2. معدن أشباه الموصلات بأكسيد المعادن FET (MOSFET)

أكسيد المعادن أشباه الموصلات FET (MOSFET)

إن أشباه الموصلات المصنوعة من أكسيد المعادن FET (MOSFET) عبارة عن جهاز طرفي أربعة. المحطات هي المصدر (S) ، البوابة (G) و استنزاف (D). الركيزة or الجسدي يشكل المحطة الرابعة. تم تصنيع MOSFET باستخدام بوابة البوابة المعزولة من القناة باستخدام عازل ثنائي أكسيد السيليكون. MOSFETs يمكن أن يكون إما نفاذ or وضع التحسين. نحدد هذين المصطلحين قريبا.

الشكل 1 - استنزاف قناة ن

يشار إلى MOSFETs أحيانًا باسم IGFETs (ترانزستورات تأثير المجال في البوابة المعزولة) بسبب SiO₂ طبقة تستخدم كعازل بين البوابة والركيزة. نبدأ تحليلنا مع MOSFET وضع الاستنزاف. كما BJTs يمكن أن يكون إما NPN or PNP، MOSFETs يمكن أن يكون إما nقناة (NMOS) أو pقناة (PMOS). يوضح الشكل 1 البنية المادية والرمز لـ nقناة استنزاف MOSFET. لاحظ أنه يتم توصيل الركيزة إلى محطة المصدر. سيكون هذا هو الحال دائمًا.

استنزاف MOSFET هي التي شيدت مع مادي قناة إدراجها بين هجرة والمصدر. نتيجة لذلك ، عندما الجهد ، v_DS، يتم تطبيقه بين التصريف والمصدر ، تيار ، i_D, موجود بين الصرف والمصدر على الرغم من أن محطة البوابة G لا تزال غير متصلة (v_GS = 0 V).

بناء nقناة نضوب MOSFET تبدأ pالسيليكون مخدر. ال n- مصدر آبار وصرف آبار تشكل اتصالات منخفضة المقاومة بين نهايات n، كما هو موضح في الشكل 1. ترسب طبقة رقيقة من ثاني أكسيد السيليكون تغطي المنطقة بين المصدر والصرف. سيو₂ هو عازل. ترسب طبقة الألومنيوم على عازل ثاني أكسيد السيليكون لتشكيل محطة البوابة. في العملية ، سلبي v_GS يدفع الإلكترونات إلى خارج منطقة القناة ، وبالتالي يستنفد القناة. متى v_GS يصل إلى الجهد معين ، V_Tالقناة هي مقروص قبالة. القيم الايجابية لل v_GS زيادة حجم القناة ، مما أدى إلى زيادة تيار التصريف. النضوب MOSFET يمكن أن تعمل إما مع القيم الإيجابية أو السلبية لل v_GS. نظرًا لأن البوابة معزولة عن القناة ، فإن تيار البوابة صغير جدًا (بترتيب 10^-12 ا).

الشكل 2 - استنزاف ف القناة MOSFET

الشكل 2 مشابه للشكل 1 ، باستثناء أننا قمنا بتغيير nقناة استنزاف MOSFET إلى pقناة استنزاف MOSFET.

• nتحسين القناة MOSFET موضح في الشكل 3 مع رمز الدائرة. هذا هو الشكل الأكثر استخدامًا لترانزستور التأثير الميداني.

الشكل 3 - MOSFET تعزيز قناة ن

• nقناة MOSFET المحسنة تختلف عن MOSFET المستنفدة بسبب عدم وجود النحافة n-طبقة. يتطلب جهدًا إيجابيًا بين البوابة والمصدر لإنشاء قناة. تتشكل هذه القناة من خلال جهد موجب من البوابة إلى المصدر ، v_GSالذي يجذب الإلكترونات من منطقة الركيزة بين nاستنزاف ، والمصدر. إيجابي v_GS يؤدي إلى تراكم الإلكترونات على السطح تحت طبقة الأكسيد. عندما يصل الجهد إلى العتبة ، V_T، تنجذب أعداد كافية من الإلكترونات إلى هذه المنطقة لجعلها تتصرف مثل إجراء n-قناة. لا الحالي استنزاف ملموس ، i_D موجود حتى v_GS يتجاوز V_T.

الشكل 4 مشابه للشكل 3 ، باستثناء أننا قمنا بتغيير nقناة MOSFET تعزيز ل pتعزيز قناة MOSFET.

