2। धातु-ओक्साइड अर्काचालक एफईटी (MOSFET)

धातु-ओक्साइड अर्धचालक एफईटी (MOSFET)

धातु अक्साइड अर्धचालक FET (MOSFET) एक टर्मिनल उपकरण हो। टर्मिनलहरू हुन् स्रोत (एस), गेट (जी) र नाली (डी)। यो सब्सट्रेट or जीउ चौथो टर्मिनल बनाउँछ। MOSFET को सिलिकन डाइअक्साइड डिलिलेक्ट्रिक संग च्यानलबाट अछामित गेट टर्मिनल संग निर्माण गरिएको छ। MOSFET हरू पनि हुन सक्छ गिरावट or वृद्धि मोड। हामी यी दुई सर्तहरू छिट्टै परिभाषित गर्दछौं।

चित्रा 1 - एन-च्यानल गिरावट MOSFET

MOSFET कहिलेकाहीँ आईओओ को कारण आईजीएफईई (इन्सुलेट गेट फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर) को रूपमा उल्लेख गरिएको छ।₂ तह को ढोका र सब्सट्रेट को बीच इन्सुलेटर को रूप मा प्रयोग गरिन्छ। हामी अपवाद मोड मोड MOSFET संग हाम्रो विश्लेषण सुरु गर्छौं। जस्तै BJTs पनि हुन सक्छ npn or pnp, MOSFETs पनि हुन सक्छ n-चैनल (NMOS) वा p(PMOS)। चितवन 1 ले भौतिक संरचना र प्रतीकको लागि चित्रण गर्दछ n-चेतन गिरावट MOSFET। ध्यान दिनुहोस् कि सब्सट्रेट स्रोत टर्मिनलसँग जोडिएको छ। यो लगभग सधैँ मामला हुनेछ।

गिरावट MOSFET एक संग निर्माण गरिएको छ शारीरिक च्यानल निकास र स्रोत बीच सम्मिलित गरियो। नतिजाको रूपमा, जब एक भोल्टेज, v_DS, निकास र स्रोत बीच, लागू गरिएको छ, एक वर्तमान, i_D, ड्रेन र स्रोत बीचको अवस्थित भए तापनि गेट टर्मिनल जी विच्छेदन बनेको छ (v_GS = 0 V)।

निर्माणको n-चलान हटाउने MOSFET सुरु हुन्छ pड्रप गरिएको सिलिकन। The nडप गरिएको स्रोत र ड्रेन कुओं को कोण को बीच कम प्रतिरोध कनेक्शन बनाइन्छ n-चैनल, जस्तै 1 मा देखाइएको छ। सिलिकन डाइअक्साइड को एक पतली तह स्रोत र नाली को बीच क्षेत्र को कवर जमाएको छ। The SiO₂ एक इन्सुलेटर हो। गेट टर्मिनल बनाउन सिलिकन डाइअक्साइड इन्सुलेटरमा एक एल्युमिनियम लेयर जम्मा गरिन्छ। सञ्चालनमा, नकारात्मक v_GS च्यानल क्षेत्रबाट इलेक्ट्रोन्सलाई धक्का दिन्छ, यसैले च्यानल घटाउने। कहिले v_GS एक निश्चित भोल्टेज सम्म पुग्छ, V_T, च्यानल हो पकाइयो। को सकारात्मक मूल्य v_GS च्यानल आकार बढाउनुहोस्, जिसके परिणामस्वरूप ड्रेनको वृद्धि बढ्यो। विच्छेद MOSFET को सकारात्मक या नकारात्मक मानहरु संग काम गर्न सक्छन् v_GS। चूंकि गेट च्यानल देखि अशुद्ध छ, गेट वर्तमान नगरी रूप देखि सानो छ (10 को क्रम मा^-12 ए)।

चित्रा 2 - p च्यानल च्यानल MOSFET

चितवन 2 चित्रा 1 को तुलनात्मक छ, बाहेक हामीले हामीले परिवर्तन गरेका छौं n-च्यानल गिरावट MOSFET एक p-चेतन गिरावट MOSFET।

