

DSDS

TNGSnDS

uu

VuKi

uu

VuL

WKi

)2

(

(*))2

(

LxzaVxuu TNGS 0)(

DSU

TNGSoxn

L

xduVxuuCWdxxi

00

)())(()(

)(xuuu GSox

21

• Obzirom da je u(L)= uDS, uvjet za protok struje kroz MOSFET se može preformulirati kao:

I-u karakteristike u linearnoj oblasti mogu se nacrtati na osnovu jednačine (*):

• Za male vrijednosti napona uDS kada vrijedi :

uDS << (uGS –VTN).

izraz za struju odvoda se može napisati u reduciranom obliku kao:

gdje je iDS direktno proporcionalno naponu uDS.

DSTNGS uVu LxzaVxuu TNGS 0)(

(*))2

( DSDS

TNGSnDS uu

VuL

WKi

DSTNGSL

oxnDS uVu

CWi )(

22

• Familija krivih je linearna u blizini koordinatnog početka;

Definira se otpor MOSFET-a za to područje, nazvan „otpor

u vođenju“ (on-resistance - Ron), (tačka „ON“na dijagramu) i

koji predstavlja odnos uDS i iDS :

• Kada je MOSFET polariziran da radi u linearnoj oblasti, on se

koristi kao naponom (vGS) upravljani otpor.

)(

1

TNGSnDS

DSon

VuL

WK

i

uR

23

ZADATAK: Izračunati Ron za NMOSFET za: VTN=1 V,

VGS=2V i 5V ako je Kn=250A/V2

• Što je napon VGS veći, to je manja otpornost Ron .

KR

K

VuL

WK

i

uR

on

TNGSnDS

DSon

1)15(10250

1

4)12(10250

1

)(

1

62

61

24

b) Oblast zasićenja izlaznih karakteristika• Linearni režim rada MOSFET-a će trajati sve dok između

izvora i odvoda postoji vodljivi kanal.

• Kada je napon odvoda povećan na vrijednost :

uDS = (uGS –VTN) kanal se na mjestu odvoda prekida:

• Sa daljnim porastom iznosa uDS, kanal isčezava i prije mjesta na kome je formiran odvod (širi se osiromašena oblast u inverznoj polarizaciji odvoda)

• Kanal je „zgnječen“ (pinched off) i nije više u kontaktu sa odvodom i napon na njemu ne ovisi od napona uDS

0

0

( )

0

2

ox GS

oL GS DS

DS GS TN

oL GS GS TN TN

oL L TN

L TN TN TN

L GS TN

u u u x

u u u

za

u u V

u u u V V

u V V V

V V V V V

V V V

25

• Dio kanala između „tačke gnječenja“ i odvoda je bez

elektrona.

• U području ispod „praznog kanala“, nalazi se osiromašena

oblast, u kojoj egzistiraju negativni akceptorski joni.

• Elektroni, koji dostignu „tačku gnječenja“ ulaze u

osiromašenu oblast između završetka kanala i odvoda, i

pod dejstvom električnog polja u osiromašenoj oblasti,

kreću se prema odvodu.

26

• Kada je kanal ušao u stanje „gnječenja“, pad napona na

invertovanom kanalu (u kome postoje elektroni) ostaje

konstantan, jer kanal nije više u kontaktu sa odvodom.

• Zato je i struja odvoda konstantna i MOSFET radi u oblasti

zasićenja njegovih karakteristika (saturatin region;.

pinch-off region).

• Struja odvoda [uz uDS = (uGS –VTN)] je:

• Ovo je klasična kvadratna jednačina za struju između

odvoda i izvora u zasićenom n kanalnom MOSFET-u.

• Struja odvoda zavisi od kvadrata napona (uGS –VTN) , ali je

nezavisna od napona odvod-izvod.

)()(2

2TNGSDSTNGSnDS VuuzaVu

L

WKi

(*))2

( DSDS

TNGSnDS uu

VuL

WKi

27

• Vrijednost napona između odvoda i izvora za koju tranzistor

ulazi u zasićenje, zove se napon zasićenja ili „napon

gnječenja“ ( pinch-off voltage ) i označen je kao uDSAT, a

njegova vrijednost je:

uDSAT = (uGS –VTN)

• Kada se napon odvoda povećava u oblasti zasićenja, krive u

oblasti zasićenja postaju ravne linije.

28

c) Oblast kočenja izlaznih karakteristika

• Za vrijednosti napona (uGS ≤VTN) tranzistor je

zakočen (cut off), pošto kanal ne postoji a oba pn-

spoja su inverzno polarizirana (dva pn spoja

vezana u opoziciju); struja odvoda jednaka je nuli.

• Na dijagramu je oznakom OFF, naznačena tačka

kada je (uGS =VTN), tj. kada je tranzistor zakočen.

29

Modulacija dužine kanala

• U oblasti zasićenja i-u krive imaju mali pozitivan

rast.

• Struja odvoda se lagano povećava, kako se

povećava napon uDS, kao posljedica fenomena

nazvanog modulacija dužine kanala (channel-

lenght modulation).

30

• Kanal je prekinut u tački gnječenja prije nego što je dostigao odvod. Tako je stvarna dužina kanala data relacijom

L=Lmax-L .

• Za uDS >uDSAT, dužina osiromašene regije kanalatakođe postaje veća i stvarna dužina kanala se smanjuje.

• Vrijednost L u nazivniku jednačine

neznatno zavisi od napona uDS (smanjuje se sa povećanjem uDS), i struja odvoda se povećava, kako se povećava napon uDS .

2)(2

TNGSnDS VuL

WKi

31

• Jednačina (*) se može iskustveno modificirati,

tako da se uzme u obzir ova zavisnost od

napona odvoda (smatrajući da je L= const):

• Parametar je nazvan parametar modulacije

dužine kanala. Vrijednost zavisi od dužine L

kanala i njene tipične vrijednosti su u opsegu:

(0,001 V-1≤ ≤ 0,1 V-1)

• ZADATAK: Izračunati struju odvoda za NMOSFET, koji radi

sa VGS=5V, VDS=10V, ako je VTN =1 V, Kn=1mA/V2 i =0,02.

Oblast zasićenja:VDS> (VGS- VTN )

mAi

uVuL

WKi

DS

DSTNGSnDS

6,92,12

16)1002,01()15(

2

1

)1()(2

2

2

)1()(2

2DSTNGSnDS uVu

L

WKi