2. Metaloxid Halvleder FET (MOSFET)
STRØM - 2. Metaloxid halvleder FET (MOSFET)
TIDLIGERE - 1. Fordele og ulemper ved FETs
Metaloxid Halvleder FET (MOSFET)
Metaloxid halvleder FET (MOSFET) er en fire terminal enhed. Terminalerne er kilde (S), port (G) , afløb (D). Det substrat or krop danner den fjerde terminal. MOSFET er konstrueret med portterminalen isoleret fra kanalen med en dielektrisk siliciumdioxid. MOSFET'er kan enten være udtømning or forbedringsmodus. Vi definerer disse to udtryk kort.
Figur 1 - n-kanal udtømning MOSFET
MOSFET'er omtales undertiden som IGFET'er (Isolerede Gate Field Effect Effect Transistors) på grund af SiO2 lag anvendt som en isolator mellem porten og substratet. Vi starter vores analyse med udtømningsmodus MOSFET. Ligesom BJT'er kan være enten nPN or PNP, MOSFET'er kan enten være nkanalen (NMOS) eller p-kanalen (PMOS). Figur 1 illustrerer den fysiske struktur og symbolet for en n-kanal udtømning MOSFET. Bemærk, at substratet er forbundet til kildeterminalen. Det vil næsten altid være tilfældet.
Udtømningen MOSFET er konstrueret med a fysisk kanal indsat mellem drænet og kilden. Som et resultat, når en spænding, vDS, anvendes mellem dræning og kilde, en strøm, iD, eksisterer mellem afløb og kilde, selvom portterminalen G forbliver ubunden (vGS = 0 V).
Opførelsen af nKanaludtømning MOSFET begynder med p-doteret silicium. Det n-doterede kilde- og drænbrønde danner lavmodstandsforbindelser mellem enderne af nkanalen, som vist i figuren 1. Et tyndt lag siliciumdioxid deponeres, der dækker området mellem kilden og afløbet. SiO2 er en isolator. Et aluminiumlag er aflejret på siliciumdioxidisolatoren for at danne portterminalen. I drift er en negativ vGS skubber elektroner ud af kanalområdet og derved udbryder kanalen. Hvornår vGS når en vis spænding, VT, kanalen er klemmet af. Positive værdier af vGS Forøg kanalstørrelsen, hvilket resulterer i en stigning i afløbsstrømmen. Udtømningen MOSFET kan virke med enten positive eller negative værdier af vGS. Da porten er isoleret fra kanalen, er portstrømmen ubetydelig lille (i rækkefølgen af 10-12 EN).
Figur 2 - p-kanal udtømning MOSFET
Figur 2 kan sammenlignes med Figur 1, bortset fra at vi har ændret nkanaludtømning MOSFET til a p-kanal udtømning MOSFET.
n-kanalforbedring MOSFET er illustreret i figur 3 sammen med kredsløbssymbolet. Dette er den mest anvendte form for felt-effekt transistor.
Figur 3 - n-kanalforbedring MOSFET
n-kanalforbedring MOSFET adskiller sig fra udtømningen MOSFET ved ikke at have den tynde n-lag. Det kræver en positiv spænding mellem porten og kilden for at etablere en kanal. Denne kanal er dannet af virkningen af en positiv gate-til-kilde spænding, vGS, som tiltrækker elektroner fra substratområdet mellem n-doped dræn og kilden. Positiv vGS forårsager elektroner at akkumulere ved overfladen under oxidlaget. Når spændingen når en tærskel, VT, er tilstrækkeligt mange elektroner tiltrukket af denne region for at gøre det til at fungere som en ledende n-kanal. Ingen mærkbar afløbsstrøm, iD eksisterer indtil vGS overstiger VT.
Figur 4 kan sammenlignes med Figur 3, bortset fra at vi har ændret n-kanalforbedring MOSFET til en p-kanalforbedring MOSFET.
Figur 4 - p-kanalforbedring MOSFET
Som et resume udviser MOSFET-familien identifikationen iD versus vGS kurver vist i figur 5. Hver karakteristisk kurve er udviklet med tilstrækkelig afløbsspænding vDS at opretholde enheden i det normale driftsområde af iD versus vDS kurver. Diskussionen i senere afsnit vil definere tærskelspændingen VT for både forbedring MOSFET'er og udtømning MOSFET'er.
Figur 5 - iD versus vGS karakteristika for MOSFET familien for tilstrækkelig drænkilde spænding VDS
2.1 Enhancement-Mode MOSFET Terminal Egenskaber
Nu hvor vi har præsenteret den grundlæggende struktur og basis for driften af MOSFET, bruger vi en tilgang til at undersøge terminalopførelsen af enhancement-mode-enheden. Lad os først lave nogle generelle observationer fra figur 1. Tænk på den normale strøm af strøm i MOSFET som fra afløbet til kilden (ligesom i BJT er det mellem samler og emitter). Som med nPN BJT findes to back-to-back-dioder mellem dræn og kilde. Derfor skal vi anvende eksterne spændinger til porten for at tillade strømmen at strømme mellem drænet og kilden.
