Nederlands
Menu

Afsnijgebied, lineair gebied en verzadigingsgebied van een MOSFET: voorwaarden, stroomvergelijkingen en toepassingen

Een MOSFET werkt in een van drie gebieden, bepaald door de gate-sourcespanning VGS en de drain-sourcespanning VDS. In het afsnijgebied ligt VGS onder de drempelspanning Vth, vormt zich geen kanaal en loopt er vrijwel geen stroom. In het lineaire gebied (triodegebied) loopt het kanaal van source tot drain en gedraagt de transistor zich als een weerstand waarvan de waarde door de gatespanning wordt bepaald. In het verzadigingsgebied wordt het kanaal aan de drainkant afgeknepen (pinch-off), zodat de stroom door VGS wordt bepaald en nauwelijks van VDS afhangt; dit is het gebied voor versterkers en stroombronnen. Let op: "verzadiging" bij een bipolaire transistor is een andere toestand, namelijk de aan-toestand van een schakelaar, dus hetzelfde woord betekent verschillende dingen.

KenmerkAfsnijgebiedLineair gebied (triodegebied)Verzadigingsgebied
Voorwaarde (nMOS)VGS < VthVGS > Vth en VDS < VGS − VthVGS > Vth en VDS ≥ VGS − Vth
Toestand van het kanaalGeen inversielaag (alleen zwakke inversie)De inversielaag loopt van source tot drainDe inversielaag verdwijnt aan de drainkant (pinch-off)
Drainstroom (lang kanaal)ID ≈ 0; in werkelijkheid stijgt de subthresholdstroom exponentieel met VGSID = μCox(W/L)[(VGS − Vth)VDS − VDS²/2]ID = (1/2)μCox(W/L)(VGS − Vth)², vermenigvuldigd met (1 + λVDS) bij kanaallengtemodulatie
StroomgedragUit. De theoretische ondergrens van de subthreshold swing is bij kamertemperatuur ongeveer 60 mV/decadeBij kleine VDS is ID vrijwel evenredig met VDS; de helling neemt af naarmate VDS toeneemtID hangt nauwelijks van VDS af en is evenredig met het kwadraat van (VGS − Vth)
KleinsignaalbeeldVrijwel een open ketenBij kleine VDS een weerstand met aan-weerstand Ron ≈ 1/[μCox(W/L)(VGS − Vth)]Een spanningsgestuurde stroombron met transconductantie gm = 2ID/(VGS − Vth) en uitgangsweerstand ro ≈ 1/(λID)
Rekenvoorbeeld (μCox(W/L) = 2 mA/V², Vth = 0,5 V)Bij VGS = 0,3 V is de transistor afgesneden (ID = 0 volgens de vergelijking)Bij VGS = 1,0 V en VDS = 0,1 V is ID = 90 µA. De aan-weerstand nabij VDS = 0 is ongeveer 1 kΩBij VGS = 1,0 V en VDS ≥ 0,5 V is ID = 250 µA (met λ = 0) en gm = 1 mS
Typische toepassingenEen schakelaar in de uit-toestand; de uitgeschakelde transistor in een digitale poortEen schakelaar in de aan-toestand (de ingeschakelde transistor in een digitale poort, analoge schakelaars, een geleidende vermogens-MOSFET), een variabele weerstandVersterkers, stroombronnen, stroomspiegels
Overeenkomstig BJT-gebiedAfsnijgebied (dezelfde naam)Verzadigingsgebied (schakelaar aan)Voorwaarts actief gebied (gebruikt voor versterking)
Verschillen bij korte kanalenDIBL verlaagt de drempelspanning en verhoogt de uit-stroomMobiliteitsdegradatie en parasitaire weerstand maken de stroom kleiner dan de vergelijking voorspeltSnelheidsverzadiging laat de stroom al bij een lagere VDS verzadigen, en de afhankelijkheid van (VGS − Vth) nadert de eerste orde

