2. FET a semiconduttore di ossido di metallo (MOSFET)

FET a semiconduttore di ossido di metallo (MOSFET)

Il semiconduttore a semiconduttore di ossido di metallo (MOSFET) è un dispositivo a quattro terminali. I terminali sono i fonte (S), cancello (G) ed scarico (D). substrato or stile di vita costituisce il quarto terminale. Il MOSFET è costruito con il terminale di gate isolato dal canale con un dielettrico di biossido di silicio. I MOSFET possono essere entrambi esaurimento or modalità di miglioramento. Definiamo questi due termini a breve.

Figura 1 - MOSFET di esaurimento del canale n

I MOSFET sono a volte indicati come IGFET (transistor ad effetto di campo a gate isolato) a causa del SiO₂ strato utilizzato come isolante tra il cancello e il substrato. Iniziamo la nostra analisi con MOSFET in modalità depletion. Proprio come i BJT possono essere entrambi npn or PNPI MOSFET possono essere entrambi n-canale (NMOS) o p-channel (PMOS). Figura 1 illustra la struttura fisica e il simbolo di a nMOSFET a esaurimento del canale. Si noti che il substrato è collegato al terminale di origine. Questo sarà quasi sempre il caso.

Il MOSFET di esaurimento è costruito con a Fisico canale inserito tra lo scarico e la sorgente. Di conseguenza, quando una tensione, v_DS, viene applicato tra drain e source, una corrente, i_D, esiste tra drain e source anche se il gate gate G rimane scollegato (v_GS = 0 V).

La costruzione del nesaurimento del canale MOSFET inizia con p-il silicio drogato. Il n- i pozzi di origine e di scarico drogati formano connessioni a bassa resistenza tra le estremità del n-channel, come mostrato nella Figura 1. Si deposita un sottile strato di biossido di silicio che copre l'area tra la sorgente e lo scarico. Il SiO₂ è un isolante. Uno strato di alluminio viene depositato sull'isolatore di biossido di silicio per formare il terminale di porta. In funzione, un negativo v_GS spinge gli elettroni fuori dalla regione del canale, riducendo in tal modo il canale. quando v_GS raggiunge una certa tensione, V_T, il canale è pizzicato. Valori positivi di v_GS aumentare la dimensione del canale, con conseguente aumento della corrente di scarico. Il MOSFET di esaurimento può funzionare con valori positivi o negativi di v_GS. Poiché il gate è isolato dal canale, la corrente del gate è trascurabilmente piccola (nell'ordine di 10^{all'12 ottobre} UN).

Figura 2 - MOSFET di esaurimento del canale p

La figura 2 è paragonabile alla Figura 1, tranne per il fatto che abbiamo modificato il file n-spessore MOSFET a a pMOSFET a esaurimento del canale.

I nIl MOSFET di potenziamento del canale è illustrato nella Figura 3 insieme al simbolo del circuito. Questa è la forma più comunemente usata di transistor ad effetto di campo.

Figura 3: MOSFET di potenziamento del canale n

I npotenziamento del canale Il MOSFET differisce dal MOSFET di esaurimento non avendo il thin n-strato. Richiede una tensione positiva tra il gate e la sorgente per stabilire un canale. Questo canale è formato dall'azione di una tensione positiva gate-source, v_GS, che attrae elettroni dalla regione del substrato tra il n-scolo di scarico e fonte. Positivo v_GS causa l'accumulo di elettroni sulla superficie al di sotto dello strato di ossido. Quando la tensione raggiunge una soglia, V_T, un numero sufficiente di elettroni sono attratti da questa regione per farlo agire come una direzione n-canale. Nessuna corrente di scarico apprezzabile, i_D esiste fino al v_GS supera V_T.

La figura 4 è paragonabile alla Figura 3, tranne per il fatto che abbiamo modificato il file npotenziamento del canale MOSFET a a ppotenziamento del canale MOSFET.

