2. Μεταλλικό οξείδιο ημιαγωγών FET (MOSFET)
ΤΡΕΧΟΝ - 2. Ημιαγωγός FET μετάλλου-οξειδίου (MOSFET)
ΠΡΟΗΓΟΥΜΕΝΟ- 1. Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των FET
Μεταλλικό οξείδιο ημιαγωγών FET (MOSFET)
Το FET ημιαγωγών μεταλλικού οξειδίου (MOSFET) είναι μια τερματική συσκευή τεσσάρων τερματικών. Οι τερματικοί σταθμοί είναι ο πηγή (S), πύλη (G) και αποχέτευση (D). ο υπόστρωμα or σώμα αποτελεί το τέταρτο τερματικό. Το MOSFET κατασκευάζεται με τον τερματικό της πύλης μονωμένο από το κανάλι με διηλεκτρικό διοξείδιο του πυριτίου. MOSFETs μπορεί να είναι είτε εξάντληση or λειτουργία βελτίωσης. Ορίζουμε αυτούς τους δύο όρους σύντομα.
Εικόνα 1 - εξάντληση του καναλιού MOSFET
Τα MOSFET μερικές φορές αναφέρονται ως IGFETs (Τρανζίστορ με φαινόμενα πεδίου με μονωμένες πύλες) λόγω του SiO2 στρώμα που χρησιμοποιείται ως μονωτήρας μεταξύ της πύλης και του υποστρώματος. Ξεκινάμε την ανάλυσή μας με το MOSFET σε κατάσταση εξάντλησης. Ακριβώς όπως BJTs μπορεί να είναι είτε npn or PNP, MOSFETs μπορεί να είναι είτε n- κανάλι (NMOS) ή p-καναλιού (PMOS). Το σχήμα 1 απεικονίζει τη φυσική δομή και το σύμβολο για ένα nκαταστροφή του καναλιού MOSFET. Παρατηρήστε ότι το υπόστρωμα είναι συνδεδεμένο στο τερματικό πηγή. Αυτό σχεδόν πάντα συμβαίνει.
Το MOSFET εξάντλησης κατασκευάζεται με ένα φυσικός καναλιού που εισάγεται μεταξύ της αποχέτευσης και της πηγής. Ως αποτέλεσμα, όταν μια τάση, vDS, εφαρμόζεται μεταξύ της αποχέτευσης και της πηγής, ενός ρεύματος, iD, υπάρχει μεταξύ της αποχέτευσης και της πηγής, παρόλο που ο ακροδέκτης G της πύλης παραμένει άσχετος (vGS = 0 V).
Η κατασκευή του n-Η εξάλειψη του καναλιού MOSFET ξεκινά με p-διωμένο πυρίτιο. ο n- τα πηγαία πηγή και τα πηγαδάκια σχηματίζουν συνδέσεις χαμηλής αντίστασης μεταξύ των άκρων του n-καναλιού, όπως φαίνεται στο σχήμα 1. Διατίθεται λεπτό στρώμα διοξειδίου του πυριτίου που καλύπτει την περιοχή μεταξύ της πηγής και της αποχέτευσης. Το SiO2 είναι μονωτικό. Μια στιβάδα αργιλίου εναποτίθεται στον μονωτήρα διοξειδίου του πυριτίου για να σχηματίσει το τερματικό της πύλης. Σε λειτουργία, ένα αρνητικό vGS ωθεί τα ηλεκτρόνια από την περιοχή του καναλιού, μειώνοντας έτσι το κανάλι. Πότε vGS φτάνει μια ορισμένη τάση, VT, το κανάλι είναι έσβησε. Θετικές τιμές vGS αυξήστε το μέγεθος του καναλιού, με αποτέλεσμα την αύξηση του ρεύματος αποστράγγισης. Το MOSFET εξάντλησης μπορεί να λειτουργήσει με θετικές ή αρνητικές τιμές vGS. Δεδομένου ότι η πύλη είναι μονωμένη από το κανάλι, το ρεύμα της πύλης είναι αμελητέα μικρό (με τη σειρά του 10-12 ΈΝΑ).
