МОП-транзисторы - тип расширения, тип истощения

В настоящее время существуют два основных типа полевых транзисторов: JFET и MOSFET.

МОП-транзисторы можно разделить на истощенные и Тип улучшения. Оба эти типа определяют основной режим работы полевых МОП-транзисторов, в то время как сам термин «МОП-транзисторы» является сокращением «полевой транзистор металл-оксид-полупроводник».

В связи с тем, что эти два типа имеют разные рабочие характеристики, мы будем оценивать каждый из них отдельно в разных статьях.

Разница между улучшающим и истощающим MOSFET

По сути, в отличие от полевых МОП-транзисторов с улучшенными характеристиками, полевые МОП-транзисторы с истощением находятся во включенном состоянии даже при наличии 0 В на клеммах затвор-исток (VGS).

Для расширенного MOSFET напряжение затвор-исток (VGS) должно быть выше его порогового напряжения затвор-исток (VGS (th)) чтобы заставить его вести .

Однако для N-канального MOSFET с обеднением его значение VGS (th) выше 0 В. Это означает, что даже если VGS = 0 В, MOSFET с обеднением может проводить ток. Чтобы выключить его, VGS истощенного MOSFET необходимо уменьшить ниже VGS (th) (отрицательный).

В этой статье мы обсудим MOSFET обедненного типа, которые, как говорят, имеют характеристики, соответствующие характеристикам JFET. Сходство между отсечкой и насыщением около I_DSS.

Базовая конструкция

На рис. 5.23 показана базовая внутренняя структура n-канального МОП-транзистора обедненного типа.

Мы можем найти блок из материала p-типа, созданный на основе кремния. Этот блок называется подложкой.

Подложка - это основа или фундамент, на котором построен полевой МОП-транзистор. Для некоторых полевых МОП-транзисторов он внутренне связан с терминалом «источник». Кроме того, многие устройства предлагают дополнительный выход в виде SS с 4-контактным MOSFET, как показано на рис. 5.23.

Выводы стока и истока подключаются через проводящие контакты к местам с n-легированием и присоединяются через n-канал, как показано на том же рисунке.

Затвор также соединен с металлическим слоем, хотя он изолирован от n-канала тонким слоем диоксида кремния (SiO_два).

SiO_дваобладает уникальной формой изоляционных свойств, называемой диэлектриком, которая создает внутри себя противоположное электрическое поле в ответ на внешнее электрическое поле.

Являясь изолирующим слоем, материал SiO_двапредлагает нам следующую важную информацию:

С помощью этого материала достигается полная изоляция между выводом затвора и каналом mosfet.

Причем именно из-за SiO_два, затвор МОП-транзистора может иметь чрезвычайно высокий входной импеданс.

Из-за этого очень важного свойства высокого входного импеданса ток затвора I_граммпрактически нулевой ток для любой конфигурации MOSFET с постоянным смещением.

Основные операции и характеристики

Как видно на рис. 5.24, напряжение затвор-исток было настроено на нулевое вольт путем соединения двух клемм вместе, в то время как напряжение V_DSподается через выводы стока и истока.

При вышеуказанной настройке сторона стока устанавливает положительный потенциал свободных электронов n-канала вместе с эквивалентным током через канал JFET. Также результирующий ток V_GS= 0 В по-прежнему обозначается как I_DSS, как показано на рис. 5.25

Мы видим, что на рис. 5.26 напряжение затвора истока V_GSдается отрицательный потенциал в виде -1В.

Этот отрицательный потенциал пытается подтолкнуть электроны к подложке с p-каналом (поскольку заряды отталкиваются) и оттягивать дырки от подложки с p-каналом (поскольку притягиваются противоположные заряды).

В зависимости от того, насколько велико это отрицательное смещение V_GSТо есть происходит рекомбинация дырок и электронов, которая приводит к сокращению свободных электронов в n-канале, доступном для проводимости. Более высокий уровень отрицательного смещения приводит к более высокой скорости рекомбинации.

Следовательно, ток стока уменьшается по мере увеличения вышеуказанного условия отрицательного смещения, что доказано на рис. 5.25 для V_GSуровни V_GS= -1, -2 и так далее, до отметки отсечки -6В.

