De veldeffect transistor als spanningsafhankelijke weerstand

GROEP ELEKTRONICA

De veldeffect transistor als spannings-afhankel~ke weerstand.

Inhoud.

bIz. 1

, . Linearizering van fet karakteristieken

2.1 m.b.v. twee identieke transistoren

2.2 m.b.v. e~n transistor met tegerutoppeling

Inleiding

1. FET karakteristieken in het ohmse gebied

1.1 de junction fet 1.2 de metal-oxide-semiconductor 3.1 3.1.1 3.1.2 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3

4.

analoge vermenigvuldiger metinr;en Imrakteristieken FET TIX883 HOS RCA3N99 linearizering m.b.v. tegenkoppeling m.b.v. TIX 883

vermenigvuldiger met 2 x TIX 883 m.b.v. 3N99 Lineaire verzwakker geraadpleegde literatuur grafieken bIz. 2 3 3 10 13 13 15 16 18 18 18 19 20 20 20 22 23 27 28 tim 41

bIz. 2

Inleiding

In dit verslag worden de werking en de karakteristieken bekeken van veldeffect transiatoren; een formule wordt afgeleid voor de drainstroom.

De veldeffect transistor bl~kt in feite een

spannings-afhankel~ke weerstand te z~n. In bepaalde schakelingen

is deze weerstand lineair; hiermede kan een schakeling worden gerealizeerd van een analoge vermenigvuldiger.

Tot slot wordt een toepassing behandeld van de veldeffect transistor als lineaire verzw~u~er.

bIz.

3

1. FET karakteristieken in het ohmse gebied

1.1 de junction veldeffecttransistor

In onderstaande figuur is de algemene situatie weergegeven:

"<t~

- t-+.:...---..-,...---"T - ---

--p

..

--_

""

.--+

t---

-fig.l model van een p-kanaal junction fete

Leggen we tussen drain en source een spanning aan dan lopen

de meerderheidsladingsdragers, de gaten, van source naar drain. Het.blokje p-germanium werkt als een ohmse weeratand. Legsen we

tussen de gate en het blokje een sperspanning aan dan ontstaat over de p-n junction een ruimteladingsdubbellaag waarin zich geen

vr~e ladingsdragers bevindcn. De effectieve doorsnede van het blokje wordt hierdoor kleiner of: de weerstand neemt toe. De stroom zal afnemen. Tengevolge van V

DS is de sperspanning niet konstant en daarom heeft het fUimteladingsgebied een vorm als aangegeven met de gestippe1de lijn. Bij een bepaalde sperspanning zu11en theoretisch de ruimteladingsgebieden ell~aar ral~en en er zal dan geen stroom meer kunnen lopeno Deze spanning noemt men de pinch-off spanning,-Vp •

Shockley heeft in 1952 aangegeven hoe de deainstroom afhangt van

V

_DS en

Vas '

voor het geval dat de pinch-off spanning niet wordt

blz.

4

(1) (4) (5)

In het geval dat de sperspanning aan de drain en de source praktisch hetzelfde is heeft het kanaal een uniforme breedte. Als de n+

gebieden sterker zijn gedoept dan het p-gebied kan de ruimtela-ding worden bekeken als geheel liggend in het p-gebied. De poten-tiaal kan dan worden berekend met behulp van de wet van Poisson •

.

.J~::--

__

n_+_...;:g;.,.aJ:.e. _ ,,_ 0.

I

c:.Ou.rc.e

p.

-~_.~

- - . - --- - -- -

p.

dro..in

y

'-,-'----)C~O

veor Y(b : E(y)=O dE(y) _

e

---dy E.

- . - .

- -.

-~:;o.K---""" of

e

---

_e

In de buurt van y=b hebben we een evereangsz~newaarin

e

veran-dert van 0 tot

e

_{p ,} de ladingsdichtheid in het p-gebied.

We stellen nu: E(y) = 0 als y=b • Voer E(y) vinden we dan:

E(y) =

_ ep

(y-b) en de potentiaal wordt,als we de gate aan aarde

.e

y

1~~Y_b)2

- <a-bl2]

legeen

.

.

v=

-J

E(y)dy =

-~j- ~P(Y-b)dY

= Q..

De potentiaal in het kanaal is dus V(b) = _->~(a_b)2 stellen we nu

i'1=_V(b)=~-~(a_b)2=(1_~)2.~- e~ =(1_~)2.

\'1

to a -Eo a e

waarin We de sperspanning is om de ruimtelading geheel in hot p-cebied te laten binnendringen.Stel nu dat de sperspanning aan source ell drain VI en \'/;-6\'1 is, terwijl 6W«W_o-i'J ,zedat het kanaal pra~ttsch kQnB_tanb:~_h!'eedteheeft, dan geldt:

J.=~E

_x

_x

,dus de stroom per eenheid van lengte in de z-richting:

g(W)E

bIz.

5

Als ~W niet klein is t.o.v. W -W verandert de kanaalbreedte. o

b is dan een functie van W:

W=(I_~)2W

dus b=a(l-\

~

)

a 0 ~

W

o

\ /Vi

\

f i

dus g(W) =2b<T = 2 Q"a(l-V w.) = go (l-V

W, )

o 0,

waarin g de geleidbaarheid is als W=O.

o

~ret deze g(\1) is nu de stroom te berekenen welke in het kanaal vloeit: de x-richting is G=g(W) L

,

W ~. D

"/3/

_\D

2 "1 3/2

_-·S

3

--dus

De geleidbaarheid per~enheid van lengte'in

W

_o

W

_o

I=j

g(W) dVI

=...:..Jg

(1- \

rv:

)dW L L 0

V

00 Ws,

W

_S

I.L

2

of

I _{. h ff=I als WS=O en VI =\'1 dus}

plnc -0' 0 D 0 I L 2 VJ

3/

2 1 0 VI 0 VI - =

-~

f

=

5

0

w

0 of go ₀ g 1 0

=

1~

~

_L W₀

...

