2. Metal-tlenek półprzewodnika FET (MOSFET)
CURRENT - 2. Metal-tlenek półprzewodnika FET (MOSFET)
POPRZEDNI 1. Zalety i wady FET
Metal-tlenek półprzewodnika FET (MOSFET)
Półprzewodnik metalowo-tlenkowy FET (MOSFET) jest urządzeniem z czterema terminalami. Terminale są źródło (S), brama (G) i spuścić (D), Podłoże or ciało tworzy czwarty terminal. MOSFET jest skonstruowany z terminalem bramowym izolowanym od kanału dielektrykiem z dwutlenku krzemu. MOSFET mogą być również wyczerpanie or tryb wzmocnienia. Wkrótce zdefiniujemy te dwa terminy.
Rysunek 1 - MOSFET z wyczerpaniem kanału n
MOSFET są czasami określane jako IGFET (tranzystory z izolowanym polem bramowym) dzięki SiO2 warstwa używana jako izolator między bramą a podłożem. Rozpoczynamy naszą analizę od MOSFET-u w trybie wyczerpania. Tak jak BJT mogą być npn or pnp, MOSFET mogą być również n-kanał (NMOS) lub p-kanał (PMOS). Rysunek 1 ilustruje fizyczną strukturę i symbol n- wyczerpanie kanału MOSFET. Zwróć uwagę, że nośnik jest podłączony do terminala źródłowego. Prawie zawsze tak będzie.
Zmniejszenie MOSFET jest skonstruowane za pomocą fizyczny kanał wstawiony między odpływem a źródłem. W rezultacie, gdy napięcie, vDS, stosuje się między drenem a źródłem, prądem, iD, istnieje między drenażem a źródłem, nawet jeśli końcówka bramy G pozostaje niezwiązana (vGS = 0 V).
Konstrukcja n- wyczerpanie kanału MOSFET zaczyna się od p-doped krzem. The n-dopowane studzienki źródła i drenażu tworzą połączenia o niskiej rezystancji między końcami n-kanał, jak pokazano na rysunku 1. Cienka warstwa dwutlenku krzemu osadza się na powierzchni między źródłem a odpływem. SiO2 jest izolatorem. Warstwa aluminium jest osadzana na izolatorze z dwutlenku krzemu, tworząc terminal bramowy. W pracy negatyw vGS wypycha elektrony z obszaru kanału, wyczerpując w ten sposób kanał. Gdy vGS osiąga określone napięcie, VT, kanał jest ściągnięty. Pozytywne wartości vGS zwiększyć rozmiar kanału, powodując wzrost prądu spustowego. Uszczuplenie MOSFET może działać z dodatnimi lub ujemnymi wartościami vGS. Ponieważ brama jest izolowana od kanału, prąd bramy jest pomijalnie mały (na zamówienie 10-12 ZA).
Rysunek 2 - MOSFET z wyczerpaniem kanału p
Rysunek 2 jest porównywalny z rysunkiem 1, z wyjątkiem tego, że zmieniliśmy n- wyczerpanie kanału MOSFET do a p- wyczerpanie kanału MOSFET.
Połączenia nWzmocnienie kanału MOSFET jest zilustrowany na rysunku 3 wraz z symbolem obwodu. Jest to najczęściej stosowana forma tranzystora polowego.
Rysunek 3 - ulepszenie n-channel MOSFET
Połączenia nWzmocnienie kanału MOSFET różni się od wyczerpującego MOSFET, ponieważ nie ma cienkiego n-warstwa. Wymaga dodatniego napięcia między bramką a źródłem w celu ustanowienia kanału. Ten kanał jest tworzony przez działanie dodatniego napięcia brama-źródło, vGS, który przyciąga elektrony z obszaru substratu między n-doped odpływ i źródło. Pozytywny vGS powoduje gromadzenie się elektronów na powierzchni pod warstwą tlenkową. Kiedy napięcie osiągnie próg, VT, wystarczająca liczba elektronów jest przyciągana do tego regionu, aby działał jak przewodnik n-kanał. Brak zauważalnego prądu drenażowego, iD istnieje do vGS przekracza VT.
Rysunek 4 jest porównywalny z rysunkiem 3, z wyjątkiem tego, że zmieniliśmy n-kanałowe wzmocnienie MOSFET do a pWzmocnienie kanału MOSFET.
