2. Металл-оксиддик жарым өткөргүч FET (MOSFET)

Металл-оксид жарым өткөргүч FET (MOSFET)

Металл-оксид жарым өткөргүч FET (MOSFET) төрт терминалдуу түзүлүш болуп саналат. Терминалдар болуп саналат булак (S), дарбаза (G) жана дренаж (D). The субстрат or дене төртүнчү терминалды түзөт. MOSFET кремний диоксиди диэлектриги менен каналдан изоляцияланган дарбаза терминалы менен курулган. MOSFETs да болушу мүмкүн тешиги or өркүндөтүү режими. Бул эки терминди кыскача аныктайбыз.

1-сүрөт – n-каналдын түгөнүшү MOSFET

MOSFETs кээде SiO2ге байланыштуу IGFETs (изоляцияланган дарбаза талаа эффективдүү транзисторлор) деп аталат.₂ дарбаза менен субстраттын ортосундагы изолятор катары колдонулган катмар. Биз талдообузду MOSFET түгөнүү режиминен баштайбыз. BJTs да болушу мүмкүн NPN or PNP, MOSFETs да болушу мүмкүн n-канал (NMOS) же p-канал (PMOS). 1-сүрөттө ан үчүн физикалык түзүлүш жана символ көрсөтүлгөн n- каналдын түгөнүп калышы MOSFET. Субстрат булак терминалына туташтырылганына көңүл буруңуз. Бул дээрлик дайыма болот.

түгөнүү MOSFET а менен курулган физикалык канал дренаж менен булактын ортосуна киргизилген. Натыйжада, чыңалуу болгондо, v_DS, дренаж менен булактын ортосунда колдонулат, ток, i_D, дарбаза G терминалы туташтырылбаган бойдон калса да, дренаж менен булактын ортосунда бар (v_GS = 0 V).

куруу n-каналдын түгөнүшү MOSFET менен башталат p- кошулган кремний. The n-копталган булак жана дренаждык скважиналардын учтары ортосунда аз каршылыктуу байланыштарды түзөт n-канал, сүрөттө көрсөтүлгөндөй 1. кремний диоксидинин жука катмары булак менен дренаждын ортосундагы аймакты жаап турат. SiO₂ изолятор болуп саналат. Алюминий катмары дарбаза терминалын түзүү үчүн кремний диоксидинин изоляторуна жайгаштырылат. Иште, терс v_GS электрондорду канал аймагынан түртүп, ошону менен каналды түгөтөт. Качан v_GS белгилүү бир чыңалууга жетет, V_T, канал болуп саналат чымчып алды. Позитивдүү маанилери v_GS каналдын өлчөмүн көбөйтүү, натыйжада дренаждык токтун көбөйүшүнө алып келет. Түгөнүү MOSFET оң же терс маанилери менен иштей алат v_GS. Дарбаза каналдан изоляциялангандыктан, дарбаза агымы анчалык деле аз эмес (10 тартиби боюнча^-12 A).

2-сүрөт - p-каналынын түгөнүп калышы MOSFET

2-сүрөттү 1-сүрөт менен салыштырууга болот, бирок биз аны өзгөрткөнбүз n-каналдын түгөнүп калышы MOSFET a p- каналдын түгөнүп калышы MOSFET.

The n-каналды жакшыртуу MOSFET схемасы символу менен 3-сүрөттө көрсөтүлгөн. Бул талаа эффективдүү транзистордун эң көп колдонулган түрү.