---I i'ld VIS

[VIDy

Er voIgt dan - =3- -3 - -2 '

I

W

W

VI

0 0 0 0

3

2

We kunnen hiervan een dimensieloze formule m~<en door te stellen

I l 1J

VIS

I'

=1' 'D

-VI'

- - =\lS en krijgen dan

I VI - D Vi '

0 0 0

I'=3W

_D

-2W/:;3/2- 3V/I 2\'1,3/2 " S S

Daar we beneden de pinch~off'spanningwerken zijn I' W

_n

en W

_s

• kleiner dan L We kunnen hierdoor deze formule als voIgt benaderen:

2

= 2a-a

algemeen: 3a _2a3 / 2

=

a(3-2a~)

= a{3-2(1-(1-a)t} a( I-+l-a< 1 dus:

3a-2a3!2 "" a [ 3-2 ( I-HI-al!)

de formule voor

I'

gaat hierdoor over in

nu is _WS=VG-VS

}

V G V

s

VlD=VG-VD

~

W'S =

--

+ -V V P P VI

=

-V 0 _P

W'

V G VD =

--

+ -D V V P P I I I ₌ -1 0 bIz.

6

Ieggen we de source aan aarde dan is VS=O. Invullen Ievert nu:

I 2

~

V G VD

~

-

~

VG VD

_~2

_

~

V G V 2

~

G - :

--

_{+ -}

--

₊

-

_{-2_} -:7 I ₀ V_p V_p V_p V_p V_p V p I

Uitwerken van deze betreltldng Ievert; 1=

V~

V

D { 2(VG+Vp)-VD}

p

of: _{I = KVD { 2 ( VG + VP ) - VD}

1

blz. 7

Verzadigingsstroom treedt op a l s _OlD =0 dus

d

V D

o

_{I D}

K { 2(VG+Vp ) -Vn

J

-KVn 2 ( V_G +V

_-VD

)K

-

=

=

d

V

_n

p of de stroom is dan :

We krijgen hierdoor de volgende

_In/VD

karakteristieken

- .- - - -~I---V9·o I I I I

,

,

_-:/~'-+--V9.-~Vp / ; ~":':-;----I--Vfj.

-1

V

p Theoretische karakteristieken p- kanaal junction fet, nega-tieve Vno

Bij tegencestelde V

D zal de pinch-off plaats vinden bij V

n

=

0 als we VG

=

-V

p m~{en. Evenzo bij VD

=

-Vp , Vn

=

-2Vp , als we VG

respectievelijk -2V ,-3V maken. Hierdoor ontstaan dan "triode"

p p

karakteristieken:

karakt~ristiekenp-kanaal junction

~Io fet, positieve YD·

Q

N.B. Voor een n-kanaal fet dienen alle spanning en van een tegen-gesteld teken te worden voorzien.

We kunnen de formule te stellen: blz.8 dimensieloos maken/door V G

v , - -

_{G - V} P

dit levert: I' -_{D -}

V' {2(VI

_{D G} + 1) -

VI]

_D

Hiermede hebben we de meest algemene vergelUking gevonden voor de

karru~teristiekenvan veldeffect transistoren in het gebied beneden de pinch-off spanning.

Het is nu interessant te kUl(en naar het verloop van het ruimteladings-gebied bU verschillende waarden van de spanningen. Op bIz. 8a is dit verloop aangegeven. Opgemerkt kan hierbU nog worden dat als de spanning tussen drain en source nul is en de spanning tussen gate en source -V

p

het kanaal geheel dicht is. In dit geval is het exacte pinch-off punt bereikt.

Wannecr er een spanningsval is tussen drain en source en de spanning tussen de drain en gate groter is dan V ,zal het kanaal niet geheel

p

dicht gaan. Als oorzaken hiervoor kunnen worden aangegeven:

1. Doordat er nu een veld aanwezig is in de x-richting zouden we de wet van Poisson in twee dimensies moeten gebruiken. Ditis bU de afleiding hiervddr in het geleidelUke geval niet gedaan.

2. De beweeglUkheid van de ladingadragers is een functie van de veld-sterkte in de x-richting.

3.

Door de grote elektronendichtheid bU verzadigingsstroom zal door de elektronen zelf een veld worden opgebouwd loodrecht op de bewe-gingsrichting.

blz.

9

Gebruik werd gemaakt van de junction fet TIX

883.

Dit is een n-kanaal fete

Deze \~kt in constructief opzicht enigszins af van het hierboven beschreven eenvoudige model:

I ~ou..Y'c.$.

I 1'1+ I

ot

n n+

.

,

---

--~.~

P+ go-teo I

Bij aanleggen van de jUiste spanningen wordt het verloop van de ruimteladingsdubbellagen als volgt:

D

_o

De gatestroom bestaat alleen uit de lekstroom. Deze kunnen we verwaarlozen. Bij sturing van de fet op de gate is de ingangs-impedantie derhalve zeer groote

Als symbool voor de junction-fet wordt gebruikt:

blz.10

1.2 De Metal-Oxide-Semiconductor, M 0 S

(6)

Een model is aang~geven in onds staande +!go.te

p

Tussen de gate van metaal en het blok p-halfgeleider bevindt zich een di~lectricum Si0

2•

Als een positieve lading op de gate wordt gedrukt door een positieve spanning aan te leggen zal een negatieve lading worden ge!nduceerd aan de andere kant van het di~lectricum­

oppervlak. Als deze lading groot genoeg is wordt het p-type

oppervlru~ n-type door inductie. Dit n-type oppervlakte kanaal· eindigt in twee n+-type contacten, de drain en de source, en er kan een stroom lopen tussen deze electroden.

Dit is een mos van hat enhancement type: het kanaal wordt groter b~ hogere +V

G•

Het is ook mogeljjk dat reeds van te voren een n-kanaal is aan-gebracht. Door een negatieve spanning op de gate zal dit kanaal dan nauwe~ worden: Mos van het depletie type. Dit type kan

-.

veelal oak gestuurd worden met een positieve gate spanning, waardoor het kanaal groter wordt.

