1 / 28

บทที่ 5 Field Effect Transistor 5.1 โครงสร้างของ MOSFET 5.2 การทำงานเชิงกายภาพของ MOSFET

บทที่ 5 Field Effect Transistor 5.1 โครงสร้างของ MOSFET 5.2 การทำงานเชิงกายภาพของ MOSFET 5.3 สมการความสัมพันธ์แรงดัน-กระแสของ MOSFET 5.4 NMOS และ CMOS Inverter 5.5 การใช้ MOSFET ในการขยายสัญญาณ 5.6 วงจรขยาย MOSFET 5.7 แนะนำ FET ประเภทอื่น ๆ.

ashanti
Download Presentation

บทที่ 5 Field Effect Transistor 5.1 โครงสร้างของ MOSFET 5.2 การทำงานเชิงกายภาพของ MOSFET

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. บทที่ 5 Field Effect Transistor 5.1 โครงสร้างของ MOSFET 5.2 การทำงานเชิงกายภาพของ MOSFET 5.3 สมการความสัมพันธ์แรงดัน-กระแสของ MOSFET 5.4 NMOS และ CMOS Inverter 5.5 การใช้ MOSFET ในการขยายสัญญาณ 5.6 วงจรขยาย MOSFET 5.7 แนะนำ FET ประเภทอื่น ๆ

  2. ในบทนี้เราจะทำการศึกษาทรานซิสเตอร์ที่สำคัญอีกประเภทหนึ่งคือเฟต (Field-Effect Transistor, FET) ปัจจุบันอุปกรณ์เฟตประเภทหนึ่งที่เรียกว่ามอสเฟต (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET) เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ได้รับความนิยมอย่างแพร่หลายมากที่สุดโดยเฉพาะอย่างยิ่งในวงจรรวมแบบดิจิตอล ตั้งแต่ ดิจิตอลเกตแบบต่าง ๆ ไปจนถึงไมโครโปรเซสเซอร์และหน่วยความจำ ทั้งนี้ความนิยมของ MOSFET มีสาเหตุมาจากการที่เราสามารถสร้างทรานซิสเตอร์แบบมอสเฟตให้มีขนาดเล็กมากได้ ทำให้วงจรรวมขนาดใหญ่มาก (VLSI) ในปัจจุบันโดยมากจะถูกสร้างขึ้นมาด้วยเทคโนโลยีแบบ MOS

  3. 5.1 โครงสร้างของ MOSFET MOSFET ชนิด n-channel (NMOS) เนื่องจากความสมมาตรในเชิงโครงสร้าง ขา D และ S ของ NMOS ในวงจรจะถูกกำหนดจากแรงดันที่ปรากฏที่ขาทั้งสอง กล่าวคือถ้าแรงดันที่ขาใดสูงกว่าขานั้นจะเป็น D

  4. MOSFET ชนิด n-channel (NMOS) เราสามารถอธิบายการทำงานของ NMOS ในวงจร digital ได้ง่าย ๆ คือแรงดันที่ G จะควบคุมกระแสจาก D ไป S โดยการควบคุมความต้านทานระหว่างขาทั้งสอง กล่าวคือ - ถ้า VGต่ำ D และ S จะเสมือนเปิดวงจรทำให้ไม่มีกระแสไหล - ถ้า VGสูงจะเกิดช่องนำกระแสระหว่าง D และ S ทำให้มีกระแสไหลได้

  5. MOSFET ชนิด p-channel (PMOS) • การทำงานของ PMOS จะตรงข้ามกับของ NMOS กล่าวคือ • ถ้า VGสูง S และ Dจะเสมือนเปิดวงจรทำให้ไม่มีกระแสไหล • ถ้า VG ต่ำ จะเกิดช่องนำกระแสระหว่าง S และ D ทำให้มีกระแสไหลได้ เนื่องจากความสมมาตรในเชิงโครงสร้าง ขา D และ S ของ PMOS ในวงจรจะถูกกำหนดจากแรงดันที่ปรากฏที่ขาทั้งสอง กล่าวคือถ้าแรงดันที่ขาใดสูงกว่าขานั้นจะเป็น S

  6. CMOS n-well Process ด้วยเทคโนโลยีการผลิต IC แบบ CMOS (Complementary MOS) เราสามารถสร้าง NMOS และ PMOS บนฐานรอง (substrate) เดียวกันได้

