Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 7, Phần 2: Mosfet
Mạch phân cực N-EMOS (1)
• EMOS được dùng nhiều trong IC số (và không cần phân
cực trong các ứng dụng này)
• Người ta cũng sử dụng EMOS trong các mạch khuếch đại
tín hiệu rời hay IC (cần phân cực trong các ứng dụng này)
• RS trong mạch phân cực dùng để ổn định phân cực như
RE trong mạch BJT, chứ không phải có chức năng tự
phân cực.
• RS càng lớn thì điểm phân cực càng ít nhạy các tham số
transistor khi nhiệt độ thay đổi hay thay transistor khác
Mạch phân cực N-EMOS (2) – DCLL
• Từ mạch phân cực ta tìn được các sụt áp trong mạch như sau
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 7, Phần 2: Mosfet", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
Tóm tắt nội dung tài liệu: Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 7, Phần 2: Mosfet
1Chương 7 MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ĐHBK Tp HCM-Khoa Đ-ĐT BMĐT GVPT: Hồ Trung Mỹ Môn học: Dụng cụ bán dẫn 2MOSFET • Giới thiệu • Khảo sát định tính hoạt động của MOSFET • Tụ điện MOS • Hoạt động của MOSFET • Một số đặc tính không lý tưởng • Mạch tương đương tín hiệu nhỏ • Giới thiệu 1 số ứng dụng của MOSFET Các cấu hình mắc N-EMOS trong mạch Nguồn chung (CS) Cổng chung (CG) Máng chung (CG) 4Nhận biết các miền hoạt động của N-EMOS 5N-EMOS – Thí dụ 1 6N-EMOS – Thí dụ 2 7N-EMOS – Thí dụ 3 8Mô hình tín hiệu lớn của N-EMOS Dựa vào giá trị của VDS, MOSFET có thể được biểu diễn bằng những mô hình tín hiệu lớn khác nhau Miền bão hòa Miền triode Miền triode hoàn toàn tuyến tính 9Mạch phân cực N-EMOS (1) • EMOS được dùng nhiều trong IC số (và không cần phân cực trong các ứng dụng này) • Người ta cũng sử dụng EMOS trong các mạch khuếch đại tín hiệu rời hay IC (cần phân cực trong các ứng dụng này) Mạch phân cực cho N-EMOS Các sụt áp trong mạch phân cực 10 • RS trong mạch phân cực dùng để ổn định phân cực như RE trong mạch BJT, chứ không phải có chức năng tự phân cực. • RS càng lớn thì điểm phân cực càng ít nhạy các tham số transistor khi nhiệt độ thay đổi hay thay transistor khác Mạch phân cực N-EMOS (2) – DCLL • Từ mạch phân cực ta tìn được các sụt áp trong mạch như sau • Suy ra • Vẽ đường tải này trên đặc tuyến truyền đạt ta sẽ tìm ra được điểm tĩnh Q (VGSQ, IDQ) 11 Mạch phân cực N-EMOS (3) Phương pháp đại số với 12 Mạch phân cực N-EMOS (4) – TD 13 Mạch phân cực N-EMOS (5) – TD 14 Mạch phân cực N-EMOS (6) – TD 15 16 17 18 19 20 MOSFET Mạch tương đương tín hiệu nhỏ 21 MOSFET như mạch khuếch đại a) Mạch khảo sát tính chất KĐ b) Giải tích tín hiệu nhỏ (AC) 22 Giải tích toàn phần (DC+AC) 23 Mô hình tín hiệu nhỏ – Mô hình pi a) Bỏ qua sự phụ thuộc của ID vào VDS ở chế độ bão hòa b) Kể đến hiệu ứng điều chế chiều dài kênh dẫn bởi điện trở ra ro = |VA|/ID. 24 T Model Hybrid-π Model Mô hình tín hiệu nhỏ – Mô hình T Mô hình T chưa kể rO Mô hình T với rO 25 Cách tìm gm và ro bằng đặc tuyến ra gm = ID/ VGS rO= (VA+VDS)/ID VA/ID 26 27 28 Mạch tương đương N-EMOS Mạch trên cho thấy N-EMOS có nhiều thành phần điện trở và tụ điện 29 Mạch tương đương tín hiệu nhỏ của MOSFET Ở tần số cao Bỏ qua các điện trở nguồn và máng Ở tần số thấp 30 MOSFET – Mạch tương đương tín hiệu nhỏ Với N-EMOS ta có: 2 DSn D ox G TN DS 2 VZ I C V V V L satDS,DS0 VV G TNV V ; 2oxD,sat G TN2 Z C I V V L satDS,DS VV G TNV V ; Miền bão hòaMiền tuyến tính Chú ý: Z = W 31 MOSFET – Đáp ứng AC • Thường được biễu diễn qua mạch thụ động tín hiệu nhỏ • Suy từ mạng 2 cổng sau: MOSFETinput output G S D S Cổng vào coi như hở mạch, nogại trừ có tụ ở cực cổng Đầu ra, dòng ID được điều khiển bởi VG và VDS. ID = f (VG, VDS ) 32 MOSFET – Mạch tương đương tín hiệu nhỏ DS DS D G G D D GDS V V I V V I I VV ddgmd vgvgi DS G D m VV I g G DS D d VV I g gm = hỗ dẫn gd = điện dẫn của máng hay kênh dẫn Khi có bất kỳ tín hiệu AC ở VG hay VDS sẽ sinh ra sự thay đổi ở ID với và 33 Mạch tương đương tín hiệu nhỏ Ở tần số thấp hoặc trung bình: Ở tần số cao: 34 MOSFET – Các tham số tín hiệu nhỏ Khi VDS < VDS,sat (i.e., thấp hơn pinch-off hay miền tuyến tính) n ox d G TN DS( ) Z C g V V V L DS oxn m VL CZ g Khi VDS > VDS,sat (i.e., trên pinch-off hay miền bão hòa) gd = 0 n ox m G TN( ) Z C g V V L Chú ý: Các tham số phụ thuộc vào phân cực DC, VG và VDS 35 MOSFET – Đáp ứng tần số Tần số cắt fT được định nghĩa là tần số làm cho độ lợi dòng là 1. Dòng vào = G Gj C v Dòng ra = Gmvg vG ở đây là tín hiệu AC CGS xấp xĩ bằng