2। धातु-ऑक्साइड सेमीकंडक्टर FET (MOSFET)

धातु-ऑक्साइड सेमीकंडक्टर FET (MOSFET)

मेटल-ऑक्साइड सेमीकंडक्टर FET (MOSFET) एक चार टर्मिनल डिवाइस है। टर्मिनल हैं स्रोत (एस), गेट (जी) तथा नाली (D)सब्सट्रेट or तन चौथा टर्मिनल बनाता है। MOSFET चैनल से सिलिकॉन डाइऑक्साइड ढांकता हुआ अछूता गेट टर्मिनल के साथ बनाया गया है। MOSFETs या तो हो सकते हैं रिक्तिकरण or एन्हांसमेंट मोड। हम इन दोनों शब्दों को शीघ्र ही परिभाषित करते हैं।

MOSFET: एन-चैनल की कमी

चित्रा 1 - एन-चैनल कमी MOSFET

MOSFET को कभी-कभी SiO के कारण IGFETs (अछूता गेट फील्ड-प्रभाव ट्रांजिस्टर) के रूप में जाना जाता है2 गेट और सब्सट्रेट के बीच एक इन्सुलेटर के रूप में उपयोग की जाने वाली परत। हम अपने विश्लेषण को मोड-मोड MOSFET के साथ शुरू करते हैं। जैसे BJTs हो सकते हैं npn or PNP, MOSFETs या तो हो सकता है n-शनलाइन (NMOS) या p-चैनल (पीएमओएस)। चित्रा 1 एक के लिए भौतिक संरचना और प्रतीक को दिखाता है n-शनलाइन की कमी MOSFET। ध्यान दें कि सब्सट्रेट स्रोत टर्मिनल से जुड़ा हुआ है। यह लगभग हमेशा मामला होगा।

कमी MOSFET एक के साथ बनाया गया है भौतिक चैनल नाली और स्रोत के बीच डाला गया। नतीजतन, जब एक वोल्टेज, vDS, नाली और स्रोत, एक करंट के बीच लगाया जाता है, iD, गेट टर्मिनल जी असंबद्ध रहता है, भले ही नाली और स्रोत के बीच मौजूद हो (vGS = एक्सएनएनएक्स वी)।

का निर्माण n-शनलाइन की कमी MOSFET से शुरू होती है p-डॉप्ड सिलिकॉन। n-दोपित स्रोत और ड्रेन कुओं के अंत के बीच कम-प्रतिरोध कनेक्शन बनाते हैं n-चैनल, जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है। स्रोत और नाली के बीच के क्षेत्र को कवर करने के लिए सिलिकॉन डाइऑक्साइड की एक पतली परत जमा की जाती है। The SiO2 एक इन्सुलेटर है। गेट टर्मिनल बनाने के लिए सिलिकॉन डाइऑक्साइड इन्सुलेटर पर एक एल्यूमीनियम परत जमा होती है। ऑपरेशन में, एक नकारात्मक vGS चैनल क्षेत्र से इलेक्ट्रॉनों को बाहर निकालता है, जिससे चैनल घटता है। कब vGS एक निश्चित वोल्टेज तक पहुँचता है, VT, चैनल है सूखा हुआ। के सकारात्मक मूल्य vGS चैनल के आकार में वृद्धि, जिसके परिणामस्वरूप नाली की वर्तमान में वृद्धि हुई है। कमी MOSFET सकारात्मक या नकारात्मक मूल्यों के साथ काम कर सकता है vGS। चूंकि गेट चैनल से अछूता है, गेट वर्तमान लापरवाही से छोटा है (10 के आदेश पर)-12 ए)।

MOSFET: पी-चैनल की कमी

चित्रा 2 - पी-चैनल कमी MOSFET

चित्रा 2 चित्रा 1 के लिए तुलनीय है, सिवाय इसके कि हमने बदल दिया है n-चैनल घटाव MOSFET a p-शनलाइन की कमी MOSFET।

यह n-चैनल एन्हांसमेंट MOSFET को सर्किट प्रतीक के साथ चित्रा 3 में चित्रित किया गया है। यह क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर का सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला रूप है।

