2. ლითონ-ოქსიდის ნახევარგამტარი FET (MOSFET)

ლითონ-ოქსიდის ნახევარგამტარული FET (MOSFET)

ლითონ-ოქსიდის ნახევარგამტარული FET (MOSFET) არის ოთხი ტერმინალი. ტერმინალები არიან წყარო (S), კარიბჭე (G) მდე გადინება (D). სუბსტრატი or სხეულის ქმნის მეოთხე ტერმინალს. MOSFET აშენებულია არხიდან იზოლირებული კარიბჭე ტერმინალებით სილიციუმის დიოქსიდის დიელექტრიკით. MOSFET- ები შეიძლება იყოს დეპრესია or გაფართოების რეჟიმი. ამ ორ ვადას მოკლედ განვმარტავთ.

ფიგურა 1 - n- არხის დეფექტი MOSFET

MOSFET- ს ზოგჯერ უწოდებენ IGFETS (იზოლირებული Gate Field-Effect Transistors) SiO- ს გამო₂ ფენა გამოიყენება, როგორც იზოლატორის კარიბჭესა და სუბსტრატს შორის. ჩვენ დავიწყებთ ჩვენს ანალიზს დეპრესიის რეჟიმში MOSFET. ისევე, როგორც BJTs შეიძლება იყოს npn or pnp, MOSFET- ები შეიძლება იყოს n-ჩანელის (NMOS) ან pშანელი (PMOS). სურათი 1 ასახავს ფიზიკური სტრუქტურას და სიმბოლოს n-ჩანთა depletion MOSFET. გაითვალისწინეთ, რომ სუბსტრატი დაკავშირებულია წყარო ტერმინალთან. ეს თითქმის ყოველთვის იქნება საქმე.

დეფექტი MOSFET აგებულია ფიზიკური არხისა და წყაროს შორის ჩასმული არხი. შედეგად, როდესაც ძაბვის, v_DS, გამოიყენება სანიაღვრე და წყაროს შორის, მიმდინარე, i_D, არსებობს სანიაღვრე და წყაროს შორის, მიუხედავად იმისა, რომ კარიბჭე ტერმინალი G არ არის დაკავშირებული (v_GS = X V).

მშენებლობა nიწყება ცვლადი MOSFET pდახურული სილიკონი. ის nდახურული წყარო და სანიაღვრე ჭაბურღილები ქმნის დაბალი წინააღმდეგობის კავშირებს შორის ბოლოები nჩანელი, როგორც ეს ნაჩვენებია სურათზე 1. სილიკონის დიოქსიდის თხელი ფენა დეპონირდება წყაროს და სანიაღვრე სივრცეს შორის. SiO₂ არის იზოლატორი. ალუმინის ფენა დეპონირდება სილიციუმის დიოქსიდის იზოლატორზე, რომელიც ქმნის კარიბჭე ტერმინალს. ოპერაცია, უარყოფითი v_GS უბიძგებს არხების რეგიონის გარეთ ელექტრონებს, რითაც ამარტივებს არხს. Როდესაც v_GS აღწევს გარკვეულ ძაბვას, V_Tარხი pinched off. პოზიტიური ღირებულებები v_GS გაიზარდოს არხის ზომა, რის შედეგადაც გადინების დენის მომატება. დეფექტი MOSFET- ს შეუძლია ან დადებითი ან უარყოფითი ღირებულებით v_GS. მას შემდეგ, რაც კარიბჭე იზოლირებული არხიდან, კარიბჭე მიმდინარე არის negligibly მცირე (ბრძანებით 10^-12 A).

ფიგურა 2 - p- არხი განადგურების MOSFET

ნახაზი 2 არის შედარება ფიგურა 1, გარდა იმისა, რომ ჩვენ შეიცვალა n-ჩანთა depletion MOSFET to a p-ჩანთა depletion MOSFET.

