2. Metal-oksid poluvodički FET (MOSFET)
STRUJA - 2. Metal-oksidni poluvodič FET (MOSFET)
PRETHODNA- 1. Prednosti i nedostaci FET-ova
Metal-oksid poluvodički FET (MOSFET)
Poluvodički metal-oksid FET (MOSFET) je uređaj s četiri terminala. Terminali su izvor (S), vrata (G) i odvod (D), supstrat or tijelo čini četvrti terminal. MOSFET je konstruiran s terminalom vrata koji je izoliran od kanala s dielektrikom od silicijevog dioksida. MOSFETs može biti bilo trošenje or mod poboljšanja, Uskoro ćemo definirati ova dva pojma.
Slika 1 - MOSFET osiromašenja n-kanala
MOSFET-ovi se ponekad nazivaju IGFET-i (izolirani tranzistori s efektom polja) zbog SiO-a2 sloj koji se koristi kao izolator između vrata i podloge. Svoju analizu započinjemo s MOSFET-om u načinu osiromašenja. Baš kao što i BJTs može biti NPN or PNP, MOSFETs može biti bilo n-kanal (NMOS) ili p-kanal (PMOS). Slika 1 ilustrira fizičku strukturu i simbol za n-Kanal osiromašen MOSFET. Primijetite da je podloga spojena na izvor terminala. To će gotovo uvijek biti slučaj.
MOSFET iscrpljivanja je konstruiran s a fizički umetnuti kanal između odvoda i izvora. Kao rezultat, kada napon, vDS, primjenjuje se između odvoda i izvora, struja, iD, postoji između odvoda i izvora, iako terminal G vrata ostaje nepovezan (vGS = 0 V).
Izgradnja n- iscrpljivanje kanala MOSFET počinje s p-dodani silicij. nizvorima i odvodnim bušotinama formira se veza niskog otpora između krajeva n-kanal, kao što je prikazano na slici 1. Nanosi se tanak sloj silicij-dioksida koji pokriva područje između izvora i odvoda. SiO2 je izolator. Na izolatoru od silicij-dioksida se nanosi aluminijski sloj kako bi se stvorio terminal za vrata. U radu, negativan vGS izbacuje elektrone iz područja kanala, čime se iscrpljuje kanal. Kada vGS dostiže određeni napon, VT, kanal je stisnut, Pozitivne vrijednosti vGS povećati veličinu kanala, što rezultira povećanjem struje odvoda. Iscrpljenje MOSFET može raditi s pozitivnim ili negativnim vrijednostima vGS, Budući da su vrata izolirana od kanala, struja vrata je zanemarivo mala (prema redoslijedu 10-12 A).
Slika 2 - pražnjenje p-kanala MOSFET
Slika 2 je usporediva s slikom 1, osim što smo promijenili n-Kanal osiromašen MOSFET na a p-Kanal osiromašen MOSFET.
Korištenje električnih romobila ističe nMOSFET je prikazan na slici 3 zajedno sa simbolom kruga. To je najčešće korišteni oblik tranzistora s efektom polja.
Slika 3 - MOSFET za poboljšanje n-kanala
Korištenje električnih romobila ističe nMOSFET se razlikuje od MOSFET osiromašenja tako što nema tanak n-sloj. Za uspostavljanje kanala potreban je pozitivan napon između vrata i izvora. Ovaj kanal nastaje djelovanjem pozitivnog napona od vrata do izvora, vGSkoji privlači elektrone iz područja supstrata između. \ t n-odgubljeni odvod i izvor. Pozitivan vGS uzrokuje nakupljanje elektrona na površini ispod sloja oksida. Kada napon dosegne prag, VTdovoljan broj elektrona privučen je ovim područjem da bi se ponašao kao dirigent n-kanal. Nema značajne struje odvoda, iD postoji do vGS prelazi VT.
Slika 4 je usporediva s slikom 3, osim što smo promijenili npoboljšanje kanala - MOSFET na a p-Kanal pojačanje MOSFET.
Slika 4 - MOSFET za poboljšanje p-kanala
Kao sažetak, obitelj MOSFET pokazuje identifikaciju iD protiv vGS krivulje prikazane na slici 5. Svaka karakteristična krivulja razvijena je s dovoljnim naponom odvodnog izvora vDS za održavanje uređaja u normalnom radnom području iD protiv vDS krivulje. Rasprava u kasnijim odjeljcima definirat će napon praga VT za oba poboljšanja MOSFETs i osiromašeni MOSFETs.
Slika 5 - iD protiv vGS karakteristike MOSFET obitelji za dovoljan napon izvora odvoda VDS
Osobine terminala za poboljšanje 2.1 moda MOSFET
Sada kada smo predstavili osnovnu strukturu i osnovu za rad MOSFET-a, koristimo pristup kako bismo ispitali ponašanje terminala uređaja u načinu poboljšanja. Prvo napravimo neka općenita zapažanja sa slike 1. Zamislite da je normalni protok struje u MOSFET-u od odvoda do izvora (baš kao i u BJT-u, on je između kolektora i emitora). Kao i kod NPN BJT, dvije back-to-back diode postoje između odvoda i izvora. Stoga, moramo primijeniti vanjske napone na vrata kako bi se omogućilo protok struje između odvoda i izvora.
