KHAI THÁC. FET bán dẫn oxit kim loại (MOSFET)
HIỆN TẠI - 2. FET bán dẫn kim loại oxit (MOSFET)
TRƯỚC-1. Ưu điểm và nhược điểm của FET
FET bán dẫn oxit kim loại (MOSFET)
FET bán dẫn oxit kim loại (MOSFET) là một thiết bị đầu cuối bốn. Các thiết bị đầu cuối là nguồn (S), cổng (G) và cống (D). Các chất nền or thân hình tạo thành nhà ga thứ tư. MOSFET được chế tạo với đầu cực cổng được cách điện với kênh bằng chất điện môi silicon dioxide. MOSFE có thể là một trong hai cạn kiệt or chế độ nâng cao. Chúng tôi xác định hai thuật ngữ này trong thời gian ngắn.
Hình 1 - MOSFET suy giảm kênh n
MOSFE đôi khi được gọi là IGFE (Transitor hiệu ứng trường cách điện cổng) do SiO2 lớp được sử dụng làm chất cách điện giữa cổng và chất nền. Chúng tôi bắt đầu phân tích của chúng tôi với MOSFET chế độ cạn kiệt. Cũng như các BJT có thể là một trong hai npn or PNP, MOSFE có thể là một trong hai n-kênh (NMOS) hoặc p-Kênh (PMOS). Hình 1 minh họa cấu trúc vật lý và biểu tượng cho một nMOSFE suy giảm kênh. Lưu ý rằng chất nền được kết nối với thiết bị đầu cuối nguồn. Điều này sẽ luôn luôn là trường hợp.
MOSFE cạn kiệt được xây dựng với một vật lý kênh được chèn giữa cống và nguồn. Kết quả là, khi một điện áp, vDS, được áp dụng giữa cống và nguồn, một dòng điện, iD, tồn tại giữa cống và nguồn mặc dù cổng G vẫn không được kết nối (vGS = 0 V).
Việc xây dựng nMOSFE cạn kiệt kênh bắt đầu bằng psilicon pha tạp. Các ngiếng nguồn và cống thoát nước hình thành các kết nối điện trở thấp giữa các đầu của n-channel, như thể hiện trong hình 1. Một lớp silicon dioxide mỏng được lắng đọng bao phủ khu vực giữa nguồn và cống. SiO2 là một chất cách điện. Một lớp nhôm được lắng đọng trên chất cách điện silicon dioxide để tạo thành cổng cuối. Trong hoạt động, một tiêu cực vGS đẩy các electron ra khỏi khu vực kênh, do đó làm cạn kiệt kênh. Khi nào vGS đạt đến một điện áp nhất định, VT, kênh là gờ thắt. Giá trị tích cực của vGS tăng kích thước kênh, dẫn đến tăng dòng thoát. MOSFE cạn kiệt có thể hoạt động với các giá trị dương hoặc âm của vGS. Vì cổng được cách ly với kênh, dòng điện cổng nhỏ không đáng kể (theo thứ tự 10-12 A).
Hình 2 - MOSFET suy giảm kênh p
Hình 2 có thể so sánh với Hình 1, ngoại trừ việc chúng tôi đã thay đổi nMOSFE làm suy giảm kênh pMOSFE suy giảm kênh.
Sản phẩm nMOSFET tăng cường kênh được minh họa trong Hình 3 cùng với ký hiệu mạch. Đây là hình thức sử dụng phổ biến nhất của bóng bán dẫn hiệu ứng trường.
Hình 3 - MOSFET tăng cường kênh n
Sản phẩm nMOSFET cải tiến kênh khác với MOSFET cạn kiệt do không có độ mỏng n-layer. Nó đòi hỏi một điện áp dương giữa cổng và nguồn để thiết lập kênh. Kênh này được hình thành do tác động của điện áp cổng nguồn tích cực, vGS, thu hút các electron từ vùng cơ chất giữa ncống thoát nước và nguồn. Tích cực vGS làm cho các electron tích tụ ở bề mặt bên dưới lớp oxit. Khi điện áp đạt đến ngưỡng, VT, đủ số lượng điện tử được thu hút vào khu vực này để khiến nó hoạt động như một vật dẫn n-kênh. Không có dòng chảy đáng kể, iD tồn tại cho đến khi vGS vượt quá VT.
Hình 4 có thể so sánh với Hình 3, ngoại trừ việc chúng tôi đã thay đổi nMOSFE tăng cường kênh đến một pMOSFE tăng cường kênh.
