Praegu on olemas kaks peamist tüüpi FET-tüüpi: JFETid ja MOSFETid.
MOSFETe saab veel klassifitseerida ammendumistüüpi ja lisaseadme tüüp. Mõlemad tüübid määratlevad MOSFET-ide põhirežiimi, mõiste MOSFET ise on aga metallioksiidi-pooljuhi-välja-efekti transistori lühend.
Tulenevalt asjaolust, et mõlemal tüübil on erinevad tööomadused, hindame neid erinevates artiklites eraldi.
Erinevus täiustamise ja tühjendamise MOSFET-i vahel
Põhimõtteliselt, erinevalt lisaseadmetest MOSFET-idest, on ammenduvad MOSFET-id olekus isegi 0-V juuresolekul üle värava-lähte terminalide (VGS).
Täiendava MOSFET-i jaoks peab väravast allikani pinge (VGS) olema üle selle väravast allikani läve pinge (VGS (th)) selleks, et see käituks .
N-kanaliga ammenduva MOSFETi puhul on selle VGS (th) väärtus siiski üle 0 V. See tähendab, et isegi kui VGS = 0 V, suudab tühjenev MOSFET voolu juhtida. Selle väljalülitamiseks tuleb ammendunud MOSFET-i VGS vähendada VGS-i (th) alla (negatiivne).
Selles artiklis käsitleme ammendumistüüpi MOSFET, millel on väidetavalt omadused, mis vastavad JFET-i omadustele. Sarnasus on piiril ja küllastusel I lähedalDSS.
Põhiline ehitus
Joonisel 5.23 on kujutatud n-kanaliga ammendumistüüpi MOSFET-i sisemine põhistruktuur.
Leiame räni aluse abil loodud ploki p-tüüpi materjalist. Seda plokki nimetatakse substraadiks.
Substraat on alus või vundament, mille kohale MOSFET ehitatakse. Mõne MOSFET-i jaoks on see sisemiselt seotud allika terminaliga. Samuti pakuvad paljud seadmed täiendavat väljundit SS kujul, millel on 4-terminaliline MOSFET, nagu on näidatud joonisel 5.23
Äravoolu ja allika klemmid on ühendatud juhtivate kontaktide kaudu n-legeeritud kohtadega ja kinnitatud n-kanali kaudu, nagu on näidatud samal joonisel.
Värav on ühendatud ka metallkihiga, ehkki see on n-kanalist isoleeritud peene ränidioksiidikihi (SiO) kaudukaks).
SiOkaksomab ainulaadset isolatsiooniomadust, mida nimetatakse dielektrikuks, mis tekitab vastupidi väljastpoolt rakendatavale elektriväljale enda sees vastandliku elektrivälja.
Isolatsioonikihina materjal SiOkakspakub meile järgmist olulist teavet:
Selle materjaliga töötatakse värava terminali ja mosfeti kanali vahel täielik isolatsioon.
Pealegi on see tingitud SiO-stkaks, suudab mosfeti värav omada ülisuurt sisendtakistust.
Selle elutähtsa suure sisendtakistuse omaduse tõttu on värava vool IGon praktiliselt null amprit mis tahes alalisvoolu kallutatud MOSFET-i konfiguratsiooni korral.
Põhitoimingud ja omadused
AS-i on näha joonisel 5.24, kusjuures värav lähtekoha pingele on konfigureeritud null volti, ühendades kaks klemmi omavahel, samal ajal kui pinge VDSkantakse üle äravoolu- ja allikaklemmide.
Ülaltoodud seadistusega loob äravoolupool positiivse potentsiaali n-kanaliga vabade elektronide poolt koos samaväärse vooluga JFET-kanali kaudu. Samuti saadud voolu VGS= 0V tuvastatakse endiselt kui IDSS, nagu on toodud joonisel 5.25
Näeme, et joonisel 5.26 on värava allika pinge VGSon antud negatiivne potentsiaal -1 V kujul.
See negatiivne potentsiaal üritab sundida elektrone p-kanali substraadi poole (kuna laengud tõrjuvad) ja tõmmata p-kanali substraadist auke (kuna vastupidised laengud tõmbavad ligi).
