電子回路Ⅰ 第4回 電子回路Ⅰ 5 1 講義内容 1. 半導体素子(ダイオードとトランジスタ) 2. 基本回路 3. 増幅回路 電界効果トランジスタ(FET) ・ 基本構造 ・ 基本動作 動作原理 ・ 静特性 電子回路Ⅰ 5 2 半導体素子(ダイオードとトランジスタ) ダイオード(2端子素子) トランジスタ(3端子素子) ・ バイポーラトランジスタ (Bipolar) ・ 電界効果トランジスタ (FET) ・ 接合形 (JFET) ・ MOS形(MOSFET) 電子回路Ⅰ 5 3 pn接合 pn接合 p n 電子の数<正孔の数 電子の数>正孔の数 多数キャリア:正孔 多数キャリア:電子 少数キャリア:電子 少数キャリア:正孔 キャリア濃度差 拡散によりキャリアが移動 正孔 n p 電子 電子回路Ⅰ 5 4 空乏層 ※ アクセプタイオンやドナーイオンは 固定されており、移動できない。 - p アクセプタイオン 負電荷 - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 電界 n ドナーイオン 正電荷 接合面 p n 空乏層 (キャリアがほとんど存在しない領域) 電子回路Ⅰ 5 5 pn接合とバイアス電圧 順方向電圧 空乏層 p n VF 逆方向電圧 空乏層 p n VR 電子回路Ⅰ 5 6 トランジスタ バイポーラトランジスタ (Bipolar) 電界効果トランジスタ (FET) ・ 接合形 (JFET) ・ MOS形(MOSFET) 電子回路Ⅰ 5 7 バイポーラトランジスタの構造 npn型 pnp型 C B E E B C n p n p n p E B C C P n+ B E p+ n+ p+ n+ n+ p+ n+ 基板 電子回路Ⅰ 5 8 バイポーラトランジスタの構造 npn形トランジスタ pnp形トランジスタ pn接合pn接合 E n p pn接合pn接合 n C E B p n C p B 不純物のドーズ量 不純物のドーズ量 N DE > N AB > N DC N AE > N DB > N AC ベースは非常に薄く形成される ベースは非常に薄く形成される 電子回路Ⅰ 5 9 バイポーラトランジスタの基本動作 npn形トランジスタのバイアス E n p C n B VF BE間 順方向電圧 VR CB間 逆方向電圧 電子回路Ⅰ 5 10 バイポーラトランジスタの基本動作 pnp形トランジスタのバイアス E p n C p B VF EB間 順方向電圧 VR BC間 逆方向電圧 電子回路Ⅰ 5 11 バイポーラトランジスタの基本動作 npn形トランジスタの電流 E n IE p B IC IB VF BE間 順方向電圧 C n VR CB間 逆方向電圧 I E = I B + IC 電子回路Ⅰ 5 12 バイポーラトランジスタのバイアス方法 ベース接地 (Common Base) IE IC E n p B VBE BE間 順方向電圧 C n IB 共通端子 VCB CB間 逆方向電圧 電子回路Ⅰ 5 13 バイポーラトランジスタのバイアス方法 エミッタ接地 (Common Emitter) VCE IE 共通端子 IC E n p n C B VBE < VCE ⇒ VCB < 0 CB間 逆方向電圧 VBE BE間 順方向電圧 電子回路Ⅰ 5 14 バイポーラトランジスタの電流-電圧特性 IC 線形領域 飽和領域 IB ↑ VCE 0 電子回路Ⅰ 5 15 トランジスタ バイポーラトランジスタ (Bipolar) 電界効果トランジスタ (FET) ・ 接合形 (JFET) ・ MOS形(MOSFET) 電子回路Ⅰ 5 16 電界効果トランジスタ(FET) 接合形(JFET) pn接合 MOS形(MOSFET) MOS構造 電子回路Ⅰ 5 17 JFETの構造 nチャネルJFET S pチャネルJFET G G p n n D D p S p n 電子回路Ⅰ 5 18 MOSトランジスタの構造 NMOS PMOS S G D D G S N-well n+ n+ p+ p+ N-well p基板 電子回路Ⅰ 5 19 MOS構造 金属(Metal) 酸化膜(Oxide) n p 半導体(Semiconductor) 電子回路Ⅰ 5 20 電界効果トランジスタ(FET) 接合形(JFET) pn接合 MOS形(MOSFET) MOS構造 電子回路Ⅰ 5 21 JFETの構造 nチャネルJFET S pチャネルJFET G G p