Hình 4 - MOSFET tăng cường kênh p
Tóm lại, gia đình MOSFET thể hiện việc xác định iD so với vGS các đường cong được hiển thị trong Hình 5. Mỗi đường cong đặc trưng được phát triển với điện áp nguồn thoát đủ vDS để duy trì thiết bị trong vùng hoạt động bình thường của iD so với vDS đường cong. Các cuộc thảo luận trong các phần sau sẽ xác định điện áp ngưỡng VT cho cả MOSFET nâng cao và MOSFE cạn kiệt.
Hình 5 - iD so với vGS đặc điểm của họ MOSFET cho điện áp nguồn thoát đủ VDS
Các đặc tính của thiết bị đầu cuối MOSFET chế độ tăng cường 2.1
Bây giờ chúng tôi đã trình bày cấu trúc cơ bản và cơ sở hoạt động của MOSFET, chúng tôi sử dụng một cách tiếp cận để kiểm tra hành vi đầu cuối của thiết bị chế độ nâng cao. Đầu tiên chúng ta hãy thực hiện một số quan sát chung từ Hình 1. Hãy nghĩ về dòng thông thường của dòng điện trong MOSFET là từ cống đến nguồn (giống như trong BJT, nó nằm giữa bộ thu và bộ phát). Như với npn BJT, hai điốt back-to-back tồn tại giữa cống và nguồn. Do đó, chúng ta phải đặt điện áp bên ngoài vào cổng để cho phép dòng điện chạy giữa cống và nguồn.
Nếu chúng ta nối đất nguồn và đặt điện áp dương vào cổng, điện áp đó thực sự là điện áp cổng tới nguồn. Điện áp cổng dương thu hút các điện tử và đẩy lùi các lỗ trống. Khi điện áp vượt quá ngưỡng (VT), đủ các electron được thu hút để tạo thành một kênh dẫn giữa cống và nguồn. Tại thời điểm này, bóng bán dẫn bật và hiện tại là một chức năng của cả hai vGS và vDS. Cần phải rõ ràng rằng VT là một số dương cho một nthiết bị-kênh và số âm cho một pthiết bị kênh.
Khi một kênh được tạo (nghĩa là vGS >VT), dòng chảy có thể xảy ra trong kênh đó giữa cống và nguồn. Dòng chảy này phụ thuộc vào vDS, nhưng nó cũng phụ thuộc vào vGS. Khi nào vGS chỉ cần vượt quá điện áp ngưỡng, rất ít dòng điện có thể chảy. Như vGS tăng vượt ngưỡng, kênh chứa nhiều sóng mang hơn và dòng điện cao hơn là có thể. Hình 6 cho thấy mối quan hệ giữa iD và vDS Ở đâu vGS là một tham số. Lưu ý rằng cho vGS nhỏ hơn ngưỡng, không có dòng chảy. Đối với cao hơn vGS, mối quan hệ giữa iD và vDS là xấp xỉ tuyến tính chỉ ra rằng MOSFET hoạt động giống như một điện trở có điện trở phụ thuộc vào vGS.
Hình 6 -iD so với vDS cho chế độ nâng cao n-chế độ MOSFE khi vDS nhỏ
Các đường cong của hình 6 trông giống như các đường thẳng. Tuy nhiên, chúng sẽ không tiếp tục như các đường thẳng khi vDS trở nên lớn hơn Nhớ lại rằng một điện áp cổng dương được sử dụng để tạo kênh dẫn. Nó làm điều này bằng cách thu hút các điện tử. Các điện áp cống tích cực đang làm điều tương tự. Khi chúng ta tiếp cận đầu cống của kênh, điện áp tạo ra kênh tiếp cận vGS–vDS kể từ khi hai nguồn đối lập nhau. Khi sự khác biệt này nhỏ hơn VT, kênh không còn tồn tại cho toàn bộ không gian giữa nguồn và cống. Kênh là bị hạn chế ở cuối cống, và tăng thêm trong vDS không dẫn đến bất kỳ sự gia tăng nào trong iD. Đây được gọi là khu vực hoạt động bình thường hoặc bão hòa khu vực được hiển thị trong Hình 7 bởi phần nằm ngang của các đường cong đặc trưng. Khi chênh lệch lớn hơn VT, chúng tôi gọi đây là triodes chế độ, bởi vì các tiềm năng ở cả ba thiết bị đầu cuối ảnh hưởng mạnh đến hiện tại.
Các cuộc thảo luận trước đó dẫn đến các đường cong hoạt động của Hình 7.
