PMOS-transistor: töö, valmistamine, ristlõige ja selle omadused

MOS-transistor on suuremahulise integraallülituse projekteerimise kõige olulisem element. Need transistorid liigitatakse üldiselt kahte tüüpi PMOS ja NMOS. NMOS- ja PMOS-transistoride kombinatsioon on tuntud kui a CMOS transistor . Erinevad loogika väravad ja muudel digitaalsetel loogikaseadmetel, mida rakendatakse, peab olema PMOS-loogika. See tehnoloogia on odav ja sellel on hea häiretetaluvus. Selles artiklis käsitletakse üht MOS-transistoride tüüpi, näiteks PMOS-transistor.

Mis on PMOS-transistor?

PMOS-transistor või P-kanaliga metalloksiidi pooljuht on omamoodi transistor, kus p-tüüpi lisandeid kasutatakse kanali või värava piirkonnas. See transistor on täpselt vastupidine NMOS-transistorile. Nendel transistoridel on kolm peamist terminali; allikas, värav ja äravool, kus transistori allikas on projekteeritud p-tüüpi substraadiga ja äravooluklemm on projekteeritud n-tüüpi substraadiga. Selles transistoris vastutavad laengukandjad nagu augud voolu juhtimise eest. PMOS-transistori sümbolid on näidatud allpool.

Kuidas PMOS-i transistor töötab?

P-tüüpi transistor töötab täiesti vastupidiselt n-tüüpi transistorile. See transistor moodustab avatud vooluahela alati, kui see saab ebaolulise pinge, mis tähendab, et värava (G) klemmist allikani (S) ei voola elektrit. Sarnaselt moodustab see transistor suletud vooluringi, kui selle pinge on umbes 0 volti, mis tähendab, et vool liigub värava (G) klemmist äravoolu (D).

Seda mulli tuntakse ka inversioonimullina. Seega on selle ringi põhifunktsiooniks sisendpinge väärtuse inverteerimine. Kui väravaklemm annab 1 pinget, muudab see inverter selle nulliks ja funktsioneerib vooluringi vastavalt. Seega on PMOS-transistori ja NMOS-transistori funktsioon täiesti vastupidine. Kui ühendame need üheks MOS-ahelaks, saab sellest CMOS-i (komplementaarne metalloksiid-pooljuht) vooluring.

PMOS-transistori ristlõige

PMOS-transistori ristlõige on näidatud allpool. pMOS-transistor on ehitatud n-tüüpi korpusega, mis sisaldab kahte p-tüüpi pooljuhtpiirkonda, mis on väravaga külgnevad. Sellel transistoril on juhtvärav, nagu on näidatud diagrammil, mis juhib elektronide voogu kahe klemmi, näiteks allika ja äravoolu vahel. pMOS-transistoris hoitakse keha +ve pingel. Kui värava klemm on positiivne, on allika ja äravoolu klemmid vastupidine. Kui see juhtub, siis voolu ei toimu, seega lülitatakse transistor VÄLJA.

Kui väravklemmi pinge toide on langetatud, tõmmatakse positiivsed laengukandjad Si-SiO2 liidese põhja. Kui pinge on piisavalt madal, pööratakse kanal ümber ja loob voolu voolu võimaldades juhtiva tee allika terminalist äravooluni.

Kui need transistorid tegelevad digitaalse loogikaga, on neil tavaliselt ainult kaks erinevat väärtust, näiteks 1 ja 0 (ON ja OFF). Transistori positiivset pinget nimetatakse VDD-ks, mis tähistab digitaalsetes ahelates loogiliselt kõrget (1) väärtust. VDD pinge tase sisse TTL loogika olid üldiselt umbes 5V. Praegu ei talu transistorid tegelikult nii kõrgeid pingeid, kuna need jäävad tavaliselt vahemikku 1,5–3,3 V. Madalpinget tuntakse sageli kui GND või VSS. Niisiis, VSS tähistab loogikat '0' ja see on samuti tavaliselt seatud väärtusele 0 V.

PMOS-i transistori ahel

NAND-värava disain, mis kasutab PMOS-transistori ja NMOS-transistori, on näidatud allpool. Üldiselt on digitaalelektroonikas NAND-värav loogikavärav, mida nimetatakse ka NOT-AND-väravaks. Selle värava väljund on madal (0) ainult siis, kui kaks sisendit on kõrged (1) ja selle väljund on JA-värava täiendus. Kui üks kahest sisendist on LOW (0), annab see kõrge väljundtulemuse.

Kui allolevas loogikaskeemis on sisend A 0 ja B on 0, siis pMOS-i sisend annab väärtuse 1 ja nMOS-i sisend 0. Niisiis, see loogikavärav genereerib loogilise '1', kuna see on allikaga ühendatud suletud vooluahela kaudu ja eraldatud GND-st avatud vooluahela kaudu.

Kui A on '0' ja B on '1', genereerib pMOS-i sisend väärtuse '1' ja NMOS-i sisend '0'. Seega loob see värav loogilise, kuna see on allikaga ühendatud suletud vooluahela kaudu ja eraldatud GND-st avatud vooluringiga. Kui A on '1' ja B on '0', genereerib pMOS-i sisend 'B' suure väljundi (1) ja NMOS-i sisend 'B' madala väljundi (0). Niisiis, see loogikavärav genereerib loogilise 1, kuna see on allikaga ühendatud suletud vooluahela kaudu ja eraldatud GND-st avatud vooluahelaga.

