2. Металл оксидінің жартылай өткізгіші FET (MOSFET)

Металл-оксид Жартылай өткізгіш FET (MOSFET)

Металл оксидінің жартылай өткізгіші FET (MOSFET) төрт терминал құрылғысы. Терминалдар - бұл көзі (S), қақпасы (G) және ағызу (D). The субстрат or дене төртінші терминалды құрайды. MOSFET каналдан кремний диоксиді диэлектрикпен оқшауланған қақпақ терминалымен жабдықталған. MOSFET-лер де болуы мүмкін тозуы or жақсарту режимі. Біз осы екі терминді қысқа мерзімде айқындаймыз.

Сурет 1 - n-арнаның таусылғандығын MOSFET

MOSFET-лар кейде SiO-ге байланысты, IGFETs (оқшауланған қақпақ-өріс әсерлері транзисторлары) деп аталады.₂ қақпақ пен субстрат арасында оқшаулағыш ретінде пайдаланылатын қабат. Біз талдауды MOSFET режимінің сарқылуымен бастаймыз. BJT-лер де болуы мүмкін npn or Pnp, MOSFET-лер де болуы мүмкін n- канал (NMOS) немесе p- канал (PMOS). Сурет 1 физикалық құрылымды және символды суреттейді n- MOSFET арнасының сарқылуы. Субстрат көздің терминалына қосылғанын ескеріңіз. Бұл іс жүзінде әрқашан болады.

MOSFET тозуы а физикалық ағызу мен көздің арасына кіргізілген арна. Нәтижесінде кернеу, v_DS, ағызылатын және көздің арасындағы, ағымдық, i_D, ағызу және көзі арасында бар болса да, қақпақ терминалы G қосылмаған болып қалады (v_GS = 0 V).

Құрылыстың құрылысы n- MOSFET басталатын арналардан басталады pкремнийден тұрады. The nқайнар көзі мен су ағызатын ұңғымалар аяғымен бітеліп тұрған төменгі қарсыластық байланыстар құрайды n- 1 суретте көрсетілгендей, Кремний диоксиді жұқа қабаты қайнар көзі мен ағызу аймағын жабады. SiO₂ оқшаулағыш болып табылады. Алюминий қабаты кремний диоксиді оқшаулағышына қақпақ терминалын қалыптастыруға арналған. Жұмыс кезінде теріс v_GS арна аймағынан электрондарды итереді, осылайша арнаны бұзады. Қашан v_GS белгілі бір кернеуге жетеді, V_T, арна қысылған. Оң мәндері v_GS арна өлшемін ұлғайтады, нәтижесінде ағынды ағымды көбейтуге болады. MOSFET тозуы оң немесе теріс мәндермен жұмыс істей алады v_GS. Қақпасы арнадан оқшауланғандықтан, қақпақ ток шамасы аз (10 тәртібімен)^-12 A).

Сурет 2 - p-каналдың MOSFET дефлекторы

Сурет 2 фигурасы 1-мен салыстырылады, тек біз өзгертті n- MOSFET-арнасының сарқылуын a p- MOSFET арнасының сарқылуы.

The n- каналды күшейту MOSFET суреттегі 3 сызбалық белгісімен бірге бейнеленген. Бұл өріс тиімді транзистордың ең жиі пайдаланылатын түрі.

Сурет 3 - n-каналды жақсарту MOSFET

The n- MOSFET арнасын жақсарту MOSFET-тің таусылғандығынан ерекшеленеді n- ойыншы. Арна құру үшін қақпақ пен көздің арасында оң кернеуді талап етеді. Бұл арна оң жақтан шығу көзінен кернеудің әрекетімен қалыптасады, v_GS, ол субстрат аймағынан электрондарды тартады n- кептіргіш ағызу және көзі. Оң v_GS оксид қабатының астындағы электрондардың жиналуына әкеледі. Кернеу шекті мәнге жеткенде, V_T, бұл аймаққа электрондардың жеткілікті саны тартылады n- канал. Белгілі бір төгу ток жоқ, i_D дейін бар v_GS артық V_T.

Сурет 4 фигурасы 3-мен салыстырылады, тек біз өзгертті n- MOSFET арнасын жақсарту p- MOSFET-каналды жетілдіру.

