Šiuo metu yra du pagrindiniai FET tipai: JFET ir MOSFET.
MOSFET galima toliau skirstyti į išsekimo tipą ir patobulinimo tipas. Abu šie tipai apibrėžia pagrindinį MOSFET veikimo būdą, o pats terminas MOSFET yra metalo oksido, puslaidininkio lauko efekto tranzistoriaus santrumpa.
Atsižvelgdami į tai, kad abiejų tipų darbo savybės skiriasi, mes juos įvertinsime atskirai skirtinguose straipsniuose.
Skirtumas tarp patobulinimo ir išeikvojimo MOSFET
Iš esmės, skirtingai nuo patobulintų MOSFET, išeikvojantys MOSFET yra įjungtoje būsenoje net esant 0 V visoje „gate-to-source“ terminaluose (VGS).
Norint patobulinti MOSFET, „nuo vartų iki šaltinio“ įtampa (VGS) turi būti didesnė už „nuo vartų iki šaltinio“ ribinę įtampą (VGS (th)). kad jis elgtųsi .
Tačiau N-kanalų išeikvojimo MOSFET jo VGS (th) reikšmė yra didesnė nei 0 V. Tai reiškia, kad net jei VGS = 0 V, išeikvotas MOSFET gali praleisti srovę. Norėdami jį išjungti, išeikvoto MOSFET VGS reikia sumažinti žemiau VGS (th) (neigiamas).
Šiame straipsnyje aptarsime išsekimo tipą MOSFET, kuris, kaip sakoma, turi savybes, atitinkančias JFET. Panašumas yra tarp ribinės vertės ir sodrumo šalia IDSS.
Pagrindinė statyba
5.23 paveiksle parodyta pagrindinė n-kanalų išeikvojimo tipo MOSFET vidinė struktūra.
Galime rasti p tipo medžiagos bloką, sukurtą naudojant silicio pagrindą. Šis blokas vadinamas substratu.
Substratas yra pagrindas arba pagrindas, virš kurio pastatytas MOSFET. Kai kuriems MOSFET jis yra susietas su „šaltinio“ terminalu. Be to, daugelis prietaisų siūlo papildomą išėjimą SS pavidalu su 4 terminalų MOSFET, kaip parodyta 5.23 pav.
Drenažo ir šaltinio gnybtai laidžiais kontaktais yra prijungti prie n-legiruotų vietų ir pritvirtinti per n-kanalą, kaip nurodyta tame pačiame paveiksle.
Vartai taip pat yra sujungti su metaliniu sluoksniu, nors jie yra izoliuoti nuo n kanalo per smulkų silicio dioksido (SiO) sluoksnį.du).
SiOduturi unikalią izoliacijos savybės formą, vadinamą dielektriku, kuri sukuria priešingą elektrinį lauką savyje, reaguodama į išoriškai taikomą elektrinį lauką.
Medžiaga SiO yra izoliacinis sluoksnisdusiūlo šią svarbią informaciją:
Su šia medžiaga tarp vartų terminalo ir „mosfet“ kanalo sukurta visiška izoliacija.
Be to, tai yra dėl SiOdu, „mosfet“ vartai gali pasižymėti itin dideliu įėjimo varža.
Dėl šios gyvybiškai svarbios didelės įėjimo varžos savybės vartų srovė IGyra beveik nulis amperų bet kuriai į priekį nukreiptai MOSFET konfigūracijai.
Pagrindinė operacija ir charakteristikos
AS galima pamatyti 5.24 paveiksle, vartai iki šaltinio įtampos buvo sukonfigūruoti nuliu voltų, sujungiant du gnybtus kartu, o įtampa VDSyra naudojamas kanalizacijos ir šaltinio gnybtuose.
Naudojant aukščiau pateiktą nustatymą, nutekėjimo pusė sukuria teigiamą potencialą, kurį suteikia n-kanalų laisvieji elektronai, ir lygiavertę srovę per JFET kanalą. Taip pat susidariusi srovė VGS= 0V vis dar identifikuojamas kaip IDSS, kaip parodyta 5.25 pav
Matome, kad 5.26 pav. Vartų šaltinio įtampa VGSyra neigiamas potencialas -1V pavidalu.
