2. Metalloksiidi pooljuht FET (MOSFET)
PRAEGU - 2. metalloksiidist pooljuht FET (MOSFET)
EELMINE - 1. FETide eelised ja puudused
Metalloksiidi pooljuht FET (MOSFET)
Metall-oksiid-pooljuht FET (MOSFET) on neljas terminaliseade. Terminalid on allikas (S), värav (G) ja äravool (D). substraat or keha moodustab neljanda terminali. MOSFET on konstrueeritud nii, et väravapistik on soojustatud kanalilt ränidioksiidi dielektrikuga. MOSFETid võivad olla kas ammendumine or lisaseadme režiimis. Me määratleme need kaks mõistet varsti.
Joonis 1 - n-kanali ammendumine MOSFET
MOSFETe nimetatakse mõnikord SiO-st tingitud IGFET-ideks (isoleeritud väravavälise transistorid).2 kiht, mida kasutatakse värava ja substraadi vahel isolaatorina. Analüüsi alustame tühjendusrežiimiga MOSFET. Nii nagu ka BJTd võivad olla npn or PNPMOSFETid võivad olla kas n-kanal (NMOS) või p-kanal (PMOS). Joonis 1 illustreerib füüsikalist struktuuri ja sümbolit n-kanalite ammendumine MOSFET. Pange tähele, et substraat on ühendatud lähteterminaliga. See on peaaegu alati nii.
MOSFETi ammendumine on konstrueeritud a füüsiline kanali, mis sisestatakse äravoolu ja allika vahel. Selle tulemusena, kui pinge vDS, rakendatakse äravoolu ja allika, voolu, iD, eksisteerib äravoolu ja allika vahel, isegi kui väravapistik G jääb ühendamatavGS = 0 V).
Ehitus n-kanalite ammendumine MOSFET algab p-dopeeritud räni. The n-jaotatud allikas ja äravooluavad moodustavad väikese takistusega ühendusi n-kanal, nagu on näidatud joonisel 1. Läbi pinna allika ja äravoolu vahel ladestatakse õhuke kiht ränidioksiidi. SiO2 on isolaator. Alumiiniumkiht sadestatakse ränidioksiidi isolaatorile, et moodustada värava terminal. Töötamisel on negatiivne vGS lükkab elektronid kanali piirkonnast välja, vähendades seega kanalit. Millal vGS jõuab teatud pinge, VT, kanal on kinni. Positiivsed väärtused on vGS suurendada kanali suurust, mille tulemusena suureneb äravoolu vool. MOSFETi ammendumine võib toimida kas positiivsete või negatiivsete väärtustega vGS. Kuna värav on kanalilt isoleeritud, on väravväli tühine (10i järjekorras).-12 A).
Joonis 2 - p-kanali ammendumine MOSFET
Joonis 2 on võrreldav joonisega 1, välja arvatud see, et oleme muutnud n-kanalite ammendumine MOSFET kuni a p-kanalite ammendumine MOSFET.
. n-kanalite täiustamine MOSFET on kujutatud joonisel 3 koos vooluahela sümboliga. See on välitransistori kõige sagedamini kasutatav vorm.
Joonis 3 - n-kanali täiustamine MOSFET
. n-kanalite täiustamine MOSFET erineb MOSFETi ammendumisest, kuna see ei ole õhuke n-mängija. Kanali loomiseks on vaja värava ja allika vahel positiivset pinge. See kanal moodustub positiivse värava ja allika vahelise pingega, vGS, mis meelitab elektroone substraadi piirkonnast n-doped äravool ja allikas. Positiivne vGS põhjustab elektronide kogunemist oksüdikihi all olevale pinnale. Kui pinge jõuab läveni, VTSellele piirkonnale on meelitatud piisav hulk elektrone, et see toimiks juhtivana n-kanal. Märkimisväärset äravoolu, iD eksisteerib kuni vGS ületab VT.
Joonis 4 on võrreldav joonisega 3, välja arvatud see, et oleme muutnud n-kanalite täiustamine MOSFET-i a p-kanalite täiustamine MOSFET.
