2. Fém-oxid félvezető FET (MOSFET)
JELENLEG - 2. Fém-oxid félvezető FET (MOSFET)
ELŐZŐ - 1. Az FET előnyei és hátrányai
Fém-oxid félvezető FET (MOSFET)
A fém-oxid félvezető FET (MOSFET) egy négy végberendezés. A terminálok a forrás (S), kapu (G) és a lefolyó (D) Az szubsztrát or test a negyedik terminált alkotja. A MOSFET-et úgy alakították ki, hogy a kapu terminálját szilícium-dioxid-dielektrikával szigetelték. A MOSFET-ek is lehetnek kimerülés or továbbfejlesztési mód. Ezeket a két kifejezést röviden definiáljuk.
1 ábra - n-csatorna kimerülés MOSFET
A MOSFET-eket néha IGFET-eknek (Szigetelt kapu-térhatás-tranzisztorok) nevezik a SiO-nak köszönhetően.2 a kapu és az aljzat közötti szigetelőanyagként használt réteg. Elemzésünket a MOSFET kimerülési móddal kezdjük. Csakúgy, mint a BJT-k is npn or PNPMOSFET-ek is lehetnek n-csatornás (NMOS) vagy p-csatornás (PMOS). Az 1 ábra egy fizikai szerkezetet és egy szimbólumot ábrázol n-csatornás kimerülés MOSFET. Figyeljük meg, hogy a szubsztrátum csatlakozik a forrásterminálhoz. Ez majdnem mindig így lesz.
A MOSFET kimerülése a fizikai csatorna a csatorna és a forrás között. Ennek eredményeként, amikor vDS, a csatorna és a forrás, az áram, iD, létezik a lefolyó és a forrás között, még akkor is, ha a G kapu terminál nem kapcsolódik (vGS = 0 V).
A n-csatorna-kimerülés A MOSFET kezdődik p- szilikon. A n-adagolt forrás és lefolyó kutak alacsony ellenállású csatlakozásokat képeznek a n-csatorna, az 1 ábrán látható. A forrás és a lefolyó közötti területet lefedő vékony szilícium-dioxid-réteget viszünk fel. A SiO2 szigetelő. A szilícium-dioxid-szigetelőre alumíniumréteget helyezünk a kapu-terminál kialakításához. Működéskor negatív vGS kitolja az elektronokat a csatornarégióról, ezzel kimerítve a csatornát. Amikor vGS elér egy bizonyos feszültséget, VT, a csatorna összeszorult. Pozitív értékei vGS növelje a csatorna méretét, ami a csatornaáram növekedéséhez vezet. A MOSFET kimerülése pozitív vagy negatív értékekkel működhet vGS. Mivel a kapu szigetelt a csatornától, a kapuáram elhanyagolhatóan kicsi (10 sorrendben)-12 A).
2 ábra - p-csatorna kimerülés MOSFET
Az 2 ábra összehasonlítható az 1 ábrával, kivéve, hogy megváltoztattuk az XNUMX ábrát n-csatornás kimerülés MOSFET a p-csatornás kimerülés MOSFET.
A n-csatornás fejlesztés A MOSFET az 3 ábrán látható az áramkör szimbólummal együtt. Ez a terepi hatású tranzisztor leggyakrabban használt formája.
3 ábra - n-csatornás fejlesztés MOSFET
A n-csatornás továbbfejlesztés A MOSFET a veszteségmentes MOSFET-től eltér a vékonyrétegtől n-réteg. A csatorna létrehozásához a kapu és a forrás között pozitív feszültség szükséges. Ezt a csatornát egy pozitív kapu-forrás feszültség képezi, vGS, amely vonzza az elektronokat a szubsztrát régióból a n- lefolyó és a forrás. Pozitív vGS okozza az elektronok felhalmozódását az oxid réteg alatt. Amikor a feszültség eléri a küszöböt, VT, elegendő számú elektron vonzódik ehhez a térséghez ahhoz, hogy vezetőképessé váljon n-csatorna. Nincs jelentős áramlási áram iD létezik vGS meghaladja VT.
Az 4 ábra összehasonlítható az 3 ábrával, kivéve, hogy megváltoztattuk az XNUMX ábrát n-csatornás továbbfejlesztés MOSFET a p-csatornás fejlesztés MOSFET.
