2 เซมิคอนดักเตอร์โลหะ - ออกไซด์ FET (MOSFET)
เซมิคอนดักเตอร์โลหะ - ออกไซด์ FET (MOSFET)
เซมิคอนดักเตอร์โลหะ - ออกไซด์ FET (MOSFET) เป็นอุปกรณ์ปลายทางสี่ตัว อาคารผู้โดยสารคือ แหล่งที่มา (S), เกต (G) และ ท่อระบายน้ำ (D). สารตั้งต้น or ร่างกาย รูปแบบขั้วที่สี่ MOSFET ถูกสร้างขึ้นด้วยขั้วประตูฉนวนจากช่องทางที่มีไดอิเล็กตริกไดออกไซด์ MOSFET สามารถเป็นได้ทั้ง การพร่อง or โหมดการปรับปรุง. เรากำหนดคำสองคำนี้ในไม่ช้า
MOSFET บางครั้งเรียกว่า IGFETs (ทรานซิสเตอร์สนามผลประตูฉนวน) เนื่องจาก SiO2 ชั้นที่ใช้เป็นฉนวนระหว่างประตูและพื้นผิว เราเริ่มการวิเคราะห์ของเราด้วย MOSFET โหมดพร่อง เช่นเดียวกับ BJT สามารถเป็นได้ทั้ง NPN or PNPMOSFET สามารถเป็นได้ทั้ง n-channel (NMOS) หรือ p-channel (PMOS) รูปที่ 1 แสดงให้เห็นถึงโครงสร้างทางกายภาพและสัญลักษณ์สำหรับ n-channel พร่อง MOSFET ขอให้สังเกตว่าวัสดุพิมพ์เชื่อมต่อกับสถานีต้นทาง นี่จะเป็นกรณีนี้เสมอ
การพร่อง MOSFET ถูกสร้างขึ้นด้วย กายภาพ ช่องแทรกระหว่างท่อระบายน้ำและแหล่งที่มา เป็นผลให้เมื่อแรงดันไฟฟ้า vDSจะถูกใช้ระหว่างท่อระบายน้ำและแหล่งที่มากระแส iD, มีอยู่ระหว่างท่อระบายน้ำและแหล่งกำเนิดแม้ว่าเกตอาคาร G จะไม่เชื่อมต่อ (vGS = 0 V)
การก่อสร้างของ n-channel พร่อง MOSFET เริ่มต้นด้วย pเจือซิลิคอน nแหล่งที่มาที่มีฝุ่นและบ่อระบายน้ำจะสร้างการเชื่อมต่อที่มีความต้านทานต่ำระหว่างปลายของ n-channel ดังแสดงในรูปที่ 1 ชั้นของซิลิกอนไดออกไซด์บาง ๆ จะถูกสะสมครอบคลุมพื้นที่ระหว่างแหล่งกำเนิดกับท่อระบายน้ำ The SiO2 เป็นฉนวน ชั้นอลูมิเนียมจะถูกวางไว้บนฉนวนซิลิกอนไดออกไซด์ในรูปแบบขั้วประตู ในการดำเนินการเชิงลบ vGS ผลักอิเล็กตรอนออกจากบริเวณช่องสัญญาณซึ่งจะเป็นการทำลายช่องสัญญาณ เมื่อ vGS ถึงแรงดันไฟฟ้าที่แน่นอน VTช่องทางคือ บีบออก. ค่าบวกของ vGS เพิ่มขนาดของช่องสัญญาณส่งผลให้กระแสไฟไหลเพิ่มขึ้น การสูญเสีย MOSFET สามารถทำงานได้ทั้งค่าบวกหรือลบของ vGS. เนื่องจากเกตมีฉนวนจากช่องทางกระแสไฟเกตจึงมีขนาดเล็กมาก (ตามคำสั่งของ 10-12 A)