Ako uzemljimo izvor, i primijenimo pozitivan napon na vratima, taj napon je zapravo napon od vrata do izvora. Pozitivni napon vrata privlači elektrone i odbija rupe. Kada napon premaši prag (VT), dovoljno elektrona je privučeno da formira provodni kanal između odvoda i izvora. U ovom trenutku, tranzistor se uključuje i struja je funkcija oba vGS i vDS, To bi trebalo biti jasno VT je pozitivan broj za n-kanalni uređaj i negativni broj za p-kanalni uređaj.
Nakon što je kanal izrađen (tj. vGS >VT), struja se može pojaviti u tom kanalu između odvoda i izvora. Ova struja ovisi o tome vDS, ali i ovisi o tome vGS. Kada vGS jedva da premašuje napon praga, može protjecati vrlo malo struje. Kao vGS povećava se iznad praga, kanal sadrži više nosača i moguće su veće struje. Slika 6 pokazuje odnos između iD i vDS gdje vGS je parametar. Imajte to na umu vGS manje od praga, nema strujnih tokova. Za više vGS, odnos između iD i vDS je približno linearan ukazuje da MOSFET ponaša kao otpornik čija otpornost ovisi vGS.
Slika 6 -iD protiv vDS za način poboljšanja n-Kanal MOSFET kada vDS je malo
Krivulje slike 6 izgledaju kao ravne crte. Međutim, neće nastaviti kao ravne linije kada vDS postaje veći. Podsjetimo se da se pozitivni napon na vratima koristi za stvaranje kanala provođenja. To čini tako što privlači elektrone. Pozitivan napon odvoda radi istu stvar. Kako se približavamo odvodnom kraju kanala, napon stvara kanal vGS-vDS budući da se ta dva izvora međusobno protive. Kada je ta razlika manja od VT, kanal više ne postoji za cijeli prostor između izvora i odvoda. Kanal je ograničen na kraju odvoda, i dalje povećava u vDS ne uzrokuju povećanje iD, To je poznato kao normalno radno područje ili zasićenje područje prikazano na slici 7 po horizontalnom dijelu karakterističnih krivulja. Kada je razlika veća od VT, mi to zovemo triodno modu, jer potencijali na sva tri terminala snažno utječu na struju.
Prethodna rasprava vodi do operativnih krivulja na slici 7.
Slika 7 -iD protiv vGS za MOSFET za poboljšanje
Prijelaz između triode i normalnog radnog područja (koji se naziva područje zasićenja i često identificiran kao rad u modu isključivanja) prikazan je kao crtkana linija na slici 7, gdje
(1)
Na granici triode regije, koljena krivulja približno prate odnos,
(2)
U jednadžbi (2), K je konstanta za određeni uređaj. Njegova vrijednost ovisi o dimenzijama uređaja i materijala koji se koriste u njegovoj konstrukciji. Konstanta je dana
(3)
U ovoj jednadžbi, μn mobilnost elektrona; Coksidkapacitivnost oksida, je kapacitet po jedinici površine vrata; W je širina vrata; L je duljina vrata. Jednadžba ukazuje na komplicirani i nelinearni odnos između iD i dva napona, vDS i vGS, Budući da smo željeli odvod struje varirati približno linearno s vGS (nezavisno od vDS), FET se općenito ne koristi u triodnoj regiji.
Sada želimo pronaći jednadžbu za radne krivulje u području zasićenja. Vrijednosti na prijelazu između trioda i područja zasićenja možemo utvrditi procjenom jednadžbe (2) na prijelazu (koljeno). To je,
(4)
Ova jednadžba uspostavlja veličinu struje odvoda na granici (isprekidana linija na slici 8) kao funkciju napona od vrata do izvora vGS, Ako je potrebno, možemo objasniti lagani nagib karakterističnih krivulja u području zasićenja dodavanjem linearnog faktora.
(5)
U jednadžbi (5), λ je mala konstanta (nagib horizontalnog presjeka karakterističnih krivulja prikazanih na slici 8). Obično je manji od 0.001 (V-1). Zatim
(6)
Sva naša prethodna rasprava odnosila se na NMOS tranzistor. Sada ćemo ukratko raspraviti o potrebnim izmjenama za PMOS. Za PMOS, vrijednosti vDS bit će negativna. Osim toga, za stvaranje kanala u PMOS-u, 
.
Slika 8 - Karakteristike terminala MOSFET tranzistora
Jedine promjene od karakteristika NMOS tranzistora (slika 7) je da je sada horizontalna os -vDS umjesto + vDS, i parametarske krivulje predstavljaju veću odvodnu struju kako se napon kapije smanjuje (umjesto povećanja za NMOS tranzistor). Krivulje za povećanje strujnih vrijednosti odgovaraju većem negativnom naponu vrata. Kada vGS > VT, tranzistor je isključen. Za poboljšanje PMOS-a, VT je negativno, a za iscrpljenje PMOS-a, VT je pozitivan.