Figura 4: MOSFET di ottimizzazione del canale p

In sintesi, la famiglia MOSFET mostra l'identificazione i_D v_GS curve mostrate in Figura 5. Ogni curva caratteristica è sviluppata con una tensione di drain-source sufficiente v_DS per mantenere il dispositivo nella normale regione operativa del i_D v_DS curve. La discussione nelle sezioni successive definirà la tensione di soglia V_T per entrambi i MOSFET di potenziamento e MOSFET di esaurimento.

Figura 5 - i_D v_GS caratteristiche della famiglia MOSFET per una sufficiente tensione della sorgente di scarico V_DS

Caratteristiche del terminale MOSFET in modalità miglioramento 2.1

Ora che abbiamo presentato la struttura di base e le basi per il funzionamento del MOSFET, utilizziamo un approccio per esaminare il comportamento del terminale del dispositivo in modalità di miglioramento. Facciamo prima alcune osservazioni generali dalla Figura 1. Pensa al normale flusso di corrente nel MOSFET come dallo scarico alla sorgente (proprio come nel BJT, è tra il collettore e l'emettitore). Come con il npn BJT, esistono due diodi back-to-back tra drain e source. Pertanto, dobbiamo applicare tensioni esterne al gate per consentire alla corrente di fluire tra lo scarico e la sorgente.

Se mettiamo a terra la sorgente e applichiamo una tensione positiva al gate, quella tensione è effettivamente la tensione da porta a sorgente. La tensione di gate positiva attira gli elettroni e respinge i buchi. Quando la tensione supera la soglia (V_T), un numero sufficiente di elettroni viene attratto per formare un canale di conduzione tra drain e source. A questo punto, il transistor si accende e la corrente è una funzione di entrambi v_GS ed v_DS. Dovrebbe essere chiaro V_T è un numero positivo per a n-channel device, e un numero negativo per a pdispositivo a canale.

Una volta creato un canale (es. v_GS>V_T), il flusso di corrente può verificarsi in quel canale tra scarico e sorgente. Questo flusso attuale dipende da v_DS, ma dipende anche da v_GS. Quando v_GS supera appena la tensione di soglia, può fluire poca corrente. Come v_GS aumenta oltre la soglia, il canale contiene più corrieri e sono possibili correnti più elevate. La figura 6 mostra la relazione tra i_D ed v_DS where v_GS è un parametro. Si noti che per v_GS meno della soglia, nessun flusso di corrente. Per più alto v_GS, la relazione tra i_D ed v_DS è approssimativamente lineare indicando che il MOSFET si comporta come un resistore di cui dipende la resistenza v_GS.

Figura 6 -i_D v_DS per una modalità di miglioramento n-Canale MOSFET quando v_DS è piccolo

Le curve di Figura 6 sembrano linee rette. Tuttavia, non continueranno come linee rette quando v_DS diventa più grande Ricordare che una tensione di gate positiva viene utilizzata per creare il canale di conduzione. Lo fa attirando gli elettroni. La tensione di drain positiva sta facendo la stessa cosa. Mentre ci avviciniamo alla fine dello scarico del canale, la tensione che crea il canale si avvicina v_GS-v_DS poiché le due fonti si oppongono l'una all'altra. Quando questa differenza è inferiore a V_T, il canale non esiste più per l'intero spazio tra sorgente e scarico. Il canale è costretto alla fine dello scarico e ulteriori aumenti in v_DS non comportare alcun aumento in i_D. Questo è noto come normale regione operativa o saturazione regione mostrata nella Figura 7 dalla sezione orizzontale delle curve caratteristiche. Quando la differenza è maggiore di V_T, lo chiamiamo il triodo modalità, perché i potenziali di tutti e tre i terminali influenzano fortemente la corrente.

La discussione precedente porta alle curve operative di Figura 7.