รูปที่ 2 เปรียบได้กับรูปที่ 1 ยกเว้นว่าเราได้เปลี่ยน n-channel พร่อง MOSFET ถึง p-channel พร่อง MOSFET
พื้นที่ n- การเพิ่มประสิทธิภาพของช่อง MOSFET แสดงในรูปที่ 3 พร้อมกับสัญลักษณ์วงจร นี่คือรูปแบบที่ใช้กันมากที่สุดของทรานซิสเตอร์ภาคสนาม
พื้นที่ n- การเพิ่มประสิทธิภาพของช่อง MOSFET แตกต่างจากการพร่อง MOSFET โดยไม่มีความบาง n-ชั้น. มันต้องมีแรงดันไฟฟ้าบวกระหว่างเกตและแหล่งกำเนิดเพื่อสร้างช่องสัญญาณ ช่องสัญญาณนี้เกิดขึ้นจากการกระทำของแรงดันไฟฟ้าระหว่างเกตและแหล่งกำเนิดบวก vGSซึ่งจะดึงดูดอิเล็กตรอนจากบริเวณพื้นผิวระหว่าง n-doped drain และแหล่งที่มา บวก vGS ทำให้อิเล็กตรอนสะสมที่พื้นผิวใต้ชั้นออกไซด์ เมื่อแรงดันไฟฟ้าถึงเกณฑ์ VTจำนวนอิเล็กตรอนที่เพียงพอจะถูกดึงดูดไปยังภูมิภาคนี้เพื่อให้มันทำตัวเป็นตัวนำ nแชลแนล ไม่มีกระแสไหลออกที่ประเมินค่าได้ iD มีอยู่จนกระทั่ง vGS เกินกว่า VT.
รูปที่ 4 เปรียบได้กับรูปที่ 3 ยกเว้นว่าเราได้เปลี่ยน nเพิ่มประสิทธิภาพของช่องทาง MOSFET เป็น pเพิ่มประสิทธิภาพของช่องทาง MOSFET
โดยสรุปตระกูล MOSFET จะแสดงการระบุ iD กับ vGS เส้นโค้งที่แสดงในรูปที่ 5 ลักษณะโค้งแต่ละแบบได้รับการพัฒนาพร้อมกับแรงดันแหล่งจ่ายน้ำเพียงพอ vDS เพื่อรักษาอุปกรณ์ในพื้นที่ปฏิบัติการปกติของ iD กับ vDS เส้นโค้ง การอภิปรายในส่วนต่อมาจะกำหนดแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ VT สำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพ MOSFET และการพร่อง MOSFET
2.1 โหมดการปรับปรุงคุณสมบัติของเทอร์มินัล MOSFET
ตอนนี้เราได้นำเสนอโครงสร้างพื้นฐานและพื้นฐานสำหรับการทำงานของ MOSFET แล้วเราใช้วิธีการหนึ่งเพื่อตรวจสอบพฤติกรรมเทอร์มินัลของอุปกรณ์โหมดการเพิ่มประสิทธิภาพ ก่อนอื่นเรามาทำการสังเกตทั่วไปจากรูปที่ 1 ให้คิดว่าการไหลของกระแสปกติใน MOSFET นั้นมาจากท่อระบายน้ำไปยังแหล่งกำเนิด (เช่นเดียวกับใน BJT ซึ่งอยู่ระหว่างตัวรวบรวมและตัวปล่อย) เช่นเดียวกับ NPN BJT มีไดโอดสองตัวอยู่ระหว่างท่อระบายน้ำและแหล่งกำเนิด ดังนั้นเราจะต้องใช้แรงดันไฟฟ้าภายนอกกับประตูเพื่อให้กระแสไหลระหว่างท่อระบายน้ำและแหล่งที่มา