điện dung cổng, CGS Z L Cox Do đó ở fT : 1 2 GGST Gm vCf vg GS m T 2 C g f Suy ra Chính xác: 36 Công nghệ CMOS 37 So sánh BJT và MOSFET MOSFET loại nghèo (D-MOS) • Cấu trúc • Phương trình • Đặc tuyến 38 39 Cấu trúc của P-MOS P-EMOS P-DMOS 40 Các phương trình của P-EMOS 41 Đặc tuyến I-V của P-EMOS 42 Cấu trúc của N-DMOS • The term depletion mode means that a channel exists even at zero gate voltage • A negative gate voltage must be applied to the n- channel depletion- mode MOSFET to turn the device off. • The VTN is positive for the enhancement- mode MOSFET and negative for the depletionmode 43 Đặc tuyến ra và ký hiệu của N-DMOS Chế độ giàu Chế độ nghèo Chú ý: • Chế độ giàu: dòng tăng hơn so với khi chưa phân cực • Chế độ nghèo: dòng giảm đi so với khi chưa phân cực 44 Tóm tắt các quan hệ dòng-áp của MOSFET 45 46 Tóm tắt các loại MOSFET (1/4) 47 Tóm tắt các loại MOSFET (2/4) 48 Tóm tắt các loại MOSFET (3/4) 49 Tóm tắt các loại MOSFET (4/4) 50 Transistors as Switches- MOSFET •Advantages over BJT logic gates •Normally Off. Does not require much current from input signal •Easy Fabrication – Economical for large scale production •CMOS – consumes very little power. Used in pocket calculators and wrist watches •Disadvantages over BJT logic gates •Cannot provide as much current as BJT •Switching speed is not as fast 51 Transistors as Switches- MOSFET Inverter •Vin Low •Cutoff region •No Voltage drop across RD •Vout = VDD •Vout = High •Vin High •Ohmic region •VDS small •Vout = small •Vout = Low 52 Transistors as Switches- CMOS Inverter •Employs a p-channel, Qp, and an n-channel, Qn MOSFET •Vin = Low •Qn = off •Qp = on •Vout = High •Vin = High •Qn = on •Qp = off •Vout = Low 53 CMOS NOR gate Inverter gate When input voltage is near mid-point (VDD/2), the circuit consumes high current. 54 MOSFET static protection. D G S 55 MOSFETs as Current Sources • A MOSFET behaves as a current source when it is operating in the saturation region. • An NMOSFET draws current from a point to ground (“sinks current”), whereas a PMOSFET draws current from VDD to a point (“sources current”). 56 Gương dòng điện dùng N-EMOS 57 Current Mirrors - dc Analysis 58 Current Mirrors - Changing the Mirror ratio 59 Current Steering Circuit 60 Example: Current Scaling • MOS current mirrors can be used to scale IREF up or down I1 = 0.2mA; I2 = 0.5mA :0 61 Review: MOSFET Amplifier Design • A MOSFET amplifier circuit should be designed to 1. ensure that the MOSFET operates in the saturation region, 2. allow the desired level of DC current to flow, and 3. couple to a small-signal input source and to an output “load”. Proper “DC biasing” is required! (DC analysis using large-signal MOSFET model) • Key amplifier parameters: (AC analysis using small-signal MOSFET model) Voltage gain Av vout/vin Input resistance Rin resistance seen between the input node and ground (with output terminal floating) Output resistance Rout resistance seen between the output node and ground (with input terminal grounded) 62 MOSFET Models • The large-signal model is used to determine the DC operating point (VGS, VDS, ID) of the MOSFET. • The small-signal model is used to determine how the output responds to an input signal. 63 Common Source Stage Dout in S m D G v RR RRR R g R RRR RR A 21 21 21 || 1|| || 0 0 SOmODout RrgrRR 64 Common Gate Stage DmGmS mS v RgRgR gR A /1|| /1|| S m in Rg R 1 Dout RR SOmODout RrgrRR 0 0 65 Source Follower S m S v R g R A 1 Gin RR So m out Gin SO m SO v Rr g R RR Rr g Rr A |||| 1 || 1 || 0 0 S m out Rg R || 1 66 Comparison of Amplifier Topologies Common Source • Large Av < 0 - degraded by RS • Large Rin – determined by biasing circuitry • Rout RD • ro decreases Av & Rout but impedance seen looking into the drain can be “boosted” by source degeneration Common Gate • Large Av > 0 -degraded by RS • Small Rin - decreased by RS • Rout RD • ro decreases Av & Rout but impedance seen looking into the drain can be “boosted” by source degeneration Source Follower • 0 < Av ≤ 1 • Large Rin – determined by biasing circuitry • Small Rout - decreased by RS • ro decreases Av & Rout 67 Giới thiệu các ứng dụng của MOSFET • Mạch KĐ • Khóa điện tử (analog switch) • IC: NMOS, PMOS, CMOS, BiCMOS • . . . 68 69 Basic Operation 70 71 72 73 74 75 CMOS inverter for linear operation 76 77
File đính kèm:
- bai_giang_dung_cu_ban_dan_chuong_7_phan_2_mosfet.pdf