2. Metall oksidi yarim Supero'tkazuvchilar FET (MOSFET)

Metall oksidi yarim Supero'tkazuvchilar FET (MOSFET)

Metall oksidli yarimo'tkazgich FET (MOSFET) - to'rtta terminal qurilmasi. Terminallar manba (s), eshik (G) va drenaj (D). The substratdan foydalaning or badan to'rtinchi terminalni tashkil qiladi. MOSFET kanaldan silikon dioksid dielektrik bilan ajratilgan eshik terminali bilan qurilgan. MOSFETlar ham bo'lishi mumkin yo'qotish or takomillashtirish rejimi. Qisqa vaqt ichida ushbu ikki atamani belgilab olamiz.

Shakl 1 - n-kanalni yo'qotish MOSFET

MOSFET'lar ba'zan SiO ga bog'liq bo'lgan IGFETs (izolyatsiya qilingan darvoza fazasi-ta'sir transistorlar) deb nomlanadi.₂ eshik va substrat o'rtasidagi izolyator sifatida ishlatiladi. Tahlil qilishni MOSFETning kamaytirish rejimi bilan boshlaymiz. BJTlar ham bo'lishi mumkin npn or pnp, MOSFETlar ham bo'lishi mumkin n-channel (NMOS) yoki p- kanal (PMOS). Shakl 1 jismoniy tuzilish va belgini ko'rsatadi n- MOSFET kanallarini yo'qotish. Substrat manba terminaliga ulanganligiga e'tibor bering. Bu deyarli har doim bo'ladi.

MOSFETning kamayishi a jismoniy drenaj va manba o'rtasida qo'shilgan kanal. Natijada, kuchlanish, v_DS, drenaj va manba orasida qo'llaniladi, oqim, i_D, drenaj va manba o'rtasida mavjud bo'lsa ham, Gv_GS = 0 V).

Qurilish n- MOSFET-kanalni yo'qotish bilan boshlanadi pdopingli kremniy. The n- to'ldirilgan manba va drenaj quduqlari uchlari o'rtasida pastki qarshilik aloqalarini hosil qiladi nShanno 1 da ko'rsatilganidek, kanal. Silikon dioksidning nozik bir qatlami manba va drenaj maydonini qamrab oladi. SiO₂ izolyator hisoblanadi. Alyuminiy qatlam silikon dioksid izolyatoriga eshik terminalini hosil qilish uchun biriktirilgan. Amaliyotda salbiy v_GS kanalni tashqariga chiqarib yuboradi va shu bilan kanalni ishdan chiqaradi. Qachon v_GS ma'lum bir kuchlanishga etadi, V_T, kanal mavjud siqila boshladi. Musbat qiymatlari v_GS Kanalning o'lchamini oshirish, drenaj oqimining oshishiga olib keladi. MOSFET tushishi musbat yoki salbiy qadriyatlar bilan ishlay oladi v_GS. Darvoza kanaldan izolyatsiya qilinganligi sababli, eshik oqimi beparvo darajada kichik (10 tartibida^-12 A).

Shakl 2 - p-kanalni yo'qotish MOSFET

Shaklimiz 2 biz shaklni 1 bilan taqqoslaymiz, faqat biz o'zgartirdik n- MOSFET kanal kanalini yo'qotish p- MOSFET kanallarini yo'qotish.

The n-Kanelni takomillashtirish MOSFET Shakli 3 da elektron simvol bilan ko'rsatilgan. Bu eng ko'p ishlatiladigan transistorlar shaklidir.

Shakl 3 - n-kanalni yaxshilash MOSFET

The n- MOSFET kanalini yaxshilash MOSFETning nozik bo'lmaganligi bilan farq qiladi n- qo'shiqchi. Kanalni o'rnatish uchun eshik va manba o'rtasida ijobiy kuchlanish talab qilinadi. Bu kanal ijobiy darvoza orqali manba voltajining ta'siri bilan shakllanadi, v_GS, Bu substrat mintaqasidan elektronlar jalb qiladi n- to'ldirilgan drenaj va manba. Ijobiy v_GS oksidli qatlam ostidagi sirtda elektronlar to'planishiga sabab bo'ladi. Voltaj eshikka yetganda, V_T, bu mintaqaga yetarli miqdorda elektronni jalb qilishni jalb qilish uchun jalb qilinadi n- kanal. Muhim drenaj oqimi yo'q, i_D qadar v_GS oshadi V_T.

Shaklimiz 4 biz shaklni 3 bilan taqqoslaymiz, faqat biz o'zgartirdik nMOSFET-kanalni kengaytirish p-Kanelni kengaytirish MOSFET.