Εικόνα 2 - μείωση του καναλιού p-channel MOSFET
Το σχήμα 2 είναι συγκρίσιμο με το σχήμα 1, εκτός από το ότι αλλάξαμε το n-κατανομή του καναλιού MOSFET σε a pκαταστροφή του καναλιού MOSFET.
Η n-Η βελτίωση του καναλιού MOSFET απεικονίζεται στο σχήμα 3 μαζί με το σύμβολο του κυκλώματος. Αυτή είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη μορφή τρανζίστορ πεδίου-αποτελέσματος.
Εικόνα 3 - Ενισχυτικό MOSFET με n-κανάλια
Η n-Η βελτίωση του καναλιού MOSFET διαφέρει από την εξάντληση MOSFET με το να μην έχει το λεπτό n-στρώμα. Απαιτεί μια θετική τάση μεταξύ της πύλης και της πηγής για τη δημιουργία ενός καναλιού. Αυτό το κανάλι σχηματίζεται από τη δράση μιας θετικής τάσης πύλης προς πηγή, vGS, που προσελκύει ηλεκτρόνια από την περιοχή του υποστρώματος μεταξύ του n-για την αποστράγγιση και την πηγή. Θετικός vGS προκαλεί τη συσσώρευση ηλεκτρονίων στην επιφάνεια κάτω από το στρώμα οξειδίου. Όταν η τάση φτάσει σε ένα κατώφλι, VT, επαρκείς αριθμοί ηλεκτρόνων προσελκύονται από αυτήν την περιοχή για να το κάνουν να ενεργεί σαν αγωγός n-Κανάλι. Δεν υπάρχει αξιοσημείωτο ρεύμα αποστράγγισης, iD υπάρχει μέχρι vGS υπερβαίνει VT.
Το σχήμα 4 είναι συγκρίσιμο με το σχήμα 3, εκτός από το ότι αλλάξαμε το n-αύξηση του καναλιού MOSFET σε a p-MOSFET βελτίωσης καναλιού.
Εικόνα 4 - ενίσχυση MOSFET καναλιού p
Ως σύνοψη, η οικογένεια MOSFET παρουσιάζει την ταυτότητα iD έναντι vGS καμπύλες που φαίνονται στο σχήμα 5. Κάθε χαρακτηριστική καμπύλη αναπτύσσεται με επαρκή τάση πηγής αποστράγγισης vDS για τη διατήρηση της συσκευής στην κανονική περιοχή λειτουργίας του iD έναντι vDS καμπύλες. Η συζήτηση σε επόμενα τμήματα θα καθορίσει την τάση κατωφλίου VT τόσο για τα ενισχυτικά MOSFET όσο και για τα MOSFET εξάντλησης.
Σχήμα 5 - iD έναντι vGS χαρακτηριστικά της οικογένειας MOSFET για επαρκή τάση πηγής αποστράγγισης VDS
Χαρακτηριστικά τερματικού MOSFET 2.1
Τώρα που έχουμε παρουσιάσει τη βασική δομή και τη βάση για τη λειτουργία του MOSFET, χρησιμοποιούμε μια προσέγγιση για να εξετάσουμε την τερματική συμπεριφορά της συσκευής λειτουργίας βελτίωσης. Ας κάνουμε πρώτα μερικές γενικές παρατηρήσεις από το Σχήμα 1. Σκεφτείτε ότι η κανονική ροή ρεύματος στο MOSFET είναι από την αποχέτευση στην πηγή (όπως ακριβώς στο BJT, βρίσκεται μεταξύ του συλλέκτη και του εκπομπού). Όπως με το npn BJT, δύο δίοδοι πίσω-προς-πλάτη υπάρχουν μεταξύ αποστράγγισης και πηγής. Επομένως, πρέπει να εφαρμόσουμε εξωτερικές τάσεις στην πύλη προκειμένου να επιτρέψουμε τη ροή ρεύματος μεταξύ της αποχέτευσης και της πηγής.
