2. Metal oksit yarı iletken FET (MOSFET)

Metal oksit yarı iletken FET (MOSFET)

Metal oksit yarı iletken FET (MOSFET) dört terminalli bir cihazdır. Terminaller kaynak (S), kapı (G) ve tahliye (D). Yüzey or vücut dördüncü terminali oluşturur. MOSFET kanaldan bir silikon dioksit dielektrik ile izole edilmiş geçit terminali ile yapılmıştır. MOSFET'ler olabilir tüketme or geliştirme modu. Bu iki terimi kısaca tanımlarız.

MOSFET: n-kanal tükenmesi

Şekil 1 - n-kanal tükenmesi MOSFET

MOSFET'ler, SiO nedeniyle bazen IGFET'ler (Yalıtımlı Geçit Alan Etkili Transistörler) olarak adlandırılır.2 geçit ve alt tabaka arasında bir yalıtkan olarak kullanılan katman. Analizimize, tükenme modu MOSFET ile başlıyoruz. BJT’lerin olabileceği gibi npn or PnP, MOSFET’ler olabilir nkanal (NMOS) veya pKanal (PMOS). Şekil 1, bir cihazın fiziksel yapısını ve sembolünü gösterir. nkanal tükenmesi MOSFET. Alt tabakanın kaynak terminale bağlı olduğuna dikkat edin. Bu neredeyse her zaman böyle olacak.

Tükenme MOSFET bir ile inşa edilmiştir fiziksel kanal ve kaynak arasına yerleştirilmiş kanal. Sonuç olarak, bir voltaj, vDSdrenaj ve kaynak arasında bir akım uygulanır, iD, G terminali bağlı kalmamasına rağmen boşaltma ile kaynak arasında var (vGS = 0 V).

İnşaatı nkanal tükenmesi MOSFET ile başlar pkatlı silikon. nkatkılı kaynak ve drenaj kuyularının uçları arasında düşük dirençli bağlantılar oluşturur. nKanal, Şekil 1'te gösterildiği gibi. Kaynak ile drenaj arasındaki alanı kaplayan ince bir silikon dioksit tabakası biriktirilir. SiO2 bir yalıtkandır. Geçit terminalini oluşturmak için silikon dioksit izolatöründe bir alüminyum katman biriktirilir. Operasyonda, negatif vGS elektronları kanal bölgesinden dışarı iter, böylece kanalı tüketir. Ne zaman vGS belirli bir gerilime ulaşır, VT, kanal sıkışmış. Pozitif değerler vGS Kanal boyutunu arttırın ve boşaltma akımının artmasına neden olun. Tükenme MOSFET, pozitif veya negatif değerleriyle çalışabilir. vGS. Kapı kanaldan yalıtıldığı için, kapı akımı gözle görülür derecede küçüktür (10 sırasına göre)-12 A).

MOSFET: p-kanal tükenmesi

Şekil 2 - p-kanal tükenmesi MOSFET

Şekil 2, Şekil 1 ile karşılaştırılabilir. nkanal tüketen MOSFET a pkanal tükenmesi MOSFET.

The nkanal geliştirme MOSFET, devre sembolüyle birlikte Şekil 3'te gösterilmektedir. Bu, alan etkili transistörün en yaygın kullanılan şeklidir.

n-kanal geliştirme MOSFET

Şekil 3 - n-kanal geliştirme MOSFET

The nkanal geliştirme MOSFET, inceltilmeden MOSFET'in tükenmesinden farklıdır. n-layer. Kanal oluşturmak için geçit ile kaynak arasında pozitif voltaj gerekir. Bu kanal, pozitif bir kapıdan-kaynağa geriliminin hareketi ile oluşur, vGSve bunlar arasında substrat bölgesinden elektronları çeken nkatlı drenaj ve kaynak. Pozitif vGS Elektronların oksit tabakasının altındaki yüzeyde birikmesine neden olur. Gerilim bir eşiğe ulaştığında, VTbir iletken gibi davranması için bu bölgeye yeterli sayıda elektron çekilir. n-kanal. Kayda değer bir tahliye akımı yok, iD kadar var vGS aşıyor VT.

