電子回路I_4.ppt

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1 電子回路 Ⅰ 第 4 回 電子回路 Ⅰ 5 1

2 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

3 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 (Biolar) 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

4 n 接合 n 接合 n 電子の数 < 正孔の数多数キャリア : 正孔少数キャリア : 電子 電子の数 > 正孔の数多数キャリア : 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 電子 電子回路 Ⅰ 5 4

5 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 n アクセプタイオン負電荷 電界 ドナーイオン正電荷 接合面 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

6 n 接合とバイアス電圧 順方向電圧 空乏層 n V F 逆方向電圧 空乏層 n V R 電子回路 Ⅰ 5 6

7 トランジスタ バイポーラトランジスタ (Biolar) 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

8 バイポーラトランジスタの構造 nn 型 n 型 C B E E B C n n n C B E E B C P n n n n n 基板 電子回路 Ⅰ 5 8

9 バイポーラトランジスタの構造 nn 形トランジスタ n 形トランジスタ n 接合 n 接合 n 接合 n 接合 E n n C E n C B B 不純物のドーズ量 不純物のドーズ量 N > N > DE AB N DC N > N > AE 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

10 バイポーラトランジスタの基本動作 nn 形トランジスタのバイアス E n n C B V F BE 間順方向電圧 V R CB 間逆方向電圧 電子回路 Ⅰ 5 10

11 バイポーラトランジスタの基本動作 n 形トランジスタのバイアス E n C B V F EB 間順方向電圧 V R BC 間逆方向電圧 電子回路 Ⅰ 5 11

12 バイポーラトランジスタの基本動作 nn 形トランジスタの電流 E n n C I E B I B IC V F BE 間順方向電圧 V R CB 間逆方向電圧 I = I E B I C 電子回路 Ⅰ 5 12

13 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) I E IC E n n C B I B V BE BE 間順方向電圧 共通端子 V CB CB 間逆方向電圧 電子回路 Ⅰ 5 13

14 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) V CE I E IC 共通端子 E n n C B V BE < VCE VCB < 0 V BE CB 間逆方向電圧 BE 間順方向電圧 電子回路 Ⅰ 5 14

15 バイポーラトランジスタの電流 - 電圧特性 I C 線形領域 飽和領域 I B 0 V CE 電子回路 Ⅰ 5 15

16 トランジスタ バイポーラトランジスタ (Biolar) 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