Sõltuvalt sellest, kui suur on see negatiivne eelarvamus VGSsee tähendab, et toimub aukude ja elektronide rekombinatsioon, mille tulemuseks on vabade elektronide vähenemine juhtimiseks saadaval olevas n-kanalis. Negatiivse eelarvamuse kõrgem tase toob kaasa suurema rekombinatsiooni määra.
Järelikult vähendatakse äravooluvoolu, kui ülaltoodud negatiivne eelarvamustingimus suureneb, mida tõendab joonisel 5.25 V puhulGSV taseGS= -1, -2 ja nii edasi, kuni näpistamismärgini -6V.
Selle tulemusena kulgeb äravooluvool koos ülekandekõvera graafikuga täpselt nagu a-ga JFET.
Nüüd positiivse VGSväärtuste korral tõmbab väravapositiivne vastupidise lekkevoolu tõttu p-tüüpi substraadist üle elektronid (vabad kandjad). See loob uued kandjad kiirenevate osakeste kokkupõrke teel.
Kuna väravast lähteallikani kipub positiivsel kiirusel tõusma, näitab äravooluvool kiiret tõusu, nagu on tõestatud joonisel 5.25 samadel põhjustel, mida arutati eespool.
V kõverate vahel tekkis vaheGS= 0 V ja VGS= +1 näitab selgelt summat, mille võrra vool suurenes V 1-V variatsiooni tõttuGS
Drenaaživoolu kiire tõusu tõttu peame olema maksimaalse voolutugevuse suhtes ettevaatlikud, vastasel juhul võib see ületada värava positiivse pinge piiri.
Näiteks joonisel 5.25 kujutatud seadmetüübi puhul rakendatakse VGS= + 4 V põhjustaks äravooluvoolu tõusu 22,2 mA juures, mis võib ületada seadme maksimaalset purunemispiiri (voolu).
Ülaltoodud tingimus näitab, et positiivse väravast allikani pinge kasutamine suurendab kanali vabade kandjate kogust, erinevalt sellest, kui VGS= 0 V.
Sellepärast on äravoolu- või ülekandeparameetrite positiivne värava pinge piirkond üldiselt tuntud kui täiustuspiirkond . See piirkond jääb I piirväärtuse ja küllastustaseme vaheleDSSvõi ammendumispiirkond.
Näidisülesande lahendamine
Eelised ja rakendused
Erinevalt täiustusrežiimiga MOSFET-idest, kus leiame, et tühjendusvool langeb nullini vastusena värava-allika null-pingele, on tänapäevases tühjenemisrežiimis FET märgatav vool null-värava pingega. Kui täpne olla, siis tühjendusallikast takistus on tavaliselt 100 oomi nullpinges.
Nagu ülaltoodud graafikul näidatud, on ON-takistuse rds(peal)vs analoogsignaali ulatus näeb välja praktiliselt tasase reaktsioonina. See omadus koos nende arenenud tühjenemistüüpi seadme väikese mahtuvustasemega võimaldab neil olla eriti ideaalne analooglülititena heli- ja videolülituste jaoks.
Tühjendusrežiimiga MOSFET-i atribuut „normaalselt sees” võimaldab seadmel olla ideaalselt sobiv üksikute FET-voolu regulaatorite jaoks.
Ühte sellist vooluringi näidet võib näha järgmisel joonisel.
Rs-väärtuse saab määrata järgmise valemi abil:
Rs= VGSväljas[1 - (ID/ IDSS)1/2] / ID
kus MinaD on väljundis vajalik reguleeritud vooluhulk.
Tühjendusrežiimiga MOSFETide peamine eelis vooluallikaga rakendustes on nende minimaalne äravoolu mahtuvus, mis muudab need sobivaks rakenduste kallutamiseks madala sisendiga lekkekeskkondades (keskmise kiirusega (> 50 V / us)).
Alloleval joonisel on madala sisselaskevoolu diferentsiaaliga esikülg, kasutades kahekordse madala lekkefunktsiooniga FET.