Şekil 4, Şekil 3 ile karşılaştırılabilir. nMOSFET’e kanal kanalı geliştirme pkanal geliştirme MOSFET.

p-kanal geliştirme MOSFET

Şekil 4 - p-kanal geliştirme MOSFET

Özet olarak, MOSFET ailesi tanımlayıcıları sergiler. iD karşı vGS Şekil 5'ta gösterilen eğriler. Her karakteristik eğri, yeterli boşaltma kaynağı voltajı ile geliştirilmiştir vDS  cihazın normal çalışma bölgesinde iD karşı vDS eğrileri. İlerleyen bölümlerdeki tartışma eşik voltajını tanımlayacaktır. VT hem geliştirme MOSFET'leri hem de tükenme MOSFET'leri için.

Şekil 5 -  iD karşı vGS yeterli drenaj kaynağı gerilimi için MOSFET ailesinin özellikleri VDS

2.1 Geliştirme Modu MOSFET Terminal Özellikleri

Artık MOSFET'in temel yapısını ve işleminin temelini sunduğumuza göre, geliştirme modu cihazının terminal davranışını incelemek için bir yaklaşım kullanıyoruz. İlk olarak Şekil 1'den bazı genel gözlemler yapalım. MOSFET'teki normal akım akışını drenajdan kaynağa (tıpkı BJT'de olduğu gibi, toplayıcı ve yayıcı arasındadır) olarak düşünün. Olduğu gibi npn BJT, boşaltma ve kaynak arasında iki arka arkaya diyot vardır. Bu nedenle, akımın drenaj ve kaynak arasında akmasını sağlamak için geçide harici voltajlar uygulamalıyız.

Kaynağı topraklarsak ve geçide pozitif gerilim uygularsak, bu gerilim etkili bir şekilde geçitten kaynağa gerilimdir. Pozitif geçit voltajı elektronları çeker ve delikleri iter. Gerilim eşiği aştığında (VTdrenaj ve kaynak arasında iletken bir kanal oluşturmak için yeterli elektron çekilir. Bu noktada, transistör açılır ve akım her ikisinin de bir işlevidir. vGS ve vDS. Bu açık olmalı VT bir için pozitif bir sayıdır nkanal cihazı ve bir pkanal cihazı.

Kanal oluşturulduktan sonra (yani, vGS >VT), bu kanalda drenaj ve kaynak arasındaki akım akışı gerçekleşebilir. Bu akım akışı bağlıdır vDS, ancak aynı zamanda bağlıdır vGS. Ne zaman vGS sadece eşik voltajını zorlukla aşar, çok az akım akabilir. Gibi vGS eşiğin ötesinde artar, kanal daha fazla taşıyıcı içerir ve daha yüksek akımlar mümkündür. Şekil 6 arasındaki ilişkiyi gösterir iD ve vDS nerede vGS bir parametredir. Bunun için vGS eşikten daha az ise akım akmaz. Daha yüksek vGS, aralarındaki ilişki iD ve vDS MOSFET'in direncine bağlı olan bir direnç gibi davrandığını gösteren yaklaşık olarak doğrusaldır vGS.

Şekil 6 -iD karşı vDS geliştirme modu için nkanal MOSFET ne zaman vDS küçük

Şekil 6'in eğrileri düz çizgilere benziyor. Ancak, ne zaman düz çizgiler olarak devam etmeyecekler vDS büyür. İletim kanalını oluşturmak için pozitif bir kapı voltajının kullanıldığını hatırlayın. Elektronları çekerek yapar. Pozitif boşaltma voltajı aynı şeyi yapıyor. Kanalın boşaltma ucuna yaklaştıkça, kanalı oluşturan voltaj yaklaşır vGS-vDS İki kaynak birbirine karşı çıktığından beri. Bu fark daha az olduğunda VTKanal, kaynak ve boşaltma arasındaki alanın tamamı için artık mevcut değildir. Kanal zoraki boşaltma ucunda ve daha vDS herhangi bir artışla sonuçlanmaz iD. Bu normal çalışma bölgesi veya doyma karakteristik eğrilerin yatay kesiti ile Şekil 7'te gösterilen bölge. Farkın büyük olduğu zaman VT, biz buna diyoruz triyot modu, çünkü her üç terminaldeki potansiyeller akımı kuvvetle etkiler.

Önceki tartışma, Şekil 7'in çalışma eğrilerine yol açmaktadır.