We willen oak voor deze Mos een uitdrukking vinden voor

I D

=

_{I D ( VG,VD ).}

We beschouwen hiervoor het volgende model van een enhancement metal oxide semiconductor:

1

blz.ll

I

.

I

x:L

\~e veronderstellen de capaciteit over de isolerende laag konstant. onafhankeljjh: van V

G• Noem deze CG•

~en spanning V

G levert een aantal lading en A N(x) per

opper-vlakte eenheid op de gate. Deze leveren q Coulomb per ladings-eenheid ge~nduceerd in de halfgeleider. De geinduceerde hoeveel-heid lading per oppervlakte eenhoeveel-heid is dus q. A N(x)

De capaciteit per oppervlakte eenheid is

"

Algemeen geldt voor de stroom in een halfgeleider I = n.q.~.Ex

n=aantal ladingsdragers in een doorsnede per een~heid van lengte in de x-richting.

Veronderstel het totaal aantal oorspronkelijke ladingsdragers N • De stroom hierdoor veroorzaakt is dus:

o

NoqP.E

L

Door de extra geinduceerde ladingsdragers ontstaat een stroom:

I

2 = AN(x).w.q.~.E

Totale stroom door_een oppervlakte ter plaatse x

-: .i .' ~. ~ met

A

N(x) = dV x dx '

..

blz.12 De totale stroom kr~gen we door integratie:

i. L.

/

q}lj [

CGCVG-Vx

»)

dVx dx I dx

=

~ No +

o

0 q dx

C[N

_{_~~}

2)'

__ JolG Cloq of 1.L + V G ) VD L C G

Voorde term --- kunnen we invoeren een spanningNoq

C G

Vt stelt dan de gate spanning voor, nodig om een drainstroom te kunnen laten vloeien.

schr~ven we voor -V

t : Vp dan vinden we dezelfde uitdruW~ing

voor de drainstroom als bij de junctionfet:

Gebruik werd gemaukt van de RCA MOS 3N99. Dit is een depletie

n-l~anaal mos. Enkele gegevens hiervan:

v

_DSmax

=

32 volt VGSmax

=

-6/+2 volt

v

= -1/+2 volt V = -0,3/+32 volt

Gsub Dsub

I

₌

15 mA P

=

150 roW

Dmax max

Input impcdantie: 109 i-1ohm

Vanwege de zeer hoge input impedantie dient ervoor gewaakt to worden dat geeft statische lading op de gate komt. Hiervoor is het noodzakelijk dat de electroden kortges1oten z~n als de transistor zich nog niet in een schakeling bevindt waarin zich 1ekweerstan-den tussen de electro1ekweerstan-den bevin1ekweerstan-den.

clroJn

to)

blz.13

2. Linearizering van FET karakteristieken.

Twee methodes z~n bekeken om de fet karakteristieken beneden de pinch-off spanning te linearizeren.

2.1 Gebruik makend van twee identieke transistQren in de

volgende schakeling:

+

algemeen geldt:

voor de eerste transistor:

I

D1

=

KVD {2(VG + Vp ) - VD }

voor de tweede transistor geldt:

VG

=

VD - V

p dus:

I D

=

KV

_{D {}

2(V

_D

-V

_p

+V

_{p ) -}

vDl

2

2KV

_D

(V

_G

+

V

p) In dit geval is I

D dus evenredig met VD en heeft een helling bepaald door aK (Va + V_p).

blz.14 I D

=

KVD { dID

-

=

o.

dV

_D

2(V G + Vp)

.,

- VDJ _• Verzadiging treedt op als dID K [ _2(VG

~p)

_{- vDJ -KVD} 2KV_G + 2KV_p-2K.V_D

-

= = dV_D + dus als V~+V

=V

D I;r P

of _{voor I D geldt dan:}

ID=KV~

doo~ de tweede transistor vloeit dus juist de verzadigingsstroom. Deze curve is aangegeven b~ de karakteristieken.

fToodzakelijk voor deze methode is dat de karakteristieken van beide transistors gel~k z~n. Ook dient de waarde van V exact

p

bekend te z1jn. Het blijkt moeilijk om deze rechtstreeks te bepalen. Bepaling met behulp van de formule _ID=KVD 2(VG+Vp)~VD geeft geen precieze uitkomst daar dit een benaderde formule is. Daar b~ de afleiding hierboven van deze formule gebruik is gemaakt zal ool\: het resultaat van de gevonden formule I

D=2KVD(VG+Vp) slechts een benadering zijn.

Experimenteel werd deze schakeling door mij niet verder onder-zocht.

blz.15

2.2 Linearizering met behulp van terugkoppeling van de drain spanning naar de gate.

(3)

1 De drain-source impedantie is nu lineair en bedraagt V In dit geval is V G

=

E_G+...E.₂ voor In gold: In = KV_d

t

2(V_G+V_p)-Vn

J

+

We kunnen nu ook negatieve waarden van V

_n

toepassen wat

duide-l~l~ wordt Qlc ~c tot ~crloop van hat kanaal bek~ken in de halfgeleider:

R

R

Als V

D positief is heeft het kanaal een vorm als aangegeven met de ge-trokken lljn. Verbinden we het punt

A met aarde dan behoudt de gQte al-tljd dezelfde potentiaal blj verande-ring van V

D .De pinch-off heeft b~ positieve V

D plaats aan de drain. Wordt V

_n

negatief dan zal het kanaal, als de fet symmetrisch is geconstru-eerd, een vorm hebbeh als aangegeven met de gestippelde lijn en de pinch-off vindt plaats aan de source. De In / V_D lcarakteristieken zul-len nu dus gelljk zljn aan de -I_D / -V_n kar~~teristicken.

