2. Metall-oksid halvleder FET (MOSFET)

Metall-oksyd halvleder FET (MOSFET)

Metall-oksyd halvleder FET (MOSFET) er en fire terminal enhet. Terminaler er kilde (S), port (G) og avløp (D). De substrat or kroppen danner den fjerde terminalen. MOSFET er konstruert med portterminalen isolert fra kanalen med en dioksidisk dioksyddioksyd. MOSFET kan også være uttømming or forbedringsmodus. Vi definerer disse to begrepene kort tid.

Figur 1 - n-kanalutslipp MOSFET

MOSFETs blir noen ganger referert til som IGFETs (Isolerte Gate Field Effect Effect Transistors) på grunn av SiO₂ lag som brukes som isolator mellom porten og underlaget. Vi starter vår analyse med utmattelsesmodus MOSFET. Akkurat som BJTs kan være enten npn or pnp, MOSFETer kan være enten nkanalen (NMOS) eller pkanalen (PMOS). Figur 1 illustrerer den fysiske strukturen og symbolet for en nKanalutslipp MOSFET. Legg merke til at substratet er koblet til kildeterminalen. Dette vil nesten alltid være tilfelle.

Utmattelsen MOSFET er konstruert med a fysisk kanal satt mellom dreneringen og kilden. Som et resultat, når en spenning, v_DS, brukes mellom drenering og kilde, en strøm, i_D, eksisterer mellom drenering og kilde, selv om portterminalen G forblir sammenkoblet (v_GS = 0 V).

Konstruksjonen av nKanalutslipp MOSFET begynner med p-doped silisium. De n-doped kilde- og dreneringsbrønner danner lavmotstandsforbindelser mellom endene av n-kanalen, som vist i figur 1. Et tynt lag silisiumdioksyd deponeres som dekker området mellom kilden og avløpet. SiO₂ er en isolator. Et aluminiumlag er avsatt på silisiumdioksydisolatoren for å danne portterminalen. I drift, en negativ v_GS skyver elektroner ut av kanalområdet, og derved tømmer kanalen. Når v_GS når en viss spenning, V_T, kanalen er klemmet av. Positive verdier av v_GS Øk kanalstørrelsen, noe som resulterer i en økning av avløpsstrømmen. Utmattelsen MOSFET kan operere med enten positive eller negative verdier av v_GS. Siden porten er isolert fra kanalen, er portstrømmen ubetydelig liten (på rekkefølgen av 10^-12 EN).

Figur 2 - p-kanal utmattelse MOSFET

Figur 2 er sammenlignbar med Figur 1, bortsett fra at vi har endret nKanalutslipp MOSFET til a pKanalutslipp MOSFET.

De n-kanalforbedring MOSFET er illustrert i figur 3 sammen med kretssymbolet. Dette er den mest brukte form for felt-effekt transistor.

Figur 3 - n-kanalforbedring MOSFET

De n-kanalforbedring MOSFET skiller seg fra utmattelsen MOSFET ved ikke å ha den tynne n-lag. Det krever en positiv spenning mellom porten og kilden for å etablere en kanal. Denne kanalen er dannet av virkningen av en positiv gate-til-kilde spenning, v_GS, som tiltrekker seg elektroner fra substratområdet mellom n-doped avløp og kilden. positiv v_GS forårsaker at elektroner samler seg på overflaten under oksidlaget. Når spenningen når en grense, V_T, tilstrekkelig antall elektroner er tiltrukket av denne regionen for å gjøre det til å fungere som en ledende n-kanal. Ingen merkbar dreneringsstrøm, i_D eksisterer til v_GS stiger V_T.

Figur 4 er sammenlignbar med Figur 3, bortsett fra at vi har endret n-kanalforbedring MOSFET til en p-kanalforbedring MOSFET.

Figur 4 - p-kanalforbedring MOSFET

Som oppsummering viser MOSFET-familien identifikasjonen i_D versus v_GS kurver vist i figur 5. Hver karakteristisk kurve er utviklet med tilstrekkelig drenekilde spenning v_DS for å opprettholde enheten i det normale driftsområdet til i_D versus v_DS kurver. Diskusjonen i senere avsnitt vil definere terskelspenningen V_T for både forbedring MOSFETer og uttømming MOSFETer.

Figur 5 - i_D versus v_GS Egenskaper for MOSFET-familien for tilstrekkelig drenekildespenning V_DS

2.1 Enhancement-Mode MOSFET Terminal Egenskaper

Nå som vi har presentert den grunnleggende strukturen og grunnlaget for drift av MOSFET, bruker vi en tilnærming for å undersøke terminaloppførselen til enhancement-mode-enheten. La oss først gjøre noen generelle observasjoner fra figur 1. Tenk på den normale strømmen i MOSFET som fra avløpet til kilden (akkurat som i BJT, det er mellom samler og emitter). Som med npn BJT finnes to back-to-back dioder mellom drenering og kilde. Derfor må vi bruke eksterne spenninger til porten for å tillate strøm strømme mellom drenering og kilde.

