Charakteristiky tranzistoru MOSFET

Cvičení 7

Charakteristiky tranzistoru MOSFET Výstupní V-A charakteristiky tranzistoru MOSFET Úplný model tranzistoru MOSFET (PSpice-Level 1) a jeho parametry Stanovení stejnosměrného pracovního bodu tranzistoru MOSFET Převodní charakteristika invertoru s tranzistorem MOSFET Měření převodních charakteristik invertoru s tranzistorem MOSFET a jejich jejich analýza (Excel)

Elektronické prvky

A2B34ELP

Tranzistor MOSFET s kanálem N S G W

Cox= εoεr/tox D

L

B ε0 – permitivita vakua L – délka kanálu εr – relativní permitivita oxidu W – šířka kanálu Cox- kapacita oxidu na jednotku plochy tox – tloušťka oxidu

MOSFET – výstupní voltampérová charakteristika UDS=UGS-UT

ID [mA]

UGS

odporový režim

saturace

UGS=UT+2.5

UGS=UT+2.0

D

UDS

G

UDS≥UGS-UT

(lineární, triodový)

ID IG= 0

UDS≤UGS-UT

UGS [V]

UGS=UT+1.5

S

UGS=UT+1.0 UGS=UT+0.5

0

UDS [V]

MOSFET – statický model PSpice Level 1 (Schichman-Hodges) UDS≤UGS-UT

D

G

ID

UGS

odporový režim

UDS

UDS=UGS-UT

UDS≥UGS-UT saturace

ID [mA] UGS [V] S

Odporový režim ID = μn Cox

!!! neuvažuje se zkrácení délky kanálu s UDS

W ⎡ 1 2 ⎤ ( ) U U U UDS ⎥ − − GS T DS ⎢ L ⎣ 2 ⎦

Saturace ID =

1 W (UGS − UT ) 2 μn Cox 2 L

0

PARAMETRY MODELU μn – pohyblivost elektronů L – délka kanálu W – šířka kanálu Cox– kapacita oxidu na jednotku plochy

UDS [V]

Cox= ε0εr/tox ε0 – permitivita vakua

εr – relativní permitivita oxidu tox – tloušťka oxidu

MOSFET – statický model PSpice Level 1 (uvážení zkrácení L) D

G

I

UGS

ID

ID [mA]

UDS

ro

UGS [V]

S

W ⎡ 1 (UGS − UT )2 ⎤⎥ ro = ⎢ λ μn Cox L ⎣ 2 ⎦

I=

−1

=

UA + UDSP0

směrnice 1/r0

IDP0

1 W (UGS − UT ) 2 μn Cox 2 L

Pro oblast saturace platí

- UA= -1/λ

0

UDS 1 W 2 (UGS − UT ) (1 + λUDS ) = I + ID = μn Cox 2 L r0 UA– Earlyho napětí

λ – koeficient modulace délky kanálu

UDS [V]

Excel – listy NMOS a PMOS Tabulkový procesor umožňuje vypočítat výstupní charakteristiku tranzistoru NMOS (PMOS) na základě zadaných parametrů tranzistoru (tox, W, L, UT, λ) a napětí UGS.

MOSFET – mezní parametry Výstupní

ID[mA] IDmax

UGS

Ptot= UDS·ID

IG [nA]

0

Vstupní UGSmax

|UGS| [V]

UDS [V]

UDSmax BUDSS

UDSmax Drain-Source Voltage Maximum ID Continuous Drain Current IDM Pulsed Drain Current UGSmax Gate-Source Voltage Maximum Ptot Power Dissipiation BUDSS Drain-Source Breakdown Voltage

MOSFET – katalogový list

Maximální napětí Drain-Source Maximální hodnota ID – trvale Maximální hodnota ID – pulzně Maximální napětí Gate-Source Maximální ztrátový výkon Průrazné napětí Drain-Source Prahové napětí Statický odpor D-S v sepnutém stavu Strmost Vstupní kapacita Spínací/vypínací zpoždění

PSpice MOSFET V-A charakteristika 1) Spustit Capture/Design Entry CIS 2) File – Open Project ... 07_MOSFET_VA.opj

K dispozici jsou tři simulační profily: 1. Pracovní bod 2. Stejnosměrná analýza – VA teplota 3. Stejnosměrná analýza – převodní VA teplota

Proveďte simulaci vlivu teploty na výstupní charakteristiku tranzistoru BS170. Proveďte simulaci vlivu teploty na převodní charakteristiku tranzistoru BS170 (UGS=UDS). Analyzujte vliv teploty.

