2. Metal-oksid Yarımkeçirici FET (MOSFET)

Metal-oksid Yarımkeçirici FET (MOSFET)

Metal-oksid yarımkeçirici FET (MOSFET) dörd terminal cihazdır. Terminallar mənbə (S), qapı (G)drenaj (D). Bu substrat or bədən dördüncü terminal qurur. MOSFET, silikon dioksid dielektrikli kanaldan izolyasiya edilmiş giriş terminalı ilə inşa edilmişdir. MOSFETlər də ola bilər tükənmə or genişləndirilməsi rejimi. Qısa müddətdə bu iki şərtləri müəyyənləşdiririk.

MOSFET: n-kanalın tükənməsi

Şəkil 1 - n-kanalın tükənməsi MOSFET

MOSFET-lər bəzən IGFETs (İzoleli Gate Field-Effect Transistors) olaraq adlandırılırlar və SiO2 qapı və substrat arasında izolyator olaraq istifadə edilir. Analizimizi tükənmə rejimi MOSFET ilə başlayırıq. BJT'lər də ola bilər npn or pnp, MOSFETlər də ola bilər n- kanal (NMOS) və ya p- kanal (PMOS). Şəkil 1 bir üçün fiziki struktur və simvolu göstərir n-KANNEL tükənməsi MOSFET. Substratın qaynaq terminalına bağlı olduğuna diqqət yetirin. Bu, demək olar ki, həmişə olacaqdır.

MOSFET tükənməsi a fiziki Kanal və qaynaq arasında yerləşdirilən kanal. Nəticədə, bir gərginlik, vDS, drenaj və mənbə arasında tətbiq olunur, bir cari, iD, qapı terminalı G əlaqəsiz qalmasına baxmayaraq, drenaj və qaynaq arasında mövcuddur (vGS = 0 V).

Tikinti nMOSFET kanalının tükənməsi ilə başlayır pdəsmal silikon. Məqalələr nqaynaqlı qaynaq və drenaj quyuları, uçların arasında aşağı müqavimət əlaqələri meydana gətirir nŞəkil 1-da göstərildiyi kimi, kanal. Silikon dioksidin nazik təbəqəsi qaynaq və drenaj arasında olan ərazini əhatə edir. SiO2 bir yalıtıcıdır. Silikon dioksid izolyatorda alüminium təbəqə qapının terminalını meydana gətirir. Əməliyyatda mənfi vGS kanal bölgəsindən elektronları itələyir, bununla da kanalın tükəndirilməsinə səbəb olur. Nə vaxt vGS müəyyən bir gərginliyə çatır, VT, kanaldır söndürülmüşdü. Müsbət dəyərlər vGS Kanalın ölçüsünü artırmaq, drenaj axınının artmasına səbəb olur. MOSFET tükənməsi müsbət və ya mənfi dəyərlərlə işləyə bilər vGS. Qapının kanaldan yalıtılmadığından, qapının cari həcmi kiçikdir (10 əmri ilə12- A).

MOSFET: p-kanalın tükənməsi

Şəkil 2 - p-kanalın tükənməsi MOSFET

Şəkil 2 Şəkil 1 ilə müqayisə edilir, biz dəyişdik nMOSFET-kanalının tükəndirilməsi a p-KANNEL tükənməsi MOSFET.

The n-kanalın genişləndirilməsi MOSFET, Şəkil 3-da circuit simvolu ilə birlikdə göstərilir. Bu, sahə effektli transistorun ən çox istifadə edilən formasıdır.

n-kanalı genişləndirilməsi MOSFET

Şəkil 3 - n-kanalı genişləndirilməsi MOSFET

The n-Kanalın genişləndirilməsi MOSFET, nazik olmamaqla, MOSFET tükənməsindən fərqlənir n- oyunçu. Bir kanal qurmaq üçün qapı və mənbə arasında müsbət bir geriliyi tələb edir. Bu kanal, pozitiv qapıdan mənbə-qaynağın hərəkətinə, vGS, substrat bölgəsindən elektronları cəlb edən n-doplanmış drenaj və mənbə. Müsbət vGS oksid qatının altında səthdə elektronların yığılmasına səbəb olur. Gərginlik bir eşikə çatdıqda, VTbir bölgə kimi fəaliyyət göstərməsi üçün bu bölgəyə kifayət qədər sayıda elektron cəlb edilir nkanal. Dəyişən drenaj axını yoxdur, iD qədər var vGS aşır VT.