Hình 7 -iD so với vGS cho một MOSFET chế độ nâng cao
Sự chuyển đổi giữa triode và vùng vận hành bình thường (được gọi là vùng bão hòa và thường được xác định là hoạt động ở chế độ pinch-off) của hoạt động được hiển thị là đường đứt nét trong Hình 7, trong đó
(1)
Ở biên giới khu vực triode, đầu gối của các đường cong xấp xỉ theo mối quan hệ,
(2)
Trong phương trình (2), K là hằng số cho một thiết bị nhất định. Giá trị của nó phụ thuộc vào kích thước của thiết bị và vật liệu được sử dụng trong xây dựng. Hằng số được cho bởi,
(3)
Trong phương trình này, μn là độ linh động của điện tử; Coxit, điện dung oxit, là điện dung trên một đơn vị diện tích của cổng; W là chiều rộng của cổng; L là chiều dài của cổng. Phương trình chỉ ra mối quan hệ phức tạp và phi tuyến giữa iD và hai điện áp, vDS và vGS. Vì chúng tôi muốn dòng điện thay đổi theo tuyến tính với vGS (độc lập khỏi vDS), FET thường không được sử dụng trong vùng triode.
Bây giờ chúng tôi muốn tìm một phương trình cho các đường cong vận hành trong vùng bão hòa. Chúng ta có thể thiết lập các giá trị tại quá trình chuyển đổi giữa vùng triode và bão hòa bằng cách đánh giá Phương trình (2) tại quá trình chuyển đổi (đầu gối). Đó là,
(4)
Phương trình này thiết lập cường độ của dòng thoát tại ranh giới (đường đứt nét trong hình 8) như là một hàm của điện áp cổng tới nguồn vGS. Nếu cần, chúng ta có thể tính độ dốc nhẹ của các đường cong đặc trưng trong vùng bão hòa bằng cách thêm một yếu tố tuyến tính.
(5)
Trong phương trình (5), λ là một hằng số nhỏ (độ dốc của phần gần ngang của các đường cong đặc trưng được hiển thị trong Hình 8). Nó thường ít hơn 0.001 (V-1). Sau đó
(6)
Tất cả các cuộc thảo luận trước đây của chúng tôi liên quan đến bóng bán dẫn NMOS. Bây giờ chúng tôi thảo luận ngắn gọn về các sửa đổi cần thiết cho PMOS. Đối với PMOS, các giá trị của vDS sẽ âm tính. Ngoài ra, để tạo kênh trong PMOS, 
.
Hình 8 - Đặc điểm đầu cuối của bóng bán dẫn MOSFET
Sự thay đổi duy nhất từ các đặc tính của bóng bán dẫn NMOS (Hình 7) là trục ngang bây giờ là -vDS thay vì + vDS, và các đường cong tham số biểu thị dòng thoát cao hơn khi điện áp cổng giảm (thay vì tăng cho bóng bán dẫn NMOS). Các đường cong để tăng giá trị hiện tại tương ứng với điện áp cổng âm hơn. Khi nào vGS > VT, bóng bán dẫn bị cắt. Để tăng cường PMOS, VT là tiêu cực và cho PMOS cạn kiệt, VT tích cực.
Phương trình của dòng điện khi chuyển đổi vùng triode cho bóng bán dẫn PMOS giống hệt với NMOS. Đó là,
(7)
Lưu ý rằng vGS và vDS đều là đại lượng âm. Phương trình cho vùng bão hòa trong bóng bán dẫn PMOS cũng giống hệt với NMOS. Đó là,
(8)
Lưu ý rằng λ là âm đối với các bóng bán dẫn PMOS vì tốc độ thay đổi của đường cong (
) là âm.
Lấy đạo hàm riêng của cả hai mặt của phương trình (6) đối với vGS, 
, chúng tôi nhận được
(9)
Chúng tôi thích giá trị của gm không đổi, đặc biệt đối với sự dao động tín hiệu lớn. Tuy nhiên, chúng tôi chỉ có thể ước chừng điều kiện này nếu chúng tôi sử dụng FET cho các ứng dụng tín hiệu nhỏ. Đối với điều kiện tín hiệu lớn, độ méo của dạng sóng có thể không được chấp nhận trong một số ứng dụng.
MOSUM chế độ suy giảm chế độ 2.2
Phần trước đề cập đến MOSFET chế độ nâng cao. Bây giờ chúng ta đối chiếu điều này với MOSFET chế độ cạn kiệt. Cho n-chế độ tăng cường kênh, để có được kênh, chúng tôi phải đặt một điện áp dương trên cổng. Điện áp này phải đủ lớn để buộc đủ số lượng điện tử di động để tạo ra dòng điện trong một kênh cảm ứng.