หากเราต่อสายดินและใช้แรงดันบวกกับเกตแรงดันไฟฟ้านั้นจะเป็นแรงดันเกตกับแหล่งจ่ายได้อย่างมีประสิทธิภาพ แรงดันไฟฟ้าเกตบวกจะดึงดูดอิเล็กตรอนและขับไล่รู เมื่อแรงดันไฟฟ้าเกินขีด จำกัด (VT) มีอิเลกตรอนเพียงพอที่จะสร้างช่องทางนำไฟฟ้าระหว่างท่อระบายน้ำและแหล่งกำเนิด เมื่อมาถึงจุดนี้ทรานซิสเตอร์จะเปิดและกระแสเป็นฟังก์ชั่นของทั้งสอง vGS และ vDS. มันควรจะชัดเจนว่า VT เป็นจำนวนบวกสำหรับ nอุปกรณ์ช่องสัญญาณและจำนวนลบสำหรับ pอุปกรณ์ช่อง
เมื่อสร้างช่องแล้ว (เช่น vGS >VT) การไหลของกระแสสามารถเกิดขึ้นได้ในช่องระหว่างท่อระบายน้ำและแหล่งจ่าย กระแสนี้ขึ้นอยู่กับ vDSแต่มันก็ขึ้นอยู่กับ vGS. เมื่อ vGS เพิ่งจะเกินแรงดันเกณฑ์แทบจะไม่สามารถไหลในปัจจุบัน เช่น vGS เพิ่มขึ้นเกินกว่าเกณฑ์ช่องสัญญาณมีผู้ให้บริการมากขึ้นและกระแสที่สูงขึ้นเป็นไปได้ รูปที่ 6 แสดงความสัมพันธ์ระหว่าง iD และ vDS ที่ไหน vGS เป็นพารามิเตอร์ ทราบว่าสำหรับ vGS น้อยกว่าเกณฑ์ไม่มีกระแสในปัจจุบัน ให้สูงขึ้น vGSความสัมพันธ์ระหว่าง iD และ vDS เป็นเส้นตรงโดยประมาณแสดงว่า MOSFET ทำงานเหมือนตัวต้านทานซึ่งความต้านทานขึ้นอยู่กับ vGS.
ส่วนโค้งของรูปที่ 6 ดูเหมือนเส้นตรง อย่างไรก็ตามพวกเขาจะไม่ดำเนินการต่อเป็นเส้นตรงเมื่อ vDS ใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ โปรดจำไว้ว่าแรงดันไฟฟ้าเกตบวกใช้เพื่อสร้างช่องสัญญาณการนำไฟฟ้า มันทำได้โดยการดึงดูดอิเล็กตรอน แรงดันไฟฟ้าของท่อระบายน้ำบวกกำลังทำสิ่งเดียวกัน เมื่อเราเข้าใกล้จุดสิ้นสุดของช่องทางแรงดันไฟฟ้าที่สร้างช่องทางเข้า vGS-vDS เนื่องจากทั้งสองแหล่งคัดค้านซึ่งกันและกัน เมื่อความแตกต่างนี้น้อยกว่า VTช่องไม่มีอยู่อีกต่อไปสำหรับช่องว่างทั้งหมดระหว่างแหล่งที่มาและท่อระบายน้ำ ช่องทางคือ ถูก จำกัด ที่ปลายท่อระบายน้ำและเพิ่มขึ้นอีก vDS ไม่ส่งผลให้เพิ่มขึ้น iD. สิ่งนี้เรียกว่าขอบเขตการทำงานปกติหรือ ความอิ่มตัว ภูมิภาคที่แสดงในรูปที่ 7 ตามส่วนแนวนอนของส่วนโค้งลักษณะ เมื่อความแตกต่างมีค่ามากกว่า VTเราเรียกสิ่งนี้ว่า triode โหมดเนื่องจากศักยภาพที่ทั้งสามอาคารมีผลอย่างมากต่อกระแสไฟฟ้า