Jednadžba za struju tranzicije triode regije za PMOS tranzistor je identična onoj za NMOS. To je,
(7)
Imajte na umu da vGS i vDS su obje negativne količine. Jednadžba za područje zasićenja u PMOS tranzistoru također je identična onoj za NMOS. To je,
(8)
Imajte na umu da λ je negativan za PMOS tranzistore od brzine promjene krivulje (
) je negativan.
Uzimajući djelomični derivat obje strane jednadžbe (6) u odnosu na vGS, 
, dobivamo
(9)
Mi više volimo vrijednost gm biti konstantan, posebno za velike promjene signala. Međutim, ovaj uvjet možemo samo približiti ako koristimo FET za male primjene signala. Za velike uvjete signala, izobličenje valnog oblika može biti neprihvatljivo u nekim aplikacijama.
2.2 MOSFET mod osiromašenog načina rada
Prethodni odjeljak bavio se MOSFET-om poboljšanog načina rada. Sada to uspoređujemo s MOSFET-om u načinu osiromašenja. Za n-kanalni način poboljšanja, da bismo stekli kanal, morali smo primijeniti pozitivan napon na vratima. Taj napon mora biti dovoljno velik da prisili dovoljan broj pokretnih elektrona da proizvedu struju u induciranom kanalu.
Slika 9 - N-kanal MOSFET načina ispražnjenosti
u n-MOSFET u načinu iscrpljivanja kanala, ne treba nam ovaj pozitivni napon jer imamo fizički ugrađen kanal. To nam omogućuje da imamo struju između odvodne i izvorne stezaljke čak i s negativnim naponima primijenjenim na vrata. Naravno, postoji ograničenje količine negativnog napona koji se može primijeniti na vrata dok istodobno ima protok struje između odvoda i izvora. Ovo se ograničenje ponovno identificira kao prag napona, VT. Promjena u načinu poboljšanja je u tome što napon od ulaza do izvora sada može biti negativan ili pozitivan, kao što je prikazano na slici 9.
Jednadžbe koje definiraju rad MOSFET-a za iscrpljivanje su vrlo slične onima u modu poboljšanja. Vrijednost struje odvoda kada vGS je nula identificirana kao IDSS, To se često naziva i struja zasićenja izvora odvoda, Ili odvodna struja nula vrata, Uspoređujući jednadžbe MOSFET-a s poboljšanim načinom rada s onima u načinu ispražnjenja, nalazimo
(10)
Zatim nalazimo,
(11)
Način iscrpljivanja MOSFET-ovi su dostupni u diskretnom obliku, ili se mogu izraditi na čipovima integriranih krugova, zajedno s vrstama poboljšanja. To uključuje oboje p-tip i n-tip. To omogućuje veću fleksibilnost u tehnikama dizajna sklopova.
2.3 Sklop ekvivalentnog velikog signala
Sada želimo razviti ekvivalentni sklop koji predstavlja karakteristike velikog signala na slici 8 [Equation (5) ili (8)] u području zasićenja. Imajte na umu da struja odvoda, iD, ovisi o vGS i vDS. Za konstantni napon od vrata do izvora radimo duž jedne od parametarskih krivulja na slici, a odnos je približno ravna crta. Ravni odnos između struje i napona modelira se otpornikom. Ekvivalentni krug stoga se sastoji od otpornika paralelno s izvorom struje gdje vrijednost izvora struje utvrđuje dio odvodne struje zbog vGS, Nagib krivulje ovisi o vGS, Nagib je djelomični derivat,
(12)
gdje r0 je inkrementalni izlazni otpor. Iz jednadžbe [(5) ili (8) vidimo da je ovaj otpor dan
(13)
gdje koristimo gornji slučaj VGS kako bi se naznačilo da je otpor definiran za određenu konstantnu vrijednost napona od vrata do izvora. Konačna aproksimacija u jednadžbi (13) proizlazi iz jednadžbe (5) uz pretpostavku da λ je malo. Otpor je stoga obrnuto proporcionalan struji prednapona, ID, Model ekvivalenta velikog signala tada je prikazan na slici 11 gdje r0 je kao što je razvijeno u jednadžbi (13).
Slika 11 - Sklop ekvivalentnog velikog signala
2.4 Mali signalni model MOSFET-a
Sada želimo pogledati inkrementalne učinke vezane uz jednadžbu. Tri parametra kruga u toj jednadžbi, iD, vGS i vDS sastoje se od oboje dc (pristranost) i ac komponente (zbog toga smo u izrazima koristili tablice gornjih slova). Mi smo zainteresirani za ac komponente za model malog signala. Vidimo da odvodna struja ovisi o dva napona, od vrata do izvora i od odvoda do izvora. Za inkrementalne vrijednosti možemo pisati ovaj odnos kao
(14)
U jednadžbi (14), gm is prolaznost prema naprijed i r0 je izlazni otpor. Njihove se vrijednosti pronalaze uzimanjem djelomičnih derivata u jednadžbi (5). Tako,
(15)
Aproksimacija u jednadžbi (15) proizlazi iz promatranja λ ako je mala. Jednadžba (14) vodi do modela malog signala na slici 12.
Slika 12 - MOSFET model malog signala