2. Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET)
ТОК - 2. Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET).
ПРЕДЫДУЩАЯ - 1. Преимущества и недостатки полевых транзисторов
Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET)
Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (МОП-транзистор) представляет собой четырехконтактное устройство. Терминалы являются источник (S), ворота (G) и сток (D), подложка or тело образует четвертый терминал. МОП-транзистор выполнен с затвором, изолированным от канала диэлектриком диоксида кремния. МОП-транзисторы могут быть истощение or режим улучшения, Мы определим эти два термина в ближайшее время.
Рисунок 1 - истощение n-канального МОП-транзистора
МОП-транзисторы иногда называют IGFET (полевые транзисторы с изолированным затвором) из-за SiO2 слой используется в качестве изолятора между затвором и подложкой. Мы начинаем наш анализ с MOSFET в режиме обеднения. Так же, как BJT могут быть NPN or PNPМОП-транзисторы могут быть n-канал (NMOS) или p-канал (PMOS). Рисунок 1 иллюстрирует физическую структуру и символ для nистощение каналов МОП-транзистор. Обратите внимание, что подложка подключена к терминалу источника. Это почти всегда будет так.
Истощение МОП-транзистор построен с физический канал вставлен между стоком и истоком. В результате, когда напряжение, vDS, применяется между стоком и источником тока, iD, существует между стоком и истоком, хотя клемма G затвора остается не подключенной (vGS = 0 V).
Строительство nистощение канала начинается с pлегированный кремний. nлегированные истоковые и сливные скважины образуют низкоомные соединения между концами n-канал, как показано на рисунке 1. Тонкий слой диоксида кремния осаждается, покрывая область между истоком и стоком. SiO2 это изолятор. Алюминиевый слой наносится на изолятор из диоксида кремния, чтобы сформировать клемму затвора. В эксплуатации отрицательный vGS выталкивает электроны из области канала, тем самым истощая канал. когда vGS достигает определенного напряжения, VTканал ущипнул, Положительные значения vGS увеличить размер канала, что приведет к увеличению тока утечки. Истощение МОП-транзистора может работать с положительными или отрицательными значениями vGS, Поскольку затвор изолирован от канала, ток затвора пренебрежимо мал (порядка 10-12 А).
Рисунок 2 - истощение p-канала MOSFET
Рисунок 2 сопоставим с рисунком 1, за исключением того, что мы изменили nМОП-транзистор pистощение каналов МОП-транзистор.
Ассоциация n-канальное расширение MOSFET показано на рисунке 3 вместе с символом схемы. Это наиболее часто используемая форма полевого транзистора.
Рисунок 3 - n-канальное расширение MOSFET
Ассоциация nМОП-транзистор с улучшенным каналом отличается от МОП-транзистора с истощением отсутствием тонкого n-слой. Для установления канала требуется положительное напряжение между затвором и источником. Этот канал формируется действием положительного напряжения затвор-источник, vGS, который притягивает электроны из области подложки между nлегированный сток и исток. положительный vGS заставляет электроны накапливаться на поверхности под оксидным слоем. Когда напряжение достигает порога, VTдостаточное количество электронов притягивается к этой области, чтобы она действовала как проводящая nканальное. Нет заметного тока утечки, iD существует до vGS превышает VT.
Рисунок 4 сопоставим с рисунком 3, за исключением того, что мы изменили nМОП-транзистор p-канальное улучшение MOSFET.
Рисунок 4 - p-канал улучшения MOSFET
Таким образом, семейство MOSFET демонстрирует iD против vGS Кривые показаны на рисунке 5. Каждая характеристическая кривая разработана с достаточным напряжением сток-исток vDS поддерживать устройство в нормальном рабочем районе iD против vDS кривые. Обсуждение в последующих разделах будет определять пороговое напряжение VT как для полевых МОП-транзисторов, так и для полевых МОП-транзисторов.
Рисунок 5 - iD против vGS характеристики семейства MOSFET для достаточного напряжения источника стока VDS
Характеристики терминала MOSFET в расширенном режиме 2.1
Теперь, когда мы представили базовую структуру и основу для работы полевого МОП-транзистора, мы используем подход, чтобы исследовать поведение терминала устройства расширенного режима. Давайте сначала сделаем некоторые общие наблюдения из рисунка 1. Думайте о нормальном течении тока в MOSFET, как о протекании от стока к истоку (как и в BJT, это происходит между коллектором и эмиттером). Как и в случае с NPN BJT, два спина к спине существуют между стоком и истоком. Поэтому мы должны приложить внешние напряжения к затвору, чтобы ток мог течь между стоком и истоком.