Rysunek 4 - ulepszenie p-channel MOSFET
Podsumowując, rodzina MOSFET wykazuje identyfikację iD przeciwko vGS krzywe pokazane na rysunku 5. Każda krzywa charakterystyki jest rozwijana z wystarczającym napięciem źródła drenażu vDS aby utrzymać urządzenie w normalnym obszarze działania iD przeciwko vDS Krzywe. Dyskusja w kolejnych sekcjach określi napięcie progowe VT zarówno dla ulepszonych MOSFET-ów, jak i dla wyczerpujących MOSFET-ów.
Rysunek 5 - iD przeciwko vGS charakterystyka rodziny MOSFET dla wystarczającego napięcia źródła drenażu VDS
Charakterystyka terminala MOSFET w trybie 2.1 Enhancement
Teraz, gdy przedstawiliśmy podstawową strukturę i podstawę działania MOSFET-u, stosujemy podejście w celu zbadania zachowania terminala urządzenia w trybie wzmocnienia. Najpierw wykonajmy kilka ogólnych obserwacji z rysunku 1. Pomyśl o normalnym przepływie prądu w tranzystorze MOSFET jako o przepływie od drenu do źródła (tak jak w BJT, jest on między kolektorem a emiterem). Podobnie jak w przypadku npn BJT, istnieją dwie diody back-to-back między odpływem a źródłem. Dlatego musimy zastosować zewnętrzne napięcia do bramy, aby umożliwić przepływ prądu między drenem a źródłem.
Jeśli uziemimy źródło i zastosujemy dodatnie napięcie do bramki, to napięcie jest faktycznie napięciem brama-źródło. Dodatnie napięcie bramki przyciąga elektrony i odpycha dziury. Gdy napięcie przekroczy próg (VT), wystarczająco dużo elektronów przyciąga się, aby utworzyć kanał przewodzący między drenem a źródłem. W tym momencie tranzystor włącza się, a prąd jest funkcją obu vGS i vDS. Powinno być jasne, że VT jest liczbą dodatnią dla n-kanałowe urządzenie i liczba ujemna dla a p-kanałowe urządzenie.
Po utworzeniu kanału (tj. vGS >VT), przepływ prądu może wystąpić w tym kanale między drenem a źródłem. Ten przepływ prądu zależy od vDS, ale to również zależy od vGS. Kiedy vGS ledwo przekracza napięcie progowe, bardzo mały prąd może płynąć. Tak jak vGS wzrasta powyżej progu, kanał zawiera więcej nośników i możliwe są wyższe prądy. Rysunek 6 pokazuje związek między iD i vDS gdzie vGS jest parametrem. Zauważ, że dla vGS poniżej progu nie płynie prąd. Na wyższy vGS, związek pomiędzy iD i vDS jest w przybliżeniu liniowy wskazując, że tranzystor MOSFET zachowuje się jak rezystor, którego rezystancja zależy od vGS.
Rysunek 6 -iD przeciwko vDS dla trybu ulepszeń n-kanałowy MOSFET kiedy vDS jest mały
Krzywe rysunku 6 wyglądają jak linie proste. Nie będą jednak kontynuowane jako linie proste vDS staje się większy. Przypomnijmy, że dodatnie napięcie bramki jest używane do utworzenia kanału przewodzenia. Czyni to poprzez przyciąganie elektronów. Dodatnie napięcie drenu robi to samo. Gdy zbliżamy się do końca kanału, napięcie zbliża się do napięcia tworzącego kanał vGS-vDS ponieważ te dwa źródła są sobie przeciwne. Gdy ta różnica jest mniejsza niż VT, kanał nie istnieje już dla całej przestrzeni między źródłem a odpływem. Kanał jest ograniczony na końcu odpływu i dalej wzrasta vDS nie powodują żadnego wzrostu iD. Jest to znane jako normalny obszar działania lub nasycenie region pokazany na rysunku 7 za pomocą poziomej sekcji krzywych charakterystycznych. Kiedy różnica jest większa niż VT, nazywamy to trioda tryb, ponieważ potencjały na wszystkich trzech zaciskach silnie wpływają na prąd.