एन-चैनल एन्हांसमेंट MOSFET

चित्रा 3 - एन-चैनल एन्हांसमेंट MOSFET

यह n-चैनल एन्हांसमेंट MOSFET पतले नहीं होने से MOSFET से भिन्न होता है nपरत। चैनल स्थापित करने के लिए गेट और स्रोत के बीच एक सकारात्मक वोल्टेज की आवश्यकता होती है। यह चैनल एक पॉजिटिव गेट-टू-सोर्स वोल्टेज की कार्रवाई से बनता है, vGS, जो के बीच सब्सट्रेट क्षेत्र से इलेक्ट्रॉनों को आकर्षित करता है n-डॉप्ड ड्रेन और सोर्स। सकारात्मक vGS इलेक्ट्रॉनों का कारण ऑक्साइड परत के नीचे की सतह पर जमा होना है। जब वोल्टेज एक सीमा तक पहुँच जाता है, VTपर्याप्त संख्या में इलेक्ट्रॉनों को इस क्षेत्र के लिए आकर्षित किया जाता है ताकि यह एक आचरण की तरह काम कर सके n-चैनल। कोई सराहनीय नाली चालू नहीं है, iD तक मौजूद है vGS से अधिक VT.

चित्रा 4 चित्रा 3 के लिए तुलनीय है, सिवाय इसके कि हमने बदल दिया है n-चैनल एन्हांसमेंट MOSFET a p-चैनल एन्हांसमेंट MOSFET।

पी-चैनल एन्हांसमेंट MOSFET

चित्रा 4 - पी-चैनल वृद्धि MOSFET

सारांश के रूप में, MOSFET परिवार पहचान प्रदर्शित करता है iD बनाम vGS चित्रा 5 में दिखाए गए वक्र। प्रत्येक विशेषता वक्र को पर्याप्त नाली-स्रोत वोल्टेज के साथ विकसित किया जाता है vDS के सामान्य ऑपरेटिंग क्षेत्र में डिवाइस को बनाए रखने के लिए iD बनाम vDS घटता। बाद के खंडों में चर्चा थ्रेसहोल्ड वोल्टेज को परिभाषित करेगी VT वृद्धि MOSFETs और कमी MOSFETs दोनों के लिए।

चित्र 5 - iD बनाम vGS पर्याप्त नाली स्रोत वोल्टेज के लिए MOSFET परिवार की विशेषताएं VDS

2.1 एन्हांसमेंट-मोड MOSFET टर्मिनल विशेषता

अब जब हमने MOSFET के संचालन के लिए मूल संरचना और आधार प्रस्तुत किया है, तो हम एन्हांसमेंट-मोड डिवाइस के टर्मिनल व्यवहार की जांच करने के लिए एक दृष्टिकोण का उपयोग करते हैं। आइए सबसे पहले चित्रा 1 से कुछ सामान्य अवलोकन करें। MOSFET में धारा के सामान्य प्रवाह को नाले से स्रोत की तरह समझें (जैसे BJT में, यह कलेक्टर और एमिटर के बीच है)। जैसा कि के साथ npn BJT, दो बैक-टू-बैक डायोड ड्रेन और सोर्स के बीच मौजूद हैं। इसलिए, हमें नाली और स्रोत के बीच प्रवाह की अनुमति देने के लिए गेट पर बाहरी वोल्टेज लागू करना चाहिए।

यदि हम स्रोत को ग्राउंड करते हैं, और गेट पर एक सकारात्मक वोल्टेज लागू करते हैं, तो वह वोल्टेज प्रभावी रूप से गेट-टू-सोर्स वोल्टेज है। सकारात्मक गेट वोल्टेज इलेक्ट्रॉनों को आकर्षित करता है और छिद्रों को पीछे हटाता है। जब वोल्टेज थ्रेशोल्ड से अधिक हो जाता है (VT), पर्याप्त इलेक्ट्रॉनों को नाली और स्रोत के बीच एक प्रवाहकीय चैनल बनाने के लिए आकर्षित किया जाता है। इस बिंदु पर, ट्रांजिस्टर चालू होता है और वर्तमान दोनों का एक कार्य है vGS तथा vDS। यह स्पष्ट होना चाहिए कि VT के लिए एक सकारात्मक संख्या है n-बिना उपकरण, और एक ऋणात्मक संख्या a p-चैनल डिवाइस।

एक बार एक चैनल बनाया जाता है (यानी, vGS >VT), नाली और स्रोत के बीच उस प्रवाह में वर्तमान प्रवाह हो सकता है। यह वर्तमान प्रवाह पर निर्भर करता है vDS, लेकिन यह भी निर्भर करता है vGS. जब vGS बस दहलीज वोल्टेज से अधिक मुश्किल से बहती है, बहुत कम प्रवाह हो सकता है। जैसा vGS दहलीज से परे बढ़ जाती है, चैनल में अधिक वाहक होते हैं और उच्च धाराएं संभव होती हैं। चित्रा 6 के बीच के संबंध को दर्शाता है iD तथा vDS जहां vGS एक पैरामीटर है। इसके लिए ध्यान दें vGS दहलीज से कम, कोई करंट प्रवाहित नहीं होता। उच्चतर के लिए vGS, बीच के रिश्ते iD तथा vDS लगभग रेखीय संकेत है कि MOSFET एक अवरोधक की तरह व्यवहार करता है जिसका प्रतिरोध निर्भर करता है vGS.