Şekil 7 -iD karşı vGS geliştirme modu MOSFET için

İşlemin üçlü ve normal çalışma bölgesi (doyma bölgesi olarak adlandırılan ve sık sık sıkıştırma modunda işlem olarak tanımlanır) arasındaki geçiş, Şekil 7’te kesikli çizgi olarak gösterilir.


(1)

Üçlü bölge sınırında eğrilerin dizleri yaklaşık olarak ilişkiyi izler,


(2)
Denklem (2), K verilen bir cihaz için bir sabittir. Değeri, cihazın boyutlarına ve yapımında kullanılan malzemelere bağlıdır. Sabit,


(3)
Bu denklemde μn elektron hareketliliği; Coksitoksit kapasitansı, kapının birim alan başına kapasitansıdır; W kapının genişliğidir; L kapının uzunluğu. Denklem, arasında karmaşık ve doğrusal olmayan bir ilişki olduğunu gösterir. iD ve iki voltaj vDS ve vGS. Drenaj akımının yaklaşık olarak doğrusal olarak değişmesini istediğimizden vGS (dan bağımsız vDS), FET genellikle triyot bölgesinde kullanılmaz.

Şimdi doygunluk bölgesindeki çalışma eğrileri için bir denklem bulmak istiyoruz. Geçişteki (2) Denklemi (diz) değerlendirerek triyot ve doyma bölgesi arasındaki geçişteki değerleri belirleyebiliriz. Yani,


(4)
Bu denklem, sınırdan akma geriliminin bir fonksiyonu olarak sınırdaki drenaj akımının büyüklüğünü belirler (Şekil 8'ta kesikli çizgi). vGS. Gerekirse, doyma bölgesindeki karakteristik eğrilerin hafif eğimini doğrusal bir faktör ekleyerek açıklayabiliriz.


(5)
Denklemde (5), λ küçük bir sabittir (Şekil 8'te gösterilen karakteristik eğrilerin yakın yatay bölümünün eğimi). Genellikle 0.001'ten (V) düşüktür.-1). Sonra


(6)

Daha önceki görüşmemizin tümü NMOS transistörüyle ilgilidir. Şimdi PMOS için gerekli değişiklikleri kısaca tartışıyoruz. PMOS için değerleri vDS olumsuz olacak. Ayrıca, PMOS’ta bir kanal oluşturmak, .

Şekil 8 - Bir MOSFET transistörün terminal özellikleri

NMOS transistörlerin özelliklerinden tek değişiklik (Şekil 7) yatay eksenin şimdi -v olmasıdır.DS + v yerineDS, ve parametrik eğriler geçit voltajı azaldıkça daha yüksek drenaj akımını temsil eder (NMOS transistörünü artırmak yerine). Akım değerlerini arttırma eğrileri daha negatif kapı voltajına karşılık gelir. Ne zaman vGS > VTtransistör kesilmiştir. PMOS’un geliştirilmesi için VT negatiftir ve PMOS tükenmesi için VT olumlu.

PMOS transistörü için triod bölgesi geçişindeki akımın denklemi NMOS ile aynıdır. Yani,


(7)
Bunu not et vGS ve vDS ikisi de negatif miktarlardır. PMOS transistöründeki doyma bölgesi denklemi de NMOS'unkiyle aynıdır. Yani,


(8)

Bunu not et λ PMOS transistörleri için negatiftir, çünkü eğrinin değişim oranı) negatif.

Denklemin (6) her iki tarafının kısmi türevinin, vGS, aldık


(9)
Değerini tercih ediyoruz gm Özellikle büyük sinyal salınımları için sabit olması. Ancak, bu koşulu ancak küçük sinyal uygulamaları için FET kullanırsak yaklaşık olarak değerlendirebiliriz. Büyük sinyal koşulları için, bazı uygulamalarda dalga formunun bozulması kabul edilemez olabilir.

2.2 Tükenme Modu MOSFET

Önceki bölüm, MOSFET geliştirme modu ile ilgileniyordu. Şimdi bunu tükenme modu MOSFET ile karşılaştırıyoruz. İçin nKanal geliştirme modu, bir kanal elde etmek için geçide pozitif voltaj uygulamak zorunda kaldık. Bu voltaj, indüklenmiş bir kanalda bir akım üretmek için yeterli sayıda mobil elektronu zorlayacak kadar büyük olmalıdır.

