Charakteristiky tranzistoru MOSFET

Transkript

1 Cvičení 7 Charakteristiky tranzistoru MOFET Výstupní V-A charakteristiky tranzistoru MOFET Úplný model tranzistoru MOFET (Ppice-Level 1) a jeho parametry tanovení stejnosměrného pracovního bodu tranzistoru MOFET Převodní charakteristika invertoru s tranzistorem MOFET Měření převodních charakteristik invertoru s tranzistorem MOFET a jejich jejich analýza (Excel) Elektronické prvky A2B34ELP

2 Tranzistor MOFET s kanálem N W C ox = ε o ε r /t ox L B L délka kanálu W šířka kanálu C ox - kapacita oxidu na jednotku plochy ε 0 permitivita vakua ε r relativní permitivita oxidu t ox tloušťka oxidu

3 MOFET výstupní voltampérová charakteristika I [ma] = -U T -U T odporový režim (lineární, triodový) -U T saturace =U T +2.5 I = 0 I =U T +2.0 =U T +1.5 =U T +1.0 =U T

4 MOFET statický model Ppice Level 1 (chichman-hodges) I I [ma] -U T odporový režim = -U T -U T saturace Odporový režim I = μ n C n ox aturace I 1 = μ 2 C W L ox W L 2 ( U U ) U U T ( U U ) 2 T 2 1 0!!! neuvažuje se zkrácení délky kanálu s PARAMETRY MOELU μ n pohyblivost elektronů L délka kanálu W šířka kanálu C ox kapacita oxidu na jednotku plochy C ox = ε 0 ε r /t ox ε 0 permitivita vakua ε r relativní permitivita oxidu t ox tloušťka oxidu

5 MOFET statický model Ppice Level 1 (uvážení zkrácení L) I I [ma] I r o r o = λ 1 μ 2 n C ox W L ( U U ) T 2 1 = U A + U I P 0 P 0 směrnice 1/r 0 I = 1 μ 2 n C ox W L ( U U ) 2 Pro oblast saturace platí T -U A = -1/λ 1 W 2 I = μn Cox ( U UT ) ( 1+ λu ) = I + 2 L 0 U r 0 U A Earlyho napětí λ koeficient modulace délky kanálu

6 Excel listy NMO a PMO Tabulkový procesor umožňuje vypočítat výstupní charakteristiku tranzistoru NMO (PMO) na základě zadaných parametrů tranzistoru (t ox, W, L, UT, λ) a napětí U.

7 MOFET mezní parametry I [ma] Výstupní I max P tot = I I [na] Vstupní max 0 B max max rain-ource Voltage Maximum I Continuous rain Current I M Pulsed rain Current max ate-ource Voltage Maximum P tot Power issipiation B rain-ource Breakdown Voltage

8 MOFET katalogový list Maximální napětí rain-ource Maximální hodnota I trvale Maximální hodnota I pulzně Maximální napětí ate-ource Maximální ztrátový výkon Průrazné napětí rain-ource Prahové napětí tatický odpor - v sepnutém stavu Vstupní kapacita trmost pínací/vypínací zpoždění

9 Ppice MOFET V-A charakteristika 1) pustit Capture/esign Entry CI 2) File Open Project... 07_MOFET_VA.opj K dispozici jsou tři simulační profily: 1. Pracovní bod 2. tejnosměrná analýza VA teplota 3. tejnosměrná analýza převodní VA teplota Proveďte simulaci vlivu teploty na výstupní charakteristiku tranzistoru B170. Proveďte simulaci vlivu teploty na převodní charakteristiku tranzistoru B170 ( = ). Analyzujte vliv teploty.

10 Ppice MOFET VA charakteristika Výstupní charakteristiky tranzistoru B170 simulované pro teploty 25 a 125 o C Převodní charakteristiky tranzistoru B170 ( = ) simulované pro teploty -40, +25 a +125 o C 60mA 20mA 15mA 40mA 10mA 20mA 5mA 0A 0V 5V 10V 15V I(M1:d) V_Vdd 0A 1.0V 1.5V 2.0V 2.5V 3.0V I(M1:d) V_Vdd

11 Příklad 1: Nalezněte hodnotu napětí tranzistoru NMO, jehož parametry jsou definovány přiloženou výstupní VA charakteristikou. U = 15V R 1 =820k R = 680 R 2 =220k =? I [ma]

