2. Metaaloxide Halfgeleider-FET (MOSFET)

Metaaloxide Halfgeleider-FET (MOSFET)

De metaal-oxide halfgeleider-FET (MOSFET) is een apparaat met vier aansluitingen. De terminals zijn de bron (S), poort (G) en afvoer (D). De substraat or lichaam vormt de vierde terminal. De MOSFET is geconstrueerd met de gate-aansluiting geïsoleerd van het kanaal met een siliciumdioxide diëlektricum. MOSFET's kunnen beide zijn uitputting or uitbreidingsmodus. We definiëren deze twee voorwaarden binnenkort.

MOSFET: uitputting van n-kanalen

Afbeelding 1 - NOS-uitputting MOSFET

MOSFET's worden soms IGFET's (Insulated Gate Field-Effect Transistors) genoemd vanwege het SiO2 laag gebruikt als een isolator tussen de poort en het substraat. We beginnen onze analyse met de uitputtingmodus-MOSFET. Net zoals BJT's dat ook kunnen zijn nPN or PNP, MOSFET's kunnen beide zijn n-kanaal (NMOS) of p-kanaal (PMOS). Figuur 1 illustreert de fysieke structuur en symbool voor een nkanaaluitputting MOSFET. Merk op dat het substraat is verbonden met de bronterminal. Dit zal bijna altijd het geval zijn.

De uitputting MOSFET is opgebouwd met een Fysiek kanaal geplaatst tussen de afvoer en de bron. Als gevolg hiervan, wanneer een spanning, vDS, wordt toegepast tussen afvoer en bron, een stroom, iD, bestaat tussen afvoer en bron, ook al blijft poorteinde G niet verbonden (vGS = 0 V).

De constructie van de n-kanaals depletie MOSFET begint met pgedoteerd silicium. De n- gedopeerde bron- en afvoerputten vormen verbindingen met lage weerstand tussen de einden van de n-kanaal, zoals getoond in de figuur 1. Een dunne laag siliciumdioxide wordt afgezet die het gebied tussen de bron en de afvoer bedekt. Het SiO2 is een isolator. Een aluminiumlaag wordt afgezet op de siliciumdioxide-isolator om de poortterminal te vormen. In bedrijf, een negatief vGS duwt elektronen uit het kanaalgebied, waardoor het kanaal wordt uitgeput. Wanneer vGS bereikt een bepaald voltage, VT, het kanaal is afgeknepen. Positieve waarden van vGS vergroot de kanaalafmetingen, wat resulteert in een toename van de afvoerstroom. De uitputting MOSFET kan werken met positieve of negatieve waarden van vGS. Omdat de poort is geïsoleerd van het kanaal, is de poortstroom verwaarloosbaar klein (in de volgorde 10-12 EEN).

MOSFET: uitputting van p-kanalen

Figuur 2 - MOSFET met p-kanaaldepletie

Figuur 2 is vergelijkbaar met figuur 1, behalve dat we het n-kanaals depletie van MOSFET naar a pkanaaluitputting MOSFET.

De n-kanaalverbetering MOSFET wordt geïllustreerd in figuur 3 samen met het circuitsymbool. Dit is de meest gebruikte vorm van een veldeffecttransistor.

n-kanaalsverhoging MOSFET

Afbeelding 3 - MOSFET voor n-kanaalverbetering

De n-kanaalsversterking MOSFET verschilt van de depletie MOSFET door het niet hebben van de dunne n-laag. Het vereist een positieve spanning tussen de poort en de bron om een ​​kanaal tot stand te brengen. Dit kanaal wordt gevormd door de werking van een positieve gate-to-source-spanning, vGS, die elektronen trekt uit het substraatgebied tussen de ngedoteerde afvoer en de bron. Positief vGS zorgt ervoor dat elektronen zich ophopen op het oppervlak onder de oxidelaag. Wanneer de spanning een drempel bereikt, VT, voldoende aantallen elektronen worden aangetrokken door dit gebied om het als een geleider te laten werken n-kanaal. Geen noemenswaardige afvoerstroom, iD bestaat tot vGS overschrijdt VT.

