ch. 8ch. 8 field-effect transistor (fet) d bi(fet) and...
TRANSCRIPT
Ch. 8Ch. 8 Field-Effect Transistor
(FET) d Bi(FET) and Bias
공핍영역
D공핍영역
G
채널S
Yun SeopYu8-3 JFET 바이어스
자기 바이어스 (self-bias)
RG -접지로부터 AC 신호를 분리
IG = 0 VG = 0IID ≈ IS
IG = 0 VG = 0
VD
ID
VS = ISRS ≈ IDRS
VGS = VG - VS = 0 – IDRS= - IDRSV
VD = VDD - IDRD
VDS = VD - VS
VGSVS
ISVDS VD VS
= VDD - ID(RD+RS)
15
Yun SeopYu8-3 JFET 바이어스
VDD = 15 V, RD=1 kΩ , RS = 220 Ω , ID = 5m A VDS, V ?
Ex.8-6 Q.
VGS ?
IG = 0 VG = 0A.
G G
VS = ISRS ≈ IDRS = (5m)(220)=1.1 V
V
ID
VD = VDD – IDRD = 15 – (5m)(1k) = 10 V
VDS = VD – VS = 10 – 1.1 = 8.9 V
VD
VGS = VG - VS = 0 –1.1 = -1.1 V
VDS VD VS 10 1.1 8.9 V
VGSVSIS
ID가 주어지면 쉽게 VDS, VGS를 구할 수 있으나
ID가 주어지지 않으면 VDS, VGS?
16
Yun SeopYu8-3 JFET 바이어스
2참고
자기 바이어스
2
( )
1 GSGS D S DSS S
GS off
VV I R I RV
⎛ ⎞=− =− −⎜ ⎟⎜ ⎟
⎝ ⎠2 2
( ) ( ) ( )
21 1GS GS GS GS
DSS S GS off GS off GS off
V V V VI R V V V
⎛ ⎞ ⎛ ⎞−= − = − +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠
2( ) 2 2
( ) ( )2GS GS offGS off GS off GS GS
DSS S
V VV V V V
I R−
= − +
2( )2
( )2GS offGS GS off GS GS
DSS S
VV V V V
I R⎛ ⎞+ − +⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠
2( ) 0off = VGS: 2차 방정식의 해
22 2( ) ( ) 2
( ) ( ) ( )2 2 4GS off GS offGS off GS off GS off
DSS S DSS S
V VV V V
I R I RV
⎛ ⎞ ⎛ ⎞− ± − −⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎝ ⎠ ⎝ ⎠
2( ) ( )
2
2 2 4
GS
GS off GS off
V
V VV
⎝ ⎠ ⎝ ⎠=
⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥±⎜ ⎟ ⎜ ⎟
4
17
( ) ( )( ) 2 2 4
2
GS off GS offGS off
DSS S DSS S
GS
VI R I R
V
⎢ ⎥− ± − −⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦=
Yun SeopYu8-3 JFET 바이어스
자기 바이어스 (self-bias)된 Q점 결정
원하는 VGS 값에 대한 ID 결정 방법 -2가지GS D
전압전달 특성곡선
규격표의 IDSS, VGS(off) 사용하여 ID 전류식 계산DSS, GS(off) D
RS = |VGS/ID| 계산
Ex.8-7
전압전달 특성곡선Q.VGS = -5V에서 자기바이어스 되도록 RS 결정?
VGS = -5V, ID = 6.25 mA
R |V /I | | 5/6 25 | 800 Ω
A.
18
RS =|VGS/ID|= |-5/6.25m| = 800 Ω
Yun SeopYu8-3 JFET 바이어스
중점 바이어스
ID = 0.5 IDSS 되도록 JFET를 바이어스 시키는 것이 바람직
ID = 0.5 IDSS VGS= VGS(off)/3.4
22⎞⎛⎞⎛
VV
0.5VV1
VV1I0.5II
2
GS(off)
GS
2
GS(off)
GSDSSDSSD =⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−>−−⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−==
3.4V
V1/3.40.51VV GS(off)
GSGS(off)
GS =>−−≈−=
19
Yun SeopYu8-3 JFET 바이어스
중점 바이어스 위한 RS, RD 결정?
VDD = 12 V , IDSS= 1.0mA, VGS(off)= -0.5V, 단, VD = 6 V VDD/2
Ex.8-9 Q.
