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Hochschule Kempten      
Fakultät Elektrotechnik      
Elektronik 3       Fachgebiet Elektronik, Prof. Vollrath      

Elektronik 3

08 MOSFET

Prof. Dr. Jörg Vollrath


07 Diodenschaltungen


Video der 8. Vorlesung


Länge: 00:42:10
0:0:0 Bis 9.11.20 Übung 1 Aufgabe 1,2 Übung 2 Aufgabe 3, WS2011 Aufgabe 1; WS2012 Aufgabe 2

0:2:40 Was haben Sie im Praktikum gelernt?

0:4:4 Reflektieren was sie gelernt haben

0:6:50 Abbildung x U Diode, y I Diodenstrom

0:8:18 Ergebnissicherung

0:10:12 Messbereich Oszilloskop Formatfüllende Darstellung

0:12:40 2 Perioden

0:14:25 MOSFET Was nehmen Sie aus der Folie mit?

0:14:57 MOSFET Anschlüsse G, S, D, B

0:17:59 Schaltsymbole

0:19:43 Funktionsprinzip

0:20:59 NFET Kennlinienfeld

0:22:21 Ausgnagskennlinie IDS(UDS) Übertragungskennlinie I(UGS)

0:24:54 Negative Bulkspannung

0:26:54 Drain und Source werden durch angelegte Spannungen definiert

0:28:29 Typen des Feldeffekttransistors

0:31:33 Kennlinien

0:33:10 Vereinfachtes Schaltsymbol

0:34:54 Schalter und Verstärker

0:35:54 Messaufbau für die Kennlinie V4

0:38:48 Gleichung des NFET

0:42:54 3 Parameter Uth, β , λ

0:53:8 Wichtige Kenngrößen, W und L

0:55:39 Schwellspannung

0:57:31 Beispiel NMOS Arbeitsbereich und Strom

1:0:49 Arbeitsbereich Nicht im Sperrbereich

1:2:2 Gleichung für den Strom

1:2:54 1 + λ UDS

1:4:36 Datenblatt Vt, IDS, GOS

1:7:16 Betriebsbereich

1:10:4 PFET Absolutwerte

Rückblick und Überblick


Elektronische Schaltungstechnik, Reinhold: Kapitel 6, S. 102-124
Microelectronic, Jaeger: Chapter 4, page: 145-216

MOSFET

  • MOSFET
    • Metall, Oxid, Semiconductor (Halbleiter) Feldeffekttransistor
  • Draufsicht
    • 4 Anschlüsse
    • G: Gate, S. Source
    • D: Drain, B: Bulk (Substrat)
  • Querschnitt NFET PFET
    • Substrat (Halbleiter) p n
    • Source, Drain: n+ p+
    • Gate: Metall, Polysilizium

    • pn Übergang
    • Metall Oxid Halbleiter Übergang
    • MOS Kondensator
Quelle Vollrath

Funktionsprinzip des NMOSFETs

  • Steuerelektrode: Gate
    • Überdeckt den gesamten Kanalbereich
    • Isoliert
  • Kanalbereich:
    • Verbindung von Source zu Drain unter dem Gate
  • Die pn-Übergänge von Source zu Substrat und Drain zu Substrat sind gesperrt.
  • Eine positive Ladung auf dem Gate sorgt für bewegliche Elektronen im Kanal.
    • Es ensteht eine leitende Verbindung zwischen Drain und Source
  • Eine Spannung am Gate steuert den Widerstand zwischen Drain und Source.
Source und Drain des MOSFETs sind symmetrisch. In einer Beschaltung stellt man anhand der Spannung fest welcher Anschluss Source und Drain ist.
Quelle Vollrath

NFET Kennlinienfeld

Querschnitt eines MOSFET
Ugs [V] Uds [V] Ubs [V]
0 0 0
Ausgangskennlinie

Übertragungskennlinie


Typen des Feldeffekttransistors

Die Kennlinie des NMOSFETs

Quelle Vollrath
  • Übertragungskennlinie
    • y-Achse: IDS
    • X-Achse: UGS
    • UDS=0/2/5/6V
  • Spannungsbezugspunkt: Source
Quelle Vollrath
  • Ausgangskennlinie
    • y-Achse: IDS
    • X-Achse: UDS
    • UGS=0.5/1.0/1.5/2V
  • Spannungsbezugspunkt: Source
Skizzieren Sie den Messaufbau

Die Gleichung des n-Kanal MOSFETs

\( I_{DS}= \cases{ 0 & \text{für} U_{GS} \leq U_{th} \text{Sperrbereich} \cr \beta \left( U_{GS}-U_{th} \right)^2 \left( 1+\lambda U_{DS} \right) & \text{für} 0 \leq U_{GS} - U_{th} \lt U_{DS} \text{Sättigung} \cr \beta \left( 2 \left( U_{GS}-U_{th} \right) U_{DS} - U_{DS}^2 \right) & \text{für} 0\leq U_{GS} - U_{th} \geq U_{DS} \text{Triodenbereich} } \)
\( \beta = \frac{\mu_n \epsilon_{ox}}{2d_{ox}} \frac{W}{L} = \frac{1}{2} \mu_n C_{ox}^{'} \frac{W}{L} = \frac{1}{2} K_{n}^{'} \frac{W}{L} = \frac{1}{2} K_{n} \)
Quelle Vollrath
Quelle Vollrath

Wichtige Kenngrößen


SPICE: Mxxx Nd Ng Ns Nb <model> [m=<value>] [L=<len>] [W=<width>]
M2 0 N001 N002 0 P_1u l=1u w=1u

Anschlüsse, Knoten, Geometrie
m: Anzahl Transistoren in Parallelschaltung

Die Schwellspannung Uth

\( U_{th}= U_{th0} + \gamma \left( \sqrt{U_{SB}+2\phi_F}-\sqrt{2\phi_F}\right) \)
  • Uth: Schwellspannung
  • USB: Source-Bulk Spannung
  • \( \phi_F \): Fermipotenzial des Halbleiters
  • \( \gamma \): Body Faktor

  • Graph:
    • \( U_{th0}=1V \)
    • \( \phi_{F}=0.3V \)
    • \( \gamma=0.75 \sqrt{V} \)
Die Veränderung der Schwellspannung mit der Bulk-Source-Spannung nennt man Bodyeffekt.

Beispiel: NMOSFET-Transistor

Berechnen Sie den Drain Source Strom für einen NMOS Transistor mit UGS=5V, UDS=10V, Uth=1V, Kn=1mA/V2 und \( \lambda =0.02V^{-1} \).
In welchem Arbeitsbereich befindet sich der Transistor?

Nutzbarer Betriebsbereich

Fragen MOSFET

PFET

PFET

  • Wie verhält sich ein PFET Transistor?
  • Querschnitt
  • Kennlinie:
    Übertragungskennlinie,
    Ausgangskennlinie

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09 MOSFET