2. מתכת תחמוצת FET (MOSFET)

מתכת-תחמוצת FET מוליכים למחצה (MOSFET)

ה- FET (MOSFET) הוא מוליך למחצה. המסופים הם מקור (S), שער (G) ו ניקוז (D). ה המצע or גוּף מהווה את הטרמינל הרביעי. MOSFET נבנה עם מסוף השער מבודדים מן הערוץ עם דיאלקטרי סיליקון דיאלקטרי. MOSFETs יכול להיות גם דלדול or מצב שיפור. אנו מגדירים את שני המונחים האלה בקרוב.

איור 1 - N-ערוץ דלדול MOSFET

MOSFETs נקראים לפעמים IGFETs (שער מבודדים שדה השפעת טרנזיסטורים) בשל SiO₂ שכבת המשמש מבודד בין השער לבין המצע. אנו מתחילים את הניתוח שלנו עם MOSFET מצב דלדול. בדיוק כמו BJTs יכול להיות גם npn or PNP, MOSFETs יכול להיות גם n- ערוץ (NMOS) או p-אנל (PMOS). איור 1 ממחיש את המבנה הפיזי והסמל עבור n- דלדול MOSFET. שים לב כי המצע מחובר למסוף המקור. זה יהיה כמעט תמיד כך.

MOSFET דלדול הוא נבנה עם גופני הערוץ מוכנס בין הניקוז למקור. כתוצאה מכך, כאשר מתח, v_DS, מוחל בין ניקוז ומקור, זרם, i_D, קיים בין ניקוז למקור למרות שמסוף השער G נשאר ללא קשר (v_GS = 0 V).

הבנייה של n- דלדול הערוץ MOSFET מתחיל עם p- סיליקון מסומס. ה n-באמצעות מקור בארות ניקוז טופס קשרים התנגדות נמוכה בין הקצוות של n-אנל, כפי שמוצג באיור 1. שכבה דקה של דו תחמוצת הסיליקון מופקדת מכסה את השטח בין המקור לבין ניקוז. סו₂ הוא מבודד. שכבת אלומיניום מופקדים על בידוד דו תחמוצת הסיליקון כדי ליצור את מסוף השער. במבצע, שלילי v_GS דוחף אלקטרונים מתוך אזור הערוץ, ובכך מדלדל את הערוץ. מתי v_GS מגיע למתח מסוים, V_T, הערוץ הוא צבט. ערכים חיוביים של v_GS להגדיל את גודל הערוץ, וכתוצאה מכך לעלייה של זרם הניקוז. MOSFET דלדול יכול לפעול עם ערכים חיוביים או שליליים של v_GS. מכיוון שהשער מבודד מהערוץ, זרם השער קטן באופן מזערי (לפי סדר 10)^-12 א).

איור 2 - דלדול בערוץ P MOSFET

איור 2 דומה לתרשים 1, פרט לכך שהשתנינו n- דלדול MOSFET ל - a p- דלדול MOSFET.

אל האני nשיפור הערוץ MOSFET מתואר באיור 3 יחד עם סמל המעגל. זהו הצורה הנפוצה ביותר של טרנזיסטור שדה אפקט.

איור 3 - N - ערוץ שיפור MOSFET

אל האני nשיפור הערוץ MOSFET שונה מ MOSFET דלדול על ידי כך שלא רזה nשכבה. זה דורש מתח חיובי בין השער לבין המקור להקים ערוץ. ערוץ זה נוצר על ידי פעולה של מתח שער חיובי למקור, v_GS, אשר מושך אלקטרונים מאזור המצע בין n- ניקוז מדורג ואת המקור. חיובי v_GS גורם electrons לצבור על פני השטח מתחת לשכבת תחמוצת. כאשר המתח מגיע לסף, V_T, מספר מספיק של אלקטרונים נמשכים לאזור זה כדי להפוך אותו להתנהג כמו ניצוח n-כאנל. אין זרם ניקוז ניכר, i_D קיים עד v_GS עולה V_T.

איור 4 דומה לתרשים 3, פרט לכך שהשתנינו nשיפור MOSFET צינור ל pשיפור MOSFET.

