Microsoft PowerPoint - アナログ電子回路3回目.pptx

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1 アナログ電 回路 3-1 電気回路で考える素 ( 能動素 ) 抵抗 コイル コンデンサ v v v 3-2 理 学部 材料機能 学科岩 素顕 iwaya@meijo-u.ac.jp トランジスタ トランジスタとは? トランジスタの基本的な動作は? バイポーラトランジスタ JFET MOFET ( エンハンスメント型 デプレッション型 ) i R i L i C v Ri di v L dt i C dv dt 上記の電流 電圧の関係式を満たす素 をそれぞれ 抵抗 コイル コンデンサと呼ぶ 各素 には 向依存性はないとしている MOFET を使った代表的な回路 (CMO) トランジスタとは? 3-3 トランジスタ 3-4 外からの信号 ( 電流 or 電圧 ) 電流 i 電流 i は外からの信号で制御される から た図 トランジスタ v バイポーラトランジスタ 電流制御型電界効果トランジスタ (Field effect transistor:fet) 電圧制御型 : ベース C: コレクタ E: エミッタ 東芝の HP より

2 トランジスタの構造 3-5 n 型半導体と p 型半導体とは? 3-6 濃度の不純物濃度の n 型層エミッタ Emitter E 低い不純物濃度の n 型層コレクタ Collector C プレーナ技術を いて作製した npn 型バイポーラトランジスタの構造 中程度の不純物濃度の p 型層ベース ase エミッタとコレクタは同じ型だが 不純物の濃度が異なるので 逆につなぐとトランジスタ動作しない i 結晶の中に たとえば V 族の原 であるヒ素 (As) を れる 結合に関与しない電 がある 熱エネルギーで電 が 由に動けるようになる このような半導体を n 型半導体と い 電流は電 が寄与して流れる n 型半導体と p 型半導体とは? 3-7 どのようにトランジスタを作製するのか? 3-8 i 結晶の中に たとえば III 族の原 であるホウ素 () を れる 結合されない電 状態が存在する ( 正孔 ) 熱エネルギーで正孔が 由に動くようになる このような半導体を p 型半導体と い 電流は正孔が寄与して流れる イメージ図 アルバックの HP より 実物写真 使う装置はイオン注 装置

3 イオン注 装置とは? 3-9 トランジスタの詳細 ( 回路記号 特性 ) 3-10 エネルギーのイオンをウエハに衝突させて 物理的にウエハ表 内に不純物を埋め込む 法 トランジスタの回路記号 コレクタ :C コレクタ :C ベース : ベース : アルバックの HP より npn 型 エミッタ :E 印 : 電流の向き pnp 型 エミッタ :E 印 : 電流の向き トランジスタの電流 電圧 3-11 エミッタ接地 (npn 型トランジスタ ) 3-12 I C 演習 : 下記のトランジスタが動作するように直流電圧源を接続しなさい V C C キルヒホッフの法則 I V E E V CE I E I E =I C +I h FE I I C C E 書き と 印の向きに注意 h FE : 直流電流増幅率

4 エミッタ接地静特性 2C1815 の例 3-13 演習 : 図から V CE =5V, I =0.2mA のときの h FE を読み取りなさい 3-14 I =1.0mA I =0.5mA I =0.2mA h FE E は pn 接合ダイオード I を変化させることによって I C が変化 i トランジスタの場合 V E の ち上がり電圧は V 東芝の HP から引 演習 : トランジスタに I =30 A 流したら,I C =6mA 流れた このときの I E はいくらか? また h FE はいくつか? 3-15 エミッタ接地以外の接続 法 3-16 演習 : 下記のトランジスタが動作するように直流電圧源を接続しなさい I I C I E I E =I +I C =0.03+6=6.03mA h FE C E E C V C V E V EC V C ベース接地 コレクタ接地

5 最 定格 2C1815 の例 (Ta=25 ) 3-17 電界効果トランジスタ : Field Effect Transistor (FET) 3-18 項 コレクタ ベース間電圧コレクタ エミッタ間電圧 記号 V CO V CEO 定格 単位 V V 外からの信号 ( 電流 or 電圧 ) 電流 i 電流 i は外からの信号で制御される エミッタ ベース間電圧コレクタ電流ベース電流 V EO I C I V ma ma トランジスタ v コレクタ損失 P C 400 mw 接合温度 保存温度 T j T stg バイポーラトランジスタ 電流制御型電界効果トランジスタ (Field effect transistor:fet) 電圧制御型 主な FET 構造の概略 3-19 MOFET について 3-20 ( ゲート ) p n ( ドレイン ) p p n p 接合型 (JFET) ( ソース ) p n p 属 - 絶縁膜 - 半導体型 (MOFET) 属 : Metal 酸化物 : Oxide 半導体 : emiconductor 電界 : Field 効果 : Effect トランジスタ : Transistor 略称 : MOFET 属 - 絶縁膜 - 半導体型 (MOFET)

6 MOFET の実物写真 3-21 MOFET の種類 3-22 東芝の HP より p- チャネル ( 正孔が動く ) 2K439 M4 n-mo M2 p-mo n- チャネル ( 電 が動く ) + エンハンスメント (Enhancement) (V =0 で I =0) ディプリーション (epletion) (V =0 で I 0) MOFET の構造 3-23 実際の MOFET の特性例 3-24 ソース ゲート : ゲート酸化膜と呼ぶ 厚さ数 nm ドレイン V :0 負 p チャネル p + p + n ソースからドレインに流れる電流をゲート電圧で制御する 2J76 (p-mofet p-mo) p チャネルエンハンスメント型 MOFET (p-mo)