Hình 9 - MOSFE chế độ suy giảm kênh n
Trong tạp chí n-chế độ cạn kiệt kênh MOSFET, chúng tôi không cần điện áp dương này vì chúng tôi có một kênh được cấy ghép vật lý. Điều này cho phép chúng ta có dòng điện giữa các đầu nối cống và nguồn ngay cả với điện áp âm được áp dụng cho cổng. Tất nhiên, có một giới hạn đối với số lượng điện áp âm có thể được đặt vào cổng trong khi vẫn có dòng điện giữa cống và nguồn. Giới hạn này một lần nữa được xác định là điện áp ngưỡng, VT. Sự thay đổi so với chế độ nâng cao là điện áp cổng vào nguồn bây giờ có thể là âm hoặc dương, như trong Hình 9.
Các phương trình xác định hoạt động của MOSFET chế độ cạn kiệt rất giống với các phương trình của chế độ tăng cường. Giá trị của dòng xả khi vGS là 0 được xác định là IDSS. Điều này thường được gọi là dòng bão hòa nguồn thoát, Hoặc không - cửa cống hiện tại. So sánh các phương trình của MOSFET chế độ tăng cường với các phương trình của chế độ cạn kiệt, chúng tôi thấy
(10)
Chúng tôi sau đó tìm thấy,
(11)
Các MOSFE chế độ suy giảm có sẵn ở dạng rời rạc hoặc chúng có thể được chế tạo trên các chip mạch tích hợp ngay cùng với các loại chế độ tăng cường. Điều này bao gồm cả p-type và n-kiểu. Điều này cho phép linh hoạt hơn trong kỹ thuật thiết kế mạch.
2.3 Mạch tương đương tín hiệu lớn
Bây giờ chúng tôi muốn phát triển một mạch tương đương đại diện cho các đặc tính tín hiệu lớn của Hình 8 [Phương trình (5) hoặc (8)] trong vùng bão hòa. Lưu ý rằng dòng xả, iD, phụ thuộc vGS và vDS. Đối với điện áp từ cổng đến nguồn không đổi, chúng tôi vận hành dọc theo một trong các đường cong tham số của hình và mối quan hệ là một đường thẳng xấp xỉ. Mối quan hệ đường thẳng giữa dòng điện và điện áp được mô phỏng bằng điện trở. Do đó, mạch tương đương bao gồm một điện trở song song với nguồn hiện tại trong đó giá trị của nguồn hiện tại thiết lập phần của dòng tiêu do vGS. Độ dốc của đường cong phụ thuộc vào vGS. Độ dốc là đạo hàm riêng,
(12)
Ở đâu r0 là điện trở đầu ra tăng dần. Chúng tôi thấy từ phương trình [(5) hoặc (8)] rằng điện trở này được đưa ra bởi
(13)
nơi chúng tôi sử dụng chữ hoa VGS để chỉ ra rằng điện trở được xác định cho một giá trị không đổi cụ thể của điện áp cổng tới nguồn. Phép tính gần đúng cuối cùng trong phương trình (13) là kết quả của phương trình (5) với giả định rằng λ nhỏ. Do đó, điện trở tỷ lệ nghịch với dòng điện thiên vị, ID. Mô hình tương đương tín hiệu lớn sau đó được đưa ra bởi Hình 11 trong đó r0 được phát triển trong phương trình (13).
Hình 11 - Mạch tương đương tín hiệu lớn
2.4 Mô hình tín hiệu nhỏ của MOSFET
Bây giờ chúng tôi muốn xem xét các hiệu ứng gia tăng liên quan đến phương trình. Ba tham số mạch trong phương trình đó, iD, vGS và vDS bao gồm cả hai dc (thiên vị) và ac các thành phần (đó là lý do tại sao chúng tôi đã sử dụng các chỉ số chữ hoa trong các biểu thức). Chúng tôi quan tâm đến ac các thành phần cho mô hình tín hiệu nhỏ. Chúng ta thấy rằng dòng thoát phụ thuộc vào hai điện áp, cổng-nguồn và nguồn-nguồn. Đối với các giá trị gia tăng, chúng ta có thể viết mối quan hệ này là
(14)
Trong phương trình (14), gm is sự chuyển tiếp về phía trước và r0 là điện trở đầu ra. Giá trị của chúng được tìm thấy bằng cách lấy các đạo hàm riêng trong phương trình (5). Như vậy
(15)
Phép tính gần đúng trong phương trình (15) là kết quả của việc quan sát rằng λ nếu nhỏ Phương trình (14) dẫn đến mô hình tín hiệu nhỏ của Hình 12.
Hình 12 - Mô hình MOSFET tín hiệu nhỏ