De verzadiging bepaalt het gebied

•

waarin we kunnen linearizeren. Dit of

V

n

=

2(EG+Vp) , en het punt sym-metrisch ten opzichte van VD=O :

blz.16

Tevens moeten we b~ de junction fet voor ogen houden dat _Va

alt~d negatief moet zijn t.o.v. 'V

D en Vs •

dus voor positieve

V

_n

V D EQ~ V_D of V

<

-2E

-2 D a voor positieve V s

V

_s of V s <-2Ea - - _{Ea < V}

_s

2

als punt h is geaard dan is VD=-V

s dus voIgt uit deze

voorwaar-den: of

2E

a

. I

R dientgroot (groter dan 2 Nit) gekozen te worden opdat daze

weerstand veel groter is-dan de weerstand tussen drain en source.

2.2.1 Met behulp van_twee identieke~op deze wijze

teruggekoppel-de,fets is het mogelijk een anaIogevermenigvuldiger te maken:

" " " - - - v

""...---b1z.1? a1gemeen: dus 1 1 = KV1 ( -2EG 2RI1 - 2V2 +2V_P ) 1 2 = KV1 ( -2EG - 2RI2

+

2V2 +2V_P ) 11- 12

₌

_{KV1 { 2R} ( I 2 - 11 ) - 4 V2

J

of -4KV,V~ I_{1-1 2}

_{= - - -}

.J. c.. 1+2RKV 1

v

_o =

-4KR

L dus

Later zal bIjjken dat 2RKV

1

«

1 •

Gebruiken we \usselspanning voor VI en V₂ : vI en v₂,dan kan i.p.v. de twee weerstanden R een spoel worden gebruikt met middenaftakking. Dan ge1dt: VG =tvI-EG-v2 en VG =~vI-EG+v2

1 2

v

o= a(iI-i2) t a bepaa1d door de zeIf-inductie van de spoel,

en dus _va

₌

_{-4alCvI v2 •}

Hiermede zou dan dus een vermenigvuldiger zjjn gerealiseerd.

N.B. Bjj gebruik van MOS-transistors is in principe de voor-spanning -E

G niet nodig,als deze zowel met positieve als met negatieve gate spanning kunnen worden gebruikj.

blz.18

3.1.1 Kar~tteristiekenvan de FET TIX ~83

Deze werden geschreven met een x-y recorder. De volgende schake-ling werd gebruikt:

,....---r---~+

Daar we voor de nog volgende experimenten twee identieke transis-toren nodig hadden, werden er twee uit ~f beschikbare uitgezocht met nagenoeg dezelfde karakteristieken.

Op grafiek 1 zijn de karakteristieken voor positieve en negatieve V_D aangegeven voor de fet genummerd 10.

Grafiek 2 : de kar~tteristiekenvan de twee uitgezochte fets 16 en 17. We zien dat het pinch-off punt moeilijk uit de crafieken is afte1ezen. In de veronderstel1ing dat de formule ID=KV

_{n {}

2(V_G+V

p)-VD

I

een

goede benadering is Imnnen Vie hiermee, door invul1en van anke1e

-3

1,95.10 =K.l(2V -1 )

P

• voor fet 10 ge1dt dan:

~3

.

4.10 =K.2,5 (2V -2,5) p

v

= 4,7 volt p K = 2,3.10-

4

A/V2 waarden, V berekenen. p

neem VG=O volt VD=2, 5 volt }

-3

ID=4.10 A

We kennen hierdoor in ieder geval de grootte-orde van K, welke we later nog nodig zullen hebbeh.

j

I

blz.19

3.1.2 Karakteristieken van MOS RCA 3N99

Grafiek 3 geeft de karakteristieken voor positieve V

D•

In de technische gegevens van deze transistor is aangegeven welke de maximale spcmningen mogen zijn tussen de verschillende e1ectroden. Voor de drain-to-substrate spanning wordt opgegeven

-0,3

tot +32 volt. Het is dus niet mogelijlc om de karakteristieken voor negatieve V

_{n '}

kleiner dan -0,3 V te sfhrijven.

Daarom werden afzonderlijk de grafieh:en geschreven voor kleine

~vDj

en weI voor -0,2

<

_VD

<

+0,2. Zie grafiek

~

•

Hiervan wordt later,zie hfdst.4,gebruik We zien dat deze karakteristieken praktisch

(

52)= constant

hID

V,..,=constant

\:J

rechte 1ijnen zijn;

gemaakt. Henadering voor V en K p ID=KVD{ 2(VG+Vp )-VD

1

BlJ·· V -0_G- volt V D=2 V I D=3 rnA V

_D

=1,25 I_D=2 rnA 3=K.2(2V -2) p 2=K.l,25(2V -1,25) p

1

V = 7 volt .p 2 K =1,25

A/V

blz.20

..2.d

Linearizering met behulp .van terugkoppeling.

3.2.1 junction fet TIX 883

Tlxaa3

looA

v

De parallelschakeling van de twee weerstanden van 3,9 Mr.kaan de fet wwerstand beinvloedt de schakeling niet omdat deze weerstand van 7,8 Mr.Lveel groter is dan de weerstand van de fete De spanning over de weerstand van lOOn. is dus ook evenredig met de drainstroom omdat de stroom door de fet veel groter is dan de stroom door de weerstanden van 3,9 M.n.. Voor de schakeling gold de rormule

I D=21\:VD(EG+Vp) • (zie 2.2) De krommen zJjn weergegeven op grafiek

5.

Met een stippel1ijn zJjn de verzadigingsl~rommen,VD=t2(:SG +Vp)

aange-geven. Vie zien dat de l-:ara.kteristielcen pralctisch recht zijn voor -IV

<

V

D

<

+1 V •

I=acVDEG + 2KVDVp ; o~ constante V

D moet ID dus rechtevenredig zJjn met E

G• Op grafiek 6 is dit verband weergegeven. Tevens zijn weer de verzadigincS1Jjnen aanbegeven: V

D= t 2(EG+Vp). Voor E

G= -3 ± 1 volt en -1 (VD (

IV

is ~ieraan redelJjk voldaan. Dit gebied kunnen we gaan gebruiken voor de vermenigvu1digcr als beschreveu in 2.2.1. We zullen de voorspanning E_G daar

-3

volt maken.