3-сүрөт - n-каналды жакшыртуу MOSFET

The n-каналды өркүндөтүү MOSFET түгөнүү MOSFETтен жука эместиги менен айырмаланат. n- катмар. Каналды түзүү үчүн дарбаза менен булактын ортосунда оң чыңалуу керек. Бул канал оң дарбазадан булакка чыңалуунун аракети менен түзүлөт, v_GSортосундагы субстрат аймагынан электрондорду тартат n- дарыланган дренаж жана булак. Позитивдүү v_GS оксид катмарынын астындагы бетинде электрондордун топтолушун шарттайт. Чыңалуу босогого жеткенде, V_T, бул аймактын өткөргүч сыяктуу иштеши үчүн жетиштүү сандагы электрондор тартылат n-канал. Маанилүү дренаждык агым жок, i_D чейин бар v_GS ашкан V_T.

4-сүрөттү 3-сүрөт менен салыштырууга болот, бирок биз аны өзгөрткөнбүз n-каналды жакшыртуу MOSFET a p-каналды жакшыртуу MOSFET.

4-сүрөт - p-каналды жакшыртуу MOSFET

Кыскача айтканда, MOSFET үй-бүлөсү аныктоону көрсөтөт i_D каршы v_GS ийри сызыктар 5-сүрөттө көрсөтүлгөн. Ар бир мүнөздүү ийри сызык жетиштүү дренаждык чыңалуу менен иштелип чыккан v_DS аппараттын нормалдуу иштөө аймагында сактоо үчүн i_D каршы v_DS ийри сызыктар. Кийинки бөлүмдөрдөгү талкуу босого чыңалууну аныктайт V_T өркүндөтүү MOSFETs жана түгөнүүчү MOSFETs үчүн.

5-сүрөт – i_D каршы v_GS жетиштүү дренаж булагы чыңалуу үчүн MOSFET үй-бүлө өзгөчөлүктөрү V_DS

2.1 Жакшыртуу режиминин MOSFET терминалынын мүнөздөмөлөрү

Эми биз MOSFETтин негизги түзүмүн жана иштешинин негизин сунуштагандан кийин, жакшыртуу режиминдеги түзүлүштүн терминалдык жүрүм-турумун текшерүү үчүн ыкманы колдонобуз. Келгиле, адегенде 1-сүрөттөн кээ бир жалпы байкоолорду жасайлы. MOSFETдеги токтун нормалдуу агымы дренаждан булакка чейин (BJTдегидей эле коллектор менен эмитенттин ортосунда) деп ойлойбуз. менен болгон сыяктуу NPN BJT, дренаж менен булактын ортосунда эки арткы диод бар. Ошондуктан, дренаж менен булактын ортосунда агымдын өтүшүнө жол берүү үчүн дарбазага тышкы чыңалууларды колдонушубуз керек.

Эгерде биз булакты жерге туташтырсак жана дарбазага оң чыңалуу колдонсок, анда бул чыңалуу натыйжалуу дарбазадан булакка чыңалуу болуп саналат. Оң дарбаза чыңалуусу электрондорду өзүнө тартып, тешиктерди түртөт. Чыңалуу босогодон ашканда (V_T), дренаж менен булактын ортосунда өткөрүүчү каналды түзүү үчүн жетиштүү электрон тартылат. Бул учурда транзистор күйөт жана ток экөөнүн тең функциясы болуп саналат v_GS жана v_DS. Бул ачык болушу керек V_T үчүн оң сан болуп саналат n-канал аппараты жана а үчүн терс сан p- канал аппараты.

Канал түзүлгөндөн кийин (б.а., v_GS>V_T), токтун агымы дренаж менен булактын ортосундагы ошол каналда пайда болушу мүмкүн. Бул токтун агымы көз каранды v_DS, бирок бул да көз каранды v_GS. качан v_GS жөн гана босого чыңалуудан араң ашат, ток өтө аз агып кетиши мүмкүн. As v_GS босогодон ашса, канал көбүрөөк алып жүрүүчүлөрдү камтыйт жана жогорку агымдар болушу мүмкүн. 6-сүрөттө ортосундагы байланыш көрсөтүлгөн i_D жана v_DS кайда v_GS параметр болуп саналат. үчүн белгилей кетүү керек v_GS босогодон аз, ток агымы жок. Жогорку үчүн v_GS, ортосундагы мамиле i_D жана v_DS болжол менен сызыктуу болуп саналат, бул MOSFET өзүн каршылыгы көз каранды болгон резистор сыяктуу алып барат v_GS.