Šis neigiamas potencialas bando priversti elektronus link p-kanalo substrato (nes krūviai atstumia) ir ištraukti skylutes iš p-kanalo substrato (nes priešingi krūviai traukia).
Priklausomai nuo to, kiek didelis šis neigiamas šališkumas VGStai yra, vyksta skylių ir elektronų rekombinacija, dėl kurios sumažėja laisvų elektronų laidumui n-kanale. Didesnis neigiamas šališkumas lemia didesnį rekombinacijos greitį.
Drenažo srovė dėl to sumažėja, kai padidėja aukščiau minėta neigiama šališkumo sąlyga, tai įrodyta V 5.25 pavGSV lygiaiGS= -1, -2 ir t. T., Kol -6V atjungimo ženklas.
Dėl to nutekėjimo srovė kartu su perdavimo kreivės diagrama vyksta taip pat, kaip ir a JFET.
Dabar teigiamam VGSreikšmės, vartai teigiamai pritraukia elektronų (laisvųjų nešiklių) perteklių iš p tipo pagrindo dėl atvirkštinės nuotėkio srovės. Tai sukurs naujus nešiklius, susidūrus su greitėjančiomis dalelėmis.
Kadangi vartų-šaltinių įtampa turi tendenciją didėti esant teigiamam greičiui, drenažo srovė rodo greitą padidėjimą, kaip įrodyta 5.25 paveiksle dėl tų pačių priežasčių, kaip aptarta aukščiau.
Tarp V kreivių atsirado tarpasGS= 0 V ir VGS= +1 aiškiai parodo dydį, kuriuo srovė padidėjo dėl V 1 - V kitimoGS
Dėl greito drenažo srovės pakilimo turime būti atsargūs dėl didžiausios srovės normos, kitaip jis gali peržengti teigiamą vartų įtampos ribą.
Pavyzdžiui, prietaiso tipui, pavaizduotam 5.25 pav., Taikant VGS= + 4 V padidintų nutekėjimo srovę esant 22,2 mA, o tai gali viršyti maksimalią prietaiso gedimo ribą (srovę).
Pirmiau nurodyta sąlyga rodo, kad teigiamos vartų-šaltinių įtampos naudojimas padidina kanalo laisvųjų nešėjų kiekį, o ne tada, kai VGS= 0 V.
Štai kodėl teigiama vartų įtampos sritis nutekėjimo ar perdavimo charakteristikose paprastai vadinama stiprinimo regione . Šis regionas yra tarp I ribos ir sodrumo lygioDSSarba išeikvojimo regionas.
Problemos pavyzdžio sprendimas
Privalumai ir pritaikymas
Skirtingai nuo patobulinimo režimo MOSFET, kur pastebime, kad drenažo srovė nukrinta iki nulio, reaguodama į nulinę „nuo vartų iki šaltinio“ įtampą, šiuolaikiniame išeikvojimo režime FET yra pastebima srovė su nuline vartų įtampa. Tiksliau sakant, nutekėjimo į šaltinį varža paprastai yra 100 omų, esant nulinei įtampai.
Kaip nurodyta pirmiau pateiktame grafike, ON atsparumo rds(įjungta)palyginti su analoginio signalo diapazonu atrodo praktiškai vienodas atsakas. Ši charakteristika kartu su šio pažangaus išsekimo tipo įrenginio mažos talpos lygiais leidžia jiems būti ypač idealiems kaip analoginiai jungikliai garso ir vaizdo perjungimo programoms.
Išeikvojimo režimo MOSFET atributas „normal-on“ įgalina prietaisą puikiai pritaikyti vieno FET srovės reguliatoriams.
Vienas iš tokių grandinių pavyzdžių gali būti pateiktas kitame paveiksle.
Rs vertę galima nustatyti pagal formulę:
Rs= VGSišjungtas[1 - (AšD/ AšDSS)1/2] / AšD
kur AšD yra reguliuojamos srovės kiekis, reikalingas išėjime.
Pagrindinis išeikvojimo režimo MOSFET privalumas naudojant srovės šaltinį yra minimalus jų nutekėjimo pajėgumas, todėl jie yra tinkami šališkoms programoms esant mažo įėjimo nuotėkio, vidutinio greičio (> 50 V / us) grandinėms.