3.2.2 Een vereiste voor de vermenigvuldiger is dat de karakteristicken van de twee transistoren gelijk aan elkaar zijn. Ook bij de uitge-zochte exemplaren was dit niet helemaal hat geval. Door echter een kleine instelweerstand op te nemen als aan ~egeven in de onderstaande figuur konden deze nauvn~euriger aan elkaar gel~k gemaakt worden. De drainspanning van Fet 17 wordt door deze

weerstand name1ijk iets k1einer dan V D waren in een gebied van -1~ V

D

<

+1 V bij constante gate spanning aan e1kaar

b1z.21

van

FET

1~. Op deze wijze de stromen door 10 en 17 ge1ijk te maken binnen O,05mA.

2)C.

TIX 983

,

Afge1eid was V = -4KR

o • We nenemen nu zowel VI als V2

in het gebied tussen -1 ~ en +1 ~ omdat we dan in de lineaire gebieden werken ala bepaald bij

Mm

FET met terugkoppeling. (~.2.1)

Nu is 2RKV

1

«

1 want :

_-4

R=100 ; V_max.=1 V ; K=2,3.10-4 j dus

2RKV

1=2.100.2,3.10 =0,046~<1 , zodat we deze term kunnen

ver-waar1ozen;

Op grafiek 7 is het verband geregistreerd tussen V

o en VI met V2 is constant; op grafiek

8

het verband tussen V_o en V₂ met V₁=const.

theoretiscftzouden dit rechte 1ijnen moeten zijn. De nauwkeurig-heid is echter niet beter dan l~b.

De voornaamste oorzill{en hiervan zijn

- de formule ID=KVD{ 2(VG+Vp )-VD

l

is slechts een benadering.

- de karakteristieken zljn ondanks ba1ancering niet aan e1kaar gelljk.

blz.22 Karakteristieken MOS

3N99

met teru&toppeling.

v

IOO.n.

1. Voor positieve V

_{n :}

grafiek

9

2. -o,2(V

_n

(+0,2 om dezelfde reden als ve[meld bij het aibrijven van de gewone karakteristieken (3.1.2). Grafiek 10.

*'

Om redenen van symmetrie (zie 2.2) dienen we nu het subatraat te laten zweven.

- - -

'

-De verzadiging geeft ook hier weer l{et gabied aan waarin we kunnen linearizeren. V

_n

<

±

_{2(EG+Vp ) Vp} s::::J 7 volt.

Speciaal voor het bebied van -0,2

<

V_D

<

+0,2 zien we dat een zeer gaede lineariteit is bereikt.

~et de MOS is niet geprmbeerd evenals met de TIX

883

een verme-nigvuldiger te mmten. De spreiding in de transistors van hetzelf-de type is hier in feite te groot voor. Theoretisch moet het echter mogelijk zijn.

Wanneer we de beschiluting zouden hebben over een type MOS dat bestaat ui t twee transistors op Mm substraat dan zijn de h:arak-teristieken waarschjjnljjk veel meer aan elkaar gelijk, terwijl boven-dien temperatuursverschillen minder invloed zullen hebben.

Hat is bij de vermenigvuldiger met MOS transistors in principe mogelijk om de voorspanning EG=O temaken, daar de transistors zowel negatief als positief op de gate gestuurd ku~nen worden.

b1z.23

4. Een lineaire verawakker m. b. v. een HaS. (

6)

Zoals we gezien hebben uit de karakteristieken is de drain/source weerstand van een fet afhankel:ijk van de gate spanning.

De weerstand wordt grote~naarmateVa negatiever wordt bij

een n-kanaal fet~ Wanneer de ID.~rD kara~teristiekbij ccnctantc Va een rechtel:ijn is vorm$ de fet een gewone ohms~ weerstand. Hiermede kan dan een verzw~{er worden geconstrueerd~

--. "D

V

o

Mits de ID/V

D karakteristiek recht is,za1 geen niet-1ineaire vervorming optreden.

R

fet is te be!nvloeden door de gate spanning

te veranderen. Hiermede is dan dus ook de verzw~tkingin te ste11en.

grafiek 11.

Het verband tussen V G en

R

is uitgezet in De lmrah:teristieken van de 3N99 waren voor -0,2V (. V_D

<

+0,2V rechtc IDnen. Eerst werd de weerstand bepaald van de fet voor verschillende waarden van V(' m.b.v. grafiek 4.

," (volt) dV D V G R = _

(Kn.)

dID -3,5 _13,3 -3.0 2,6 -2,5 1,11 -2,0 _0,834 -1,5 _0,714 -1,0 0,625 -0,5 0,572 0,0 _0,540 +1,0 _0,498 +2,0 _0,455 +3,0 _0,425

blz.24

Tevens is hierin uitgezet R=R(E_G) voorde fet met teru~toppeling. De weerstands-variatie bedraagt hier slechta een factor 2.

( E_G mag niet mear negatief worden gemaakt vanwega de beperkte maximale spanning en tussen de gate en de source )

_,

Derhalve ward slechts gebruik gemaakt van de niet teruggekoppel-de fet~

,.

V. = 100 mV eff. dan V. = 0,142 mV. Dit is k1einer dan 0,3V

l l

en dus toegestaan. Om de verzwrutker niet te belasten werd er een versterh:er achtergeschakeld met zeer hoge R.

l

.

-)

'"

1

lMn I_I< ~---~~I'N~+u,S'I

Deze is ingesteld in het penthode gebied van de ka-rakteristielcen.

