2. Metāla oksīda pusvadītāju FET (MOSFET)
PAŠREIZE - 2. Metāla oksīda pusvadītāju FET (MOSFET)
PREVIOUS- 1. FET priekšrocības un trūkumi
Metāla oksīda pusvadītāju FET (MOSFET)
Metāla oksīda pusvadītāju FET (MOSFET) ir četras gala ierīces. Termināli ir avots (S), vārti (G) un aizplūšana (D). substrāts or ķermenis veido ceturto termināli. MOSFET ir veidots ar vārtu termināli, kas izolēts no kanāla ar silīcija dioksīda dielektriķi. MOSFET var būt arī izsīkums or uzlabošanas režīms. Drīzumā mēs definējam šos divus terminus.
1 attēls - n-kanāla izsīkums MOSFET
MOSFETs dažkārt tiek dēvēts par IGFET (izolētiem vārtu lauka efekta tranzistoriem) SiO dēļ.2 slānis, ko izmanto kā izolatoru starp vārtu un pamatni. Mēs sākam savu analīzi ar izsīkuma režīmu MOSFET. Tāpat kā BJT var būt npn or PNP, MOSFETs var būt arī n-kanālu (NMOS) vai p-kanālu (PMOS). Attēls 1 ilustrē fizisko struktūru un simbolu n-kanālu noārdīšana MOSFET. Ievērojiet, ka substrāts ir savienots ar avota termināli. Tas būs gandrīz vienmēr.
MOSFET izsīkums ir konstruēts ar a fizisks kanāls, kas ievietots starp drenāžu un avotu. Tā rezultātā, kad spriegums, vDS, tiek piemērots starp drenāžu un avotu, strāvu, iD, pastāv starp drenāžu un avotu, pat ja vārtu terminālis G paliek nesaistīts (vGS = 0 V).
Būvniecība n-kanālu izsīkums MOSFET sākas ar p-dopēts silīcijs. The n-datu avots un drenāžas akas veido zemas pretestības savienojumus starp n-kanālu, kā parādīts attēlā 1. Plāna silīcija dioksīda kārta tiek uzklāta, aptverot zonu starp avotu un aizplūšanu. SiO2 ir izolators. Alumīnija slānis tiek uzklāts uz silīcija dioksīda izolatora, lai izveidotu vārtu termināli. Darbībā - negatīvs vGS nospiež elektronus no kanāla reģiona, tādējādi samazinot kanālu. Kad vGS sasniedz noteiktu spriegumu, VT, kanāls ir saspiests. Pozitīvas vērtības vGS palielināt kanāla izmēru, kā rezultātā palielinās kanalizācijas strāva. MOSFET izsīkums var darboties ar pozitīvām vai negatīvām vērtībām vGS. Tā kā vārti ir izolēti no kanāla, vārtu strāva ir niecīga (10 secībā)-12 A).
Attēls 2 - p-kanāla izsmelšana MOSFET
Attēls 2 ir salīdzināms ar 1 attēlu, izņemot to, ka mēs esam mainījuši n-kanālu noārdīšana MOSFET uz a p-kanālu noārdīšana MOSFET.
Jūsu darbs IR Klientu apkalpošana n-kanālu uzlabošana MOSFET ir attēlots 3 attēlā kopā ar ķēdes simbolu. Tas ir visbiežāk izmantotais tranzistora veids.
3 attēls - n-kanāla uzlabojums MOSFET
Jūsu darbs IR Klientu apkalpošana n-kanālu uzlabošana MOSFET atšķiras no MOSFET izsīkuma, jo tam nav plānas n-layer. Lai izveidotu kanālu, ir nepieciešams pozitīvs spriegums starp vārtu un avotu. Šo kanālu veido pozitīva vārtu sprieguma avota darbība, vGS, kas piesaista elektronus no substrāta reģiona starp n- dūmvads un avots. Pozitīvs vGS izraisa elektronu uzkrāšanos virs oksīda slāņa. Kad spriegums sasniedz slieksni, VTpietiekams skaits elektronu piesaista šo reģionu, lai tas darbotos kā vadošs n-kanālu. Nav ievērojamas drenāžas strāvas, iD pastāv līdz vGS pārsniedz VT.
Attēls 4 ir salīdzināms ar 3 attēlu, izņemot to, ka mēs esam mainījuši n-kanālu uzlabošana MOSFET uz a p-kanālu uzlabošana MOSFET.