यो n-च्यानल वृद्धि MOSFET चित्रा 3 मा सर्किट प्रतीकको साथमा चित्रण गरिएको छ। यो क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर को सबै भन्दा सामान्य रूप मा प्रयोग गरिन्छ।

चित्रा 3 - एन-च्यानल वृद्धि MOSFET

यो n-च्यानल वृद्धि MOSFET हटाउने MOSFET बाट पतली छैन फरक छ n-रेयर। यसलाई गेट र च्यानल स्थापित गर्न स्रोत बीच एक सकारात्मक भोल्टेज आवश्यक पर्दछ। यो च्यानल एक गेट-से-स्रोत भोल्टेजको कार्य द्वारा गठित गरिएको छ, v_GS, जो बीच को सब्सट्रेट क्षेत्र देखि इलेक्ट्रनिक्स को आकर्षित गर्दछ nडप गरिएको नाली र स्रोत। सकारात्मक v_GS अक्साइड परत को तल सतह मा संचित गर्न इलेक्ट्रन्स को कारण बनता छ। जब भोल्टेज थ्रेसहोल्ड पुग्छ, V_T, यो क्षेत्र को संचालन गर्न को लागी यस क्षेत्र को लागि पर्याप्त इलेक्ट्रनिक्स आकर्षित हो n-चैनल। कुनै सराहनीय नाली हाल, i_D सम्म अवस्थित छ v_GS बढ्छ V_T.

चितवन 4 चित्रा 3 को तुलनात्मक छ, बाहेक हामीले हामीले परिवर्तन गरेका छौं n- एक वृद्धि को लागि MOSFET वृद्धि p-च्यानल वृद्धि MOSFET।

चितवन 4 - पी च्यानल वृद्धि MOSFET

सारांशको रूपमा, MOSFET परिवारले पहिचानको प्रदर्शन गर्दछ i_D विरुद्ध v_GS चित्रा 5 मा देखा पर्दछ। प्रत्येक विशेषता विशेषता वक्र पर्याप्त ड्रेन-स्रोत भोल्टेजको साथ विकसित गरिएको छ v_DS उपकरण को सामान्य परिचालन क्षेत्र मा राखन को लागी i_D विरुद्ध v_DS वक्र। पछिका खण्डहरूमा छलफलले थ्रेसहोल्ड भोल्टेज परिभाषित गर्नेछ V_T दुवै वृद्धि MOSFETs र घटाउने MOSFETs को लागि।

चित्र - - i_D विरुद्ध v_GS पर्याप्त नाली स्रोत भोल्टेज को लागि MOSFET परिवार को विशेषताहरु V_DS

2.1 संवर्धन मोड MOSFET टर्मिनल लक्षण

अब जब हामी MOSFET को संचालनका लागि आधारभूत संरचना र आधार प्रस्तुत गर्‍यौं, हामी वृद्धि मोड-मोड उपकरणको टर्मिनल व्यवहार जाँच गर्न एक दृष्टिकोण प्रयोग गर्छौं। आउनुहोस्, चित्र १ बाट केही सामान्य अवलोकन गरौं। MOSFET मा प्रवाहको सामान्य प्रवाहको बारेमा सोच्नुहोस् नालीबाट स्रोतमा (बीजेटीमा जस्तै, यो स collect्कलनकर्ता र इमिटरको बीचमा छ)। जस्तै npn BJT, दुई फिर्ता-ब्याक डायोडहरू निकास र स्रोतबीच अवस्थित छन्। यसैले, हामीले नाली र स्रोत बीचको प्रवाहलाई अनुमति दिन गेटमा बाह्य वोल्टेजहरू लागू गर्नुपर्छ।