Şekil 9 - Tükenme modu n-kanal MOSFET

içinde n-kanal tükenme modu MOSFET, fiziksel olarak implante edilmiş bir kanala sahip olduğumuz için bu pozitif voltaja ihtiyacımız yok. Bu, geçide uygulanan negatif voltajlarda bile tahliye ve kaynak terminalleri arasında akım olmasını sağlar. Elbette, boşaltma ve kaynak arasında akım akışı devam ederken geçide uygulanabilecek negatif voltaj miktarının bir sınırı vardır. Bu limit yine eşik voltajı olarak tanımlanır, VT. Geliştirme modundaki değişiklik, Şekil 9'da gösterildiği gibi geçitten kaynağa voltajın artık negatif veya pozitif olabilmesidir.

Tükenme modu MOSFET'in çalışmasını tanımlayan denklemler, geliştirme modununkine çok benzer. Drenaj akımının değeri ne zaman vGS sıfır olarak tanımlanır IDSS. Bu genellikle drenaj kaynaklı doygunluk akımıYa da sıfır - kapı boşaltma akımı. MOSFET geliştirme modu ile bitirme modunun denklemlerini karşılaştırarak,


(10)

Sonra buluruz


(11)

Tükenme modu MOSFET'ler ayrı formda mevcuttur veya bunlar, geliştirme modu türleriyle birlikte bütünleşik devre yongalarında üretilebilir. Bu her ikisini de içerir ptipi ve ntipi. Bu devre tasarım tekniklerinde daha fazla esneklik sağlar.

2.3 Büyük sinyal eşdeğer devresi

Şimdi doygunluk bölgesinde Şekil 8 [Denklem (5) veya (8)] 'in büyük sinyal özelliklerini temsil eden eşdeğer bir devre geliştirmek istiyoruz. Boşaltma akımına dikkat edin, iD, bağlıdır vGS ve vDS. Sabit bir geçitten kaynağa voltaj için, şeklin parametrik eğrilerinden biri boyunca çalışırız ve ilişki yaklaşık olarak düz bir çizgidir. Akım ve gerilim arasındaki düz çizgi ilişkisi bir dirençle modellenir. Bu nedenle eşdeğer devre, akım kaynağına paralel bir dirençten oluşur; burada akım kaynağının değeri, nedeniyle drenaj akımının bir kısmını oluşturur. vGS. Eğrinin eğimi bağlıdır vGS. Eğim kısmi türevdir,


(12)

nerede r0 artımlı çıkış direncidir. Denklem [(5) veya (8)] tarafından bu direncin verildiğini görüyoruz.


(13)

büyük harf kullandığımız yer VGS direncin kapıdan kaynağa gerilimin belirli bir sabit değeri için tanımlandığını belirtmek için. Denklemdeki son yaklaşım (13), aşağıdaki varsayımla Denklem (5) sonucundan çıkar. λ Küçük Direnç bu nedenle önyargı akımı ile ters orantılıdır, ID. Büyük sinyal eşdeğer modeli daha sonra Şekil 11 ile verilmiştir. r0 Denklem (13) içinde olduğu gibi.

Şekil 11 - Büyük sinyal eşdeğer devresi

2.4 MOSFET'in Küçük Sinyal Modeli

Şimdi Denklem ile ilgili artan etkilere bakmak istiyoruz. Bu denklemdeki üç devre parametresi, iD, vGS ve vDS her ikisinden de oluşur dc (önyargı) ve ac bileşenleri (bu nedenle ifadelerde büyük harfli abonelikler kullandık). Biz ilgileniyoruz ac Küçük sinyal modeli için bileşenler. Drenaj akımının iki kaynağa, kapıdan kaynağa ve tahliye kaynağına bağlı olduğunu görüyoruz. Artımlı değerler için bu ilişkiyi şu şekilde yazabiliriz:


(14)
Denklemde (14), gm is ileri iletkenlik ve r0 çıkış direncidir. Onların değerleri Denklem (5) 'de kısmi türevler alınarak bulunur. Böylece,


(15)
Denklem'deki (15) yaklaşık değer λ eğer küçükse. Denklem (14), Şekil 12'in küçük sinyal modeline yol açar.

Şekil 12 - Küçük sinyalli MOSFET modeli