Attēls 4 - p-kanāla uzlabošana MOSFET
Kopumā MOSFET ģimene atklāj identificējošo iD pret vGS 5 attēlotās līknes. Katra raksturlīkne tiek veidota ar pietiekamu drenāžas avota spriegumu vDS uzturēt ierīci parastajā darbības zonā. \ t iD pret vDS līknes. Turpmākajās sadaļās apspriežot sliekšņa spriegumu VT gan MOSFET uzlabojumiem, gan MOSFET izsīkšanai.
5. attēls - iD pret vGS MOSFET ģimenes raksturlielumi, lai nodrošinātu pietiekamu izplūdes avota spriegumu VDS
2.1 uzlabošanas režīma MOSFET termināļa raksturlielumi
Tagad, kad mēs esam iepazīstinājuši ar MOSFET darbības pamatstruktūru un pamatu, mēs izmantojam pieeju, lai pārbaudītu uzlabošanas režīma ierīces termināla darbību. Vispirms izdarīsim dažus vispārīgus novērojumus no 1. attēla. Padomājiet par parasto strāvas plūsmu MOSFET kā no kanalizācijas uz avotu (tāpat kā BJT, tas atrodas starp kolektoru un izstarotāju). Tāpat kā ar npn BJT, starp aizplūšanu un avotu ir divas dublētas diodes. Tāpēc, lai ļautu strāvai starp aizplūšanu un avotu, vārtiem ir jāpiemēro ārējie spriegumi.
Ja mēs iegremdējam avotu un pieliekam vārtiem pozitīvu spriegumu, tad spriegums faktiski ir spriegums no vārtiem uz avotu. Pozitīvais vārtu spriegums piesaista elektronus un atgrūž caurumus. Ja spriegums pārsniedz slieksni (VT), pietiekami daudz elektronu piesaista, lai izveidotu vadošo kanālu starp drenāžu un avotu. Šajā brīdī tranzistors ieslēdzas un strāva ir abu funkciju funkcija vGS un vDS. Būtu skaidrs, ka VT ir pozitīvs skaitlis n-kanālu ierīce un negatīvs skaitlis a p-kanālu ierīce.
Kad kanāls ir izveidots (ti, vGS >VT), pašreizējā plūsma var notikt šajā kanālā starp drenāžu un avotu. Šī strāva ir atkarīga vDS, bet tas arī ir atkarīgs vGS. Kad vGS tikai nedaudz pārsniedz sliekšņa spriegumu, ļoti neliela strāva var plūst. Kā vGS pieaug, pārsniedzot slieksni, kanāls satur vairāk nesēju un ir lielākas strāvas. Attēls 6 parāda attiecības starp iD un vDS kur vGS ir parametrs. Ņemiet vērā, ka vGS mazāks par slieksni, pašreizējās plūsmas nav. Augstāk vGS, attiecības starp iD un vDS ir aptuveni lineāra, norādot, ka MOSFET darbojas kā rezistors, kura pretestība ir atkarīga vGS.
6 attēls -iD pret vDS uzlabošanas režīmam n-kanālu MOSFET kad vDS ir mazs
6 attēla līknes izskatās kā taisnas līnijas. Tomēr, ja tie tiks turpināti, tie netiks turpināti vDS kļūst lielāks. Atgādiniet, ka vadīšanas kanāla izveidošanai tiek izmantots pozitīvs vārtu spriegums. To dara, piesaistot elektronus. Pozitīvais drenāžas spriegums dara to pašu. Kad mēs tuvojamies kanāla drenāžas galam, spriegums, kas rada kanāla pieejas vGS-vDS tā kā abi avoti ir pretrunā viens otram. Ja šī atšķirība ir mazāka par. \ T VTkanāls vairs nepastāv visai telpai starp avotu un drenāžu. Kanāls ir ierobežota pie drenāžas gala un vēl vairāk palielinās vDS nerada nekādu palielinājumu iD. Tas ir pazīstams kā normāls darbības reģions vai piesātinājuma 7 attēlā redzamais reģions pēc raksturīgo līkņu horizontālās daļas. Ja starpība ir lielāka par VT, mēs to saucam par triodes režīmā, jo potenciāls visos trīs terminālos būtiski ietekmē strāvu.
Iepriekšējā diskusija noved pie 7 attēla darbības līknēm.