12 Řešení: U = 15V 1. Popsat obvod ve shodě s charakteristikou R 1 =820k I 1 I I =0 R = 680 R 2 =220k 25 I [ma]

13 Řešení: R 1 =820k R 2 =220k U = 15V R = 680 U = R I + (1) I I =0 1 Úpravou I 25 I [ma] 1. Popsat obvod ve shodě s charakteristikou 2. estavit obvodové rovnice 20 U = R 1 I 1 + R 2 I 1 (2) = R 2 I 1 (3) 3.6 I = (U - )/R (1) zatěžovací charakteristika zdroje U R = U (R 2 /(R 1 +R 2 )) (2)+(3) nezatížený napěťový dělič R 1 R 2 0 = 15V (220/( )) = 3.17V

14 Řešení: R 1 =820k R 2 =220k I =0 I U = 15V R = 680 I 1 I = (U -U )/R (1) vynést graf (1) Pracovní bod tranzistoru P 0 je dán průsečíkem grafu rovnice (1) s vrstevnicí výstupní charakteristiky pro 0 =3.2V. P 0 = [0, 0,I 0 ] P 0 = [3.2V, 9.75V,7.5mA] 25 I [ma] 1. Popsat obvod ve shodě s charakteristikou 2. estavit obvodové rovnice 3. rafické řešení I 0 = 7.5mA 0 = 3.17V U /R vybrat nejbližší vrstevnici charakteristiky pro 0 P 0 v charakteristice U = 9.75V

15 Excel list PoNMO Tabulkový procesor umožňuje určit pracovní bod tranzistoru NMO z výstupní charakteristiky získané na základě zadaných parametrů tranzistoru (t ox, W, L, UT, λ) a napětí a zatěžovací charakteristiky zdroje U -R.

16 Příklad 2: Navrhněte hodnotu odporu R tak, aby I = 80μA. Určete hodnotu napětí U. Parametry tranzistoru NMO jsou: U T =0.6V, k n =μ n C ox = 200μA/V 2, L= 0.8μm, W = 4 μm. Zanedbejte vliv modulace kanálu (λ=0). U = 3V I =80μA R U =?

17 Příklad 2: Navrhněte hodnotu odporu R tak, aby I = 80μA. Určete hodnotu napětí U. Parametry tranzistoru NMO jsou: U T =0.6V, k n =μ n C ox = 200μA/V 2, L= 0.8μm, W = 4 μm. Zanedbejte vliv modulace kanálu (λ=0). I =80μA U = 3V R Postup řešení: 1. právně popsat obvod

18 Příklad 2: Navrhněte hodnotu odporu R tak, aby I = 80μA. Určete hodnotu napětí U. Parametry tranzistoru NMO jsou: U T =0.6V, k n =μ n C ox = 200μA/V 2, L= 0.8μm, W = 4 μm. Zanedbejte vliv modulace kanálu (λ=0). I =80μA U = 3V R Postup řešení: 1. právně popsat obvod 2. Určit stav tranzistoru = ATURACE I = 1 2 μ n C ox W L ( U U ) 2 T

19 Příklad 2: Navrhněte hodnotu odporu R tak, aby I = 80μA. Určete hodnotu napětí U. Parametry tranzistoru NMO jsou: U T =0.6V, k n =μ n C ox = 200μA/V 2, L= 0.8μm, W = 4 μm. Zanedbejte vliv modulace kanálu (λ=0). U = 3V Postup řešení: I =80μA R 1. právně popsat obvod 2. Určit stav tranzistoru 3. Výpočet a R 1 ( ) 2 = I = μ 2 n C ox W L U U T U = UT + / k n 2I ( W/L) 2 80 = 0.6V + = 0.6V + 0.4V = 200 ( 4/0.8) U U 3 1 = Ω = I R = 6 25 kω 1V

20 Příklad 3a: Navrhněte hodnotu odporu R tak, aby I= 80μA. Určete hodnotu napětí U. Parametry tranzistoru NMO jsou: U T =0.6V, k n =μ n C ox = 200μA/V 2, L= 0.8μm, W = 4 μm. Zanedbejte vliv modulace kanálu (λ=0). U = 3V I=80μA R 1. právně popsat obvod B U= U = -

21 Příklad 3a: Navrhněte hodnotu odporu R tak, aby I = 80μA. Určete hodnotu napětí U. Parametry tranzistoru NMO jsou: U T =0.6V, k n =μ n C ox = 200μA/V 2, L= 0.8μm, W = 4 μm. Zanedbejte vliv modulace kanálu (λ=0). U = 3V I =80μA R 1. právně popsat obvod 2. Určit režim tranzistoru B U= U = - Mezi rain a ource je přiloženo záporné napětí. oučasně ource je propojen se substrátem (Bulk). Přechod -B (N + P) je zkratován a přechod B- (PN + ) je polarizován propustně. Tranzistor se chová tak, jako by mezi byla zapojena propustně polarizovaná dioda.

