2. Metalloxid-Halbleiter-FET (MOSFET)
STROM - 2. Metalloxid-Halbleiter-FET (MOSFET)
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Metalloxid-Halbleiter-FET (MOSFET)
Der Metalloxid-Halbleiter-FET (MOSFET) ist ein Bauelement mit vier Anschlüssen. Die Terminals sind die Quelle (S), Tor (G) und Abfluss (D)dem „Vermischten Geschmack“. Seine Substrat or Körper bildet das vierte Terminal. Der MOSFET ist so aufgebaut, dass der Gateanschluss gegenüber dem Kanal mit einem Siliziumdioxid-Dielektrikum isoliert ist. MOSFETs können entweder sein Erschöpfung or Verbesserungsmodus. Wir definieren diese beiden Begriffe in Kürze.
Abbildung 1 - n-Kanal-Verarmungs-MOSFET
MOSFETs werden aufgrund des SiO manchmal als IGFETs (Insulated Gate Field-Effect Transistors) bezeichnet2 Schicht, die als Isolator zwischen dem Gate und dem Substrat verwendet wird. Wir beginnen unsere Analyse mit dem MOSFET des Verarmungstyps. So wie BJTs auch sein können NPN or PNPKönnen MOSFETs sein n-Kanal (NMOS) oder p-Kanal (PMOS). Abbildung 1 zeigt die physische Struktur und das Symbol für eine n-Kanal-Erschöpfungs-MOSFET. Beachten Sie, dass das Substrat mit dem Source-Anschluss verbunden ist. Dies wird fast immer der Fall sein.
Der Erschöpfungs-MOSFET ist mit einem aufgebaut physikalisch Kanal zwischen Drain und Quelle eingefügt. Als Ergebnis, wenn eine Spannung, vDSwird zwischen Drain und Source ein Strom angelegt, iD, zwischen Drain und Source besteht, obwohl der Gate-Anschluss G nicht verbunden ist (vGS = 0 V).
Der Bau der n-Kanal-Erschöpfungs-MOSFET beginnt mit p-dotiertes Silizium. Das n-dotierte Source- und Drain-Wannen bilden niederohmige Verbindungen zwischen den Enden der n-Kanal, wie in Abbildung 1 gezeigt. Es wird eine dünne Schicht aus Siliziumdioxid abgeschieden, die den Bereich zwischen Source und Drain bedeckt. Das SiO2 ist ein Isolator. Auf dem Siliziumdioxidisolator wird eine Aluminiumschicht abgeschieden, um den Gate-Anschluss zu bilden. Im Betrieb ein Negativ vGS drückt Elektronen aus dem Kanalbereich heraus und erschöpft dadurch den Kanal. Wann vGS eine bestimmte Spannung erreicht, VTist der Kanal abgeklemmt. Positive Werte von vGS Erhöhen Sie die Kanalgröße, was zu einem Anstieg des Drain-Stroms führt. Der Verarmungs-MOSFET kann entweder mit positiven oder negativen Werten von arbeiten vGS. Da das Gate vom Kanal isoliert ist, ist der Gatestrom vernachlässigbar klein (in der Größenordnung von 10)-12 A).
Abbildung 2 - p-Kanal-Verarmungs-MOSFET
Abbildung 2 ist mit Abbildung 1 vergleichbar, mit der Ausnahme, dass wir das geändert haben n-Kanal-Verarmung-MOSFET an a p-Kanal-Erschöpfungs-MOSFET.
Das n-Kanalverstärkungs-MOSFET ist zusammen mit dem Schaltungssymbol in Fig. 3 dargestellt. Dies ist die am häufigsten verwendete Form von Feldeffekttransistoren.
Abbildung 3 - MOSFET mit n-Kanal-Verstärkung
Das n-Kanal-Anreicherungs-MOSFET unterscheidet sich von dem Verarmungs-MOSFET dadurch, dass er nicht dünn ist n-Schicht. Es erfordert eine positive Spannung zwischen Gate und Source, um einen Kanal einzurichten. Dieser Kanal wird durch die Wirkung einer positiven Gate-Source-Spannung gebildet. vGS, die Elektronen aus dem Substratbereich zwischen dem anzieht n-dotierter Drain und die Source. Positiv vGS bewirkt, dass sich Elektronen an der Oberfläche unter der Oxidschicht ansammeln. Wenn die Spannung eine Schwelle erreicht, VTEs werden ausreichend viele Elektronen von diesem Bereich angezogen, damit er wie ein Leitender wirkt n-Kanal. Kein merklicher Drainstrom iD existiert bis vGS übersteigt VT.