Figure 6 -i_D каршы v_DS өркүндөтүү режими үчүн n-канал MOSFET качан v_DS кичинекей

6-сүрөттүн ийри сызыктары түз сызыктарга окшош. Бирок, алар качан түз сызыктар катары уланбайт v_DS чоңойот. Эске салсак, өткөрүүчү каналды түзүү үчүн оң дарбаза чыңалуу колдонулат. Муну электрондорду тартуу менен жасайт. Позитивдүү дренаждык чыңалуу ошол эле нерсени кылып жатат. Каналдын дренаждык учуна жакындаган сайын каналды жаратуучу чыңалуу жакындайт v_GS-v_DS эки булак бири-бирине каршы болгондуктан. Бул айырма аз болгондо V_T, канал булак менен дренаждын ортосундагы бардык мейкиндик үчүн мындан ары жок. Канал болуп саналат чектелген дренаждын аягында жана андан ары көбөйөт v_DS эч кандай жогорулашына алып келбейт i_D. Бул кадимки иштөө аймагы же деп аталат каныктыруу мүнөздүү ийри горизонталдык кесилиши менен 7-сүрөттө көрсөтүлгөн аймак. айырма чоңураак болгондо V_T, биз муну деп атайбыз triode режими, анткени бардык үч терминалдагы потенциалдар токко катуу таасир этет.

Мурунку талкуу 7-сүрөттүн иштөө ийри сызыктарына алып келет.

Figure 7 -i_D каршы v_GS жакшыртуу режими MOSFET үчүн

Триод менен нормалдуу иштөө аймагынын ортосундагы өтүү (каныккан аймак деп аталат жана көбүнчө чымчып алуу режиминде иштөө катары аныкталат) 7-сүрөттө сызыкча катары көрсөтүлгөн, мында

(1)

Триод аймагынын чегинде ийри сызыктардын тизелери болжол менен мамилени ээрчийт,

(2)
(2) теңдемеде К берилген түзүлүш үчүн туруктуу. Анын баасы аппараттын өлчөмдөрүнө жана аны курууда колдонулган материалдарга жараша болот. Туруктуу төмөнкүчө берилет:

(3)
Бул эсептөөлөр боюнча, μ_n электрондук мобилдүүлүк болуп саналат; C_{кычкылы}, оксид сыйымдуулугу, дарбазанын аянтынын бирдигине сыйымдуулугу; W дарбазанын туурасы болуп саналат; L дарбазанын узундугу болуп саналат. Теңдеме ортосундагы татаал жана сызыктуу эмес байланышты көрсөтөт i_D жана эки чыңалуу, v_DS жана v_GS. Анткени биз дренаждык агым болжол менен сызыктуу түрдө өзгөрүшүн каалайбыз v_GS (көз карандысыз v_DS), FET жалпысынан триод аймагында колдонулбайт.

Эми биз каныккан аймактагы операциялык ийри сызыктар үчүн теңдемени тапкыбыз келет. Триод менен каныккан аймактын ортосундагы өтүүдөгү маанилерди (2) теңдемени өтүүдө (тизе) баалоо менен белгилей алабыз. Ушул,

(4)
Бул теңдеме чек арадагы дренаждык токтун чоңдугун (8-сүрөттөгү үзүк сызык) дарбазадан булакка чыңалуу функциясы катары белгилейт. v_GS. Зарыл болсо, сызыктуу факторду кошуу менен каныккан аймактагы мүнөздүү ийри сызыктардын бир аз жантайышын эсепке алабыз.