PSpice – MOSFET VA charakteristika Převodní charakteristiky tranzistoru BS170 (UGS=UDS) simulované pro teploty -40, +25 a +125oC

Výstupní charakteristiky tranzistoru BS170 simulované pro teploty 25 a 125oC

20mA

60mA

15mA 40mA

10mA

20mA

5mA

0A 0V

I(M1:d)

5V

10V V_Vdd

15V

0A 1.0V

1.5V I(M1:d)

2.0V V_Vdd

2.5V

3.0V

Příklad 1: Nalezněte hodnotu napětí UDS tranzistoru NMOS, jehož parametry jsou definovány přiloženou výstupní VA charakteristikou. UDD= 15V R1=820k

R2=220k

RD = 680 UGS [V]

25 UDS= ? ID [mA]

3.6

20 15

3.4

10

3.2 5 0

3.0 2.8 0

2

4

6

8

10

12

14

16

UDS [V]

Řešení: UDD= 15V R1=820k

I1 R2=220k

ID IG=0

G

UGS

1. Popsat obvod ve shodě s charakteristikou

RD = 680 D S

UDS UGS [V]

25

ID [mA]

3.6

20 15

3.4

10

3.2 5 0

3.0 2.8 0

2

4

6

8

10

12

14

16

UDS [V]


IG=0

I1 R2=220k

RD = 680

ID

D

G

S

UGS

1. Popsat obvod ve shodě s charakteristikou 2. Sestavit obvodové rovnice UDD= RDID + UDS (1) UDD= R1I1+ R2I1 (2)

UDS

UGS= R2I1

(3) UGS [V]

25

ID [mA] 20

Úpravou ID= (UDD-UDS)/RD

3.6

15

(1)

zatěžovací charakteristika zdroje UDD RD

UGS= UDD(R2/(R1+R2))

(2)+(3)

nezatížený napěťový dělič R1 R2

UGS0= 15V (220/(220+820)) = 3.17V

3.4

10

3.2 5 0

3.0 2.8 0

2

4

6

8

10

12

14

16

UDS [V]


I1 R2=220k

ID IG=0

G

UGS

RD = 680

vybrat nejbližší vrstevnici charakteristiky pro UGS0

UGS0= 3.17V

D S

1. Popsat obvod ve shodě s charakteristikou 2. Sestavit obvodové rovnice 3. Grafické řešení

UDS

ID= (UDD-UDS)/RD

(1)

vynést graf (1) v charakteristice UGS [V]

25

ID [mA]

Pracovní bod tranzistoru P0 je dán průsečíkem grafu rovnice (1) s vrstevnicí výstupní charakteristiky pro UGS0=3.2V.

UDD/RD

3.6

20 15

3.4

P0

10

3.2

ID0= 7.5mA

5

UDD3.0

P0= [UGS0, UDS0,ID0] P0= [3.2V, 9.75V,7.5mA]

0

2.8

0

2

4

6

8

10

12

UDS0= 9.75V

14

16

UDS [V]

Excel – list PoNMOS Tabulkový procesor umožňuje určit pracovní bod tranzistoru NMOS z výstupní charakteristiky získané na základě zadaných parametrů tranzistoru (tox, W, L, UT, λ) a napětí UGS a zatěžovací charakteristiky zdroje UDD-RD.

Příklad 2: Navrhněte hodnotu odporu R tak, aby ID= 80μA. Určete hodnotu napětí UD. Parametry tranzistoru NMOS jsou: UT=0.6V, kn´=μnCox= 200μA/V2, L= 0.8μm, W = 4 μm. Zanedbejte vliv modulace kanálu (λ=0). UDD= 3V ID=80μA

R

UD=?

