Föreläsning 8 MOS transistorn Förstärkare med MOS transistorn t Exempel, enkel förstärkare med MOS IE1202 Analog elektronik KTH/ICT/EKT HT09/BM 1
Varför MOS transistorn Förstå en grundläggande komponent för både digitala och analoga kretsar Är idag dominerande d när det gäller integrerade konstruktioner för mixed signal, dvs. kretsar som innehåller både digital och analog teknik IE1202 Analog elektronik HT09/BM 2
MOSFET MOS= Metal Oxide Semiconductor FET = Field Effect Transistor GS I DS I DS W DS Gate Source t ox oxid L n n L pdopat substrat Drain BS MOS transistorn har fyra anslutningar: G=Gate Gate S=Source Source D= Drain B= Body IE1202 Analog elektronik HT09/BM 3
MOS tre driftlägen ON/OFF ON GS > T T = threshold voltage OFF GS< T Digital tillämpning Spänningsstyrd resistans för små DS styrs av spänningen på Gate Spänningsstyrd strömgenerator för högre DS styrs av spänningen på Gate IE1202 Analog elektronik HT09/BM 4
NMOS ON/OFF läget NMOS anrikningstyp i Positiv spänning på Gate Source GS Gate Drain Kanal n n tarmningsområde pdopat substrat En positiv spänning på Gate drar till sig laddningar (anrikning, enhancement) i skiktet t under gate så att det blir inversion och en N kanal mellan D och S bildas En kanal mellan D och S bildas om GS > T ( T = threshold voltage) IE1202 Analog elektronik HT09/BM 5
NMOS små DS Positiv spänning på Gate Md Med vertikalt fält skapas laddningar lddi med inversion. Source GS Gate Kanal Drain DS Med horisontellt fält kan laddningar transporteras genom transistorn n n tarmningsområde pdopat substrat Kanalen beter sig som en resistans för små värden på DS I D Högre GS ger högre G, dvs. lägre R Konduktans = Resistans 1 I D =G DS DS IE1202 Analog elektronik HT09/BM 6
NMOS ökande DS GD = GS SD = GS DS DS = GS T DS > GS T S G D S G D Inversion Pinch off Pinch off tarmningsområde Om DS ökar kommer kanalen att smalna av mot drainsidan. Avsmalnande kanal medför att laddning/längdenhet blir lägre närmare drain. Detta måste kompenseras med högre hastighet närmare drain om strömmen skall vara densamma. Hög hastighet ( vid pinch off, hastighetsmättnad inträffar!) Strömmen stannar på konstant nivå (mättnad, saturation) IE1202 Analog elektronik HT09/BM 7
Pinch off, vad är det? S G oxid D n n Spärrskikt V(x) Pinchoff DS Dsat = GS T 0 L x Pinch off, när kanalen vid drain försvinner och hastighetsmättnad inträffar Detta sker då DS = GS T, dvs. då GD = GS DS = T IE1202 Analog elektronik HT09/BM 8
I D DS karakteristik Linjär Aktivt område I DS = GS T D (pinchoff) Linjärt område Mättat område GS styr strömmen DS IE1202 Analog elektronik HT09/BM 9
I D GS karakteristik I D kw I D = GS 2 L ( ) 2 T Processberoende k transkonduktansparameter T tröskelspänning T GS Geometri W kanalens bredd (width) L kanalens längd (length) IE1202 Analog elektronik HT09/BM 10
Småsignalmodell (Small signal model) Gate Drain g m 1 gs gs = r g o o Source Transkonduktans g m tresistans r o I d ds En linjär modell som gäller för små variationer kring vilopunkten (Q= quiescent point, bias point) Parametrarna g m och r o är beroende av transistorns DC värden (vilopunkt) IE1202 Analog elektronik HT09/BM 11
Transkonduktans g m I D k W I = 2 L ( ) 2 D GS T Grafiskt g m ΔI D = Δ GS Q T Q Δ GS ΔI D GS Matematiskt W W 2ID gm = k ( GS T ) = 2k ID = L L g GS m di D = d GS Transkonduktansen anger hur strömmen på utgången av transistorn ändras när viändrar spänningen påingången av transistorn T Q IE1202 Analog elektronik HT09/BM 12
tresistans r o I D Earlyspänning A GS A DS kw ' 2 L 2 Kanallängdsmodulation I = ( ) ( 1 λ ) 1 λ L A 1 = λ D GS T DS λ g = I λi 1 λ r o DQ DQ DSQ o I A = = DQ 1 λ I DQ IE1202 Analog elektronik HT09/BM 13
Bodyeffekten Om substratet (body) ligger på annan potential än source kommer tröskelspänningen att ändras och substratet fungerar som en andra gate ( ) = γ 2 Φ 2 Φ 0 T T f SB f g mb γ = 2 2Φ f SBQ g m G B I d D g g m mb 1 gs bs gs bs g o S ds IE1202 Analog elektronik HT09/BM 14