Van deze versterker werd de frekwentie -karru~teristiekbepaald

-

---voor V. = 100 mV. Zie grafiek 12.

l f (Hz) V (volt) 0 10 1,25 20 1, Ll-5 30 1,48 100 1,48 500 1,48 1000 1,46 2500 1, Lr5 5000 1,42 7666 1,38 9000 1,33 11000 1,28 13000 1,23 16000 1,15

blz.25

De versterldng bedroeg dus bij V. = 100 mV en f= 500 Hz

l.

1,48

= 14,3 of A

₌

_{20 log 14,8 = 34 dB •}

0,1

op een oscillograaf was geen vervorming te constateren. De me-tingen aan de verzww{ker werden m.b.v. deze versterker en een buisvoltmeter gedaan: 1001<4 o,'1~F

...-t

ll--'NV'----::::r---,+I 1t1 3N99 3N99 Vi = 100 mV

:r

= 500 Hz V_g ( volt ) V₀ ~ volt

)

- 1,0 0,010

-

2,0 0,012 - 2,5 0,015 - 3,6 0,025 zie grafiek 13. - 3,26 0,042

-

3,49 0,096 - 3,54 0,125 - 3,59 0,17 - 3,73 0,38

-

3,78 0,55 - 3,86 0,83 - 3,91 1,01 - 3,94 1,08

-

4,02 1,22. - 4,07 1,26

-

4,12 1,28 - 4,2 1,32 -4,3 1,33

- -4,5

1,34 - 5,0 1,34

blz.26

Zetten we nu V

o logarithmisch uit t.o.v. VG dan kunnen we er direkt een lineaire dB schaal bij schrijven.

Door aftrekken van 34 dB (de versterking van de versterker) hebben we een schaal voor de verzw~ting die de verzw~~er

alleen geeft.

..

v

= 20101og_0_ 0,1 verz\'lald~er als V =0,1₀ A=O. dB -34dB V =1,0 A=20 dB -HI-dB 0 V =0,01 A=-20dB -54dB 0 zie grafiek 14.

blz.27

Geraadpleegde literatuur.

1. A unipolar fieldeffect transistor.

proc.of the I.R.E. , nov. 1952

W.Shockley blz. 1365/1376

2. Fieldeffect transistors - an introduction. D.F.Dunster

electronics and power, dec. 1965

3.

Operation of a MaS-transistor as a variable resistor.

A.Bilotti proc.of the I.E.E.E. aug. 1966 blz. 1093/1094

4. Collegedictaat Transistoren I en II prof.ir.L.J.Turnmers

uitg. Technische Hogeschool Eindhoven

5. An analysis of the characteristics of i~sulated

gate-thin-film transistors. H.Borkam and P.K.Wiemer

RCA Review juni 1963 blz. 153/165

6. Fieldeffect transistors, Physics, Technology and Applications. ed. J.T.Wallmark and H.Johnson

r

_I ..: .! ": j , - - : - - _...- . : ,

'.-c--r--T-i--r:-

~~_.

:...

~

__

~-:F:l j. , : i· : : 1 . . . i '.c -:---

i-

·_~---t=--:r

----..

--,----~ _ •... _. I ::

.,.

, j i f " L_. ,j , ---1---··--,··---- ---"' .._"j.

--_._-

~--~--+~~-

;._.

, - j - ' :.- ."~l---~ ! I 1.~_.

~ --,~

--,-:---

:l--r

i ---,- ---,---

---:r~I--T~'--T-:- '!~--; i , :- -I'--:-~' ~

-:

~ ':i--;~-i'

t

~

,

~

i i ." I ' !

.!::

I :_

f':1

i :

I",

i

:!.."

i,

~

I" j

'm' "

I:'

,t-

₁

~

2!

8~:

00: ' .'! :';

l.l X _L - --..r

"-/---:---1--; "

-~--,-,;",-

--.. ---- --'-

-1. - - - ~_.o Z.

~ I ,>: : 1 ,'.' '::

I . , . '; :'

':,i' r:t1.~·

II,: ::;,:::", .,'., .

I,

.::;':!,I

~

i t '

I'; -1"

::::i"

1 - ' ; '

i--' .

j'.,'

.~:-:

-;-Lllll;" ':':

':::i:':1 -:~~ :~-T-:-' '~;-~;:i

r~'- ~ ----~

.:" \

~.

:::

;:>:-:+-'I-~+:-~

::::1::::

::::J;:;;

::i;hi~~:ii';::'

::;:

;im::

,'I: :;:: .

lj;f:' :::':::\;

i[:;I::'!

J

--- -....__

L....--._ --.- ...[ .... - ...1. -. --t·-·· ..

-·1....---..-· .----, __

~.----u.Li..-_."C-'-'-., .~J.,-,-~_

..,._"

-'n'" ....,~..

-•.•-~-' ~

--- ,-·.r-f·

~- ~-~'i' d:.:,::T::r~-~~i~r:;(··:::::

l:.·

':f It.

·:~:·:.:,!:l: ~::·,r(:ji\l: :':T:~i,:i:i::I~'

I'~.

I

:~.~

.

--'I~-I

·l--t-·-!-··

.-00-j _.L , - ...•

-.-.1,.--\ ..

..I--.,-,.- ...

-~--

--"'f

·'·'1"-"71~·1·"!1-'--· ....,..

1"-1,,"

~

.

~ -.~;[r ,._~~.

~:~i1c,!,:~

i·

,'W

f

""',

I."

I ,

',E I

"'I" ':

± "

T

I

"li"'ij4"

'1",,,,1

1

1'1'1,,,,1-',""'1"'"

,-

C'f"~:JW'

-: :.

Pr,." :','

~~

I-t

~+I~;':'+:f:iiiCJr0~~~:.iw~,.m:'it;I,,~,;,

."f-'

~,-+-+----_·--.-·_·T·

I

til "',' :to.' ..._T ..'G_t ". _:j "I.:

-~··--~r~1

I \

"

""-I "

I

j:

J:-" ,i ,I I

t

--i:-~-;-~---

-: . . . J. . -j i ! , , "1 , , ! ...-~_.--;-~ i:'c'-I , ,-, I

---1---:

i ,

---1-:--

-t-I ' , " 1 -_ -_ C-I ._+-

,---t--

_,

,

I __ ---L-. I ,-:

--!