यदि हामी स्रोतलाई आधार बनाउँछौं, र गेटमा सकारात्मक भोल्टेज लागू गर्नुहोस्, त्यो भोल्टेज प्रभावी रूपमा गेट-देखि-स्रोत भोल्टेज हुन्छ। सकारात्मक ढोका भोल्टेजले इलेक्ट्रोन्सलाई आकर्षित गर्छ र प्वाल हटाउँछ। जब भोल्टेज थ्रेसहोल्ड भन्दा बढी छ (V_T), पर्याप्त मात्रा को निकास र स्रोत को बीच एक आचरण च्यानल को रूप मा आकर्षित गर्न को लागी आकर्षित हुन्छन्। यस बिंदु मा, ट्रांजिस्टर चालू हुन्छ र वर्तमान दुवै को एक प्रकार्य हो v_GS र v_DS। यो स्पष्ट हुनुपर्छ V_T एक को लागि एक सकारात्मक संख्या हो n- उपकरण उपकरण, र एक को लागि एक नकारात्मक संख्या p- उपकरण उपकरण।

एकपटक एकपटक सिर्जना गरिएको बेला (जस्तै, v_GS>V_T), हालको प्रवाह निकास र स्रोत बीचको च्यानलमा हुन सक्छ। यो हालको प्रवाह मा निर्भर गर्दछ v_DS, तर यो पनि निर्भर गर्दछ v_GS। कहिले v_GS केवल मुश्किल देखि threshold भोल्टेज देखि अधिक छ, धेरै कम वर्तमान वर्तमान प्रवाह गर्न सक्छन्। जस्तै v_GS थ्रेसहोल्ड भन्दा बढी बढ्छ, च्यानलले थप क्यारियरहरू र उच्च धाराहरू सम्भव छन्। चितवनका अध्यक्ष डा i_D र v_DS जहाँ v_GS एक प्यारामिटर हो। यसका लागि नोट गर्नुहोस् v_GS सीमा भन्दा कम, कुनै हाल प्रवाह छैन। उच्चको लागि v_GS, बीच सम्बन्ध i_D र v_DS लगभग रैखिक संकेत छ कि MOSFET एक अवरोध जस्तै व्यवहार गर्दछ व्यवहार जसको प्रतिरोध मा निर्भर गर्दछ v_GS.

चित्रा 6 -i_D विरुद्ध v_DS एक वृद्धि मोडको लागि nजब MOSFET v_DS सानो छ

सीधा रेखाहरु जस्तै चित्रा 6 देखो को घटता। यद्यपि, तिनीहरू सिधा रेखाहरु को रूप मा जारी नहीं हुनेछ जब v_DS ठूलो हुन्छ। सम्झौता च्यानल सिर्जना गर्न सकारात्मक गेट वोल्टेज प्रयोग गरिन्छ भनेर याद गर्नुहोस्। यो इलेक्ट्रोन्सहरू आकर्षित गरेर यो गर्छ। सकारात्मक निकास भोल्टेज एउटै कुरा गर्दैछ। जब हामी च्यानलको नाली अन्तमा पुग्छौं, भोल्टेजले च्यानलको दृष्टिकोण सिर्जना गर्दछ v_GS-v_DS किनकी दुई स्रोतहरु एक-दूसरेको विरोध गर्छन्। जब यो फरक फरक छ V_Tस्रोत र नालीबीच सम्पूर्ण स्पेसको लागि च्यानल अब अवस्थित छैन। च्यानल हो विचलित नालीको अन्त्यमा, र थप बढ्छ v_DS कुनै पनि वृद्धिमा परिणाम नगर्नुहोस् i_D। यो सामान्य परिचालन क्षेत्रको रूपमा चिनिन्छ वा संतृप्ति क्षेत्र 7 मा देखाइएको क्षेत्र विशेषता curves को क्षैतिज सेक्शन। जब फरक भन्दा ठूलो छ V_T, हामी यो कल गर्छौं ट्रयाड गर्नुहोस् मोड, किनभने सबै तीन टर्मिनलहरूको सम्भाव्यताले हाललाई प्रभाव पार्छ।

अघिल्लो छलफल चित्रा 7 को अपरेसन वक्रहरूमा जान्छ।

चित्रा 7 -i_D विरुद्ध v_GS वृद्धिको लागि MOSFET मोड

ट्रयाड 7 मा ड्यास गरिएको रेखाको रूपमा देखाइएको ट्रयाडको र सामान्य परिचालन क्षेत्र (संतृप्ति क्षेत्रको रूपमा पठाइएको र प्रायः चुम्बन बन्द मोडमा अपरेसनको रूपमा उल्लेख गरिएको) बीचको संक्रमण