ის n-ჩანთა გაფართოება MOSFET ილუსტრირებულია სქემა სიმბოლოთან ერთად. ეს არის საველე ეფექტიანი ტრანზისტორი ყველაზე ხშირად გამოყენებული ფორმა.

ფიგურა 3 - n- არხი გაფართოება MOSFET

ის nMOSFET- ის გაფართოება MOSFET- ისგან განსხვავდება, რომელსაც არ გააჩნია თხელი n-ფენა. ეს მოითხოვს პოზიტიურ ძაბვას შორის კარიბჭისა და წყაროს შორის არხის შექმნისთვის. ეს არხი ჩამოყალიბდა დადებითი კარიბჭე- v_GS, რომელიც იზიდავს ელექტრონებს სუბსტრატის რეგიონს შორის nდახურული გადინება და წყარო. დადებითი v_GS იწვევს ელექტრონებს, რომ დაგროვდეს ოქსიდის ფენის ზედაპირზე. როდესაც ძაბვის აღწევს ბარიერი, V_T, ამ რეგიონში მოქცეული ელექტრონების საკმარისი რაოდენობებია, რათა ის ჩატარდეს, როგორც ჩატარება n-ჩანელი. არ არის საგრძნობი გადინება, i_D სანამ არსებობს v_GS აღემატება V_T.

ნახაზი 4 არის შედარება ფიგურა 3, გარდა იმისა, რომ ჩვენ შეიცვალა n-ჩანთა გაფართოება MOSFET- ს p-მაღალი გაფართოება MOSFET.

ფიგურა 4 - p- არხი გაფართოება MOSFET

როგორც შემაჯამებელი, MOSFET ოჯახის გამოვლენა იდენტიფიცირება i_D წინააღმდეგ v_GS მრუდი ნაჩვენებია ნახაზზე 5. თითოეული დამახასიათებელი მრუდი შეიმუშავებს საკმარისი სანიაღვრე წყაროების ძაბვასთან v_DS შეინარჩუნოს მოწყობილობა ნორმალურ ოპერაციულ რეგიონში i_D წინააღმდეგ v_DS მოსახვევებში. მოგვიანებით განსახილველი დისკუსია განსაზღვრავს ბარიერის ძაბვას V_T ორივე გაფართოების MOSFETs და განადგურების MOSFETs.

სურათი 5 - i_D წინააღმდეგ v_GS თვისებები MOSFET ოჯახის საკმარისი გადინების წყარო ძაბვის V_DS

გაუმჯობესების რეჟიმი MOSFET ტერმინალური მახასიათებლები

ახლა, როდესაც ჩვენ წარმოგიდგინეთ MOSFET– ის მუშაობის ძირითადი სტრუქტურა და საფუძველი, ჩვენ ვიყენებთ მიდგომას გაძლიერების რეჟიმის მოწყობილობის ტერმინალური ქცევის შესამოწმებლად. მოდით, ჯერ ზოგადი დაკვირვება გავაკეთოთ ნახაზის 1-დან. წარმოიდგინეთ, რომ MOSFET– ში დენის ნორმალური ნაკადი უნდა იყოს გადინების წყაროდან (ისევე, როგორც BJT– ში, ეს არის კოლექტორსა და გამშვებელს შორის). როგორც npn BJT, ორი Back-to-back დიოდები არსებობს შორის სანიაღვრე და წყარო. აქედან გამომდინარე, ჩვენ უნდა გამოვიყენოთ კარიბჭის გარე ძაბვები, რათა მოხდეს დინების და წყაროს შორის არსებული ნაკადი.

