TRANZISTORI SA EFEKTOM POLJA (FET) VIII PREDAVANJE TRANZISTORI SA EFEKTOM POLJA (FET)

TRANZISTORI SA EFEKTOM POLJA (FET)-unipolarni tranzistori Dva osnovna tipa: MOSFET (Metal-oxid-semiconductor field-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).

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.

Karakteristike MOS kondenzatora Središnji dio MOSFET-a je struktura MOS kondenzatora, prikazana na slici: Tanki izolacioni sloj ispod vrata, koji je obično silicium dioksid, razdvaja metalna vrata od silicijumske podloge ili „tijela“ (body), koje predstavlja drugu elektrodu kondenzatora. Karakteristike ovog visoko kvalitetnog izolatora predstavljaju jedan od osnovnih razloga, što je silicijum danas osnovni poluvodički materijal.

Pod dejstvom vanjskog napona naboj u puluvodičkom materijalu može biti 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 uravnotežen šupljinama, koje su privučene uz prelaz silicijum-silicijum dioksid, direktno ispod vrata (tanki sloj-list naboja) + -

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

vratima je kompenziran sa negativnim nabojem u inverznom sloju i 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 oblast ispod 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). - +

Centralna oblast MOSFET-a je MOS kondenzator, i upravljačka 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.

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

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.

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.

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.

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

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).

Izlazne karakteristike NMOSFET tranzistora: Ovisnost izlazne struje (struja odvod- izvor) NMOSFET–a za različite iznose napona odvod-izvor i napona vrata (parametar).

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).

u(x) je napon u tački sa koordinatom x duž kanala, u odnosu na izvor. 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. W iDS T0x x u0x x

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 :

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:

što je uočljivo iz jednačine: 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:

uDS << (uGS –VTN). 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.

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.

Što je napon VGS veći, to je manja otpornost Ron . ZADATAK: Izračunati Ron za NMOSFET za: VTN=1 V, VGS=2V i 5V ako je Kn=250A/V2 Što je napon VGS veći, to je manja otpornost Ron .

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

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.

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.

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.

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.

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).

Kanal je prekinut u tački gnječenja prije nego što je dostigao odvod 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 kanala 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 .

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 )