Shakl 4 - p-kanali kengaytirish MOSFET

Xulosa sifatida MOSFET oilasi identifikatsiyalashni namoyish qilmoqda i_D ga qarshi v_GS Shakllar 5da ko'rsatilgan egri chiziqlar. Har bir xarakterli chiziq etarli drenaj manbai kuchlanish bilan ishlab chiqilgan v_DS qurilmani normal ish joyida saqlab turish i_D ga qarshi v_DS chiziqlar. Keyinchalik bo'linmalardagi muhokamalar pol qiymatini belgilaydi V_T MOSFET va MOSFETlarning kamayishi uchun ham.

Shakl 5 - i_D ga qarshi v_GS etarli drenaj manbai kuchlanish uchun MOSFET oilasining xususiyatlari V_DS

2.1 Enhancement-Mode MOSFET terminalining tavsifi

MOSFET-ning asosiy tuzilishi va ishlash asoslarini taqdim etganimizdan so'ng, biz takomillashtirish rejimi qurilmasining terminal holatini tekshirish uchun yondashuvdan foydalanamiz. Keling, avval 1-rasmdan umumiy mushohadalarni olib boramiz. MOSFETdagi oqimning normal oqishini drenajdan manbagacha bo'lgan oqim deb tasavvur qiling (xuddi BJTda bo'lgani kabi, bu kollektor va emitent o'rtasida). Bilan bo'lgani kabi npn BJT, drenaj va manba o'rtasida ikkita orqa diod mavjud. Shuning uchun, drenaj va manba o'rtasida oqimga ruxsat berish uchun eshikka tashqi kuchlanishlarni qo'llashimiz kerak.

Agar manba topilsa va darvoza uchun ijobiy kuchlanishni qo'llasak, u kuchlanish darvoza manbaidan kuchlanish hisoblanadi. Ijobiy eshik voltaji elektronlarni tortadi va teshiklarni to'sadi. Voltaj efirdan oshib ketganda (V_T), drenaj va manba o'rtasida o'tkazuvchi kanalni tashkil etish uchun etarli elektronlar jalb qilinadi. Shu nuqtada tranzistor ochiladi va oqim har ikkalasining ham vazifasi v_GS va v_DS. Bu aniq bo'lishi kerak V_T uchun ijobiy raqam hisoblanadi n-channel qurilma va a uchun salbiy raqam p-channel qurilmasi.

Kanal yaratilgach (ya'ni, v_GS>V_T), bu kanalda oqim va manba o'rtasidagi oqim paydo bo'lishi mumkin. Ushbu oqim bog'liq v_DS, lekin u ham bog'liq v_GS. Qachon v_GS faqat pol qiymatining oshib ketishi, juda kam oqim oqishi mumkin. As v_GS eshikdan oshib boradi, kanalda ko'proq tashuvchilar mavjud va yuqori oqimlar mavjud. Shakl 6 o'rtasidagi munosabatni ko'rsatadi i_D va v_DS qayerda v_GS parametrdir. Buni unutmang v_GS pol qiymatdan kamroq, oqim oqimi yo'q. Oliyroq uchun v_GS, o'rtasidagi munosabatlar i_D va v_DS MOSFET qarshilikka bog'liq bo'lgan qarshilik kabi harakat qilishini ko'rsatadigan taxminan chiziqli v_GS.

Shakl 6 -i_D ga qarshi v_DS bir qo'shimcha-rejim uchun nqachon kanal MOSFET v_DS kichik

Shakl 6 chizig'i to'g'ri chiziqlar singari ko'rinadi. Biroq, ular to'g'ri chiziqlar sifatida davom etmaydi v_DS katta bo'ladi. O'tkazish kanalini yaratish uchun ijobiy eshik kuchlanishidan foydalaning. Bu elektronlarni jalb qilish yo'li bilan amalga oshiriladi. Ijobiy drenaj kuchlanishi xuddi shu narsani qiladi. Kanalning drenaj uchiga yaqinlashganda, kanalni yaratadigan kuchlanish yaqinlashadi v_GS-v_DS chunki ikkala manba bir-biriga qarama-qarshidir. Bu farq kamroq bo'lsa V_T, Kanal manba va drenaj orasidagi butun maydon uchun endi mavjud emas. Kanal cheklangan drenaj uchida va undan keyin ortadi v_DS hech qanday o'sish bo'lmaydi i_D. Bu oddiy operatsiya hududi yoki uning nomi sifatida tanilgan to'yinganlik shakl 7 da xarakterli egri gorizontal qismida ko'rsatilgan. Farq katta bo'lganda V_T, biz buni chaqiramiz triod chunki har uch terminalda potentsiallar oqimga katta ta'sir ko'rsatadi.

Avvalgi munozarasi shakl 7 ning ish chizig'iga olib keladi.

