Lecture Electrical Engineering: Lecture 27 - Dr. Nasim Zafar

The main contents of the chapter consist of the following: Introduction, the basic structure of MOSFET, qualitative operation of MOSFET, operation with gate-voltage VG=0, channel for current flow, applying a small VDS, operation as VDS is Increased.

COMSATS Institute of Information Technology Virtual campus Islamabad Dr. Nasim Zafar Electronics 1 ­ EEE 231  Fall Semester – 2012 MOS Field­Effect Transistors  MOSFETs Lecture No.  27 Ø Contents: Nasim Zafar Lecture No. 27 MOS Field­Effect Transistors  MOSFETs Reference: Chapter­4.1 Microelectronic Circuits         Adel S. Sedra and Kenneth C. Smith.  Nasim Zafar Different Types of FETs Ø Junction FET (JFET) Ø Metal­Oxide­Semiconductor FET (MOSFET) Ø Metal­Semiconductor FET (MESFET) Nasim Zafar Different Types of FETs v Junction FET (JFET) The gate­channel insulator is the DEPLETION REGION,  and is the same material as the  channel.  Nasim Zafar Different Types of FETs v Metal­Oxide­Semiconductor FET (MOSFET) The gate­channel insulator is made out of dielectric;SiO2  Nasim Zafar Different Types of FETs v Metal­Semiconductor FET (MESFET) The gate is formed by Schottky  barrier to the semiconductor layer.  The gate­channel insulator  consists of the DEPLETION  REGION, i.e. the same  material as the channel. Very similar to the  JFET   Nasim Zafar MOS (Metal­Oxide­Semiconductor) Assume work function of metal and semiconductor are same Nasim Zafar Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors MOSFET Nasim Zafar Circuit Symbol (NMOS) Enhancement­Type D ID= IS G B  (IB=0, should be reverse biased) IG= 0 IS S Nasim Zafar G­Gate D­Drain S­Source B­Substrate or Body 10 NMOS with VGS > Vt and a small VDS applied.  Figure 4.3: The device acts as a resistance whose value is determined by  VGS. Specifically, the channel conductance is proportional to V GS – Vt’  and thus iD is proportional to (V GS – Vt) V DS.  Nasim Zafar 32 Modes of MOSFET Operation MOSFET can be categorized into three separate modes when in  operation, depending on VGS: v VGS  Vt  and  VDS  Vt  and  VDS > VGS − Vt: The Saturation Mode  Nasim Zafar 33 Modes of MOSFET Operation v 1.   VGS  Vt Nasim Zafar 39 Operation of NMOS as VDS  is Increased Ø When VDSis increased to the value that reduces the voltage  between gate and channel at the drain end to, Ø VGD= Vt or  Ø VGS–VDS= Vt    or  Ø VDS= VGS–Vt Ø The channel depth at the drain end decreases to almost zero,  and the channel is said to be pinched off.  Nasim Zafar 40 Operation of NMOS as VDS  is Increased Ø Ø Ø At the value reached for VDS= VGS–Vt. The drain current  thus saturates at this value, and the MOSFET is said to have  entered the saturation region of operation VDSsat = VGS–Vt The region of the iD–VDS characteristic obtained for  vDS Vt Nasim Zafar 42 Effects of VDS on Channel Shape Figure4.7:  Increasing VDS causes the channel to acquire a tapered  shape. Eventually, as vDS reaches vGS – Vt the channel is pinched off at  the drain end. Increasing VDS above VGS  – Vt  has little effect  (theoretically, no effect) on the channel’s shape Nasim Zafar 43 Summary: NMOS Operation   The MOSFET can be categorized into three separate modes   when in operation: v VGS  VGS − Vt: The Saturation Mode     The saturation mode occurs when VGS > Vt and VDS > VGS − Vt.  In this  mode the switch is on and conducting, however since drain voltage is higher  than the gate voltage, part of the channel is turned off.  This mode corresponds  to the region to the right of the dotted line, which is called the pinch­off  voltage. Pinch­off occurs when the MOSFET stops operating in the linear  region and saturation occurs v In digital circuits MOSFETS are only operated in the linear mode, while  the saturation region is reserved for analogue circuits Nasim Zafar 45 Summary: NMOS Operation VG > VT ; VDS   0 ID increases with VDS VG > VT; VDS small, > 0 ID increases with VDS , but  rate of increase decreases VG > VT; VDS   pinch­off ID reaches a saturation value,  ID,sat The VDS value is called  VDS,sat VG > VT; VDS > VDS,sat ID does not increase further,  saturation region Nasim Zafar 46 ... MOSFETs Lecture No.  27 Ø Contents: Nasim Zafar Lecture No. 27 MOS Field­Effect Transistors  MOSFETs Reference: Chapter­4.1 Microelectronic Circuits         Adel S. Sedra and Kenneth C. Smith.  Nasim. .. JFET   Nasim Zafar MOS (Metal­Oxide­Semiconductor) Assume work function of metal and semiconductor are same Nasim Zafar Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors MOSFET Nasim Zafar Circuit Symbol (NMOS)... and is the same material as the  channel.  Nasim Zafar Different Types of FETs v Metal­Oxide­Semiconductor FET (MOSFET) The gate­channel insulator is made out of dielectric;SiO2  Nasim Zafar Different Types of FETs