การสนทนาก่อนหน้านี้นำไปสู่เส้นโค้งการดำเนินงานของรูปที่ 7
การเปลี่ยนระหว่าง triode และขอบเขตการทำงานปกติ (เรียกว่าขอบเขตความอิ่มตัวและมักถูกระบุว่าเป็นการดำเนินการในโหมดหยิกปิด) ของการดำเนินการจะแสดงเป็นเส้นประในรูป 7 โดยที่
(1)
ที่ขอบภูมิภาคของ triode หัวเข่าของเส้นโค้งจะติดตามความสัมพันธ์โดยประมาณ
(2)
ใน Equation (2) K เป็นค่าคงที่สำหรับอุปกรณ์ที่กำหนด มูลค่าของมันขึ้นอยู่กับขนาดของอุปกรณ์และวัสดุที่ใช้ในการก่อสร้าง ค่าคงที่กำหนดโดย
(3)
ในสมการนี้ μn คือการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน Cออกไซด์ออกไซด์ของประจุคือความจุต่อหน่วยพื้นที่ของเกต W คือความกว้างของประตู L คือความยาวของประตู สมการบ่งชี้ความสัมพันธ์ที่ซับซ้อนและไม่เป็นเชิงเส้นระหว่าง iD และแรงดันไฟฟ้าทั้งสอง vDS และ vGS. เนื่องจากเราต้องการให้กระแสไฟฟ้าไหลแปรผันประมาณเชิงเส้นด้วย vGS (เป็นอิสระจาก vDS) FET ไม่ได้ถูกใช้โดยทั่วไปในบริเวณ triode
ตอนนี้เราต้องการที่จะหาสมการสำหรับเส้นโค้งการดำเนินงานในภูมิภาคความอิ่มตัว เราสามารถสร้างค่าที่ช่วงการเปลี่ยนภาพระหว่าง triode และภูมิภาคอิ่มตัวโดยการประเมิน Equation (2) ที่ช่วงการเปลี่ยนภาพ (หัวเข่า) นั่นคือ,
(4)
สมการนี้กำหนดขนาดของกระแสไหลออกที่ขอบเขต (เส้นประในรูปที่ 8) เป็นฟังก์ชันของแรงดันไฟฟ้าระหว่างเกตและแหล่งกำเนิด vGS. หากจำเป็นเราสามารถอธิบายความโค้งเล็กน้อยของลักษณะโค้งในพื้นที่อิ่มตัวโดยการเพิ่มตัวประกอบเชิงเส้น
(5)
ในสมการ (5) λ เป็นค่าคงที่ขนาดเล็ก (ความชันของส่วนแนวนอนใกล้ของเส้นโค้งลักษณะที่แสดงในรูปที่ 8) โดยปกติแล้วจะน้อยกว่า 0.001 (V-1) แล้วก็
(6)
การสนทนาก่อนหน้านี้ทั้งหมดของเราเกี่ยวข้องกับทรานซิสเตอร์ NMOS ตอนนี้เราจะพูดคุยสั้น ๆ เกี่ยวกับการปรับเปลี่ยนที่จำเป็นสำหรับ PMOS สำหรับ PMOS ค่าของ vDS จะเป็นลบ นอกจากนี้ในการสร้างช่องใน PMOS .
