2. Metal-oksid FET gjysmëpërçues (MOSFET)
AKTUALI - 2. Gjysmëpërçuesi i oksidit metalik FET (MOSFET)
PREVIOUS - 1. Avantazhet dhe disavantazhet e FET
Metal-oksid FET gjysmëpërçues (MOSFET)
FET gjysmëpërçues metali-oksid (MOSFET) është një pajisje katër terminale. Terminalet janë burimi (S), porta (G) kullimi (D). substrate or trup formon terminalin e katërt. MOSFET është ndërtuar me terminalin e portës të izoluar nga kanali me një dielektrikë të dioksidit të silikonit. MOSFET mund të jetë ose sosje or modalitetin e zgjerimit. Ne i përcaktojmë këto dy terma së shpejti.
Figura 1 - depozita n-kanale MOSFET
MOSFETs nganjëherë referohen si IGFETs (Tranzistorët me Efekt në Portë të Elajtuara të Portës) për shkak të SiO2 shtresa e përdorur si një izolant midis portës dhe nënshtresës. Ne fillojmë analizën tonë me MOSFET-në e shterimit. Ashtu si BJTs mund të jetë ose NPN or PNP, MOSFET mund të jetë ose nkanali (NMOS) ose p-kanal (PMOS). Figura 1 ilustron strukturën fizike dhe simbolin për një n-shpërblimi i kanalit MOSFET. Vini re se substrati është i lidhur me terminalin burimor. Kjo do të ndodhë pothuajse gjithmonë.
MOSFET i shterimit është ndërtuar me a fizik kanal i futur midis kullimit dhe burimit. Si rezultat, kur një tension, vDS, zbatohet midis kullimit dhe burimit, një rrymë, iD, ekziston midis shkarkimit dhe burimit edhe pse terminali i portës G mbetet i pa lidhur (vGS = 0 V).
Ndërtimi i n-shepi i kanalit MOSFET fillon me p-doped silikon. n-doped burim dhe puset e ikjes nga lidhjet e rezistencës të ulët në mes të skajet e n-kanal, siç tregohet në figurën 1. Një shtresë e hollë e dioksidit të silikonit deponohet duke mbuluar zonën midis burimit dhe kullimit. SiO2 është një izolant. Një shtresë alumini depozitohet në izoluesin e dioksidit të silikonit për të formuar terminalin e portës. Në operacion, një negativ vGS shtyn elektronet nga rajoni i kanalit, duke e zvogëluar kështu kanalin. Kur vGS arrin një tension të caktuar, VT, kanali është u mbyt. Vlerat pozitive të vGS rritja e madhësisë së kanalit, duke rezultuar në një rritje të rrymës së kullimit. MOSFET i zbrazjes mund të veprojë me vlerat pozitive ose negative të vGS. Meqë porta është e izoluar nga kanali, porta aktuale është paksa e vogël (sipas rendit të 10-12 A).
Figura 2 - depozita e p-kanaleve MOSFET
Figura 2 është e krahasueshme me Figurën 1, përveç se ne kemi ndryshuar n-shesimi i kanalit MOSFET në një p-shpërblimi i kanalit MOSFET.
La n-MOSFET për përmirësimin e kanalit është ilustruar në figurën 3 së bashku me simbolin e qarkut. Kjo është forma më e përdorur e transistorit në terren.
Figura 3 - zgjerimi i kanalit n-MOSFET
La n-kanalizimi i MOSFET-it dallon nga MOSFET i zbrazjes duke mos pasur hollësi n-avokat. Ajo kërkon një tension pozitiv midis portës dhe burimit për të krijuar një kanal. Ky kanal është formuar nga veprimi i një porta pozitive të tensionit, vGS, e cila tërheq elektronet nga rajoni i substratit midis n-doped ikjes dhe burimi. pozitiv vGS shkakton akumulimin e elektroneve në sipërfaqen nën shtresën e oksidit. Kur voltazhi arrin një prag, VT, një numër i mjaftueshëm elektronesh tërhiqen në këtë rajon për ta bërë atë të veprojë si një kryerje n-Kanal. Asnjë kullim i dukshëm aktual, iD ekziston deri vGS tejkalon VT.
Figura 4 është e krahasueshme me Figurën 3, përveç se ne kemi ndryshuar n-MOSFET për përmirësimin e kanalit në një p-MOSFET për zgjerimin e kanalit.