Abbildung 4 ist mit Abbildung 3 vergleichbar, mit der Ausnahme, dass wir das geändert haben n-Kanal-Anreicherungs-MOSFET an a p-Kanalverbesserungs-MOSFET.
Abbildung 4 - MOSFET mit p-Kanal-Verstärkung
Zusammenfassend zeigt die MOSFET-Familie die Identifikation iD gegen vGS Kurven in Abbildung 5. Jede Kennlinie wird mit ausreichender Drain-Source-Spannung entwickelt vDS um das Gerät im normalen Betriebsbereich des zu halten iD gegen vDS Kurven. Die Diskussion in späteren Abschnitten definiert die Schwellenspannung VT sowohl für Anreicherungs-MOSFETs als auch für Verarmungs-MOSFETs.
Abbildung 5 - iD gegen vGS Eigenschaften der MOSFET-Familie für eine ausreichende Drain-Source-Spannung VDS
Eigenschaften der 2.1-MOSFET-Klemmen im Enhancement-Mode
Nachdem wir nun die Grundstruktur und die Basis für den Betrieb des MOSFET vorgestellt haben, verwenden wir einen Ansatz, um das Terminalverhalten des Enhancement-Mode-Geräts zu untersuchen. Lassen Sie uns zunächst einige allgemeine Beobachtungen aus Abbildung 1 machen. Stellen Sie sich den normalen Stromfluss im MOSFET als Drain zur Source vor (genau wie beim BJT zwischen Kollektor und Emitter). Wie bei der NPN BJT, zwischen Drain und Source gibt es zwei hintereinanderliegende Dioden. Deshalb müssen externe Spannungen an das Gate angelegt werden, damit Strom zwischen Drain und Source fließen kann.
Wenn wir die Quelle erden und eine positive Spannung an das Gate anlegen, ist diese Spannung effektiv die Gate-Source-Spannung. Die positive Gatespannung zieht Elektronen an und stößt Löcher ab. Wenn die Spannung den Schwellenwert überschreitet (VT) genug Elektronen angezogen werden, um einen leitenden Kanal zwischen Drain und Source zu bilden. Zu diesem Zeitpunkt schaltet der Transistor ein und der Strom ist eine Funktion von beiden vGS und vDS. Es sollte klar sein, dass VT ist eine positive Zahl für eine n-Kanalgerät und eine negative Zahl für a p-Kanalgerät.
Sobald ein Kanal erstellt wurde (dh vGS >VT) kann in diesem Kanal zwischen Drain und Source ein Stromfluss auftreten. Dieser Stromfluss hängt von ab vDS, aber es hängt auch davon ab vGS. Wenn vGS gerade die Schwellenspannung gerade kaum überschreitet, kann sehr wenig Strom fließen. Wie vGS über die Schwelle steigt, enthält der Kanal mehr Träger und höhere Ströme sind möglich. Abbildung 6 zeigt die Beziehung zwischen iD und vDS woher vGS ist ein Parameter. Beachten Sie das für vGS unterhalb der Schwelle fließt kein Strom. Für höhere vGS, die Beziehung zwischen iD und vDS ist annähernd linear, was darauf hinweist, dass sich der MOSFET wie ein Widerstand verhält, von dem der Widerstand abhängt vGS.
Abbildung 6 -iD gegen vDS für einen Verbesserungsmodus n-Kanal-MOSFET, wenn vDS ist klein
Die Kurven in Abbildung 6 sehen aus wie gerade Linien. Sie werden jedoch nicht als gerade Linien fortgesetzt, wenn vDS wird größer Es sei daran erinnert, dass zum Erzeugen des Leitungskanals eine positive Gatespannung verwendet wird. Dies geschieht durch das Anziehen von Elektronen. Die positive Drain-Spannung macht dasselbe. Wenn wir uns dem Drain-Ende des Kanals nähern, nähert sich die Spannung, die den Kanal erzeugt, an vGS-vDS da die beiden Quellen sich gegenüberstehen. Wenn dieser Unterschied kleiner ist als VTDer Kanal ist nicht mehr für den gesamten Raum zwischen Source und Drain vorhanden. Der Kanal ist eingeschränkt am Abflussende und steigt weiter an vDS führt nicht zu einer Erhöhung von iD. Dies ist als normaler Betriebsbereich oder bekannt Sättigung Region in Abbildung 7 durch den horizontalen Abschnitt der Kennlinien dargestellt. Wenn der Unterschied größer ist als VTnennen wir das die Trioden Modus, weil die Potentiale an allen drei Klemmen den Strom stark beeinflussen.
