Lecture 6 MOSFET Present by : Thawatchai Thongleam Faculty of Science and Technology Nakhon Pathom Rajabhat University

Outline 6.1 Structure and Physical Operation of the Enhancement-Type MOSFET 6.2 Current-Voltage Characteristic of the Enhancement MOSFET 6.3 MOSFET Circuit at DC 6.4 The MOSFET as an Amplifier 6.5 Biasing in MOS Amplifier Circuits

6.1 Structure and Physical Operation of the Enhancement-Type MOSFET Typically L = 1 to 10 m, W = 2 to 500 m, and the thickness of the oxide layer is in the range of 0.02 to 0.1 m.

Symbol of MOSFET ภาพที่ 6.3 อุปกรณ์มอสเฟต ที่มา (Vishay, 2016, p. 1) n-channel enhancement-type MOSFET p-channel enhancement-type MOSFET ภาพที่ 6.3 อุปกรณ์มอสเฟต ที่มา (Vishay, 2016, p. 1)

Structure of MOSFET

6.2 Current-Voltage Characteristic of the Enhancement MOSFET

6.2 Current-Voltage Characteristic of the Enhancement MOSFET

n-channel enhancement-type MOSFET with vGS and vDS applied and with the normal directions of current flow The iD - vDS characteristics for a device with Vt = 1 V and k’n(W/L) = 0.5 mA/V2.

Effect of vDS on iD in the saturation region. The MOSFET parameter VA is typically in the range of 30 to 200 V.

6.2 Current-Voltage Characteristic of enhancement MOSFET 1. MOSFET ไม่ทำงาน (Cutoff Region) 2. MOSFET ทำงานในช่วงไม่อิ่มตัว (Non-Saturation Region) หรือช่วงเชิง เส้น (Linear Region) หรือ (Triode Region) 3. MOSFET ทำงานในช่วงอิ่มตัว (Saturation Region)

6.3 MOSFET Circuit at DC โดยที่ = ค่าสภาพความคล่องตัวของโฮลหรืออิเล็กตรอนที่ผิว (Surface Mobility of Carrier) = ค่าความจุไฟฟ้าต่อพื้นที่ของเกทออกไซด์ (Capacitance per unit area of the gate) W = ความกว้างของแชลแนล (Channel Width) L = ความยาวของแชลแนล (Channel Length) = แรงดันไฟฟ้าระหว่างเกตกับซอส (Gate-Source Voltage) = แรงดันไฟฟ้าระหว่างเดรนกับซอส (Drain-Source Voltage) = แรงดันขีดเริ่ม (Threshold Voltage) = กระแสเดรน (Drain Current)

6.3 MOSFET Circuit at DC 1. MOSFET ไม่ทำงาน (Cutoff Region) 2. MOSFET ทำงานในช่วงไม่อิ่มตัว (Non-Saturation Region) หรือช่วงเชิงเส้น (Linear Region) หรือ (Triode Region)

6.3 MOSFET Circuit at DC 3. MOSFET ทำงานในช่วงอิ่มตัว (Saturation Region)

6.4 The MOSFET as an Amplifier

Small Signal Instantaneous voltages vGS and vD

6.5 Biasing in MOS Amplifier Circuits VX = VGS IG = 0 A VGG = VGS VDS = VDD - IDRD

ตัวอย่างที่ 6.1 ภาพที่ 6.11 (ก) แสดงวงจรไบแอสมอสเฟต กำหนดให้มอสเฟตชนิดเอ็นมี VTH = 0.7 V KN = 0.1 mA/V2 และ l = 0 ให้หาค่า VGS ID และ VDS และมอสเฟตทำงานย่านใด วิธีทำ เนื่องจากกระแส IG = 0 A แรงดัน VGS เท่ากับ VGS = VGG = 1.5 V กระแส ID มีค่าเท่ากับ เราสามารถหาค่าแรงดัน VDS ได้ ID = 64 µA VDS = VDD - IDRD เนื่องจากแรงดัน VDS = 6.8 V ซึ่งมากกว่า VGS – VTH ดังนั้น มอสเฟตทำงานย่านอิ่มตัว = 10 V – (64 µA x 50 kΩ) = 6.8 V

