Ch. 7 전계효과 트랜지스터 (FET) 와 바이어스

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1 Ch. 7 전계효과 트랜지스터 (FET) 와 바이어스
FET (Field-Effect Transistor) : 전계효과트랜지스터 JFET (Junction FET ) : 접합 FET MOSFET (metal Oxide semiconductor FET) : 금속 산화물 반도체 FET

2 7-1 JFET 기본구조 JFET 기호

3 7-1 JFET 채널폭과 드레인 전류에 대한 VGG 효과 (VGG=VGS) JFET 바이어스 조건
VGG 증가  채널 감소  ID 감소 VGG 감소  채널 증가  ID 증가

4 JFET은 항상 VGG 역방향 바이어스에서 동작
기본 동작 채널 공핍영역 G S D 역방향 바이어스 증가  공핍영역의 증가  채널 감소 저항 증가 채널폭은 VGG에 의해서 제어  ID 제어 JFET은 항상 VGG 역방향 바이어스에서 동작

5 7-2 JFET 특성과 파라미터 VGS=0 일때 VDS 에 따른 ID 전류의 변화 IDSS
핀치오프전압 일정전류영역 저항영역 항복영역 IDSS 외부 회로와 상관없이 생길 수 있는 특정한 JFET의 ID 최대값. 핀치-오프전압 (pinch-off volage) 핀치-오프전압(Vp) : VGS=0V 일때 ID를 일정하게 하는 곡선의 점에서의 VDS의 값

6 7-2 JFET 특성과 파라미터 VGS에 의한 ID 제어 차단전압 (cutoff voltage)
차단전압 VGS(off) : ID값이 거의 0이 될 때의 VGS 값 VGS(off) = cutoff voltage ( ID = 0) VGS(off) = -VP (where VP is measured at VGS = 0)

7 7-2 JFET 특성과 파라미터 VGS(off) = -VP 차단상태에서의 JFET 핀치-오프와 차단의 비교
JFET는 VGS=0 ~ VGS=VGS(off) 사이에서 동작 이때 ID는 ID = IDSS ~ ID =0 사이에서 변화 차단전압 (VGS(off) )과 핀치오프전압(Vp) 과의 관계 VGS(off) = -VP

8  VP = -VGS(off) = -(-4) = 4 V
7-2 JFET 특성과 파라미터 VGS(off) = -4 V, IDSS = 12 mA일 때, constant-current region 에서 동작하기 위한 VDD 최소값? Q. Ex.7-1 ID VDS A. VGS(off) = -VP  VP = -VGS(off) = -(-4) = 4 V VDS VP = 4V VRD =IDRD = (12m)(560)=6.72V  ID = IDSS = 12mA VDD =VRD+VDS =6.72+VDS  6.72+VP = = V

9 7-2 JFET 특성과 파라미터 JFET 전달 특성 = -Vp JFET전달특성곡선의 근사적 표현
Shockley’s equation:

10 7-2 JFET 특성과 파라미터 전달특선 곡선의 예 -Vp

11 7-2 JFET 특성과 파라미터 Q. 2N 5458 JFET, IDSS= 9mA, VGS(off)= -8V
Ex.7-3 2N 5458 JFET, IDSS= 9mA, VGS(off)= -8V VGS=0, -1, -4V  ID? A.

12 7-2 JFET 특성과 파라미터 JFET 의 순방향 전달 컨덕턴스 전압이득을 결정하는 중요한 인자 단위 : 지멘스 [S]
VGS에 의해 결정되는 곡선상의 위치에 따라 달라짐 gm0 : VGS=0V에서의 gm값, gm의 최대값 gm0 값을 이용할 수 없는 경우 다음의 식을 이용한다. 순방향 전달 어드미턴스 yfs와 함께 사용

13 7-2 JFET 특성과 파라미터 Q. 2N5457 JFET, IDSS= 3mA, VGS(off)= -6V,
Yfs(max) = 5000 S, VGS= -4V  gm, ID? Ex.7-4 A.

14 RIN = |VGS/IGSS| = |-4/2n| =10,000 M
7-2 JFET 특성과 파라미터 JFET 특성과 파라미터 입력저항 : RIN = |VGS/IGSS| 게이트-소스 접합: 역방향 바이어스되어 있어 입력저항이 매우 큼 BJT에 비한 JFET의 장점 온도가 올라감에 따라 IGSS는 증가하고 입력저항은 감소 입력 용량 (input capacitance) 역방향 바이어스된 pn접합으로 인한 커패시터로의 동작 Ciss: 전형적으로 수 pF 출력 컨덕턴스 (output conducutance) gos: 대개 10 mS 정도 드레인-소스 저항 (r’ds = DVDS/DID )의 역수 RIN = |VGS/IGSS| = |-4/2n| =10,000 M A. Q. JFET VGS= -4V  IGSS= 2 nA  RIN ? Ex.7-5

15 VGS = VG - VS = 0 – IDRS= - IDRS
7-3 JFET 바이어스 자기 바이어스 (self-bias) VGS VS VD ID IS RG -접지로부터 AC 신호를 분리 ID  IS IG = 0  VG = 0 VS = ISRS  IDRS VGS = VG - VS = 0 – IDRS= - IDRS VD = VDD - IDRD VDS = VD - VS = VDD - ID(RD+RS)