Die vorherige Diskussion führt zu den Betriebskurven von Abbildung 7.
Abbildung 7 -iD gegen vGS für einen Anreicherungsmodus-MOSFET
Der Übergang zwischen der Triode und dem normalen Betriebsbereich (als Sättigungsbereich bezeichnet und häufig als Betrieb im Abschnürmodus bezeichnet) des Betriebs ist in Fig. 7 als gestrichelte Linie dargestellt
(1)
An der Grenze des Triodenbereichs folgen die Knie der Kurven ungefähr der Beziehung
(2)
In Gleichung (2) ist K eine Konstante für ein gegebenes Gerät. Ihr Wert hängt von den Abmessungen des Geräts und den für seine Konstruktion verwendeten Materialien ab. Die Konstante ist gegeben durch
(3)
In dieser Gleichung μn ist die Elektronenmobilität; COxiddie Oxidkapazität ist die Kapazität pro Flächeneinheit des Gates; W ist die Breite des Tors; L ist die Länge des Tors. Gleichung zeigt eine komplizierte und nichtlineare Beziehung zwischen iD und die beiden Spannungen, vDS und vGS. Da wir möchten, dass sich der Drainstrom ungefähr linear mit ändert vGS (unabhängig von vDS) wird der FET in der Regel nicht im Triodenbereich eingesetzt.
Wir wollen nun eine Gleichung für die Betriebskurven im Sättigungsbereich finden. Wir können die Werte am Übergang zwischen Triode und Sättigungsbereich ermitteln, indem wir Gleichung (2) am Übergang (Knie) auswerten. Das ist,
(4)
Diese Gleichung legt die Größe des Drainstroms an der Grenze (gestrichelte Linie in Abbildung 8) als Funktion der Gate-Source-Spannung fest vGS. Bei Bedarf können wir die leichte Steigung der Kennlinien im Sättigungsbereich durch Addition eines linearen Faktors berücksichtigen.
(5)
In Gleichung (5) λ ist eine kleine Konstante (die Steigung des nahezu horizontalen Abschnitts der in Abbildung 8 gezeigten Kennlinien). Es ist normalerweise weniger als 0.001 (V-1). Dann
(6)
Alle unsere vorherigen Diskussionen haben sich mit dem NMOS-Transistor befasst. Wir diskutieren nun kurz die notwendigen Modifikationen für PMOS. Für PMOS sind die Werte von vDS wird negativ sein. Darüber hinaus, um einen Kanal in PMOS zu erstellen, 
.
Abbildung 8 - Anschlusseigenschaften eines MOSFET-Transistors
Die einzige Änderung gegenüber den Eigenschaften von NMOS-Transistoren (Abbildung 7) besteht darin, dass die horizontale Achse jetzt -v istDS statt + vDS, und die parametrischen Kurven stellen einen höheren Drainstrom dar, wenn die Gate-Spannung abnimmt (anstatt für den NMOS-Transistor anzusteigen). Die Kurven zum Erhöhen der Stromwerte entsprechen einer negativeren Gate-Spannung. Wann vGS > VTist der Transistor gesperrt. Zur Verbesserung des PMOS VT ist negativ und für die Erschöpfung PMOS, VT ist positiv.
Die Gleichung für den Strom am Triodenbereichsübergang für den PMOS-Transistor ist identisch mit der des NMOS. Das ist,
(7)
Beachten Sie, dass vGS und vDS sind beide negative Größen. Die Gleichung für den Sättigungsbereich im PMOS-Transistor ist ebenfalls identisch mit der des NMOS. Das ist,
(8)
Beachten Sie, dass λ ist für PMOS-Transistoren negativ, da die Änderungsrate der Kurve (
) ist negativ.
Nehmen Sie die partielle Ableitung beider Seiten der Gleichung (6) in Bezug auf vGS, 
, wir bekommen
(9)
Wir bevorzugen den Wert von gm konstant sein, insbesondere bei großen Signalschwankungen. Wir können uns dieser Bedingung jedoch nur annähern, wenn wir den FET für Kleinsignalanwendungen verwenden. Bei großen Signalbedingungen kann eine Verzerrung der Wellenform in einigen Anwendungen nicht akzeptabel sein.
2.2-Depletion-Mode-MOSFET
Der vorige Abschnitt befasste sich mit dem Enhancement-Mode-MOSFET. Wir stellen dies nun dem Verarmungs-MOSFET gegenüber. Für die n-Kanalverbesserungsmodus, um einen Kanal zu erfassen, mussten wir eine positive Spannung an das Gate anlegen. Diese Spannung musste groß genug sein, um eine ausreichende Anzahl mobiler Elektronen zur Erzeugung eines Stroms in einem induzierten Kanal zu zwingen.