-l _ I I i -r-",

---1---'-:--\. , I ' I , , ;.---, - - _...~ I 1 ··~--t:--~ ! .__ .. 1- _ . -.. _ , I

__ .. J

I _ .... _l " I ~_:_; ---~

! I _: -. • -- ~ i i -! _. , ',' i

-i .- _,~ I i ..__ .. f· :__:-'-]-,'-' ---;---i j, , .. L _ , I ----1'---" I ~~--.:._. I . I 1 .. - i ; , , , , ' ,

_··+·':-·~·--1'-L_L I

I ,: : -L~-~-+_{I ~ ,} ---;_ ..--:-- 1 . .

;

.. ~.-..-,.

J

:1-I .. I I , ··-r-·--··· 1 i - : i I· ' , ' " '--1-,---1- . --'~----'1

'I'

:'-i-

i

--

i- : I I ; : --:lC-i~--: l~---i

JLj-. 1 - - ; - - · ·_\ ... _

I

', :"

i - , ..t---"----.--. I :

I .

!_~+~~~,

L . I

.-.-.

--~r·-· , :[ . ;--.

-,

. ! ., i !

i

T ! i .. i :1 ..t ~-'f-'-.-:--~--.-'~--'1' i

I

_[ I 0 ' I i

.---I.

',' i i .j. ! . _.;1.. , i

"1""

i ,, ! •j ... _-I ..~ ._-! ----:-~. ! i'. ," I _..

,

.._....:. -!

H~~fIJ-'T., •••

I,.•.

!.;:,"L~

u'·

,i ...

~

. : , ' !

r ..

'''''.

.

I.

- 1 ' - ' -.-.

-i---··-"-:-. _ : .::'I":

-i-

::T--r'

'_~j,~~~.

__

i_

:

i.; .

I.

, , :

'-:-':--"-~

- I .:- - -

_.~--.:--':~

I;

-.~-

---'-'-__ ... ---'-'-__ .. ---...:-.-1 1

.----+.:-...:-

..

I

I '

---'1"

!:-tt~"Al~~~·_-T---

I i . , , ' I I

1---

I ' ",' i , . !" . I "

·..

·rt~+AW~~·-j--'-_·:

I i . \, ..

I,,,

·1---- .- .. - L ' I_l I" I ' \-- - -I I ' '

___

~

_ ._ I L ]:: I'i' :.1 "'1 ' .' :ii-:- ..i,-..t ;-: .'::1;;:":'" .I ' 1 : : - '·--1 .-_.

~-

I

: ' " '.;," '", ;."., .1,:, ::,

",I: ,,::

:,::r _":

"-:-:I;~'~,

I ' :1: .. _' ' : : '

\ _ ..;--+l:_..

I..

!:~JI.~

..

!~!~lj.:i!.,.l!;"':I,:

I:"

--±

~I

1_<1 '

JR"

1'--1

_ _ I 1. 'I",' I t - t ", : J':

I

-["

~:-:'''I:::i

J!-l....!; :c..l._ ' '';.: ,:')'

t1~

I'~-·-, I .:,

I ., ,'. " .

': ",

i ' I . :

n, ....:

i;' -h-- -.. :. I" ' .'1! : , / I 1

, . ..l

~~;

L.:, : .: ::

illli: ,.:; -: Iji : ")" C-i-

~_.J~::

:'.

:-;--r·

~.

-'- .:

'

,,: :: cc-+= ;;.,,,,,,'

_,.".ce,'"

_{"I';P;'" ,.}

~~i:;i

:"

< ':,:

",r.,,,,,,..,,.,,,..

l' L;

'!

:'1 . ':

_{1. " , •.}

~~'

_!...

. ','

~L.'I'

~-i',:

_..

_I'"

'.

_0"

+-.: ..

_,,'1--- --'Of

',. C.'c...

:~.,L",

L,' "',

!"lli."

I'±. ]11 'II' .,., ., ',:::,' , .,.... , .'. "',' ...,·1 .. ,;-C' .

yo'

I ... · _. 2" "'. - ,•

., ,.. i""

I " ,"

"J

'C'

';,i""

h

"i

~.

",

'!I"!' .'. ,I,' .

Ji .. ,..:. :.:: .., .,,":,'

,.1"

',1 .,

t···

··1

-:L>

I

~,~

',I': ::

1S

_{1::: I:'}

leT

~:ii~

hi

~~';ft '!!:':~

;I:: .'

j"LL '; . : '

"tj,"

.i ;: --1 .-:-j':-::--!::-;-:Ji-

.c)~.,!

'I :\11 1::1

I:'"

!

1.11.,

I"~'

::.1. .

.1'1_ ,,"!'

;:,:1·· . " ... '.

.1, --

--7~"--

·1.: ..

1 ·:

; ',I . \: :::.'j ;::,

:1,iV

'L'

T:";I:':- .; .•... : :',:11:: : ,;'i: ;1, ::,' "':1 "1 "i'l ,.'" .:. "', ·,·1·' ' ,: ....

. . . , , ... ,., ,. ,,,,,,,:,1 ', ..'i: '," ' i : ' ",. ,'" ...t' :'i. " ' . ' . " '. ,- . ' I · i '

, i'

I.

1:.__

ii.tI:., -,

---~:.:

'I, '.i.Ji :'i';" II, il. :\,

"i

it .. ";' --.: ,,'

H'~-

'i"j"';'

I I ' - \ _ . ,

.:;: f-.

_,~ 11::,~.i~I'

'I ;" !,,'17 .

,,.~~;

.,-,:".,''..