V VDD/2
I = I /2 = 1m/2 = 0 5 mAA. ID = IDSS/2 = 1m/2 = 0.5 mA
VGS = VGS(off)/3.4 = -0.5/3.4 = -147mVV
ID
RS = |VGS/ID| = |-147m/0.5m| = 294 ΩVD
VD = VDD- IDRD = VDD/2 = 6VGSVS
ISRD = (VDD- VD)/ID = (12-6)/(0.5m) = 12kΩ
20
Yun SeopYu8-3 JFET 바이어스
1. JFET 전달특성곡선 (규격표 or ID 전류식을 이용 plot)
자기 바이어스 (self-bias)된 JFET의 그래픽적 해석
직류 부하선V I R2. VGS = 0 when ID = 0 (1)에서 시작해서
VGS = -IDSSRS when ID = IDSS (2)까지 dc 부하선을 그려라
VGS= -IDRS
2
3. 1과 2의 곡선들이 만나는 점: Q점
2 -IDSS
ID
Q
VD
QVGS
VS
IS
21
1
-IDSSRS
Yun SeopYu8-3 JFET 바이어스
JFET의 Q점? 전달특성곡선 이용
VDD = 9 V, RD = 2.2 kΩ, RS = 680 ΩEx.8-10 Q.
- 1 when ID = 0 , VGS = 0 V- 2 when ID = IDSS, VGS = -IDSSRS = -(4m)(680) = -2.72 V
A.
D DSS, GS DSS S ( )( )- 1 과 2 를 연결한 부하선 전달특성곡선과 만나는 점: Q점
2
VD
ID
VGS VS
IS
22
1
Yun SeopYu8-3 JFET 바이어스
전압 분배 바이어스
게이트-소스 접합: 역방향 바이어스
VS > VG
⎞⎛
V
IDVS = IDRS DD
21
2G V
RRRV ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
=
VD
VG
IG≈0 VS = VG - VGS
GSGS VVV −VS
VG
S
GSG
S
SD R
VVRVI ==
V V I RVD = VDD - IDRD
VDS = VD - VS = VDD - ID(RD+RS)
23
Yun SeopYu8-3 JFET 바이어스
VD = 7 V 전압분배 바이어스 ID, VGS = ?
VDD = 12 V RD = 3 3 kΩ RS = 2 2 kΩ R1 = 6 8 MΩ
Ex.8-11Q.
VDD = 12 V, RD = 3.3 kΩ, RS = 2.2 kΩ, R1 = 6.8 MΩ, R2 = 1 MΩ
I 0A.
IG ≈ 0
V 1.54 (12)6.8M1M
1MVRR
RV DD21
2G =⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
+=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
=21 ⎠⎝⎠⎝
VD = VDD - IDRD
ID = (VDD – VD)/RD=(12-7)/3.3k = 1.52 mAVD
ID
IG≈0D ( DD D) D ( )
VS = IDRS = (1.52m)(2.2 k) = 3.34 V
VD = VD - V = 7 – 3 34 = 4 66 VVS
VG
VDS = VD - VS = 7 3.34 = 4.66 V
VGS = VG – VS = 1.54 – 3.34 = -1.8 V
24
VD가 주어지면 쉽게 VDS, VGS를 구할 수 있으나 VD가주어지지 않으면 ID, VDS, VGS?
Yun SeopYu8-3 JFET 바이어스
전압 분배
바이어스
2
( )
1 GSGS G D S G DSS S
GS off
VV V I R V I RV
⎛ ⎞= − = − −⎜ ⎟⎜ ⎟
⎝ ⎠2 2
( ) ( ) ( )
21 1G GS GS GS GS
DSS S GS off GS off GS off
V V V V VI R V V V
⎛ ⎞ ⎛ ⎞−= − = − +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠
( ) 2( ) 2 2
( ) ( )
2
2G GS GS offGS off GS off GS GS
DSS S
V V VV V V V
I R
V
−= − +
⎛ ⎞ V⎛ ⎞
VGS: 2차 방정식의 해2
( )2( )2GS off
GS GS offDSS S
VV V
I R⎛ ⎞+ −⎜ ⎟⎜⎝ ⎠
2( )
22 2
1 0GGS GS off
DSS S
VV VI R
V V V
⎛ ⎞+ − =⎜ ⎟⎟ ⎝ ⎠
⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞2 2( ) ( ) 2
( ) ( ) ( )2 2 4 1
2
GS off GS off GGS off GS off GS off
DSS S DSS S DSS SGS
V V VV V VI R I R I R
V
⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞− ± − − −⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠=
2( ) ( )
( ) 2 2 4 1GS off GS off GGS off
DSS S DSS S DSS
V V VVI R I R I
V
⎛ ⎞ ⎛ ⎞− ± − − −⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎝ ⎠ ⎝ ⎠ SR
⎡ ⎤⎛ ⎞⎢ ⎥⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦
25
GSV =2
⎣ ⎦
Yun SeopYu8-3 JFET 바이어스
전압 분배 바이어스된 JFET의 그래프적 해석
직류 부하선
1 For I = 0
직류 부하선VGS= VG-IDRS
1. For ID = 0, VGS = VG 1
2
2. For VGS = 0,
GVI = 21
2S
D RI = 2
3. 1과 2 연결하는 dc 부하선를 그린 후, dc 부하선과 JFET 전달 특성 곡선과만나는 점이 Q점이다
26
만나는 점이 Q점이다.
