Sähkötekniikka ja elektroniikka

Transkriptio

1 Sähkötekniikka ja elektroniikka Kimmo Silvonen (X), versio 2

2 Kanavatransistori eli FET Luento Field Effect Transistor Mikropiirit ja Mooren laki Mosfet on mikroelektroniikan tärkein pelinappula Kuka kertoisi tästä tiedotusvälineille!? FET-tyypit, rakenne ja toiminta Triodialue vs. saturaatioalue Yhtälöt ja parametrit Jänniteohjattu (elektroninen) kytkin Jännitteellä säädettävä vastus Lisätietoa: Elektroniikka ja sähkötekniikka, Gaudeamus 2018 Page 2 (19)

3 Kanavatransistorit FETs avauskanavatransistori, sulkukanavatransistori ja liitoskanavatransistori G CMOS enmos avaus D S epmos avaus dnmos sulku dpmos sulku njfet liitos pjfet liitos G D S B (vain MOSFET) gate drain source body, bulk hila nielu lähde substraatti Page 3 (19)

4 Avauskanavatransistori, ENMOSFET keskitymme tähän tyyppiin N-Channel Enhancement-MOSFET (E-MOSFET) Kerrosvoileipä: metalli piidioksidi d puolijohde (pii, Si) elektroneja inversiokerros p n 32 nm prosessi d = 0,9 nm D + G S n + d n + L = 30 nm p W B n + = vahvasti seostettu n-puolijohde (paljon vapaita elektroneja) MOS = Metal-Oxide-Semiconductor FET = Field-Effect-Transistor MOSFET = IGFET = Insulated-Gate-FET Page 4 (19)

5 Kynnysjännite ja kanavan virta Threshold Voltage Kanava voidaan avata ja sulkea osittain tai kokonaan hilaportin kautta u GS i D i G = 0 u DS > 0 i S ohjausjännite kanava käyttövoima i G = 0 i D = i S Kynnysjännite U t (t = threshold) u GS U t i D 0 u GS U t i D 0 Subthreshold-alue ja heikko inversio: matala jännite, pieni virta Page 5 (19)

6 Triodi- ja saturaatio- eli vakiovirta-alue Raja merkitty punaisella, virta kyllästyy maksimiarvoonsa Page 6 (19)

7 Toiminta-alueet: Cut, Ohm, Tri, SAT(FET) SAT(BJT) MOSFETin johtavuusparametri K = 2 1 µ W nc OX Conductivity Parameter L I D Ohm Tri Sat (lin) Tri U GS2 U GS1 Cut Cutoff I D = 0, kun U GS U t U DS Ohmic (Triode) u DS << u GS U t : I D K[2(U GS U t )U DS ] Triode u DS u GS U t : I D = K[2(U GS U t )U DS U 2 DS ] Saturation u DS u GS U t : I D = K(U GS U t ) 2 Page 7 (19)

8 FET vastuksena r DS (ohminen alue) As a Resistor Triodialue pienellä jännitteellä u DS ; käyrät origon kautta kulkevia suoria Page 8 (19)

9 FET kytkimenä (triodialue) Switch Se kumpi on D ja kumpi S, määräytyy u DS :n suunnasta eli u IN :n merkistä! Analoginen (u ja i) tai digitaalinen (1 vs. 0) kytkin i D = K 2(u GS U t )u DS u 2 DS }{{} 0 u IN > 0 D S u IN < 0 S D G R G R u OUT Page 9 (19)

10 Hyvä esimerkki: kattaa DC-analyysin, kirja EjSt s. 198 Toiminta-alueet: C = Cut, S = Sat, T = Tri. SAT : I D = K(V GG U t ) 2 K = 1 ma/v 2 U t = 2 V R D 2 k I D V DD 10 V GG U GS U DS C/S 2,0 V U t 0 ma 10 V S 3,0 V 1,0 ma 8,0 V > U GS U t S/T 4,0 V 4,0 ma 2,0 V 4,0 2 T(S) 4,2 V 4,84 ma 0,32 V < 4,2 2 T 4,2 V 4,28 ma 1,449 V < 4,2 2 (seur. sivu) Page 10 (19)

11 Triodialueen käsittely (taulukon viimeinen rivi) Jatkoa edelliseltä sivulta. Eri virtayhtälö, koska ollaan TRI-alueella: TRI, OK I D = K [ 2(V GG U t )U DS U 2 ] V DD U DS DS = R D K 2(V }{{} GG U t ) U }{{}}{{} DS 2 2,2 x }{{} x 2 U 2 DS = V }{{} DD 10 R D U DS }{{} x 2x 2 9,8x + 10 = 0 x = 2,45 ± 1,001 U DS = x = 1,449 V< U GS U t = 2,2 V Page 11 (19)