Сурет 4 - p-каналды жақсарту MOSFET

Қорытындыда, MOSFET отбасы сәйкестендіруді көрсетеді i_D қарсы v_GS 5 суретте көрсетілген қисықтар. Әрбір сипаттамалы қисық жеткілікті ағызу көзі кернеуімен дамытылған v_DS Құрылғыны қалыпты жұмыс істеу аймағында ұстап тұру i_D қарсы v_DS қисықтар. Кейінгі бөлімдерде талқылау шекті кернеуді анықтайды V_T MOSFET-ді жақсарту және MOSFET-лердің жоғалуы үшін.

Сурет 5 - i_D қарсы v_GS MOSFET отбасының жеткілікті ағызу көзінің кернеуіне арналған сипаттамалары V_DS

2.1 кеңейту режимі MOSFET терминал сипаттамалары

MOSFET-тің негізгі құрылымы мен жұмысының негізін ұсынғаннан кейін, біз жақсарту режимі құрылғысының терминалдық әрекетін тексеру үшін әдісті қолданамыз. Алдымен 1-суреттен жалпы бақылаулар жүргізейік. MOSFET-те токтың қалыпты ағынын дренаждан көзге қарай деп ойлаңыз (BJT сияқты, ол коллектор мен эмитент арасында). Сияқты npn BJT, дренаж және көзі арасында екі артқы диод бар. Демек, ағынды ағызу мен көздің арасында ағып кетуіне жол бермеу үшін, біз сыртқы шығынды қолдануға тиіспіз.

Егер көзді жерге қойып, қақпаға оң кернеуді қолданатын болсақ, бұл кернеу тиімді кернеу болып табылады. Позитивті қақпақ кернеуі электрондарды тартады және саңылауларды ашады. Кернеу шекті мәннен асып кеткен кезде (V_T), ағынды сутегі мен көздің арасында өткізетін арнаны қалыптастыру үшін жеткілікті электрондар тартылады. Осы сәтте транзистор қосылады, ал ток - екеуінің де функциясы v_GS және v_DS. Бұл анық болуы керек V_T оң сан болып табылады n- арналы құрылғы және a үшін теріс сан pарналы құрылғы.

Арнаны құрғаннан кейін (яғни, v_GS>V_T), ағынды ағызу мен ағым арасындағы арнада ағым ағымы болуы мүмкін. Бұл ағым байланысты v_DS, бірақ бұл да байланысты v_GS. Қашан v_GS шекті кернеуден әлдеқайда асып кетсе, өте аз ток ағуы мүмкін. As қалай v_GS шекті шегінен асып кетеді, арнада көп тасушы бар және жоғары токтар мүмкін. Сурет 6 арасында байланыс бар i_D және v_DS қайда v_GS параметр болып табылады. Назар аударыңыз, бұл үшін v_GS шекті мәннен аз, ағымдағы ағымдар жоқ. Жоғары деңгейде v_GS, арасындағы қарым-қатынас i_D және v_DS MOSFET өзіндік кедергісі тәуелді резистор сияқты әрекет етеді дегенді білдіреді v_GS.

Сурет 6 -i_D қарсы v_DS жақсарту режимі үшін n- канал MOSFET кезде v_DS кішкентай

Сурет 6 қисықтары тікелей сызықтар сияқты көрінеді. Дегенмен, олар тікелей сызық ретінде жалғастырмайды v_DS үлкенірек болады. Еске салайық, өткізу арнасын құру үшін оң жақ шегенше қолданылады. Мұны электрондарды тарту арқылы жасайды. Оңай төгілетін кернеу бірдей. Арна ағызу соңына жақындағанда, арнаны жасайтын кернеу жақындап келеді v_GS-v_DS өйткені екі көздер бір-біріне қарсы. Бұл айырмашылық аз болған кезде V_T, арна арна мен ағызу арасындағы бүкіл кеңістікте жоқ. Арна шектелген ағызу соңында және одан әрі артады v_DS ешқандай ұлғайтуға әкеп соқтырмайды i_D. Бұл әдеттегі операциялық аймақ немесе белгілі қанықтыру Сурет 7-дегі қисықтардың көлденең қимасы бойынша көрсетілген. Арасындағы айырмашылық үлкен болған кезде V_T, біз бұл деп атаймыз триодтар өйткені барлық үш терминалдағы потенциалдар токқа қатты әсер етеді.

Алдыңғы талқылау 7 фигурасының жұмыс қисықтарына әкеледі.