Žemiau pateiktame paveikslėlyje parodytas mažo įėjimo nuotėkio srovės diferencialas, naudojant dvigubą mažo nuotėkio funkciją FET.
Apskritai, bet kuri JFET pusė bus šališka, kai ID = 500 uA. Todėl dabartinė kompensacijos ir valkataujančių talpų įkrovimo srovė apsiriboja 2ID arba tokiais atvejais kaip 1,0 mA. Atitinkamos JFET funkcijos yra patikrintos gamyboje ir užtikrintos duomenų lape.
Cs simbolizuoja įvesties etapo „uodegos“ srovės šaltinio išėjimo talpą. Ši talpa yra labai svarbi neinvertuojančiuose stiprintuvuose dėl to, kad įvesties stadijoje visame tinkle vyksta reikšmingi signalų mainai, o įkrovimo srovės Cs gali būti didelės. Jei naudojami įprasti srovės šaltiniai, ši uodegos talpa gali būti atsakinga už pastebimą ne invertuojančių grandinių pablogėjimą (palyginti su invertuojančiomis programomis, kur įkrovimo srovės Cs paprastai būna minimalios).
Sumažėjusios normos sumažėjimas galėtų būti išreikštas taip:
1 / 1+ (Cs / Sc)
Kol Cs yra mažesnis nei Cc (kompensacinis kondensatorius), vargu ar gali būti pasikeitimų. Dirbant su DMOS FET, Cs gali būti maždaug 2 pF. Ši strategija labai pagerina nukentėjusiųjų normą. Kai reikalingas didesnis nei 1–5 mA srovės deficitas, prietaisas gali būti nukreiptas į stiprinimo režimą, kad generuotų net 20 mA, kai maksimali VGS yra +2,5 V, o minimali išėjimo talpa ir toliau bus pagrindinis aspektas.
Kitoje žemiau pateiktoje programoje yra tinkama stiprinimo režimo srovės šaltinio grandinė.
„Normaliai įjungtas“ analoginis jungiklis galėtų būti sukurtas tiems reikalavimams, kai nutrūkus maitinimo įtampai reikalingos standartinės sąlygos, pavyzdžiui, automatinis bandymo įrankių diapazonas arba užtikrinamas tikslus loginių grandinių įjungimas įjungus.
Sumažinta neigiama prietaiso slenkstinė įtampa suteikia pagrindines sąlygas ir leidžia dirbti su minimalia įtampa.
Žemiau esanti grandinė rodo įprastus bet kokio išeikvojimo režimo DMOS analoginio jungiklio šališkumo faktorius.
Kad prietaisas išsijungtų, vartuose reikia neigiamos įtampos. Tai pasakius, atsparumas įjungimui gali būti sumažintas, kai FET papildomai padidinamas naudojant teigiamą vartų įtampą, leidžiantį jį specialiai pagerinimo režimo srityje kartu su išeikvojimo režimo sritimi.
Šį atsakymą galima pamatyti šiame grafike.
Aukšto dažnio įrenginio padidėjimas kartu su mažomis talpos vertėmis padidina „nuopelnų skaičių“. Tai iš tikrųjų yra labai svarbus VHF ir UHF stiprinimo elementas, kuris nurodo FET padidėjimo pralaidumo produktą (GBW), kurį galima pavaizduoti taip:
GBW = gfs / 2 Pi (Cį+ Cišėjo)
p-kanalų išeikvojimo tipo MOSFET
P-kanalų išeikvojimo tipo MOSFET konstrukcija yra puiki atvirkštinė n-kanalų versijai, parodytai 5.23 pav. Reiškia, substratas dabar yra n tipo, o kanalas tampa p-tipo, kaip parodyta žemiau 5.28a paveiksle.
Gnybtų identifikacija lieka nepakitusi, tačiau įtampa ir srovės poliškumas yra pakeisti, kaip nurodyta tame pačiame paveiksle. Nutekėjimo charakteristikos būtų tiksliai tokios, kaip pavaizduota 5.25 pav., Išskyrus VDSženklas, kuris šiuo atveju gaus neigiamą vertę.
Ištekėjimo srovė IDrodo teigiamą poliškumą ir šiuo atveju, nes mes jau pakeitėme jo kryptį. VGSrodo priešingą poliškumą, kuris yra suprantamas, kaip nurodyta 5.28c pav.