16 7-3 JFET 바이어스 Ex.7-6 Q. VDD = 15 V, RD=1 k , RS = 220  , ID = 5m A  VDS, VGS ? VGS VS VD ID IS A. IG = 0  VG = 0 VS = ISRS  IDRS = (5m)(220)=1.1 V VGS = VG - VS = 0 –1.1 = -1.1 V VD = VDD – IDRD = 15 – (5m)(1k) = 10 V VDS = VD – VS = 10 – 1.1 = 8.9 V ID가 주어지면 쉽게 VDS, VGS를 구할 수 있으나 ID가 주어지지 않으면 VDS, VGS?

17 7-3 JFET 바이어스 참고 자기 바이어스 VGS: 2차 방정식의 해 4

18 7-3 JFET 바이어스 자기 바이어스 (self-bias)된 Q점 결정 Q.
원하는 VGS 값에 대한 ID 결정 방법 -2가지 전압전달 특성곡선 규격표의 IDSS, VGS(off) 사용하여 ID 전류식 계산 RS = |VGS/ID| 계산 Ex.8-7 Q. 전압전달 특성곡선 VGS = -5V에서 자기바이어스 되도록 RS 결정? A. VGS = -5V, ID = 6.25 mA RS =|VGS/ID|= |-5/6.25m| = 800 

19 7-3 JFET 바이어스 중점 바이어스 ID = 0.5 IDSS 되도록 JFET를 바이어스 시키는 것이 바람직
ID = 0.5 IDSS  VGS= VGS(off)/3.4 

20  RD = (VDD- VD)/ID = (12-6)/(7.5m) = 800 
7-3 JFET 바이어스 중점 바이어스 위한 RS, RD 결정? VDD = 12 V , IDSS= 15mA, VGS(off)= -8V, 단, VD = 6 V VDD/2 Ex.8-9 Q. VGS VS VD ID IS A. ID = IDSS/2 = 15m/2 = 7.5 mA VGS = VGS(off)/3.4 = -8/3.4 = V RS = |VGS/ID| = |-2.35/7.5m| = 313  VD = VDD- IDRD = VDD/2 = 6  RD = (VDD- VD)/ID = (12-6)/(7.5m) = 800 

21 7-3 JFET 바이어스   자기 바이어스 (self-bias)된 JFET의 그래픽적 해석 직류 부하선 VGS= -IDRS
1. JFET 전달특성곡선 (규격표 or ID 전류식을 이용 plot) 2. VGS = 0 when ID = 0 ()에서 시작해서 VGS = -IDSSRS when ID = IDSS ()까지 dc 부하선을 그려라 3. 1과 2의 곡선들이 만나는 점: Q점 Q   -IDSSRS -IDSS VGS VS VD ID IS

22 7-3 JFET 바이어스 JFET의 Q점?  전달특성곡선 이용 Q. A.   Ex.7-10
VDD = 9 V, RD = 2.2 k, RS = 680  Ex.7-10 Q. A. -  when ID = 0 , VGS = 0 V -  when ID = IDSS, VGS = -IDSSRS = -(4m)(680) = V -  과  를 연결한 부하선 전달특성곡선과 만나는 점: Q점   VGS VS VD IS ID

23 7-3 JFET 바이어스 전압 분배 바이어스 게이트-소스 접합: 역방향 바이어스  VS > VG VS = IDRS ID
VS = VG - VGS VD = VDD - IDRD VDS = VD - VS = VDD - ID(RD+RS) VD VS VG ID IG0

24 ID = (VDD – VD)/RD=(12-7)/3.3k = 1.52 mA
7-3 JFET 바이어스 Q. Ex.7-11 VD = 7 V 전압분배 바이어스  ID, VGS = ? VDD = 12 V, RD = 3.3 k, RS = 1.8 k, R1 = 6.8 M, R2 = 1 M A. VD VS VG ID IG0 IG  0 VD = VDD - IDRD ID = (VDD – VD)/RD=(12-7)/3.3k = 1.52 mA VS = IDRS = (1.52m)(1.8 k) = 2.74 V VDS = VD - VS = 7 – 2.74 = 4.26 V VGS = VG – VS = 1.54 – 2.74 = -1.2 V VD가 주어지면 쉽게 VDS, VGS를 구할 수 있으나 VD가 주어지지 않으면 ID, VDS, VGS?

25 7-3 JFET 바이어스 전압 분배 바이어스 VGS: 2차 방정식의 해 4

26 7-3 JFET 바이어스     전압 분배 바이어스된 JFET의 그래프적 해석 직류 부하선 VGS= VG-IDRS
For ID = 0,  VGS = VG  2. For VGS = 0,  3. 과  연결하는 dc 부하선를 그린 후, dc 부하선과 JFET 전달 특성 곡선과 만나는 점이 Q점이다.