4 ábra - p-csatorna javítása MOSFET
Összefoglalva, a MOSFET család bemutatja az azonosítást iD ellen vGS az 5 ábrán látható görbék. Minden karakterisztikus görbét elegendő lefolyási forrás feszültséggel fejlesztünk ki vDS a készülék normál működési tartományában tartani iD ellen vDS görbék. A későbbi szakaszokban a vita meghatározza a küszöbfeszültséget VT mind a javító MOSFET-ek, mind a kimerülés MOSFET-ek számára.
5. ábra - iD ellen vGS a MOSFET család jellemzői a megfelelő lefolyási forrás feszültséghez VDS
2.1 bővítési módú MOSFET terminál jellemzői
Most, hogy bemutattuk a MOSFET alapvető felépítését és működésének alapját, megközelítést alkalmazunk annak érdekében, hogy megvizsgáljuk az enhancement módú eszköz terminál viselkedését. Először tegyünk néhány általános megfigyelést az 1. ábráról. Gondoljunk csak arra, hogy a MOSFET áramának normális áramlása a lefolyóból a forrásba kerül (akárcsak a BJT-ben, ez a kollektor és az emitter között van). Mint a npn A BJT-nek két hátsó diódája létezik a lefolyó és a forrás között. Ezért külső feszültségeket kell alkalmazni a kapuhoz annak érdekében, hogy az áram áramlhasson a lefolyó és a forrás között.
Ha a forrást földeljük, és pozitív feszültséget alkalmazunk a kapuhoz, akkor a feszültség ténylegesen a kapu-forrás feszültség. A pozitív kapu feszültség vonzza az elektronokat és megakadályozza a lyukakat. Ha a feszültség meghaladja a küszöbértéket (VT), elég elektronok vonzódnak, hogy vezető csatornát képezzenek a lefolyó és a forrás között. Ezen a ponton a tranzisztor bekapcsol, és az áram mindkettő funkciója vGS és a vDS. Világosnak kell lennie VT egy pozitív szám egy n-csatornás eszköz és negatív szám az a p-csatornás eszköz.
Egy csatorna létrehozása után (azaz vGS >VT), az áramlás ebben a csatornában előfordulhat a csatorna és a forrás között. Ez az áramlás függ vDS, de attól is függ vGS. Amikor vGS csak alig haladja meg a küszöbfeszültséget, nagyon kis áram áramlik. Mint vGS a küszöbérték fölé emelkedik, a csatorna több hordozót tartalmaz, és nagyobb áramok lehetségesek. Az 6 ábra mutatja a kapcsolatot iD és a vDS ahol vGS egy paraméter. Ne feledje, hogy vGS kisebb, mint a küszöbérték, nincs áram. Magasabb vGS, Köztük lévő kapcsolat iD és a vDS megközelítőleg lineáris, jelezve, hogy a MOSFET úgy viselkedik, mint egy ellenállás, amelynek ellenállása függ vGS.
6 ábra -iD ellen vDS javítási módra n-csatornás MOSFET mikor vDS kicsi
Az 6 ábra görbéi egyenesek. Ezek azonban nem folytatódnak egyenes vonalként, amikor vDS nagyobb lesz. Emlékezzünk vissza arra, hogy egy pozitív kapu feszültséget használnak a vezetési csatorna létrehozásához. Ezt az elektronok vonzása teszi. A pozitív lefolyó feszültség ugyanaz. Ahogy közeledünk a csatorna lefolyó végéhez, a csatorna megközelítését létrehozó feszültség vGS-vDS mivel a két forrás egymással szemben áll. Ha ez a különbség kevesebb, mint VT, a csatorna már nem létezik a forrás és a csatorna közötti teljes tér számára. A csatorna erőltetett a csatorna végén, és tovább növekszik vDS nem okoz semmilyen növekedést iD. Ezt szokásos működési régiónak vagy telítettség az 7 ábrán látható tartomány a karakterisztikus görbék vízszintes részével. Ha a különbség nagyobb, mint VT, ezt hívjuk trióda módban, mivel mindhárom terminál potenciálja erősen befolyásolja az áramot.