Ток стока в результате вместе с графиком кривой передачи протекает так же, как и в случае JFET.

Теперь для положительного V_GSЗначения положительного напряжения затвора будут притягивать избыточные электроны (свободные носители) от подложки p-типа из-за обратного тока утечки. Это приведет к появлению новых носителей в результате возникающих столкновений с ускоряющимися частицами.

Поскольку напряжение затвор-исток имеет тенденцию расти с положительной скоростью, ток стока быстро увеличивается, как показано на рис. 5.25 по тем же причинам, что и обсуждалось выше.

Разрыв образовался между кривыми V_GS= 0 В и V_GS= +1 отчетливо показывает величину, на которую увеличился ток из-за изменения 1 - V напряжения V_GS

Из-за быстрого роста тока стока мы должны быть осторожны с максимальным номинальным током, иначе он может выйти за пределы положительного напряжения затвора.

Например, для типа устройства, изображенного на рис. 5.25, применив V_GS= + 4 В приведет к увеличению тока стока до 22,2 мА, что может превышать максимальный предел пробоя (ток) устройства.

Вышеупомянутое условие показывает, что использование положительного напряжения затвор-исток оказывает повышенное влияние на количество свободных носителей в канале, в отличие от того, когда V_GS= 0 В.

Вот почему область положительного напряжения затвора на характеристиках стока или передачи обычно называется область усиления . Эта область находится между порогом отсечки и уровнем насыщения I_DSSили область истощения.

Решение примера проблемы

Преимущества и применение

В отличие от полевых МОП-транзисторов в расширенном режиме, где мы обнаруживаем, что ток стока падает до нуля в ответ на нулевое напряжение затвор-исток, современный полевой транзистор в режиме обеднения имеет заметный ток при нулевом напряжении затвора. Если быть точным, сопротивление сток-исток обычно составляет 100 Ом при нулевом напряжении.

Как показано на приведенном выше графике, сопротивление включения rds_(на)по сравнению с диапазоном аналогового сигнала выглядит как практически ровная характеристика. Эта характеристика в сочетании с низкими уровнями емкости этих усовершенствованных устройств обедненного типа позволяет им быть особенно идеальными в качестве аналоговых переключателей для приложений коммутации аудио и видео.

Атрибут «нормально-включенный» MOSFET в режиме истощения позволяет устройству идеально подходить для регуляторов тока с одним полевым транзистором.

Один такой пример схемы можно увидеть на следующем рисунке.

Значение Rs можно определить по формуле:

р_s= VGS_{выключенный}[1 - (I_D/Я_DSS)^1/2] / I_D

куда я_D - величина регулируемого тока, необходимого на выходе.

Основным преимуществом полевых МОП-транзисторов в режиме истощения для источников тока является их минимальная емкость стока, что делает их подходящими для приложений смещения в цепях с малой утечкой на входе и средними скоростями (> 50 В / мкс).

На рисунке ниже показан входной каскад дифференциального сигнала с низким входным током утечки, использующий двойной полевой транзистор с функцией низкой утечки.

Вообще говоря, любая сторона JFET будет смещена на ID = 500 мкА. Следовательно, ток, доступный для компенсации заряда и паразитных емкостей, становится ограниченным до 2ID или, в подобных случаях, до 1,0 мА. Соответствующие функции JFET проверены на производстве и указаны в технических данных.

Cs символизирует выходную емкость источника тока «хвоста» входного каскада. Эта емкость имеет решающее значение для неинвертирующих усилителей из-за того, что входной каскад подвергается значительному обмену сигналами по всей сети, а зарядные токи в Cs могут быть большими. В случае использования обычных источников тока эта хвостовая емкость может быть причиной заметного ухудшения скорости нарастания в неинвертирующих схемах (по сравнению с инвертирующими приложениями, где зарядные токи в Cs имеют тенденцию к минимальному).

Падение скорости нарастания может быть выражено как:

1 / 1+ (Cs / Sc)

Пока Cs ниже, чем Cc (компенсационный конденсатор), вряд ли будет какое-либо изменение скорости нарастания. При работе с полевым транзистором DMOS значение Cs может составлять около 2 пФ. Эта стратегия дает огромное улучшение скорости нарастания. Если требуется дефицит тока более 1–5 мА, устройство может быть смещено в режим улучшения, чтобы генерировать до 20 мА для максимального напряжения VGS +2,5 В, при этом минимальная выходная емкость продолжает оставаться ключевым аспектом.