Hvis vi jordede kilden, og anvende en positiv spænding til porten, er spændingen effektivt gate-to-source spændingen. Den positive portspænding tiltrækker elektroner og afviser huller. Når spændingen overstiger tærskelværdien (VT) er nok elektroner tiltrukket til dannelse af en ledende kanal mellem dræn og kilde. På dette tidspunkt tændes transistoren, og strømmen er en funktion af begge vGS , vDS. Det skal være klart, at VT er et positivt tal for en n-kanal enhed og et negativt tal for a pkanalen enhed.
Når en kanal er oprettet (dvs. vGS >VT), kan strømmen forekomme i den kanal mellem dræning og kilde. Denne aktuelle strøm er afhængig af vDS, men det afhænger også af vGS. Hvornår vGS overstiger kun tærskelspændingen, kan meget lidt strøm strømme. Som vGS øger ud over tærsklen, kanalen indeholder flere bærere og højere strømme er mulige. Figur 6 viser forholdet mellem iD , vDS hvor vGS er en parameter. Bemærk at for vGS mindre end tærsklen, ingen strøm strømmer. For højere vGS, forholdet imellem iD , vDS er omtrent lineært, hvilket indikerer, at MOSFET opfører sig som en modstand, hvis modstand afhænger af vGS.
Figur 6 -iD versus vDS til en forbedringstilstand n-kanalen MOSFET når vDS Er lille
Kurverne i figur 6 ligner lige linjer. Men de vil ikke fortsætte som lige linjer når vDS bliver større. Husk at en positiv gate spænding bruges til at skabe ledningskanalen. Det gør det ved at tiltrække elektroner. Den positive afløbsspænding gør det samme. Når vi nærmer os kanalens afløbsend, nærmer den spænding, der skaber kanalen vGS-vDS da de to kilder står imod hinanden. Når denne forskel er mindre end VT, kanalen eksisterer ikke længere for hele rummet mellem kilde og dræn. Kanalen er hæmmet ved afløbsenden og yderligere stigninger i vDS ikke medføre nogen stigning i iD. Dette kaldes det normale driftsområde eller mætning område vist i figur 7 ved den vandrette sektion af de karakteristiske kurver. Når forskellen er større end VT, vi kalder dette den triode mode, fordi potentialerne på alle tre terminaler stærkt påvirker strømmen.
Den foregående diskussion fører til driftskurverne i figur 7.
Figur 7 -iD versus vGS for en MOSFET-forstærkningstilstand
Overgangen mellem trioden og den normale driftsregion (kaldet mætningsregionen og ofte identificeret som operation i nivelleringsfunktionen) vises som streget i figur 7, hvor
(1)
I trioderegionens grænser følger kurvenes knæ cirka forholdet,
(2)
I ligning (2) er K en konstant for en given indretning. Dens værdi afhænger af apparatets dimensioner og de materialer, der anvendes i sin konstruktion. Konstanten er givet af,
(3)
I denne ligning, μn er elektronens mobilitet; Coxid, oxidkapacitansen er kapacitansen pr. enhedsareal af porten; W er portens bredde; L er portens længde. Ligning indikerer et kompliceret og ikke-lineært forhold mellem iD og de to spændinger, vDS , vGS. Da vi gerne vil dræne strøm til at variere omtrent lineært med vGS (uafhængig af vDS), er FET'en generelt ikke brugt i triodeområdet.
Vi ønsker nu at finde en ligning for driftskurverne i mætningsområdet. Vi kan etablere værdierne ved overgangen mellem triode- og mætningsregionen ved at evaluere ligning (2) ved overgangen (knæet). Det er,
(4)
Denne ligning fastslår størrelsen af drænstrømmen ved grænsen (stiplede linje i figur 8) som en funktion af gate-to-source spændingen vGS. Om nødvendigt kan vi tage højde for den lille hældning af de karakteristiske kurver i mætningsområdet ved at tilføje en lineær faktor.
(5)
I ligning (5) λ er en lille konstant (hældningen af den nærliggende vandrette sektion af de karakteristiske kurver vist i figur 8). Det er normalt mindre end 0.001 (V-1). Derefter
(6)
Alle vores tidligere diskussioner behandlede NMOS transistoren. Vi diskuterer nu kort de nødvendige ændringer for PMOS. For PMOS er værdierne for vDS vil være negativ. For at oprette en kanal i PMOS, 
.
Figur 8 - Terminalegenskaber af en MOSFET-transistor
De eneste ændringer fra egenskaberne ved NMOS transistorer (Figur 7) er, at den vandrette akse er nu -vDS i stedet for + vDS, og parametriske kurver repræsenterer højere afløbsstrøm, da portspændingen falder (i stedet for at øge for NMOS transistoren). Kurverne for stigende strømværdier svarer til mere negativ gate spænding. Hvornår vGS > VT, transistoren er afskåret. For ekstraudstyr PMOS, VT er negativ, og for udtømning PMOS, VT er positiv.
