2. Metal-oxid FET semiconductor (MOSFET)

Metal-oxid FEC semiconductor (MOSFET)

FET semiconductorul cu oxid metalic (MOSFET) este un dispozitiv cu patru terminale. Terminalele sunt sursa (S), poarta (G) și drenaj (D). substrat or corp formează al patrulea terminal. MOSFET este construit cu terminalul de poartă izolat de canal cu dielectric cu dioxid de siliciu. MOSFET-urile pot fi fie epuizare or modul de îmbunătățire. Definiți acești doi termeni în scurt timp.

Figura 1 - MOSFET de epuizare cu canale n-canale

MOSFET-urile sunt denumite uneori IGFET-uri (tranzistoare cu efecte izolate de câmp) datorită SiO₂ strat utilizat ca izolator între poarta și substrat. Începem analiza noastră cu MOSFET în modul de epuizare. La fel cum pot fi și BJT-urile NPN or pnp, MOSFET-urile pot fi fie n-canal (NMOS) sau p-canal (PMOS). Figura 1 ilustrează structura fizică și simbolul unei n- MOSFET de epuizare a canalelor. Observați că substratul este conectat la terminalul sursă. Acest lucru va fi aproape întotdeauna cazul.

MOSFET-ul de epuizare este construit cu a fizic canal introdus între scurgere și sursă. Ca urmare, atunci când o tensiune, v_DS, se aplică între scurgere și sursă, curent, i_D, există între scurgere și sursă, chiar dacă terminalul G rămâne nesemnat (v_GS = 0 V).

Construcția n- MOSFET-ul de epuizare a canalelor începe cu p- siliciu încărcat. nsursa de alimentare și fântânile de scurgere formează conexiuni de rezistență joasă între capetele n-canal, așa cum se arată în figura 1. Se depune un strat subțire de dioxid de siliciu care acoperă zona dintre sursă și scurgere. SiO₂ este un izolator. Un strat de aluminiu este depus pe izolatorul de dioxid de siliciu pentru a forma terminalul de poartă. În funcționare, un negativ v_GS împinge electronii din regiunea canalului, epuizând astfel canalul. Cand v_GS atinge o anumită tensiune, V_T, canalul este ciupit. Valori pozitive ale v_GS măriți dimensiunea canalului, rezultând o creștere a curentului de scurgere. MOSFET-ul de epuizare poate funcționa fie cu valori pozitive, fie negative v_GS. Deoarece poarta este izolată de canal, curentul porții este neglijabil mic (la ordinea 10^-12 A).

Figura 2 - MOSFET de epuizare a canalelor p

Figura 2 este comparabilă cu cea din Figura 1, cu excepția faptului că am schimbat-o n-MOSFET epuizarea canalului la o p- MOSFET de epuizare a canalelor.

n- amplificarea canalului MOSFET este ilustrată în figura 3 împreună cu simbolul circuitului. Aceasta este forma cea mai frecvent utilizată a tranzistorului cu efect de câmp.

Figura 3 - MOSFET pentru îmbunătățirea canalelor n

n- amplificarea canalelor MOSFET diferă de MOSFET de epuizare prin faptul că nu are subțire n-strat. Aceasta necesită o tensiune pozitivă între poartă și sursă pentru a stabili un canal. Acest canal este format din acțiunea unei tensiuni pozitive de la poartă la sursă, v_GS, care atrage electroni din regiunea substratului dintre n- canalul de scurgere și sursa. Pozitiv v_GS determină acumularea de electroni la suprafața sub stratul de oxid. Când tensiunea atinge un prag, V_T, un numar suficient de electroni sunt atrasi de aceasta regiune pentru a se face ca un dirijor n-canal. Nu există curent de scurgere apreciabil, i_D există până la v_GS depășește V_T.

Figura 4 este comparabilă cu cea din Figura 3, cu excepția faptului că am schimbat-o n- îmbunătățirea canalelor MOSFET la a p- amplificarea canalului MOSFET.