การเปลี่ยนแปลงเพียงอย่างเดียวจากคุณสมบัติของ NMOS ทรานซิสเตอร์ (รูปที่ 7) คือแกนแนวนอนคือตอนนี้ -vDS แทน + vดีเอส และเส้นโค้งแบบพารามิเตอร์แสดงถึงกระแสไฟที่สูงขึ้นเนื่องจากแรงดันเกตลดลง (แทนที่จะเพิ่มขึ้นสำหรับทรานซิสเตอร์ NMOS) เส้นโค้งสำหรับการเพิ่มค่าปัจจุบันสอดคล้องกับแรงดันเกตประตูเชิงลบมากขึ้น เมื่อ vGS > VTทรานซิสเตอร์ถูกตัด สำหรับการปรับปรุง PMOS VT เป็นค่าลบและสำหรับการสูญเสีย PMOS VT เป็นบวก
สมการของกระแสที่การเปลี่ยนภูมิภาคของ triode สำหรับทรานซิสเตอร์ PMOS นั้นเหมือนกับของ NMOS นั่นคือ,
(7)
โปรดทราบว่า vGS และ vDS ทั้งปริมาณเชิงลบ สมการของขอบเขตความอิ่มตัวของทรานซิสเตอร์ PMOS ก็เหมือนกันกับของ NMOS นั่นคือ,
(8)
โปรดทราบว่า λ เป็นลบสำหรับ PMOS ทรานซิสเตอร์เนื่องจากอัตราการเปลี่ยนแปลงของเส้นโค้ง () เป็นลบ
การหาอนุพันธ์ย่อยของสมการ (6) ทั้งสองด้านด้วยความเคารพ vGS, , เราได้รับ
(9)
เราชอบคุณค่าของ gm โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการแกว่งสัญญาณขนาดใหญ่ อย่างไรก็ตามเราสามารถประมาณเงื่อนไขนี้ได้หากเราใช้ FET สำหรับการใช้งานสัญญาณขนาดเล็ก สำหรับสภาพสัญญาณขนาดใหญ่การบิดเบือนของรูปคลื่นอาจไม่เป็นที่ยอมรับในบางแอปพลิเคชัน
2.2 โหมดพร่อง MOSFET
ส่วนก่อนหน้านี้จัดการกับ MOSFET โหมดการปรับปรุง ตอนนี้เราเปรียบเทียบสิ่งนี้กับ MOSFET โหมดพร่อง สำหรับทาง n- โหมดเพิ่มประสิทธิภาพแชนเนลเพื่อรับช่องสัญญาณเราต้องใช้แรงดันไฟฟ้าบวกที่เกท แรงดันไฟฟ้านี้จะต้องมีขนาดใหญ่พอที่จะบังคับให้มีจำนวนอิเล็กตรอนเคลื่อนที่เพียงพอเพื่อสร้างกระแสในช่องทางเหนี่ยวนำ
ตัว Vortex Indicator ได้ถูกนำเสนอลงในนิตยสาร n- MOSFET โหมดพร่องช่องเราไม่ต้องการแรงดันไฟฟ้าบวกนี้เนื่องจากเรามีช่องสัญญาณที่ฝังไว้ทางร่างกาย สิ่งนี้ช่วยให้เรามีกระแสไฟฟ้าระหว่างท่อระบายน้ำและขั้วต้นทางแม้ว่าจะมีแรงดันไฟฟ้าติดลบกับประตูก็ตาม แน่นอนว่ามีการ จำกัด ปริมาณของแรงดันไฟฟ้าเชิงลบที่สามารถใช้กับประตูได้ในขณะที่ยังคงมีการไหลของกระแสระหว่างท่อระบายน้ำและแหล่งที่มา ขีด จำกัด นี้ถูกระบุอีกครั้งว่าเป็นแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ VT. การเปลี่ยนแปลงจากโหมดการเพิ่มประสิทธิภาพคือแรงดันเกต - ทู - ต้นทางสามารถเป็นลบหรือบวกได้ดังแสดงในรูปที่ 9