Yun SeopYu8-3 JFET 바이어스
Q점의 안정도
같은 형태의 JFET 소자에서도 전달특성은 상당히 다르다
Q점의 큰 변화 I 와 V 변화Q점의 큰 변화 ID와 VGS 변화
전압 분배 바이어스가 자기바이어스보다 Q점의 안정성이 크다.ΔQd < ΔQs
전압 분배 바이어스자기 바이어스부하선
최대
자기 바이어스부하선
최대Qs max
Qd_max
최대
최소 ΔQd
Qs_max
ΔQs
27
Qd_min
최소
Qs_min
Yun SeopYu8-4 MOSFET
Metal-Oxide-Semiconductor FET (금속 산화물 반도체 FET )
전류는 게이트와 기판 사이의 좁은 채널을 통해 흐름.
게이트와 채널은 SiO2로 절연 분리
공핍형 (depletion): 채널이 형성되어 있음공핍형 ( p ) 채널이 형성되어 있음
증가형 (enhancement): 바이어스에 의해 채널 형성
E-MOSFETs 는 바이어스가 없으면 OffE MOSFETs 는 바이어 가 없 면 Off
28
Yun SeopYu8-4 MOSFET
공핍형 MOSFET (D-MOSFET)
기본구조
29
Yun SeopYu8-4 MOSFET
D-MOSFET 동작
체널을 미리 형성
게이트 전압게이트 전압
음: Depletion mode
양: Enhancement mode양: Enhancement mode
공핍형 모드
게이트에 음의 전압 채널에 양이온 발생 전자 공핍 전도도감소감소
VGS(off) :채널이 완전히 공핍되는 전압 ( ID = 0)
VGS(off) ≤ VGS ≤ 0VGS(off) ≤ VGS ≤ 0
증가형 모드
게이트에 양의 전압 채널의 전도도 증가
30
Yun SeopYu8-4 MOSFET
D-MOSFET 동작
31
Yun SeopYu8-4 MOSFET
D-MOSFET 동작
32
Yun SeopYu8-4 MOSFET
증가형 MOSFET (E-MOSFET)
바이어스 없을 때, 채널이 형성되어 있지 않다.
VGS를 양으로 증가
임계전압 이상에서
채널 형성
33
Yun SeopYu8-4 MOSFET
E-MOSFET
도식 기호
34
Yun SeopYu8-4 MOSFET
E-MOSFET 동작
전달특성곡선VGS < VGS( h) no channel ID = 0 VGS < VGS(th) no channel ID = 0
VGS > VGS(th) channel ID > 0
35
Yun SeopYu8-5 MOSFET 특성과 파라미터
D-MOSFET 전달 특성 JFET과 동일
Shockley’s equation:2
GSDSSD
V1II ⎟⎟⎞
⎜⎜⎛−=
Shockley s equation:
GS(off)DSSD V
1II ⎟⎠
⎜⎝
F d dForward transconductance:
⎟⎞
⎜⎛
GSD V1g∆Ig ⎟⎟⎠
⎜⎜⎝−==
GS(off)
GSm0
GS
Dm V
1g∆V
g
2IDSS (at VGS = 0)|V|2IgGS(off)
DSSm0 =
36VGS(off) = -Vp
Yun SeopYu8-5 MOSFET 특성과 파라미터
n채널과 p채널 D-MOSFET의 전달특성
37
Yun SeopYu8-5 MOSFET 특성과 파라미터
D-MOSFET IDSS=10 mA, VGS(off) = -8V
채널 채널
Ex.8-17Q.
n채널, p채널?
VGS(off) < 0 n 채널A.
VGS = -3 V ID ?
3V 22⎞⎛⎞⎛
3.91mA831(10m)
VV1II
2
GS(off)
GSDSSD =⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
−−
−=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
VGS = 3 V ID ?
18.9mA831(10m)
VV1II
22
GS(off)
GSDSSD =⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
−−=⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
38
( ) ⎠⎝
Yun SeopYu8-5 MOSFET 특성과 파라미터
E-MOSFET 전달특성
VGS < VGS(th) no channel ID = 0 ( )
VGS > VGS(th) channel ID > 0
( )2GS(th)GSD VVKI −=
K: MOSFET 종류에 따른 고유값
( )2D(on)
VVI
K=( )GS(th)GS VV −
ID(on) 규격표로 부터 얻음
39
ID(on) 규격표로 부터 얻음
Yun SeopYu8-5 MOSFET 특성과 파라미터
2N7008 E-MOSFET
VGS = 10V 일때 VGS(th) = 1V 이고 ID(on) = 500 mA Ex.8-16
Q.