Figura 4 - MOSFET pentru îmbunătățirea canalelor p

Ca rezumat, familia MOSFET expune identificarea i_D contra v_GS curbele prezentate în Figura 5. Fiecare curbă caracteristică este dezvoltată cu o tensiune suficientă pentru sursa de canalizare v_DS pentru a menține dispozitivul în regiunea normală de funcționare a dispozitivului i_D contra v_DS curbe. Discuția din secțiunile următoare va defini pragul de tensiune V_T atât pentru amplificarea MOSFET-urilor, cât și pentru MOSFET-urile de epuizare.

Figura 5 - i_D contra v_GS caracteristicile familiei MOSFET pentru o sursă suficientă de sursă de canalizare V_DS

Caracteristicile terminalelor MOSFET în carcasă îmbunătățită 2.1

Acum, că am prezentat structura de bază și baza pentru funcționarea MOSFET, folosim o abordare pentru a examina comportamentul terminalului dispozitivului în modul de îmbunătățire. Să facem mai întâi câteva observații generale din Figura 1. Gândiți-vă la fluxul normal de curent din MOSFET ca fiind de la drenaj la sursă (la fel ca în BJT, este între colector și emițător). Ca și în cazul NPN BJT, există două diode spate-înapoi între scurgere și sursă. Prin urmare, trebuie să aplicăm tensiuni externe la poartă pentru a permite curentului să curgă între scurgere și sursă.

Dacă împământăm sursa și aplicăm o tensiune pozitivă la poartă, tensiunea este efectiv tensiunea de la poartă la sursă. Tensiunea pozitivă a poarta atrage electroni și respinge găurile. Când tensiunea depășește pragul (V_T), suficient de electroni sunt atrase pentru a forma un canal de conducere între scurgere și sursă. În acest moment, tranzistorul pornește și curentul este o funcție a ambelor v_GS și v_DS. Ar trebui să fie clar acest lucru V_T este un număr pozitiv pentru un n-canal, și un număr negativ pentru un p-channel.

Odată ce un canal este creat (adică, v_GS>V_T), debitul curent poate apărea în acest canal între scurgere și sursă. Acest flux de curent depinde de v_DS, dar depinde de asemenea v_GS. Când v_GS doar abia depășește pragul de tensiune, foarte puțin curent poate curge. La fel de v_GS crește dincolo de prag, canalul conține mai mulți transportatori și sunt posibili curenți mai mari. Figura 6 arată relația dintre i_D și v_DS Unde v_GS este un parametru. Rețineți că pentru v_GS mai puțin decât pragul, nu există fluxuri curente. Pentru mai mare v_GS, relația dintre i_D și v_DS este aproximativ liniar care indică faptul că MOSFET se comportă ca o rezistență a cărei rezistență depinde v_GS.

Figura 6 -i_D contra v_DS pentru un mod de îmbunătățire n-channel MOSFET când v_DS este mic

Curbele din Figura 6 arată ca niște linii drepte. Cu toate acestea, nu vor continua ca linii drepte când v_DS devine mai mare. Rețineți că pentru crearea canalului de conducție este utilizată o tensiune pozitivă a porții. Aceasta face acest lucru prin atragerea de electroni. Tensiunea pozitivă de scurgere face același lucru. Pe măsură ce ne apropiem de capătul canalului, se apropie tensiunea care creează canalul v_GS-v_DS deoarece cele două surse se opun reciproc. Când această diferență este mai mică decât V_T, canalul nu mai există pentru întregul spațiu între sursă și scurgere. Canalul este constrâns la capătul de scurgere, și crește în continuare v_DS nu duc la nici o creștere în i_D. Aceasta este cunoscută ca regiunea normală de funcționare sau saturaţie regiunea prezentată în figura 7 prin secțiunea orizontală a curbelor caracteristice. Când diferența este mai mare decât V_T, numim aceasta triodă modul, deoarece potențialele la toate cele trei terminale afectează puternic curentul.

Discuția precedentă conduce la curbele de operare din Figura 7.