7 attēls -iD pret vGS uzlabošanas režīmam MOSFET
Pāreja starp triodi un normālu darbības reģionu (ko dēvē par piesātinājuma reģionu un bieži identificē kā darbību saspiešanas režīmā) ir parādīta kā svītrota līnija 7 attēlā, kur
(1)
Trioda reģiona robežās līkņu ceļi aptuveni seko attiecībām,
(2)
Vienādojumā (2) K ir noteikta ierīces konstante. Tās vērtība ir atkarīga no ierīces izmēriem un materiāliem, kas izmantoti tās konstrukcijā. Pastāvīgo nosaka,
(3)
Šajā vienādojumā μn ir elektronu mobilitāte; COksīds- oksīda kapacitāte ir vārtu tilpums uz vienības laukumu; W ir vārtu platums; L ir vārtu garums. Vienādojums norāda uz sarežģītu un nelineāru attiecību starp iD un divi spriegumi, vDS un vGS. Tā kā mēs gribētu, lai drenāžas strāva mainītos aptuveni lineāri ar vGS (neatkarīgi no. \ t vDS), FET parasti netiek izmantots triodes reģionā.
Tagad mēs vēlamies atrast vienādojumu operācijas līknēm piesātinājuma reģionā. Mēs varam noteikt vērtības pārejā starp triodi un piesātinājuma reģionu, novērtējot vienādojumu (2) pārejas laikā (ceļgala). Tas ir,
(4)
Šis vienādojums nosaka aizplūdes strāvas lielumu robežā (svītrota līnija 8 attēlā) kā sprieguma vārsta līdz avota funkcijai vGS. Ja nepieciešams, mēs varam ņemt vērā raksturīgo līkņu nelielo slīpumu piesātinājuma reģionā, pievienojot lineāro koeficientu.
(5)
Vienādojumā (5) λ ir maza konstante (8 attēloto raksturlīkņu tuvās horizontālās daļas slīpums). Tas parasti ir mazāks par 0.001 (V-1). Pēc tam
(6)
Visas mūsu iepriekšējās diskusijas bija saistītas ar NMOS tranzistoru. Tagad mēs īsumā apspriežam nepieciešamās izmaiņas PMOS. Attiecībā uz PMOS vērtības vDS būs negatīvs. Turklāt, lai izveidotu kanālu PMOS, 
.
Attēls 8 - MOSFET tranzistora gala raksturlielumi
Vienīgās izmaiņas no NMOS tranzistoru īpašībām (7 attēls) ir tas, ka horizontālā ass tagad ir -vDS + v vietāDS un parametru līknes attēlo augstāku drenāžas strāvu, samazinot vārtu spriegumu (nevis palielinot NMOS tranzistoru). Strāvas vērtību palielināšanas līknes atbilst vairāk negatīviem vārtiem. Kad vGS > VT, tranzistors ir izslēgts. Uzlabošanai PMOS, VT ir negatīvs, un par PMOS izsīkšanu, VT ir pozitīvs.
PMOS tranzistora triodes reģiona pārejas strāvas vienādojums ir identisks NMOS. Tas ir,
(7)
Ņemiet vērā, ka vGS un vDS abi ir negatīvi. PMOS tranzistora piesātinājuma reģiona vienādojums ir vienāds ar NMOS. Tas ir,
(8)
Ņemiet vērā, ka λ ir negatīvs PMOS tranzistoriem, jo līknes maiņas ātrums (
) ir negatīvs.
Ņemot vienādojuma (6) abu pušu daļējo atvasinājumu attiecībā pret vGS, 
, mēs
(9)
Mēs dodam priekšroku vērtībai gm pastāvīgi, īpaši lieliem signālu svārstībām. Tomēr mēs varam tikai tuvināt šo nosacījumu, ja mēs izmantojam FET maziem signālu lietojumiem. Lieliem signālu apstākļiem dažās lietojumprogrammās var būt nepieņemama viļņa formas izkropļošana.
2.2 izsīkšanas režīms MOSFET
Iepriekšējā sadaļā tika aplūkots uzlabošanas režīms MOSFET. Tagad mēs to kontrastējam ar izsīkuma režīmu MOSFET. Priekš n- kanālu uzlabošanas režīms, lai iegūtu kanālu, mums bija jāpielieto pozitīvs spriegums uz vārtiem. Šim spriegumam bija jābūt pietiekami lielam, lai piespiestu pietiekamu skaitu mobilo elektronu, lai radītu strāvu inducētā kanālā.