Ligningen for strømmen ved trioderegionens overgang til PMOS-transistoren er identisk med den for NMOS'en. Det er,
(7)
Bemærk, at vGS , vDS er begge negative mængder. Ligningen for mætningsområdet i PMOS transistoren er også identisk med NMOS'en. Det er,
(8)
Bemærk, at λ er negativ for PMOS transistorer, da kurvens forandringshastighed (
) er negativ.
Tager det partielle derivat af begge sider af ligning (6) med hensyn til vGS, 
, vi får
(9)
Vi foretrækker værdien af gm at være konstant, især for store signalgynger. Vi kan dog kun tilnærme denne betingelse, hvis vi bruger FET til små signalapplikationer. For store signalbetingelser kan forvrængning af bølgeformen være uacceptabel i nogle applikationer.
2.2 Depletion-Mode MOSFET
Det foregående afsnit handlede om forstærkningstilstand MOSFET. Vi kontrasterer nu dette til udtømningsmodus MOSFET. For n-kanalforbedringsmodus, for at erhverve en kanal måtte vi anvende en positiv spænding på porten. Denne spænding måtte være stor nok til at tvinge tilstrækkeligt antal mobile elektroner til at frembringe en strøm i en induceret kanal.
Figur 9 - Depletion mode n-kanal MOSFET
I n-kanaludtømningstilstand MOSFET, vi har ikke brug for denne positive spænding, da vi har en fysisk implanteret kanal. Dette giver os mulighed for at have strøm mellem afløb og kildeterminaler selv med negative spændinger på porten. Selvfølgelig er der en grænse for mængden af negativ spænding, der kan påføres porten, mens den stadig har strøm gennem afløb og kilde. Denne grænse identificeres igen som tærskelspændingen, VT. Ændringen fra forbedringstilstand er, at gate-til-source-spændingen nu kan være enten negativ eller positiv, som vist i figur 9.
De ligninger, der definerer driften af udtømningsmodus MOSFET, ligner meget af forbedringsmodusen. Værdien af afløbsstrømmen når vGS nul er identificeret som IDSS. Dette betegnes ofte som drain-source-mætningsstrømEller nul-gate afløbsstrøm. Sammenligning af ligningerne i forstærkningstilstanden MOSFET med dem i udtømningsmodus finder vi
(10)
Vi finder da,
(11)
MOSFET-udløsningsmodus er tilgængelig i diskret form, eller de kan fremstilles på integrerede kredsløb chips sammen med forbedringsmodustyper. Dette omfatter begge p-type og n-type. Dette giver større fleksibilitet i kredsløbsdesignteknikker.
2.3 Stort signalekvivalent kredsløb
Vi ønsker nu at udvikle et ækvivalent kredsløb, der repræsenterer de store signalegenskaber i Figur 8 [Ligning (5) eller (8)] i mætningsområdet. Bemærk at afløbsstrømmen, iD, afhænger af vGS , vDS. For en konstant gate-til-kilde spænding arbejder vi langs en af figurens parametriske kurver, og forholdet er en omtrent lige linje. Et lineært forhold mellem strøm og spænding er modelleret af en modstand. Det ækvivalente kredsløb består derfor af en modstand parallelt med strømkilden, hvor værdien af strømkilden etablerer den del af afløbsstrømmen pga. vGS. Kurvens hældning afhænger af vGS. Hældningen er det partielle derivat,
(12)
hvor r0 er den inkrementelle udgangsbestandighed. Vi ser fra ligning [(5) eller (8)], at denne modstand er givet af
(13)
hvor vi bruger store bogstaver VGS at angive, at modstanden er defineret for en bestemt konstant værdi af gate-to-source spænding. Den endelige tilnærmelse i ligning (13) stammer fra ligning (5) med den antagelse, at λ Er lille. Modstanden er derfor omvendt proportional med biasstrømmen, ID. Den store signalækvivalente model er derefter givet ved figur 11 hvor r0 er som udviklet i ligning (13).
Figur 11 - Stort signalekvivalent kredsløb
2.4 Små signal model af MOSFET
Vi ønsker nu at se på stigende effekter relateret til ligning. De tre kredsløbsparametre i den ligning, iD, vGS , vDS er sammensat af begge dc (bias) og ac komponenter (det er derfor vi har brugt store bogstaver i udtrykkene). Vi er interesserede i ac komponenter til små signalmodellen. Vi ser, at afløbsstrømmen afhænger af to spændinger, gate-to-source og drain-to-source. For inkrementelle værdier kan vi skrive dette forhold som
(14)
I ligning (14) gm is den fremadrettede transkonduktans , r0 er udgangsbestandigheden. Deres værdier findes ved at tage partielle derivater i ligning (5). Dermed,
(15)
Tilnærmelsen i ligning (15) stammer fra den observation, at λ hvis lille. Ligning (14) fører til små signalmodellen i figur 12.
Figur 12 - Small-signal MOSFET-model