الشكل 4 - موسفيت تعزيز ف القناة

كملخص ، تعرض عائلة MOSFET التعريف i_D مقابل v_GS المنحنيات المبينة في الشكل 5. تم تطوير كل منحنى مميز مع جهد مصدر التصريف الكافي v_DS للحفاظ على الجهاز في منطقة التشغيل العادية لل i_D مقابل v_DS المنحنيات. المناقشة في الأقسام اللاحقة ستحدد جهد الجهد V_T لكل من تحسينات MOSFET و MOSFETs المستنفدة.

الشكل 5 - i_D مقابل v_GS خصائص عائلة MOSFET للجهد الكافي لمصدر التصريف V_DS

خصائص المحطة الطرفية MOSFET 2.1 ذات الوضع المحسن

الآن وقد قدمنا الهيكل الأساسي والأساس لتشغيل MOSFET ، فإننا نستخدم نهجًا لفحص السلوك النهائي لجهاز وضع التحسين. لنقم أولاً ببعض الملاحظات العامة من الشكل 1. فكر في التدفق الطبيعي للتيار في MOSFET على أنه من الصرف إلى المصدر (تمامًا كما في BJT ، فهو بين المجمع والباعث). كما هو الحال مع NPN BJT ، وجود اثنين من الثنائيات العودة إلى الوراء بين هجرة والمصدر. لذلك ، يجب أن نطبق الفولتية الخارجية على البوابة للسماح للتيار بالتدفق بين الصرف والمصدر.

إذا قمنا بتأريض المصدر وتطبيق جهد موجب على البوابة ، فإن هذا الجهد هو فعلياً الجهد من البوابة إلى المصدر. يجذب جهد البوابة الإيجابية الإلكترونات ويصد الثقوب. عندما يتجاوز الجهد العتبة (V_T) ، تنجذب ما يكفي من الإلكترونات لتشكيل قناة إجراء بين التصريف والمصدر. عند هذه النقطة ، يتم تشغيل الترانزستور والحالي هو وظيفة على حد سواء v_GS و v_DS. يجب أن يكون واضحا ذلك V_T هو رقم موجب ل nقناة الجهاز ، ورقم سالب ل pقناة الجهاز.

بمجرد إنشاء قناة (أي ، v_GS>V_T) ، يمكن أن يحدث التدفق الحالي في تلك القناة بين الصرف والمصدر. هذا التدفق الحالي يعتمد على v_DS، لكنه يعتمد أيضا على v_GS. عندما v_GS بالكاد يتجاوز الجهد العتبة ، تيار صغير جدا يمكن أن تتدفق. مثل v_GS الزيادات تتجاوز العتبة ، تحتوي القناة على المزيد من الموجات الحاملة وتكون التيارات العالية ممكنة. يوضح الشكل 6 العلاقة بين i_D و v_DS أين v_GS هي المعلمة. لاحظ أن ل v_GS أقل من العتبة ، لا التدفقات الحالية. لأعلى v_GSالعلاقة بين i_D و v_DS هو خطي تقريبا يشير إلى أن MOSFET يتصرف مثل المقاوم الذي تعتمد مقاومته v_GS.

الشكل 6 -i_D مقابل v_DS لتحسين الوضع nقناة MOSFET عندما v_DS صغير

تبدو منحنيات الشكل 6 كخطوط مستقيمة. ومع ذلك ، فإنها لن تستمر كخطوط مستقيمة عندما v_DS يكبر. تذكر أنه يتم استخدام جهد بوابة موجبة لإنشاء قناة التوصيل. يفعل ذلك عن طريق جذب الإلكترونات. الجهد التصريف الإيجابي يفعل الشيء نفسه. ونحن نقترب من نهاية استنزاف القناة ، يقترب الجهد الذي يخلق القناة v_GS-v_DS منذ المصدران يعارض كل منهما الآخر. عندما يكون هذا الفرق أقل من V_T، القناة لم تعد موجودة لكامل المساحة بين المصدر واستنزاف. القناة هي مقيدة في نهاية الصرف ، وزيادة في v_DS لا تؤدي إلى أي زيادة في i_D. هذا هو المعروف باسم منطقة التشغيل العادية أو التشبع المنطقة الموضحة في الشكل 7 حسب القسم الأفقي للمنحنيات المميزة. عندما يكون الفرق أكبر من V_Tنحن نسمي هذا الصمام الثلاثي الوضع ، لأن الإمكانات في جميع المحطات الثلاثة تؤثر بقوة على التيار.

تؤدي المناقشة السابقة إلى منحنيات التشغيل في الشكل 7.