Figuur 4 is vergelijkbaar met figuur 3, behalve dat we het n-kanaalsversterking MOSFET naar a p-kanaalsversterking MOSFET.

p-kanaalsversterking MOSFET

Figuur 4 - MOSFET voor p-kanaalverbetering

Samengevat toont de MOSFET-familie de identificatie iD tegen vGS curven weergegeven in figuur 5. Elke karakteristieke curve is ontwikkeld met voldoende drain-source voltage vDS  om het apparaat in de normale bedieningsregio van de iD tegen vDS curves. De discussie in latere secties zal de drempelspanning definiëren VT voor zowel enhancement MOSFET's als MOSFET's met uitputting.

Figuur 5 -  iD tegen vGS kenmerken van de MOSFET-familie voor voldoende afvoerbronspanning VDS

2.1 Enhancement-modus MOSFET-klemkarakteristieken

Nu we de basisstructuur en basis voor de werking van de MOSFET hebben gepresenteerd, gebruiken we een benadering om het terminalgedrag van het enhancement-mode-apparaat te onderzoeken. Laten we eerst een aantal algemene opmerkingen maken uit figuur 1. Denk aan de normale stroom van stroom in de MOSFET als zijnde van de afvoer naar de bron (net als in de BJT is deze tussen collector en emitter). Net als bij de nPN BJT, er zijn twee back-to-back diodes tussen drain en source. Daarom moeten we externe spanningen op de poort toepassen om de stroom tussen de afvoer en de bron te laten stromen.

Als we de bron aarden en een positieve spanning op de poort toepassen, is die spanning in feite de poort-naar-bronspanning. De positieve poortspanning trekt elektronen aan en stoot gaten af. Wanneer het voltage de drempel overschrijdt (VT), voldoende elektronen worden aangetrokken om een ​​geleidend kanaal te vormen tussen afvoer en bron. Op dit punt gaat de transistor aan en is de stroom een ​​functie van beide vGS en vDS. Het moet duidelijk zijn dat VT is een positief getal voor een n-kanaals apparaat en een negatief getal voor a p-kanaals apparaat.

Zodra een kanaal is gemaakt (dwz vGS >VT), kan er in dat kanaal stroming optreden tussen afvoer en bron. Deze stroomsterkte is afhankelijk van vDS, maar het hangt er ook van af vGS. Wanneer vGS net nauwelijks de drempelspanning overschrijdt, kan zeer weinig stroom vloeien. Zoals vGS stijgt voorbij de drempel, het kanaal bevat meer dragers en hogere stromen zijn mogelijk. Figuur 6 toont de relatie tussen iD en vDS WAAR vGS is een parameter. Merk op dat voor vGS minder dan de drempel, stroomt er geen stroom. Voor hoger vGS, de relatie tussen iD en vDS is ongeveer lineair, wat aangeeft dat de MOSFET zich gedraagt ​​als een weerstand waarvan de weerstand afhangt vGS.

Figuur 6 -iD tegen vDS voor een uitbreidingsmodus n-kanaal MOSFET wanneer vDS is klein

De curven van figuur 6 zien eruit als rechte lijnen. Ze gaan echter niet verder als rechte lijnen wanneer vDS wordt groter. Herinner dat een positieve poortspanning wordt gebruikt om het geleidingskanaal te creëren. Het doet dit door elektronen aan te trekken. De positieve afvoerpanning doet hetzelfde. Als we het draadeinde van het kanaal naderen, nadert de spanning die het kanaal creëert vGS-vDS omdat de twee bronnen tegen elkaar zijn. Wanneer dit verschil kleiner is dan VT, het kanaal bestaat niet langer voor de volledige ruimte tussen bron en afvoer. Het kanaal is gedwongen aan het drageinde, en neemt verder toe in vDS niet resulteren in een toename in iD. Dit staat bekend als de normale bedieningsregio of verzadiging regio weergegeven in figuur 7 door de horizontale sectie van de karakteristieke curven. Wanneer het verschil groter is dan VT, we noemen dit het triode modus, omdat de potentialen op alle drie de terminals de stroom sterk beïnvloeden.

De voorgaande discussie leidt tot de bedieningsgrafieken van figuur 7.