თუ ჩვენ დავყავით წყარო და გამოიყენეთ პოზიტიური ძაბვის კარიბჭე, რომ ძაბვის ეფექტურად კარიბჭე- to- წყარო ძაბვის. დადებითი კარიბჭე ძაბვა იზიდავს ელექტრონებს და ხსნის ხვრელებს. როდესაც ძაბვის აღემატება ბარიერი (V_T), საკმარისი ელექტრონები იზიდავს წარმოქმნას არხის გადინებას და წყაროს შორის. ამ ეტაპზე ტრანზისტორი გამოდის და მიმდინარეობა ორივე ფუნქციაა v_GS მდე v_DS. ეს უნდა იყოს ნათელი, რომ V_T არის დადებითი რიცხვი n-ხანელი მოწყობილობა და უარყოფითი რიცხვი p-ჩონელის მოწყობილობა.

ერთხელ არხი იქმნება (ანუ, v_GS>V_T), მიმდინარე არხი შეიძლება მოხდეს ამ არხზე გადინების და წყაროს შორის. ეს მიმდინარე ნაკადი დამოკიდებულია v_DS, მაგრამ ეს ასევე დამოკიდებულია v_GS. როდესაც v_GS უბრალოდ ძლივს აღემატება ბარიერი ძაბვა, ძალიან მცირე მიმდინარე შეიძლება შემოვა. როგორც v_GS გაზრდის ზღვარს მიღმა, არხი შეიცავს უფრო მატარებლებს და უფრო მაღალ დონეს შეუძლია. სურათი 6 გვიჩვენებს შორის ურთიერთობა i_D მდე v_DS სადაც v_GS არის პარამეტრი. გაითვალისწინეთ, რომ v_GS ნაკლებია, ვიდრე ბარიერი, არ არის მიმდინარე ნაკადები. უმაღლესი v_GS, შორის ურთიერთობა i_D მდე v_DS არის დაახლოებით ხაზოვანი, რომ MOSFET იქცევა როგორც resistor, რომლის წინააღმდეგობა დამოკიდებულია v_GS.

ფიგურა 6 -i_D წინააღმდეგ v_DS გაფართოების რეჟიმში n-ჩონელი MOSFET- ში v_DS პატარაა

გრაფიკი 6- ის მოსახვევებში სწორი ხაზებია. თუმცა, ისინი არ გაგრძელდება, როგორც სწორი ხაზები v_DS უფრო დიდია. შეგახსენებთ, რომ პოზიტიური კარიბჭის ძაბვა გამოიყენება სადისტრიბუციო არხის შექმნისთვის. იგი ამას აკეთებს ელექტრონების მოზიდვით. დადებითი გადინების ძაბვა იგივეა. არხის გადინების დასრულებისას, არხის შექმნის ძაბვა მიდის v_GS-v_DS რადგან ორი წყარო ერთმანეთს ეწინააღმდეგება. როდესაც ეს განსხვავება ნაკლებია V_T, არხი აღარ არსებობს მთელ სივრცეში წყაროსა და გადინებას შორის. არხი შეზღუდული გადინების ბოლოს და კიდევ უფრო იზრდება v_DS არ გამოიწვიოს რაიმე ზრდა i_D. ეს ცნობილია, როგორც ნორმალური საოპერაციო რეგიონი დამუშავება დამახასიათებელი მოსახვევებში ჰორიზონტალური მონაკვეთის მიერ ნახაზზე გამოსახული სურათი. როდესაც განსხვავება მეტია V_Tჩვენ მოვუწოდებთ ამას ტრიოდი რეჟიმი, რადგან პოტენციალი სამივე ტერმინალში მკაცრად იმოქმედებს მიმდინარე.

წინა დისკუსია მივყავართ ფიგურას მოქმედი მრუდი 7.