12 Laske fetin virta I D. E = 5 V, R D = 3 kω, R S = 1 kω, K = 0,5 ma/v 2, U t = 1 V Emme tiedä, onko kyseessä SAT- vai TRI-alue. Oletetaan SAT: I D = K ( U GS U t ) 2 E U DS E U GS I D R S KJL : E + U GS + R S I D = 0 (1) R D ID Merk. U GS = x E + x + R S K (x U t ) 2 = 0 & x > U t (2) Posit. juuri : x = U GS = +3 V I D = K (3 1) 2 = 2 ma (3) Tarkistus, onko SAT? U DS U GS U t = 2 V (4) E E + R D I D + U DS + R S I D = 0 U DS = 2 V 2 V OK (5) Page 12 (19)

13 Piensignaalianalyysi (SAT-alue) Small Signal Analysis Ei tarvita Taylorin sarjaa, koska yhtälö on muutenkin niin helppo! tot. {}}{ d.c. a.c. {}}{{}}{ u GS = U GS + u gs i D = K(u GS U t ) 2 i D = K[(U GS U t ) + u gs ] 2 tasavirta {}}{ = K(U GS U t ) 2 }{{} I D signaali {}}{ +2K(U GS U t )u gs } {{ } i d särö {}}{ +Ku 2 gs } {{ } 0 I D K(U GS U t ) 2 i d 2K(U GS U t ) }{{} g m "Dyn. siirtokonduktanssi" transconductance g m on fetin "vahvistus". u gs Page 13 (19)

14 Transkonduktanssi eli myötäjyrkkyys g m Kulmakerroin k määrää signaalin vahvistuksen, vrt. diodi ja BJT i D t i k = gm d u gs u GS I D U GS t i D = K(u GS U t ) 2 g m = i D u GS = 2K(U GS U t ) = 2 KI D ugs =U GS Page 14 (19)

15 Mikropiirien kehityksestä Integrated Circuits MOSFET mikroprosessori IC (flip-flop, 2 kpl BJT, hybridi) 1959 Texas Instruments, Jack Kilby (taskulaskin), Nobel 2000 MOSFET 1960 (Bell Labs.) M. Atalla Egypti, k ja D. Kahng Korea, k CMOS (= NMOS + PMOS) (RCA) Yleisin mikropiiriteknologia (CPU, GPU, DRAM, SSD, ym.) Intel 1968 ( More-Noise ) Gordon Moore ja Robert Noyce, Fairchild (IC myös 1959) Noycen IC oli monoliitti, menikö Nobel väärälle miehelle? 8 chipin tilaus 1969, vain 2 suunnittelijaa, piti keksiä Mikroprosessori 4004 vuonna 1971 Page 15 (19)

16 Mikropiirit, IC Luokittelu, esim. ULSI = Ultra Large Scale Integration Small, Medium, Large, Very Large, Ultra, Giant,... Gimme bigger words! BFL? Loogisia portteja Fettejä SSI < 10 < 10 2 MSI < 10 2 < 10 3 LSI < 10 3 < 10 4 VLSI < 10 4 < 10 5 ULSI < 10 5 < 10 6 GSI > 10 5 > 10 6 XBOX One X AMD 32-core Page 16 (19)

17 Moore s Law. Alamainen pyytää kuninkaalta riisinjyviä palkkioksi palveluksestaan; hölmö kuningas myöntyy! Olet nyt tässä IC 1959 µp 1971 PC 1983 Win 95 iphone -07 Ubuntu Touch 2019? 1 jyvä shakkilaudan 1. ruutuun 2 jyvää 2. ruutuun jyvää 10. ruutuun vadillista jyviä vuonna Biljoona uima-altaallista jyviä 64. ruutuun (2053) Page 17 (19)

18 Kaksinkertaistumisen voima ja huikeat visiot! From Earth to Moon, by Folding a Sheet of Paper Paperin paksuus: t = 0,15 mm (20 arkin pino noin 3 mm) Taita paperi 42 kertaa! N = 42 2 N t > 1,5d missä d = m on matka maasta kuuhun! Maa d Kuu esim. N = 2 (ei mittakaavassa) Page 18 (19)

19 Ensi kerralla operaatiovahvistin Elektroniikan yleistyökalu Voit googlata hyvän PDF-kirjan: "Opamps for everyone Texas Instruments". Toinen opaskirja: Ja googlaa vielä tämä: horowitz hill art of electronics pdf Ensi viikko on viimeinen labraviikko! Rästivuorot jo vuoden kuluttua! Tentti ja 2. vk. ti klo U2 (Kandikeskus) Ma on iltatentti. Page 19 (19)