Üldiselt kallutatakse JFET-i mõlemad pooled väärtusele ID = 500 uA. Seetõttu piirdub kompensatsiooni ja hulkuvate mahtuvuste laadimiseks saadaolev vool 2ID või sellistel juhtudel 1,0 mA. JFET-i vastavad funktsioonid on tootmises tõestatud ja andmelehel tagatud.
Cs sümboliseerib sisendastme 'saba' vooluallika väljundvõimsust. See mahtuvus on mitteinverteerivate võimendite jaoks ülioluline, kuna sisendstaadiumis toimub kogu selles võrgus märkimisväärne signaalivahetus ja Cs-i laadimisvoolud võivad olla suured. Kui kasutatakse tavalisi vooluallikaid, võib see saba mahtuvus olla tingitud pöörlemiskiiruse märgatavast halvenemisest mitte-inverteerivates vooluahelates (võrreldes inverteerivate rakendustega, kus laadimisvoolud Cs-s kipuvad olema minimaalsed).
Pööratud määra langust võib väljendada järgmiselt:
1 / 1+ (Cs / Sc)
Niikaua kui Cs on madalam kui Cc (kompenseerimiskondensaator), ei pruugi pöörlemiskiirus varieeruda. DMOS FET-iga töötades võib Cs olla umbes 2 pF. Selle strateegia abil saavutatakse pöördemäära tohutu paranemine. Kui vajatakse voolupuudujääki, mis on suurem kui 1 kuni 5 mA, võib seadme kallutada täiustusrežiimi, et tekitada kuni 20 mA maksimaalse VGS-i jaoks +2,5 V, kusjuures minimaalne väljundvõimsus on jätkuvalt peamine aspekt.
Järgmisel rakendusel on korralik lisarežiimis vooluallika vooluring.
Normaalselt sisselülitatava analooglüliti võiks ehitada nõuete täitmiseks, kui toitepinge rikke korral on vajalik standardtingimus, näiteks testimisvahendite automaatse vahemiku määramise korral või loogikalülituste täpse käivitamise tagamiseks sisselülitamisel.
Seadme vähendatud negatiivne lävipinge pakub põhilisi eeltingimusi ja võimaldab töötada minimaalse pingega.
Allpool olev vooluring näitab mis tahes tühjendusrežiimi DMOS-i analooglüliti levinud eelarvetegureid.
Seadme väljalülitamiseks on väravas vaja negatiivseid pingeid. Seda öeldes saab sisselülitustakistust minimeerida, kui FET-i täiendavalt suurendatakse positiivse värava pinge abil, võimaldades seda spetsiaalselt täiustusrežiimi piirkonnas koos tühjenemise režiimi piirkonnaga.
Seda vastust saab näha järgmiselt graafikult.
Seadme kõrgsageduslik võimendus koos madalate mahtuvusväärtustega annab suurenenud teenetemärgi. See on tõesti ülioluline element VHF ja UHF võimenduses, mis määrab FET-i võimenduse ribalaiuse toote (GBW), mida võiks kujutada järgmiselt:
GBW = gfs / 2 Pi (Caastal+ Cvälja)
p-kanali ammendumise tüüpi MOSFET
P-kanaliga ammendumistüüpi MOSFET-i ülesehitus on joonisel 5.23 näidatud n-kanaliga versiooni täiuslik tagurpidi. See tähendab, et substraat on nüüd n-tüüpi ja kanal muutub p-tüüpi, nagu on näha allpool olevalt jooniselt 5.28a.
Klemmi identifitseerimine jääb muutumatuks, kuid pinge ja voolu polaarsus on vastupidised, nagu on näidatud samal joonisel. Drenaaži omadused oleksid täpselt sellised, nagu on kujutatud joonisel 5.25, välja arvatud VDSmärk, mis saab sel juhul negatiivse väärtuse.
Drenaaživool IDnäitab positiivset polaarsust ka sel juhul, sest me oleme selle suuna juba ümber pööranud. VGSnäitab vastupidist polaarsust, mis on arusaadav, nagu on näidatud joonisel 5.28c.
Sest VGStagurpidi tekitab joonisel 5.28b näidatud ülekandekarakteristikute jaoks peegelpildi.
