Базовая электроника - MOSFET

Полевые транзисторы имеют ряд недостатков, таких как высокое сопротивление стока, умеренное входное сопротивление и более медленная работа. Чтобы преодолеть эти недостатки, изобретен полевой МОП-транзистор.

MOSFET означает полевой транзистор на основе оксида кремния и кремния или полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника. Это также называется IGFET, что означает полевой транзистор с изолированным затвором. FET работает в режимах истощения и улучшения. На следующем рисунке показано, как выглядит практичный MOSFET.

МОП-транзистор

Строительство МОП-транзистора

Конструкция MOSFET немного похожа на FET. Оксидный слой наносится на подложку, к которой подключен вывод затвора. Этот оксидный слой действует как изолятор (sio 2 изолирует от подложки), и, следовательно, MOSFET имеет другое название IGFET. В конструкции MOSFET, слегка легированная подложка, рассеивается с сильно легированной областью. В зависимости от используемой подложки они называются MOSFET P-типа и N-типа .

На следующем рисунке показана конструкция MOSFET.

MOSFET Строительство

Напряжение на затворе контролирует работу MOSFET. В этом случае на затвор можно подавать как положительные, так и отрицательные напряжения, поскольку он изолирован от канала. При отрицательном напряжении смещения затвора он действует как истощающий МОП-транзистор, а при положительном напряжении смещения затвора он действует как полевой МОП-транзистор .

Классификация МОП-транзисторов

В зависимости от типа материалов, используемых в конструкции, и типа операции, полевые МОП-транзисторы классифицируются, как показано на следующем рисунке.

MOSFET классификация

После классификации давайте пройдемся по символам MOSFET.

N-канальные МОП-транзисторы просто называются NMOS . Символы для N-канального MOSFET приведены ниже.

N-канальный МОП-транзистор

МОП-транзисторы с P-каналом просто называются PMOS . Символы для P-канального MOSFET приведены ниже.

P-канал MOSFET

Теперь давайте рассмотрим конструкционные детали N-канального MOSFET. Обычно NChannel MOSFET рассматривается для объяснения, поскольку этот в основном используется. Также нет необходимости упоминать, что изучение одного типа объясняет и другое.

Строительство N-канального МОП-транзистора

Давайте рассмотрим N-канальный MOSFET, чтобы понять его работу. Используется слегка легированный субстрат P-типа, в который распространяются две сильно легированные области N-типа, которые действуют как исток и сток. Между этими двумя N + областями происходит диффузия с образованием N-канала, соединяющего сток и исток.

N-Channel MOSFET Строительство

Тонкий слой диоксида кремния (SiO 2 ) выращен по всей поверхности, и сделаны отверстия, чтобы нарисовать омические контакты для выводов стока и истока. Проводящий слой алюминия укладывают по всему каналу, на этот слой SiO 2 от истока до стока, который составляет затвор. Подложка SiO 2 соединена с общей или заземленной клеммой.

Из-за своей конструкции МОП-транзистор имеет гораздо меньшую площадь микросхемы, чем BJT, что составляет 5% занятости по сравнению с транзистором с биполярным переходом. Это устройство может работать в режимах. Это режимы истощения и улучшения. Давайте попробуем разобраться в деталях.

Работа N - канала (режим истощения) MOSFET

На данный момент у нас есть идея, что в этом случае нет PN-перехода между шлюзом и каналом, в отличие от FET. Можно также заметить, что диффузный канал N (между двумя областями N +), изолирующий диэлектрик SiO 2 и слой металлического алюминия затвора вместе образуют конденсатор с параллельными пластинами .

Если NMOS должен работать в режиме истощения, терминал затвора должен иметь отрицательный потенциал, а сток - положительный потенциал, как показано на следующем рисунке.

N-Channel МОП-транзистор работает

Когда между затвором и истоком не подается напряжение, часть тока течет из-за напряжения между стоком и истоком. Пусть некоторое отрицательное напряжение приложено к V GG . Затем неосновные носители, т.е. дырки, притягиваются и оседают вблизи слоя SiO 2 . Но большинство носителей, т. Е. Электроны, отталкиваются.