Сурет 7 -i_D қарсы v_GS жақсарту режимі үшін MOSFET

Триодты және қалыпты жұмыс аймағының (қанықтыру аймағы деп аталатын және көбінесе қысу режимінде жұмыс ретінде анықталған) арасындағы ауысу X-NUMX-дегі сызық сызық ретінде көрсетіледі, мұнда

(1)

Триодтық аймақ шекарасында қисықтардың тізбектері шамамен ара қатынасын бақылайды,

(2)
Теңдеуде (2) K - берілген құрылғы үшін тұрақты. Оның мәні құрылғының өлшемдеріне және оның құрылысында қолданылатын материалдарға байланысты. Тұрақты,

(3)
Бұл теңдеуде, μ_n электрондық мобильділік; C_{оксиді бар}, оксидтің сыйымдылығы, қақпаның бірлігіне арналған сыйымдылық; W - қақпаның ені; L - қақпаның ұзындығы. Теңдеудің арасындағы күрделі және сызықты емес қарым-қатынас бар i_D және екі кернеу, v_DS және v_GS. Себебі, біз ағызу ағынының шамамен сызықтық түрде өзгеруін қалаймыз v_GS (тәуелсіз v_DS), FET әдетте триодтық аймақта қолданылмайды.

Енді қанықтыру аймағында жұмыс қисықтары үшін теңдеуді табуға тырысамыз. Біз өтпелі кезеңде (тізе) теңдеуді (2) бағалау арқылы триоды мен қаныққан аймақ арасындағы өту кезінде мәндерді орнатуға болады. Бұл,

(4)
Бұл теңдеу шекарадағы ағызу тогының шамасын (8 суреттегі сызылған сызық) қақпақ-көзге кернеудің функциясы ретінде белгілейді v_GS. Қажет болған жағдайда сызықты факторды қосу арқылы қанықтыру аймағында тән қисықтардың аздап беткейін есептей аламыз.

(5)
Теңдеуде (5) λ - кішкентай тұрақты (сурет 8-де көрсетілген тән қисықтардың көлденең қимасының көлбеуі). Бұл әдетте 0.001 (V^-1). Сонда

(6)

Біздің бұрынғы талқылауымыз NMOS транзисторына қатысты болды. Біз PMOS үшін қажетті өзгерістерді қысқаша талқылаймыз. PMOS үшін мәндер v_DS теріс болады. Сонымен қатар, PMOS арнасын құру үшін, .

Сурет 8 - MOSFET транзисторының терминалдық сипаттамалары

NMOS транзисторларының сипаттамаларының жалғыз өзгеруі (7-сурет) көлденең ось енді -v_DSорнына + v_DS,және параметрлік қисық сызықтар жоғары кернеу ағынын білдіреді, себебі қақпақ кернеуі азаяды (NMOS транзисторының көбеюінің орнына). Ағымдық мәндерді көбейтуге арналған қисықтар теріс кернеудің кернеуіне сәйкес келеді. Қашан v_GS> V_T, транзистор кесілген. PMOS-ні жақсарту үшін, V_T теріс болып табылады, сондай-ақ, V_T оң болып табылады.

Триодтық аймақтағы PMOS транзисторына өтуге арналған теңдеу NMOS-мен бірдей. Бұл,

(7)
Ескертіп қой v_GS және v_DS теріс мөлшерде. PMOS транзисторындағы қанықтыру аймағы үшін теңдеу NMOS-мен ұқсас. Бұл,

(8)

Ескертіп қой λ ПМОС транзисторлары үшін теріс өзгереді, себебі) теріс.

Теңдеудің екі жағынан (6) ішінара туындысын қатысты v_GS, , Біз алып жатырмыз

(9)
Біз оның құндылығын жақсы көреміз g_m Тұрақты болу үшін, әсіресе үлкен сигналдың ауытқуы үшін. Дегенмен, егер біз кіші сигнал қосымшалары үшін FET-ды пайдалансаңыз, біз бұл жағдайды ғана жақындата аламыз. Үлкен сигнал жағдайында сигнал түрінің бұрмалануы кейбір қосымшаларда қолайсыз болуы мүмкін.

2.2 деформация режимі MOSFET

Алдыңғы бөлім MOSFET жақсарту режиміне қатысты. Енді біз мұны MOSFET режимінің сарқылу режиміне қарама-қарсы. Үшін n- арнаны жетілдіру режимі, арна сатып алу үшін қақпаға оң кернеуді қолдануға тура келді. Бұл кернеу индукцияланған арнадағы ток шығару үшін мобильді электрондардың жеткілікті сандарын күшейту үшін жеткілікті үлкен болуы керек.