चित्र 6 -iD बनाम vDS एक वृद्धि मोड के लिए n-चैनल MOSFET कब vDS छोटा है

चित्रा 6 के वक्र सीधी रेखाओं की तरह दिखते हैं। हालांकि, जब वे सीधी रेखा के रूप में जारी नहीं रहेंगे vDS बड़ा हो जाता है। याद रखें कि चालन चैनल बनाने के लिए एक सकारात्मक गेट वोल्टेज का उपयोग किया जाता है। यह इलेक्ट्रॉनों को आकर्षित करके ऐसा करता है। पॉजिटिव ड्रेन वोल्टेज वही काम कर रहा है। जैसे ही हम चैनल के ड्रेन एंड के पास पहुंचते हैं, चैनल बनाने वाला वोल्टेज आ जाता है vGS-vDS चूंकि दोनों स्रोत एक-दूसरे का विरोध करते हैं। जब यह अंतर इससे कम है VTस्रोत और नाली के बीच पूरे स्थान के लिए चैनल अब मौजूद नहीं है। चैनल है विवश नाली के अंत में, और आगे बढ़ जाता है vDS किसी भी वृद्धि में परिणाम नहीं है iD। यह सामान्य ऑपरेटिंग क्षेत्र या के रूप में जाना जाता है संतृप्ति चित्र वक्र के क्षैतिज खंड द्वारा चित्रा 7 में दिखाया गया क्षेत्र। जब अंतर से अधिक है VT, हम इसे कहते हैं ट्रायोड मोड, क्योंकि सभी तीन टर्मिनलों की क्षमता वर्तमान को बहुत प्रभावित करती है।

पिछली चर्चा चित्रा 7 के ऑपरेटिंग घटता की ओर जाता है।

चित्र 7 -iD बनाम vGS वृद्धि-मोड MOSFET के लिए

ट्रायोड और सामान्य ऑपरेटिंग क्षेत्र के बीच संक्रमण (संतृप्ति क्षेत्र के रूप में जाना जाता है और अक्सर ऑपरेशन के चुटकी-बंद मोड में ऑपरेशन के रूप में पहचाना जाता है) को चित्र एक्सएनयूएमएक्स में धराशायी रेखा के रूप में दिखाया गया है, जहां


(1)

ट्रायोड क्षेत्र की सीमा पर, कर्व्स के घुटने लगभग संबंध का पालन करते हैं,


(2)
समीकरण (2) में, K एक दिए गए उपकरण के लिए एक स्थिर है। इसका मूल्य डिवाइस के आयाम और इसके निर्माण में उपयोग की जाने वाली सामग्रियों पर निर्भर करता है। स्थिरांक द्वारा दिया जाता है,


(3)
इस समीकरण में, μn इलेक्ट्रॉन गतिशीलता है; Cऑक्साइडऑक्साइड कैपेसिटेंस, गेट के प्रति यूनिट क्षेत्र की कैपेसिटेंस है; W गेट की चौड़ाई है; L गेट की लंबाई है। समीकरण के बीच एक जटिल और nonlinear संबंध इंगित करता है iD और दो वोल्टेज, vDS तथा vGS। चूँकि हम चाहते हैं कि नाली की धारा लगभग रैखिक रूप से भिन्न हो vGS (स्वतंत्र vDS), FET का उपयोग आमतौर पर ट्रायोड क्षेत्र में नहीं किया जाता है।

अब हम संतृप्ति क्षेत्र में परिचालन घटता के लिए एक समीकरण खोजने की इच्छा रखते हैं। हम संक्रमण (घुटने) पर समीकरण (2) का मूल्यांकन करके ट्रायोड और संतृप्ति क्षेत्र के बीच संक्रमण पर मूल्यों को स्थापित कर सकते हैं। अर्थात्,


(4)
यह समीकरण गेट-टू-सोर्स वोल्टेज के एक फ़ंक्शन के रूप में सीमा पर ड्रेन करंट की भयावहता (चित्रा 8 में धराशायी लाइन) को स्थापित करता है। vGS। यदि आवश्यक हो, तो हम एक रैखिक कारक जोड़कर संतृप्ति क्षेत्र में विशेषता घटता के मामूली ढलान के लिए जिम्मेदार हो सकते हैं।