Hvis vi maler kilden, og bruker en positiv spenning til porten, er spenningen effektivt gate-to-source spenningen. Den positive portspenningen tiltrekker seg elektroner og avviser hull. Når spenningen overskrider terskelen (V_T), er nok elektroner tiltrukket for å danne en ledende kanal mellom drenering og kilde. På dette tidspunktet slås transistoren på og strømmen er en funksjon av begge v_GS og v_DS. Det bør være klart at V_T er et positivt tall for en n-kanal-enheten, og et negativt tall for a pkanalenhet.

Når en kanal er opprettet (dvs. v_GS>V_T), kan nåværende strøm forekomme i den kanalen mellom drenering og kilde. Denne strømmen avhenger av v_DS, men det avhenger også av v_GS. Når v_GS bare knapt overskrider terskelspenningen, kan svært liten strøm strømme. Som v_GS øker utover terskelen, kanalen inneholder flere bærere og høyere strømmer er mulige. Figur 6 viser forholdet mellom i_D og v_DS hvor v_GS er en parameter. Merk at for v_GS mindre enn terskelen, strømmer ingen strøm. For høyere v_GS, forholdet mellom i_D og v_DS er omtrent lineær som indikerer at MOSFET oppfører seg som en motstand hvis motstand avhenger av v_GS.

Figur 6 -i_D versus v_DS for en forbedringsmodus n-kanal MOSFET når v_DS er liten

Kurvene i figur 6 ser ut som rette linjer. Imidlertid vil de ikke fortsette som rette linjer når v_DS blir større. Husk at en positiv gate spenning brukes til å opprette ledningskanalen. Det gjør dette ved å tiltrekke seg elektroner. Den positive dreneringsspenningen gjør det samme. Når vi nærmer oss kanalens avløpssone, nærmer spenningen som skaper kanalen v_GS-v_DS siden de to kildene motsetter seg hverandre. Når denne forskjellen er mindre enn V_T, kanalen eksisterer ikke lenger for hele rommet mellom kilde og drenering. Kanalen er begrenset ved avløpssiden, og ytterligere øker i v_DS ikke føre til noen økning i i_D. Dette er kjent som den normale driftsregionen eller metning regionen vist i figur 7 ved den horisontale delen av karakteristiske kurver. Når forskjellen er større enn V_T, vi kaller dette på triode modus, fordi potensialene i alle tre terminaler påvirker gjeldende strøm.

Den foregående diskusjonen fører til driftskurver i figur 7.

Figur 7 -i_D versus v_GS for en MOSFET-forbedringsmodus

Overgangen mellom trioden og den normale driftsregionen (referert til som metningsområdet og ofte identifisert som operasjon i klemme-modus) er vist som strekket i figur 7, hvor

(1)

På triodeområdet grenser, følger kurvenes knær omtrent forholdet,

(2)
I ligning (2) er K en konstant for en gitt enhet. Dens verdi avhenger av dimensjonene på enheten og materialene som brukes i konstruksjonen. Konstanten er gitt av,

(3)
I denne ligningen, μ_n er elektronmobilitet; C_oksid, oksidkapasitansen, er kapasitansen pr. enhetsareal av porten; W er bredden på porten; L er portens lengde. Ligning indikerer et komplisert og ikke-lineært forhold mellom i_D og de to spenningene, v_DS og v_GS. Siden vi ønsker å drenere nåværende, varierer det omtrent lineært med v_GS (uavhengig av v_DS), er FET vanligvis ikke brukt i triodeområdet.

Vi ønsker nå å finne en ligning for driftskurver i metningsområdet. Vi kan etablere verdiene ved overgangen mellom triode- og metningsregionen ved å evaluere Equation (2) ved overgangen (kneet). Det er,

(4)
Denne ligningen fastslår størrelsen på dreneringsstrømmen ved grensen (strekket linje i figur 8) som en funksjon av gate-to-source spenningen v_GS. Om nødvendig kan vi ta hensyn til den svake helling av karakteristiske kurver i metningsområdet ved å legge til en lineær faktor.

(5)
I ligning (5) λ er en liten konstant (hellingen til den nær horisontale delen av karakteristiske kurver vist i figur 8). Det er vanligvis mindre enn 0.001 (V^-1). Deretter

(6)

Alle våre tidligere diskusjoner handlet om NMOS transistoren. Vi diskuterer nå kort de nødvendige endringene for PMOS. For PMOS, verdiene for v_DS vil være negativ. I tillegg til å opprette en kanal i PMOS, .

Figur 8 - Terminalegenskaper for en MOSFET-transistor

De eneste endringene fra egenskapene til NMOS-transistorer (Figur 7) er at den horisontale akse er nå -v_DSi stedet for + v_DS,og parametriske kurver representerer høyere avløpstrøm når portspenningen reduseres (i stedet for å øke for NMOS transistoren). Kurvene for økende nåverdier tilsvarer mer negativ gate spenning. Når v_GS> V_T, transistoren er avskåret. For ekstrautstyr PMOS, V_T er negativ, og for utmattelse PMOS, V_T er positiv.

