1

Podstawy Technologii Komputerowych

Podstawy Technologii Komputerowych

dr inż. Krzysztof MURAWSKI

dr inż. Krzysztof MURAWSKI

mgr inż. Józef TURCZYN

mgr inż. Józef TURCZYN

Tel.: [phone], E

Tel.: [phone], E

-

-

mail

mail

: k.

: k.

murawski

murawski

@

@

ita

ita

.

.

wat

wat

.

.

edu

edu

.

.

pl

pl

2

Tranzystory unipolarne

Tranzystory unipolarne

UNIPOLARNE

UNIPOLARNE

(

(

FET

FET

–

–

F

F

ield

ield

E

E

fect

fect

T

T

ransistor

ransistor

)

)

STEROWANE POLEM ELEKTRYCZNYM

STEROWANE POLEM ELEKTRYCZNYM

występującym pomiędzy bramką i źródłem, czyli napięciem

występującym pomiędzy bramką i źródłem, czyli napięciem

U

U

GS

GS

wytwarzającym to pole, ale

wytwarzającym to pole, ale

I

I

G

G

≈

≈

0

0

© K. MURAWSKI, J. TURCZYN

3

Tranzystory unipolarne

Tranzystory unipolarne

© K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Tranzystory unipolarne

Tranzystory unipolarne

JFET (polowy, złączowy)

JFET (polowy, złączowy)

MOSFET

MOSFET

z kanałem

z kanałem

wbudowanym

wbudowanym

z kanałem

z kanałem

indukowanym

indukowanym

typu

typu

N

N

typu

typu

P

P

typu

typu

N

N

typu

typu

P

P

4

Tranzystor JFET złączowy z kanałem typu

Tranzystor JFET złączowy z kanałem typu

N

N

© K. MURAWSKI, J. TURCZYN

G

D

S

( )

+

D

I

n

p

p

S

G

D

p

p

n+

n+

JFET

–

J

unction

F

ield

E

ffect

T

ransistor

Źródło

(ang. Source)

Bramka

(ang. Gate)

Dren

(ang. Drain)

D

I

( )

P

GS

U

U

off

=

zubożanie

(depletion)

GS

U

zamknięcie

kanału

DSS

I

5

Tranzystor JFET złączowy z kanałem typu

Tranzystor JFET złączowy z kanałem typu

P

P

© K. MURAWSKI, J. TURCZYN

G

D

S

( )

−

D

I

p

n

n

S

G

D

n

n

p+

p+

Źródło

(ang. Source)

Bramka

(ang. Gate)

Dren

(ang. Drain)

D

I

−

( )

P

GS

U

U

off

=

zubożanie

(depletion)

GS

U

zamknięcie

kanału

DSS

I

6

Tranzystor unipolarny złączowy

Tranzystor unipolarny złączowy

n

p

p

S

G

D

p

p

n+

n+

DS

U

GS

U

GS

U

GS

U

′

GS

U

′′

GS

P

U

U

′′′ =

GS

GS

GS

P

U

U

U

U

′

′′

′′′

>

>

=

© K. MURAWSKI, J. TURCZYN

2

1

GS

D

DSS

P

U

I

I

U





=

−









Przy

Przy

U

U

GS

GS

=

=

U

U

P

P

następuje całkowite

następuje całkowite

zamkniecie kanału. Oznacza to, że

zamkniecie kanału. Oznacza to, że

prąd drenu

prąd drenu

I

I

D

D

≈

≈

0;

0;

I

D

7

Tranz

Tranz

. MOSFET z kanałem

. MOSFET z kanałem

wbudow

wbudow

. typu

. typu

N

N

G

D

S

© K. MURAWSKI, J. TURCZYN

G

D

S

B

Kanał wbudowany

Kanał wbudowany

→

→

normalnie otwarty

normalnie otwarty

D

I

( )

P

GS

U

U

off

=

zubożanie

(depletion)

GS

U

zamknięcie

kanału

DSS

I

wzbogacanie

(enhancement)

S

G

D

n+

n+

n
p

2

SiO

B

8

Tranz

Tranz

. MOSFET z kanałem

. MOSFET z kanałem

wbudow

wbudow

. typu

. typu

P

P

G

D

S

G

D

S

B

© K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Kanał wbudowany

Kanał wbudowany

→

→

normalnie otwarty

normalnie otwarty

D

I

−

( )

