Elektronik16 MOSFETProf. Dr. Jörg Vollrath15 Diode |
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Länge: 00:00:00 |
0:0:0 Diode 0:5:0 Leuchtdioden, Gleichrichter, 0:6:15 MOSFET 4 Anschlüsse Gate, Drain, Source 0:7:40 Heute MOSFET 0:11:40 MOSFET Anschlüsse, NFET, PFET 0:15:45 CMOS Transistoren als Schalter 0:17:45 Gleichungen des NFET 0:22:45 Wichtige Kenngrößen 0:28:0 Kennlinien 0:33:21 Parameterextraktion MOSFET 0:36:12 Bestimmung der Transistorparameter 0:40:10 Wurzel IDS, Steigung Wurzel beta, Achsenabschnitt Uth 0:44:28 MOSFET Transistor als Diode 0:46:50 Beispiel NMOSFET Transistor 0:52:43 Kapazitäten elektronischer Bauelemente 0:55:9 LTSPICE MOSFET Modell 0:57:3 LTSPICE Modellkarte 0:58:30 Transistorentwicklung 1:3:10 MOSFET als Verstärker 1:11:8 Kleinere Änderungen, Linearisierung 1:12:12 Großsignalverhalten und Kleinsignalverhalten 1:16:45 Kleinsignalersatzschaltbild 1:19:50 Kleinsignalverhalten: Ausgangsleitwert 1:21:50 Warum habe ich einen Verstärker? |
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![]() 2N7000, FDG6320C, 3N1637 |
![]() CD4007, ALD110 |
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Version 4 SHEET 1 880 680 SYMBOL nmos4 16 112 R0 WINDOW 0 65 15 Left 2 WINDOW 3 54 84 Left 2 SYMATTR InstName M1 SYMBOL pmos4 208 112 R0 WINDOW 0 66 21 Left 2 WINDOW 3 59 80 Left 2 SYMATTR InstName M2 TEXT -16 184 Left 2 ;G TEXT 176 184 Left 2 ;G TEXT 56 88 Left 2 ;D TEXT 248 232 Left 2 ;D TEXT 56 232 Left 2 ;S TEXT 248 88 Left 2 ;S TEXT 80 160 Left 2 ;B TEXT 272 160 Left 2 ;B |
Symbol | Eingang: Gate | |||
PFET Transistor:
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![]() | 0![]() | 1![]() | |
NFET Transistor:
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![]() | 0![]() | 1![]() |
I_{DS} = \cases{ 0 & \text{ Sperrbereich } \cr \text{ für } U_{GS} \leq U_{th} \cr \cr
\beta \left( U_{GS}-U_{th} \right)^2 \left( 1+\lambda U_{DS} \right) & \text{ Sättigung}
\cr \text{ für } 0 \leq U_{GS} - U_{th} \lt U_{DS} \cr \cr
\beta \left( 2 \left( U_{GS}-U_{th} \right) U_{DS} - U_{DS}^2 \right) & \text{ Triodenbereich}
\cr \text{ für } 0\leq U_{GS} - U_{th} \geq U_{DS}
}
\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} = \frac{1}{2} KP |
Übertragungs- kennlinie |
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Ausgangs- kennlinie |
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Übertragungskennlinie![]() |
Ausgangskennlinie![]() |
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\frac{I_{DS1}}{I_{DS2}}= \frac{ \left( 1+\lambda U_{DS1} \right)}{\left( 1+\lambda U_{DS2} \right)} \left( 1+\lambda U_{DS2} \right) \frac{I_{DS1}}{I_{DS2}}= 1+\lambda U_{DS1} \lambda \left( U_{DS2} \frac{I_{DS1}}{I_{DS2}} - U_{DS1} \right) = 1- \frac{I_{DS1}}{I_{DS2}} \lambda =\frac{ 1- \frac{I_{DS1}}{I_{DS2}} }{U_{DS2} \frac{I_{DS1}}{I_{DS2}} - U_{DS1}} = \frac{ 1- \frac{4}{4.4} }{5 \frac{4}{4.4} - 3} V^{-1} =\frac{1}{11} \frac{11}{17} V^{-1} =\frac{1}{17} V^{-1} = 0.06 V^{-1} |