Nes VGSyra atvirkštinis, sukuria veidrodinį vaizdą perdavimo charakteristikoms, kaip nurodyta 5.28b pav.
Reiškia, nutekėjimo srovė padidėja teigiama VGSregione nuo ribinio taško ties VGS= Vp, kol ašDSS, tada ji ir toliau didėja kaip neigiama V reikšmėGSpakyla.
Simboliai
Grafinius n ir p kanalų išeikvojimo tipo MOSFET ženklus galima pamatyti aukščiau pateiktame 5.29 pav.
Stebėkite, kaip pasirinktais simboliais siekiama parodyti tikrąją prietaiso struktūrą.
Tiesioginio sujungimo nebuvimą (dėl vartų izoliacijos) tarp vartų ir kanalo simbolizuoja tarpas tarp vartų ir skirtingų simbolio gnybtų.
Vertikali linija, vaizduojanti kanalą, yra pritvirtinta tarp kanalizacijos ir šaltinio ir yra „laikoma“ pagrindo.
Aukščiau pateiktame paveikslėlyje kiekvienam kanalo tipui pateikiamos dvi simbolių grupės, pabrėžiančios faktą, kad kai kuriuose įrenginiuose substratas gali būti prieinamas išorėje, o kituose to negalima matyti.
MOSFET (patobulinimo tipas)
Nors išeikvojimo ir patobulinimo tipo MOSFET išvaizda yra panaši su savo vidine struktūra ir funkciniu režimu, jų charakteristikos gali būti gana skirtingos.
Pagrindinis skirtumas yra nutekėjimo srovė, kuri priklauso nuo konkretaus vartų ir šaltinių įtampos, kad būtų galima nutraukti veikimą.
Tiksliai, n kanalo patobulinimo tipo MOSFET gali veikti su teigiama vartų / šaltinio įtampa, o ne su neigiamų potencialų diapazonu, kuris paprastai gali paveikti išsekimo tipo MOSFET.
Pagrindinė statyba
Toliau galite vizualizuoti n-kanalų patobulinimo tipo MOSFET
5.31 pav.
P tipo medžiagos dalis yra sukurta per silicio pagrindą, ir, kaip sužinota anksčiau, ji vadinama substratu.
Šis substratas kai kuriais atvejais yra tvirtinamas viduje su šaltinio kaiščiu išeikvojimo tipo MOSFET, o kai kuriais atvejais jis yra nutrauktas kaip ketvirtasis laidas, leidžiantis išoriškai valdyti jo potencialų lygį.
Šaltinis ir nutekėjimo gnybtai, kaip įprasta, sujungiami naudojant metalinius kontaktus su n-legiruotomis sritimis.
Tačiau gali būti svarbu įsivaizduoti, kad 5.31 pav. Trūksta kanalo tarp dviejų n-legiruotų regionų.
Tai gali būti laikoma esminiu išsekimo tipo ir patobulinimo tipo MOSFET vidinio išdėstymo skirtumu, ty būdingo kanalo, kuris turėtų būti įrenginio dalis, nebuvimu.
SiO2 sluoksnis gali būti matomas vis dar paplitęs, kuris užtikrina izoliaciją tarp vartų terminalo metalinės pagrindo ir srities tarp kanalizacijos ir šaltinio. Tačiau čia galima pastebėti stovint atsiskyrusį nuo p tipo medžiagos skyriaus.
Iš pirmiau pateiktos diskusijos galime padaryti išvadą, kad išeikvotas ir patobulintas MOSFET vidinis išdėstymas gali turėti tam tikrų panašumų, išskyrus trūkstantį kanalą tarp nutekėjimo / šaltinio MOSFET patobulinimui.
Pagrindinė operacija ir charakteristikos
Priedo tipo MOSFET, kai į jo VGS įvedamas 0 V, dėl trūkstamo n kanalo (kuris, kaip žinia, turi daug laisvų nešėjų), srovės išvestis bus lygi nuliui, o tai visiškai nepanašu į išsekimo tipą MOSFET, turintis ID = IDSS.
Esant tokiai situacijai dėl trūkstamo kelio per nutekėjimo / šaltinio gnybtus, dideli nešiklių kiekiai elektronų pavidalu negali kauptis prie nutekėjimo / šaltinio (dėl n-legiruotų sričių).