Abbildung 9 - Verarmungsmodus-n-Kanal-MOSFET
Im n-kanalverarmungsmodus-MOSFET, wir brauchen diese positive Spannung nicht, da wir einen physikalisch implantierten Kanal haben. Dies ermöglicht es uns, Strom zwischen den Drain- und Source-Anschlüssen zu haben, selbst wenn negative Spannungen an das Gate angelegt werden. Natürlich gibt es eine Grenze für die Menge an negativer Spannung, die an das Gate angelegt werden kann, während immer noch Strom zwischen Drain und Source fließt. Diese Grenze wird wieder als Schwellenspannung identifiziert, VT. Die Änderung gegenüber dem Verbesserungsmodus besteht darin, dass die Gate-Source-Spannung jetzt entweder negativ oder positiv sein kann, wie in 9 gezeigt.
Die Gleichungen, die den Betrieb des Verarmungs-MOSFET definieren, sind denen des Anreicherungsmodus sehr ähnlich. Der Wert des Drainstroms bei vGS ist Null wird als identifiziert IDSS. Dies wird oft als das bezeichnet Drain-Source-SättigungsstromOder das Null - Gate - Drainstrom. Vergleicht man die Gleichungen des Enhancement-Mode-MOSFET mit denen des Depletion-Mode, so stellt man fest
(10)
Wir finden dann,
(11)
Depletion-Mode-MOSFETs sind in diskreter Form erhältlich, oder sie können zusammen mit Enhancement-Mode-Typen auf IC-Chips hergestellt werden. Dies beinhaltet beides p-Typ und n-Art. Dies ermöglicht mehr Flexibilität bei Schaltungsentwurfstechniken.
2.3 Großsignal-Ersatzschaltbild
Wir wollen nun eine Ersatzschaltung entwickeln, die die Großsignalcharakteristik von Abbildung 8 [Gleichung (5) oder (8)] im Sättigungsbereich darstellt. Beachten Sie, dass der Drainstrom, iD, kommt drauf an vGS und vDS. Für eine konstante Gate-Source-Spannung arbeiten wir entlang einer der Parameterkurven der Figur, und die Beziehung ist eine ungefähr gerade Linie. Eine geradlinige Beziehung zwischen Strom und Spannung wird durch einen Widerstand modelliert. Das Ersatzschaltbild besteht daher aus einem Widerstand parallel zur Stromquelle, wobei der Wert der Stromquelle den Teil des Drainstroms aufgrund von festlegt vGS. Die Steigung der Kurve ist abhängig von vGS. Die Steigung ist die partielle Ableitung,
(12)
woher r0 ist der inkrementale Ausgangswiderstand. Wir sehen aus Gleichung [(5) oder (8)], dass dieser Widerstand gegeben ist durch
(13)
wo wir Großbuchstaben verwenden VGS um anzuzeigen, dass der Widerstand für einen bestimmten konstanten Wert der Gate-Source-Spannung definiert ist. Die endgültige Näherung in Gleichung (13) ergibt sich aus Gleichung (5) mit der Annahme, dass λ ist klein. Der Widerstand ist daher umgekehrt proportional zum Vorstrom. ID. Das großsignaläquivalente Modell ist dann durch Abbildung 11 gegeben r0 ist wie in Gleichung (13) entwickelt.
Abbildung 11 - Großsignalersatzschaltung
2.4 Kleinsignalmodell eines MOSFET
Wir wollen uns nun die inkrementellen Effekte im Zusammenhang mit der Gleichung ansehen. Die drei Schaltungsparameter in dieser Gleichung, iD, vGS und vDS bestehen aus beiden dc (Voreingenommenheit) und ac Komponenten (deshalb haben wir in den Ausdrücken Großbuchstaben verwendet). Wir interessieren uns für die ac Komponenten für das Kleinsignalmodell. Wir sehen, dass der Drainstrom von zwei Spannungen abhängig ist, von Gate-Source und Drain-Source. Für inkrementelle Werte können wir diese Beziehung schreiben als
(14)
In Gleichung (14) gm is die Vorwärts-Transkonduktanz und r0 ist der Ausgangswiderstand. Ihre Werte werden durch partielle Ableitungen in Gleichung (5) ermittelt. Somit,
(15)
Die Näherung in Gleichung (15) ergibt sich aus der Beobachtung, dass λ wenn auch klein. Gleichung (14) führt zum Kleinsignalmodell von Abbildung 12.
Abbildung 12 - Kleinsignal-MOSFET-Modell