7 実際の MOFET の特性例 3-25 p- チャネルエンハンスメント型 MOFET の動作説明 3-26 V : 0 正 ソース (ource) 属 (Metal) ゲート (ate) ドレイン (rain) p + -i p + -i 2K213 n-i つのダイオードが 互いに逆向きに繋がれてるのと同じ n チャネルエンハンスメント型 MOFET (n-mo) ゲート電圧を加えないと 電流は流れない p- チャネルエンハンスメント型 MOFET の説明 3-27 p- チャネルエンハンスメント型 MOFET の説明 3-28 p i p + -i p + -i p + -i n-i 電流の 向 n-i に対して に 相対的に負電圧を加えると n-i と の界 に正孔が誘起される - 間に負の電圧をかけると から に向かって正孔 ( 電流 ) が流れる

8 p- チャネルエンハンスメント型 MOFET のソース接地静特性 3-29 n- チャネルエンハンスメント型 MOFET の説明 3-30 負の電圧 V (に対するの電位) V =0 p + -i p + -i 電流の 向 n-i n + -i n + -i V <0 I ( ドレイン電流 ) ドレインに流 する向き p-i つのダイオードが 互いに逆向きに繋がっているのと同じ電流は流れない n- チャネルエンハンスメント型 MOFET の説明 3-31 n- チャネルエンハンスメント型 MOFET の説明 3-32 n + -i p-i n + -i n + -i 電流の 向 p-i n + -i に対して に相対的に正の電圧を加えると p-i と の界 に電 が誘起される から へ電 が流れる から へ電流が流れる

9 n- チャネルエンハンスメント型 MOFET のソース接地静特性 3-33 MOFET の回路記号 3-34 I V >0 n + -i n + -i 電流の 向 p-i 反転層 :n 型と等価 M4 p 型 M2 n-mo p-mo V V =0 MOFET の性能を表す指標 : 相互コンダクタンス g m g m I V V cons tant [ ] 論理回路素 論理回路とは? 論理回路は2 進数の計算などデジタル回路の基礎となる回路 現在の集積回路は基本的にはこの回路で構成されています 3-35 デジタル信号 : 3-36 東芝 HP より

10 MOFET の重要性 集積回路におけるMOFETの重要性 Complementary MO(CMO) が主流相補的集積回路の例 3-37 CMO( 集積化のメリット ) CMOでは論理が反転する際にしか電流が流れないので 消費電 ( 発熱 ) が少ない 微細化することにより 単 のMOFETをスイッチングさせるのに要する電 量を減少 微細化することにより 動作速度を向上させることが可能 集積度を向上させるだけで 速化と消費電 の低減も同時に得られる ムーアの法則半導体 ICの集積密度は18 24ヶ で倍増する 規模 LI 中には MO トランジスタが 1 億個以上使われている. 出典 ; インテル社ホームページ 論理回路 電 回路で扱うデジタル信号の との関係が 定の理論に従って われることをいい その動作を う電 回路を論理回路と呼びます マイコンは 常に複雑な論理回路で構成されていますが どのような論理回路も 次に す 6 種類 ( 厳密にいうと 3 種類 ) の基本論理素 の組み合わせで構成されている 3-39 論理回路素 AN OR NAN NOR NOT XOR(Exclusive OR) 3-40 まずは各素 の動きを理解しましょう

11 論理回路 AN 回路 ( 論理積 ) 3-41 論理回路 OR 回路 ( 論理和 ) 3-42 真理値表 真理値表 A Y A Y A Y A Y 論理回路 NAN 回路 ( 否定論理積 ) 3-43 論理回路 NOR 回路 ( 否定論理和 ) 3-44 A Y 真理値表 A Y A A Y Y 真理値表 A Y

12 NOT 回路 ( 否定 ) 3-45 Exclusive OR 回路 ( 排他的論理和 ) 3-46 真理値表 A out (XOR 回路 ) A Y 真理値表 A Y NOT 回路は別名 : インバーター回路とも呼ぶ CMO 回路 3-47 N-MO と P-MO を直列につなぐ -CMO の動作原理 MO-FET を組み合わせることによって実現する CMO 回路 +5V または 0V V =+5V p-i n-i この素 は どのような動作をするか?

13 N-MO と P-MO を直列につなぐ -CMO の動作原理 n-mo と p-mo を直列につなぐ -CMO の動作原理 Vまたは 0V 回路記号 V =+5V E-pMO E-nMO 印の向きに注意! 基板上 較 : シャーシ 接地等 +5Vまたは 0V V =+5V E-pMO E-nMO E-pMO に対してに負電圧で からに電流 (と は導通 ) E-nMO に対して に正電圧で から に電流 ( と は導通 ) n-mo と p-mo を直列につなぐ -CMO の動作原理 n-mo と p-mo を直列につなぐ -CMO の動作原理 V =+5V V =+5V 0V のとき 5V のとき 0V +5V +5V 0V +5V を 1 0V を 0 に対応させると 論理素 の NOT 回路 ( インバーター回路 )

14 演習 : 下の回路はどのような論理演算をする回路か? 3-53 解答例 3-54 V =+5V A +5V または 0V X A [V] [V] [V] NAN 本 の内容 3-55 バイポーラトランジスタ MO-FET エンハンスメント型 ディプレッション型 n チャネル p チャネル MOFET を応 した回路 CMO 回路