22 Příklad 3a: Navrhněte hodnotu odporu R tak, aby I= 80μA. Určete hodnotu napětí U. Parametry tranzistoru NMO jsou: U T =0.6V, k n =μ n C ox = 200μA/V 2, L= 0.8μm, W = 4 μm. Zanedbejte vliv modulace kanálu (λ=0). U = 3V I =80μA R U= 0.6V 1. právně popsat obvod 2. Určit režim tranzistoru 3. oplnění odpovídajících modelů a řešení Mezi a je propustně polarizovaná dioda (předpokládáme, že tranzistor je křemíkový) => U 0.6 V R = U U I 3V 0.6V 80μA = = 30kΩ

23 Příklad 3b: Určete hodnotu proudu I a napětí U. Parametry tranzistoru jsou: U T =0.6V, k p =μ p C ox = 200μA/V 2, L= 0.8μm, W = 4 μm. Zanedbejte vliv modulace kanálu (λ=0). U = 3V I =? R=25k U =?

24 Příklad 4: Navrhněte hodnoty odporů R 1 a R 2 tak, aby se napětí tranzistoru B170 rovnalo polovině nápájecího napětí U. U = 15V R 1 R = 1k B170 =U /2 R 2 Vybrané parametry z katalogového listu tranzistoru B170F PARAMETRY@podmínky (th) I =1mA, = ate-ource Threshold Voltage V I =15V, =0V ate-body Leakage 10 na g fs =10V, I =200mA Forward Transconductance 200 m

25 Postup řešení: 1. Popsat obvod I 1 U = 15V R 1 R I I 2 R 2 I Vybrané parametry z katalogového listu tranzistoru B170F PARAMETRY@podmínky (th) I =1mA, = ate-ource Threshold Voltage V I =15V, =0V ate-body Leakage 10 na g fs =10V, I =200mA Forward Transconductance 200 m

26 Postup řešení: 1. Popsat obvod 2. Odhadnout stav, ve kterém se tranzistor nachází A. I < 10 na => I 0, I 1 = I 2 I 1 U = 15V B. = U /2 = 7.5V => R 1 R I I = (U )/R = 7.5V/1kΩ = 7.5mA I 2 R 2 I Vybrané parametry z katalogového listu tranzistoru B170F PARAMETRY@podmínky (th) I =1mA, = ate-ource Threshold Voltage V I =15V, =0V ate-body Leakage 10 na g fs =10V, I =200mA Forward Transconductance 200 m

27 Postup řešení: 1. Popsat obvod 2. Odhadnout stav, ve kterém se tranzistor nachází A. I < 10 na => I 0, I 1 = I 2 I 1 U = 15V B. = U /2 = 7.5V => R 1 R I I = (U )/R = 7.5V/1kΩ = 7.5mA I 2 R 2 I C. =?? (th) = 0.8 až 3 V => U T 1.9 V I ~ g m ( -U T ) => U T + I /g m mA/200mA/V=1.94V > -U T => ATURACE Vybrané parametry z katalogového listu tranzistoru B170F PARAMETRY@podmínky (th) I =1mA, = ate-ource Threshold Voltage V I =15V, =0V ate-body Leakage 10 na g fs =10V, I =200mA Forward Transconductance 200 m

28 Postup řešení: 1. Popsat obvod 2. Odhadnout stav, ve kterém se tranzistor nachází 3. Náhrada tranzistoru jeho modelem pro saturační oblast I 1 U = 15V I 1 U = 15V R 1 R I R 1 R I 1 R 2 I 1 R 2 I = 1 k 2 / n W L ( U U ) 2 T Vybrané parametry z katalogového listu tranzistoru B170F PARAMETRY@podmínky (th) I =1mA, = ate-ource Threshold Voltage V I =15V, =0V ate-body Leakage 10 na g fs =10V, I =200mA Forward Transconductance 200 m

