Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 7, Phần 2: MOSFET - Hồ Trung Mỹ

1Chương 7
MOSFET
(Metal-Oxide Semiconductor
Field Effect Transistor)
ĐHBK Tp HCM-Khoa Đ-ĐT
BMĐT
GVPT: Hồ Trung Mỹ
Môn học: Dụng cụ bán dẫn
2MOSFET
• Giới thiệu
• Khảo sát định tính hoạt động của MOSFET
• Tụ điện MOS
• Hoạt động của MOSFET
• Một số đặc tính không lý tưởng
• Mạch tương đương tín hiệu nhỏ
• Giới thiệu 1 số ứng dụng của MOSFET
Các cấu hình mắc N-EMOS trong mạch
Nguồn chung (CS) Cổng chung (CG) Máng chung (CG)
4Nhận biết các miền hoạt động của N-EMOS
5N-EMOS – Thí dụ 1
6N-EMOS – Thí dụ 2
7N-EMOS – Thí dụ 3
8Mô hình tín hiệu lớn của N-EMOS
Dựa vào giá trị của VDS, MOSFET có thể được biểu diễn 
bằng những mô hình tín hiệu lớn khác nhau
Miền bão hòa
Miền triode Miền triode hoàn toàn
tuyến tính
9Mạch phân cực N-EMOS (1)
• EMOS được dùng nhiều trong IC số (và không cần phân 
cực trong các ứng dụng này)
• Người ta cũng sử dụng EMOS trong các mạch khuếch đại 
tín hiệu rời hay IC (cần phân cực trong các ứng dụng này)
Mạch phân cực cho N-EMOS Các sụt áp trong mạch phân cực 
10
• RS trong mạch phân cực dùng để ổn định phân cực như 
RE trong mạch BJT, chứ không phải có chức năng tự 
phân cực.
• RS càng lớn thì điểm phân cực càng ít nhạy các tham số 
transistor khi nhiệt độ thay đổi hay thay transistor khác
Mạch phân cực N-EMOS (2) – DCLL 
• Từ mạch phân cực ta tìn được các sụt áp trong mạch như
sau
• Suy ra
• Vẽ đường tải này trên đặc tuyến truyền đạt ta sẽ tìm ra
được điểm tĩnh Q (VGSQ, IDQ)
11
Mạch phân cực N-EMOS (3)
Phương pháp đại số
với
12
Mạch phân cực N-EMOS (4) – TD
13
Mạch phân cực N-EMOS (5) – TD
14
Mạch phân cực N-EMOS (6) – TD
15
16
17
18
19
20
MOSFET 
Mạch tương đương tín hiệu nhỏ
21
MOSFET như mạch khuếch đại
a) Mạch khảo sát tính chất KĐ b) Giải tích tín hiệu nhỏ (AC)
22
Giải tích toàn phần (DC+AC)
23
Mô hình tín hiệu nhỏ – Mô hình pi
a) Bỏ qua sự phụ thuộc của ID
vào VDS ở chế độ bão hòa
b) Kể đến hiệu ứng điều chế 
chiều dài kênh dẫn bởi điện trở ra
ro = |VA|/ID.
24
T Model
Hybrid-π Model
Mô hình tín hiệu nhỏ – Mô hình T
Mô hình T chưa kể rO
Mô hình T với rO
25
Cách tìm gm và ro bằng đặc tuyến ra
gm = ID/ VGS
rO= (VA+VDS)/ID VA/ID
26
27
28
Mạch tương đương N-EMOS
Mạch trên cho thấy N-EMOS có nhiều thành phần 
điện trở và tụ điện
29
Mạch tương đương tín hiệu nhỏ của MOSFET
Ở tần số cao
Bỏ qua các điện trở nguồn và máng
Ở tần số thấp
30
MOSFET – Mạch tương đương tín hiệu nhỏ
Với N-EMOS ta có:
2
DSn
D ox G TN DS 2
VZ
I C V V V
L
 