Figura 7 -i_D v_GS per un MOSFET in modalità miglioramento

La transizione tra il triodo e la normale regione operativa (indicata come regione di saturazione e spesso identificata come operazione nella modalità pinch-off) di funzionamento è indicata come la linea tratteggiata nella Figura 7, dove

(1)

Al confine della regione del triodo, le ginocchia delle curve seguono approssimativamente la relazione,

(2)
In Equation (2), K è una costante per un dato dispositivo. Il suo valore dipende dalle dimensioni del dispositivo e dai materiali utilizzati nella sua costruzione. La costante è data da,

(3)
In questa equazione, μ_n è la mobilità degli elettroni; C_ossido, la capacità dell'ossido, è la capacità per unità di area del cancello; W è la larghezza del cancello; L è la lunghezza del cancello. L'equazione indica una relazione complicata e non lineare tra i_D e le due tensioni, v_DS ed v_GS. Dal momento che vorremmo che la corrente di drenaggio varia approssimativamente in modo lineare con v_GS (indipendente da v_DS), il FET non è generalmente utilizzato nella regione del triodo.

Ora desideriamo trovare un'equazione per le curve operative nella regione di saturazione. Possiamo stabilire i valori alla transizione tra il triodo e la regione di saturazione valutando l'equazione (2) alla transizione (ginocchio). Questo è,

(4)
Questa equazione stabilisce l'entità della corrente di drain al confine (linea tratteggiata nella Figura 8) in funzione della tensione gate-source v_GS. Se necessario, possiamo tenere conto della leggera inclinazione delle curve caratteristiche nella regione di saturazione aggiungendo un fattore lineare.

(5)
In Equation (5), λ è una piccola costante (la pendenza della sezione quasi orizzontale delle curve caratteristiche mostrate in Figura 8). Di solito è inferiore a 0.001 (V^-1). Poi

(6)

Tutte le nostre discussioni precedenti hanno riguardato il transistor NMOS. Ora discutiamo brevemente le modifiche necessarie per PMOS. Per PMOS, i valori di v_DS sarà negativo Inoltre, per creare un canale in PMOS, .

Figura 8 - Caratteristiche terminali di un transistor MOSFET

Le uniche modifiche rispetto alle caratteristiche dei transistor NMOS (Figura 7) è che l'asse orizzontale è ora -v_DSinvece di + v_DS,e le curve parametriche rappresentano una corrente di drain più alta al diminuire della tensione di gate (anziché aumentare per il transistor NMOS). Le curve per l'aumento dei valori di corrente corrispondono a una tensione di gate più negativa. quando v_GS> V_T, il transistor è interrotto. Per migliorare PMOS, V_T è negativo, e per lo svuotamento del PMOS, V_T è positivo

L'equazione per la corrente alla transizione della regione del triodo per il transistore PMOS è identica a quella del NMOS. Questo è,

(7)
Si noti che v_GS ed v_DS sono entrambe quantità negative. Anche l'equazione per la regione di saturazione nel transistor PMOS è identica a quella del NMOS. Questo è,

(8)

Si noti che λ è negativo per i transistor PMOS poiché il tasso di variazione della curva () è negativo.

Prendendo la derivata parziale di entrambi i lati dell'equazione (6) rispetto a v_GS, , noi abbiamo

(9)
Preferiamo il valore di g_m essere costante, specialmente per grandi oscillazioni del segnale. Tuttavia, possiamo solo approssimare questa condizione se utilizziamo il FET per applicazioni di segnale di piccole dimensioni. Per condizioni di segnale di grandi dimensioni, la distorsione della forma d'onda potrebbe non essere accettabile in alcune applicazioni.

MOSFET a modalità di esaurimento 2.2

La sezione precedente trattava il MOSFET in modalità miglioramento. Ora lo contrapponiamo al MOSFET in modalità depletion. Per il nmodalità di miglioramento del canale, per acquisire un canale abbiamo dovuto applicare una tensione positiva sul gate. Questa tensione doveva essere abbastanza grande da forzare un numero sufficiente di elettroni mobili per produrre una corrente in un canale indotto.