  7. CMOS p-well Process

  8. 5.2 การทำงานเชิงกายภาพของ MOSFET ทบทวนตัวเก็บประจุ แรงดันที่ตกคร่อมฉนวนจะทำให้เกิดสนามไฟฟ้าระหว่างแผ่นตัวนำทั้งสอง Q+ = - Q- = CVC ประจุรวมในแผ่นโลหะบน ประจุรวมในแผ่นโลหะล่าง

  9. MOS Capacitor โครงสร้างของ MOS Capacitor เมื่อ MOS Capacitor มีแรงดันตกคร่อม (เกิดสนามไฟฟ้าตกคร่อมชั้น oxide)

  10. เมื่อเพิ่มแรงดันตกคร่อม MOS Capacitor มากขึ้น สนามไฟฟ้าที่คร่อมชั้น oxide จะแรงขึ้นทำให้โฮลถูกผลักลงไปด้านล่างมากขึ้น ส่งผลให้บริเวณปลอดพาหะที่ใต้ชั้น oxide มีความหนามากขึ้นเรื่อย ๆ อย่างไรก็ตามเมื่อถึงขีดเปลี่ยน (threshold) สนามไฟฟ้าจะดึงอิเล็กตรอนอิสระซึ่งเป็นพาหะส่วนน้อยในสารกึ่งตัวนำชนิด P ขึ้นมา ทำให้เกิดชั้นผันแปร (inversion layer) ขึ้น

  11. NMOS operation (1) ในการอธิบายการทำงานของ NMOS ในหัวข้อนี้เราจะถือว่าขา S เป็นจุดอ้างอิงซึ่งจะถูกต่อลง ground เสมอ (เช่นเดียวกับขา B) ในกรณีที่ vG = vD = vS = vB = 0, จะเกิดบริเวณปลอดพาหะขึ้นที่บริเวณรอยต่อ p-n+ ทั้งสอง (ปรกติเราไม่ต้องการให้รอยต่อ PN ดังกล่าวอยู่ในสภาวะ on ดังนั้นในบางครั้งเรานิยมต่อขา B เข้ากับแหล่งจ่ายแรงดันต่ำสุดของวงจร VSS หรืออาจทำการเชื่อมต่อขา B และ S เข้าด้วยกัน)

  12. NMOS operation (2) เมื่อ vD = vS = vB = 0 และ vG มีค่าเป็นลบ โฮลใน body จะถูกดึงดูดขึ้นมาบริเวณด้านบน ทำให้เกิดบริเวณ p+ ขึ้นเรียกว่าย่านรวมตัว (accumulation region)

  13. NMOS operation (3) ในกรณีที่ vD = vS = vB = 0 และ vG> 0 แต่มีขนาดเล็ก ๆ โฮลจะถูกผลักออกจากบริเวณด้านบน ทำให้เกิดบริเวณปลอดพาหะขึ้น

  14. NMOS operation (4) • ถ้าเราเพิ่ม vG ให้สูงขึ้นถึงขีด threshold สนามไฟฟ้าที่ตกคร่อมชั้น oxide จะดึงดูดอิเล็กตรอนอิสระที่เป็นพาหะส่วนน้อยใน body ขึ้นมาทำให้เกิด channel (ช่องนำกระแส) เชื่อมต่อระหว่างบริเวณ S และ D • เราเรียกแรงดันตกคร่อมชั้น oxide ที่ต่ำที่สุดที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนจาก p เป็น n ในบริเวณใต้ชั้น oxide ว่า threshold voltage, Vtn • จากรูปจะเห็นได้ว่า channel ที่เชื่อมS และ D เกิดได้ก็ต่อเมื่อ vGS = vGD > Vtn

  15. NMOS operation (5) ในกรณีที่ vGS > Vtn สภาพนำไฟฟ้าของ channel จะขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของพาหะใน channel ซึ่งมีค่าแปรผันตามแรงดัน Veff = vGS - Vtn Note หนังสือบางเล่มจะเรียก Veff ว่า vDS(sat) ,VGT หรือvOV