satDS,DS0 VV G TNV V ;
 2oxD,sat G TN2
Z C
I V V
L

 satDS,DS VV G TNV V ;
Miền bão hòaMiền tuyến tính Chú ý:
Z = W
31
MOSFET – Đáp ứng AC
• Thường được biễu diễn qua mạch thụ động tín hiệu nhỏ
• Suy từ mạng 2 cổng sau:
MOSFETinput output
G
S
D
S
Cổng vào coi như hở mạch, nogại trừ có tụ ở cực cổng
Đầu ra, dòng ID được điều khiển bởi VG và VDS.
ID = f (VG, VDS )
32
MOSFET – Mạch tương đương tín hiệu nhỏ
DS
DS
D
G
G
D
D
GDS
V
V
I
V
V
I
I
VV




ddgmd vgvgi 
DS
G
D
m
VV
I
g


G
DS
D
d
VV
I
g


gm = hỗ dẫn
gd = điện dẫn của máng hay kênh dẫn
Khi có bất kỳ tín hiệu AC ở VG hay VDS sẽ sinh ra sự thay đổi 
ở ID
với và 
33
Mạch tương đương tín hiệu nhỏ
Ở tần số thấp hoặc trung bình:
Ở tần số cao:
34
MOSFET – Các tham số tín hiệu nhỏ
Khi VDS < VDS,sat (i.e., thấp hơn pinch-off hay miền tuyến tính) 
n ox
d G TN DS( )
Z C
g V V V
L

DS
oxn
m VL
CZ
g

Khi VDS > VDS,sat (i.e., trên pinch-off hay miền bão hòa)
gd = 0
n ox
m G TN( )
Z C
g V V
L