\lambda =0.06 V^{-1} |
\frac{I_{DS1}}{I_{DS3}}= \frac{ \left( U_{GS1}-U_{th} \right)^2}{\left( U_{GS3}-U_{th} \right)^2}
\sqrt{\frac{I_{DS1}}{I_{DS3}}}= \frac{ U_{GS1}-U_{th} }{U_{GS3}-U_{th}} \left( U_{GS3}-U_{th} \right) \sqrt{\frac{I_{DS1}}{I_{DS3}}}= U_{GS1}-U_{th} U_{th} \left( 1-\sqrt{\frac{I_{DS1}}{I_{DS3}}} \right) = U_{GS1}- U_{GS3} \sqrt{\frac{I_{DS1}}{I_{DS3}}} U_{th} = \frac {U_{GS1}- U_{GS3} \sqrt{\frac{I_{DS1}}{I_{DS3}}}}{1-\sqrt{\frac{I_{DS1}}{I_{DS3}}}} = \frac{ 2V -1.5V \cdot 2}{1-2}=1V |
\lambda =0.06 V^{-1} U_{th} = 1 V |
\beta = \frac{\left( U_{GS}-U_{th} \right)^2 \left( 1+\lambda U_{DS} \right)}{I_{DS}}
\beta = \frac{4mA}{\left( 2V-1V \right)^2 \left( 1+0.06 \cdot 3V \right)} = \frac{4}{1.18} \frac{mA}{V^2} = 3.39 \frac{mA}{V^2} K_N = 2 \cdot \beta = 6.78 \frac{mA}{V^2} |
Typische Werte KP = 20..50 \mu A /V^2 KP = KN = 2 · β λ = 0 V_{th} = 1V C_{GD0} = C_{GS0} = 0 F C_{GB0} =C_{JSW} = 0 F LEVEL = 1 einfache Gleichungen .model Ntyp NMOS(LEVEL=1 KP=50u VT0=1 LAMBDA=0.002 + CGSO=45n CGBO=2n CGDO=45n) CD4007.model CD4007N NMOS(LEVEL=1 KP=500u VT0=1 LAMBDA=0.002+ CGSO=45n CGBO=2n CGDO=45n) |
Version 4 SHEET 1 880 680 WIRE 400 -96 400 -112 WIRE 448 -16 400 -16 WIRE 528 -16 512 -16 WIRE 288 80 272 80 WIRE 400 80 400 -16 WIRE 400 80 352 80 WIRE 448 80 400 80 WIRE 528 80 528 -16 WIRE 528 80 512 80 WIRE 400 112 400 80 WIRE 80 128 80 112 WIRE 272 160 272 80 WIRE 272 160 240 160 WIRE 528 160 528 80 WIRE 576 160 528 160 WIRE 160 176 80 176 WIRE 32 208 16 208 WIRE 272 224 272 160 WIRE 288 224 272 224 WIRE 400 224 400 192 WIRE 400 224 352 224 WIRE 448 224 400 224 WIRE 528 224 528 160 WIRE 528 224 512 224 WIRE 80 256 80 224 WIRE 400 304 400 224 WIRE 448 304 400 304 WIRE 528 304 528 224 WIRE 528 304 512 304 WIRE 400 384 368 384 WIRE 272 416 272 224 WIRE 288 416 272 416 WIRE 528 416 528 304 WIRE 528 416 352 416 FLAG 240 160 G FLAG 576 160 B FLAG 368 384 S FLAG 400 -112 D FLAG 80 112 D FLAG 160 176 B FLAG 80 256 S FLAG 16 208 G SYMBOL nmos4 32 128 R0 SYMATTR InstName M1 SYMBOL cap 352 64 R90 WINDOW 0 0 32 VBottom 2 WINDOW 3 32 32 VTop 2 SYMATTR InstName CGD SYMATTR Value "" SYMBOL cap 352 208 R90 WINDOW 0 0 32 VBottom 2 WINDOW 3 32 32 VTop 2 SYMATTR InstName CGS SYMATTR Value "" SYMBOL cap 352 400 R90 WINDOW 0 0 32 VBottom 2 WINDOW 3 32 32 VTop 2 SYMATTR InstName CGB SYMATTR Value "" SYMBOL current 400 112 R0 SYMATTR InstName I1 SYMATTR Value ID SYMBOL diode 512 64 R90 WINDOW 0 0 32 VBottom 2 WINDOW 3 32 32 Invisible 2 SYMATTR InstName DDB SYMBOL diode 512 208 R90 WINDOW 0 0 32 VBottom 2 WINDOW 3 32 32 VTop 2 SYMATTR InstName SB SYMATTR Value "" SYMBOL cap 512 -32 R90 WINDOW 0 0 32 VBottom 2 WINDOW 3 32 32 Invisible 2 SYMATTR InstName CGD SYMATTR Value "" SYMBOL cap 512 288 R90 WINDOW 0 0 32 VBottom 2 WINDOW 3 32 32 VTop 2 SYMATTR InstName CSB SYMATTR Value "" SYMBOL res 384 -112 R0 WINDOW 3 36 76 Invisible 2 SYMATTR InstName RD SYMATTR Value "" SYMBOL res 384 288 R0 SYMATTR InstName R2 SYMATTR Value "" |