ตัวอย่างที่ 6.2 ภาพที่ 5.11 (ข) แสดงวงจรไบแอสมอสเฟตแบบแบ่งแรงดัน สมมุติให้ VTH = 0.7 V KN = 0.1 mA/V2 และ l = 0 จงคำนวณหาค่า VGS ID และ VDS และมอสเฟตทำงานย่านใด วิธีทำ คำนวณหาค่าแรงดัน VGS ได้ว่า VDS = VDD - IDRD เนื่องจากแรงดัน VDS = 5.8 V ซึ่งมากกว่า VGS – VTH ดังนั้น มอสเฟตทำงานย่านอิ่มตัว = 10 V – (28 µA x 150 kΩ) = 5.8 V

ตัวอย่างที่ 6. 3 กำหนดให้มอสเฟตชนิดเอ็นดังแสดงในภาพที่ 5 ตัวอย่างที่ 6.3 กำหนดให้มอสเฟตชนิดเอ็นดังแสดงในภาพที่ 5.12 มี VTH = 1 V KN = 1 mA/V2 และ l = 0 ให้หาค่า ID และ VDS วิธีทำ ทำการหาค่าแรงดัน VR2 ได้ว่า เมื่อแทนค่าแรงดัน VG = 2.86 V ในสมการกระแส ID ซึ่งมีค่าเท่ากับ

ID = 3.46 - 3.72ID + ID2 ID2 - 4.72ID + 3.46 = 0 ID = 3.81 mA, 0.91 mA เลือกค่ากระแส ID = 0.91 mA เนื่องจากแทนค่า VGS = VG – IDRS แล้วมากกว่า VTH นำค่ากระแส ID มาหาค่าแรงดัน VDS ได้ VDS = VDD - ID(RS + RD) VDS = 10 V – (0.91 mA x 6 kΩ) = 4.12 V

ตัวอย่างที่ 5. 4 กำหนดให้มอสเฟตชนิดพีดังแสดงในภาพที่ 5. 13 มี VTH = 0 ตัวอย่างที่ 5.4 กำหนดให้มอสเฟตชนิดพีดังแสดงในภาพที่ 5.13 มี VTH = 0.8 V KP = 0.2 mA/V2 และ l = 0 ให้หาค่า VSG ID และ VSD วิธีทำ ทำการหาค่าแรงดัน VR1 ได้ว่า เมื่อแทนค่าแรงดัน VR1 = 2.5 V ในสมการกระแส ID ซึ่งมีค่าเท่ากับ

เราสามารถหาค่าแรงดัน VDS ได้ ID = 0.1156 – 0.068ID + 0.01ID2 0.01ID2 - 1.068ID + 0.1156 = 0 ID = 0.11 mA เราสามารถหาค่าแรงดัน VDS ได้ VDS = VDD - ID(RS + RD) VDS = 5 V – (0.11 mA x 8 kΩ) = 4.12 V

แบบฝึกหัดท้ายบท 1. ภาพที่ 5.17 (ก) แสดงวงจรขยายซอร์สร่วม กำหนดให้มอสเฟตชนิดเอ็นมี KN = 0.1 mA/V2 และ VTH = 1 V ให้หาค่า VGS ID และ VDS 2, ภาพที่ 5.17 (ข) แสดงวงจรขยายซอร์สร่วม กำหนดให้มอสเฟตชนิดพีมี KP = 0.2 mA/V2 และ VTH = -1.2 V ให้หาค่า VGS ID และ VDS (ก) (ข) ภาพที่ 5.17 วงจรขยายซอร์สร่วม (ก) มอสเฟตชนิดอ็น และ (ข) มอสเฟตชนิดพี

3. กำหนดให้วงจรภาพที่ 5.18 (ก) วงจรขยายเดรนร่วม กำหนดให้มอสเฟตชนิดเอ็นมี KN = 0.5 mA/V2 และ VTH = 1 V ให้หาค่า VGS ID และ VDS 4. ภาพที่ 5.18 (ข) แสดงวงจรขยาย กำหนดให้มอส เฟตชนิดเอ็นมี KN = 0.5 mA/V2 และ VTH = 1 V ให้หา ค่า VGS ID และ VDS (ก) (ข) ภาพที่ 5.18 (ก) วงจรขยายเดรนร่วม และ (ง) วงจรไบแอสมอสเฟต

เอกสารอ้างอิง (Reference) 1. Adel S. Sedra, Kenneth C. Smith “Microelectronic Circuit” 2. Pual R. Gray and Robert G. Mayer “Analysis and Design of Integrated Circuit” 3. ศ. ดร.วรากร เกษมสุวรรณ์ “การวิเคราะห์ วงจรรวมซีมอสแบบแอนะล็อก”

Thank you