Chú ý: Các tham số phụ thuộc vào phân cực DC, VG và VDS
35
MOSFET – Đáp ứng tần số
Tần số cắt fT được định nghĩa là tần số làm cho độ lợi dòng là 1.
Dòng vào = G Gj C v
Dòng ra = Gmvg
vG ở đây là tín hiệu AC
CGS xấp xĩ bằng điện dung cổng, 
CGS Z L Cox
Do đó ở fT : 1
2 GGST
Gm 
 vCf
vg
GS
m
T 2 C
g
f
Suy ra 
Chính xác:
36
Công nghệ CMOS
37
So sánh BJT và MOSFET
MOSFET loại nghèo (D-MOS)
• Cấu trúc 
• Phương trình
• Đặc tuyến
38
39
Cấu trúc của P-MOS
P-EMOS P-DMOS
40
Các phương trình của P-EMOS
41
Đặc tuyến I-V của P-EMOS
42
Cấu trúc của N-DMOS
• The term depletion 
mode means that a 
channel exists even 
at zero gate voltage
• A negative gate 
voltage must be 
applied to the n-
channel depletion-
mode MOSFET to 
turn the device off.
• The VTN is positive 
for the enhancement-
mode MOSFET and 
negative for the 
depletionmode
43
Đặc tuyến ra và ký hiệu của N-DMOS
Chế độ giàu
Chế độ nghèo
Chú ý:
• Chế độ giàu: dòng tăng hơn so với khi chưa phân cực
• Chế độ nghèo: dòng giảm đi so với khi chưa phân cực
44
Tóm tắt các quan hệ dòng-áp của MOSFET
45
46
Tóm tắt các loại MOSFET (1/4)
47
Tóm tắt các loại MOSFET (2/4)
48
Tóm tắt các loại MOSFET (3/4)
49
Tóm tắt các loại MOSFET (4/4)
50
Transistors as Switches- MOSFET
•Advantages over BJT logic gates
•Normally Off. Does not require much current from 
input signal
•Easy Fabrication – Economical for large scale
production
•CMOS – consumes very little power. Used in pocket
calculators and wrist watches
•Disadvantages over BJT logic gates
•Cannot provide as much current as BJT
•Switching speed is not as fast
51
Transistors as Switches- MOSFET Inverter
•Vin Low
•Cutoff region
•No Voltage drop across 
RD
•Vout = VDD
•Vout = High
•Vin High 
•Ohmic region
•VDS small
•Vout = small
•Vout = Low
52
Transistors as Switches- CMOS Inverter
•Employs a p-channel, Qp, and an n-channel, Qn MOSFET
•Vin = Low
•Qn = off
•Qp = on
•Vout = High
•Vin = High
•Qn = on
•Qp = off
•Vout = Low
53
CMOS
NOR gate
Inverter gate
When input voltage is 
near mid-point (VDD/2), 
the circuit consumes 
high current. 
54
MOSFET static protection.
D
G
S
55
MOSFETs as Current Sources
• A MOSFET behaves as a current source when it is operating 
in the saturation region.
• An NMOSFET draws current from a point to ground (“sinks 
current”), whereas a PMOSFET draws current from VDD to a 
point (“sources current”).
56
Gương dòng điện dùng N-EMOS
57
Current Mirrors - dc Analysis
58
Current Mirrors - Changing the Mirror ratio
59
Current Steering Circuit
60
Example: Current Scaling 
• MOS current mirrors can be used to scale IREF up or 
down 
 I1 = 0.2mA; I2 = 0.5mA
:0 
61
Review: MOSFET Amplifier Design
• A MOSFET amplifier circuit should be designed to
1. ensure that the MOSFET operates in the saturation region, 
2. allow the desired level of DC current to flow, and
3. couple to a small-signal input source and to an output “load”.
 Proper “DC biasing” is required!
(DC analysis using large-signal MOSFET model)
• Key amplifier parameters: 
(AC analysis using small-signal MOSFET model)
 Voltage gain Av  vout/vin
 Input resistance Rin  resistance seen between the input node and 
ground (with output terminal floating)
 Output resistance Rout  resistance seen between the output node 
and ground (with input terminal grounded)
62
MOSFET Models
• The large-signal model is used to determine the DC 
operating point (VGS, VDS, ID) of the MOSFET.
• The small-signal model is used to determine how the output 
responds to an input signal.
63
Common Source Stage
Dout
in
S
m
D
G
v
RR
RRR
R
g
R
RRR
RR
A

21
21
21
||
1||
||
0 
0 
 SOmODout RrgrRR 
64
Common Gate Stage
 DmGmS
mS
v RgRgR
gR
A 
/1||
/1||
S
m
in Rg
R
1
Dout RR SOmODout RrgrRR 
0 
0 
65
Source Follower
S
m
S
v
R
g
R
A
1
Gin RR 
So
m
out
Gin
SO
m
SO
v
Rr
g
R
RR
Rr
g
Rr
A
||||
1
||
1
||
0  0 
S
m
out Rg
R ||
1
66
Comparison of Amplifier Topologies
Common Source
• Large Av < 0
- degraded by RS
• Large Rin
– determined by 
biasing circuitry
• Rout  RD
• ro decreases Av & 
Rout
but impedance seen
looking into the drain
can be “boosted” by 
source degeneration
Common Gate
• Large Av > 0
-degraded by RS
• Small Rin
- decreased by RS
• Rout  RD
• ro decreases Av & Rout
but impedance seen
looking into the drain 
can be “boosted” by 
source degeneration
Source Follower
• 0 < Av ≤ 1
• Large Rin
– determined by 
biasing circuitry
• Small Rout 
- decreased by RS
• ro decreases Av
& Rout
67
Giới thiệu các ứng dụng của MOSFET
• Mạch KĐ
• Khóa điện tử (analog switch)
• IC: NMOS, PMOS, CMOS, BiCMOS
• . . . 
68
69
Basic Operation
70
71
72
73
74
75
CMOS inverter for linear operation
76
77