Εάν γειώσουμε την πηγή και εφαρμόσουμε μια θετική τάση στην πύλη, αυτή η τάση είναι ουσιαστικά η τάση πύλης προς πηγή. Η θετική τάση πύλης προσελκύει ηλεκτρόνια και απωθεί τις τρύπες. Όταν η τάση υπερβαίνει το όριο (VT), έλκονται αρκετά ηλεκτρόνια για να σχηματίσουν ένα αγωγό διοχέτευσης μεταξύ της αποχέτευσης και της πηγής. Σε αυτό το σημείο, το τρανζίστορ ανάβει και το ρεύμα είναι συνάρτηση και των δύο vGS και vDS. Θα πρέπει να είναι σαφές ότι VT είναι ένας θετικός αριθμός για ένα n-η συσκευή καναλιού και έναν αρνητικό αριθμό για ένα p-η συσκευή καναλιού.
Μόλις δημιουργηθεί κανάλι (δηλ. vGS >VT), η ροή ρεύματος μπορεί να συμβεί σε αυτό το κανάλι μεταξύ αποστράγγισης και πηγής. Αυτή η τρέχουσα ροή εξαρτάται από vDS, αλλά εξαρτάται και από vGS. Όταν vGS μόλις υπερβαίνει ελάχιστα την τάση κατωφλίου, πολύ μικρό ρεύμα μπορεί να ρέει. Οπως και vGS αυξάνεται πέρα από το κατώτατο όριο, το κανάλι περιέχει περισσότερους φορείς και είναι δυνατά υψηλότερα ρεύματα. Το σχήμα 6 δείχνει τη σχέση μεταξύ iD και vDS όπου vGS είναι μια παράμετρος. Σημειώστε ότι για vGS λιγότερο από το όριο, δεν ρέει ρεύμα. Για υψηλότερα vGS, η σχέση μεταξύ iD και vDS είναι περίπου γραμμική που δείχνει ότι το MOSFET συμπεριφέρεται σαν αντίσταση του οποίου η αντίσταση εξαρτάται από vGS.
Σχήμα 6 -iD έναντι vDS για λειτουργία βελτίωσης n-καναλικό MOSFET όταν vDS είναι μικρό
Οι καμπύλες του Σχήματος 6 φαίνονται σαν ευθείες γραμμές. Ωστόσο, δεν θα συνεχίσουν ως ευθείες γραμμές όταν vDS μεγαλώνει. Θυμηθείτε ότι μια θετική τάση πύλης χρησιμοποιείται για τη δημιουργία του καναλιού αγωγιμότητας. Αυτό γίνεται με την προσέλκυση ηλεκτρονίων. Η θετική τάση αποστράγγισης κάνει το ίδιο πράγμα. Καθώς πλησιάζουμε το άκρο αποστράγγισης του καναλιού, προσεγγίζει η τάση που δημιουργεί το κανάλι vGS-vDS καθώς οι δύο πηγές αντιτίθενται μεταξύ τους. Όταν αυτή η διαφορά είναι μικρότερη από VT, το κανάλι δεν υπάρχει πλέον για ολόκληρο το διάστημα μεταξύ πηγής και αποστράγγισης. Το κανάλι είναι περιορισμένες στο τέλος αποστράγγισης, και αυξάνεται περαιτέρω vDS δεν οδηγούν σε καμία αύξηση iD. Αυτό είναι γνωστό ως η κανονική περιοχή λειτουργίας ή κορεσμός που φαίνεται στο σχήμα 7 από το οριζόντιο τμήμα των χαρακτηριστικών καμπυλών. Όταν η διαφορά είναι μεγαλύτερη από VT, το ονομάζουμε αυτό το τριόδους , επειδή τα δυναμικά και στα τρία τερματικά επηρεάζουν έντονα το ρεύμα.
Η προηγούμενη συζήτηση οδηγεί στις καμπύλες λειτουργίας του Σχήματος 7.