Figura 7 -i_D contra v_GS pentru un MOSFET în modul de îmbunătățire

Trecerea dintre triod și regiunea de operare normală (denumită regiune de saturație și adesea identificată ca funcționare în modul de deconectare) este prezentată ca linia întreruptă din Figura 7, unde

(1)

La marginea regiunii de triode, genunchii curbelor urmăresc aproximativ relația,

(2)
În ecuația (2), K este o constantă pentru un anumit dispozitiv. Valoarea sa depinde de dimensiunile dispozitivului și de materialele utilizate în construcția acestuia. Constanta este dată de,

(3)
În această ecuație, μ_n este mobilitatea electronilor; C_oxid, capacitatea oxidului, este capacitatea pe unitatea de suprafață a porții; W este lățimea porții; L este lungimea porții. Ecuația indică o relație complicată și neliniară între i_D și cele două tensiuni, v_DS și v_GS. Deoarece am dori ca curentul de scurgere să varieze aproximativ liniar cu v_GS (independent de v_DS), FET nu este în general utilizat în regiunea de triode.

Acum dorim să găsim o ecuație pentru curbele de operare din regiunea de saturație. Putem stabili valorile la tranziția dintre regiunea de triodă și saturație prin evaluarea Ecuației (2) la tranziție (genunchi). Acesta este,

(4)
Această ecuație stabilește magnitudinea curentului de scurgere la limită (linia punctată din Figura 8) ca funcție a tensiunii de la poartă la sursă v_GS. Dacă este necesar, putem ține cont de panta ușoară a curbelor caracteristice în regiunea de saturație prin adăugarea unui factor liniar.

(5)
În ecuația (5), λ este o constantă mică (panta secțiunii orizontale apropiate a curbelor caracteristice prezentate în Figura 8). Este de obicei mai mică decât 0.001 (V^-1). Atunci

(6)

Toate discuțiile noastre anterioare au vizat tranzistorul NMOS. Discutăm pe scurt modificările necesare pentru PMOS. Pentru PMOS, valorile lui v_DS va fi negativ. În plus, pentru a crea un canal în PMOS, .

Figura 8 - Caracteristicile terminale ale unui tranzistor MOSFET

Singurele modificări de la caracteristicile tranzistorilor NMOS (Figura 7) sunt că axa orizontală este acum -v_DSîn loc de + v_DS,iar curbele parametrice reprezintă un curent de scurgere mai mare, deoarece tensiunea de intrare scade (în loc să crească pentru tranzistorul NMOS). Curbele pentru creșterea valorilor curentului corespund unei tensiuni mai mari a porții negative. Cand v_GS> V_T, tranzistorul este întrerupt. Pentru imbunatatirea PMOS, V_T este negativ, și pentru PMOS epuizare, V_T este pozitiv.

Ecuația pentru tranziția curentă la regiunea triodă pentru tranzistorul PMOS este identică cu cea a NMOS. Acesta este,

(7)
Rețineți că v_GS și v_DS sunt ambele cantități negative. Ecuația pentru regiunea de saturație a tranzistorului PMOS este, de asemenea, identică cu cea a NMOS. Acesta este,

(8)

Rețineți că λ este negativ pentru tranzistoarele PMOS, deoarece rata de schimbare a curbei () este negativ.

Luând derivatul parțial al ambelor laturi ale ecuației (6) cu privire la v_GS, , primim

(9)
Preferăm valoarea lui g_m să fie constantă, în special pentru oscilații mari de semnal. Cu toate acestea, putem aproxima această condiție numai dacă folosim FET pentru aplicații mici de semnal. Pentru condiții de semnal mari, distorsiunea formei de undă poate fi inacceptabilă în unele aplicații.

2.2 MOSFET cu mod de epuizare

Secțiunea anterioară sa ocupat de MOSFET în modul de îmbunătățire. Acum contrastăm cu MOSFET în modul de epuizare. Pentru n- modul de îmbunătățire canal, pentru a achiziționa un canal pe care trebuie să aplicăm o tensiune pozitivă pe poartă. Această tensiune trebuia să fie suficient de mare pentru a forța un număr suficient de electroni mobili pentru a produce un curent într-un canal indus.