Если мы заземлим источник и подадим положительное напряжение на затвор, это напряжение будет напряжением затвора-истока. Положительное напряжение на затворе притягивает электроны и отталкивает дырки. Когда напряжение превышает порог (VT), достаточно электронов притягивается, чтобы образовать проводящий канал между стоком и истоком. В этот момент транзистор включается, и ток является функцией обоих vGS и vDS, Должно быть ясно, что VT положительное число для n-канальное устройство и отрицательное число для pустройство
После создания канала (т. Е. vGS >VT), ток может происходить в этом канале между стоком и истоком. Этот ток зависит от vDS, но это также зависит от vGS. Когда vGS едва превышает пороговое напряжение, может течь очень маленький ток. Как vGS увеличивается за порог, канал содержит больше несущих и возможны более высокие токи. На рисунке 6 показана взаимосвязь между iD и vDS в котором vGS это параметр. Обратите внимание, что для vGS меньше порога, ток не течет. Для высшего vGS, отношение между iD и vDS является приблизительно линейным, указывая, что MOSFET ведет себя как резистор, сопротивление которого зависит от vGS.
Рисунок 6 -iD против vDS для расширенного режима nканал МОП-транзистор, когда vDS маленький
Кривые рисунка 6 выглядят как прямые линии. Тем не менее, они не будут продолжаться как прямые линии, когда vDS становится больше. Напомним, что положительное напряжение затвора используется для создания канала проводимости. Это происходит путем привлечения электронов. Положительное напряжение стока делает то же самое. Когда мы приближаемся к концу стока, напряжение, создающее канал, приближается vGS–vDS так как два источника противостоят друг другу. Когда эта разница меньше VTканал больше не существует для всего пространства между истоком и стоком. Канал ограничен на конце утечки, и в дальнейшем увеличивается vDS не приводит к увеличению iD, Это называется нормальным рабочим регионом или насыщение область показана на рисунке 7 горизонтальным разрезом характеристических кривых. Когда разница больше чем VTмы называем это триод режим, потому что потенциалы на всех трех клеммах сильно влияют на ток.
Предыдущее обсуждение приводит к рабочим кривым на рисунке 7.
Рисунок 7 -iD против vGS для MOSFET в улучшенном режиме
Переход между триодом и нормальной рабочей областью (называемой областью насыщения и часто идентифицируемой как операция в режиме пинч-офф) операции показан пунктирной линией на рисунке 7, где
(1)
На границе области триода колени кривых приблизительно следуют соотношению,
(2)
В уравнении (2) K является константой для данного устройства. Его стоимость зависит от габаритов устройства и материалов, из которых он изготовлен. Константа определяется как
(3)
В этом уравнении μn подвижность электронов; Cокисьоксидная емкость - это емкость на единицу площади затвора; W ширина ворот; L это длина ворот. Уравнение указывает на сложную и нелинейную связь между iD и два напряжения, vDS и vGS, Поскольку мы хотели бы, чтобы ток стока изменялся примерно линейно с vGS (независим от vDS), FET обычно не используется в области триода.
Теперь мы хотим найти уравнение для рабочих кривых в области насыщения. Мы можем установить значения на переходе между триодом и областью насыщения, оценив уравнение (2) на переходе (колено). То есть,
(4)
Это уравнение устанавливает величину тока стока на границе (пунктирная линия на рисунке 8) как функцию напряжения затвор-исток vGS, При необходимости мы можем учесть небольшой наклон характеристических кривых в области насыщения, добавив линейный коэффициент.
(5)
В уравнении (5), λ является небольшой константой (наклон почти горизонтального участка характеристических кривых, показанных на рисунке 8). Обычно это меньше, чем 0.001 (V-1). затем
(6)
Все наше предыдущее обсуждение касалось NMOS-транзистора. Теперь мы кратко обсудим необходимые модификации для PMOS. Для PMOS значения vDS будет отрицательным. Кроме того, чтобы создать канал в PMOS, 
.
Рисунок 8 - Клеммные характеристики МОП-транзистора
Единственное отличие от характеристик транзисторов NMOS (рисунок 7) состоит в том, что горизонтальная ось теперь равна -v.DS вместо + vDS, и параметрические кривые представляют более высокий ток стока при уменьшении напряжения на затворе (вместо увеличения для транзистора NMOS). Кривые для увеличения значений тока соответствуют более отрицательному напряжению затвора. когда vGS > VTТранзистор отключен. Для улучшения PMOS, VT отрицательно, и для истощения PMOS, VT положительно.