(5)
Теңдемеде (5) , λ кичинекей константа (8-сүрөттө көрсөтүлгөн мүнөздүү ийри сызыктардын горизонталдык жакын кесилишинин эңкейиши). Ал адатта 0.001ден аз (V^-1). ошондо

(6)

Биздин мурунку талкуубуздун бардыгы NMOS транзисторуна байланыштуу. Биз азыр PMOS үчүн зарыл болгон өзгөртүүлөрдү кыскача талкуулайбыз. PMOS үчүн баалуулуктар v_DS терс болот. Мындан тышкары, PMOS бир канал түзүү үчүн, .

Сүрөт 8 – MOSFET транзисторунун терминалдык мүнөздөмөлөрү

NMOS транзисторлорунун мүнөздөмөлөрүндөгү бир гана өзгөрүү (7-сүрөт) горизонталдык огу азыр -v_DS+v ордуна_DS,жана параметрдик ийри сызыктар дарбазанын чыңалуусу азайган сайын жогорку дренаждык токту билдирет (NMOS транзистору үчүн жогорулатуунун ордуна). Учурдагы чоңдуктарды жогорулатуу үчүн ийри сызыктар терс дарбаза чыңалуусуна туура келет. Качан v_GS> V_T, транзистор үзүлгөн. PMOS өркүндөтүү үчүн, V_T терс болуп саналат жана PMOS түгөнүп кетүү үчүн, V_T оң болот.

PMOS транзисторунун триод аймагына өтүүдөгү токтун теңдемеси NMOS менен бирдей. Ушул,

(7)
белгилей кетчү нерсе, v_GS жана v_DS экөө тең терс чоңдуктар. PMOS транзисторундагы каныккан аймактын теңдемеси да NMOS менен бирдей. Ушул,

(8)

белгилей кетчү нерсе, λ PMOS транзисторлору үчүн терс болот, анткени ийри сызыктын өзгөрүү ылдамдыгы () Терс болуп саналат.

карата (6) теңдеменин эки тарабынын жарым-жартылай туундусун алуу v_GS, , алабыз

(9)
Биз баасын артык көрөбүз g_m туруктуу болушу үчүн, айрыкча чоң сигнал өзгөрүшү үчүн. Бирок, биз FETти кичинекей сигналдык колдонмолор үчүн колдонсок, бул шартты болжолдой алабыз. Сигналдын чоң шарттарында толкун формасынын бурмаланышы кээ бир колдонмолордо кабыл алынгыс болушу мүмкүн.

2.2 Depletion-Mode MOSFET

Мурунку бөлүмдө MOSFET жакшыртуу режими каралган. Эми биз муну MOSFETтин түгөнүү режимине салыштырабыз. Үчүн n-каналды жакшыртуу режими, каналды алуу үчүн биз дарбазага оң чыңалуу колдонушубуз керек болчу. Бул чыңалуу индукцияланган каналда ток чыгаруу үчүн жетиштүү сандагы мобилдик электрондорду мажбурлоо үчүн жетиштүү чоң болушу керек болчу.

9-сүрөт – түгөнүү режими n-канал MOSFET

Ичинде n-каналдын түгөнүү режими MOSFET, бизге бул оң чыңалуу керек эмес, анткени бизде физикалык имплантацияланган канал бар. Бул дарбазага терс чыңалуу менен да дренаждык жана булак терминалдарынын ортосунда агымга ээ болууга мүмкүндүк берет. Албетте, дренаж менен булактын ортосунда ток агымы болуп турганда дарбазага колдонула турган терс чыңалуунун көлөмүнүн чеги бар. Бул чек кайрадан босого чыңалуу катары аныкталат, V_T. Жакшыртуу режиминен өзгөрүү, 9-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, дарбазадан булакка чыңалуу терс же оң болушу мүмкүн.