Сурет 9 - Н-каналдың MOSFET режимінің сарқылуы

Ішінде n- MOSFET арнасының сарқылу режимі, бұл бізге физикалық имплантацияланған канал болғандықтан оң кернеу қажет емес. Бұл бізге қақпаға жағымсыз кернеулермен де ағызу мен бастапқы терминалдар арасында ток өткізуге мүмкіндік береді. Әрине, ағызу мен қайнар көздің арасында ағымдық ағын болған кезде қақпаға берілетін теріс кернеудің шегі бар. Бұл шек қайтадан шекті кернеу ретінде анықталады, V_T. Жақсарту режимінен өзгеру мынада: 9-суретте көрсетілгендей, есіктен-көзге дейінгі кернеу теріс немесе оң болуы мүмкін.

MOSFET режимінің жұмыс істеуін анықтайтын теңдеулер жақсарту режимі сияқты өте ұқсас. Ағызу тогының мәні v_GS нөл ретінде анықталады I_DSS. Бұл жиі деп аталады ағызу көзінің қаныққан токнемесе нөлдік қақпа ағызу тогы. Жақсартқыш режим MOSFET теңдеулерін таусылу режимімен салыстыру арқылы табамыз

(10)

Содан кейін,

(11)

Тозу режимі MOSFET дискретті түрде қолжетімді немесе олар интегралды схемалар чиптерінде жақсартылған режимдер түрлерімен бірге дайындалуы мүмкін. Бұған екеуі де кіреді pжәне т n-түрлі. Бұл схема жобалау әдістерінде икемділікті арттыруға мүмкіндік береді.

2.3 Үлкен сигнал баламалы тізбегі

Біз қазірдің өзінде қанықтыру аймағында фигуралық 8 [Equation (5) немесе (8)]) үлкен сигнал сипаттамаларын білдіретін эквиваленттік тізбекті әзірлеуді қалаймыз. Назар аударыңыз, i_D, байланысты v_GS және v_DS. Қайнар көзден тұрақты кернеу үшін біз фигураның параметрлік қисықтарының бірі бойымен жұмыс істейміз, ал қатынас шамамен түзу болады. Ток пен кернеу арасындағы түзу байланыс резистормен модельденеді. Демек, балама тізбек ток көзіне параллельді резистордан тұрады, мұнда ток көзінің мәні ағызу тогының бөлігін орнатады v_GS. Қисық бұрышы байланысты v_GS. Бұрыш - бұл ішінара туынды,

(12)

қайда r₀ инкрементальды шығыс қарсылығы. Теңдеуде [(5) немесе (8)] осы қарсылық берілетінін көреміз

(13)

біз жоғарғы қабатты пайдаланамыз V_GS қарсылық дарға шығу көзінен кернеудің белгілі бір тұрақты мәні үшін анықталғанын көрсету үшін. Теңдеуде (13) соңғы жуықтау теңдеуден (5) нәтиже береді λ кішкентай. Сондықтан қарсылық осьтік пропорциясына кері пропорционалды, I_D. Үлкен сигнал баламалы моделі кейін 11-де берілген r₀ теңдеуде (13) дамыған.

Сурет 11 - Үлкен сигналдың баламалы тізбегі

2.4 MOSFET кішкентай сигналдық моделі

Енді теңдеуге қатысты инкрементальды әсерлерді қарастырғымыз келеді. Осы теңдеудегі үш сұлбалық параметр, i_D, v_GS және v_DS екеуден де тұрады dc (бұрмалау) және ac компоненттері (сондықтан біз өрнектердегі үлкен әріптік әріптерді қолдандық). Бізге қызығушылық тудырады ac кіші сигнал үлгісі үшін компоненттер. Біз ағызу тогының екі кернеуге, қақпадан шығу көзіне және ағызуға байланысты екенін көріп отырмыз. Артық мәндер үшін, біз бұл қарым-қатынасты келесідей жаза аламыз

(14)
Теңдеуде (14) g_m is алға өткізгіштігі және r₀ шығыс кедергісі болып табылады. Олардың мәндері теңдеулер (5) ішінара туындылары арқылы анықталады. Осылайша,

(15)
Теңдеуде жақындағаны (15) байқаудан туындайды λ егер кішкентай болса. Теңдеу (14) 12 суреттегі шағын сигнал моделіне әкеледі.

Сурет 12 - шағын сигнал MOSFET моделі

PREVIOUS- 1. FET артықшылықтары мен кемшіліктері

NEXT- 3. Транскорды (JFET)