(5)
समीकरण (5) में, λ एक छोटा स्थिरांक (चित्र 8 में दिखाए गए विशेषता वक्रों के निकट क्षैतिज खंड का ढलान) है। यह आमतौर पर 0.001 (V) से कम होता है-1)। फिर


(6)

हमारे पिछले चर्चा के सभी NMOS ट्रांजिस्टर के साथ निपटा। अब हम संक्षेप में PMOS के लिए आवश्यक संशोधनों पर चर्चा करते हैं। पीएमओएस के लिए, का मान vDS नकारात्मक होगा। इसके अतिरिक्त, PMOS में एक चैनल बनाने के लिए, .

चित्रा 8 - एक MOSFET ट्रांजिस्टर के टर्मिनल विशेषताओं

NMOS ट्रांजिस्टर (चित्रा 7) की विशेषताओं में से एकमात्र परिवर्तन यह है कि क्षैतिज अक्ष अब -v हैDS के बजाय + वीडी एस, और पैरामीट्रिक वक्र उच्च वोल्टेज धारा का प्रतिनिधित्व करते हैं क्योंकि गेट वोल्टेज घटता है (एनएमओएस ट्रांजिस्टर के लिए बढ़ने के बजाय)। वर्तमान मूल्यों को बढ़ाने के लिए घटता अधिक नकारात्मक गेट वोल्टेज के अनुरूप है। कब vGS > VT, ट्रांजिस्टर कट-ऑफ है। वृद्धि के लिए PMOS, VT नकारात्मक है, और कमी के लिए PMOS, VT सकारात्मक है।

PMOS ट्रांजिस्टर के लिए ट्रायोड क्षेत्र संक्रमण पर वर्तमान के लिए समीकरण NMOS के समान है। अर्थात्,


(7)
ध्यान दें कि vGS तथा vDS दोनों नकारात्मक मात्राएँ हैं। PMOS ट्रांजिस्टर में संतृप्ति क्षेत्र के लिए समीकरण भी NMOS के समान है। अर्थात्,


(8)

ध्यान दें कि λ वक्र के परिवर्तन की दर के बाद से PMOS ट्रांजिस्टर के लिए नकारात्मक है () नकारात्मक है।

के संबंध में समीकरण (6) के दोनों पक्षों के आंशिक व्युत्पन्न लेना vGS, , हमें मिला


(9)
हम के मूल्य को पसंद करते हैं gm स्थिर रहने के लिए, विशेष रूप से बड़े सिग्नल झूलों के लिए। हालाँकि, हम केवल इस स्थिति का अनुमान लगा सकते हैं यदि हम छोटे सिग्नल अनुप्रयोगों के लिए FET का उपयोग करते हैं। बड़े सिग्नल की स्थिति के लिए, कुछ अनुप्रयोगों में तरंग की विकृति अस्वीकार्य हो सकती है।

2.2 डिप्लेशन-मोड MOSFET

पिछला खंड एन्हांसमेंट-मोड MOSFET से निपटा। अब हम इसके विघटन-मोड MOSFET के विपरीत हैं। के लिए n-चैनल एन्हांसमेंट मोड, एक चैनल प्राप्त करने के लिए हमें गेट पर एक सकारात्मक वोल्टेज लागू करना था। एक प्रेरित चैनल में एक वर्तमान उत्पादन करने के लिए पर्याप्त संख्या में मोबाइल इलेक्ट्रॉनों को मजबूर करने के लिए इस वोल्टेज को काफी बड़ा होना था।

चित्रा एक्सएनयूएमएक्स - डिप्लेशन मोड एन-चैनल एमओएसएफईटी

में n-ऑनलाइन रिक्तीकरण-मोड MOSFET, हमें इस सकारात्मक वोल्टेज की आवश्यकता नहीं है क्योंकि हमारे पास एक शारीरिक रूप से प्रत्यारोपित चैनल है। यह हमें गेट पर लगाए गए नकारात्मक वोल्टेज के साथ नाली और स्रोत टर्मिनलों के बीच भी करंट लगाने की अनुमति देता है। बेशक, नकारात्मक वोल्टेज की मात्रा की एक सीमा है जो गेट पर लागू की जा सकती है, जबकि अभी भी नाली और स्रोत के बीच प्रवाह होता है। इस सीमा को फिर से दहलीज वोल्टेज के रूप में पहचाना जाता है, VT। एन्हांसमेंट मोड से बदलाव यह है कि गेट-टू-सोर्स वोल्टेज अब नकारात्मक या सकारात्मक हो सकता है, जैसा कि चित्र एक्सएनयूएमएक्स में दिखाया गया है।