Kui A on 1 ja B on 1, siis pMOS-i sisend annab nulli ja nMOS-i sisend 1. Järelikult peaksime kontrollima ka pMOS-i ja nMOS-i B-sisendit. pMOS-i B-sisend genereerib '0' ja nMOS-i B sisend genereerib '1'. Niisiis, see loogikavärav genereerib loogilise '0', kuna see on avatud vooluahelaga allikast lahti ja on suletud vooluahela kaudu ühendatud GND-ga.

Tõe tabel

Ülaltoodud loogikaahela tõesuse tabel on toodud allpool.

PMOS-transistori lävipinge on tavaliselt 'Vgs', mis on vajalik kanali loomiseks, mida nimetatakse kanali inversiooniks. PMOS-transistoris ühendatakse substraat ja allika klemmid lihtsalt Vdd-ga. Kui hakkame pinget vähendama viitega lähteklemmi väravklemmi Vdd-st punktini, kus iganes märkate kanali inversiooni, siis selles asendis, kui analüüsite Vgs & allika kõrget potentsiaali, saate negatiivse väärtuse. Seega on PMOS-transistoril negatiivne V väärtus.

PMOS-i valmistamise protsess

PMOS-transistori valmistamise etappe käsitletakse allpool.

Samm 1:

Õhuke ränivahvli kiht muudetakse N-tüüpi materjaliks lihtsalt fosformaterjali dopinguga.

2. samm:

Paks ränidioksiidi (Sio2) kiht kasvatatakse täielikul p-tüüpi substraadil.

3. samm:

Nüüd on pind kaetud paksu ränidioksiidikihi fotoresistiga.

4. samm:

Pärast seda eksponeeritakse see kiht lihtsalt UV-valgusega läbi maski, mis määrab koos transistorkanalitega need piirkonnad, kuhu difusioon peab toimuma.

5. samm:

Need piirkonnad söövitatakse vastastikku all oleva ränidioksiidiga nii, et vahvli pind jääb maskiga määratud aknasse paljastatuks.

6. samm:

Ülejäänud fotoresist eraldatakse ja õhuke Sio2 kiht kasvatatakse tavaliselt 0,1 mikromeetrit üle kogu kiibi pinna. Pärast seda asetatakse selle peale polüräni, et moodustada värava struktuur. Kogu polüränikihi peale asetatakse fotoresist ja see paljastab läbi maski UV-valguse2.

7. samm:

Difusioon saavutatakse vahvli kuumutamise kaudu maksimaalse temperatuurini ja gaasi juhtimisega koos soovitud p-tüüpi lisanditega, nagu boor.

8. samm:

Kasvatatakse 1 mikromeetri paksune ränidioksiid ja sellele kantakse fotoresistmaterjal. Säritage ultraviolettvalgus mask3 abil värava, allika ja äravoolu eelistatud aladele, mis on söövitatud kontaktlõigete tegemiseks.

9. samm:

Nüüd on selle 1 mikromeetri paksusele pinnale ladestunud metall või alumiinium. Jällegi kasvatatakse üle kogu metalli fotoresistmaterjali ja eksponeeritakse UV-valgust läbi maski4, mis on söövitatud, et moodustada nõutav ühenduskujundus. PMOS-i lõplik struktuur on näidatud allpool.

PMOS-i transistori omadused

PMOS-transistori I-V omadused on näidatud allpool. Need omadused on jagatud kaheks piirkonnaks, et saada seos äravoolu ja lähtevoolu (I DS) ning selle klemmi pingete, nagu lineaar- ja küllastuspiirkonnad, vahel.

Voodripiirkonnas suureneb IDS lineaarselt, kui VDS-i (vooluallika pinge) suurendatakse, samas kui küllastuspiirkonnas on I DS stabiilne ja see ei sõltu VDS-ist. Peamine seos ISD (allikast tühjendusvoolu) ja selle klemmi pingete vahel tuletatakse sarnase NMOS-transistori protseduuriga. Sel juhul on ainus muutus see, et inversioonikihis olevad laengukandjad on lihtsalt augud. Kui augud liiguvad allikast äravoolu, on ka voolu vool sama.

Seega ilmub negatiivne märk praeguses võrrandis. Lisaks on kõik seadme klemmidele rakendatud nihked negatiivsed. Niisiis, PMOS-transistori ID-VDS-i omadused on näidatud allpool.
PMOS-transistori äravoolu voolu võrrand lineaarses piirkonnas on esitatud järgmiselt:

ID = – mp Cox

Samamoodi on küllastuspiirkonna PMOS-transistori tühjendusvoolu võrrand esitatud järgmiselt:

ID = – mp Cox (VSG – | V TH |p )^2

Kus 'mp' on augu liikuvus ja '|VTH|'. p’ on PMOS-transistori lävipinge.

Ülaltoodud võrrandis näitab negatiivne märk, et ID ( äravooluvool ) voolab äravoolust (D) allikasse (S), samas kui augud voolavad vastupidises suunas. Kui augu liikuvus on elektronide liikuvusega võrreldes madal, siis PMOS-transistorid kannatavad madalvooluajami võime all.

Seega on see kõik PMOS-transistori või p-tüüpi mos-transistori ülevaade – valmistamine, vooluring ja selle töö. PMOS on projekteeritud transistorid p-allika, n-substraadi ja äravooluga. PMOS-i laengukandjad on augud. See transistor juhib, kui värava klemmile on rakendatud madalpinge. PMOS-põhised seadmed on NMOS-seadmetega võrreldes vähem altid häiretele. Neid transistore saab kasutada pingega juhitavate takistitena, aktiivkoormustena, voolupeeglitena, trans-impedantsvõimenditena ning kasutada ka lülitites ja pingevõimendites. Siin on teile küsimus, mis on NMOS-transistor?