Figura 9 - modul MOSFET cu canale n-canal de epuizare

În n-MOSFET în modul de epuizare a canalului, nu avem nevoie de această tensiune pozitivă, deoarece avem un canal implantat fizic. Acest lucru ne permite să avem curent între bornele de evacuare și sursă chiar și cu tensiuni negative aplicate la poartă. Desigur, există o limită a cantității de tensiune negativă care poate fi aplicată la poartă în timp ce are încă curent de curent între canal și sursă. Această limită este din nou identificată ca tensiune de prag, V_T. Schimbarea din modul de îmbunătățire este că tensiunea de la poartă la sursă poate fi acum negativă sau pozitivă, așa cum se arată în Figura 9.

Ecuațiile care definesc funcționarea modului MOSFET în modul de epuizare sunt foarte asemănătoare cu cele ale modului de îmbunătățire. Valoarea curentului de scurgere atunci când v_GS este zero este identificat ca I_DSS. Aceasta este adesea menționată ca sursa de saturație a sursei de scurgere, Sau zero - curent de scurgere a porții. Comparând ecuațiile modulului MOSFET cu modul de îmbunătățire cu cele ale modului de epuizare, găsim

(10)

Apoi găsim,

(11)

Modelele MOSFET sunt disponibile în formă discretă sau pot fi fabricate pe circuite integrate, împreună cu tipurile de moduri de îmbunătățire. Acestea includ ambele p- și n-tip. Acest lucru permite mai multă flexibilitate în tehnicile de proiectare a circuitelor.

2.3 Circuit echivalent cu semnal mare

Acum dorim să dezvoltăm un circuit echivalent care să reprezinte caracteristicile semnalului mare din Figura 8 [Equation (5) sau (8)] în regiunea de saturație. Rețineți că curentul de scurgere, i_D, depinde de v_GS și v_DS. Pentru o tensiune constantă de la poartă la sursă, operăm de-a lungul uneia dintre curbele parametrice ale figurii, iar relația este o linie aproximativ dreaptă. O relație liniară între curent și tensiune este modelată de un rezistor. Circuitul echivalent constă deci dintr-un rezistor în paralel cu sursa de curent unde valoarea sursei de curent stabilește porțiunea curentului de scurgere datorită v_GS. Panta curbei depinde de v_GS. Panta este derivatul parțial,

(12)

Unde r₀ este rezistența de ieșire incrementală. Vedem din Ecuația [(5) sau (8)] că această rezistență este dată de

(13)

unde se utilizează majuscule V_GS pentru a indica faptul că rezistența este definită pentru o anumită valoare constantă a tensiunii gate-to-source. Aprecierea finală din Ecuația (13) rezultă din Ecuația (5) cu ipoteza că λ este mic. Rezistența este, prin urmare, invers proporțională cu curentul de polarizare, I_D. Modelul echivalent de semnal mare este dat de Figura 11 unde r₀ este dezvoltată în Ecuație (13).

Figura 11 - Circuit echivalent cu semnal mare

2.4 Modelul mic-semnal al MOSFET

Acum dorim să privim efectele incrementale legate de Ecuație. Parametrii celor trei circuite din acea ecuație, i_D, v_GS și v_DS sunt compuse din ambele dc (părtinire) și ac componente (de aceea am folosit indicii cu majuscule în expresii). Suntem interesați de ac componente pentru modelul de semnal mic. Vedem că curentul de scurgere depinde de două tensiuni, de la poarta la sursă și de la scurgere la sursă. Pentru valorile incrementale, putem scrie această relație ca

(14)
În ecuația (14), g_m is transconductanța înainte și r₀ este rezistența la ieșire. Valorile lor se găsesc prin derivarea unor derivate parțiale în Ecuația (5). Prin urmare,

(15)
Aprecierea în Ecuație (15) rezultă din observația că λ dacă este mic. Ecuația (14) conduce la modelul de semnal mic din Figura 12.

Figura 12 - Model MOSFET cu semnal mic

PREVIOUS- 1. Avantajele și dezavantajele FET-urilor

NEXT- 3. Junction Tranzistor cu efect de câmp (JFET)