समीकरण जो मोडलिंग-मोड MOSFET के संचालन को परिभाषित करते हैं, वृद्धि मोड के समान होते हैं। जब नाले की धारा का मान vGS शून्य के रूप में पहचाना जाता है IDSS। यह अक्सर के रूप में जाना जाता है नाली-स्रोत संतृप्ति वर्तमानया, शून्य - गेट ड्रेन करंट। कमी मोड के उन लोगों के साथ एन्हांसमेंट-मोड MOSFET के समीकरणों की तुलना करते हुए, हम पाते हैं


(10)

हम फिर पाते हैं,


(11)

डिप्लेशन मोड MOSFETs असतत रूप में उपलब्ध हैं, या इन्हें एन्हांस्ड मोड प्रकारों के साथ एकीकृत सर्किट चिप्स पर बनाया जा सकता है। इसमें दोनों शामिल हैं p-प्रकार और n-प्रकार। यह सर्किट डिजाइन तकनीकों में अधिक लचीलापन देता है।

2.3 बड़े-सिग्नल बराबर सर्किट

अब हम एक समतुल्य सर्किट विकसित करना चाहते हैं जो संतृप्ति क्षेत्र में चित्रा 8 [समीकरण (5) या (8)] की बड़ी-सिग्नल विशेषताओं का प्रतिनिधित्व करता है। ध्यान दें कि नाली वर्तमान, iD, निर्भर करता है vGS तथा vDS। एक निरंतर गेट-टू-सोर्स वोल्टेज के लिए, हम आकृति के पैरामीट्रिक वक्रों में से एक के साथ काम करते हैं, और संबंध लगभग सीधी रेखा है। वर्तमान और वोल्टेज के बीच एक सीधी रेखा का संबंध एक अवरोधक द्वारा निर्मित होता है। समतुल्य सर्किट में वर्तमान स्रोत के समानांतर एक अवरोधक होता है जहां वर्तमान स्रोत का मान चालू करने के लिए नाली के हिस्से को स्थापित करता है vGS। वक्र की ढलान पर निर्भर करता है vGS। ढलान आंशिक व्युत्पन्न है,


(12)

जहां r0 वृद्धिशील आउटपुट प्रतिरोध है। हम समीकरण [(5) या (8)] से देखते हैं कि यह प्रतिरोध किसके द्वारा दिया गया है


(13)

जहां हम ऊपरी मामले का उपयोग करते हैं VGS यह इंगित करने के लिए कि प्रतिरोध को गेट-टू-सोर्स वोल्टेज के एक विशेष स्थिर मूल्य के लिए परिभाषित किया गया है। समीकरण (13) में अंतिम सन्निकटन समीकरण (5) से यह अनुमान लगाता है कि λ छोटा है। प्रतिरोध इसलिए पूर्वाग्रह वर्तमान के विपरीत अनुपात है, ID। बड़े सिग्नल समतुल्य मॉडल तब चित्रा 11 द्वारा दिया जाता है जहां r0 समीकरण (13) में विकसित किया गया है।

चित्रा 11 - बड़े-सिग्नल समकक्ष सर्किट

2.4 MOSFET का छोटा-सिग्नल मॉडल

अब हम समीकरण से संबंधित वृद्धिशील प्रभावों को देखना चाहते हैं। उस समीकरण में तीन सर्किट पैरामीटर, iD, vGS तथा vDS दोनों से बना है dc (पूर्वाग्रह) और ac घटकों (यही कारण है कि हमने भावों में ऊपरी केस सदस्यता का उपयोग किया है)। हम में रुचि रखते हैं ac छोटे सिग्नल मॉडल के लिए घटक। हम देखते हैं कि ड्रेन करंट दो वोल्टेज, गेट-टू-सोर्स और ड्रेन-टू-सोर्स पर निर्भर है। वृद्धिशील मूल्यों के लिए, हम इस संबंध को इस प्रकार लिख सकते हैं


(14)
समीकरण (14) में, gm is आगे का पारगमन तथा r0 आउटपुट प्रतिरोध है। समीकरण (5) में आंशिक व्युत्पन्न लेने से उनके मान पाए जाते हैं। इस प्रकार,


(15)
समीकरण (15) में सन्निकटन परिणाम है कि अवलोकन से λ अगर छोटा है। समीकरण (14) चित्रा 12 के छोटे-सिग्नल मॉडल की ओर जाता है।

चित्रा 12 - लघु-संकेत MOSFET मॉडल