n n D D p S p n 電子回路Ⅰ 5 22 JFETのバイアス nチャネルJFET 逆方向 VSG G p S n D p VDS 電子回路Ⅰ 5 23 JFETのバイアス pチャネルJFET 逆方向 G VGS n D p S n VSD 電子回路Ⅰ 5 24 JFETのバイアス nチャネルJFET VSG = 0 G p S n D p VDS 電子回路Ⅰ 5 25 JFETの動作 nチャネルJFET VSG > 0 G p S n D p VDS 電子回路Ⅰ 5 26 JFETの動作 nチャネルJFET VSG > 0 G p S n D p VDS 電子回路Ⅰ 5 27 JFETの動作 nチャネルJFET VSG >> 0 G ピンチオフ p S n D p VDS 電子回路Ⅰ 5 28 JFETの電流-電圧特性 I DS ノーマリオン (Normally ON) VGS VP 0 ピンチオフ電圧 VP 電子回路Ⅰ 5 29 JFETの電流-電圧特性 I DS 線形領域 飽和領域 VGS = 0 VGS ↑ VGS = VP 0 電子回路Ⅰ 5 VDS 30 電界効果トランジスタ(FET) 接合形(JFET) pn接合 MOS形(MOSFET) MOS構造 電子回路Ⅰ 5 31 MOS構造 金属(Metal) 酸化膜(Oxide) p n 半導体(Semiconductor) 電子回路Ⅰ 5 32 MOS構造と印加電圧 tox VG 酸化膜容量 Cox = p 電子回路Ⅰ 5 ε ox tox = ε 0ε SiO 2 tox 33 印加電圧と電荷 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - VG > 0 +Q -Q p 電子回路Ⅰ 5 34 反転層の形成 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 反転層 VG >> 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - p 電子回路Ⅰ 5 35 MOSトランジスタの構造 NMOS PMOS S G D D G S N-well N-well プロセス n+ n+ p+ p+ N-well p基板 電子回路Ⅰ 5 36 MOSトランジスタのバイアス NMOS VDS VGS G S D n+ n+ p基板 電子回路Ⅰ 5 37 MOSトランジスタのバイアス PMOS VSD VSG G D S p+ p+ n基板 電子回路Ⅰ 5 38 MOSトランジスタの動作 NMOS VDS = 0 VGS G S D n+ n+ p基板 ※ 空乏層は図示していない 電子回路Ⅰ 5 39 MOSトランジスタの動作 NMOS VDS > 0 VGS G S D n+ n+ p基板 ※ 空乏層は図示していない 電子回路Ⅰ 5 40 MOSトランジスタの動作 NMOS VDS >> 0 VGS G S D n+ n+ p基板 ※ 空乏層は図示していない 電子回路Ⅰ 5 41 MOSトランジスタの電流-電圧特性 エンハンスメント(Enhancement)形 デプレッション(Depletion)形 I DS I DS VTH VGS VGS 0 0 しきい電圧 VTH ノーマリオフ (Normally OFF) 電子回路Ⅰ 5 ノーマリオン (Normally ON) 42 MOSFETの電流-電圧特性 I DS 線形領域 飽和領域 VGS ↑ VGS > 0 0 電子回路Ⅰ 5 VDS 43 MOSトランジスタのサイズパラメータ L W S LS G D LD トランジスタサイズパラメータ ・ ゲート長:L ・ ゲート幅:W ソース/ドレイン面積 ・ AS = W x LS ・ AD = W x LD ソース/ドレイン周囲長 ・ PS = W + 2 x LS ・ PD = W + 2 x LD 電子回路Ⅰ 5 44 MOSトランジスタのシンボル NMOS PMOS 電子回路Ⅰ 5 45 MOSトランジスタの特性 (NMOS) I DS = µ nCox IDS G W/L D S VGS I DS = + - W ⎧ 1 2 ⎫ ⎨(VGS − VTHN )VDS − VDS ⎬ L ⎩ 2 ⎭ 1 W µ nCox (VGS − VTHN )2 2 L VDS I DS = + - 1 W µnCox (VGS − VTHN )2 (1 + λVDS ) 2 L