Joonis 4 - p-kanali täiustamine MOSFET
Kokkuvõtteks võib öelda, et MOSFETi perekond näitab identifitseerimist iD versus vGS joonised 5. Iga karakteristikukõver on välja töötatud piisava äravooluallika pingega vDS hoidma seadet tavapärasel tööpiirkonnas iD versus vDS kõverad. Järgnevates peatükkides arutatakse lävipinge VT nii MOSFET-i kui ka MOSFET-i ammendumise jaoks.
Joonis 5 - iD versus vGS MOSFETi perekonna omadused piisava äravooluallika pinge saamiseks VDS
2.1-i täiustamisrežiimi MOSFET-terminali karakteristikud
Nüüd, kui oleme esitanud MOSFET-i põhistruktuuri ja tööpõhja, kasutame täiustamisrežiimi seadme terminalikäitumise uurimiseks lähenemisviisi. Esmalt teeme mõned üldised tähelepanekud jooniselt 1. Mõelge MOSFETi voolu normaalsele voolule äravoolust allikani (täpselt nagu BJT-s on see kollektori ja emitteri vahel). Nagu ka npn BJT-s on äravoolu ja allika vahel kaks tagasi-tagasi-dioodi. Seetõttu peame väravale rakendama väliseid pingeid, et võimaldada voolu voolamist äravoolu ja allika vahel.
Kui maandame allika ja rakendame väravale positiivse pinge, on see pinge tõhusalt väravast allikani. Positiivne värava pinge meelitab elektrone ja tõrjub auke. Kui pinge ületab künnise (VT), on piisavalt elektrone, et moodustada äravoolukanal äravoolu ja allika vahel. Sel hetkel lülitub transistor sisse ja vool on mõlema funktsioon vGS ja vDS. See peaks olema selge VT on positiivne arv n-kanaliline seade ja negatiivne arv a jaoks p-kanaliline seade.
Kui kanal on loodud (st vGS >VT), voolu võib tekkida kanalis äravoolu ja allika vahel. See voolu vool sõltub vDS, kuid see sõltub ka vGS. Millal vGS lihtsalt vaevu ületab lävipinge, väga väike vool võib voolata. Nagu vGS ületab künnist, sisaldab kanal rohkem kandjaid ja suuremad voolud on võimalikud. Joonis 6 näitab suhet iD ja vDS kus vGS on parameeter. Pange tähele, et vGS väiksem kui künnis, ei voolu. Suurem vGS, suhe iD ja vDS on ligikaudu lineaarne, mis näitab, et MOSFET käitub nagu takisti, mille takistus sõltub vGS.
Joonis 6 -iD versus vDS parandusrežiimi jaoks n-kanaliga MOSFET millal vDS on väike
Joonise 6 kõverad näevad välja nagu sirged jooned. Siiski ei jätkata neid sirgjoonena, kui vDS muutub suuremaks. Tuletame meelde, et juhtivuskanali loomiseks kasutatakse positiivset värava pinge. See toimub elektronide meelitamisega. Positiivne äravoolu pinge teeb sama. Kui läheneme kanali äravoolu otsale, siis kanalite lähenemist tekitav pinge vGS-vDS kuna mõlemad allikad on üksteise vastu. Kui see erinevus on väiksem kui VTkanali ei ole enam kogu allika ja äravoolu vahelise ruumi jaoks. Kanal on piiratud äravoolu otsas ja suureneb veelgi vDS ei põhjusta. \ t iD. Seda nimetatakse tavaliseks tööpiirkonnaks või küllastus joonisel 7 näidatud piirkond iseloomulike kõverate horisontaalse sektsiooniga. Kui erinevus on suurem kui VT, me nimetame seda triodes režiimis, kuna kõikidel kolmel terminalil olevad võimalused mõjutavad oluliselt voolu.
Eelmine arutelu viib joonise 7 töökaartide juurde.