ფიგურა 7 -i_D წინააღმდეგ v_GS გაფართოების რეჟიმში MOSFET

ოპერაციის ტრიოდისა და ნორმალური მოქმედი რეგიონის (როგორც მორგებული რეგიონი, რომელიც ხშირად იდენტიფიცირებულია ფუნქციონირებად ოპერაციებში) შორის გადანაწილება ნახაზში 7- ში

(1)

ტრიოდის რეგიონის საზღვართან, მოსახვევების მუხლებზე დაახლოებით დაიცვას ურთიერთობა,

(2)
განტოლებაში (2), K არის მუდმივი მოცემული მოწყობილობა. მისი ღირებულება დამოკიდებულია მოწყობილობის ზომებზე და მასში გამოყენებულ მასალებზე. მუდმივი მოცემულია,

(3)
ამ განტოლებაში, μ_n არის ელექტრონული მობილობა; C_{ოქსიდი}, ოქსიდის მატარებელი, არის კარიბჭე ერთეული ფართობი კარიბჭე; W არის კარიბჭის სიგანე; L არის კარიბჭის სიგრძე. განტოლება აღწერს რთულ და არაწრფივ კავშირს შორის i_D და ორი ძაბვის, v_DS მდე v_GS. მას შემდეგ, რაც ჩვენ გვინდა გადინება მიმდინარე განსხვავდება დაახლოებით ხაზოვანი ერთად v_GS (დამოუკიდებლობა v_DS), FET არ არის ზოგადად გამოყენებული ტრიოდის რეგიონში.

ჩვენ ახლა გვინდა ვიპოვოთ განზომილება მოქმედი მოსახვევებში სათრიმეს რეგიონში. ჩვენ შეგვიძლია დავამყაროთ ფასეულობა გარდამავლობისა და ინტენსივობის რეგიონის გადასვლისას, განტოლების (2) გადასვლის დროს (მუხლზე). ანუ,

(4)
ეს განტოლება ადგენს სასაზღვრო ხაზის სიგრძეს (ნახტომი 8- ში შეფუთული ხაზი), როგორც კარიბჭის- to- წყარო ძაბვის ფუნქცია v_GS. საჭიროების შემთხვევაში, ჩვენ შეგვიძლია ანგარიშზე შევიტანოთ დამახასიათებელი მოსახვევებში მცირე ზომის ფერდობზე ინტენსივობა რეგიონის ხაზით.

(5)
განტოლებაში (5), λ არის პატარა მუდმივი (ნახაზი 8- ის დამახასიათებელი მრუდის ახლო ჰორიზონტალური მონაკვეთის ფერდობზე). ეს, როგორც წესი, ნაკლებია, ვიდრე 0.001 (V^-1). შემდეგ

(6)

ყველა ჩვენი წინა დისკუსია განხილული იყო NMOS ტრანზისტორით. ჩვენ ახლა მოკლედ განვიხილავთ PMOS- ის საჭირო ცვლილებებს. PMOS, ღირებულებები v_DS იქნება უარყოფითი. გარდა ამისა, PMOS- ში არხის შექმნა, .

ფიგურა 8 - MOSFET ტრანზისტორიის ტერმინალური მახასიათებლები

ერთადერთი ცვლილებები NMOS ტრანზისტორების მახასიათებლებისაგან (სურათი 7) არის ის, რომ ჰორიზონტალური ღერძი არის_DSნაცვლად + v_DS,და პარამეტრული მოსახვევებში წარმოიქმნება უფრო მაღალი სანიაღვრე დენი, როგორც კარიბჭის ძაბვის შემცირება (ნაცვლად იზრდება NMOS ტრანზისტორი). მზარდი მიმდინარე ფასეულობის ზრდები შეესაბამება უფრო უარყოფით კარიბჭე ძაბვას. Როდესაც v_GS> V_T, ტრანზისტორი გათიშულია. გაფართოების PMOS, V_T არის უარყოფითი და შემცირების PMOS, V_T დადებითია.

PMOS ტრანზისტორიებისათვის ტრიოდის რეგიონის გადასვლის მიმდინარე განტოლება იდენტურია NMOS- სთან. ანუ,

(7)
გაითვალისწინეთ, რომ v_GS მდე v_DS ორივე უარყოფითია. PMOS ტრანზისტორიში განზავების რეგიონის განტოლება ასევე იდენტურია NMOS- სთან. ანუ,

(8)

გაითვალისწინეთ, რომ λ უარყოფითია PMOS ტრანზისტორი, რადგან მრუდის შეცვლის მაჩვენებელი () უარყოფითია.