איור 4 - הערוץ P-MOSFET שיפור

לסיכום, משפחת MOSFET מציגה את הזיהוי i_D נגד v_GS עקומות שמוצג באיור 5. כל עקומת אופיינית פותחה עם מתח ניקוז מספק v_DS כדי לשמור על המכשיר באזור ההפעלה הרגיל של i_D נגד v_DS עיקולים. הדיון בחלקים מאוחרים יותר יגדיר את מתח הסף V_T הן עבור MOSFETs שיפור MOSFETs דלדול.

איור 5 - i_D נגד v_GS המאפיינים של משפחת MOSFET עבור מתח מקור ניקוז מספיק V_DS

2.1 שיפור מצב מצבי MOSFET מסוף

כעת, לאחר שהצגנו את המבנה הבסיסי והבסיס להפעלת ה- MOSFET, אנו משתמשים בגישה במטרה לבחון את התנהגות המסוף של מכשיר מצב השיפור. בואו ראשית נצפה בתצפיות כלליות מאיור 1. נחשוב על זרימת הזרם הרגילה ב- MOSFET כאילו היא מהביוב למקור (בדיוק כמו ב- BJT, היא בין אספן לפולט). כמו עם npn BJT, שני דיודות גב אל גב קיימים בין ניקוז ומקור. לכן, עלינו להפעיל מתח חיצוני לשער על מנת לאפשר לזרום הנוכחי בין הניקוז לבין המקור.

אם אנו הקרקע הקרקע, ולהחיל מתח חיובי לשער, כי המתח הוא למעשה את השער אל המקור. מתח שער חיובי מושך אלקטרונים דוחים חורים. כאשר המתח עולה על הסף (V_T), מספיק אלקטרונים נמשכים ליצירת ערוץ מוליך בין ניקוז ומקור. בשלב זה, הטרנזיסטור נדלק והזרם הוא פונקציה של שניהם v_GS ו v_DS. זה צריך להיות ברור V_T הוא מספר חיובי עבור n-כאנל המכשיר, וכן מספר שלילי עבור p-מקלדת.

לאחר יצירת ערוץ (כלומר, v_GS>V_T), הזרם הנוכחי יכול להתרחש באותו ערוץ בין ניקוז ומקור. זרם זה תלוי v_DS, אבל זה גם תלוי v_GS. כאשר v_GS רק בקושי עולה על מתח הסף, זרם קטן מאוד יכול לזרום. כפי ש v_GS העולה מעבר לסף, הערוץ מכיל ספקים נוספים וזרמים גבוהים יותר אפשריים. איור 6 מראה את הקשר בין i_D ו v_DS איפה v_GS הוא פרמטר. שים לב כי v_GS פחות מהסף, לא זורם זרם. עבור גבוה יותר v_GS, מערכת היחסים בין i_D ו v_DS הוא ליניארי בערך המציין כי MOSFET מתנהג כמו נגד התנגדות אשר תלוי v_GS.

איור 6 -i_D נגד v_DS עבור מצב שיפור n-מקל MOSFET כאשר v_DS קטן

הקימורים של איור 6 נראים כמו קווים ישרים. עם זאת, הם לא ימשיכו כמו קווים ישרים מתי v_DS נהיה גדול יותר. נזכיר כי מתח שער חיובי משמש ליצירת ערוץ הולכה. זה עושה זאת על ידי משיכת אלקטרונים. מתח ניקוז חיובי עושה את אותו הדבר. ככל שאנו מתקרבים סוף הניקוז של הערוץ, המתח יוצר את הערוץ גישות v_GS-v_DS שכן שני המקורות מתנגדים זה לזה. כאשר הבדל זה הוא פחות מ V_T, הערוץ אינו קיים עוד עבור החלל כולו בין מקור לניקוז. הערוץ הוא מוגבל בסוף הניקוז, ועליות נוספות v_DS אינם גורמים לעלייה כלשהי i_D. תופעה זו מכונה אזור הפעלה רגיל או רווי אזור שמוצג באיור 7 לפי החלק האופקי של הקימורים האופייניים. כאשר ההבדל גדול מ V_T, אנו קוראים לזה טרימודים מצב, כי הפוטנציאלים בכל שלושת המסופים משפיעים מאוד על הזרם.

הדיון הקודם מוביל עקומות ההפעלה של איור 7.