Taikydami tam tikrą teigiamą potencialą VDS, kai VGS nustatytas nuliui voltų, o SS terminalas yra sutrumpintas šaltinio terminalu, iš tikrųjų randame porą atvirkštinių poslinkių pn sandūrų tarp n-legiruotų regionų ir p-substrato, kad būtų galima atlikti pastebimą laidumą nutekėti į šaltinį.
5.32 pav. Pavaizduota būklė, kai VDS ir VGS yra veikiami, kai tam tikra teigiama įtampa yra didesnė nei 0 V, leidžiant drenažui ir vartams būti teigiamame potenciale šaltinio atžvilgiu.
Teigiamas vartų potencialas stumia skylutes p-substrate išilgai SiO2 sluoksnio krašto, paliekant vietą ir giliau patekus į p-substrato regionus, kaip parodyta aukščiau pateiktame paveikslėlyje. Taip nutinka dėl panašių kaltinimų, kurios atstumia vienas kitą.
Dėl to susidaro išeikvojimo sritis netoli SiO2 izoliacinio sluoksnio, kuriame nėra skylių.
Nepaisant to, p-substrato elektronai, kurie yra mažiausia medžiagos nešėja, traukiami link teigiamų vartų ir pradeda rinktis arti SiO2 sluoksnio paviršiaus esančiame regione.
Dėl SiO2 sluoksnio izoliacijos savybių neigiami nešikliai leidžia neigiamiems nešikliams absorbuotis vartų terminale.
Didinant VGS lygį, elektronų tankis, artimas SiO2 paviršiui, taip pat didėja, kol galiausiai sukeltas n tipo regionas gali leisti kiekybiškai įvertinti laidumą per nutekėjimą / šaltinį.
VGS dydis, dėl kurio optimaliai padidėja drenažo srovė, vadinamas slenksčio įtampa, žymimas simboliu VT . Duomenų lapuose tai galėsite pamatyti kaip VGS (Th).
Kaip sužinota aukščiau, dėl to, kad nėra kanalo, esant VGS = 0, ir „patobulintas“ naudojant teigiamą „nuo vartų iki šaltinio“ įtampą, šis MOSFET tipas yra žinomas kaip patobulinimo tipo MOSFET.
Pastebėsite, kad tiek išeikvojimo, tiek patobulinimo tipo MOSFET turi patobulinimo tipo regionus, tačiau terminas patobulinimas yra naudojamas pastarajam, nes jis specialiai veikia naudodamas patobulinimo veikimo režimą.
Dabar, kai VGS bus peržengta per slenkstinę vertę, laisvųjų nešėjų koncentracija padidės kanale, kuriame ji yra sukelta. Dėl to padidėja drenažo srovė.
Kita vertus, jei išlaikysime VGS pastovų ir padidinsime VDS (nutekėjimo į šaltinį įtampą) lygį, tai galiausiai paskatins MOSFET pasiekti savo prisotinimo tašką, kaip paprastai nutiktų ir bet kuriam JFET ar išeikvojančiam MOSFET.
Kaip parodyta 5.33 pav., Nutekėjimo srovės ID išsilygina prispaudimo proceso metu, kurį rodo siauresnis kanalas link sukelto kanalo nutekėjimo galo.
Taikydami Kirchhoffo įtampos įstatymą MOSFET terminalo įtampoms, pav. 5.33, gauname:
Jei VGS yra pastovus iki tam tikros vertės, pavyzdžiui, 8 V, o VDS pakeliama nuo 2 iki 5 V, įtampa VDG lygi ekvivalentui. 5.11 matėsi krintanti nuo -6 iki -3 V, o vartų potencialas vis mažiau teigiamas drenažo įtampos atžvilgiu.
Šis atsakas draudžia laisviesiems nešikliams ar elektronams traukti link šio sukelto kanalo regiono, o tai savo ruožtu sumažina efektyvų kanalo plotį.
Galų gale kanalo plotis sumažėja iki taško, pasiekiančio sodrumo sąlygą, panašią į tą, kurią mes jau išmokome ankstesniame „MOSFET“ išeikvojimo straipsnyje.