GS GS(th) D(on)
이다.
VGS = 5V 일때 ID ?
500mIA.
( ) ( )2
22GS(th)GS
D(on) 6.17mA/V110
500mVV
IK =
−=
−=
( ) 98.7mA1)(6.17m)(5VVKI 22GS(th)GSD =−=−=
40
Yun SeopYu8-5 MOSFET 특성과 파라미터
취급상 주의사항
ESD (electrostatic discharge)에 취약
입력 커패시턴스와 높은 입력저항 과도한 정전하 축적 소자 손상
스폰지에 운반, 보관
기구와 작업대 접지기구와 작업대 접지
취급자 손목에 접지 연결
전원 on 상태에서 MOS 소자 제거 금지
DC off일 경우, 신호 인가 금지
41
Yun SeopYu8-6 MOSFET 바이어스
D-MOSFET 바이어스Zero bias
V 0 V로 두고 게이트의 교류신호가 이 바이어스 점의 상하로 게이트VGS = 0 V로 두고 게이트의 교류신호가 이 바이어스 점의 상하로 게이트-소스 전압 변동
I 0 V 0 VIG = 0 VG = 0 = VGS
ID = IDSS ≈ IS
IDVD = VDD – IDSSRD VD
D
Ex.8-20
V
VGS(off) = -8V, IDSS = 12 mA
VDD = 18V RD = 620 Ω ID VDS ?
Q.
VSVDD = 18V, RD = 620 Ω ID, VDS ?
IG = 0 VG = 0 = VGS
I I 12 A IA.
42
ID = IDSS = 12 mA ≈ IS
VD = VDD – IDSSRD = 18 – (12m)(620)=10.6 V
Yun SeopYu8-6 MOSFET 바이어스
E-MOSFET 바이어스
VGS > VGS(th) 이어야하므로 zero바이어스 사용못함
전압분배 바이어스
R ⎞⎛DD
21
2G V
RRRV ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
=
VGS = VG
( )2VVKVD
ID
VDS = VD = VDD – IDRD
( )2GS(th)GSD VVKI −=D
V
VG
VDS = VD = VDD IDRDVSIG ≈ 0
43
Yun SeopYu8-6 MOSFET 바이어스
E-MOSFET VGS,VDS, ID ?
VDD = 24 V, RD = 200 Ω, R1 = 100 kΩ, R2 = 15 kΩ
V 4V V 2V I 200 A
Ex.8-18Q.
VGS = 4V, VGS(th) = 2V ID(on) = 200 mA
200IA
( ) ( )2
22GS(th)GS
D(on) 50mA/V2-4
200mVV
IK ==
−=
I
A.
3.13V(24)15k100k
15kVRR
RV DD21
2G =⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
+=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
=VD
V
ID
VGS = VG = 3.13 V
( ) 2)(50m)(313VVKI 22VS
VG
IG ≈ 0 ( )63.8mA
2)-(50m)(3.13VVKI 2GS(th)GSD
=
=−=G
44
VDS = VD = VDD – IDRD=24-(63.8m)(200)=11.2V
Yun SeopYu8-6 MOSFET 바이어스
E-MOSFET 바이어스
드레인 귀환 바이어스
VDS = VGS
( ) DSDD2 VVVVKI −
ID
( )D
DSDDGS(th)GSD R
VVKI =−=
VD ( )2)(−
=− DSDDthGSDS KR
VVVVVG
VIG ≈ 0 1
2 2)()(
2
⎤⎡
+−= thGSDSthGSDS
D
V
VVVV
KR
VSIG ≈ 0
021 2)()(
2 =−+⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−+
D
DDthGSDSthGS
DDS KR
VVVVKR
V
VDS: 위 2차 방정식의 해
45
VDS: 위 2차 방정식의 해
Yun SeopYu8-6 MOSFET 바이어스
E-MOSFET VGS(th) = 3V ID ?Ex.8-19Q.
A.
IG ≈ 0
VDS
VDS = VGS = 8.5 V
8515VVVG 1.38mA
4.7k8.515
RVVI
D
DSDDD =
−=
−=
46
Yun SeopYu
Homework
All Examples
Selected Problems(P.440-450): 19 22 24 27 42450): 19, 22, 24, 27, 42, 43
47
Yun SeopYu
Yun SeopYu
Yun SeopYu
Yun SeopYuSimplified waste water pH neutralization system
Yun SeopYuSimplified waste water pH neutralization system
- pH sensor and graph of pH vs. output voltage
- pH sensor circuit
Yun SeopYuSimplified waste water pH neutralization system
- Simulation results for the pH sensor circuit
- Simulate the pH sensor circuit using your Multisim software. M th t t lt f V 50 V V 150 V- Measure the output voltage for Vsensor 50 mV, Vsensor 150 mV,
and Vsensor = -= = 25 mV.