2. FET (MOSFET) semiconductor d'òxid de metall
ACTUAL - 2. FET semiconductor òxid metàl·lic (MOSFET)
ANTERIOR- 1. Avantatges i desavantatges de les FET
FET (MOSFET) semiconductor d'òxid de metall
El semiconductor metàl·lic FET (MOSFET) és un dispositiu de quatre terminals. Els terminals són font (S), porta (G) i drenatge (D). La substrat or body forma el quart terminal. El MOSFET es construeix amb el terminal de la porta aïllat del canal amb un dielèctric de diòxid de silici. Els MOSFET també poden ser esgotament or mode de millora. En breu definirem aquests dos termes.
Figura 1 - MOSFET d’esgotament del canal n
Els MOSFET es refereixen de vegades com a IGFET (Transistors d’efecte de camp amb portes aïllats) a causa del SiO2 capa utilitzada com a aïllant entre la porta i el substrat. Comencem la nostra anàlisi amb el MOSFET en mode d’esgotament. De la mateixa manera que els BJT també poden ser npn or pnp, MOSFET pot ser n-channel (NMOS) o p-canal (PMOS). La figura 1 il·lustra l’estructura física i el símbol d’un n-MOSFET d'esgotament de canals. Tingueu en compte que el substrat està connectat al terminal d'origen. Això gairebé sempre serà el cas.
El MOSFET d'esgotament es construeix amb un físic canal inserit entre el desguàs i la font. Com a resultat, quan una tensió, vDS, s'aplica entre el drenatge i la font, un corrent, iD, existeix entre el drenatge i la font, tot i que el terminal G de la porta no es connecta (vGS = 0 V).
La construcció del n-L'explotació del canal MOSFET comença amb psilicona de doble capa. El n- Els pous de fuita i drenatge reduïts formen connexions de baixa resistència entre els extrems de la n-canal, com es mostra a la figura 1. Es diposita una fina capa de diòxid de silici que cobreix l'àrea entre la font i el desguàs. El SiO2 és un aïllant. Es diposita una capa d’alumini a l’aïllant del diòxid de silici per formar el terminal de la porta. En funcionament, és negatiu vGS treu els electrons de la regió del canal i, d'aquesta manera, esgotarà el canal. Quan vGS arriba a un determinat voltatge, VT, el canal és pinch off. Valors positius de vGS augmentar la mida del canal, resultant en un augment de la corrent de drenatge. El MOSFET d’esgotament pot funcionar amb valors positius o negatius de vGS. Atès que la porta està aïllada del canal, el corrent de la porta és insignificantment petit (per ordre de 10)-12 A).
Figura 2 - MOSFET d’esgotament del canal p
La figura 2 és comparable a la figura 1, excepte que hem canviat la n-MOSFET d'esgotar el canal a a p-MOSFET d'esgotament de canals.
El nLa millora del canal MOSFET s'il·lustra a la figura 3 juntament amb el símbol del circuit. Aquesta és la forma més habitual d’ús del transistor d’efecte de camp.
Figura 3 - MOSFET de millora del canal n
El n-Mchancement enhancement MOSFET es diferencia del MOSFET d'esgotament en no tenir el prim n-layer. Requereix una tensió positiva entre la porta i la font per establir un canal. Aquest canal està format per l’acció d’una tensió de porta a font positiva, vGS, que atrau electrons de la regió del substrat entre el n-Drenat amb drenatge i font. Positiu vGS fa que els electrons s'acumulin a la superfície sota la capa d’òxid. Quan la tensió arriba a un llindar, VT, a aquesta regió s’atreu un nombre suficient d’electrons per fer-la actuar com un conductor n-canal. No hi ha cap corrent de drenatge apreciable, iD existeix fins a vGS excedeix VT.
La figura 4 és comparable a la figura 3, excepte que hem canviat la n-Mosfet de millora del canal a a p- MOSFET de millora de canals.
Figura 4 - MOSFET de millora del canal p
Com a resum, la família MOSFET mostra la identificació iD davant vGS corbes mostrades a la figura 5. Cada corba característica es desenvolupa amb una tensió suficient de drenatge-font vDS per mantenir el dispositiu a la regió normal d’explotació del iD davant vDS corbes. La discussió en seccions posteriors definirà la tensió de llindar VT tant per a MOSFET de millora com per a MOSFET d'esgotament.
Figura 5 - iD davant vGS característiques de la família MOSFET per a una tensió de font suficient de drenatge VDS
Característiques del terminal MOSFET del mode de millora 2.1
Ara que hem presentat l'estructura bàsica i la base per al funcionament del MOSFET, fem servir un enfocament per examinar el comportament del terminal del dispositiu en mode de millora. Primer fem algunes observacions generals de la figura 1. Penseu en el flux normal de corrent al MOSFET com el desguàs fins a la font (igual que al BJT, es troba entre el col·lector i l’emissor). Igual que amb el npn BJT, hi ha dos díodes dorsals entre el drenatge i la font. Per tant, hem d'aplicar tensions externes a la porta per permetre que el corrent circuli entre el desguàs i la font.