Уравнение для тока на переходе триодной области для транзистора PMOS идентично уравнению NMOS. То есть,
(7)
Обратите внимание, что vGS и vDS оба отрицательные величины. Уравнение для области насыщения в транзисторе PMOS также идентично уравнению NMOS. То есть,
(8)
Обратите внимание, что λ отрицательно для транзисторов PMOS, так как скорость изменения кривой (
) отрицательно.
Взяв частную производную обеих сторон уравнения (6) по vGS, 
, мы получаем
(9)
Мы предпочитаем ценность gm быть постоянным, особенно при больших колебаниях сигнала. Тем не менее, мы можем приблизиться к этому условию, только если мы используем FET для приложений с малым сигналом. Для больших условий сигнала искажение формы сигнала может быть неприемлемым в некоторых приложениях.
2.2 МОП-транзистор в режиме истощения
В предыдущем разделе речь шла о MOSFET в расширенном режиме. Теперь мы сопоставим это с МОП-транзистором в режиме обеднения. Для n- Режим улучшения канала, чтобы получить канал, мы должны были подать положительное напряжение на затвор. Это напряжение должно было быть достаточно большим, чтобы заставить достаточное количество подвижных электронов генерировать ток в индуцированном канале.
Рисунок 9 - Режим истощения n-канального МОП-транзистора
В n-канальный МОП-транзистор в режиме истощения, нам не нужно это положительное напряжение, так как у нас есть физически имплантированный канал. Это позволяет нам иметь ток между выводами стока и истока даже при отрицательном напряжении, приложенном к затвору. Конечно, существует ограничение на величину отрицательного напряжения, которое может быть приложено к затвору, при этом ток между стоком и истоком все еще протекает. Этот предел снова определяется как пороговое напряжение, VT. Отличие от режима улучшения состоит в том, что напряжение затвор-исток теперь может быть отрицательным или положительным, как показано на рисунке 9.
Уравнения, которые определяют работу МОП-транзистора в режиме обеднения, очень похожи на уравнения в режиме улучшения. Значение тока стока при vGS ноль идентифицируется как IDSS, Это часто называют ток насыщения сток-исток, или ноль - ток стока затвора, Сравнивая уравнения полевого МОП-транзистора с уравнениями в режиме обеднения, находим
(10)
Затем мы находим,
(11)
МОП-транзисторы в режиме истощения доступны в дискретной форме или могут быть изготовлены на микросхемах интегральных микросхем наряду с типами режимов расширения. Это включает в себя как pтип и n-тип. Это обеспечивает большую гибкость в методах проектирования схем.
2.3 Эквивалентная схема с большим сигналом
Теперь мы хотим разработать эквивалентную схему, которая представляет характеристики большого сигнала на рисунке 8 [Уравнение (5) или (8)] в области насыщения. Обратите внимание, что ток утечки, iD, зависит от vGS и vDS. Для постоянного напряжения затвор-исток мы действуем по одной из параметрических кривых на рисунке, и соотношение является приблизительно прямой линией. Прямолинейная зависимость между током и напряжением моделируется резистором. Таким образом, эквивалентная схема состоит из резистора, подключенного параллельно источнику тока, где значение источника тока определяет часть тока стока, обусловленную vGS, Наклон кривой зависит от vGS, Наклон является частной производной,
(12)
в котором r0 это инкрементное выходное сопротивление. Из уравнения [(5) или (8)] видно, что это сопротивление
(13)
где мы используем верхний регистр VGS чтобы указать, что сопротивление определено для определенного постоянного значения напряжения затвора к источнику. Окончательное приближение в уравнении (13) получается из уравнения (5) с предположением, что λ маленький. Следовательно, сопротивление обратно пропорционально току смещения, ID, Модель, эквивалентная большому сигналу, представлена на рисунке 11, где r0 как разработано в уравнении (13).
Рисунок 11 - Эквивалентная схема с большим сигналом
2.4 Малосигнальная модель МОП-транзистора
Теперь мы хотим взглянуть на дополнительные эффекты, связанные с уравнением. Три параметра схемы в этом уравнении, iD, vGS и vDS состоят из обоих dc (предвзятость) и ac компоненты (именно поэтому мы использовали прописные буквы в выражениях). Мы заинтересованы в ac компоненты для слабосигнальной модели. Мы видим, что ток стока зависит от двух напряжений: затвор-исток и сток-исток. Для дополнительных значений мы можем записать это соотношение как
(14)
В уравнении (14), gm is прямая трансдуктивность и r0 это выходное сопротивление. Их значения находятся путем взятия частных производных в уравнении (5). Таким образом,
(15)
Аппроксимация в уравнении (15) является результатом наблюдения, что λ если маленький. Уравнение (14) приводит к модели слабого сигнала на рисунке 12.
Рисунок 12 - Модель MOSFET со слабым сигналом