Şəkil 4 Şəkil 3 ilə müqayisə edilir, biz dəyişdik nMOSFET kanalını genişləndirmək p-Kanel genişləndirilməsi MOSFET.

p-kanalı genişləndirilməsi MOSFET

Şəkil 4 - p-kanalı genişləndirilməsi MOSFET

Xülasə olaraq MOSFET ailəsi müəyyənləşdirir iD qarşı vGS Şəkil 5-də göstərilmişdir. Hər bir xarakterik əyri kifayət qədər drenaj mənbəyi gərginliyi ilə hazırlanır vDS  cihazı normal əməliyyat bölgəsində saxlamaq üçün iD qarşı vDS əyri. Sonrakı bölmələrdəki müzakirə eşik voltajını təyin edəcək VT həm də genişləndirilməsi MOSFETs və tükənməz MOSFETs üçün.

Şəkil 5 -  iD qarşı vGS MOSFET ailənin xüsusiyyətləri kifayət qədər drenaj mənbəyi gərginliyi üçün VDS

2.1 Enhancement-Mode MOSFET Terminal Xüsusiyyətləri

MOSFET-in əsas quruluşunu və işləmə əsasını təqdim etdikdən sonra, genişləndirmə rejimi cihazının terminal davranışını araşdırmaq üçün bir yanaşma istifadə edirik. Əvvəlcə Şəkil 1-dən bəzi ümumi müşahidələr aparaq. MOSFET-də cərəyanın normal axınını drenajdan mənbəyə kimi düşünün (BJT-də olduğu kimi, kollektor və emitent arasındadır). İlə olduğu kimi npn BJT, drenaj və qaynaq arasında iki geri-arka diyot mövcuddur. Buna görə, drenaj və mənbə arasındakı axının axmasına icazə vermək üçün darvaza xarici gərginliklər tətbiq etməliyik.

Mənbəni yerə qoysaq və qapıya müsbət bir gerilim tətbiq edərsə, bu gərginlik effektiv olaraq qapalı mənbədən qaynağıdır. Müsbət darvazanın gərginliyi elektronları cəlb edir və delikləri qaçırır. Gərginlik eşikdən artıq olduqda (VT), drenaj və mənbə arasında aparıcı bir kanal yaratmaq üçün kifayət qədər elektronlar çəkilir. Bu nöqtədə tranzistor açılır və cari həm də bir funksiyadır vGSvDS. Aydın olmalıyıq VT bir üçün müsbət sayıdır n- kanal qurğusu və a üçün mənfi bir rəqəm pkanal qurğusu.

Kanal yaradıldıqdan sonra (yəni, vGS >VT), kanal axını və qaynaq arasında bu kanalda axın ola bilər. Bu cari axından asılıdır vDSancaq bu da bağlıdır vGS. Nə vaxt vGS yalnız eşik voltajını ancaq aza endirir, çox az cari axın ola bilər. Kimi vGS eşikdən daha çox artır, kanalda daha çox daşıyıcı var və yüksək cərəyanlar mümkündür. Şəkil 6 arasındakı əlaqəni göstərir iDvDS hara vGS bir parametrdir. Qeyd edin ki vGS Ehtimaldan az, heç bir axın yoxdur. Daha yüksəkdir vGS, arasındakı əlaqələr iDvDS MOSFET müqavimətinə bağlı olan bir rezistor kimi davranır vGS.

Şəkil 6 -iD qarşı vDS bir inkişaf rejimi üçün nzaman kanal MOSFET vDS kiçikdir

Şəkil 6 əyriları düz xətlər kimi görünür. Lakin onlar düz xətt kimi davam etməyəcəklər vDS daha böyük olur. Xatırladaq ki, ötürmə kanalını yaratmaq üçün müsbət bir qapı gərginliyi istifadə olunur. Bunu elektronları cəlb etməklə edir. Müsbət drenaj gərginliyi eyni şeyi edir. Kanalın drenaj sonuna yaxınlaşdığımız zaman, kanal yaratan gərginlik yaxınlaşır vGS-vDS çünki iki mənbə bir-birinə qarşı çıxır. Bu fərq daha az olduğunda VTkanal artıq qaynaq və boşluq arasında bütün yer üçün mövcud deyil. Kanal məhduddur drenaj sonunda və daha da artacaq vDS heç bir artım olmayacaq iD. Bu normal əməliyyat bölgəsi və ya olaraq bilinir saturasiya region xarakteristik əyrilərin üfüqi hissəsi ilə Şəkil 7-də göstərilir. Fərq daha böyükdür VTbiz bunu deyirik triodlar çünki hər üç terminalın potensialı cari təsirini gücləndirir.

Əvvəlki müzakirə Şəkil 7 əməliyyatın əyriləri gətirib çıxarır.