Следующее ниже приложение демонстрирует правильную схему источника тока в режиме улучшения.

Аналоговый переключатель «нормально включен» может быть построен для требований, когда стандартное состояние становится необходимым во время сбоя напряжения питания, например, при автоматическом выборе диапазона измерительных приборов или для обеспечения точного запуска логических схем при включении.

Пониженное отрицательное пороговое напряжение устройства обеспечивает основные условия привода и позволяет работать с минимальным напряжением.

Схема ниже демонстрирует общие коэффициенты смещения для любого аналогового переключателя DMOS режима обеднения.

Чтобы вызвать отключение устройства, на затворе необходимо отрицательное напряжение. При этом сопротивление в открытом состоянии может быть минимизировано, если полевой транзистор дополнительно усиливается с использованием положительного напряжения затвора, что позволяет использовать его, в частности, в области режима улучшения вместе с областью режима обеднения.

Этот ответ можно увидеть на следующем графике.

Высокочастотное усиление устройства вместе с его низкими значениями емкости обеспечивает повышенный «показатель качества». Это действительно важный элемент в усилении VHF и UHF, который определяет произведение коэффициента усиления на полосу пропускания (GBW) полевого транзистора, которое можно представить как:

GBW = gfs / 2 число Пи (C_в+ C_из)

P-канальный МОП-транзистор с истощением

Конструкция полевого МОП-транзистора с p-каналом и обеднением является полной противоположностью n-канальной версии, показанной на рис. 5.23. Это означает, что теперь подложка принимает форму n-типа, а канал становится p-типа, как это видно на рисунке 5.28a ниже.

Идентификация клемм остается неизменной, но полярности напряжения и тока меняются местами, как показано на том же рисунке. Характеристики стока будут точно такими, как показано на рис. 5.25, за исключением V_DSзнак, который в этом случае получит отрицательное значение.

Ток стока I_Dпоказывает положительную полярность и в этом случае, потому что мы уже изменили его направление. V_GSпоказывает противоположную полярность, что понятно, как показано на рис. 5.28c.

Потому что V_GSперевернуто, производит зеркальное отображение для передаточных характеристик, как показано на рис. 5,28b.

Это означает, что ток стока увеличивается в положительном V_GSобласть от точки отсечки в V_GS= Вп, пока я_DSS, затем он продолжает расти, поскольку отрицательное значение V_GSподнимается.

Символы

Графические обозначения для полевого МОП-транзистора с n- и p-каналом обедненного типа можно увидеть на рис. 5.29 выше.

Обратите внимание на то, как выбранные символы стремятся представить истинную структуру устройства.

Отсутствие прямого соединения (из-за изоляции затвора) между затвором и каналом символизируется зазором между затвором и различными выводами символа.

Вертикальная линия, представляющая канал, прикреплена между стоком и истоком и «удерживается» подложкой.

На рисунке выше представлены две группы символов для каждого типа канала, чтобы подчеркнуть тот факт, что в некоторых устройствах подложка может быть доступна извне, в то время как в других она может быть не видна.

МОП-транзистор (тип расширения)

Хотя полевые МОП-транзисторы истощенного и расширенного типа похожи по своей внутренней структуре и функциональному режиму, их характеристики могут сильно отличаться.

Основное различие заключается в токе стока, который зависит от определенного уровня напряжения затвор-исток для действия отключения.

Точнее, n-канальный полевой МОП-транзистор улучшенного типа может работать с положительным напряжением затвор / исток вместо диапазона отрицательных потенциалов, которые обычно могут влиять на МОП-транзистор обедненного типа.

Базовая конструкция

Вы можете визуализировать n-канальный МОП-транзистор улучшенного типа следующим образом:
Рис. 5.31.

Секция материала p-типа создается через кремниевую основу и, как уже было сказано ранее, называется подложкой.