Si posem a terra la font i apliquem una tensió positiva a la comporta, aquesta tensió és efectivament la tensió entre la porta i la font. La tensió positiva de la porta atrau electrons i repel·leix els forats. Quan la tensió supera el llindar (VT), s’atreu suficient electrons per formar un canal conductor entre el drenatge i la font. En aquest punt, el transistor s'encén i el corrent és una funció de tots dos vGS i vDS. Hauria de tenir clar que VT és un nombre positiu per a un n-un dispositiu de canal i un nombre negatiu per a p- dispositiu de canal.
Una vegada que es crea un canal (és a dir, vGS >VT), el flux de corrent pot ocórrer en aquest canal entre el drenatge i la font. Aquest flux actual depèn de vDS, però també depèn de vGS. Quan vGS amb prou feines supera la tensió de llindar, pot fluir molt poc corrent. Com vGS augmenta més enllà del llindar, el canal conté més portadors i són possibles corrents més alts. La figura 6 mostra la relació entre iD i vDS where vGS és un paràmetre. Tingueu en compte que per a vGS inferior al llindar, sense corrents de corrent. Per a majors vGS, la relació entre iD i vDS és aproximadament lineal que indica que el MOSFET es comporta com una resistència de la qual depèn la resistència vGS.
Figura 6 -iD davant vDS per a un mode de millora n-canal MOSFET quan vDS és petit
Les corbes de la figura 6 semblen línies rectes. No obstant això, no continuaran com a línies rectes quan ho faran vDS es fa més gran. Recordeu que per crear el canal de conducció s’utilitza una tensió de porta positiva. Ho fa atraient electrons. La tensió de drenatge positiva està fent el mateix. A mesura que ens apropem a l’extrem de drenatge del canal, s’acosta la tensió que crea el canal vGS-vDS ja que les dues fonts s'oposen. Quan aquesta diferència sigui inferior a VT, el canal ja no existeix per a tot l’espai entre la font i el desguàs. El canal és restringit al final del drenatge i augmenta encara més vDS no provocar cap augment en iD. Es coneix com a regió operativa normal o saturació regió que es mostra a la figura 7 per la secció horitzontal de les corbes característiques. Quan la diferència és superior a VT, ho anomenem el triode mode, ja que els potencials en els tres terminals afecten fortament el corrent.
La discussió anterior condueix a les corbes operatives de la figura 7.
Figura 7 -iD davant vGS per a un MOSFET en mode de millora
La transició entre el triode i la regió normal d’explotació (que s’anomena la regió de saturació i sovint identificada com a operació en el mode de pinch-off) de l’operació es mostra com la línia traçada a la figura 7, on
(1)
A la frontera de la regió triode, els genolls de les corbes segueixen aproximadament la relació,
(2)
En l'equació (2), K és una constant per a un dispositiu donat. El seu valor depèn de les dimensions del dispositiu i dels materials utilitzats en la seva construcció. La constant es dóna per,
(3)
En aquesta equació, μn és la mobilitat dels electrons; Còxid, la capacitat d’òxid, és la capacitat per unitat d’àrea de la porta; W és l’amplada de la porta; L és la longitud de la porta. L’equació indica una relació complicada i no lineal entre iD i les dues tensions, vDS i vGS. Ja que ens agradaria drenar el corrent per variar aproximadament linealment vGS (independentment de vDS), l’FET no s’utilitza generalment a la regió del triode.
Ara volem trobar una equació per a les corbes operatives a la regió de saturació. Podem establir els valors a la transició entre la regió triode i la saturació avaluant l’equació (2) en la transició (genoll). Això és,
(4)
Aquesta equació estableix la magnitud de la corrent de drenatge a la frontera (línia traçada a la figura 8) com a funció del voltatge de porta a font vGS. Si cal, podem explicar la lleugera inclinació de les corbes característiques a la regió de saturació afegint un factor lineal.
(5)
En equació (5), λ és una petita constant (la inclinació de la secció gairebé horitzontal de les corbes característiques que es mostra a la figura 8). Normalment és inferior a 0.001 (V.)-1). Llavors
(6)
Tota la nostra discussió anterior es va tractar amb el transistor NMOS. Ara discutim breument les modificacions necessàries per a PMOS. Per PMOS, els valors de vDS serà negatiu. A més, per crear un canal en PMOS, 
.
Figura 8: característiques del terminal d'un transistor MOSFET
Els únics canvis a partir de les característiques dels transistors NMOS (figura 7) és que l’eix horitzontal és ara -vDS en lloc de + vDS, i les corbes paramètriques representen un corrent de drenatge més alt a mesura que disminueix la tensió de la porta (en lloc d’augmentar pel transistor NMOS). Les corbes per augmentar els valors de corrent corresponen a una tensió de porta més negativa. Quan vGS > VT, el transistor està tallat. Per a la millora de PMOS, VT és negatiu i, per esgotament, PMOS, VT és positiu.