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

Afsnijgebied
Het gebied om de transistor uit te schakelen. De uitgeschakelde transistor in een digitale poort bevindt zich hier, en er loopt alleen lekstroom zoals subthresholdstroom. Een lagere drempelspanning maakt schakelingen sneller maar verhoogt de uit-stroom exponentieel, dus het is een afweging tegen het stand-byvermogen.
Lineair gebied (triodegebied)
De aan-toestand van een transistor die als schakelaar wordt gebruikt. Hoe kleiner VDS, hoe meer hij zich als een weerstand gedraagt, en de aan-weerstand daalt naarmate de gatespanning stijgt. De ingeschakelde transistor van een CMOS-uitgang nadat die tot rust is gekomen, analoge schakelaars en een geleidende vermogens-MOSFET in een voeding werken hier.
Verzadigingsgebied
Het gebied voor versterkers en stroombronnen. De stroom hangt nauwelijks van VDS af, dus de uitgangsweerstand is hoog en een grote spanningsversterking is mogelijk. In een versterker wordt het instelpunt zo gekozen dat VDS nooit onder VGS − Vth (de overdrivespanning) zakt, wat de ondergrens van de uitgangszwaai bepaalt.

Veelgestelde vragen

Betekent verzadiging hetzelfde bij een MOSFET en een BJT?

Nee. Bij een MOSFET is het verzadigingsgebied het gebied waarin het kanaal aan de drainkant wordt afgeknepen en de drainstroom met VDS verzadigt (vrijwel constant blijft); het wordt gebruikt voor versterking. Bij een bipolaire transistor is het verzadigingsgebied de toestand waarin beide juncties in doorlaatrichting staan en VCE daalt tot ongeveer 0,1 tot 0,3 V, de aan-toestand van een schakelaar. Naar functie komt verzadiging bij een MOSFET overeen met het voorwaarts actieve gebied van een BJT, en verzadiging bij een BJT met het lineaire gebied van een MOSFET.

Waar ligt de grens tussen het lineaire gebied en het verzadigingsgebied?

Bij VDS = VGS − Vth. Op dat punt is de spanning tussen gate en kanaal aan de drainkant gelijk aan Vth en wordt het kanaal afgeknepen. In de vergelijkingen voor een lang kanaal geeft het invullen van VDS = VGS − Vth in de vergelijking van het lineaire gebied de verzadigingsvergelijking (1/2)μCox(W/L)(VGS − Vth)², dus de stroom is continu over de grens.

In welk gebied werken transistors in digitale schakelingen?

In de stationaire toestand staat de ingeschakelde transistor in het lineaire gebied (VDS bijna 0) en de uitgeschakelde transistor in het afsnijgebied. Tijdens een overgang begint de transistor die inschakelt met een grote VDS, dus laadt of ontlaadt hij de belastingscapaciteit in verzadiging en gaat hij naar het lineaire gebied naarmate de uitgang verandert. Daarom wordt de poortvertraging vooral bepaald door de verzadigingsstroom (aandrijfstroom).

Hoe veranderen de voorwaarden voor pMOS?

Alle richtingen van spanning en stroom zijn omgekeerd. Met de gatespanning ten opzichte van de source VSG, met VSD en met de grootte van de drempelspanning |Vth| krijgen de voorwaarden dezelfde vorm als voor nMOS: afgesneden bij VSG < |Vth|, lineair bij VSG > |Vth| en VSD < VSG − |Vth|, en verzadiging bij VSD ≥ VSG − |Vth|. De stroomvergelijkingen hebben dezelfde vorm, met de gatenmobiliteit.

Test uw begrip

Welke voorwaarde is juist voor het werken van een lang-kanaal nMOSFET in het verzadigingsgebied? (Neem VGS > Vth aan)

  1. AVDS = 0
  2. BVDS < VGS − Vth
  3. CVDS ≥ VGS − Vth
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. VDS ≥ VGS − Vth

Wanneer VGS > Vth en er een kanaal is, komt bij VDS ≥ VGS − Vth de gate-kanaalspanning aan de drainrand onder Vth, waardoor het kanaal pinch-off krijgt en de drainstroom nauwelijks van VDS afhangt. Dit is het verzadigingsgebied. Versterkers werken in dit gebied, en de minimaal benodigde VDS (= VGS − Vth) vormt de ondergrens van de uitgangsswing. Bij korte kanalen verzadigt de stroom door snelheidsverzadiging bij een lagere VDS.