Figura 9 - MOSFET n-channel in modalità Depleion

Nel n-MOSFET a svuotamento del canale, non abbiamo bisogno di questa tensione positiva poiché abbiamo un canale fisicamente impiantato. Questo ci permette di avere corrente tra i terminali di drain e source anche con tensioni negative applicate al gate. Ovviamente, esiste un limite alla quantità di tensione negativa che può essere applicata al gate pur mantenendo il flusso di corrente tra drain e source. Questo limite viene nuovamente identificato come tensione di soglia, V_T. Il cambiamento dalla modalità di miglioramento è che la tensione gate-to-source può ora essere negativa o positiva, come mostrato nella Figura 9.

Le equazioni che definiscono il funzionamento del MOSFET in modalità depletion sono molto simili a quelle della modalità di miglioramento. Il valore della corrente di scarico quando v_GS è identificato come zero I_DSS. Questo è spesso definito come il corrente di saturazione sorgente di scaricoo zero - corrente di drenaggio del gate. Confrontando le equazioni del MOSFET in modalità miglioramento con quelle della modalità di esaurimento, troviamo

(10)

Quindi troviamo

(11)

I MOSFET in modalità Depletion sono disponibili in forma discreta oppure possono essere fabbricati su chip di circuiti integrati insieme ai tipi di modalità di miglioramento. Questo include entrambi p-tipo e n-genere. Ciò consente una maggiore flessibilità nelle tecniche di progettazione dei circuiti.

2.3 Circuito equivalente a segnale grande

Desideriamo ora sviluppare un circuito equivalente che rappresenti le caratteristiche del segnale grande di Figura 8 [Equazione (5) o (8)] nella regione di saturazione. Si noti che la corrente di scarico, i_D, dipende da v_GS ed v_DS. Per una tensione gate-source costante, operiamo lungo una delle curve parametriche della figura e la relazione è una linea approssimativamente retta. Una relazione lineare tra corrente e tensione è modellata da un resistore. Il circuito equivalente è quindi costituito da una resistenza in parallelo alla sorgente di corrente dove il valore della sorgente di corrente stabilisce la porzione di corrente di pozzo dovuta a v_GS. La pendenza della curva dipende da v_GS. La pendenza è la derivata parziale,

(12)

where r₀ è la resistenza di uscita incrementale. Vediamo dall'equazione [(5) o (8)] che questa resistenza è data da

(13)

dove usiamo maiuscole V_GS per indicare che la resistenza è definita per un particolare valore costante della tensione gate-source. L'approssimazione finale in Equazione (13) risulta dall'equazione (5) con l'ipotesi che λ è piccolo. La resistenza è quindi inversamente proporzionale alla corrente di polarizzazione, I_D. Il grande modello equivalente di segnale viene quindi fornito dalla Figura 11 dove r₀ è come sviluppato in Equazione (13).

Figura 11 - Circuito equivalente segnale grande

2.4 Modello a piccolo segnale di MOSFET

Ora desideriamo esaminare gli effetti incrementali relativi all'equazione. I tre parametri del circuito in questa equazione, i_D, v_GS ed v_DS sono composti da entrambi dc (pregiudizio) e ac componenti (è per questo che abbiamo usato gli indici maiuscoli nelle espressioni). Siamo interessati al ac componenti per il modello a piccolo segnale. Vediamo che la corrente di drain dipende da due tensioni, dal gate-to-source e dal drain-to-source. Per valori incrementali, possiamo scrivere questa relazione come

(14)
In Equation (14), g_m is la transconduttanza in avanti ed r₀ è la resistenza di uscita. I loro valori si trovano prendendo derivate parziali in Equazione (5). Così,

(15)
L'approssimazione nell'equazione (15) risulta dall'osservazione che λ se piccolo L'equazione (14) conduce al modello a piccolo segnale di Figura 12.

Figura 12 - Modello MOSFET a piccolo segnale

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