L’equació del corrent en la transició de la regió triode pel transistor PMOS és idèntica a la del NMOS. Això és,
(7)
Tingueu en compte que vGS i vDS són quantitats negatives. L’equació de la regió de saturació en el transistor PMOS també és idèntica a la de la NMOS. Això és,
(8)
Tingueu en compte que λ és negatiu per als transistors PMOS ja que la taxa de canvi de la corba (
) és negatiu.
Prenent la derivada parcial d'ambdues cares de l'equació (6) respecte a vGS, 
, obtenim
(9)
Preferim el valor de gm ser constant, especialment per a canvis de senyal grans. Tanmateix, només podem aproximar aquesta condició si utilitzem el FET per a aplicacions de senyal petit. Per a condicions de senyal grans, la distorsió de la forma d'ona pot ser inacceptable en algunes aplicacions.
MOSFET del mode d'ampliació 2.2
La secció anterior tractava del MOSFET del mode de millora. Ara contrastem això amb el MOSFET en mode d’esgotament. Per al n-modificador de canals, per adquirir un canal hem hagut d'aplicar una tensió positiva a la porta. Aquesta tensió havia de ser prou gran com per forçar un nombre suficient d’electrons mòbils per produir un corrent en un canal induït.
Figura 9 - MOSFET del canal de mode d'ampliació
A la n-MOSFET en mode d’esgotament de canal, no necessitem aquest voltatge positiu ja que tenim un canal implantat físicament. Això ens permet tenir corrent entre els terminals de desguàs i font, fins i tot amb tensions negatives aplicades a la porta. Per descomptat, hi ha un límit en la quantitat de voltatge negatiu que es pot aplicar a la porta mentre es manté un flux de corrent entre el drenatge i la font. Aquest límit es torna a identificar com el voltatge llindar, VT. El canvi del mode de millora és que el voltatge de la porta a la font ara pot ser negatiu o positiu, com es mostra a la figura 9.
Les equacions que defineixen el funcionament del MOSFET en mode d'esgotament són molt similars a les del mode de millora. El valor de la corrent de drenatge quan vGS s'identifica com a zero IDSS. Sovint es fa referència a això com a corrent de saturació de la font de drenatge, O la corrent de drenatge de porta zero. Comparant les equacions del MOSFET del mode de millora amb les del mode d'esgotament, trobem
(10)
A continuació, trobem,
(11)
Els MOSFETs en mode d'ampliació estan disponibles de forma discreta o es poden fabricar en xips de circuits integrats juntament amb els tipus de mode de millora. Això inclou tots dos p- Tipus i n-tipo. Això permet una major flexibilitat en les tècniques de disseny de circuits.
2.3 Circuit equivalent de senyal gran
Ara volem desenvolupar un circuit equivalent que representa les característiques de gran senyal de la figura 8 [Equació (5) o (8)] a la regió de saturació. Tingueu en compte que la corrent de drenatge, iD, depén de vGS i vDS. Per obtenir una tensió constant de porta a font, operem al llarg d’una de les corbes paramètriques de la figura, i la relació és aproximadament una línia recta. Una relació en línia recta entre el corrent i el voltatge és modelada per una resistència. Per tant, el circuit equivalent consisteix en una resistència en paral·lel a la font de corrent on el valor de la font de corrent estableix la porció del corrent de drenatge deguda a vGS. El pendent de la corba depèn de vGS. El pendent és la derivada parcial,
(12)
where r0 és la resistència de sortida incremental. Veiem per l’equació [(5) o (8)] que aquesta resistència és donada per
(13)
on fem servir majúscules VGS per indicar que la resistència es defineix per a un valor constant determinat de la tensió entre la porta i la font. L’aproximació final en l’equació (13) resulta de l’equació (5) amb l’assumpció que λ és petit. Per tant, la resistència és inversament proporcional al corrent de biaix, ID. El model equivalent de gran senyal es dóna llavors a la figura 11 on r0 és tan desenvolupat a Equació (13).
Figura 11: circuit equivalent de senyal gran
2.4 Model de senyal petit de MOSFET
Ara volem examinar els efectes incrementals relacionats amb l’equació. Els tres paràmetres del circuit en aquesta equació, iD, vGS i vDS estan formats per tots dos dc (biaix) i ac components (és per això que hem utilitzat subíndexs en majúscules en les expressions). Estem interessats en el ac components per al model de senyal petita. Veiem que el corrent de drenatge depèn de dues tensions, la porta a la font i el drenatge a la font. Per als valors incrementals, podem escriure aquesta relació
(14)
En equació (14), gm is la transconductància cap endavant i r0 és la resistència de sortida. Els seus valors es troben mitjançant la derivació parcial d’Equació (5). Així,
(15)
L’aproximació en Equació (15) resulta de l’observació que λ si és petit. L'equació (14) condueix al model de senyal petit de la figura 12.
Figura 12 - Model MOSFET de petit senyal