При некоторой величине отрицательного потенциала на V GG определенная величина тока I D стока протекает через исток к стоку. Когда этот отрицательный потенциал еще больше увеличивается, электроны истощаются, и ток I D уменьшается. Следовательно, чем больше отрицательное значение приложенного V GG , тем меньше будет значение тока стока I D.

Канал ближе к стоку становится более истощенным, чем у источника (как в FET), и поток тока уменьшается из-за этого эффекта. Следовательно, это называется режим обеднения MOSFET.

Работа N-канального МОП-транзистора (режим улучшения)

Тот же MOSFET может работать в режиме улучшения, если мы можем изменить полярности напряжения V GG . Итак, давайте рассмотрим MOSFET с напряжением затвора V GG положительным, как показано на следующем рисунке.

N-Channel MOSFET Enhancement

Когда между затвором и истоком не подается напряжение, часть тока течет из-за напряжения между стоком и истоком. Пусть на V GG подается некоторое положительное напряжение. Тогда неосновные носители, т.е. дырки, отталкиваются, а основные носители, т.е. электроны, притягиваются к слою SiO 2 .

При некоторой величине положительного потенциала на V GG определенная величина тока I D стока протекает через исток к стоку. Когда этот положительный потенциал дополнительно увеличивается, ток I D увеличивается из-за потока электронов из источника, и они продвигаются дальше из-за напряжения, приложенного к V GG . Следовательно, чем больше положительное значение приложенного V GG , тем больше будет значение тока стока I D. Поток тока усиливается за счет увеличения потока электронов лучше, чем в режиме обеднения. Следовательно, этот режим называется расширенным режимом MOSFET .

P - Канал МОП-транзистора

Конструкция и работа PMOS такие же, как у NMOS. Слегка легированный n-субстрат берется, в который диффундируют две сильно легированные P + области . Эти две области P + действуют как исток и сток. Тонкий слой SiO 2 выращивается на поверхности. В этом слое прорезаются отверстия для контакта с областями P +, как показано на следующем рисунке.

P-Channel

Работа PMOS

Когда клемме затвора дается отрицательный потенциал на V GG, чем напряжение истока V DD , то из-за присутствия областей P + ток отверстия увеличивается через диффузный P-канал, и PMOS работает в режиме улучшения .

Когда клемме затвора дается положительный потенциал на V GG, чем напряжение V DD стока , тогда из-за отталкивания происходит истощение, вследствие которого уменьшается ток. Таким образом, PMOS работает в режиме истощения . Хотя конструкция отличается, работа аналогична для обоих типов MOSFET. Следовательно, при изменении полярности напряжения оба типа могут использоваться в обоих режимах.

Это можно лучше понять, имея представление о кривой характеристик стока.

Характеристики слива

Характеристики стока МОП-транзистора отображаются между током стока I D и напряжением источника стока V DS . Характеристическая кривая, как показано ниже для разных значений входов.

Характеристики слива

Фактически, когда V DS увеличивается, ток стока I D должен увеличиваться, но из-за приложенного V GS ток стока контролируется на определенном уровне. Следовательно, ток затвора контролирует выходной ток стока.

Характеристики передачи

Передаточные характеристики определяют изменение значения V DS при изменении I D и V GS в режимах истощения и улучшения. Ниже приведена кривая передаточной характеристики для тока стока в зависимости от напряжения на затворе.

Характеристики передачи

Сравнение между BJT, FET и MOSFET

Теперь, когда мы обсудили все вышеперечисленные три, давайте попробуем сравнить некоторые их свойства.

УСЛОВИЯ BJT FET МОП-транзистор
Тип устройства Текущий контроль Напряжение контролируется Напряжение контролируемое
Текущий поток биполярный униполярный униполярный
терминалы Не взаимозаменяемы взаимозаменяемый взаимозаменяемый
Режимы работы Нет режимов Только режим истощения Оба режима повышения и истощения
Входное сопротивление Низкий Высоко Очень высоко
Выходное сопротивление умеренный умеренный Низкий
Рабочая скорость Низкий умеренный Высоко
Шум Высоко Низкий Низкий
Термостойкость Низкий Лучше Высоко

До сих пор мы обсуждали различные электронные компоненты и их типы, а также их конструкцию и работу. Все эти компоненты имеют различные применения в области электроники. Чтобы получить практические знания о том, как эти компоненты используются в практических схемах, обратитесь к руководству по электронным схемам.