29 Postup řešení: 1. Popsat obvod 2. Odhadnout stav, ve kterém se tranzistor nachází 3. Náhrada tranzistoru jeho modelem pro saturační oblast 4. tanovení parametrů modelu I 1 U = 15V g = g = fs m 2k / n W/L I R 1 I 1 R I = 1 k 2 / n W L ( U U ) 2 T / W k n = L 1 2 g I 2 m 200m 200mA R 2 / W k n = L ma V Vybrané parametry z katalogového listu tranzistoru B170F PARAMETRY@podmínky (th) I =1mA, = ate-ource Threshold Voltage V I =15V, =0V ate-body Leakage 10 na g fs =10V, I =200mA Forward Transconductance 200 m

30 Postup řešení: I 1 R R 1 I 1 R 2 1. Popsat obvod 2. Odhadnout stav, ve kterém se tranzistor nachází 3. Náhrada tranzistoru jeho modelem pro saturační oblast 4. tanovení parametrů modelu 5. Výpočet a návrh odporového děliče R 1 R 2 U = 15V I 1 = k 2 / n / W k n = L W L ( U U ) 2 ma V T I = 1 2 k / n W L / n ( U U ) 2 I L U = 2 + U k W T T 2 7.5mA = + 1.9V = 0.38V + 1.9V = 100mA/V U V

31 I 1 Postup řešení: 1. Popsat obvod 2. Odhadnout stav, ve kterém se tranzistor nachází 3. Náhrada tranzistoru jeho modelem pro saturační oblast 4. tanovení parametrů modelu 5. Výpočet a návrh odporového děliče R 1 R 2 U = 15V R 1 R I 1 >> I = 10 na => R 2 ~ 100k až 1M I 1 R 2 I R 1 R2 U = + R V =2.28V U R = R2 1 = R V Volíme-li R 2 = 100k, pak je R 1 = 560k a I 1 = 23μA

32 Převodní charakteristika invertoru MOFET I [ma] = -U T E U /R Závislost = f( ) C B A I U R U A B C U trmost lineární části je úměrná napěťovému zisku A u ~ - g m R = E U <U T U T = -U T

33 Excel list Invertorimulace Tabulkový procesor umožňuje vypočítat převodní charakteristiku invertoru U=f(U) na základě zadaných parametrů tranzistoru (t ox, W, L, U T ) a vnějšího obvodu (U,R ).

34 Měření převodní charakteristiky invertoru Cíl: změřit převodní charakteristiky invertoru s tranzistorem MOFET B170F pro různé hodnoty zatěžovacího odporu R, vykreslit grafy jejich charakteristik v Excelu (list InvertorMěření) a určit parametry U T, R on, A u. Katalogový list tranzistoru B170F PARAMETRY@podmínky rain-ource Voltage 60 V I T amb = 25ºC Continuous rain Current 0.15 A I M Pulsed rain Current 3 A ate ource Voltage ±20 V P tot T amb = 25ºC Power issipation 330 mw B I =100μA, =0V rain-ource Breakdown Voltage V (th) I =1mA, = ate-ource Threshold Voltage V I =15V, =0V ate-body Leakage 10 na R (on) =10V, I =200mA tatic rain-ource On-tate Resistance 5 Ω g fs =10V, I =200mA Forward Transconductance 200 m C =10V, =0V, =1MHz Input Capacitance 60 pf t d(on) U =15V, I =600mA Turn-On elay Time 10 ns t d(off) U =15V, I =600mA Turn-Off elay Time 10 ns

35 Princip měření U I [ma] = -U T E U /R B170 R V V = C B A POZOR!! Charakteristika je nelineární. Je třeba změřit dostatek hodnot mezi body A-E. U A B C U trmost lineární části je úměrná napěťovému zisku A u ~ - g m R E U <U T U T = -U T

36 Přípravek pro měření převodní charakteristiky invertoru s tranzistorem MOFET regulace volba odporu R propojit B170F

37 Zapojení pro měření převodní charakteristiky U = 15V R 1 R V 100k 100k B170 V regulace R =1k U CC =15V V V

38 Zpracování výsledků list InvertorMěření Odhadnout prahové napětí tranzistoru B170 Pro vybrané R doplnit naměřené souřadnice a převodní charakteristiky Určit R on a A u

39 Zpracování výsledků list Invertorimulace Zjistit W/L tranzistoru B170 na základě porovnání simulace převodní charakteristiky invertoru s experimentem dosadit zjištěné U T, předpokládejte L=2μm, t ox = 50 nm