Poprzednia dyskusja prowadzi do krzywych operacyjnych na rysunku 7.
Rysunek 7 -iD przeciwko vGS dla MOSFET-u w trybie wzmocnień
Przejście między triodą a normalnym obszarem działania (nazywanym obszarem nasycenia i często identyfikowanym jako działanie w trybie szczypania) operacji jest pokazane jako linia przerywana na rysunku 7, gdzie
(1)
Na granicy regionu triody kolana krzywych podążają w przybliżeniu za relacją,
(2)
W równaniu (2) K jest stałą dla danego urządzenia. Jego wartość zależy od wymiarów urządzenia i materiałów użytych do jego budowy. Stała jest podawana przez,
(3)
W tym równaniu μn jest mobilnością elektronów; Ctlenek, pojemność tlenkowa, to pojemność na jednostkę powierzchni bramki; W jest szerokością bramy; L jest długość bramy. Równanie wskazuje na skomplikowaną i nieliniową zależność między iD i dwa napięcia, vDS i vGS. Ponieważ chcielibyśmy, aby prąd drenu zmieniał się w przybliżeniu liniowo vGS (niezależnie od vDS) FET nie jest generalnie używany w regionie triody.
Teraz chcemy znaleźć równanie dla krzywych operacyjnych w regionie nasycenia. Możemy ustalić wartości na przejściu między regionem triody i regionu nasycenia, oceniając równanie (2) w przejściu (kolano). To jest,
(4)
Równanie to określa wielkość prądu drenu na granicy (linia przerywana na rysunku 8) jako funkcję napięcia brama-źródło vGS. Jeśli to konieczne, możemy wyjaśnić niewielkie nachylenie krzywych charakterystycznych w regionie nasycenia, dodając współczynnik liniowy.
(5)
W równaniu (5), λ jest małą stałą (nachylenie bliskiego poziomego przekroju charakterystycznych krzywych pokazanych na rysunku 8). Zwykle jest to mniej niż 0.001 (V-1). Następnie
(6)
Wszystkie nasze poprzednie dyskusje dotyczyły tranzystora NMOS. Teraz pokrótce omówimy niezbędne modyfikacje PMOS. Dla PMOS wartości vDS będzie negatywny. Dodatkowo, aby utworzyć kanał w PMOS, 
.
Rysunek 8 - Charakterystyka terminala tranzystora MOSFET
Jedyne zmiany w porównaniu z charakterystykami tranzystorów NMOS (rysunek 7) są takie, że oś pozioma ma teraz wartość -vDS zamiast + vDS, krzywe parametryczne reprezentują wyższy prąd drenażowy, gdy napięcie bramki maleje (zamiast zwiększać dla tranzystora NMOS). Krzywe zwiększające wartości prądu odpowiadają bardziej ujemnemu napięciu bramki. Gdy vGS > VT, tranzystor jest odcięty. Dla ulepszeń PMOS, VT jest ujemna, a dla wyczerpania PMOS, VT jest pozytywny.
Równanie dla prądu w przejściu regionu triody dla tranzystora PMOS jest identyczne z równaniem NMOS. To jest,
(7)
Należy pamiętać, że vGS i vDS oba są wielkościami ujemnymi. Równanie dla regionu nasycenia w tranzystorze PMOS jest również identyczne z równaniem NMOS. To jest,
(8)
Należy pamiętać, że λ jest ujemna dla tranzystorów PMOS od czasu zmiany krzywej (
) jest ujemny.
Biorąc częściową pochodną obu stron równania (6) względem vGS, 
, dostajemy
(9)
Preferujemy wartość gm być stała, zwłaszcza w przypadku dużych wahań sygnału. Jednakże możemy jedynie zbliżyć ten warunek, jeśli użyjemy FET dla małych aplikacji sygnałowych. W przypadku dużych warunków sygnału zniekształcenie kształtu fali może być niedopuszczalne w niektórych zastosowaniach.
2.2 Depletion-Mode MOSFET
Poprzednia sekcja dotyczyła MOSFET-u w trybie wzmocnień. Teraz kontrastujemy to z MOSFETem w trybie wyczerpania. Dla nTryb wzmocnienia kanału, aby uzyskać kanał, musieliśmy zastosować dodatnie napięcie na bramce. Napięcie to musi być wystarczająco duże, aby wymusić wystarczającą liczbę ruchomych elektronów, aby wytworzyć prąd w indukowanym kanale.