Az előző vita az 7 ábrán látható működési görbékhez vezet.
7 ábra -iD ellen vGS egy MOSFET javítási módhoz
A trióda és a normál működési tartomány közötti átmenet (a továbbiakban: telítettségi terület, és gyakran tapintási üzemmódban azonosított művelet) a 7 ábrán szaggatott vonalként jelenik meg, ahol
(1)
A trióda régió határán a görbék térdei megközelítik a kapcsolatot,
(2)
Az (2) egyenletben K egy adott eszköz konstansa. Értéke az eszköz méreteitől és az építéshez használt anyagoktól függ. Az állandó értéket a
(3)
Ebben az egyenletben μn az elektron mobilitás; Coxidaz oxidkapacitás a kapu téregységnyi kapacitása; W a kapu szélessége; L a kapu hossza. Az egyenlet bonyolult és nemlineáris kapcsolatot jelez iD és a két feszültség, vDS és a vGS. Mivel szeretnénk, hogy a lefolyóáram közelítőleg lineárisan változzon vGS (független valamitől vDS), a FET-t általában nem használják a triode régióban.
Most meg szeretnénk találni egyenletet a telítettségi régió működési görbéire. Az értékeket a trióda és a telítettségi régió közötti átmenetben tudjuk meghatározni az egyenlet (2) értékelésével az átmenetben (térd). Ez az,
(4)
Ez az egyenlet meghatározza a leeresztő áram nagyságát a határon (szaggatott vonal az 8-ben) a kapu-forrás feszültség függvényében vGS. Ha szükséges, lineáris tényező hozzáadásával számolhatjuk a jellemző görbék enyhe lejtését a telítési régióban.
(5)
Az (5) egyenletben λ egy kis konstans (a 8 ábrán látható jelleggörbék közeli vízszintes szakaszának lejtése). Általában kisebb, mint az 0.001 (V-1). Azután
(6)
Az összes korábbi megbeszélésünk az NMOS tranzisztorral foglalkozott. Most röviden megvitatjuk a szükséges módosításokat a PMOS-hoz. A PMOS esetében a vDS negatív lesz. Továbbá csatornát hozhat létre a PMOS-ban, 
.
8 ábra - MOSFET tranzisztor termináljellemzői
Az egyetlen változás az NMOS tranzisztorok jellemzőitől (7. Ábra) az, hogy a vízszintes tengely most -vDS + v helyettDS, és a paraméteres görbék magasabb leáramlási áramot képviselnek, amikor a kapu feszültsége csökken (az NMOS tranzisztor helyett növekszik). Az áramértékek növelésére szolgáló görbék megfelelnek a negatívabb kapufeszültségnek. Amikor vGS > VT, a tranzisztor le van zárva. A PMOS javításához: VT negatív, és a kimerülésre vonatkozó PMOS, VT pozitív.
A PMOS-tranzisztor triódrégiójának átmeneti áramának egyenlete megegyezik az NMOS értékével. Ez az,
(7)
Ne feledje, hogy vGS és a vDS mindkét negatív mennyiség. A PMOS tranzisztor telítettségi régiójának egyenlete megegyezik az NMOS értékével. Ez az,
(8)
Ne feledje, hogy λ negatív a PMOS-tranzisztorokra, mivel a görbe változási sebessége (
) negatív.
Az egyenlet (6) mindkét oldalának részleges származékát figyelembe véve vGS, 
, kapunk
(9)
Előnyben részesítjük az értéket gm állandó, különösen nagy jelátvitel esetén. Ezt a körülményt azonban csak akkor közelíthetjük meg, ha a FET-et kis jelű alkalmazásokhoz használjuk. Nagy jelek esetén a hullámforma torzulása bizonyos alkalmazásoknál elfogadhatatlan lehet.
2.2 kimerülési mód MOSFET
Az előző rész a MOSFET javítási móddal foglalkozott. Ezzel ellentétben áll a MOSFET kimerülési móddal. A n-csatornás bővítési mód, csatorna beszerzéséhez pozitív kapcsot kellett alkalmazni a kapun. Ennek a feszültségnek elég nagynak kellett lennie ahhoz, hogy elegendő számú mobil elektronot kényszerítsen az áram előidézésére indukált csatornában.