Tai reiškia, kad VDS didinimas toliau naudojant fiksuotą VGS, neturi įtakos ID sodrumo lygiui, kol bus pasiekta gedimo situacija.
Žvelgdami į 5.34 pav., Galime nustatyti, kad MOSFET, kaip pav. 5.33 pav., Kai VGS = 8 V, prisotinimas vyksta esant 6 V VDS lygiui. Tiksliau sakant, VDS sodrumo lygis yra susijęs su taikomu VGS lygiu:
Be abejo, tai reiškia, kad kai VT vertė bus fiksuota, padidinus VGS lygį proporcingai padidės VDS prisotinimo lygis per sodrumo lygių lokusą.
Remiantis aukščiau pateiktame paveikslėlyje rodomomis charakteristikomis, VT lygis yra 2 V, tai akivaizdu tuo, kad išleidimo srovė nukrito iki 0 mA.
Todėl paprastai galime pasakyti:
Kai VGS reikšmės yra mažesnės už patobulinimo tipo MOSFET slenkstinį lygį, jo nutekėjimo srovė yra 0 mA.
Aukščiau pateiktame paveiksle taip pat aiškiai matome, kad tol, kol VGS yra pakeltas aukščiau nuo VT iki 8 V, atitinkamas ID prisotinimo lygis taip pat padidėja nuo 0 iki 10 mA.
Be to, mes galime pastebėti, kad tarp VGS lygių erdvė didėja didėjant VGS vertei, sukeldama be galo didėjančią nutekėjimo srovės dalį.
Mes nustatome, kad nutekėjimo srovės vertė yra susijusi su VGS lygio vartų ir šaltinių įtampa, didesne nei VT, naudojant šį netiesinį ryšį:
Kvadratiniuose skliaustuose rodomas terminas yra atsakingas už netiesinį ID ir VGS ryšį.
K terminas yra konstanta ir yra MOSFET išdėstymo funkcija.
Šios konstantos k vertę galime sužinoti naudodami šią lygtį:
kur kiekvienas ID (įjungtas) ir VGD (įjungtas) yra vertės, konkrečiai priklausančios nuo įrenginio charakteristikų.
Kitame žemiau esančiame 5.35 pav. Nustatome, kad nutekėjimo ir perdavimo charakteristikos yra išdėstytos viena šalia kitos, kad būtų paaiškinta perdavimo procesas.
Iš esmės jis yra panašus į procesą, anksčiau paaiškintą JFET ir išeikvojimo tipo MOSFET.
Tačiau šiuo atveju turime prisiminti, kad VGS VT nutekėjimo srovė yra 0 mA.
Čia ID gali pamatyti pastebimą srovės kiekį, kuris padidės, kaip nustatyta ekv. 5.13.
Atkreipkite dėmesį, kad apibrėždami perdavimo charakteristikų taškus pagal nutekėjimo charakteristikas, atsižvelgiame tik į sodrumo lygius. Tai apriboja veikimo sritį iki VDS reikšmių, didesnių už sodrumo lygius, nustatytus Eq. (5.12).
„p-Channel Enhancement“ tipo MOSFET
P-kanalo patobulinimo tipo MOSFET struktūra, kaip parodyta 5.37a paveiksle, yra visiškai priešinga tai, kuri rodoma 5.31 pav.
Reiškia, dabar jūs pastebite, kad n tipo substratas ir p-legiruoti regionai po drenažo ir šaltinio jungtimis.
Gnybtai ir toliau yra nustatyti, tačiau kiekviena srovės kryptis ir įtampos poliškumas yra atvirkštiniai.
Nutekėjimo charakteristikos gali atrodyti taip, kaip parodyta 5.37c pav., Turint vis didesnį srovės kiekį, kurį sukelia nuolat daugiau neigiamų VGS dydžių.
Perkėlimo charakteristikos būtų 5.35 pav. Perdavimo kreivės veidrodinis įspūdis (aplink ID ašį), kurio ID didėjant vis daugiau ir daugiau neigiamų VGS reikšmių virš VT, kaip parodyta 5.37b pav. Lygtys (5.11) - (5.14) panašiai tinka ir p-kanalų įrenginiams.
Nuorodos:
- 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
Pora: „Anti Spy“ RF detektoriaus grandinė - belaidis klaidų detektorius Kitas: perdavimo charakteristikos