Příklad 2: Navrhněte hodnotu odporu R tak, aby ID= 80μA. Určete hodnotu napětí UD. Parametry tranzistoru NMOS jsou: UT=0.6V, kn´=μnCox= 200μA/V2, L= 0.8μm, W = 4 μm. Zanedbejte vliv modulace kanálu (λ=0). UDD= 3V

G UGS

1. Správně popsat obvod

R

ID=80μA D S

Postup řešení:

UDS


G UGS

1. Správně popsat obvod 2. Určit stav tranzistoru

R

ID=80μA D S

Postup řešení:

UGS = UDS UDS

SATURACE

1 W (UGS − UT ) 2 ID = μn Cox 2 L


G UGS

UDS = UT +

1. Správně popsat obvod 2. Určit stav tranzistoru 3. Výpočet UDS a R

R

ID=80μA D S

Postup řešení:

UDS

2ID k n/ (W/L )

UGS = UDS 1 W (UGS − UT ) 2 ID = μn Cox 2 L

UDS = 0.6V +

2 × 80 = 0.6V + 0.4V = 1V 200 × (4/0.8 )

UDD − UDS 3−1 = Ω = 25 kΩ R= −6 ID 80 × 10

Příklad 3a: Navrhněte hodnotu odporu R tak, aby I= 80μA. Určete hodnotu napětí U. Parametry tranzistoru NMOS jsou: UT=0.6V, kn´=μnCox= 200μA/V2, L= 0.8μm, W = 4 μm. Zanedbejte vliv modulace kanálu (λ=0). UDD= 3V R

I=80μA

G

S B D

1. Správně popsat obvod

U= USD= - UDS

Příklad 3a: Navrhněte hodnotu odporu R tak, aby I = 80μA. Určete hodnotu napětí U. Parametry tranzistoru NMOS jsou: UT=0.6V, kn´=μnCox= 200μA/V2, L= 0.8μm, W = 4 μm. Zanedbejte vliv modulace kanálu (λ=0). UDD= 3V 1. Správně popsat obvod 2. Určit režim tranzistoru

R

I =80μA

G

S B D

U= USD= - UDS

Mezi Drain a Source je přiloženo záporné napětí. Současně Source je propojen se substrátem (Bulk).

Přechod S-B (N+P) je zkratován a přechod B-D (PN+) je polarizován propustně.

Tranzistor se chová tak, jako by mezi SD byla zapojena propustně polarizovaná dioda.

Příklad 3a: Navrhněte hodnotu odporu R tak, aby I= 80μA. Určete hodnotu napětí U. Parametry tranzistoru NMOS jsou: UT=0.6V, kn´=μnCox= 200μA/V2, L= 0.8μm, W = 4 μm. Zanedbejte vliv modulace kanálu (λ=0). UDD= 3V I =80μA

1. Správně popsat obvod 2. Určit režim tranzistoru 3. Doplnění odpovídajících modelů a řešení

R S

G

D

U= 0.6V

Mezi S a D je propustně polarizovaná dioda (předpokládáme, že tranzistor je křemíkový) => USD ≈ 0.6 V

UDD − USD 3V − 0.6V R= = = 30kΩ I 80 μA

Příklad 3b: Určete hodnotu proudu ID a napětí UD. Parametry tranzistoru jsou: UT=0.6V, kp´=μpCox= 200μA/V2, L= 0.8μm, W = 4 μm. Zanedbejte vliv modulace kanálu (λ=0). UDD= 3V ID=?

R=25k

UD=?

Příklad 4: Navrhněte hodnoty odporů R1 a R2 tak, aby se napětí UDS tranzistoru BS170 rovnalo polovině nápájecího napětí UDD.