განტოლების ორივე მხარის ნაწილობრივი წარმოება (6) v_GS, , მივიღებთ

(9)
ჩვენ ურჩევნია ღირებულება g_m იყოს მუდმივი, განსაკუთრებით დიდი სიგნალი საქანელები. თუმცა, ჩვენ შეგვიძლია მხოლოდ ამ მდგომარეობის სავარაუდოა, თუ ჩვენ ვიყენებთ FET მცირე სიგნალის პროგრამებისთვის. დიდი სიგნალის პირობებისთვის, ტალღის ფორმის დამახინჯება შეიძლება ზოგიერთ განაცხადში მიუღებელი იყოს.

XXX დეპეშირების რეჟიმი MOSFET

წინა სექცია განიხილება გაფართოების რეჟიმი MOSFET. ჩვენ ახლა განსხვავებით ეს დეპრესიის რეჟიმში MOSFET. Სთვის n-ჩანთა გაფართოების რეჟიმი, შეიძინეთ არხი, რომლითაც გვქონდა პოზიტიური ძაბვის კარიბჭის გამოყენება. ეს ძაბვა უნდა ყოფილიყო საკმარისად საკმარისი იმისათვის, რომ მობილური ელექტრონების საკმარისი რაოდენობა გამოეყენებინათ გამოწვეული არხების მიმდინარეობისთვის.

ნახაზი 9 - შემცირების რეჟიმი n- არხი MOSFET

ამ n- არხის შემცირების რეჟიმში MOSFET, ჩვენ ეს პოზიტიური ძაბვა არ გვჭირდება, რადგან ჩვენ გვაქვს ფიზიკურად ჩადებული არხი. ეს საშუალებას გვაძლევს დინამიკასა და წყაროს ტერმინალებს შორის გვქონდეს ჭიშკარზე უარყოფითი ძაბვის დროსაც კი. რა თქმა უნდა, შეზღუდულია უარყოფითი ძაბვის ოდენობა, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას კარიბჭეზე, ხოლო გადინებას და წყაროს შორის კვლავ მიმდინარე დინებაა. ეს ლიმიტი კვლავ განისაზღვრება, როგორც ბარიერი ძაბვა, V_T. გაძლიერების რეჟიმის ცვლილება ისაა, რომ კარიბჭის წყაროდან ძაბვა ახლა შეიძლება იყოს უარყოფითი ან პოზიტიური, როგორც ეს ნაჩვენებია მე -9 ნახაზზე.

განტოლება, რომელიც განისაზღვრება დეფინიცია-რეჟიმში MOSFET- ს, ძალიან ჰგავს გაფართოების რეჟიმს. გადინების მიმდინარე ღირებულება v_GS არის ნულოვანი იდენტიფიცირებული I_DSS. ეს ხშირად მოხსენიებულია, როგორც სანიაღვრე წყაროს გაჯერების მიმდინარეობა, ან ნულოვანი - კარიბჭის გადინების მიმდინარეობა. გაფართოების-მოდულის MOSFET- ის განტოლებების შედარება შეამციროთ, ჩვენ ვნახავთ

(10)

ჩვენ შემდეგ მოვძებნით,

(11)

განმსაზღვრელი რეჟიმი MOSFETS ხელმისაწვდომია დისკრეტული ფორმით, ან ისინი შეიძლება გაყალბებული ინტეგრირებული სქემები ჩიპი მარჯვენა და გაფართოების რეჟიმში ტიპები. ეს მოიცავს ორივე pტიპის და nტიპის. ეს საშუალებას იძლევა მეტი მოქნილობა ჩართვა circuit დიზაინის ტექნიკას.