Figura 4 - zgjerimi i p-kanaleve MOSFET
Si një përmbledhje, familja MOSFET ekspozon identifikimin iD kundër vGS kthesa të paraqitura në figurën 5. Çdo kurbë karakteristike zhvillohet me tension të mjaftueshëm kullimi vDS për të ruajtur pajisjen në rajonin normal operativ të iD kundër vDS Kthesa. Diskutimi në seksionet e mëvonshme do të përcaktojë tensionin e pragut VT për të dy MOSFET zgjerimin dhe MOSFETs shterim.
Figura 5 - iD kundër vGS karakteristikat e familjes MOSFET për tension të mjaftueshëm të burimit të kullimit VDS
Karakteristikat e Terminalit MOSFET të Modalitetit të Rritjes 2.1
Tani që kemi prezantuar strukturën themelore dhe bazën për funksionimin e MOSFET, ne përdorim një qasje në mënyrë që të shqyrtojmë sjelljen terminale të pajisjes në modalitetin e zgjerimit. Le të bëjmë së pari disa vëzhgime të përgjithshme nga Figura 1. Mendoni se rrjedha normale e rrymës në MOSFET është nga ikja në burim (ashtu si në BJT, është midis kolektorit dhe emetuesit). Si me NPN BJT, dy diodë mbrapa-mbrapa ekzistojnë midis shkarkimit dhe burimit. Prandaj, ne duhet të aplikojmë tensione të jashtme në portë në mënyrë që të lejojmë që rryma të rrjedhë midis kullimit dhe burimit.
Nëse vendosim burimin dhe aplikuam një tension pozitiv në derë, ajo tension është në mënyrë efektive nga porta në burim. Tensioni pozitiv i portës tërheq elektronet dhe largon vrima. Kur voltazhi tejkalon pragun (VT), janë tërhequr mjaft elektronë për të formuar një kanal drejtues midis shkarkimit dhe burimit. Në këtë pikë, tranzitorja ndizet dhe rryma është një funksion i të dyve vGS vDS. Duhet të jetë e qartë se VT është një numër pozitiv për një n-kanal, dhe një numër negativ për një p- pajisje kanali.
Pasi të krijohet një kanal (dmth. vGS >VT), rrjedha e tanishme mund të ndodhë në atë kanal midis shkarkimit dhe burimit. Kjo rrjedhë aktuale varet vDS, por gjithashtu varet vGS. Kur vGS vetëm mezi tejkalon tensionin e pragut, shumë pak rrymë mund të rrjedhë. si vGS rritet përtej pragut, kanali përmban më shumë transportues dhe rryma më e lartë janë të mundshme. Figura 6 tregon marrëdhënien midis iD vDS ku vGS është një parametër. Vini re se për vGS më pak se pragu, nuk ka rrymë aktuale. Për më të larta vGS, marrëdhënia midis iD vDS është afërsisht lineare që tregon se MOSFET sillet si një rezistencë, rezistenca e të cilit varet vGS.
Figura 6 -iD kundër vDS për një mënyrë përmirësimi n-kanal MOSFET kur vDS Eshte i vogel
Kthesat e figurës 6 duken si linja të drejta. Megjithatë, ata nuk do të vazhdojnë si linja të drejta kur vDS merr më të mëdha. Kujtojnë se një tension pozitiv i portës përdoret për të krijuar kanalin e përçimit. E bën këtë duke tërhequr elektronet. Tensioni i shkarkimit pozitiv po bën të njëjtën gjë. Ndërsa i afrohemi fundit të kullimit të kanalit, afrohet tensionit që krijon kanalin vGS-vDS pasi që të dy burimet i kundërvihen njëri-tjetrit. Kur kjo diferencë është më pak se VT, kanali nuk ekziston për të gjithë hapësirën midis burimit dhe kullimit. Kanali është i detyruar në fund të kullimit, dhe rritet edhe më tutje vDS nuk do të rezultojë në ndonjë rritje në iD. Kjo njihet si regjioni normal operativ ose ngopje rajoni i treguar në figurën 7 nga seksioni horizontal i kthesave karakteristike. Kur dallimi është më i madh se VT, ne e quajmë këtë triode sepse potencialet në të tre terminalet ndikojnë fuqishëm në rrymën.
Diskutimi i mëparshëm çon në kthesat operative të figurës 7.