Joonis 7 -iD versus vGS parandusrežiimi MOSFET jaoks
Üleminek triodi ja normaalse tööpiirkonna vahel (mida nimetatakse küllastumispiirkonnaks ja sageli identifitseeritakse operatsiooniks nihke-režiimis) on näidatud joonisel 7 katkendjoonena, kus
(1)
Triode piirkonna piiril järgivad kõverate põlved ligikaudu suhet,
(2)
Võrrandis (2) on K antud seadme konstant. Selle väärtus sõltub seadme mõõtmetest ja selle valmistamisel kasutatud materjalidest. Konstant on antud,
(3)
Selles võrrandis μn on elektronide liikuvus; COksiidoksiidi mahtuvus on värava mahutavus ühiku pindala kohta; W on värava laius; L on värava pikkus. Võrrand näitab keerulist ja mittelineaarset suhet iD ja kaks pinget, vDS ja vGS. Kuna me tahaksime äravoolu voolu umbes lineaarselt erineda vGS (sõltumatu vDS), ei kasutata FETi tavaliselt triode piirkonnas.
Nüüd soovime leida võrrandi operatsioonikõveratele küllastumispiirkonnas. Võime kindlaks määrata väärtused üleminekul triodi ja küllastuspiirkonna vahel, hinnates võrrandit (2) üleminekul (põlve). See on,
(4)
See võrrand määrab väljavooluvoolu suuruse piiril (joonisel 8 katkendjoon) värava ja allika pinge funktsioonina vGS. Vajadusel suudame lineaarse teguri lisamisega arvestada küllastumispiirkonna iseloomulike kõverate kerge kallakuga.
(5)
Võrrandis (5) λ on väike konstant (joonisel 8 näidatud iseloomulike kõverate lähedase horisontaalse osa kalle). See on tavaliselt väiksem kui 0.001 (V-1). Siis
(6)
Kõik meie eelmised arutelud käsitlesid NMOS-transistorit. Nüüd arutame lühidalt PMOSi vajalikke muudatusi. PMOS-i jaoks on väärtused vDS on negatiivne. Lisaks luuakse kanal PMOSis, 
.
Joonis 8 - MOSFET-transistori terminali omadused
Ainus muutus NMOS-transistorite omadustest (joonis 7) on see, et horisontaaltelg on nüüd -vDS + v asemelDS, ja parameetrilised kõverad esindavad suuremat äravoolu voolu, kui väravapinge väheneb (selle asemel, et NMOS-transistori puhul suureneda). Praeguste väärtuste suurendamise kõverad vastavad rohkem negatiivsele väravale. Millal vGS > VT, transistor on lõigatud. PMOS-i täiustamiseks VT negatiivne, ja PMOSi ammendumise \ t VT on positiivne.
PMOS-transistori triode piirkonna ülemineku voolu võrrand on identne NMOS-i omaga. See on,
(7)
Pange tähele, et vGS ja vDS on mõlemad negatiivsed kogused. PMOS-transistori küllastumispiirkonna võrrand on samuti identne NMOS-iga. See on,
(8)
Pange tähele, et λ on negatiivne PMOS-transistoritele, kuna kõvera muutumise kiirus (
) on negatiivne.
Võttes arvesse võrrandi (6) mõlema poole osalist tuletist vGS, 
, saame
(9)
Me eelistame väärtust gm olema suur, eriti suurte signaalide puhul. Sellegipoolest suudame selle tingimuse lähendada ainult siis, kui kasutame FETi väikeste signaalirakenduste jaoks. Suure signaali tingimustes võib lainekuju moonutamine mõnes rakenduses olla vastuvõetamatu.
2.2i ammendumisrežiim MOSFET
Eelmises osas käsitleti täiustamisrežiimi MOSFET. Nüüd kontrastime seda MOSFETi tühjenemise režiimiga. Selle eest n-kanalite täiustamisrežiim, kanali omandamiseks pidime väravale rakendama positiivset pinge. See pinge pidi olema piisavalt suur, et sundida piisavalt mobiilseid elektrone tekitama voolu indutseeritud kanalis.