Şəkil 7 -iD qarşı vGS genişləndirilməsi rejimi MOSFET üçün

Əməliyyatın triode və normal əməliyyat bölgəsi (doyma bölgəsi adlanır və tez-tez pinch-off rejimində əməliyyat kimi müəyyən edilir) arasında keçid Şəkil 7-də kəsilmiş xətt kimi göstərilir.


(1)

Üçbucaqlı bölgə sərhədində əyri dizlər təxminən əlaqəni,


(2)
Denklemdə (2) K, müəyyən bir cihaz üçün sabitdir. Onun dəyəri cihazın ölçüləri və onun tikintisində istifadə olunan materiallardan asılıdır. Sabit,


(3)
Bu tənlikdə, μn elektron hərəkətliliyidir; Coksid, oksid kapasitansı, qapının vahid bir hissəsi üçün kapasitansdır; W qapının eni; L Qapının uzunluğu. Denklem, arasındakı mürəkkəb və qeyri-xətti əlaqəni göstərir iD və iki gerilim, vDSvGS. Drenaj axınının təxminən doğrusal olaraq dəyişəcəyini istərdik vGS ( vDS), FET ümumiyyətlə triode bölgəsində istifadə edilmir.

İndi doyma bölgəsində əməliyyat əyriləri üçün bir tənlik tapmaq istəyirik. Keçiddə (diz) tənliyi (2) qiymətləndirərək triod və doyma bölgəsi arasında keçiddə dəyərləri müəyyən edə bilərik. Yəni,


(4)
Bu tənlik sərhəddəki drenaj akımının (8-də kəsilmiş xətt) giriş-qaynaq geriliminin bir funksiyası kimi təyin edir vGS. Lazım gələrsə, lineer bir faktor əlavə edərək doyma bölgəsində xarakterik əyrilərin yüngül yamacını hesablaya bilərik.


(5)
Denklemde (5) λ kiçik bir sabitdir (Şəkil 8-də göstərilən xarakterik əyrilərin yaxın üfüqi hissəsinin yamacını). Ümumiyyətlə 0.001 (V-1). Sonra


(6)

Bizim əvvəlki müzakirələrimiz NMOS tranzistoruna aid idi. İndi PMOS üçün zəruri dəyişiklikləri qısaca müzakirə edirik. PMOS üçün vDS mənfi olacaq. Bundan əlavə, PMOS-da bir kanal yaratmaq üçün, .

Şəkil 8 - MOSFET tranzistorunun terminal xüsusiyyətləri

NMOS tranzistorlarının xüsusiyyətlərindən yalnız dəyişikliklər (Şəkil 7) yatay eksenin indi -vDS əvəzinə + vDS, və parametrik əyrilər daralma gərginliyi azaldığından (NMOS tranzistor üçün artan əvəzinə) yüksək drenaj axını göstərir. Cari dəyərləri artırmaq üçün əyrilər daha çox mənfi açma gərginliyinə bərabərdir. Nə vaxt vGS > VT, tranzistor kəsilir. PMOS-nun gücləndirilməsi üçün, VT mənfi və tükənməsi üçün PMOS, VT müsbətdir.

PMOS tranzistorunun triode bölgəsinə keçid dövrünə aid olan tənlik NMOS ilə eynidır. Yəni,


(7)
Qeyd edək ki, vGSvDS həm də mənfi miqdarlardır. PMOS tranzistorunda doyma bölgəsi üçün bərabərlik NMOS ilə eynidır. Yəni,


(8)

Qeyd edək ki, λ PMOS tranzistorları üçün mənfi olur, çünki əyri dəyişikliyi () mənfi.

Denklemin hər iki tərəfinin qismən törəməsini alaraq (6) vGS, biz alırıq


(9)
Biz dəyərini üstün edirik gm Xüsusilə böyük siqnal dalğaları üçün sabit olmaq. FET'i kiçik sinyal tətbiqləri üçün istifadə edərdik, ancaq bu vəziyyəti təxmin edə bilərik. Böyük siqnal şərtləri üçün, bəzi tətbiqlərdə dalğa formasının təhrif edilməsi qəbuledilməz ola bilər.

2.2 İstismar rejimi MOSFET

Əvvəlki bölmə MOSFET genişləndirilməsi rejimi ilə məşğul idi. İndi bu tükənmə rejimi MOSFET əleyhinədir. Üçün nkanalın genişləndirilməsi rejimi, qapıda müsbət bir gerilim tətbiq etmək üçün bir kanal əldə etmək idi. Bu gərginlik kifayət qədər sayda mobil elektronların induksiyalı bir kanalda cərəyan etmək üçün kifayət qədər böyük olmalıdır.