Figura 7 -iD kundër vGS për një MOSFET-mode në rritje
Kalimi në mes të triodës dhe rajonit normal të operimit (referuar si rajoni i ngopjes dhe shpesh i identifikuar si operacion në mënyrën e shkrirjes) të veprimit është treguar si vijë e thyer në figurën 7, ku
(1)
Në kufirin e rajonit të triodit, gjunjët e kthesave ndjekin përafërsisht marrëdhënien,
(2)
Në Equation (2), K është një konstante për një pajisje të dhënë. Vlera e saj varet nga dimensionet e pajisjes dhe materialet e përdorura në ndërtimin e saj. Konstanta është dhënë nga,
(3)
Në këtë ekuacion, μn është lëvizshmëria e elektronit; Coksid, kapaciteti i oksidit, është kapaciteti për njësinë e portës; W është gjerësia e portës; L është gjatësia e portës. Ekuacioni tregon një marrëdhënie të komplikuar dhe jolineare mes iD dhe dy tensione, vDS vGS. Meqë do të donim që rrjedha aktuale të ndryshonte afërsisht linearisht vGS (i pavarur nga vDS), FET nuk përdoret përgjithësisht në rajonin e triodës.
Tani duam të gjejmë një ekuacion për kthesat operuese në rajonin e ngopjes. Ne mund të vendosim vlerat në tranzicion midis rajonit të triodës dhe ngopjes duke vlerësuar Ekuacioni (2) në tranzicion (gju). Kjo eshte,
(4)
Ky ekuacion përcakton madhësinë e rrymës së kullimit në kufi (linja e thyer në figurën 8) si një funksion i tensionit porta-burim vGS. Nëse është e nevojshme, mund të llogarisim pjerrësinë e lehtë të kthesave karakteristike në rajonin e ngopjes duke shtuar një faktor linear.
(5)
Në ekuacion (5), λ është një konstante e vogël (pjerrësia e pjesës së afërt horizontale të kthesave karakteristike të paraqitura në figurën 8). Zakonisht është më pak se 0.001 (V-1). atëherë
(6)
Të gjitha diskutimet tona të mëparshme kanë të bëjnë me tranzistorin NMOS. Tani diskutojmë shkurtimisht për modifikimet e nevojshme për PMOS. Për PMOS, vlerat e vDS do të jetë negativ. Përveç kësaj, për të krijuar një kanal në PMOS, 
.
Figura 8 - Karakteristikat e terminalit të një tranzistor MOSFET
Ndryshimet e vetme nga karakteristikat e transistorëve NMOS (Figura 7) është se aksi horizontal është tani -vDS në vend të + vDS, dhe kthesat parametrike përfaqësojnë rrymën më të madhe të drenazhit me zvogëlimin e tensionit të portës (në vend të rritjes së transistorit NMOS). Kthesa për rritjen e vlerave aktuale korrespondon me tensionin më negativ të portës. Kur vGS > VT, transistor është i prerë. Për përmirësimin e PMOS, VT është negativ, dhe për varfërinë PMOS, VT është pozitiv.
Ekuacioni për rrymën në tranzicionin e rajonit të triodës për transistorin PMOS është identik me atë të NMOS. Kjo eshte,
(7)
Vini re se vGS vDS janë të dyja sasi negative. Ekuacioni për rajonin e ngopjes në transistor PMOS është gjithashtu identik me atë të NMOS. Kjo eshte,
(8)
Vini re se λ është negative për transistorët PMOS që nga shkalla e ndryshimit të kurbës (
) është negativ.
Marrja e derivateve të pjesshme të të dy anëve të Ekuacionit (6) në lidhje me vGS, 
, kemi marrë
(9)
Ne preferojmë vlerën e gm për të qenë konstante, sidomos për swings të mëdha të sinjaleve. Megjithatë, ne mund ta përafrojmë këtë kusht vetëm nëse përdorim FET për aplikacione të sinjaleve të vogla. Për kushtet e mëdha të sinjalit, deformimi i formës së valëve mund të jetë i papranueshëm në disa aplikacione.
2.2 Depletion-Mode MOSFET
Seksioni i mëparshëm u trajtua me MOSFET-in me anë të rritjes. Ne tani e kundershtojme kete me MOSFET-in e shterimit. Per n-kanalizim, për të fituar një kanal që duhej të aplikohej një tension pozitiv në portë. Ky tension duhej të ishte mjaft i madh për të detyruar një numër të mjaftueshëm të elektroneve të lëvizshëm për të prodhuar një rrymë në një kanal të induktuar.