チャネル長変調効果 IDS VDS = VGS - VTHN 線形領域 飽和領域 チャネル長変調 IDS VGS VTHN VGS VDS 電子回路Ⅰ 5 46 MOSトランジスタの特性 (PMOS) I SD = µ p Cox ISD VSG W/L + - G I SD = S D + - W ⎧ 1 2 ⎫ ⎨(VSG − VTHP )VSD − VSD ⎬ L ⎩ 2 ⎭ 1 W µ p Cox (VSG − VTHP 2 L VSD I SD = 2 ) 1 W µ pCox (VSG − VTHP 2 L 2 ) (1 + λV ) SD チャネル長変調効果 ISD VSD = VSG - |VTHP| 線形領域 飽和領域 チャネル長変調 ISD VSG |VTHP| VSG VSD 電子回路Ⅰ 5 47 基板バイアス効果 (NMOS) IDS VDS = const IDS D G W/L M1 VGS VBS = 0 + - B S + - VBS < 0 VDS 基板バイアス効果 + VBS VTH0 ( +γ ( VGS VTH = VTH 0 + γ 2Φ F + VSB − 2Φ F = VTH 0 2Φ F − VBS − 2Φ F IDS VDS = const V’TH ) ) VGS = const VDS = VGS - VTHN 1 W µ nCox (VGS − VTH )2 2 L 1 W = µ nCox VGS − VTH 0 − γ 2 L I DS = { VBS1 ( 2Φ F − VBS − 2Φ F )} 2 VBS 電子回路Ⅰ 5 48 MOSトランジスタの特性計算例 IDS W/L = 10µm / 0.5µm G VGS + - D M1 + - VDS S * NMOS Transistor (0.5um Process) IDS-VDS Characteristics VGS G 0 DC 2 VDS D 0 DC 5 M1 D G 0 0 nch L=0.5um W=10um .MODEL nch NMOS LEVEL=1 VTO=0.7 GAMMA=0.45 PHI=0.9 NSUB=9E+14 + LD=0.08E-6 UO=350 LAMBDA=0.1 TOX=9E-9 PB=0.9 CJ=0.56E-3 + CJSW=0.35E-11 MJ=0.45 MJSW=0.2 CGDO=0.4E-9 JS=1.0E-8 .DC VDS 0 5 0.1 VGS 0 5 1 .PROBE .END 電子回路Ⅰ 5 49 MOSトランジスタのモデルパラメータ例 0.5-µm CMOS NMOS LEVEL=1 VTO=0.7 GAMMA=0.45 PHI=0.9 NSUB=9E+14 LD=0.08E-6 UO=350 LAMBDA=0.1 TOX=9E-9 PB=0.9 CJ=0.56E-3 CJSW=0.35E-11 MJ=0.45 MJSW=0.2 CGDO=0.4E-9 JS=1.0E-8 PMOS LEVEL=1 VTO=-0.8 GAMMA=0.4 PHI=0.8 NSUB=5E+14 LD=0.09E-6 UO=100 LAMBDA=0.2 TOX=9E-9 PB=0.9 CJ=0.94E-3 CJSW=0.32E-11 MJ=0.5 MJSW=0.3 CGDO=0.3E-9 JS=0.5E-8 ※「アナログCMOS集積回路の設計 基礎編」、B.Razavi(著)、黒田忠広(監訳)、丸善 第2章 表2.1 より 電子回路Ⅰ 5 50 MOSトランジスタ直流特性の概要 I DS ≈ µ nCox W (VGS − VTHN )VDS L I DS = 1 W µ nCox (VGS − VTHN )2 2 L VDS << 2(VGS - VTHN) IDS VDS = VGS - VTHN 線形領域 飽和領域 VGS VDS 電子回路Ⅰ 5 51 大信号動作と小信号動作 IDS IDS VGS VGS 飽和領域で動作 動作点(OP) 動作範囲 動作範囲 VDS VDS デジタル アナログ 非線形動作 動作点のまわりの領域 非線形 → 線形近似 電子回路Ⅰ 5 52 大信号等価回路と小信号動作回路 大信号 非線形動作 小信号 動作点のまわりの領域 非線形 → 線形近似 小信号パラメータ 直流成分 + 微小変化分 電子回路Ⅰ 5 53
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