(1)

ट्रयाड क्षेत्र सीमानामा, कभरको घुटने लगभग सम्बन्ध पछ्याउँछ,

(2)
समीकरणमा (2), K एक दिइएको यन्त्रको लागि निरन्तरता हो। यसको मूल्य उपकरणको आयामहरूमा र यसको निर्माणमा प्रयोग गरिएको सामग्रीमा निर्भर गर्दछ। निरन्तर द्वारा दिइन्छ,

(3)
यस समीकरणमा, μ_n इलेक्ट्रन गतिशीलता हो; C_{अक्साइड}, अक्साइड समाईन्छ, गेटको प्रति एकाइ क्षेत्र हो। W ढोकाको चौडाई हो; L ढोकाको लम्बाइ हो। समीकरणले एक जटिल र nonlinear सम्बन्ध बीचको सम्बन्धलाई संकेत गर्दछ i_D र दुई भोल्टेज, v_DS र v_GS। चूंकि हामी वर्तमानमा रेखांकनको साथ फरक फरक गर्न चाहन्छौ v_GS (आन्तरिक v_DS), FET सामान्यतया ट्रयाड क्षेत्रमा प्रयोग गरिएको छैन।

अब हामी संतृप्ति घटाउको संतृप्ति क्षेत्रमा समीकरण खोज्न चाहन्छौं। हामी संक्रमण (घुटने) मा समीकरण (2) को मूल्यांकन गरेर ट्राडओड र संतृप्ति क्षेत्र को बीच संक्रमण मा मान स्थापित गर्न सक्छन्। त्यो छ,

(4)
यो समीकरण सीमामा हालको ड्रेनको परिमाण स्थापित गर्दछ (चित्रा 8 मा ड्यास गरिएको लाइन) को गेट-देखि-स्रोत भोल्टेजको प्रकार्यको रूपमा v_GS। यदि आवश्यक छ भने, हामी एक लचीला कारक जोडेर संतृप्ति क्षेत्रमा विशेषता वक्रहरूको सानो ढलानको लागि खाता बनाउन सक्नुहुन्छ।

(5)
समीकरण (5) मा, λ एक सानो निरन्तर हो (चित्रा 8 मा देखाईएको विशेषता घट्ने नजिकको क्षैतिज सेक्शन को ढलान)। सामान्यतया 0.001 (V^-1)। त्यसपछि

(6)

हाम्रो सबै अघिल्लो छलफल एनएमओएस ट्रांजिस्टरसँग सम्बन्धित छ। अहिले हामी PMOS को लागि आवश्यक परिमार्जनहरु लाई संक्षेप मा चर्चा गर्दछौं। PMOS को लागि, को मान v_DS नकारात्मक हुनेछ। यसको अतिरिक्त, PMOS मा एक च्यानल सिर्जना गर्न, .

चित्रा 8 - MOSFET ट्रांजिस्टरको टर्मिनल विशेषताहरू

एनएमओएस ट्रांजिस्टर्स (चित्रा 7) को विशेषताहरु बाट मात्र परिवर्तन हो कि क्षैतिज अक्ष अब -v_DSयसको सट्टा + v_{डी एस,}र पैरामीट वक्रहरु को उच्च नाली वर्तमान को रूप मा गेट भोल्टेज कम हुन्छ (NMOS ट्रांजिस्टर को लागि बढन को रूप मा) को प्रतिनिधित्व गर्छन। हालको मानहरू बढ्नको लागि घटनेहरू बढी नकारात्मक ढोका भोल्टेजसँग तुलना गर्दछ। कहिले v_GS> V_Tट्रांजिस्टर काटिएको छ। वृद्धि PMOS को लागि, V_T नकारात्मक छ, र PMOS को कमी को लागि, V_T सकारात्मक छ।