9 ábra - Kimerülés üzemmód n-csatornás MOSFET
A n-csatorna kimerülés módú MOSFET, nincs szükségünk erre a pozitív feszültségre, mivel fizikailag beültetett csatornánk van. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy áram legyen a lefolyó és a forrás kapcsa között, még akkor is, ha a kapura negatív feszültséget alkalmazunk. Természetesen van egy korlátozása annak a negatív feszültségnek, amelyet a kapun lehet alkalmazni, miközben az áram még mindig áramlik a lefolyó és a forrás között. Ezt a határt ismét határértékként azonosítják, VT. A javítási módhoz képest az a változás, hogy a kapu-forrás feszültség negatív vagy pozitív lehet, amint azt a 9. ábra mutatja.
A kimerülési mód MOSFET működését meghatározó egyenletek nagyon hasonlítanak a javítási módéhoz. A leeresztő áram értéke amikor vGS értéke nulla IDSS. Ezt gyakran nevezik lefolyási forrás telítettségi áram, Vagy a nulla kapu leeresztő áram. Összehasonlítva a MOSFET javítási mód egyenleteit a kimerülési mód egyenleteivel, megtaláljuk
(10)
Ezután megtaláljuk,
(11)
A kimerülés módja A MOSFET-ek diszkrét formában állnak rendelkezésre, vagy integrált áramkörökre építhetők, a jobb oldali üzemmóddal együtt. Ez magában foglalja mindkettőt ptípusú és n-típus. Ez nagyobb rugalmasságot tesz lehetővé az áramkör tervezési technikáiban.
2.3 Nagy jel egyenértékű áramkör
Most azt szeretnénk kifejleszteni egy egyenértékű áramkört, amely az 8 [egyenlet (5) vagy (8)] nagy jelének jellemzőit mutatja a telítettségi régióban. Vegye figyelembe, hogy a lefolyóáram, iD, attól függ vGS és a vDS. Állandó kapu-forrás feszültség esetén az ábra egyik paraméteres görbéje mentén működünk, és a kapcsolat megközelítőleg egyenes. Az áram és a feszültség egyenes vonalú kapcsolatát egy ellenállás modellezi. Az egyenértékű áramkör ezért az áramforrással párhuzamosan álló ellenállásból áll, ahol az áramforrás értéke határozza meg a lefolyó áramnak azt a részét, amely vGS. A görbe meredeksége függ vGS. A lejtő a részleges származék,
(12)
ahol r0 az inkrementális kimeneti ellenállás. Az [(5) vagy (8)] egyenletből azt látjuk, hogy ezt az ellenállást az
(13)
ahol nagybetűket használunk VGS annak jelzése, hogy az ellenállás meghatározott kapu-forrás feszültség állandó értékére van meghatározva. Az (13) egyenlet (5) végleges közelítése az (XNUMX) egyenletből ered, azzal a feltételezéssel, hogy λ kicsi. Az ellenállás tehát fordítottan arányos a torzítási árammal, ID. A nagy jel egyenértékű modellt ezután az 11 ábra adja meg r0 az (13) egyenletben kifejlesztett.
11 ábra - Nagy jel egyenértékű áramkör
2.4 A MOSFET kisjelű modellje
Most az egyenlethez kapcsolódó növekményes hatásokat szeretnénk megnézni. Az egyenlet három áramköri paramétere, iD, vGS és a vDS mindkettőből áll dc (torzítás) és ac komponensek (ezért használtuk a nagybetűs indexeket a kifejezésekben). Érdekelünk az ac komponensek a kisjelű modellhez. Látjuk, hogy a leeresztő áram két feszültségtől, a kapu-forrásig és a lefolyó-forrástól függ. Az inkrementális értékek esetében ezt a kapcsolatot írhatjuk
(14)
Az (14) egyenletben gm is az előrevezetőképesség és a r0 a kimeneti ellenállás. Értékeiket az (5) egyenletben lévő részleges származékok figyelembe vételével találjuk meg. És így,
(15)
Az egyenlet (15) közelítése a megfigyelésből ered λ ha kicsi. Az (14) egyenlet az 12 ábrán látható kis jelű modellhez vezet.
12 ábra - Kis jelű MOSFET modell