Эта подложка в некоторых случаях соединяется внутри с выводом истока в полевом МОП-транзисторе обедненного типа, в то время как в некоторых случаях она завершается как четвертый вывод для обеспечения внешнего управления его потенциальным уровнем.

Выводы истока и стока, как обычно, соединяются металлическими контактами с n-легированными областями.

Однако может быть важно визуализировать, что на рис. 5.31 канал между двумя n-легированными областями отсутствует.

Это можно рассматривать как фундаментальное различие между внутренней компоновкой MOSFET типа обеднения и типа расширения, то есть отсутствие собственного канала, который должен быть частью устройства.

Видно, что слой SiO2 все еще преобладает, что обеспечивает изоляцию между металлическим основанием вывода затвора и областью между стоком и истоком. Однако здесь можно наблюдать стоящее отдельно от секции материала p-типа.

Из приведенного выше обсуждения мы можем сделать вывод, что внутренняя компоновка MOSFET с истощением и улучшением может иметь некоторое сходство, за исключением отсутствующего канала между стоком / истоком для MOSFET типа расширения.

Основные операции и характеристики

Для полевого МОП-транзистора улучшенного типа, когда на его VGS вводится 0 В, из-за отсутствия n-канала (который, как известно, переносит много свободных несущих), выходной ток становится равным нулю, что весьма непохоже на тип истощения. полевого МОП-транзистора, имеющего ID = IDSS.

В такой ситуации из-за отсутствия пути через выводы стока / истока большие количества носителей в форме электронов не могут накапливаться на стоках / истоках (из-за n-легированных областей).

Применяя некоторый положительный потенциал на VDS, с VGS, установленным на ноль вольт и клеммой SS, закороченной с клеммой источника, мы фактически обнаруживаем пару смещенных в обратном направлении pn-переходов между n-легированными областями и p-подложкой, чтобы обеспечить любую заметную проводимость через слив в источник.

На рис. 5.32 показано состояние, при котором VDS и VGS применяются с некоторым положительным напряжением выше 0 В, что позволяет стоку и затвору иметь положительный потенциал по отношению к истоку.

Положительный потенциал на затворе толкает отверстия в p-подложке вдоль края слоя SiO2, покидая местоположение и проникая глубже в области p-подложки, как показано на рисунке выше. Это происходит из-за одинаковых зарядов, которые отталкивают друг друга.

Это приводит к созданию обедненной области рядом с изолирующим слоем SiO2, в которой отсутствуют дырки.

Несмотря на это, электроны p-подложки, которые являются неосновными носителями материала, притягиваются к положительному затвору и начинают собираться в области, близкой к поверхности слоя SiO2.

Из-за изоляционных свойств слоя SiO2 отрицательные носители позволяют отрицательным носителям поглощаться на выводе затвора.

По мере того, как мы увеличиваем уровень VGS, электронная плотность вблизи поверхности SiO2 также увеличивается, пока, наконец, индуцированная область n-типа не сможет обеспечить измеримую проводимость через сток / исток.

Величина VGS, которая вызывает оптимальное увеличение тока стока, называется пороговым напряжением, обозначается символом VT . В таблицах это будет отображаться как VGS (Th).

Как было сказано выше, из-за отсутствия канала при VGS = 0 и «улучшенного» приложения положительного напряжения затвор-исток этот тип полевых МОП-транзисторов известен как полевые МОП-транзисторы улучшенного типа.

Вы обнаружите, что полевые МОП-транзисторы как с истощением, так и с улучшением имеют области повышенного типа, но термин улучшение используется для последнего, потому что он специально работает с использованием режима улучшения.

Теперь, когда значение VGS превышает пороговое значение, концентрация свободных несущих будет увеличиваться в канале, в котором он вызван. Это приводит к увеличению тока стока.

С другой стороны, если мы сохраним VGS постоянным и увеличим уровень VDS (напряжение сток-исток), это в конечном итоге приведет к тому, что MOSFET достигнет точки насыщения, как обычно происходит с любым JFET или истощенным MOSFET.

Как показано на рис. 5.33, ток стока ID выравнивается с помощью процесса отсечки, на что указывает более узкий канал по направлению к концу стока индуцированного канала.