Figura 9 - Modaliteti i zbrazjes MOSFET me kanalin n
në n- MOSFET, në mënyrën e zbrazjes së kanalit, ne nuk kemi nevojë për këtë tension pozitiv pasi kemi një kanal të implantuar fizikisht. Kjo na lejon të kemi rrymë midis terminaleve të kullimit dhe burimit edhe me tensione negative të aplikuara në portë. Natyrisht, ekziston një kufi për sasinë e tensionit negativ që mund të zbatohet në portë ndërsa ka ende rrjedhën e rrymës midis ikjes dhe burimit. Ky kufi identifikohet përsëri si voltazhi prag, VT. Ndryshimi nga mënyra e zgjerimit është se voltazhi nga porta në burim tani mund të jetë negativ ose pozitiv, siç tregohet në Figurën 9.
Ekuacionet që përcaktojnë funksionimin e MOSFET-it të mënyrës së zbrazjes janë shumë të ngjashme me ato të mënyrës së rritjes. Vlera e rrjedhjes aktuale kur vGS është zero është identifikuar si IDSS. Kjo shpesh është referuar si rryma e ngopjes së kullimit-burim, Ose zero - rryma e kullimit të portës. Krahasimi i ekuacioneve të MOSFET-it me mënyrën e rritjes, me ato të mënyrës së zbrazjes, gjejmë
(10)
Ne pastaj gjejmë,
(11)
MOSFET-i i mënyrës së zhdukjes janë në dispozicion në formë diskrete, ose ato mund të fabrikohen në patate të skuqura të qarqeve të integruara së bashku me llojet e modalitetit të përmirësimit. Kjo përfshin të dyja p-type dhe n-lloj. Kjo lejon më shumë fleksibilitet në teknikat e dizajnimit të qarkut.
2.3 Circuit ekuivalent i sinjalit të madh
Ne tani dëshirojmë të zhvillojmë një qark ekuivalent që përfaqëson karakteristikat e sinjalit të madh të figurës 8 [Equation (5) ose (8)] në rajonin e ngopjes. Vini re se rrjedhja aktuale, iD, varet nga vGS vDS. Për një tension të vazhdueshëm nga porta në burim, ne veprojmë përgjatë një prej kthesave parametrike të figurës, dhe marrëdhënia është një vijë afërsisht e drejtë. Një marrëdhënie e vijës së drejtë midis rrymës dhe tensionit modelohet nga një rezistencë. Prandaj qarku ekuivalent përbëhet nga një rezistencë paralele me burimin e rrymës ku vlera e burimit aktual përcakton pjesën e rrymës së kullimit për shkak të vGS. Varet nga pjerrësia e kurbës vGS. Pjerrësia është derivat i pjesshëm,
(12)
ku r0 është rezistenca e prodhimit në rritje. Ne e shohim nga Ekuacioni [(5) ose (8)] se kjo rezistencë është dhënë nga
(13)
ku ne përdorim rastin e sipërm VGS për të treguar se rezistenca është përcaktuar për një vlerë konstante të veçantë të tensionit porta-burim. Përafrimi i fundit në Ekuacion (13) rezulton nga Ekuacioni (5) me supozimin se λ Eshte i vogel. Rezistenca është pra anasjelltas proporcion me rrjedhën aktuale, ID. Modeli ekuivalent i sinjalit të madh është dhënë më pas nga Figura 11 ku r0 është ashtu siç është zhvilluar në Ekuacion (13).
Figura 11 - Një qark ekuivalent me sinjal të madh
2.4 Modeli i Vogël i Sinjalit të MOSFET
Ne tani dëshirojmë të shohim efektet shtesë në lidhje me Ekuacionin. Tre parametrat e qarkut në këtë ekuacion, iD, vGS vDS janë të përbërë nga të dyja dc (paragjykim) dhe ac komponentëve (prandaj ne kemi përdorur nënkripta të lëndëve të mëdha në shprehjet). Ne jemi të interesuar në ac komponentëve për modelin e sinjalit të vogël. Ne shohim se rryma e rrjedhjes varet nga dy tensione, nga porta-tek-burimi dhe dalja nga burimi. Për vlerat në rritje, ne mund ta shkruajmë këtë marrëdhënie si
(14)
Në ekuacion (14), gm is transconductance përpara r0 është rezistenca e prodhimit. Vlerat e tyre janë gjetur duke marrë derivate të pjesshme në Ekuacioni (5). Kështu,
(15)
Përafrimi në Ekuacioni (15) rezulton nga vëzhgimi që λ nëse është i vogël. Ekuacioni (14) çon në modelin e sinjalit të vogël të figurës 12.
Figura 12 - Model me sinjal të vogël MOSFET