See tähendab, et äravooluvool suureneb positiivses V-sGSpiirkond piiripunktist V juuresGS= Vp kuni IDSS, siis see kasvab jätkuvalt kui V negatiivne väärtusGStõuseb.
Sümbolid
N- ja p-kanaliga ammendumistüüpi MOSFET-i graafilisi märke saab näha ülaltoodud joonisel 5.29.
Jälgige, kuidas valitud sümbolid püüavad seadme tegelikku struktuuri esindada.
Otsese ühendamise puudumist (värava isolatsiooni tõttu) värava ja kanali vahel sümboliseerib pilu värava ja sümboli erinevate klemmide vahel.
Kanalit tähistav vertikaalne joon on kinnitatud äravoolu ja allika vahele ning substraat 'hoiab seda'.
Ülaloleval joonisel on iga kanalitüübi jaoks ette nähtud kaks sümbolite rühma, et rõhutada asjaolu, et mõnes seadmes võib substraat olla väljastpoolt ligipääsetav, samas kui teistes seda ei pruugi näha.
MOSFET (täiustuse tüüp)
Ehkki ammendumise ja täiustuse tüüpi MOSFETid näevad oma sisemise struktuuri ja funktsionaalse režiimiga sarnased välja, võivad nende omadused olla üsna erinevad.
Peamine erinevus seisneb äravooluvoolus, mis sõltub katkestuse toimimiseks värava ja allika vahelise pinge konkreetsest tasemest.
Täpselt, n-kanaliline lisaseadmetüüp MOSFET võib töötada positiivse värava / allika pingega, mitte negatiivsete potentsiaalide vahemiku asemel, mis tavaliselt võivad mõjutada ammendumistüüpi MOSFET.
Põhiline ehitus
Järgnevalt saate visualiseerida n-kanaliga täiustuse tüüpi MOSFETi
Joonis 5.31.
P-tüüpi materjali osa luuakse räni aluse kaudu ja nagu enne teada sai, nimetatakse seda substraadiks.
See substraat on mõnel juhul kinnitatud sisemiselt allika tihvtiga ammendumistüüpi MOSFETis, mõnel juhul on see aga neljanda juhtmega lõpetatud, et võimaldada selle potentsiaalse taseme välist juhtimist.
Allikas ja äravooluklemmid ühendatakse nagu tavaliselt metallkontaktide abil n-legeeritud piirkondadega.
Siiski võib olla oluline visualiseerida, et joonisel 5.31 puudub kanal kahe n-dopeeritud piirkonna vahel.
Seda võib pidada põhimõtteliseks erinevuseks ammendumistüübi ja täiustustüüpi MOSFET-i sisemise paigutuse vahel, see tähendab olemusliku kanali puudumist, mis peaks olema seadme osa.
SiO2 kiht on endiselt levinud, mis tagab isolatsiooni väravaterminali metallaluse ja äravoolu ja allika vahelise piirkonna vahel. Kuid siin on tunnistajaks p-tüüpi materjaliosast eraldatud seismisel.
Ülaltoodud arutelu põhjal võime järeldada, et MOSFET-i sisemise paigutuse ammendumisel ja täiustamisel võib olla mõningaid sarnasusi, välja arvatud MOSFET-i täiustustüübi puuduv kanal äravoolu / allika vahel.
Põhitoimingud ja omadused
Täiendustüübi MOSFET korral, kui selle VGS-i sisestatakse 0 V, põhjustab puuduva n-kanali tõttu (mis kannab teadaolevalt palju vabu kandureid) voolu väljund nulli, mis on üsna erinev tühjenemistüübist MOSFET, ID = IDSS.
Sellises olukorras, kuna äravoolu / allika klemmidel puudub puuduv tee, ei suuda kanalisatsiooni / allika sisse koguneda suures koguses elektronide kujul olevaid kandjaid (n-dopeeritud piirkondade tõttu).