MOSFET түгөнүү режиминин иштешин аныктаган теңдемелер өркүндөтүү режимине абдан окшош. качан дренаждык токтун мааниси v_GS нөл болуп аныкталат I_DSS. Бул көп учурда деп аталат суу булагы каныктыруу учурдагы, же нөл – дренаждык агым. MOSFET өркүндөтүү режиминин теңдемелерин түгөнүү режими менен салыштырып, биз табабыз

(10)

Андан кийин табабыз,

(11)

Түгөнүү режими MOSFETs дискреттик түрдө жеткиликтүү, же аларды интегралдык микросхемалардын чиптеринде, ошондой эле жакшыртуу режиминин түрлөрү менен бирге жасоого болот. Бул экөөнү тең камтыйт p-түрү жана n-түрү. Бул схемаларды долбоорлоо ыкмаларында көбүрөөк ийкемдүүлүккө мүмкүндүк берет.

2.3 Чоң сигналдын эквиваленттүү схемасы

Эми биз 8-сүрөттүн чоң сигналдык мүнөздөмөлөрүн көрсөткөн эквиваленттүү схеманы иштеп чыгууну каалайбыз [Теңдеме (5) же (8) ] каныккан аймакта. Белгилей кетчү нерсе, дренаждык ток, i_DКөз каранды v_GS жана v_DS. Туруктуу дарбазадан булакка чыңалуу үчүн биз фигуранын параметрдик ийри сызыктарынын бири боюнча иштейбиз жана байланыш болжол менен түз сызык. Ток менен чыңалуу ортосундагы түз сызык байланышы резистор аркылуу моделделет. Демек, эквиваленттүү схема ток булагына параллелдүү резистордон турат, мында ток булагынын мааниси дренаждык токтун бөлүгүн белгилейт. v_GS. Ийри сызыктын эңкейиши көз каранды v_GS. жантаюу жарым-жартылай туунду,

(12)

кайда r₀ кошумча чыгаруу каршылыгы болуп саналат. [ (5) же (8) ] теңдемеден бул каршылык менен берилгенин көрөбүз

(13)

биз чоң тамга колдонобуз V_GS каршылык дарбазадан булакка чыңалуунун белгилүү бир туруктуу мааниси үчүн аныкталганын көрсөтүү үчүн. (13) теңдемедеги акыркы жакындоо (5) теңдемеден келип чыгат деген божомол менен λ кичинекей. Демек, каршылык агымга тескери пропорцияда, I_D. Чоң сигналдын эквиваленттүү модели 11-сүрөт менен берилген, мында r₀ (13) теңдемеде иштелип чыккан.

11-сүрөт – Чоң сигналдын эквиваленттүү схемасы

2.4 MOSFET чакан сигнал модели

Эми биз Equation менен байланышкан кошумча эффекттерди карагыбыз келет. Бул теңдемедеги үч схеманын параметри, i_D, v_GS жана v_DS да турат dc (бир тараптуулук) жана ac компоненттери (ошондуктан биз туюнтмаларда баш тамгаларды колдондук). Биз кызыкдарбыз ac кичинекей сигнал модели үчүн компоненттер. Биз дренаждык ток эки чыңалууга, дарбазадан булакка жана дренаждан булакка көз каранды экенин көрөбүз. Кошумча маанилер үчүн бул байланышты төмөнкүдөй жаза алабыз

(14)
Жылы Equation (14), g_m is алдыга өткөргүчтүк жана r₀ чыгаруу каршылыгы болуп саналат. Алардын маанилери (5) теңдемедеги жарым-жартылай туундуларды алуу менен табылат. Ошентип,

(15)
(15) теңдемедеги жакындоо төмөнкүдөй байкоодон келип чыгат λ кичине болсо. Теңдеме (14) 12-сүрөттүн кичинекей сигналдык моделине алып келет.

Сүрөт 12 – Чакан-сигнал MOSFET модели

МУРУНКУ- 1. FETs артыкчылыктары жана кемчиликтери

КИЙИНКИ- 3. Туташуучу талаа эффективдүү транзистор (JFET)