PMOS ट्रान्जिस्टरका लागि ट्रयाड क्षेत्र संक्रमणमा हालको लागि समीकरण एनएमओएसको समान छ। त्यो छ,

(7)
कि नोट v_GS र v_DS दुवै नकारात्मक मात्रा हो। PMOS ट्रांजिस्टरमा संतृप्ति क्षेत्रको समीकरण एनएमओएसको समान हो। त्यो छ,

(8)

कि नोट λ PMOS ट्रांजिस्टरका लागि नकारात्मक हो किनकि वक्रको परिवर्तनको दर () नकारात्मक छ।

आदरको साथ समीकरण (6) को दुवै पक्षहरूको आंशिक व्युत्पन्न लिँदै v_GS, , हामीले पायौ

(9)
हामी मूल्यलाई मन पर्छौं g_m विशेष रूपमा ठूलो सिग्नल स्विंगको लागि। तथापि, हामी साना सिग्नल अनुप्रयोगहरूको लागि FET प्रयोग गर्छौं भने मात्र यो शर्त अनुमान गर्न सक्दछौं। ठूलो सिग्नल सर्तहरूको लागि, waveform को विरूपण केही अनुप्रयोगहरूमा अस्वीकार्य हुन सक्छ।

2.2 मेटाउने मोड MOSFET

अघिल्लो सेक्शनले वृद्धि-मोड MOSFET सँग निलम्बित गर्यो। हामी अब यो अपिलेशन मोड MOSFET लाई यसको विपरीत गर्दछौं। लागि n- च्यानल वृद्धि मोड, एक च्यानल प्राप्त गर्न को लागी हामीले गेटमा सकारात्मक भोल्टेज लागू गर्यौं। यो भोल्टेज एक प्रेरित च्यानल मा वर्तमान उत्पादन गर्न पर्याप्त संख्या को मोबाइल इलेक्ट्रोन्स को बल गर्न को लागी पर्याप्त हुनु पर्छ।

चित्रा 9 - मेटाउने मोड एन च्यानल MOSFET

मा n- च्यानल खाली अभाव मोड MOSFET, हामीलाई यो सकारात्मक भोल्टेज चाहिदैन किनकि हामीसँग एक शारीरिक रूपमा प्रत्यारोपित च्यानल छ। यसले हामीलाई ड्रेन र स्रोत टर्मिनलहरूको बीचमा गेटमा नकारात्मक भोल्टेजेस सहित लागू गर्न अनुमति दिन्छ। अवश्य पनि, त्यहाँ नकारात्मक भोल्टेजको मात्राको सीमा छ जुन ढोकामा लागू गर्न सकिन्छ जबकि अझै पनि ड्रेन र स्रोतको बीचमा हालको प्रवाह छ। यो सीमा फेरि थोरेशोल्ड भोल्टेजको रूपमा पहिचान गरियो, V_T। वृद्धि मोडबाट परिवर्तन यो हो कि गेट-टु-स्रोत भोल्टेज अब या त नकारात्मक वा सकारात्मक हुन सक्छ, चित्र in मा देखाइए जस्तै।

अपिलेशन मोडको संचालन परिभाषित समीकरणहरूले MOSFET बढाव मोडको लागि धेरै समान छन्। नालीको मूल्य हालको बेला v_GS शून्य को रूपमा पहिचान गरिएको छ I_DSS। यो प्राय: को रूपमा उल्लेख गरिन्छ ड्रेन-स्रोत संतृप्ति हालवा शून्य - गेट ड्रेन वर्तमान। कमजोरी मोडको साथ वृद्धि-मोड MOSFET को समीकरण तुलना, हामी फेला पार्छौं

(10)

त्यसपछि हामी भेट्ट्यौं,

(11)

मेटाउने मोड MOSFET हरू असाइनमेन्ट फारममा उपलब्ध छन्, वा तिनीहरू एकीकृत सर्किट चिप्समा सहि तरिकाले सुधार मोड मोड प्रकारहरूसँग बनाइन्छ। यसमा दुवै समावेश छ pटाइप गर्नुहोस् र nटाइप गर्नुहोस्। यसले सर्किट डिजाइन प्रविधिहरूमा बढी लचीलापन दिन्छ।