Attēls 9 - iztukšošanas režīma n-kanāla MOSFET
Iekš n-kanālu noplicināšanas režīma MOSFET, mums šis pozitīvais spriegums nav vajadzīgs, jo mums ir fiziski implantēts kanāls. Tas ļauj mums izveidot strāvu starp notekas un avota spailēm pat tad, ja vārtiem tiek pielikts negatīvs spriegums. Protams, ir ierobežojums negatīvā sprieguma daudzumam, ko var pielietot vārtiem, vienlaikus saglabājot strāvas plūsmu starp kanalizāciju un avotu. Šo robežu atkal identificē kā sliekšņa spriegumu, VT. Izmaiņas no uzlabošanas režīma ir tādas, ka vārtu-avotu spriegums tagad var būt vai nu negatīvs, vai pozitīvs, kā parādīts 9. attēlā.
Vienādojumi, kas nosaka iztukšošanas režīma MOSFET darbību, ir ļoti līdzīgi uzlabošanas režīma darbībai. Noteces strāvas vērtība, kad vGS ir nulle, tiek identificēts kā IDSS. To bieži dēvē par drenāžas avota piesātinājuma strāva, vai nulles vārtu iztukšošanas strāva. Salīdzinot uzlabošanas režīma MOSFET vienādojumus ar iztukšošanas režīma vienādojumiem, mēs atrodam
(10)
Tad mēs atrodam
(11)
Iztukšošanās režīms MOSFET ir pieejami diskrētā formā, vai arī tos var izgatavot uz integrālajām shēmām, kas ir tiesības uz labo pusi ar uzlabošanas režīma veidiem. Tas ietver abus pveida un nveida. Tas nodrošina lielāku elastību ķēdes projektēšanas metodēs.
2.3 Liela signāla ekvivalents
Tagad mēs vēlamies izstrādāt līdzvērtīgu ķēdi, kas attēlo 8 [Equation (5)] vai (8)] lielā signāla īpašības piesātinājuma reģionā. Ņemiet vērā, ka drenāžas strāva, iD, atkarīgs no vGS un vDS. Pastāvīgam vārtu-avotu spriegumam mēs darbojamies pa vienu no attēla parametru līknēm, un attiecība ir aptuveni taisna. Tiešās līnijas attiecības starp strāvu un spriegumu modelē rezistors. Tāpēc ekvivalentā ķēde sastāv no rezistora paralēli strāvas avotam, kur strāvas avota vērtība nosaka iztukšošanas strāvas daļu sakarā ar vGS. Līknes slīpums ir atkarīgs no tā vGS. Slīpums ir daļējs atvasinājums,
(12)
kur r0 ir papildu izejas pretestība. No [(5) vai (8)] vienādojuma mēs redzam, ka šo pretestību dod
(13)
kur mēs izmantojam lielo burtu VGS lai norādītu, ka pretestība ir noteikta konkrētai konstantai vārtu sprieguma vērtībai. Galīgā tuvināšana vienādojumā (13) iegūta no vienādojuma (5) ar pieņēmumu, ka λ ir mazs. Tāpēc pretestība ir apgriezti proporcionāla slīpuma strāvai, ID. Lielo signālu ekvivalentu modeli pēc tam sniedz 11 attēls r0 ir tāds, kā izstrādāts vienādojumā (13).
Attēls 11 - Liela signāla ekvivalents ķēde
2.4 MOSFET maza signāla modelis
Tagad mēs vēlamies aplūkot ar vienādojumu saistītās papildu sekas. Trīs ķēdes parametri šajā vienādojumā, iD, vGS un vDS sastāv no abiem dc (aizspriedumi) un ac sastāvdaļas (tāpēc mēs esam lietojuši lielo burtu apzīmējumus izteiksmēs). Mēs esam ieinteresēti ac neliela signāla modeļa komponentiem. Mēs redzam, ka drenāžas strāva ir atkarīga no diviem spriegumiem, no vārtiem līdz avotam un drenāžas avotam. Papildu vērtībām mēs varam rakstīt šīs attiecības kā
(14)
Vienādojumā (14) gm is transconductance un r0 ir izejas pretestība. To vērtības tiek konstatētas, izmantojot vienādojumus (5). Tādējādi,
(15)
Vienādojuma (15) aproksimācija izriet no novērojumiem, ka λ ja tas ir mazs. Vienādojums (14) noved pie 12 attēla mazā signāla modeļa.
Attēls 12 - maza signāla MOSFET modelis