Shakl 7 -i_D ga qarshi v_GS kengaytirilgan MOSFET rejimi uchun

Operatsiyaning triode va normal faoliyat joylari orasidagi (to'yinganlik hududi deb ataladigan va odatda qisqaroq rejimda operatsiya deb ataladigan) o'tish, shakl 7da kesilgan chiziq sifatida ko'rsatilgan.

(1)

Triode hudud chegarasida, egri chiziqlaridagi munosabatlar deyarli kuzatiladi,

(2)
Tenglama (2) da, K ma'lum bir qurilma uchun doimiy. Uning qiymati qurilma o'lchamlariga va uning qurilishida ishlatiladigan materiallarga bog'liq. Ruxsat etilgan,

(3)
Ushbu tenglamada, μ_n elektron harakatlanishi; C_oksidi, Oksidning quvvati, eshikning birlik maydoniga tengligi; W Darvozaning kengligi; L darvoza uzunligi. Tenglama orasidagi murakkab va chiziqli munosabatni ko'rsatadi i_D va ikkala keskinlik, v_DS va v_GS. Drenaj oqimini taxminan lineer tarzda o'zgarishini istaymiz v_GS (mustaqil v_DS), FET odatda triode hududida ishlatilmaydi.

Keling, to'yinganlik hududida operatsion egri uchun tenglama topmoqchimiz. O'tish (tiz) da Tenglama (2) qiymatini baholash orqali triode va doygunlik hududi orasidagi o'tishda qadriyatlarni o'rnatishimiz mumkin. Anavi,

(4)
Ushbu tenglama chegara ichidagi oqim oqimining o'lchamini (shakl 8da kesilgan chiziq) eshikka manba kuchlanishining funksiyasi sifatida belgilaydi v_GS. Agar zarurat tug'ilsa, to'yinganlik hududida xarakterli egri chiziqlarning engil burchagini lineer omil qo'shib hisoblashimiz mumkin.

(5)
Tenglama (5) da, λ (8 shaklida ko'rsatilgan xarakterli egri chiziqlaridagi yaqin gorizontal kesimning burchagi) kichik bir svitadir. Odatda 0.001 (V^-1). Keyin

(6)

O'tgan barcha munozaralarimiz NMOS tranzistoriga taalluqli edi. Endi PMOS uchun kerakli o'zgartirishlarni qisqacha muhokama qilamiz. PMOS uchun v_DS salbiy bo'ladi. Bundan tashqari, PMOS kanalini yaratish uchun, .

Shakl 8 - MOSFET tranzistorining terminal xususiyatlari

NMOS tranzistorlarining xarakteristikasidan faqatgina o'zgarishlar (shakl 7) gorizontal eksa endi - v_DSo'rniga + v_DS,va parametrik chiziqlar eshik voltajining pasayishi (NMOS tranzistorlari uchun ortib bormoqda) kabi yuqori drenaj oqimini aks ettiradi. Oqim qiymatlarini oshirish uchun egri chiziqlarga qo'shimcha salbiy kuchlanish bilan javob beradi. Qachon v_GS> V_T, tranzistor kesiladi. PMOSni takomillashtirish uchun, V_T salbiy va pasayish uchun PMOS, V_T ijobiy.

PMOS tranzistorlari uchun triodal hududga o'tish uchun joriy tenglik NMOSga teng. Anavi,

(7)
Eslab qoling v_GS va v_DS ham salbiy miqdori. PMOS tranzistoridagi to'yinganlik hududi uchun tenglik NMOS bilan bir xil. Anavi,

(8)

Eslab qoling λ PMOS transistorlar uchun salbiy ta'sir ko'rsatadi.) salbiy.

Tenglama (6) ning har ikkala tomonini qisman türevine ko'ra v_GS, , biz olamiz

(9)
Biz qiymatini afzal ko'rayapmiz g_m ayniqsa, katta signal chalinishi uchun doimiy bo'lishi kerak. Biroq, biz kichik signal ilovalari uchun FETdan foydalansak, bu holatni taxmin qilishimiz mumkin. Katta signali sharoitlari uchun ba'zi bir ilovalarda to'lqin shaklining buzilishi qabul qilinishi mumkin emas.

2.2 talaffuz rejimi MOSFET

Avvalgi bo'lim MOSFET kengaytirilgan rejimida ishlangan. Keling, buni MOSFETning ishdan chiqish tartibiga solishtiramiz. Uchun n- kanalni takomillashtirish rejimi, eshikda ijobiy kuchlanishni qo'llashimiz kerak bo'lgan kanalni sotib olish. Ushbu kuchlanish indulged kanalda oqim hosil qilish uchun etarli miqdordagi mobil elektronni majburiy ravishda kuchlantirish uchun etarlicha katta bo'lishi kerak edi.