איור 7 -i_D נגד v_GS עבור MOSFET במצב שיפור

המעבר בין הטריאוד לבין אזור התפעול הרגיל (המכונה אזור הרוויה המזוהה לעתים קרובות כפעולה במצב קמצוץ) של הפעולה מוצג כקו מקווקו באיור 7, שם

(1)

ב הגבול אזור triode, את הברכיים של הקימורים בערך לעקוב אחר מערכת היחסים,

(2)
במשוואה (2), K הוא קבוע עבור מכשיר נתון. ערכו תלוי במידות המכשיר ובחומרים המשמשים לבנייתו. הקבוע ניתן על ידי,

(3)
במשוואה זו, μ_n הוא ניידות אלקטרונים; C_{תַחמוֹצֶת}, קיבול תחמוצת, הוא קיבול לכל יחידת שטח של השער; W הוא רוחב השער; L הוא אורך השער. משוואה מציינת קשר מסובך ולא לינארי בין i_D ואת שני המתח, v_DS ו v_GS. מאז היינו רוצים ניקוז הנוכחי להשתנות באופן ליניארי עם v_GS (בלתי תלוי v_DS), FET אינו משמש בדרך כלל באזור triode.

כעת אנו רוצים למצוא משוואה עבור עקומות ההפעלה באזור הרוויה. אנו יכולים לקבוע את הערכים במעבר בין אזור הטריאוד לרוויה על ידי הערכת משוואה (2) במעבר (הברך). זה,

(4)
משוואה זו קובעת את גודל זרם הניקוז בגבול (קו מקווקו באיור 8) כפונקציה של מתח השער אל המקור v_GS. במידת הצורך, אנו יכולים להסביר את המדרון הקל של עקומות אופייניות באזור רוויה על ידי הוספת גורם ליניארי.

(5)
במשוואה (5) λ הוא קבוע קטן (המדרון של החלק האופקי הקרוב של הקימורים האופייניים שמוצג באיור 8). זה בדרך כלל פחות מ 0.001 (V^-1). לאחר מכן

(6)

כל הדיון הקודם שלנו עסק טרנזיסטור NMOS. כעת אנו דנים בקצרה בשינויים הדרושים ל- PMOS. עבור PMOS, הערכים של v_DS יהיה שלילי. בנוסף, כדי ליצור ערוץ PMOS, .

איור 8 - מאפייני טרמיסטור של טרנזיסטור MOSFET

השינויים היחידים מן המאפיינים של טרנזיסטורים NMOS (איור 7) היא כי הציר האופקי הוא עכשיו -v_DSבמקום + v_DS,ואת הקימורים הפרמטריים מייצגים זרם ניקוז גבוה יותר כמו מתח יורד השער (במקום להגדיל את הטרנזיסטור NMOS). העקומות להגדלת הערכים הנוכחיים מתאימות למתח שער שלילי יותר. מתי v_GS> V_T, טרנזיסטור הוא מנותק. עבור PMOS שיפור, V_T הוא שלילי, ועל דלדול PMOS, V_T הוא חיובי.

משוואה הנוכחית ב המעבר אזור triode עבור טרנזיסטור PMOS זהה לזה של NMOS. זה,

(7)
שים לב כי v_GS ו v_DS הן כמויות שליליות. המשוואה עבור אזור הרוויה בטרנזיסטור PMOS זהה גם לזו של ה- NMOS. זה,

(8)

שים לב כי λ הוא שלילי טרנזיסטורים PMOS מאז שיעור השינוי של העקום () הוא שלילי.

נטילת נגזרת חלקית של שני הצדדים של משוואה (6) ביחס v_GS, , אנחנו מקבלים

(9)
אנחנו מעדיפים את הערך של g_m כדי להיות קבוע, במיוחד עבור נדנדה האות גדול. עם זאת, אנו יכולים רק בקירוב מצב זה אם נשתמש ב- FET ליישומי אות קטנים. עבור מצבי אות גדולים, עיוות של צורת הגל עשוי להיות בלתי מקובל ביישומים מסוימים.

2.2 דלדול במצב MOSFET

החלק הקודם עסק ב MOSFET במצב שיפור. כעת אנו ניגודים את זה ל MOSFET מצב דלדול. בשביל ה n- שיפור מצב הערוץ, לרכוש ערוץ היינו צריכים להחיל מתח חיובי על השער. מתח זה היה צריך להיות גדול מספיק כדי לאלץ מספר מספיק של אלקטרונים ניידים לייצר זרם בערוץ המושרה.