الشكل 7 -i_D مقابل v_GS للحصول على وضع تحسين MOSFET

يظهر الانتقال بين الصمام الثلاثي ومنطقة التشغيل العادية (يشار إليها باسم منطقة التشبع وغالبًا ما يتم تحديدها على أنها عملية في وضع إيقاف التشغيل) كخط متقطع في الشكل 7 ، حيث

عند حدود منطقة الصمام الثلاثي ، تتبع ركبتي المنحنيات العلاقة تقريبًا ،

2
في المعادلة (2) ، K هي ثابت لجهاز معين. تعتمد قيمته على أبعاد الجهاز والمواد المستخدمة في بنائه. يتم إعطاء ثابت بواسطة ،

3
في هذه المعادلة ، μ_n هي حركة الإلكترون ؛ C_أكسيد، السعة أكسيد ، هي السعة لكل وحدة مساحة البوابة ؛ W هو عرض البوابة. L هو طول البوابة. تشير المعادلة إلى وجود علاقة معقدة وغير خطية بين i_D والجهدين ، v_DS و v_GS. بما أننا نود أن يتغير تيار التصريف خطيًا تقريبًا v_GS (مستقل عن v_DS) ، FET لا يستخدم عادة في منطقة الصمام الثلاثي.

نود الآن العثور على معادلة لمنحنيات التشغيل في منطقة التشبع. يمكننا تحديد القيم عند الانتقال بين منطقة الصمام الثلاثي والتشبع من خلال تقييم المعادلة (2) عند الانتقال (الركبة). هذا هو،

4
تحدد هذه المعادلة حجم تيار التصريف عند الحدود (الخط المتقطع في الشكل 8) كدالة لجهد البوابة إلى المصدر v_GS. إذا لزم الأمر ، يمكننا حساب الميل الطفيف للمنحنيات المميزة في منطقة التشبع عن طريق إضافة عامل خطي.

5
في المعادلة (5) ، λ هو ثابت صغير (ميل القسم الأفقي القريب من المنحنيات المميزة الموضحة في الشكل 8). عادة ما يكون أقل من 0.001 (V^-1). ثم

كل مناقشتنا السابقة تعاملت مع الترانزستور NMOS. نناقش الآن بإيجاز التعديلات اللازمة ل PMOS. ل PMOS ، وقيم v_DS سيكون سلبيا. بالإضافة إلى ذلك ، لإنشاء قناة في PMOS ، .

الشكل 8 - الخصائص الطرفية لترانزستور MOSFET

التغييرات الوحيدة من خصائص الترانزستورات NMOS (الشكل 7) هي أن المحور الأفقي الآن -v_DSبدلا من + الخامس_DS،وتمثل المنحنيات البارامترية تيار تصريف أعلى مع انخفاض جهد البوابة (بدلاً من زيادة ترانزستور NMOS). تتوافق منحنيات زيادة القيم الحالية مع جهد بوابة سالب أكثر. متى v_GS> V_T، الترانزستور هو قطع. لتعزيز PMOS ، V_T هو سلبي ، واستنزاف PMOS ، V_T هو إيجابي.

إن معادلة التيار عند انتقال المنطقة ذات الصمام الثلاثي لترانزستور PMOS مماثلة لمعادلة NMOS. هذا هو،

7
نلاحظ أن v_GS و v_DS كلاهما كميات سلبية. معادلة منطقة التشبع في الترانزستور PMOS هي أيضا مماثلة لمعادلة NMOS. هذا هو،

نلاحظ أن λ هو سلبي بالنسبة الترانزستورات PMOS منذ معدل التغير في المنحنى () هو سلبي.

أخذ مشتق جزئي من طرفي المعادلة (6) فيما يتعلق v_GS, ، نحن نحصل

9
نحن نفضل قيمة g_m أن تكون ثابتة ، خاصة بالنسبة لتقلبات الإشارات الكبيرة. ومع ذلك ، يمكننا فقط تقريب هذا الشرط إذا استخدمنا FET لتطبيقات الإشارة الصغيرة. بالنسبة لظروف الإشارة الكبيرة ، قد يكون تشويه الشكل الموجي غير مقبول في بعض التطبيقات.

2.2 MOSFET نضوب الوضع

تعامل القسم السابق مع MOSFET وضع التحسين. نحن الآن على النقيض من هذا إلى MOSFET وضع نضوب. ل nوضع تعزيز القناة ، للحصول على قناة كان علينا تطبيق جهد إيجابي على البوابة. يجب أن يكون هذا الجهد كبيرًا بما يكفي لإجبار أعداد كافية من الإلكترونات المتنقلة لإنتاج تيار في قناة مستحثة.