P

GS

U

U

off

=

zubożanie

(depletion)

GS

U

zamknięcie

kanału

DSS

I

wzbogacanie

(enhancement)

S

G

D

p+

p+

p

n

2

SiO

B

9

Tranz

Tranz

. MOSFET z kanałem

. MOSFET z kanałem

indukow

indukow

. typu

. typu

N

N

G

D

S

G

D

S

B

© K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Kanał indukowany

Kanał indukowany

→

→

norm. zamknięty

norm. zamknięty

D

I

T

TH

U

U

=

wzbogacanie

GS

U

wytworzenie kanału

[ ]

mA

[ ]

A

10

20

30

0.1

10

1

lg.

S

G

D

n+

n+

p

2

SiO

B

10

Tranz

Tranz

. MOSFET z kan.

. MOSFET z kan.

induk

induk

. typu

. typu

P

P

G

D

S

B

G

D

S

© K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Kanał indukowany → norm. zamknięty

Kanał indukowany → norm. zamknięty

S

G

D

p+

p+

n

2

SiO

B

D

I

T

TH

U

U

=

wzbogacanie

GS

U

wytworzenie kanału

[ ]

mA

[ ]

A

10

20

30

0.1

10

1

lg.

–

11

Wymiary tranzystorów MOSFET

Wymiary tranzystorów MOSFET

© K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Przykładowe wymiary w układach scalonych VLSI:

1982

–

L = 1.5

µ

m,

W = 30

÷

50

µ

m;

1998

–

L = 0.35

µ

m.

L

– długość kanału;

W

– „długość” tranzystora

S

G

D

n+

n+

n
p

2

SiO

B

L

W

S

G

D

n+

n+

p

2

SiO

B

L

W

12

Charakterystyki tranzystora polowego

Charakterystyki tranzystora polowego

D

I

P

U

GS

U

DSS

I

GS

U

∆

U

GS

t

I

D

t

D

I

∆

D

D

m

G

d

fs

g

S

G

s

S

i

g

I

I

g

U

U

u

∂

∆

=

=

≈

=

∂

∆

d

i

© K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Charakterystyka przejściowa

Charakterystyka przejściowa

I

I

D

D

=f

=f

(

(

U

U

GS

GS

)

)

gs

u

Nachylenie charakterystyki lub

Nachylenie charakterystyki lub

transkonduktancja

transkonduktancja

w punkcie pracy

w punkcie pracy

Q

Q

Q

13

Charakterystyki tranzystora polowego

Charakterystyki tranzystora polowego

© K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Charakterystyka wyjściowa

Charakterystyka wyjściowa

I

I

D

D

=f

=f

(

(

U

U

DS

DS

)

)

Obszar nasycenia (pen

todowy)

O

b

sz

ar

n

ie

n

as

yc

en

ia

(

tr

io

d

o

w

y)

Obszar odcięcia kanału

DSS

I

mx

mx

DS

GS

U

U

=

MAX

P

D

I

[ ]

DS

U

V

P

U

−

GS

P

U

U

′′′ =

0

GS

U

′′ <

0

GS

U

′ =

GS

GS

GS

U

U

U

′

′′

′′′

> >

> >

…

…

DS

GS

P

U

U

U

=

−

14

Punkt pracy tranzystora unipolarnego

Punkt pracy tranzystora unipolarnego

1

C

WE

U

G

R

S

R

S

C

2

C

D

R

DS

U

S

U

GS

U

G

U

WY

U

DD

U

D

I

S

D

I

I

≈

© K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Układ z automatyczną polaryzacją bramki

Układ z automatyczną polaryzacją bramki

1

;

G

R

M

=

Ω

0 ;

G

U

V

=

;

S

S D

U

R I

=

.