UDD= 15V RD = 1k

R1 BS170

UDS=UDD/2 R2

Vybrané parametry z katalogového listu tranzistoru BS170F PARAMETRY@podmínky UGS(th)

ID=1mA, UDS=UGS

Gate-Source Threshold Voltage

0.8 - 3

V

IGSS

UGS=15V, UDS=0V

Gate-Body Leakage

10

nA

gfs

UDS=10V, ID=200mA

Forward Transconductance

200

mS

Postup řešení:

1. Popsat obvod

UDD= 15V

I1

G

I2 R2

ID

RD

R1

IG

D S

UDS

UGS Vybrané parametry z katalogového listu tranzistoru BS170F PARAMETRY@podmínky UGS(th)

ID=1mA, UDS=UGS


0.8 - 3

V

IGSS

UGS=15V, UDS=0V

Gate-Body Leakage

10

nA

gfs

UDS=10V, ID=200mA


200

mS

Postup řešení:

1. Popsat obvod 2. Odhadnout stav, ve kterém se tranzistor nachází A. IG < 10 nA => IG≈ 0, I1 = I2 UDD= 15V

I1 R1

G

I2 R2

IG

ID= (UDD – UDS)/RD = 7.5V/1kΩ = 7.5mA

ID

RD

B. UDS= UDD/2 = 7.5V =>

D

UDS

S

UGS Vybrané parametry z katalogového listu tranzistoru BS170F PARAMETRY@podmínky UGS(th)

ID=1mA, UDS=UGS


0.8 - 3

V

IGSS

UGS=15V, UDS=0V

Gate-Body Leakage

10

nA

gfs

UDS=10V, ID=200mA


200

mS

Postup řešení:

1. Popsat obvod 2. Odhadnout stav, ve kterém se tranzistor nachází A. IG < 10 nA => IG≈ 0, I1 = I2 UDD= 15V

I1 R1

G

I2 R2

IG

ID= (UDD – UDS)/RD = 7.5V/1kΩ = 7.5mA

ID

RD

B. UDS= UDD/2 = 7.5V =>

C. UGS = ??

D

UDS

S

UGS(th)= 0.8 až 3 V

=> UT ≈ 1.9 V

ID ~ gm(UGS-UT) => UGS≈ UT + ID/gm UGS≈ 1.9 + 7.5mA/200mA/V=1.94V UDS > UGS-UT => SATURACE

UGS


ID=1mA, UDS=UGS


0.8 - 3

V

IGSS

UGS=15V, UDS=0V

Gate-Body Leakage

10

nA

gfs

UDS=10V, ID=200mA


200

mS

Postup řešení:

1. Popsat obvod 2. Odhadnout stav, ve kterém se tranzistor nachází 3. Náhrada tranzistoru jeho modelem pro saturační oblast

UDD= 15V

I1 R1 I1

ID

RD G

I1

UDS

R2

RD

R1

D S

UDD= 15V

I1

G

ID =

1 / W (UGS − UT ) 2 kn 2 L

S

R2 UGS

D

UGS


ID=1mA, UDS=UGS


0.8 - 3

V

IGSS

UGS=15V, UDS=0V

Gate-Body Leakage

10

nA

gfs

UDS=10V, ID=200mA


200

mS

Postup řešení:

1. Popsat obvod 2. Odhadnout stav, ve kterém se tranzistor nachází 3. Náhrada tranzistoru jeho modelem pro saturační oblast 4. Stanovení parametrů modelu UDD= 15V

I1

gfs = gm = 2k n/ W/L ID

RD

R1 G

I1

D ID =

1 / W (UGS − UT ) 2 kn 2 L

S

R2

2 W 1 g m k n/ = L 2 ID

200mS 200mA

W mA k = 100 2 L V / n

UGS


ID=1mA, UDS=UGS


0.8 - 3

V

IGSS

UGS=15V, UDS=0V

Gate-Body Leakage

10

nA

gfs

UDS=10V, ID=200mA


200

mS

Postup řešení:

1. Popsat obvod 2. Odhadnout stav, ve kterém se tranzistor nachází 3. Náhrada tranzistoru jeho modelem pro saturační oblast 4. Stanovení parametrů modelu 5. Výpočet UGS a návrh odporového děliče R1R2 UDD= 15V

I1 RD

R1 I1

1 / W (UGS − UT ) 2 ID = k n 2 L

G

D

S

R2 UGS

1 / W (UGS − UT ) 2 kn 2 L

ID =

mA W k = 100 2 V L / n

UGS

UGS

ID L = 2 / + UT kn W

2 ⋅ 7.5mA = + 1.9V = 0.38V + 1.9V = 2.28V 2 100mA/V

Postup řešení:

1. Popsat obvod 2. Odhadnout stav, ve kterém se tranzistor nachází 3. Náhrada tranzistoru jeho modelem pro saturační oblast 4. Stanovení parametrů modelu 5. Výpočet UGS a návrh odporového děliče R1R2 UDD= 15V

I1

I1 R2

I1 >> IGSS = 10 nA => R2~ 100k až 1M

RD

R1 G

D

ID

R2 UDD = 2.28 V R1 + R 2

S

UGS=2.28V

⎛ U ⎞ R 1 = R 2 ⎜⎜ DD − 1⎟⎟ = R 2 ⋅ 5.58 ⎝ 2.28 V ⎠ Volíme-li R2 = 100k, pak je R1= 560k a I1 = 23μA

Převodní charakteristika invertoru MOSFET UDS=UGS - UT

ID [mA]

E

UDD/RD

UGS[V]

D

Závislost UDS= f(UGS)

C B A UDD ID

UDS [V]

UDD

UDD UDS [V]

A B

RD

Strmost lineární části je úměrná napěťovému zisku Au~ - gmRD

C G UGS

=

D S

UDS

D UGS < UT

E

UT UDS=UGS - UT

UDD UGS [V]

Excel – list InvertorSimulace Tabulkový procesor umožňuje vypočítat převodní charakteristiku invertoru UDS=f(UGS) na základě zadaných parametrů tranzistoru (tox, W, L, UT) a vnějšího obvodu (UDD,RD).

Měření převodní charakteristiky invertoru Cíl: změřit převodní charakteristiky invertoru s tranzistorem MOSFET BS170F pro různé hodnoty zatěžovacího odporu RD, vykreslit grafy jejich charakteristik v Excelu (list InvertorMěření) a určit parametry UT, Ron, Au. Katalogový list tranzistoru BS170F PARAMETRY@podmínky UDS ID

Drain-Source Voltage Tamb= 25ºC

Continuous Drain Current

60

V

0.15

A

IDM

Pulsed Drain Current

3

A

UGS

Gate Source Voltage

±20

V

Power Dissipation

330

mW

Ptot

Tamb= 25ºC

BUDSS

ID=100μA, UGS=0V

Drain-Source Breakdown Voltage

60- 90

V

UGS(th)

ID=1mA, UDS=UGS


0.8 - 3

V

IGSS

UGS=15V, UDS=0V

Gate-Body Leakage

10

nA

RDS(on)

UGS=10V, ID=200mA

Static Drain-Source On-State Resistance

5

Ω

gfs

UDS=10V, ID=200mA


200

mS

C

UDS=10V, UDS=0V, =1MHz

Input Capacitance

60

pF

td(on)

UDD=15V, ID=600mA

Turn-On Delay Time

10

ns

td(off)

UDD=15V, ID=600mA

Turn-Off Delay Time

10

ns

Princip měření UDS=UGS - UT

ID [mA]

UDD

E

UDD/RD

RD

D

BS170 V V

UGS

UGS[V]

UDS

C

=

B A UDS [V]

UDD

UDD UDS [V]

A B

POZOR!! Charakteristika je nelineární. Je třeba změřit dostatek hodnot mezi body A-E.

Strmost lineární části je úměrná napěťovému zisku Au~ - gmRD

C

D UGS < UT

E

UT UDS=UGS - UT

UDD UGS [V]

Přípravek pro měření převodní charakteristiky invertoru s tranzistorem MOSFET regulace UGS volba odporu RD

propojit

BS170F

Zapojení pro měření převodní charakteristiky UDD= 15V

RG1 100k

RD BS170 V

UGS

V

100k

regulace UGS

V

UDS

UGS

UCC=15V

RD= 1k

V

UDS

Zpracování výsledků – list InvertorMěření Odhadnout prahové napětí tranzistoru BS170

Pro vybrané RD doplnit naměřené souřadnice UGS a UDS převodní charakteristiky

Určit Ron a Au

Zpracování výsledků – list InvertorSimulace Zjistit W/L tranzistoru BS170 na základě porovnání simulace převodní charakteristiky invertoru s experimentem – dosadit zjištěné UT, předpokládejte L=2μm, tox= 50 nm

Charakteristiky tranzistoru MOSFET

Recommend Documents