Joonis 9 - n-kanaliga MOSFETi tühjenemise režiim
aasta n-kanali tühjenemise režiimis MOSFET, me ei vaja seda positiivset pinget, kuna meil on füüsiliselt implanteeritud kanal. See võimaldab meil voolata äravoolu ja allika klemmide vahel isegi värava negatiivse pinge korral. Muidugi on piir negatiivsele pingele, mida saab väravale rakendada, hoides samal ajal voolu äravoolu ja allika vahel. See piir on jälle identifitseeritud kui lävipinge, VT. Täiendusrežiimist on muudetud see, et värava-allika pinge võib nüüd olla kas negatiivne või positiivne, nagu on näidatud joonisel 9.
Väljundrežiimi MOSFET toimimist defineerivad võrrandid on väga sarnased lisaseadme režiimiga. Vooluvoolu väärtus millal vGS on null IDSS. Seda nimetatakse sageli kui äravooluallika küllastusvoolVõi nullvärava äravooluvool. Võrreldes täiustamisrežiimi MOSFET võrrandeid tühjenemisrežiimi omadustega leiame
(10)
Seejärel leiame
(11)
Vajumise režiim MOSFETid on saadaval diskreetses vormis või neid saab valmistada integraallülitustega kiipide paremale koos lisaseadme tüüpidega. See hõlmab mõlemat ptüüpi ja ntüüpi. See võimaldab suuremat paindlikkust vooluahela projekteerimistehnikates.
2.3 Suure signaali ekvivalentahel
Me soovime nüüd välja töötada samaväärse ahela, mis esindab joonise 8 [võrrand (5) või (8)] suure signaali omadusi küllastumispiirkonnas. Pange tähele, et äravoolu vool, iD, sõltub vGS ja vDS. Püsiva värava ja allika vahelise pinge korral töötame mööda joonise ühte parameetrilist kõverat ja suhe on ligikaudu sirge. Voolu ja pinge vahelise sirgjoonelise seose modelleerib takisti. Ekvivalentne vooluahel koosneb seetõttu vooluallikaga paralleelselt asetsevast takistist, kus vooluallika väärtus määrab tühjendusvoolu osa vGS. Kõvera kalle sõltub vGS. Kalle on osaline tuletisinstrument,
(12)
kus r0 on inkrementaalne väljundvastus. Me näeme võrrandist [(5) või (8)], et seda vastupanu annab
(13)
kus me kasutame suurtähti VGS et näidata, et vastupanu on määratletud pinge-allika pinge konkreetse konstantse väärtuse jaoks. Lõplik ühtlustamine võrrandis (13) tuleneb võrrandist (5) eeldusel, et λ on väike. Vastupanu on seega pöördvõrdeline proportsioonisagedusega, ID. Siis annab suure signaali ekvivalentmudeli joonis 11 kus r0 on nagu välja töötatud võrrandis (13).
Joonis 11 - Suure signaali ekvivalentahel
2.4 MOSFETi väikese signaali mudel
Me soovime nüüd vaadata võrrandiga seotud täiendavaid mõjusid. Kolm võrrandi parameetrit selles võrrandis, iD, vGS ja vDS koosnevad mõlemast dc (eelarvamused) ja ac komponendid (sellepärast oleme väljendites kasutanud suurtähtede alamkatalooge). Oleme huvitatud ac väikese signaali mudeli komponendid. Me näeme, et äravoolu vool sõltub kahest pingest, väravast ja allikast. Inkrementaalsete väärtuste jaoks saame selle suhte kirjutada
(14)
Võrrandis (14) gm is edasiliikumine ja r0 on väljundvastus. Nende väärtused leitakse, võttes võrrandis (5) osalisi derivaate. Seega
(15)
Võrdlus (15) annab hinnangu selle kohta, et λ kui see on väike. Võrrand (14) viib joonise 12 väikese signaali mudeli juurde.
Joonis 12 - väikese signaali MOSFET mudel