GS

G

S

U

U

U

=

−

15

Charakterystyki tranzystora polowego

Charakterystyki tranzystora polowego

Q

D

I

DD

U

D

I

[ ]

DS

U

V

GS

U

′′′

0

GS

U

′′ <

0

GS

U

′ =

Q

DS

U

Q

(

)

1

D

DS

DD

S

D

I

U

U

R

R

= −

−

+

© K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Punkt pracy

Punkt pracy

Q

Q

na charakterystyce wyjściowej

na charakterystyce wyjściowej

I

I

D

D

=f

=f

(

(

U

U

DS

DS

)

)

Prąd

Prąd

I

I

D

D

wyraża się wzorem:

wyraża się wzorem:

gdzie:

gdzie:

1

S

D

R

R

−

+

wyznacza nachylenie

wyznacza nachylenie

prostej

prostej

obciążenia

obciążenia

.

.

16

Małosygnałowy

Małosygnałowy

model tranzystora polowego

model tranzystora polowego

gs

C

S

D

gd

C

S

d

r

ds

U

m

gs

g U

gs

U

G

d

i

© K. MURAWSKI, J. TURCZYN

C

C

gs

gs

(

(

C

C

iss

iss

)

)

–

–

pojemność wejściowa pomiędzy bramką i źródłem w układzie WS;

pojemność wejściowa pomiędzy bramką i źródłem w układzie WS;

C

C

gd

gd

(

(

C

C

rss

rss

)

)

–

–

pojemność sprzężenia zwrotnego między bramką i drenem w układzi

pojemność sprzężenia zwrotnego między bramką i drenem w układzi

e WS;

e WS;

r

r

d

d

(1/

(1/

r

r

d

d

=

=

g

g

os

os

)

)

–

–

rezystancja (

rezystancja (

konduktancja

konduktancja

) wyjściowa drenu w układzie WS.

) wyjściowa drenu w układzie WS.

[

]

GS

DS

DS

D

D

U

CONS

ds

d

T

d

U

U

u

r

i

M

I

I

=

∂

∆

=

≈

=

∂

∆

Ω

17

Małosygnałowy

Małosygnałowy

model tranzystora polowego

model tranzystora polowego

gs

C

S

D

gd

C

S

d

r

ds

U

m

gs

g U

gs

U

G

d

i

;

DS

D

D

fs

GS

GS

U

C

d

m

g

ST

s

ON

i

g

mA

mS

I

I

V

u

g

U

U

=

∂

∆



=

=

≈

=

∂

∆











© K. MURAWSKI, J. TURCZYN

g

g

m

m

(

(

g

g

fs

fs

)

)

–

–

transkonduktancja

transkonduktancja

(nachylenie charakterystyki) w układzie WS;

(nachylenie charakterystyki) w układzie WS;

można ją określić z charakterystyk lub ze wzoru:

można ją określić z charakterystyk lub ze wzoru:

2

m

DSS

D

P

g

I

I

U

= −

i

dla danego punktu pracy

g

g

m

m

,

,

r

r

d

d

,

,

c

c

gs

gs

,

,

c

c

gd

gd

–

–

podaje się w katalogach.

podaje się w katalogach.

18

Punkt pracy tranzystora unipolarnego

Punkt pracy tranzystora unipolarnego

© K. MURAWSKI, J. TURCZYN

1

C

WE

U

G

R

S

R

S

C

2

C

D

R

DS

U

S

U

GS

U

G

U

WY

U

DD

U

D

I

S

D

I

I

≈

Zadanie domowe

Zadanie domowe

Dla układu pokazanego obok wyznaczyć

Dla układu pokazanego obok wyznaczyć

R

R

D

D

i

i

R

R

S

S

tak, aby punkt pracy

tak, aby punkt pracy

Q

Q

wynosił:

wynosił:

1)

1)

U

U

DS

DS

= 5V,

= 5V,

I

I

D

D

= 2mA;

= 2mA;

2)

2)

U

U

DS

DS

= 4V,

= 4V,

I

I

D

D

= 3mA.

= 3mA.

Do obliczeń przyjąć tranzystor

Do obliczeń przyjąć tranzystor

2N3819

2N3819

,

,

dla którego

dla którego

U

U

GS(

GS(

off

off

)

)

= U

= U

P

P

wynosi:

wynosi:

a)

a)

U

U

P

P

=

=

-

-

2V;

2V;

b)

b)

U

U

P

P

=

=

-

-

3V.

3V.