Rakendades mõningat positiivset potentsiaali VDS-is, kusjuures VGS on seatud nulli volti ja SS-terminal on lühistatud lähteklemmiga, leiame tegelikult paar vastupidist kallutatud pn-ristmikku n-legeeritud piirkondade ja p-substraadi vahel, et võimaldada märkimisväärset juhtivust kogu äravoolu allikale.
Joonisel 5.32 on kujutatud olukord, kus VDS ja VGS rakendatakse positiivse pingega, mis on kõrgem kui 0 V, võimaldades äravoolul ja väraval olla allika suhtes positiivses potentsiaalis.
Positiivne potentsiaal väravas surub p-substraadi augud mööda SiO2 kihi serva, lahkudes asukohast ja sisenedes p-substraadi piirkondadesse sügavamale, nagu on näidatud ülaltoodud joonisel. See juhtub sarnaste laengute tõttu, mis üksteist tõrjuvad.
Selle tulemusena luuakse tühjenduspiirkond SiO2 isoleerkihi lähedale, mis on tühi aukudest.
Vaatamata sellele tõmmatakse p-substraadi elektronid, mis on materjali vähemusekandjad, positiivse värava poole ja hakkavad kogunema SiO2 kihi pinna lähedal asuvas piirkonnas.
SiO2 kihi isolatsiooniomaduste tõttu võimaldavad negatiivsed kandjad negatiivsetel kanduritel värava terminalis imenduda.
VGS-i taseme tõstmisel suureneb ka SiO2 pinnale lähedane elektronitihedus, kuni lõpuks on indutseeritud n-tüüpi piirkond võimaldanud kvantifitseeritavat juhtivust kogu äravoolu / allika kaudu.
VGS suurust, mis põhjustab äravooluvoolu optimaalse kasvu, nimetatakse lävipingeks, tähistab sümbol VT . Andmelehtedel näete seda kui VGS (Th).
Nagu eespool selgitatud, on kanali puudumise tõttu VGS = 0 ja positiivse värava-allika pinge rakendusega 'täiustatud' seda tüüpi MOSFET-i tuntud kui lisaseadmete tüüpi MOSFET-e.
Leiate, et nii ammendumis- kui ka täiustustüüpi MOSFETidel on täiustustüüpi piirkondi, kuid termin täiustamine kasutatakse viimase jaoks, kuna see töötab spetsiaalselt täiustusrežiimi kasutades.
Nüüd, kui VGS lükatakse üle läviväärtuse, suureneb vabade kandjate kontsentratsioon kanalil, kus see on indutseeritud. See põhjustab äravooluvoolu suurenemist.
Teiselt poolt, kui hoiame VGS-i konstantsena ja suurendame VDS-i (äravoolu-allikani pinge) taset, põhjustab see lõpuks MOSFET-i küllastuspunkti, nagu tavaliselt juhtuks mis tahes JFET-i või tühjeneva MOSFET-iga.
Nagu on näidatud joonisel 5.33, saab äravooluvoolu ID nivelleerimisprotsessi abil tasandatud, mida näitab kitsam kanal indutseeritud kanali äravoolu otsa suunas.
Rakendades Kirchhoffi pingeseadust MOSFETi klemmipingetele joonisel 5.33, saame:
Kui VGS-i hoitakse konstantsena kindla väärtuseni, näiteks 8 V, ja VDS-i tõstetakse 2-lt 5 V-le, siis pinge VDG Eq. 5.11 oli näha langemist vahemikus -6 kuni -3 V ja värava potentsiaal muutus äravoolupinge suhtes järjest vähem positiivseks.
See vastus keelab vabade kandjate või elektronide tõmbamise indutseeritud kanali selle piirkonna suunas, mis omakorda põhjustab kanali efektiivse laiuse languse.
Lõppkokkuvõttes väheneb kanali laius näpistamiseni, saavutades küllastustingimuse, mis on sarnane sellega, mida õppisime juba oma varasemas ammendumise MOSFET-i artiklis.
See tähendab, et VDS-i edasine suurendamine fikseeritud VGS-iga ei mõjuta ID küllastustaset enne, kui on saavutatud jaotusolukord.
