Базовая электроника — MOSFET

У полевых транзисторов есть несколько недостатков, таких как высокое сопротивление стока, умеренное входное сопротивление и более медленная работа. Чтобы преодолеть эти недостатки, изобретен MOSFET, который является усовершенствованным FET.

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 как в режиме истощения, так и в режиме улучшения. На следующем рисунке показано, как выглядит практичный MOSFET.

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.

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, тогда как 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.

После классификации давайте пройдемся по символам MOSFET.

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

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

Теперь давайте рассмотрим конструкционные детали N-канального MOSFET. Обычно для объяснения рассматривается NChannel MOSFET, так как 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. Подложена слегка легированная подложка P-типа, в которую рассеиваются две сильно легированные области N-типа, которые действуют как исток и сток. Между этими двумя областями N + происходит диффузия с образованием N-канала, соединяющего сток и исток.

Тонкий слой диоксида кремния (SiO ₂ ) выращивается по всей поверхности, и сделаны отверстия, чтобы нарисовать омические контакты для выводов стока и истока. Проводящий слой алюминия проложен 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 биполярным переходным транзистором. 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 месте 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.

Когда между затвором и истоком не подается напряжение, часть тока течет из-за напряжения между стоком и истоком. Пусть на V _GG подается некоторое отрицательное напряжение. 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.

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.

Работа PMOS

Когда клемме затвора дается отрицательный потенциал на V _GG, чем напряжение V _{DD стока} , 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, с изменением 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.

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.

Сравнение между BJT, FET и MOSFET

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

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.