Rysunek 9 - Tryb wyczerpania n-kanałowy MOSFET
W n-kanałowy tranzystor MOSFET w trybie zubożenia, nie potrzebujemy tego dodatniego napięcia, ponieważ mamy fizycznie zaimplantowany kanał. Pozwala nam to na przepływ prądu między zaciskiem drenu i źródła nawet przy ujemnym napięciu przyłożonym do bramki. Oczywiście istnieje ograniczenie ilości ujemnego napięcia, które można przyłożyć do bramki, zachowując jednocześnie przepływ prądu między drenem a źródłem. Ta granica jest ponownie określana jako napięcie progowe, VT. Zmiana z trybu wzmocnienia polega na tym, że napięcie bramki do źródła może teraz być ujemne lub dodatnie, jak pokazano na rysunku 9.
Równania, które definiują działanie MOSFET trybu wyczerpania są bardzo podobne do tych w trybie wzmocnienia. Wartość drenażu jest aktualna, gdy vGS zero jest identyfikowane jako IDSS. Jest to często określane jako prąd nasycenia dren-źródłoLub zero - prąd spustowy bramki. Porównując równania MOSFET w trybie wzmocnień z równaniami w trybie wyczerpania, znajdujemy
(10)
Potem znajdujemy
(11)
MOSFET w trybie wyczerpania są dostępne w formie dyskretnej lub mogą być wykonane na układach scalonych wraz z typami trybów wzmocnienia. Obejmuje to oba p-typ i n-rodzaj. Pozwala to na większą elastyczność w technikach projektowania obwodów.
2.3 Obwód równoważny dużego sygnału
Chcemy teraz opracować równoważny obwód, który reprezentuje charakterystykę dużego sygnału z rysunku 8 [Równanie (5) lub (8)] w regionie nasycenia. Zauważ, że prąd spustowy, iD, zależy od vGS i vDS. Dla stałego napięcia między bramką a źródłem działamy wzdłuż jednej z krzywych parametrycznych rysunku, a zależność jest w przybliżeniu linią prostą. Prostoliniowa zależność między prądem a napięciem jest modelowana przez rezystor. Obwód zastępczy składa się zatem z rezystora równoległego ze źródłem prądu, gdzie wartość źródła prądu określa część prądu drenu z powodu vGS. Nachylenie krzywej zależy od vGS. Nachylenie jest pochodną cząstkową,
(12)
gdzie r0 to przyrostowa rezystancja wyjściowa. Widzimy z równania [(5) lub (8)], że opór ten jest określony przez
(13)
gdzie używamy dużych liter VGS aby wskazać, że rezystancja jest zdefiniowana dla określonej stałej wartości napięcia brama-źródło. Ostateczne przybliżenie w równaniu (13) wynika z równania (5) przy założeniu, że λ jest mały. Opór jest więc odwrotnie proporcjonalny do prądu polaryzacji, ID. Model równoważny dużego sygnału jest następnie podawany przez rysunek 11, gdzie r0 jest tak samo rozwinięty w równaniu (13).
Rysunek 11 - Obwód równoważny dużego sygnału
2.4 Model małego sygnału MOSFET
Teraz chcemy przyjrzeć się efektom przyrostowym związanym z równaniem. Trzy parametry obwodu w tym równaniu, iD, vGS i vDS składają się z obu dc (stronniczość) i ac składniki (dlatego użyliśmy indeksów dużych liter w wyrażeniach). Jesteśmy zainteresowani ac komponenty modelu małego sygnału. Widzimy, że prąd drenu zależy od dwóch napięć, od bramki do źródła i od źródła do źródła. Dla wartości przyrostowych możemy napisać tę relację jako
(14)
W równaniu (14), gm is przewodząca transkonduktancja i r0 to opór wyjściowy. Ich wartości można znaleźć, biorąc pochodne cząstkowe w równaniu (5). A zatem,
(15)
Przybliżenie w równaniu (15) wynika z obserwacji λ jeśli mały. Równanie (14) prowadzi do modelu małego sygnału z rysunku 12.
Rysunek 12 - Mały model sygnału MOSFET