27 7-3 JFET 바이어스 Q점의 안정도 Qd < Qs Qd Qs
 Q점의 큰 변화  ID와 VGS 변화 전압 분배 바이어스가 자기바이어스보다 Q점의 안정성이 크다. Qd < Qs Qs_max 최대 최소 Qs_min Qs 자기 바이어스 부하선 Qd_max 최대 최소 전압 분배 바이어스 부하선 Qd_min Qd

28 7-4 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 있음 증가형 (enhancement): 바이어스에 의해 채널 형성 E-MOSFETs 는 바이어스가 없으면 Off

29 7-4 MOSFET 공핍형 MOSFET (D-MOSFET) 기본구조

30 7-4 MOSFET D-MOSFET 동작 체널을 미리 형성 게이트 전압 음: Depletion mode
양: Enhancement mode 공핍형 모드 게이트에 음의 전압  채널에 양이온 발생  전자 공핍  전도도 감소 VGS(off) :채널이 완전히 공핍되는 전압 ( ID = 0) VGS(off)  VGS  0 증가형 모드 게이트에 양의 전압  채널의 전도도 증가

31 7-4 MOSFET D-MOSFET 동작

32 7-4 MOSFET D-MOSFET 동작

33 7-4 MOSFET 증가형 MOSFET (E-MOSFET) 바이어스 없을 때, 채널이 형성되어 있지 않다.
VGS를 양으로 증가 임계전압 이상에서 채널 형성

34 7-4 MOSFET E-MOSFET 도식 기호

35 7-4 MOSFET E-MOSFET 동작 VGS < VGS(th)  no channel ID = 0
전달특성곡선 VGS < VGS(th)  no channel ID = 0 VGS > VGS(th)  channel  ID > 0

36 7-5 MOSFET 특성과 파라미터 D-MOSFET 전달 특성  JFET과 동일 Shockley’s equation:
VGS(off) = -Vp Shockley’s equation: Forward transconductance: (at VGS = 0)

37 7-5 MOSFET 특성과 파라미터 n채널과 p채널 D-MOSFET의 전달특성

38 7-5 MOSFET 특성과 파라미터 Q. D-MOSFET IDSS=10 mA, VGS(off) = -8V A.
n채널, p채널? VGS = -3 V  ID ? VGS = 3 V  ID ? Ex.7-13 A. VGS(off) < 0  n 채널

39 7-5 MOSFET 특성과 파라미터 VGS < VGS(th)  no channel ID = 0
E-MOSFET 전달특성 VGS < VGS(th)  no channel ID = 0 VGS > VGS(th)  channel  ID > 0 K: MOSFET 종류에 따른 고유값 ID(on) 규격표로 부터 얻음

40 7-5 MOSFET 특성과 파라미터 Q. 2N7008 E-MOSFET
VGS = 10V 일때 VGS(th) = 1V 이고 ID(on) = 500 mA 이다. VGS = 5V 일때 ID ? Ex.7-14 A.

41 7-5 MOSFET 특성과 파라미터 취급상 주의사항 ESD (electrostatic discharge)에 취약
입력 커패시턴스와 높은 입력저항 과도한 정전하 축적  소자 손상 스폰지에 운반, 보관 기구와 작업대 접지 취급자 손목에 접지 연결 전원 on 상태에서 MOS 소자 제거 금지 DC off일 경우, 신호 인가 금지

42 7-6 MOSFET 바이어스 ID D-MOSFET 바이어스 VD VS IG = 0  VG = 0 = VGS
Zero bias VGS = 0 V로 두고 게이트의 교류신호가 이 바이어스 점의 상하로 게이트-소스 전압 변동 VD VS ID IG = 0  VG = 0 = VGS  ID = IDSS  IS VD = VDD – IDSSRD VGS(off) = -8V, IDSS = 12 mA VDD = 18V, RD = 620   ID, VDS ? IG = 0  VG = 0 = VGS  ID = IDSS = 12 mA  IS VD = VDD – IDSSRD = 18 – (12m)(620)=10.6 V A. Q. Ex.7-15

43 7-6 MOSFET 바이어스 VGS = VG VDS = VD = VDD – IDRD E-MOSFET 바이어스 ID VD VG
VGS > VGS(th) 이어야하므로 zero바이어스 사용못함 전압분배 바이어스 VD VS VG ID IG  0 VGS = VG VDS = VD = VDD – IDRD

44 7-6 MOSFET 바이어스 Q. E-MOSFET VGS,VDS, ID ? VD VS VG ID IG  0 A.
VDD = 24 V, RD = 470 , R1 = 100 k, R2 = 15 k VGS = 10V, VGS(th) = 1V  ID(on) = 500 mA Ex.7-16 VD VS VG ID IG  0 A. VGS = VG = 3.13 V VDS = VD = VDD – IDRD=24-(28m)(470) =10.8V

45 7-6 MOSFET 바이어스 VDS = VGS E-MOSFET 바이어스 ID VD VG IG  0 VS 드레인 귀환 바이어스

46 7-6 MOSFET 바이어스 IG  0 VDS = VGS = 8.5 V Q.
Ex.7-16 E-MOSFET VGS(th) = 3V  ID ? A. VG VDS IG  0 VDS = VGS = 8.5 V