Shakl 9 - Chiqarish holati n-kanal MOSFET

In n- MOSFET kanalining tugashi rejimi, bizda bu ijobiy kuchlanish kerak emas, chunki bizda jismonan joylashtirilgan kanal mavjud. Bu bizga drenaj va manba terminallari o'rtasida hatto eshikka salbiy kuchlanish qo'llanilganda ham oqim o'tkazishga imkon beradi. Albatta, drenaj va manba o'rtasida oqim oqimi mavjud bo'lganda, eshikka qo'llanilishi mumkin bo'lgan salbiy kuchlanish miqdori chegarasi mavjud. Ushbu chegara yana pol kuchlanish sifatida aniqlanadi, V_T. Kuchaytirish rejimining o'zgarishi shundan iboratki, 9-rasmda ko'rsatilgandek, eshikdan manbaga kuchlanish manfiy yoki ijobiy bo'lishi mumkin.

MOSFETning ishdan chiqish tartibini aniqlaydigan tenglamalar ishlab chiqarish rejimiga juda o'xshash. Drenaj oqimining qiymati v_GS nol deb nomlanadi I_DSS. Bunga odatda drenaj manbai doygunligi oqimiyoki nol-eshikli drenaj oqimi. MOSFETni takomillashtirish rejimi Tenglama uslubini solishtirganda, biz topamiz

(10)

Keyin,

(11)

Chikarish rejimi MOSFETlar alohida shaklda mavjud yoki ularni takomillashtirilgan tartibli chiplar bilan takomillashtirilishi mumkin. Bu ikkalasini ham o'z ichiga oladi pva n-type. Bu, elektron dizayni texnikada ko'proq moslashuvchanlikni ta'minlaydi.

2.3 Katta signalli ekvivalent elektron

Keling, to'yinganlik hududida shakl 8 [Tenglama (5) yoki (8)] ning katta signal xususiyatlarini ifodalovchi munosib elektronni ishlab chiqishni istaymiz. Drenaj oqimi, i_D, shunga bog'liq v_GS va v_DS. Doimiy manbadan quvvat manbai uchun biz rasmning parametrli egri chiziqlaridan biri bo'ylab ishlaymiz va munosabatlar taxminan to'g'ri chiziqdir. Oqim va kuchlanish o'rtasidagi to'g'ri chiziqli munosabatlar qarshilik bilan modellashtirilgan. Shuning uchun ekvivalent zanjir oqim manbaiga parallel ravishda qarshilikdan iborat bo'lib, u erda oqim manbai qiymati drenaj oqimining qismini o'rnatadi v_GS. Egasining burchagi bog'liq v_GS. Nishab qisman lotin,

(12)

qayerda r₀ qo'shimcha chiqish qarshiligi. Tenglama [(5) yoki (8)] tomonidan ushbu qarshilik bilan berilganligini ko'rib turibmiz

(13)

biz katta o'lchamda foydalanamiz V_GS qarshilikning darvoza-to-manfiy kuchlanishning ma'lum bir sobit qiymati uchun belgilanishini ko'rsatish. Tenglama (13) ning yakuniy yondashuvi tenglama (5) natijalaridan kelib chiqadi λ kichik. Shunday qilib, qarshilik, qarama-qarshi oqimga teskari proportsionaldir, I_D. Keyinchalik katta signali ekvivalent modeli Shakl 11 tomonidan berilgan r₀ Tenglama (13) da ishlab chiqilgan.

Shakl 11 - Katta signalli ekvivalent elektron

2.4 MOSFETning kichik signalli modeli

Keling, Tenglama bilan bog'liq bo'lgan qo'shimcha effektlarni ko'rib chiqmoqchiman. Ushbu tenglamadagi uchta elektron parametr, i_D, v_GS va v_DS har ikkalasidan ham iborat dc (Yanada) va ac tarkibiy qismlar (shuning uchun iboralardagi katta harflardagi kichik harflar qo'llanilgan). Biz bilan qiziqmoqdamiz ac kichik signal modeli uchun komponentlar. Biz drenaj oqimining ikki kuchlanish, eshik-to-manba va drenaj manbasiga bog'liqligini ko'ramiz. Qo'shimcha qiymatlar uchun biz ushbu munosabatni quyidagicha yozishimiz mumkin

(14)
Tenglama (14) da, g_m is oldinga o'tkazuvchanlik va r₀ chiqish qarshiligi. Ularning qiymatlari Tenglama (5) da qisman sanab chiqiladi. Shunday qilib,

(15)
Tenglama (15) ning yaqinligi kuzatuv natijalaridir λ kichik bo'lsa. Tenglama (14) Shakl 12 ning kichik signal modeliga olib keladi.

Shakl 12 - Kichik signalli MOSFET modeli

PREVIOUS - 1. FET ning afzalliklari va Kamchiliklari

NEXT- 3. Kavkazli yarim himoyachi ta'sirli transistorlar (JFET)