.model AO6407 VDMOS(pchan Rg=3 Rd=14m Rs=10m + Vto=-.8 Kp=32 Cgdmax=.5n Cgdmin=.07n Cgs=.9n + Cjo=.26n Is=26p Rb=17m mfg=Alpha_&_Omega + Vds=-20 Ron=34m Qg=13n)
.MODEL N_1u NMOS LEVEL = 3 + TOX = 200E-10 NSUB = 1E17 GAMMA = 0.5 + PHI = 0.7 VTO = 0.8 DELTA = 3.0 + UO = 650 ETA = 3.0E-6 THETA = 0.1 + KP = 120E-6 VMAX = 1E5 KAPPA = 0.3 + RSH = 0 NFS = 1E12 TPG = 1 + XJ = 500E-9 LD = 100E-9 + CGDO = 200E-12 CGSO = 200E-12 CGBO = 1E-10 + CJ = 400E-6 PB = 1 MJ = 0.5 + CJSW = 300E-12 MJSW = 0.5 *Weitere Modelle finden sich im Internet:
** Holberg, p 337 Table6.6-1 .model NMOS1 NMOS(LEVEL=1 VT0=0.70 KP = 110U GAMMA = 0.4 LAMBDA = 0.04 PHI = 0.7 MJ = 0.5 + MJSW = 0.38 CGBO =700P CGSO=220P CGDO = 220P CJ = 770U CJSW = 380P LD = 0.016U TOX= 14N) .model PMOS1 PMOS (LEVEL=1 VT0 = -0.70 KP = 50U GAMMA = 0.57 LAMBDA = 0.05 PHI = 0.8 MJ = 0.5 + MJSW = 0.35 CGBO =700P CGSO=220P CGDO = 220P CJ = 560U CJSW = 350P LD = 0.014U TOX= 14N)
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![]() 1970 8 µm 1980 2 \mu m 1990 0.5 \mu m 2000 130 nm 2010 40 nm 2013 22 nm 2015 14 nm 2020 5 nm ![]() Jahr und Strukturgröße |
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Version 4 SHEET 1 888 680 WIRE 256 80 256 64 WIRE 256 176 256 160 WIRE 304 176 256 176 WIRE 256 192 256 176 WIRE 352 240 256 240 WIRE 208 272 176 272 WIRE 352 288 352 240 WIRE 352 288 256 288 WIRE 256 304 256 288 FLAG 256 304 0 FLAG 176 272 UGS FLAG 304 176 UA FLAG 256 64 VDD SYMBOL nmos4 208 192 R0 SYMATTR InstName MN1 SYMATTR Value CD4007N SYMBOL res 240 64 R0 WINDOW 3 36 68 Left 2 SYMATTR Value 20k SYMATTR InstName RD TEXT 120 432 Left 2 !VDD VDD 0 DC 5\nVGS UGS 0 SINE(1.6 0.1 1k) TEXT 112 496 Left 2 !.dc VGS 0 5 0.1 TEXT 120 344 Left 2 !.model CD4007N NMOS(LEVEL=1 \n+ KP=500u VT0=1 LAMBDA=0.002\n+ CGSO=45n CGBO=2n CGDO=45n) TEXT 144 160 Left 2 !;tran 5m |
die mit RD in eine Ausgangsspannung umgesetzt wird. \lambda = 0.01 V^{-1} , R_{D} = 10 k\Omega Arbeitspunkt: UGS=2.5V \Delta U_{GS} = 2.5 V (+-0.5V) \Delta I_{DS} = 0.5 mA - 0.1 mA = - 0.4 mA \Delta U_{DS} = 4 V - 8 V = -4 V Spannngsverstärkung: vU = -4V/1V = -4 |
Ausgangskennlinie |
\text{für} 0 \leq U_{GS} - U_{th} \lt U_{DS} \text{Sättigung} \frac{dI_{DS}}{dU_{GS}}= \frac{ d \beta \left( U_{GS}-U_{th} \right)^2 \left( 1+\lambda U_{DS} \right)} { dU_{GS}} \frac{dI_{DS}}{dU_{GS}} = 2 \beta \left( U_{GS}-U_{th} \right) \left( 1+\lambda U_{DS} \right) \frac{dI_{DS}}{dU_{GS}} = 2 \frac{I_{DS}}{U_{GS}-U_{th}} AC Analysis |
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g_m = 2 \beta \left( U_{GS}-U_{th} \right) \left( 1+\lambda U_{DS} \right)
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