الشكل 9 - وضع الاستنفاد N-channel MOSFET

في مجلة nنضوب-قناة وضع MOSFET، نحن لسنا بحاجة هذا الجهد إيجابي لأن لدينا قناة زرع جسديا. وهذا يسمح لنا أن يكون القائم بين هجرة ومصدر المحطات حتى مع الفولتية السلبية تطبيقها على البوابة. بالطبع ، هناك حد لمقدار الجهد السالب الذي يمكن تطبيقه على البوابة مع استمرار التدفق الحالي بين الصرف والمصدر. يتم تحديد هذا الحد مرة أخرى كما عتبة الجهد، V_T. التغيير من وضع التحسين هو أن الجهد من البوابة إلى المصدر يمكن أن يكون الآن إما سالبًا أو موجبًا ، كما هو موضح في الشكل 9.

تشبه المعادلات التي تحدد تشغيل MOSFET في وضع الاستنفاد معادلات وضع التحسين. قيمة استنزاف الحالية عندما v_GS هو صفر كما هو محدد I_DSS. وغالبا ما يشار إلى هذا باسم استنزاف مصدر تشبع التيار، أو صفر - بوابة تصريف التيار. عند مقارنة معادلات MOSFET في وضع التعزيز مع معادلات وضع النضوب ، نجد

ثم نجد ،

وضع نضوب MOSFETs متاح في شكل منفصل ، أو يمكن تصنيعها على رقائق الدوائر المتكاملة مباشرة جنبا إلى جنب مع أنواع وضع التحسين. وهذا يشمل كليهما pمن نوع و n-نوع. وهذا يسمح بمزيد من المرونة في تقنيات تصميم الدوائر.

2.3 دائرة مكافئة إشارة كبيرة

نود الآن تطوير دارة مكافئة تمثل خصائص الإشارة الكبيرة في الشكل 8 [معادلة (5) أو (8)] في منطقة التشبع. لاحظ أن تيار التصريف ، i_D، يعتمد على v_GS و v_DS. لثابت الجهد بوابة إلى مصدر، ونعمل جنبا إلى جنب واحد من المنحنيات حدودي من هذا الرقم، والعلاقة هو خط مستقيم تقريبا. وعلى غرار علاقة خط مستقيم بين التيار والجهد من قبل المقاوم. وبالتالي يتكون حلبة يعادل المقاوم بالتوازي مع مصدر الحالي حيث قيمة مصدر في الوقت الراهن وتحدد جزء من استنزاف الحالية نظرا ل v_GS. يعتمد ميل المنحنى على v_GS. المنحدر هو مشتق جزئي ،

أين r₀ هي مقاومة الانتاج التزايدي. نرى من المعادلة [(5) أو (8)] أن هذه المقاومة مقدمة بواسطة

حيث نستخدم الحالة العليا V_GS للإشارة إلى أن المقاومة محددة لقيمة ثابتة معينة لجهد البوابة إلى المصدر. التقريب النهائي في المعادلة (13) ينتج عن المعادلة (5) مع افتراض ذلك λ صغير وبالتالي فإن المقاومة تتناسب عكسيا مع تيار التحيز ، I_D. ثم يتم إعطاء نموذج مكافئ الإشارة الكبير من خلال الشكل 11 حيث r₀ كما تم تطويره في المعادلة (13).

الشكل 11 - دارة مكافئة للإشارة الكبيرة

2.4 نموذج إشارة صغيرة من MOSFET

نود الآن أن ننظر إلى الآثار المتزايدة المتعلقة بالمعادلة. المعلمات الدائرة الثلاث في تلك المعادلة ، i_D, v_GS و v_DS تتكون من كليهما dc (التحيز) و ac المكونات (وهذا هو السبب في أننا استخدمنا حروف الحروف الكبيرة في التعبيرات). نحن مهتمون في ac مكونات نموذج الإشارة الصغيرة. نرى أن تيار التصريف يعتمد على جهدين ، بوابة الوصول إلى مصدر الصرف ، ومصدر الصرف. بالنسبة للقيم الإضافية ، يمكننا كتابة هذه العلاقة كـ

14
في المعادلة (14) ، g_m is الموصلات الأمامية و r₀ هي مقاومة الانتاج. تم العثور على قيمهم عن طريق أخذ مشتقات جزئية في المعادلة (5). وهكذا،

15
التقريب في المعادلة (15) ينتج من الملاحظة التي λ إذا كانت صغيرة. تؤدي المعادلة (14) إلى نموذج الإشارة الصغيرة في الشكل 12.

الشكل 12 - نموذج MOSFET صغير الإشارة

السابق - 1. مزايا وعيوب FETs

NEXT- 3. ترانزستور مجال تأثير التقاطع (JFET)