Σχήμα 7 -iD έναντι vGS για ένα ενισχυτικό MOSFET
Η μετάβαση μεταξύ της τριόδου και της κανονικής περιοχής λειτουργίας (αναφερόμενη ως περιοχή κορεσμού και συχνά αναγνωρισμένη ως λειτουργία κατά τον τρόπο αποκοπής) της λειτουργίας εμφανίζεται ως διακεκομμένη γραμμή στο σχήμα 7, όπου
(1)
Στα περιγράμματα των τριόδων, τα γόνατα των καμπυλών ακολουθούν περίπου τη σχέση,
(2)
Στην Εξίσωση (2), το Κ είναι μια σταθερά για μια συγκεκριμένη συσκευή. Η αξία του εξαρτάται από τις διαστάσεις της συσκευής και τα υλικά που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή της. Η σταθερά δίνεται από,
(3)
Στην εξίσωση αυτή, μn είναι η κινητικότητα των ηλεκτρονίων. Cοξείδιο, η χωρητικότητα οξειδίου, είναι η χωρητικότητα ανά μονάδα επιφάνειας της πύλης. W είναι το πλάτος της πύλης. L είναι το μήκος της πύλης. Η εξίσωση δείχνει μια περίπλοκη και μη γραμμική σχέση μεταξύ iD και τις δύο τάσεις, vDS και vGS. Δεδομένου ότι θα θέλαμε το ρεύμα αποστράγγισης να μεταβληθεί περίπου γραμμικά με vGS (ανεξάρτητα από vDS), το FET δεν χρησιμοποιείται γενικά στην περιοχή τριόδου.
Τώρα θέλουμε να βρούμε μια εξίσωση για τις καμπύλες λειτουργίας στην περιοχή κορεσμού. Μπορούμε να καθορίσουμε τις τιμές κατά τη μετάβαση μεταξύ της περιοχής τριόδου και κορεσμού με την αξιολόγηση της Εξίσωσης (2) στη μετάβαση (γόνατο). Αυτό είναι,
(4)
Αυτή η εξίσωση καθορίζει το μέγεθος του ρεύματος αποστράγγισης στο όριο (διακεκομμένη γραμμή στο σχήμα 8) ως συνάρτηση της τάσης πύλης προς πηγή vGS. Εάν είναι απαραίτητο, μπορούμε να υπολογίσουμε τη μικρή κλίση των χαρακτηριστικών καμπυλών στην περιοχή κορεσμού προσθέτοντας ένα γραμμικό παράγοντα.
(5)
Στην Εξίσωση (5), λ είναι μια μικρή σταθερά (η κλίση του σχεδόν οριζόντιου τμήματος των χαρακτηριστικών καμπυλών που φαίνονται στο σχήμα 8). Συνήθως είναι μικρότερη από 0.001 (V-1). Επειτα
(6)
Όλη η προηγούμενη συζήτησή μας αφορούσε το τρανζίστορ NMOS. Τώρα συζητούμε εν συντομία τις απαραίτητες τροποποιήσεις για το PMOS. Για το PMOS, οι τιμές του vDS θα είναι αρνητική. Επιπλέον, για να δημιουργήσετε ένα κανάλι στο PMOS, 
.
Εικόνα 8 - Χαρακτηριστικά ακροδεκτών ενός τρανζίστορ MOSFET
Οι μόνες αλλαγές από τα χαρακτηριστικά των τρανζίστορ NMOS (Σχήμα 7) είναι ότι ο οριζόντιος άξονας είναι τώρα -vDS αντί + vDS, και οι παραμετρικές καμπύλες αντιπροσωπεύουν υψηλότερο ρεύμα αποστράγγισης καθώς μειώνεται η τάση πύλης (αντί να αυξάνεται για το τρανζίστορ NMOS). Οι καμπύλες για την αύξηση των τιμών ρεύματος αντιστοιχούν σε πιο αρνητική τάση πύλης. Πότε vGS > VT, το τρανζίστορ διακόπτεται. Για τη βελτίωση του PMOS, VT είναι αρνητική, και για την εξάντληση PMOS, VT είναι θετική.