Vaadates joonist 5.34, saame tuvastada, et MOSFET-i puhul, nagu joonisel 5.33, mille VGS = 8 V, toimub küllastus VDS-tasemel 6 V. Täpsemalt seostatakse VDS-küllastustaset rakendatud VGS-i tasemega:
Pole kahtlust, see tähendab seega, et kui VT väärtus on fikseeritud, põhjustab VGS taseme tõstmine proportsionaalselt VDS-i küllastustasemeid küllastustasemete lookuse kaudu.
Viidates ülaltoodud joonisel näidatud omadustele, on VT tase 2 V, mis ilmneb asjaolust, et äravooluvool on langenud 0 mA-ni.
Seetõttu võime tavaliselt öelda:
Kui VGS väärtused on täiustustüüpi MOSFET-i lävetasemest väiksemad, on selle äravooluvool 0 mA.
Samuti näeme ülaltoodud joonisel selgelt, et seni, kuni VGS tõstetakse kõrgemale VT-lt 8 V-ni, tõuseb ID-le vastav küllastustase ka 0-lt 10 mA-ni.
Pealegi võime veelgi märgata, et VGS-i tasemete vaheline ruum suureneb koos VGS-i väärtuse suurenemisega, põhjustades äravooluvoolu lõpmatult suurenevaid juurdekasvu.
Leiame, et äravooluvoolu väärtus on seotud VGS-i taseme värava-allika pingega, mis on suurem kui VT järgmise mittelineaarse suhte kaudu:
Ruudukujulises sulgudes on termin, mis vastutab mittelineaarse seose eest ID ja VGS vahel.
Mõiste k on konstant ja on MOSFET-paigutuse funktsioon.
Selle konstandi k väärtuse saame teada järgmise võrrandi kaudu:
kus mõlemad ID (sees) ja VGD (sees) on väärtused, mis sõltuvad konkreetselt seadme omadustest.
Järgmisel joonisel 5.35 leiame, et äravoolu ja ülekande omadused on üksteise kõrval paigutatud, et selgitada ülekandeprotsessi üksteise vahel.
Põhimõtteliselt sarnaneb see protsessiga, mida on varem selgitatud JFET-i ja ammendumistüüpi MOSFET-ide puhul.
Kuid praegusel juhul peame meeles pidama, et tühjendusvool on VGS VT jaoks 0 mA.
Siin võib ID näha märgatavat vooluhulka, mis suureneb vastavalt ekv. 5.13.
Pange tähele, et kui määratleme ülekandekarakteristikute punktid äravoolu omaduste põhjal, võtame arvesse ainult küllastustasemeid. See piirab tööpiirkonna VDS-väärtusteni, mis on kõrgem kui küllastustasemed, nagu on kindlaks määranud Eq. (5.12).
p-Channel Enhancement-tüüpi MOSFETid
P-kanaliga lisaseadme tüüpi MOSFET-i struktuur, nagu on näidatud joonisel 5.37a, on vastupidine joonisel 5.31 näidatule.
Tähendab, nüüd leiate, et n-tüüpi substraat ja p-dopeeritud piirkonnad äravoolu- ja allikaliigendite all.
Klemmid on endiselt kindlaksmääratud, kuid kõik praegused suunad ja pinge polaarsused on vastupidised.
Tühjendusomadused võivad välja näha nagu joonisel 5.37c toodud, kusjuures VGS-i pidevalt negatiivsematest suurustest põhjustatud vooluhulk suureneb.
Ülekandekarakteristikud oleksid joonisel 5.35 toodud ülekandekõvera peegelmulje (ID-telje ümber), mille ID suureneb järjest enam VGS-i negatiivsete väärtustega VT kohal, nagu on näidatud joonisel 5.37b. Võrrandid (5.11) kuni (5.14) sobivad sarnaselt p-kanaliga seadmetele.
Viited:
- https://et.wikipedia.org/wiki/MOSFET
- https://hi.wikipedia.org/wiki/%E0%A4%AE%E0%A5%89%E0%A4%B8%E0%A4%AB%E0%A5%87%E0%A4%9F
Paari: Spioonivastase RF-detektori vooluring - traadita veaandur Järgmine: ülekande omadused