  16. NMOS operation (6) ในกรณีที่ vGS > Vtn และ vDS มีค่าเป็นบวกเล็ก ๆ จะเกิดกระแสไหลใน channel เท่ากับ vDS/Rchannel เมื่อRchannelคือความต้านทานของ channel ซึ่งจะมีค่าผกผันกับ Veff จะเห็นได้ว่าการไหลของกระแสจะถูกควบคุมด้วยสนามไฟฟ้าที่ตกคร่อม oxide ด้วยเหตุนี้เราจึงเรียกอุปกรณ์ลักษณะนี้ว่า Field-Effect Transistor (FET) นอกจากนี้กระแสใน FET เกิดจากการเคลื่อนที่ของพาหะชนิดเดียว (electron ในกรณี NMOS) --> Unipolar Junction Transistor

  17. NMOS operation (7) ในสภาวะนี้ MOSFET จะทำตัวเสมือน voltage-controlled resistor

  18. NMOS operation (8) เมื่อ vDS มีค่าสูงขึ้น ความลึก channel จะเสมือนไม่เท่ากันตลอด* โดยบริเวณติด D จะมีค่าลึกน้อยลงในขณะที่บริเวณติด S จะมีความลึกเท่าเดิม ที่เป็นเช่นนี้เนื่องจากแรงดันที่ตกคร่อมชั้น oxide ที่บริเวณ D(vGD) จะต่ำกว่าแรงดันที่ตกคร่อมชั้น oxide ที่บริเวณ S (vGS) ทั้งนี้รูปร่างของ channel เปลี่ยนไปทำให้ความต้านทานเพิ่มขึ้น * ในความเป็นจริงสิ่งที่ไม่เท่ากันตลอดคือความหนาแน่นของอิเล็กตรอนอิสระใน channel ซึ่งจะมากที่สุดบริเวณติดกับ S และน้อยที่สุดบริเวณใกล้ D

  19. NMOS operation (9)

  20. NMOS operation (10) ถ้าเราเพิ่ม vDS ให้สูงขึ้นจนกระทั่ง vDS= Veff จะทำให้vGD = Vtn และจะเกิดการขาดตอน (pinch-off) ของ channel ช่วงที่ติดกับบริเวณ D พอดี vGS - Vtn

  21. NMOS operation (11) เมื่อ vDS > Veff จุด pinch-off จะเลื่อนไปทางซ้ายเล็กน้อย (ทำให้ความยาวของ channel ลดลงจาก L เป็น L' ). ดูเหมือนว่าภายใต้เงื่อนไขนี้ กระแส iD จะหยุดไหลเนื่องจาก channel ได้ถูกตัดขาด!

  22. NMOS operation (12) อย่างไรก็ตามสิ่งที่เกิดขึ้นคือกระแสจะยังคงไหลอยู่ เพราะอิเล็กตรอนที่วิ่งจาก S เข้าสู่ channel จะมีความเร็วมากขึ้นเรื่อย ๆ จนมาถึงจุด pinch-off อิเล็กตรอนจะถูกสนามไฟฟ้าที่คร่อมระหว่างจุด pinch-off และบริเวณ D กวาดให้เข้าไปสู่บริเวณ D ได้อย่างรวดเร็ว

  23. channel ขาดบริเวณใกล้ drain เนื่องจาก vP = vG - Vtn(หรือ vPS = vGS - Vtn = Veff) ทำให้แรงดันที่ตกคร่อม channel จะยังคงเท่ากับ Veff เสมอส่งผลให้ iD ไหลค่อนข้างคงที่ และสนามไฟฟ้าที่คร่อมระหว่างจุด pinch-off กับบริเวณ D คือ vDP/DL Channel length modulation effect: จาก iD = Veff/Rchannel ในทางปฏิบัติเมื่อ vDSเพิ่มขึ้นจะทำให้ iDสูงขึ้นเล็กน้อย เนื่องจากการหดของ channel จะทำให้ Rchannel ลดลง

  24. NMOS operation (13) นอกจากนี้ในทางปฏิบัติแรงดันระหว่าง B และ S จะทำให้ Vtnมีค่าเปลี่ยนไป ซึ่งก็จะไปส่งผลต่อกระแส iD เราเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า Body Effect

  25. NMOS: Vtn > 0 (typical ~ 0.8 V), Veff= Vgs - Vtn Cut-off: Veff < 0 Tride: Veff> VDS > 0 Active: VDS > Veff> 0

  26. PMOS: Vtp < 0, Veff= Vsg - |Vtp| Cut-off: Veff < 0 Tride: Veff> VSD > 0 Active: VSD > Veff> 0

More Related