Η εξίσωση για το ρεύμα στην μετάβαση της περιοχής τριόδου για το τρανζίστορ PMOS είναι ίδια με εκείνη του NMOS. Αυτό είναι,
(7)
Σημειώστε ότι vGS και vDS είναι και οι δύο αρνητικές ποσότητες. Η εξίσωση για την περιοχή κορεσμού στο τρανζίστορ PMOS είναι ταυτόσημη με εκείνη του NMOS. Αυτό είναι,
(8)
Σημειώστε ότι λ είναι αρνητική για τα τρανζίστορ PMOS, καθώς ο ρυθμός μεταβολής της καμπύλης (
) είναι αρνητική.
Λαμβάνοντας το μερικό παράγωγο και των δύο πλευρών της Εξίσωσης (6) σε σχέση με vGS, 
, παίρνουμε
(9)
Προτιμούμε την αξία του gm να είναι σταθερή, ειδικά για μεγάλες μεταβολές σημάτων. Ωστόσο, μπορούμε να προσεγγίσουμε αυτήν την κατάσταση μόνο αν χρησιμοποιούμε το FET για μικρές εφαρμογές σήματος. Για μεγάλες συνθήκες σήματος, παραμόρφωση της κυματομορφής μπορεί να είναι απαράδεκτη σε ορισμένες εφαρμογές.
2.2 Λειτουργία εξάντλησης MOSFET
Η προηγούμενη ενότητα ασχολήθηκε με το MOSFET σε λειτουργία βελτίωσης. Τώρα αντιπαραβάλλουμε αυτό με το MOSFET σε κατάσταση εξάντλησης. Για το n-ανάπτυξη καναλιού, για να αποκτήσουμε ένα κανάλι που έπρεπε να εφαρμόσουμε μια θετική τάση στην πύλη. Αυτή η τάση έπρεπε να είναι αρκετά μεγάλη ώστε να εξαναγκάσει επαρκή αριθμό κινητών ηλεκτρονίων για να παράγει ένα ρεύμα σε ένα επαγόμενο κανάλι.
Εικόνα 9 - Λειτουργία εξάντλησης n-καναλιού MOSFET
Στο n- MOSFET, λειτουργία εξάντλησης καναλιών, δεν χρειαζόμαστε αυτήν τη θετική τάση αφού έχουμε ένα φυσικά εμφυτευμένο κανάλι. Αυτό μας επιτρέπει να έχουμε ρεύμα μεταξύ των ακροδεκτών αποστράγγισης και πηγής ακόμη και με αρνητικές τάσεις που εφαρμόζονται στην πύλη. Φυσικά, υπάρχει ένα όριο στην ποσότητα της αρνητικής τάσης που μπορεί να εφαρμοστεί στην πύλη, ενώ εξακολουθεί να έχει ροή ρεύματος μεταξύ αποστράγγισης και πηγής. Αυτό το όριο αναγνωρίζεται και πάλι ως η κατώτατη τάση, VT. Η αλλαγή από τον τρόπο βελτίωσης είναι ότι η τάση πύλης προς πηγή μπορεί τώρα να είναι είτε αρνητική είτε θετική, όπως φαίνεται στο Σχήμα 9.
Οι εξισώσεις που καθορίζουν τη λειτουργία του MOSFET σε κατάσταση εξάντλησης είναι πολύ παρόμοιες με εκείνες του τρόπου βελτίωσης. Η τιμή του ρεύματος αποστράγγισης όταν vGS είναι μηδέν αναγνωρίζεται ως IDSS. Αυτό συχνά αναφέρεται ως πηγή κορεσμού πηγής αποστράγγισης, Ή η ρεύμα αποστράγγισης μηδενικής πύλης. Συγκρίνοντας τις εξισώσεις του MOSFET με τη λειτουργία βελτίωσης με αυτές της κατάστασης εξάντλησης, βρίσκουμε
(10)
Στη συνέχεια,
(11)
Λειτουργία εξάντλησης Τα MOSFET διατίθενται σε διακριτή μορφή ή μπορούν να κατασκευαστούν σε τσιπ ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, μαζί με τους τύπους λειτουργιών βελτίωσης. Αυτό περιλαμβάνει και τα δύο p-τύπος και n-τύπος. Αυτό επιτρέπει μεγαλύτερη ευελιξία στις τεχνικές σχεδιασμού κυκλώματος.