Şəkil 9 - Depletion rejimi n-kanal MOSFET

Ci n-kanal tükənmə rejimi MOSFET, fiziki olaraq implantasiya edilmiş bir kanalımız olduğundan bu müsbət gərginliyə ehtiyacımız yoxdur. Bu, qapıya tətbiq olunan mənfi gərginliklərlə belə drenaj və mənbə terminalları arasında cərəyan etməyimizə imkan verir. Əlbətdə ki, drenaj və mənbə arasında cari axını davam edərkən qapıya tətbiq edilə bilən mənfi gərginliyin bir həddi var. Bu limit yenidən eşik gərginliyi kimi müəyyən edilir, VT. Gücləndirmə rejimindəki dəyişiklik budur ki, qapıdan mənbəyə gərginlik artıq Şəkil 9-da göstərildiyi kimi mənfi və ya müsbət ola bilər.

MOSFET tükənmə rejiminin işlədilməsini təyin edən tənliklər böyümə rejiminə çox oxşardır. Drenaj axınının dəyəri vGS sıfır olaraq təyin olunur IDSS. Bu tez-tez deyilir drenaj-qaynaq doyma axını, Və ya sıfır qapı boşaltma axını. Təkmilləşdirmə rejimi MOSFET tənliklərini tükənmə rejimi ilə müqayisə edərək, tapırıq


(10)

Daha sonra,


(11)

Depletion rejimi MOSFET'lər diskret formada mövcuddur və ya genişləndirilməsi rejimi növləri ilə yanaşı, inteqral sxemlər cipsləri ilə də hazırlana bilər. Bu, həm də daxildir p-Tip və n-type. Bu dövrə dizayn üsullarında daha çox rahatlıq təmin edir.

2.3 Böyük siqnal ekvivalentliyi

İndi doyma bölgəsində Şəkil 8 [Equation (5) və ya (8)] böyük sinyal xüsusiyyətlərini əks etdirən ekvivalent bir dövrə inkişaf etdirmək istəyirik. Drenaj axını, iD, asılıdır vGSvDS. Sabit bir qapıdan mənbəyə gərginlik üçün rəqəmin parametrik əyrilərindən biri boyunca işləyirik və əlaqələr təxminən düz bir xəttdir. Cari və gərginlik arasında bir düz xətt əlaqəsi bir müqavimət tərəfindən modelləşdirilmişdir. Buna görə ekvivalent dövr, cərəyan mənbəyinin dəyərinin drenaj axınının bir hissəsini qurduğu cari mənbəyə paralel bir müqavimətdən ibarətdir. vGS. Eğrinin eğimi asılıdır vGS. Yamac qisim törəmədir,


(12)

hara r0 artımlı çıxış müqavimətidir. Denklem [(5) və ya (8)] müqavimətinin verildiyini görürük


(13)

biz yuxarı vəziyyətdə istifadə edəcəyik VGS müqavimət qapısından qaynaqlanan gərginliyin müəyyən bir sabit dəyəri üçün təyin olunduğunu göstərmək üçün. Denklemdeki (13) yekun yaxınlaşması, Denklem'den (5) gələn varsayımla nəticələnir λ kiçikdir. Buna görə müqavimət, yanlışlıqla yanaşı, ID. Daha sonra böyük siqnal ekvivalenti modeli Şəkil 11 tərəfindən verilir r0 Denklemde (13) inkişaf etmişdir.

Şəkil 11 - Böyük siqnal ekvivalent dövrə

2.4 MOSFET kiçik siqnal modeli

İndi bərabərliklə əlaqədar əlavə təsirlərə nəzər salmaq istəyirik. Bu tənlikdə üç dövrə parametri, iD, vGSvDS hər ikisi də ibarətdir dc (bias) və ac komponentləri (bu səbəbdən biz ifadələrdə yuxarı halda altsnotlardan istifadə etdik). Biz də maraqlıyıq ac kiçik sinyal modeli üçün komponentlər. Görürük ki, drenaj axını iki gərginliyə, giriş-qaynağına və drenaj-qaynağına bağlıdır. Artımlı dəyərlər üçün bu əlaqəni yaza bilərik


(14)
Denklemde (14) gm is irəli ötürülmər0 çıxış müqavimətidir. Onların dəyərləri tənlikdə (5) qismən törəmələr alaraq tapılır. Beləliklə,


(15)
Denklemdeki (15) yaxınlaşma, müşahidə edilən nəticələrdəndir λ kiçiksə. Denklem (14) Şəkil 12 kiçik sinyal modelinə gətirib çıxarır.

Şəkil 12 - Kiçik siqnal MOSFET modeli