Figuur 7 -iD tegen vGS voor een MOSFET met uitbreidingsmodus

De overgang tussen de triode en de normale bedieningsregio (waarnaar wordt verwezen als het verzadigingsgebied en vaak wordt geïdentificeerd als bewerking in de afknijpmodus) van de bewerking wordt weergegeven als de stippellijn in afbeelding 7, waar


(1)

Bij de rand van het triode-gebied volgen de knieën van de bochten ongeveer de relatie,


(2)
In vergelijking (2) is K een constante voor een bepaald apparaat. De waarde ervan hangt af van de afmetingen van het apparaat en de materialen die bij de constructie zijn gebruikt. De constante wordt gegeven door


(3)
In deze vergelijking, μn is de elektronenmobiliteit; Coxydede oxidecapaciteit, is de capaciteit per oppervlakte-eenheid van de poort; W is de breedte van de poort; L is de lengte van de poort. Vergelijking geeft een gecompliceerde en niet-lineaire relatie aan tussen iD en de twee spanningen, vDS en vGS. Omdat we willen dat de afvoerstroom ongeveer lineair varieert met vGS (onafhankelijk van vDS), wordt de FET in het algemeen niet gebruikt in het triodegebied.

We willen nu een vergelijking vinden voor de bedrijfskrommen in het verzadigingsgebied. We kunnen de waarden vaststellen bij de overgang tussen het triode- en saturatiegebied door Equation (2) bij de overgang (knie) te evalueren. Dat is,


(4)
Deze vergelijking bepaalt de grootte van de afvoerstroom op de grens (stippellijn in afbeelding 8) als een functie van de poort-naar-bronspanning vGS. Indien nodig kunnen we rekening houden met de lichte helling van de karakteristieke curven in het verzadigingsgebied door een lineaire factor toe te voegen.


(5)
In vergelijking (5), λ is een kleine constante (de helling van de bijna horizontale sectie van de karakteristieke curven weergegeven in figuur 8). Het is meestal minder dan 0.001 (V-1). Dan


(6)

Al onze eerdere besprekingen hadden betrekking op de NMOS-transistor. We bespreken nu kort de noodzakelijke aanpassingen voor PMOS. Voor PMOS, de waarden van vDS zal negatief zijn. Bovendien, om een ​​kanaal in PMOS te maken, .

Figuur 8 - Eindkarakteristieken van een MOSFET-transistor

De enige verandering ten opzichte van de karakteristieken van NMOS-transistoren (figuur 7) is dat de horizontale as nu -v isDS in plaats van + vDS, en de parametrische curves vertegenwoordigen een hogere afvoerstroom naarmate de poortspanning daalt (in plaats van te verhogen voor de NMOS-transistor). De curven voor het verhogen van de stroomwaarden komen overeen met een meer negatieve poortspanning. Wanneer vGS > VT, de transistor is uitgeschakeld. Voor PMOS-verbeteringen, VT is negatief, en voor uitputting van PMOS, VT is positief.

De vergelijking voor de stroom bij de overgang van de triode-regio voor de PMOS-transistor is identiek aan die van de NMOS. Dat is,


(7)
Merk op dat vGS en vDS zijn beide negatieve hoeveelheden. De vergelijking voor het verzadigingsgebied in de PMOS-transistor is ook identiek aan die van de NMOS. Dat is,


(8)

Merk op dat λ is negatief voor PMOS-transistoren sinds de veranderingssnelheid van de curve () is negatief.

De partiële afgeleide van beide zijden van Vergelijking (6) ten opzichte van gebruiken vGS, , we krijgen


(9)
Wij geven de voorkeur aan de waarde van gm om constant te zijn, vooral voor grote signaalschommelingen. We kunnen deze voorwaarde echter alleen benaderen als we de FET gebruiken voor kleine signaaltoepassingen. Voor grote signaalcondities kan vervorming van de golfvorm in sommige toepassingen onaanvaardbaar zijn.

2.2 Depletion-mode MOSFET

Het vorige gedeelte behandelde de MOSFET met de verbeterde modus. We stellen dit nu tegenover de MOSFET met uitputtingmodus. Voor de n-kanaalverbeteringsmodus, om een ​​kanaal te verwerven moesten we een positieve spanning op de poort toepassen. Deze spanning moest groot genoeg zijn om voldoende aantallen mobiele elektronen te dwingen een stroom te produceren in een geïnduceerd kanaal.