2.3 დიდი სიგნალის ექვივალენტიანი ჩართვა

ჩვენ ახლა გვინდა განვავითაროთ ეკვივალენტური წრე, რომელიც წარმოადგენს ინტენსივობის ზონაში ფიგურა 8 [განტოლების (5) ან (8)] დიდი სიგნალის მახასიათებლებს. გაითვალისწინეთ, რომ გადინების მიმდინარე, i_D, დამოკიდებულია v_GS მდე v_DS. მუდმივი კარიბჭის წყაროდან ძაბვისთვის, ჩვენ ვმუშაობთ ფიგურის ერთ – ერთი პარამეტრიული მრუდის გასწვრივ და ურთიერთობა არის დაახლოებით სწორი ხაზი. წრფივი კავშირი დენსა და ძაბვას შორის მოდელირდება რეზისტორის მიერ. შესაბამისად, ექვივალენტი წრე შედგება რეზისტორისაგან, მიმდინარე წყაროს პარალელურად, სადაც მიმდინარე წყაროს მნიშვნელობა ადგენს გადინების დენის ნაწილს v_GS. მრუდის ფერდობზეა დამოკიდებული v_GS. ფერდობზე არის ნაწილობრივი წარმოებული,

(12)

სადაც r₀ არის მზარდი გამომავალი წინააღმდეგობა. ჩვენ ვხედავთ განტოლებას [5] ან [8]], რომ ეს წინააღმდეგობა არის მოცემული

(13)

სადაც ჩვენ ვიყენებთ ზედა შემთხვევაში V_GS მიუთითოს, რომ წინააღმდეგობა განისაზღვრება კარიბჭის- to- წყარო ძაბვის გარკვეული მუდმივი ღირებულებაზე. განტოლების საბოლოო დაახლოება (13) განტოლების (5) შედეგების მიხედვით λ პატარაა. წინააღმდეგობა ამიტომაც ეწინააღმდეგება კომპენსაციის პროპორციას, I_D. დიდი სიგნალის ეკვივალენტური მოდელი შემდეგ მოცემულია ნახაზზე 11 სადაც r₀ არის როგორც განტოლებაში განვითარებული (13).

ფიგურა 11 - დიდი სიგნალი ექვივალენტი ჩართულია

2.4 MOSFET- ის მცირე სიგნალის მოდელი

ჩვენ ახლა გვინდა, რომ განვიხილოთ განტოლებთან დაკავშირებული დამატებითი ეფექტები. სამი წრიული პარამეტრი ამ განტოლებაში, i_D, v_GS მდე v_DS ორივე შედგება dc (კომპენსაცია) და ac კომპონენტები (სწორედ ამიტომ გამოვიყენეთ ზედა გამოწერილი გამონათქვამებში). ჩვენ დაინტერესებული ვართ ac კომპონენტები მცირე სიგნალის მოდელისთვის. ჩვენ ვხედავთ, რომ გადინების მიმდინარეობა დამოკიდებულია ორ ძაბვაზე, კარიბჭე-ს წყაროს და სანიაღვრე წყაროზე. დამატებითი ღირებულებების გამო, ჩვენ შეგვიძლია დავწეროთ ეს ურთიერთობა

(14)
განტოლებაში (14), g_m is წინ გადადგმული ნაბიჯი მდე r₀ არის გამომავალი წინააღმდეგობა. მათი ღირებულებები გვხვდება ნაწილობრივი დერივატივების განტოლებაში (5). ამდენად,

(15)
განტოლება განზომილებაში (15) შედეგების დაკვირვებადან გამომდინარეობს λ თუ პატარა. განტოლება (14) მივყავართ ფიგურა 12- ის მცირე სიგნალის მოდელს.

ფიგურა 12 - მცირე სიგნალი MOSFET მოდელი

PREVIOUS- 1. FET- ს უპირატესობები და უარყოფითი მხარეები

NEXT- დან. Junction საველე ეფექტი ტრანზისტორი (JFET)