Waaraan is de drainstroom ID ongeveer evenredig wanneer een lang-kanaal MOSFET in het verzadigingsgebied werkt? (VGS: gate-sourcespanning, Vth: drempelspanning)

  1. AHet kwadraat van (VGS − Vth)
  2. BVGS − Vth
  3. CDe inverse van VGS
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Het kwadraat van (VGS − Vth)

In het verzadigingsgebied van een lang-kanaal MOSFET geldt ID = (1/2)μCox(W/L)(VGS − Vth)², dus de drainstroom is evenredig met het kwadraat van (VGS − Vth) (kwadratische wet). VGS − Vth heet de overdrive-spanning en is een basisparameter bij analoog ontwerp. Bij korte kanalen nadert de afhankelijkheid door snelheidsverzadiging de eerste macht, en vanwege mobiliteitsdegradatie en parasitaire weerstanden treden verdere afwijkingen op, zodat bij het feitelijke ontwerp nauwkeurige modellen zoals BSIM worden gebruikt.

Welk gedrag van een MOSFET is juist in het lineaire gebied, waar de drain-sourcespanning VDS voldoende klein is?

  1. AGedraagt zich als een variabele weerstand waarvan de waarde door de gatespanning verandert
  2. BGedraagt zich als een constante stroombron die onafhankelijk van VDS dezelfde stroom voert
  3. CGedraagt zich als een diode die stroom slechts in één richting voert
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Gedraagt zich als een variabele weerstand waarvan de waarde door de gatespanning verandert

In het lineaire gebied is de drainstroom ongeveer evenredig met VDS, en omdat de helling (geleiding) μCox(W/L)(VGS − Vth) met de gatespanning verandert, gedraagt de transistor zich als een door de gatespanning regelbare variabele weerstand. De aan-toestand van een schakelaar ligt in dit gebied, en de aan-weerstand wordt kleiner naarmate de gatespanning hoger is. Deze eigenschap wordt ook gebruikt in analoge schakelaars en schakelingen met variabele versterking. Wanneer VDS groter wordt dan VGS − Vth, ontstaat het verzadigingsgebied.

  1. Hoe heet het verschijnsel waarbij in een MOSFET in het verzadigingsgebied de effectieve kanaallengte korter wordt als de drainspanning wordt verhoogd, waardoor de drainstroom iets toeneemt?
  2. Welke definitie van de transconductantie gm van een MOSFET is juist?
  3. Welk werkgebied van een bipolaire transistor komt overeen met de aan-toestand wanneer hij als schakelaar wordt gebruikt?

Oefenvragen over MOSFET

Belangrijke termen uitgelegd

Drempelspanning (threshold voltage)
De gatespanning waarbij in een MOSFET het kanaal (inversielaag) ontstaat en er stroom begint te lopen. Genoteerd als Vth.
Verzadigingsgebied (saturation region)
Toestand van een bipolaire transistor waarin zowel de basis-emitter- als de basis-collectorjunctie in doorlaatrichting staat. De collector-emitterspanning daalt tot ongeveer 0,1 tot 0,3 V, wat overeenkomt met een ingeschakelde schakelaar.
Afsnijgebied (cut-off)
Toestand waarin beide juncties van een bipolaire transistor in sperrichting staan en vrijwel geen collectorstroom loopt. Komt overeen met een geopende schakelaar.
Actief gebied
Toestand waarin de basis-emitterovergang in voorwaartse en de basis-collectorovergang in sperrichting is voorgespannen. De collectorstroom is evenredig met de basisstroom en wordt gebruikt voor versterking.
Kanaallengtemodulatie
Verschijnsel bij een MOSFET in verzadiging: een hogere drainspanning verschuift het pinch-offpunt naar de source, waardoor de effectieve kanaallengte korter wordt en de drainstroom iets toeneemt. Maakt de uitgangsweerstand eindig.
Snelheidsverzadiging (velocity saturation)
Verschijnsel waarbij de driftsnelheid van ladingdragers in een sterk elektrisch veld niet evenredig met het veld toeneemt maar bij ongeveer 1×10⁷ cm/s afvlakt. Bij kortekanaal-MOSFET's is dit de reden dat de drainstroom kleiner is dan de kwadratische wet voorspelt.
Transconductantie
Verhouding tussen de verandering van de drainstroom en de verandering van de gatespanning, geschreven als gm. Geeft het versterkend vermogen van de transistor weer; de versterking van een schakeling wordt bij benadering bepaald door gm maal de belastingsweerstand.
Subthreshold swing
Gatespanning die nodig is om de drainstroom beneden de drempelspanning met een factor 10 te veranderen. De theoretische ondergrens bij kamertemperatuur is ongeveer 60 mV/decade; hoe kleiner, hoe scherper de overgang tussen aan en uit.

Verwante vergelijkingen