2.3 ठूलो-सिग्नल बराबर सर्किट

अब हामी समतुल्य सर्किट विकसित गर्न चाहन्छौं जुन चित्रा 8 [समीकरण (5) वा (8)] को संतृप्ति क्षेत्रमा ठूलो सिग्नल विशेषताहरू प्रतिनिधित्व गर्दछ। ध्यान दिनुहोस् कि नाली हाल, i_D, भर पर्छ v_GS र v_DS। स्थिर गेट-टु-सोर्स भोल्टेजका लागि हामी फिगरको प्यारामेट्रिक कर्भमा एक अपरेट गर्दछौं र सम्बन्ध लगभग सिधा रेखा हो। हालको र भोल्टेज बीचको एक सीधा रेखा सम्बन्ध एक प्रतिरोधकर्ता द्वारा मोडल गरिएको छ। समतुल्य सर्किटले वर्तमान स्रोतसँग समानान्तरमा एक रेसिस्टर समावेश गर्दछ जहाँ वर्तमान स्रोतको मानले ड्रेनको अंश स्थापना गर्दछ। v_GS। वक्र को ढलान निर्भर गर्दछ v_GS। ढलान आंशिक व्युत्पन्न हो,

(12)

जहाँ r₀ वृद्धिशील उत्पादन प्रतिरोध हो। हामी समीकरणबाट देख्दछौं ((5) वा (8)] जुन यो प्रतिरोधद्वारा दिइएको छ

(13)

जहाँ हामी उच्च-केस प्रयोग गर्दछौं V_GS संकेत गर्नुहोस् कि प्रतिरोध गेट-देखि-स्रोत भोल्टेजको निश्चित निरन्तर मानको लागि परिभाषित गरिएको छ। समीकरणमा (13) समीकरणमा अन्तिम अनुमानित परिणामको साथ समीकरण (5) बाट परिणाम λ सानो छ। यसैले प्रतिरोध अल्पसंख्यक पूर्वाग्रहको अनुपात हो, I_D। ठूलो सिग्नल समतुल्य मोडेल त्यसपछि चित्रा 11 द्वारा दिइएको छ जहाँ r₀ को रूप मा समीकरण (13) मा विकसित गरिएको छ।

चित्रा 11 - ठूलो सिग्नल बराबर सर्किट

2.4 MOSFET को सानो सिग्नल मोडेल

अब हामी समीकरण संग सम्बन्धित वृद्धिशील प्रभावहरु लाई हेर्न चाहन्छौं। त्यो समीकरणमा तीन सर्किट प्यारामिटर, i_D, v_GS र v_DS दुवै भन्दा बनाइएका छन् dc (पूर्वाग्रह) र ac घटक (यसैले हामीले अभिव्यक्तिमा माथिल्लो मामला सब्सक्रिप्टहरू प्रयोग गरेका छौं)। हामी मा रूचि राख्छौं ac सानो सिग्नल मोडेलको लागि घटक। हामी देख्छौं कि डुङ्गा हाल दुई वोल्टेज, गेट-देखि-स्रोत र नाली-स्रोतमा निर्भर छ। वृद्धिशील मानहरूको लागि, हामी यो सम्बन्धको रूपमा लेख्न सक्छौं

(14)
समीकरण (14) मा, g_m is अगाडी ट्रान्सक्रिप्शन र r₀ उत्पादन प्रतिरोध हो। तिनीहरूको मूल्यहरू समीकरण (5) मा आंशिक डेरिभेटिभहरू लिइरहेको पाइन्छ। यसैले,

(15)
समीकरणमा सङ्कलन (15) अवलोकन जुन परिणामबाट λ यदि सानो छ। समीकरण (14) चित्रा 12 को सानो सिग्नल मोडेल हो।

चित्रा 12 - सानो संकेत MOSFET मोडेल

PREVIOUS- 1। FET को लाभ र हानिकारक

NEXT- 3। जंक्शन फिल्ड-प्रभाव ट्रांजिस्टर (JFET)