איור 9 - מצב דלדול n- ערוץ MOSFET

ב n-מצב דלדול ערוץ MOSFET, איננו זקוקים למתח החיובי הזה מכיוון שיש לנו ערוץ מושתל פיזית. זה מאפשר לנו להחזיק זרם בין מסופי הניקוז למקור, גם כאשר המתח השלילי מופעל על השער. כמובן שקיימת מגבלה על כמות המתח השלילי שניתן להפעיל על השער תוך זרימת זרם בין הניקוז למקור. מגבלה זו מזוהה שוב כמתח הסף, V_T. השינוי ממצב השיפור הוא שעכשיו מתח השער למקור יכול להיות שלילי או חיובי, כפי שמוצג באיור 9.

המשוואות שמגדירות את פעולתו של MOSFET דלדול במצב דומה מאוד לאלה של מצב ההעשרה. ערכו של זרם הניקוז מתי v_GS אפס מזוהה כ I_DSS. זה נקרא לעתים קרובות ניקוז מקור הרוויה הנוכחי, או זרם ניקוז שער אפס. השוואת המשוואות של MOSFET מצב שיפור עם אלה של מצב דלדול, אנו מוצאים

(10)

לאחר מכן אנו מוצאים,

(11)

טרנזיסטורי MOSFET מצב דלדול זמין בצורה דיסקרטית, או שהם יכולים להיות מפוברקים על שבבי מעגלים משולבים תקין יחד עם סוגי מצב שיפור. זה כולל את שניהם pסוג ו nסוג. זה מאפשר גמישות רבה יותר טכניקות עיצוב מעגל.

2.3 מעגל שווה ערך גדול

כעת אנו רוצים לפתח מעגל שווה ערך המייצג את מאפייני האותות הגדולים של איור 8 [משוואה (5) או] 8 [] באזור הרוויה. שים לב כי זרם הניקוז, i_D, תלוי ב v_GS ו v_DS. עבור מתח קבוע משער למקור, אנו פועלים לאורך אחד העקומות הפרמטריות של הדמות, והקשר הוא קו ישר בערך. יחס קו ישר בין זרם למתח מעוצב על ידי נגד. המעגל המקביל מורכב אפוא מנגד במקביל למקור הנוכחי בו ערך המקור הנוכחי קובע את חלק זרם הניקוז עקב v_GS. שיפוע העקומה תלוי v_GS. המדרון הוא נגזרת חלקית,

(12)

איפה r₀ היא התנגדות התפוקה הנוספת. אנו רואים משוואה [5] או (8)] כי התנגדות זו ניתנת על ידי

(13)

שבו אנו משתמשים במקרה העליון V_GS כדי לציין שההתנגדות מוגדרת עבור ערך קבוע מסוים של מתח שער-מקור. הקירוב האחרון במשוואה (13) הנובעת משוואה (5) עם ההנחה λ קטן. ההתנגדות היא, לפיכך, ביחס הפוך לזרם הטיה, I_D. המודל הגדול אות שווה ניתנת לאחר מכן על ידי איור 11 שבו r₀ הוא פיתח משוואה (13).

איור 11 - אות גדול מעגל שווה

2.4 דגם אות קטן של MOSFET

עכשיו אנחנו רוצים להסתכל על ההשפעות מצטבר הקשורים משוואה. שלושת הפרמטרים במעגל באותה משוואה, i_D, v_GS ו v_DS מורכבים משניהם dc (הטיה) ו ac רכיבים (ולכן השתמשנו תחתי המקרה העליון של ביטויים). אנחנו מעוניינים ac רכיבים עבור דגם האותות הקטנים. אנו רואים כי הזרם לטמיון תלוי בשני מתחים, שער אל המקור לטמיון ל-המקור. עבור ערכים מצטברים, אנו יכולים לכתוב את הקשר הזה כ

(14)
במשוואה (14) g_m is את מוליכות קדימה ו r₀ היא התנגדות המוצא. הערכים שלהם נמצאים על ידי לקיחת נגזרים חלקיים משוואה (5). לפיכך,

(15)
הקירוב במשוואה (15) נובע מהתצפית כי λ אם קטן. משוואה (14) מובילה את האות קטן המודל של איור 12.

איור 12 - אות קטן דגם MOSFET

קודם - 1. יתרונות וחסרונות של FETs

הבא 3. צומת שדה אפקט טרנזיסטור (JFET)