Применяя закон Кирхгофа к напряжениям на клеммах полевого МОП-транзистора на рис. 5.33, мы получаем:

Если VGS поддерживается постоянным до определенного значения, например 8 В, а VDS повышается с 2 до 5 В, напряжение VDG по формуле. 5.11 можно было увидеть, как падает с -6 до -3 В, а потенциал затвора становится все менее и менее положительным по отношению к напряжению стока.

Этот отклик запрещает свободным носителям или электронам притягиваться к этой области индуцированного канала, что, в свою очередь, приводит к уменьшению эффективной ширины канала.

В конечном итоге ширина канала уменьшается до точки отсечения, достигая состояния насыщения, аналогичного тому, что мы уже узнали в нашей более ранней статье о MOSFET с истощением.

Это означает, что дальнейшее увеличение VDS с фиксированным VGS не влияет на уровень насыщения ID до момента, когда будет достигнута аварийная ситуация.

Глядя на рис. 5.34, мы можем определить, что для полевого МОП-транзистора, как на рис. 5.33, имеющего VGS = 8 В, насыщение происходит при уровне VDS 6 В. Чтобы быть точным, уровень насыщения VDS связан с применяемым уровнем VGS следующим образом:

Несомненно, это означает, что, когда значение VT фиксировано, увеличение уровня VGS пропорционально вызовет более высокие уровни насыщения для VDS через локус уровней насыщения.

Что касается характеристик, показанных на приведенном выше рисунке, уровень ТН равен 2 В, что очевидно по тому факту, что ток стока упал до 0 мА.

Поэтому обычно мы можем сказать:

Когда значения VGS меньше порогового уровня для полевого МОП-транзистора улучшенного типа, его ток стока составляет 0 мА.

Мы также можем ясно видеть на приведенном выше рисунке, что до тех пор, пока VGS повышается с VT до 8 В, соответствующий уровень насыщения для ID также увеличивается с уровня 0 до 10 мА.

Более того, мы можем дополнительно заметить, что пространство между уровнями VGS увеличивается с увеличением значения VGS, вызывая бесконечно возрастающие приращения тока стока.

Мы обнаружили, что значение тока стока связано с напряжением затвор-исток для уровней VGS, превышающих VT, посредством следующей нелинейной зависимости:

Термин, показанный в квадратных скобках, является термином, отвечающим за нелинейную связь между ID и VGS.

Член k является константой и зависит от схемы MOSFET.

Мы можем узнать значение этой постоянной k с помощью следующего уравнения:

где ID (вкл.) и VGD (вкл.) - значения, зависящие от характеристики устройства.

На следующем рис. 5.35 ниже мы видим, что характеристики стока и передачи расположены друг рядом с другом, чтобы прояснить процесс передачи друг через друга.

По сути, это похоже на процесс, описанный ранее для полевых транзисторов JFET и полевых МОП-транзисторов с истощением.

Однако в данном случае мы должны помнить, что ток стока для VGS VT составляет 0 мА.

Здесь ID может увидеть заметное количество тока, которое будет увеличиваться, как определено формулой. 5.13.

Обратите внимание: при определении точек по характеристикам передачи из характеристик стока мы учитываем только уровни насыщения. Это ограничивает область действия значениями VDS выше, чем уровни насыщения, установленные уравнением. (5.12).

МОП-транзисторы расширенного типа с p-каналом

Структура полевого МОП-транзистора с р-каналом расширенного типа, показанная на рис. 5.37a, прямо противоположна структуре, показанной на рис. 5.31.

Это означает, что теперь вы обнаружите, что подложка n-типа и области, легированные p-примесью, соединяются под стоком и истоком.

Клеммы остаются в прежнем состоянии, но каждое направление тока и полярность напряжения меняются местами.

Характеристики стока могут выглядеть так, как показано на рис. 5.37c, с увеличивающимися значениями тока, вызванными постоянно более отрицательными величинами VGS.

Передаточные характеристики были бы зеркальным отпечатком (вокруг оси ID) кривой передачи на рис. 5.35, с ID, увеличивающимся со все более и более отрицательными значениями VGS выше VT, как показано на рис. 5.37b. Уравнения (5.11) - (5.14) аналогично подходят для p-канальных устройств.

Рекомендации:

• https://en.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