Likningen for nåværende ved trioderegionens overgang for PMOS-transistoren er identisk med den for NMOS. Det er,

(7)
Legg merke til at v_GS og v_DS er begge negative mengder. Likningen for metningsområdet i PMOS-transistoren er også identisk med NMOS. Det er,

(8)

Legg merke til at λ er negativ for PMOS transistorer siden hastigheten på endring av kurven () er negativ.

Tar det delvise derivatet av begge sider av Equation (6) med hensyn til v_GS, , vi får

(9)
Vi foretrekker verdien av g_m å være konstant, spesielt for store signal svinger. Vi kan imidlertid bare omtrentlige denne tilstanden hvis vi bruker FET for små signalapplikasjoner. For store signalforhold kan forvrengning av bølgeformen være uakseptabel i enkelte applikasjoner.

2.2 Depletion-Mode MOSFET

Den forrige delen omhandlet forbedringsmodus MOSFET. Vi kontrast dette til MOSFET-utløpsmodusen. For n-kanalforbedringsmodus, for å skaffe en kanal måtte vi påføre en positiv spenning på porten. Denne spenningen måtte være stor nok til å tvinge tilstrekkelig antall mobile elektroner til å produsere en strøm i en indusert kanal.

Figur 9 - Utløpsmodus n-kanal MOSFET

på n-kanalutarmingsmodus MOSFET, vi trenger ikke denne positive spenningen siden vi har en fysisk implantert kanal. Dette gjør at vi kan ha strøm mellom avløp og kildeterminaler selv med negative spenninger på porten. Selvfølgelig er det en grense for mengden negativ spenning som kan påføres porten mens den fremdeles har en strømføring mellom avløp og kilde. Denne grensen blir igjen identifisert som terskelspenningen, V_T. Endringen fra forbedringsmodus er at port-til-kildespenningen nå kan være enten negativ eller positiv, som vist i figur 9.

Likningene som definerer driften av MOSFET-utløpsmodusen, er svært lik de forbedringsmodusene. Verdien av dreneringsstrømmen når v_GS null er identifisert som I_DSS. Dette blir ofte referert til som drenerings-kildemetningsstrømEller null - avløpsstrøm. Sammenligning av ligningene i forbedringsmodusen MOSFET med de av uttømmingsmodusen finner vi

(10)

Vi finner da,

(11)

MOSFET-utløpsmodus er tilgjengelig i diskret form, eller de kan fremstilles på integrerte kretser samtidig som forbedringsmodustyper. Dette inkluderer begge p-type og n-type. Dette gir mer fleksibilitet i kretsdesignteknikker.

2.3 Stor-signal ekvivalent krets

Vi ønsker nå å utvikle en ekvivalent krets som representerer stor-signalegenskapene i Figur 8 [Likning (5) eller (8)] i metningsområdet. Legg merke til at dreneringsstrømmen, i_D, kommer an på v_GS og v_DS. For en konstant gate-til-kildespenning opererer vi langs en av de parametriske kurvene i figuren, og forholdet er en omtrent rett linje. Et rettforhold mellom strøm og spenning er modellert av en motstand. Den ekvivalente kretsen består derfor av en motstand parallelt med strømkilden der verdien av strømkilden etablerer delen av avløpsstrømmen pga. v_GS. Kurvens helling avhenger av v_GS. Hellingen er den delvise derivaten,

(12)

hvor r₀ er den inkrementelle utgangsmotstanden. Vi ser fra likning [(5) eller (8)] at denne motstanden er gitt av

(13)

hvor vi bruker store bokstaver V_GS å indikere at motstanden er definert for en bestemt konstant verdi av gate-to-source spenning. Den endelige tilnærmingen i Equation (13) kommer fra Equation (5) med antagelsen om at λ er liten. Motstanden er derfor omvendt i forhold til biasstrømmen, I_D. Den store signalekvivalente modellen blir deretter gitt ved figur 11 hvor r₀ er som utviklet i ligning (13).

Figur 11 - Stor-signal ekvivalent krets

2.4 Små signal modell av MOSFET

Vi ønsker nå å se på inkrementale effekter relatert til ligning. De tre kretsparametrene i den ligningen, i_D, v_GS og v_DS er sammensatt av begge deler dc (bias) og ac komponenter (det er derfor vi har brukt store bokstaver i uttrykkene). Vi er interessert i ac komponenter for liten signalmodell. Vi ser at dreneringsstrømmen er avhengig av to spenninger, gate-to-source og drain-to-source. For inkrementelle verdier kan vi skrive dette forholdet som

(14)
I ligning (14) g_m is den fremadrettede transduktansen og r₀ er utgangsbestandigheten. Deres verdier er funnet ved å ta partielle derivater i ligning (5). Og dermed,

(15)
Tilnærmingen i ligning (15) kommer fra observasjonen som λ hvis liten. Ligning (14) fører til liten signalmodell i Figur 12.

Figur 12 - Small-signal MOSFET-modell

TIDLIGERE - 1. Fordeler og ulemper med FETs

NESTE-3. Junction Field-effect Transistor (JFET)