17 電界効果トランジスタ (FET) 接合形 (JFET) n 接合 MOS 形 (MOSFET) MOS 構造 電子回路 Ⅰ 5 17

18 JFET の構造 n チャネル JFET チャネル JFET G G n S n D D S n 電子回路 Ⅰ 5 18

19 MOS トランジスタの構造 NMOS PMOS S G D D G S N-well n n N-well 基板 電子回路 Ⅰ 5 19

20 MOS 構造 金属 (Metal) n 酸化膜 (Oxide) 半導体 (Semiconductor) 電子回路 Ⅰ 5 20

21 電界効果トランジスタ (FET) 接合形 (JFET) n 接合 MOS 形 (MOSFET) MOS 構造 電子回路 Ⅰ 5 21

22 JFET の構造 n チャネル JFET チャネル JFET G G n S n D D S n 電子回路 Ⅰ 5 22

23 JFET のバイアス n チャネル JFET 逆方向 V SG G S n D V DS 電子回路 Ⅰ 5 23

24 JFET のバイアス チャネル JFET 逆方向 G V GS D n S n V SD 電子回路 Ⅰ 5 24

25 JFET のバイアス n チャネル JFET V SG = 0 G S n D V DS 電子回路 Ⅰ 5 25

26 JFET の動作 n チャネル JFET V SG > 0 G S n D V DS 電子回路 Ⅰ 5 26

27 JFET の動作 n チャネル JFET V SG > 0 G S n D V DS 電子回路 Ⅰ 5 27

28 JFET の動作 n チャネル JFET V SG >> 0 G ピンチオフ S n D V DS 電子回路 Ⅰ 5 28

29 JFET の電流 - 電圧特性 I DS ノーマリオン (Normally ON) V P ピンチオフ電圧 V P 0 V GS 電子回路 Ⅰ 5 29

30 JFET の電流 - 電圧特性 I DS 線形領域 飽和領域 V GS = 0 V GS V GS = V P 0 DS V 電子回路 Ⅰ 5 30

31 電界効果トランジスタ (FET) 接合形 (JFET) n 接合 MOS 形 (MOSFET) MOS 構造 電子回路 Ⅰ 5 31

32 MOS 構造 金属 (Metal) 酸化膜 (Oxide) n 半導体 (Semiconductor) 電子回路 Ⅰ 5 32

33 MOS 構造と印加電圧 V G t ox 酸化膜容量 ε ε 0 ε C ox SiO ox = = 2 tox tox 電子回路 Ⅰ 5 33

34 印加電圧と電荷 Q V G > Q 電子回路 Ⅰ 5 34

35 反転層の形成 V G >> 反転層 電子回路 Ⅰ 5 35

36 MOS トランジスタの構造 NMOS PMOS S G D D G S N-well プロセス N-well n n N-well 基板 電子回路 Ⅰ 5 36

37 MOS トランジスタのバイアス NMOS V DS V GS S G D n n 基板 電子回路 Ⅰ 5 37

38 MOS トランジスタのバイアス PMOS V SD V SG D G S n 基板 電子回路 Ⅰ 5 38

39 MOS トランジスタの動作 NMOS V DS = 0 V GS S G D n n 基板 空乏層は図示していない 電子回路 Ⅰ 5 39

40 MOS トランジスタの動作 NMOS V DS > 0 V GS S G D n n 基板 空乏層は図示していない 電子回路 Ⅰ 5 40

41 MOS トランジスタの動作 NMOS V DS >> 0 V GS S G D n n 基板 空乏層は図示していない 電子回路 Ⅰ 5 41

42 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 (Deletion) 形 I DS I DS 0 V TH V GS 0 V GS しきい電圧 V TH ノーマリオフ (Normally OFF) ノーマリオン (Normally ON) 電子回路 Ⅰ 5 42

43 MOSFET の電流 - 電圧特性 I DS 線形領域 飽和領域 V GS 0 DS V GS > 0 V 電子回路 Ⅰ 5 43

44 MOS トランジスタのサイズパラメータ L 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 W S G D AS = W x LS AD = W x LD ソース / ドレイン周囲長 PS = W 2 x LS LS LD PD = W 2 x LD 電子回路 Ⅰ 5 44

45 MOS トランジスタのシンボル NMOS PMOS 電子回路 Ⅰ 5 45

46 MOS トランジスタの特性 (NMOS) I DS I = µ C DS n ox W L ( V V ) GS THN V DS 1 V 2 2 DS W/L V GS - G D S - V DS I DS 1 = µ nc 2 I DS ox W L ( V V ) 2 GS THN 1 W 2 ncox GS THN ( V V ) ( λv ) = µ 1 2 L DS チャネル長変調効果 I DS V DS = V GS - V THN 線形領域 飽和領域 I DS チャネル長変調 V GS V THN V GS V DS 電子回路 Ⅰ 5 46

47 MOS トランジスタの特性 (PMOS) I SD I = µ C SD ox W L ( V V ) SG THP V SD 1 V 2 2 SD W/L V SG - G S D - V SD I SD 1 = µ C 2 I SD ox W L ( V V ) 2 SG THP 1 W 2 Cox SG THP ( V V ) ( λv ) = µ 1 2 L SD チャネル長変調効果 I SD V SD = V SG - V THP 線形領域 飽和領域 I SD チャネル長変調 V SG V THP V SG V SD 電子回路 Ⅰ 5 47

48 基板バイアス効果 (NMOS) I DS I DS V DS = const W/L V GS - G M 1 D B S - V BS - V DS V BS = 0 V BS < 0 基板バイアス効果 V TH0 V TH V GS V DS = const I DS V TH = V = V TH 0 TH 0 γ γ ( 2Φ F VSB 2Φ F ) ( 2Φ F VBS 2Φ F ) V GS = const V DS = V GS - V THN I DS = = 1 µ nc 2 1 µ nc 2 ox ox W L W L ( V V ) GS TH 2 { V ( )} 2 GS VTH 0 γ 2Φ F VBS 2Φ F V BS1 V BS 電子回路 Ⅰ 5 48

49 MOS トランジスタの特性計算例 I DS W/L = 10µm / 0.5µm V GS - G D S M 1 - V DS * 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=9E14 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 VGS PROBE.END 電子回路 Ⅰ 5 49

50 MOS トランジスタのモデルパラメータ例 0.5-µm CMOS NMOS PMOS LEVEL=1 VTO=0.7 GAMMA=0.45 PHI=0.9 NSUB=9E14 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 LEVEL=1 VTO=-0.8 GAMMA=0.4 PHI=0.8 NSUB=5E14 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

51 MOS トランジスタ直流特性の概要 I DS µ C n ox W L ( V GS V THN ) V DS I DS 1 = µ nc 2 ox W L ( V V ) 2 GS THN V DS << 2(V GS - V THN ) I DS V DS = V GS - V THN 線形領域 飽和領域 V GS V DS 電子回路 Ⅰ 5 51

52 大信号動作と小信号動作 I DS I DS V GS 飽和領域で動作 V GS 動作範囲 動作点 (OP) 動作範囲 V DS V DS デジタル 非線形動作 アナログ 動作点のまわりの領域非線形 線形近似 電子回路 Ⅰ 5 52

53 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