Figuur 9 - Depletion-modus n-kanaal MOSFET

In het n-channel depletion-mode MOSFET, we hebben deze positieve spanning niet nodig omdat we een fysiek geïmplanteerd kanaal hebben. Hierdoor kunnen we stroom hebben tussen de afvoer- en source-aansluitingen, zelfs als er negatieve spanningen op de poort worden toegepast. Natuurlijk is er een limiet aan de hoeveelheid negatieve spanning die op de poort kan worden toegepast terwijl er nog steeds stroom loopt tussen afvoer en bron. Deze limiet wordt opnieuw geïdentificeerd als de drempelspanning, VT. De verandering ten opzichte van de verbeteringsmodus is dat de gate-to-source-spanning nu negatief of positief kan zijn, zoals weergegeven in afbeelding 9.

De vergelijkingen die de werking van de depletiemodus-MOSFET definiëren, lijken veel op die van de uitbreidingsmodus. De waarde van de afvoerstroom wanneer vGS is nul is geïdentificeerd als IDSS. Dit wordt vaak de drain-source verzadigingsstroomOf de zero-gate afvoerstroom. Vergelijken we de vergelijkingen van de MOSFET met de verbeterde modus met die van de uitputtingsmodus, dan vinden we dat


(10)

We vinden dan,


(11)

Depletion-modus MOSFET's zijn beschikbaar in afzonderlijke vorm, of ze kunnen worden gefabriceerd op chips met geïntegreerde schakelingen, samen met typen met verbeterde modus. Dit omvat beide ptype en n-type. Dit biedt meer flexibiliteit bij het ontwerpen van schakelingen.

2.3 Groot-signaalsequivalent circuit

We willen nu een equivalent circuit ontwikkelen dat de grote signaalkarakteristieken van Figuur 8 [Vergelijking (5) of (8)] in het verzadigingsgebied weergeeft. Merk op dat de afvoerstroom, iD, hangt af van vGS en vDS. Voor een constante gate-to-source-spanning werken we volgens een van de parametrische curven van de figuur, en de relatie is een ongeveer rechte lijn. Een rechtlijnige relatie tussen stroom en spanning wordt gemodelleerd door een weerstand. Het equivalente circuit bestaat daarom uit een weerstand parallel aan de stroombron, waarbij de waarde van de stroombron het deel van de afvoerstroom bepaalt als gevolg van vGS. De helling van de curve is afhankelijk van vGS. De helling is de gedeeltelijke afgeleide,


(12)

WAAR r0 is de incrementele uitvoerweerstand. We zien uit Vergelijking [(5) of (8)] dat deze weerstand wordt gegeven door


(13)

waar we hoofdletters gebruiken VGS om aan te geven dat de weerstand is gedefinieerd voor een bepaalde constante waarde van gate-to-source-spanning. De uiteindelijke benadering in vergelijking (13) is het resultaat van vergelijking (5) met de aanname dat λ is klein. De weerstand is daarom omgekeerd evenredig met de biasstroom, ID. Het grote signaalequivalentmodel wordt dan gegeven door figuur 11 waar r0 is zoals ontwikkeld in Vergelijking (13).

Figuur 11 - Groot-signaalsequivalent circuit

2.4 Klein-signaalmodel van MOSFET

We willen nu kijken naar incrementele effecten gerelateerd aan Vergelijking. De drie circuitparameters in die vergelijking, iD, vGS en vDS zijn samengesteld uit beide dc (bias) en ac componenten (daarom hebben we subscribe van hoofdletters in de expressies gebruikt). Wij zijn geïnteresseerd in de ac componenten voor het kleinsignaalmodel. We zien dat de afvoerstroom afhankelijk is van twee spanningen, de gate-source en de drain-source. Voor incrementele waarden kunnen we deze relatie als schrijven


(14)
In vergelijking (14), gm is de voorwaartse transconductantie en r0 is de uitgangsweerstand. Hun waarden worden gevonden door deelderivaten te nemen in Vergelijking (5). Dus,


(15)
De benadering in vergelijking (15) is het resultaat van de waarneming dat λ als klein. Vergelijking (14) leidt naar het kleinsignaalmodel van figuur 12.

Figuur 12 - MOSFET-model met klein signaal