,0.

i /';" ., .. "

"'l''':I' - ..'\::

.J' : ' j

.' '

i::.:mn~

. ./.

1.." .. ",1,1', ,1,;1",[:1" , r cc... · · - ' .. , . . . ,'. ' ; ' I , ' : __ .J .'. . _ .'

l.l.l.:1;~j,~,.;),

!':ii,,;·i.ijJ -:I';m!:

"Ul

,:~::,.'·.';,:.l,

'::! .!

~

':.': " i

;'~~F':I

:4-; ,.: ..

:-'~~

" I :

_.< , L.:.__":1.l" . " J ! : ':1"";:: 1 - , '1'- "'I'" 1·"1 .',

I

1 ' 1 "

__ __ ,_:..._:.:.1:___

~il'::.L'

___ - - - ! - - -,: _._~_l. .~-L~I'·'

:,.j'

I __

I·

.~.

f

1.

1 :_L__J.~:~ _l_~

i

.I

'j

,-'\ I ... _.--1 I ; , _, , I .._--..._.-~ - :..---,.---~

i ".1 , . .- -_._., i J 'I I " --. - ··t . -_. ---"-1

.\

I

.. ---1 I , I ' f ~

i '

!. ; ; . i

i . \)

~

--_:'+\---i - _.

--'-+-;~ ~

-... ,_.__..., I r I I I ""'t , , - , . ~ " - I ' : ;;: : '

i.-,1-,':!

~~

!

i

I~I ~--~ \. .--'---j , .-!- - I ~ ~. • ·1 ·I:~ ~ \ . ! _ _C ;'~~'-~-r~:~ ~

--:---!

i .

i ~ _. - " -- I .- .--- ---.~---,---1 , ' I

··.. ·:·::-·1

, 1 "'1

i

'J. ... : .•..._,...1 ,..::j

:Tl

. . .: i r

.:. I.- ..! I I i , i

, I !

I

... -- ---'--r---- _.

"!-~~-'~" -- - -..- -_ -..-.~-

r-- .:..

--1--:--' -_.~.. T-:--- i:-:j:-:~,1 .__. 1 , --' - : ! - ! . i , _

--~~

__

~.L:-~--L~~-

.

. ! I. :j' .. __ .. L __. · 1-,--,-";._--. , ' . . . . \ .. . J. ...j ! ...f I I , I · ' · " . . , _-'--'--'-'_j '_ l . - _..~:...-! __.~ ---.--~-1 , I • _._~.-1 ~ i i" ' - - 1 _... . 1 ! I --~ ii~-+---:-'---, . - I , ' :--- i i : ! : _!

....

, ,.~ .; '-D

---i

i --~-J ! ,

---J

~.'

I i • J , , r-':"" .:::; I I --..: I. i I. - -.-.. ---- .. --i • i 1 I 0'" I ----:-- ~-_. .• " ' - 1 , .---:-~_...:_-~

..

,i.,' ! .J. ' j ,

i--.-.~:..- :. , --" -,._-j I .[~. \ ,. , :::. .. j , ..~ ·1 ;-..-. j i . ;.. '.!: .~__L_ l i i ,I , '--r~r

-:

--~

---- ..'

. ! ·T--;:----:; --: . ... , 1 . 1 eo

•

! , , , ,i !

---t

_, , i " ., I' 0··.. - i ,i : .i . . j::~ ~: i .. 1. . . _- 1 . " .. I i '1'''1 , ! j i :::1

,:' ..

j~.~L~!-

..•:"

I ' . ..'j'" .

.---..l-.·-i---.:, .•

~:

. ! ..-.... I ' I " 0_ _ •,_ _. - '. _ . J _ .'

i ..

·~~i

..

-~---.:.-.-.~

c::: i ' ,

~--J.~.:_.J

_{, :., i '}

'

, I

.

, ... _1. . . I . ' , .-'I ....l--·i-~f---- -_.-:--~_:--' j -_.-:--~_:--' . I -~_, ,' I , "1 ! -;--- - - - _ ! I' i - ,- -.

-. j ---

j- -~1'-

-.- ---,

---·T-'

1 j ! ..i.__.... j ....~.. -- t

f+~----411~-~ _~

__

-1

,I i . . 1 . . ··-i--·'··· I i->'; . ' : . " I ! ' _ -I j T-·--" ' ! ! . '., 'i" ".' . I t - ----

~-:

-'---t--. - - . - - - -_j '1--_{, . .}

.c...,.,._~.

i!

i

j ! '

--~.-_.---I .. J: l.:_.:,i _.j..-. '!" i. I.~----:-· L.:._'

E E C'I '0 ~ 0 0- Z CO ,... -J:)

...

V C"'l C'I v di Qj > di C"'l E (; ~ C'l ·C:> :> ~ ('J L; .~ --" -"_:> 0 :> z ,. \ t r

[:

t

E E .5 ::!1 dJ dJ -0 4i > ~ '"

>-E E U"l N -<:> -0 'iii J: c dJ UJ 0 '":' -0 OJ dJ ~ dJ > 0. .E ~ '" X i i

I

i

I

ci Z L dJ dJ > 4i E (; 3: : ~ ::> ';: ::> u _I 4i I :L: _r ::0 1 4i ->< ->< I ::> 0 _I :>

I

:i I i

, ! i ' !

--r

--c---:-

-~-r--- ! ; i , ! 1. ..:..

'z :

, I 1,1 -,--- - I -··i---.·----· I _I ."'-'-.~--..:.':..-; i_._._ ..-... -,-- : ~ - - -.._. - ! .: i

',0

---IV _-

_o

(volt)

---~---,

_{_ - ,} . . I , ; . . ~ ! ' 0,9

----f--::~---i---~--

--i 0,8 ,i. i f 0,1 _- ...._:-;----:--:~-_•.._--...._--._...

-V

_j

("oil)

E E .!: :!? dl '" ~ dl > ~ N -D . " 'v ..c c dl W

r

_l

t

I