สมการที่กำหนดการทำงานของมอสเฟตโหมดการพร่องจะคล้ายกันมากกับโหมดการปรับปรุง มูลค่าของท่อระบายน้ำในปัจจุบันเมื่อ vGS เป็นศูนย์ถูกระบุว่าเป็น IDSS. ซึ่งมักเรียกกันว่า ความอิ่มตัวของแหล่งระบายออกหรือ ศูนย์ - ประตูท่อระบายน้ำปัจจุบัน. การเปรียบเทียบสมการของมอสเฟตโหมดการปรับปรุงกับของโหมดพร่องเราพบ
(10)
จากนั้นเราจะพบ
(11)
โหมดการพร่อง MOSFET มีอยู่ในรูปแบบไม่ต่อเนื่องหรือสามารถประดิษฐ์บนชิปวงจรรวมได้ทันทีพร้อมกับประเภทโหมดการปรับปรุง ซึ่งรวมถึงทั้งสอง p- ประเภทและ nประเภท ทำให้มีความยืดหยุ่นมากขึ้นในเทคนิคการออกแบบวงจร
2.3 วงจรเทียบเท่าสัญญาณขนาดใหญ่
ตอนนี้เราต้องการพัฒนาวงจรสมมูลซึ่งแสดงถึงลักษณะสัญญาณขนาดใหญ่ของรูปที่ 8 [Equation (5) หรือ (8)] ในพื้นที่อิ่มตัว โปรดทราบว่ากระแสระบาย iD, ขึ้นอยู่กับ vGS และ vDS. สำหรับแรงดันเกต - ทู - ต้นทางคงที่เราดำเนินการตามเส้นโค้งพาราเมตริกของรูปและความสัมพันธ์จะเป็นเส้นตรงโดยประมาณ ความสัมพันธ์แบบเส้นตรงระหว่างกระแสและแรงดันถูกจำลองโดยตัวต้านทาน วงจรสมมูลจึงประกอบด้วยตัวต้านทานแบบขนานกับแหล่งกระแสโดยที่ค่าของแหล่งกระแสจะสร้างส่วนของกระแสระบายเนื่องจาก vGS. ความชันของเส้นโค้งขึ้นอยู่กับ vGS. ความชันเป็นอนุพันธ์ย่อย,
(12)
ที่ไหน r0 คือความต้านทานเอาต์พุตที่เพิ่มขึ้น เราเห็นจากสมการ [(5) หรือ (8)] ที่ความต้านทานนี้มอบให้
(13)
ที่เราใช้ตัวพิมพ์ใหญ่ VGS เพื่อระบุว่าความต้านทานถูกกำหนดสำหรับค่าคงที่เฉพาะของแรงดันไฟฟ้าระหว่างเกตและแหล่งกำเนิด การประมาณขั้นสุดท้ายในสมการ (13) เป็นผลมาจากสมการ (5) โดยมีสมมติฐานว่า λ เล็ก. ความต้านทานจึงแปรผกผันกับกระแสไบแอส ID. จากนั้นโมเดลที่เทียบเท่าสัญญาณขนาดใหญ่จะได้รับจากรูปที่ 11 r0 ได้รับการพัฒนาใน Equation (13)
2.4 โมเดลสัญญาณขนาดเล็กของ MOSFET
ตอนนี้เราต้องการที่จะดูผลที่เพิ่มขึ้นที่เกี่ยวข้องกับสมการ พารามิเตอร์ของวงจรทั้งสามในสมการนั้น iD, vGS และ vDS ประกอบด้วยทั้ง dc (อคติ) และ ac ส่วนประกอบ (นั่นคือเหตุผลที่เราใช้ตัวพิมพ์เล็กและตัวพิมพ์ใหญ่ในนิพจน์) เรามีความสนใจใน ac ส่วนประกอบสำหรับรุ่นสัญญาณขนาดเล็ก เราจะเห็นว่ากระแสไฟฟ้าไหลออกนั้นขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าสองตัวคือเกทกับแหล่งจ่ายและแหล่งระบาย สำหรับค่าที่เพิ่มขึ้นเราสามารถเขียนความสัมพันธ์นี้เป็น
(14)
ในสมการ (14) gm is transconductance ไปข้างหน้า และ r0 คือความต้านทานเอาต์พุต ค่าของพวกเขาจะพบได้โดยการอนุพันธ์บางส่วนในสมการ (5) ดังนั้น,
(15)
การประมาณในสมการ (15) เป็นผลมาจากการสังเกตการณ์นั้น λ ถ้าเล็ก สมการ (14) นำไปสู่รูปแบบสัญญาณขนาดเล็กของรูปที่ 12