2.3 Κύκλωμα ισοδύναμου μεγάλου σήματος
Θέλουμε τώρα να αναπτύξουμε ένα ισοδύναμο κύκλωμα που αντιπροσωπεύει τα χαρακτηριστικά μεγάλου σήματος του Σχήματος 8 [Εξίσωση (5) ή (8)] στην περιοχή κορεσμού. Σημειώστε ότι το ρεύμα αποστράγγισης, iD, εξαρτάται από vGS και vDS. Για μια σταθερή τάση πύλης προς πηγή, λειτουργούμε κατά μήκος μίας από τις παραμετρικές καμπύλες του σχήματος και η σχέση είναι περίπου μια ευθεία γραμμή. Μια ευθεία σχέση μεταξύ ρεύματος και τάσης διαμορφώνεται από μια αντίσταση. Το ισοδύναμο κύκλωμα συνεπώς αποτελείται από μια αντίσταση παράλληλα με την πηγή ρεύματος όπου η τιμή της πηγής ρεύματος καθορίζει το τμήμα του ρεύματος αποστράγγισης λόγω vGS. Η κλίση της καμπύλης εξαρτάται από vGS. Η κλίση είναι το μερικό παράγωγο,
(12)
όπου r0 είναι η αυξητική αντίσταση εξόδου. Βλέπουμε από την Εξίσωση [(5) ή (8)] ότι αυτή η αντίσταση δίνεται από
(13)
όπου χρησιμοποιούμε την κεφαλή VGS για να δείξει ότι η αντίσταση ορίζεται για μια συγκεκριμένη σταθερή τιμή της τάσης πύλης προς πηγή. Η τελική προσέγγιση στην Εξίσωση (13) προκύπτει από την Εξίσωση (5) με την παραδοχή ότι λ είναι μικρό. Η αντίσταση είναι συνεπώς αντιστρόφως ανάλογη προς το ρεύμα προκατάληψης, ID. Το μεγάλο μοντέλο ισοδύναμου σήματος δίνεται στη συνέχεια από το σχήμα 11 όπου r0 είναι όπως αναπτύχθηκε στην Εξίσωση (13).
Εικόνα 11 - Κύκλωμα ισοδύναμου μεγάλου σήματος
2.4 Μοντέλο μικρού σήματος του MOSFET
Τώρα θέλουμε να δούμε τα αυξητικά αποτελέσματα που σχετίζονται με την Εξίσωση. Οι τρεις παράμετροι του κυκλώματος στην εξίσωση αυτή, iD, vGS και vDS αποτελούνται από τα δύο dc (προκατάληψη) και ac (γι 'αυτό έχουμε χρησιμοποιήσει δείκτες με κεφαλαία γράμματα στις εκφράσεις). Μας ενδιαφέρει η ac εξαρτήματα για το μοντέλο μικρού σήματος. Βλέπουμε ότι το ρεύμα αποστράγγισης εξαρτάται από δύο τάσεις, την πύλη προς την πηγή και την αποστράγγιση προς την πηγή. Για τις επαυξητικές τιμές, μπορούμε να γράψουμε αυτή τη σχέση ως
(14)
Στην Εξίσωση (14), gm is η εμπρόσθια διαδιαπερατότητα και r0 είναι η αντίσταση εξόδου. Οι τιμές τους βρίσκονται με τη λήψη μερικών παραγώγων στην εξίσωση (5). Ετσι,
(15)
Η προσέγγιση στην Εξίσωση (15) προκύπτει από την παρατήρηση ότι λ αν είναι μικρό. Η εξίσωση (14) οδηγεί στο μοντέλο μικρού σήματος του Σχήματος 12.
Εικόνα 12 - Μοντέλο MOSFET μικρού σήματος