Grundelektronik - MOSFET
FETs haben einige Nachteile wie einen hohen Drain-Widerstand, eine moderate Eingangsimpedanz und einen langsameren Betrieb. Um diese Nachteile zu überwinden, wird der MOSFET erfunden, der ein fortschrittlicher FET ist.
MOSFET steht für Metalloxid-Silizium-Feldeffekttransistor oder Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor. Dies wird auch als IGFET bezeichnet und bedeutet Insulated Gate Field Effect Transistor. Der FET wird sowohl im Verarmungs- als auch im Verbesserungsbetrieb betrieben. Die folgende Abbildung zeigt, wie ein praktischer MOSFET aussieht.
Aufbau eines MOSFET
Der Aufbau eines MOSFET ist dem FET etwas ähnlich. Auf dem Substrat, mit dem der Gate-Anschluss verbunden ist, wird eine Oxidschicht abgeschieden. Diese Oxidschicht wirkt als Isolator (sio 2 isoliert vom Substrat), und daher hat der MOSFET einen anderen Namen als IGFET. Bei der Konstruktion eines MOSFET wird ein leicht dotiertes Substrat mit einem stark dotierten Bereich diffundiert. Je nach verwendetem Substrat werden sie als bezeichnetP-type und N-type MOSFETs.
Die folgende Abbildung zeigt den Aufbau eines MOSFET.
Die Spannung am Gate steuert den Betrieb des MOSFET. In diesem Fall können sowohl positive als auch negative Spannungen an das Gate angelegt werden, da es vom Kanal isoliert ist. Bei negativer Gate-Vorspannung wirkt es alsdepletion MOSFET während mit positiver Gate-Vorspannung wirkt es als Enhancement MOSFET.
Klassifizierung von MOSFETs
Abhängig von der Art der bei der Konstruktion verwendeten Materialien und der Art des Betriebs werden die MOSFETs wie in der folgenden Abbildung klassifiziert.
Lassen Sie uns nach der Klassifizierung die Symbole des MOSFET durchgehen.
Das N-channel MOSFETs werden einfach als bezeichnet NMOS. Die Symbole für den N-Kanal-MOSFET sind wie folgt.
Das P-channel MOSFETs werden einfach als bezeichnet PMOS. Die Symbole für den P-Kanal-MOSFET sind wie folgt.
Lassen Sie uns nun die Konstruktionsdetails eines N-Kanal-MOSFET durchgehen. Normalerweise wird ein NC-Kanal-MOSFET zur Erklärung herangezogen, da dieser meistens verwendet wird. Es muss auch nicht erwähnt werden, dass die Untersuchung eines Typs auch den anderen erklärt.
Aufbau eines N-Kanal-MOSFET
Betrachten wir einen N-Kanal-MOSFET, um seine Funktionsweise zu verstehen. Es wird ein leicht dotiertes Substrat vom P-Typ aufgenommen, in das zwei stark dotierte Bereiche vom N-Typ diffundiert sind, die als Source und Drain wirken. Zwischen diesen beiden N + -Regionen tritt eine Diffusion auf, um einen N-Kanal zu bilden, der Drain und Source verbindet.
Eine dünne Schicht aus Silicon dioxide (SiO2)wird über die gesamte Oberfläche gewachsen und Löcher werden hergestellt, um ohmsche Kontakte für Drain- und Source-Anschlüsse zu zeichnen. Eine leitende Schicht ausaluminum wird über den gesamten Kanal darauf gelegt SiO2Schicht von Source zu Drain, die das Gate bildet. DasSiO2 substrate wird an die gemeinsamen oder Erdungsklemmen angeschlossen.
Aufgrund seiner Konstruktion hat der MOSFET eine sehr geringe Chipfläche als BJT, was im Vergleich zum Bipolartransistor 5% der Belegung entspricht. Dieses Gerät kann in Modi betrieben werden. Sie sind Verarmungs- und Verbesserungsmodi. Lassen Sie uns versuchen, auf die Details einzugehen.
Funktionieren des N-Kanal-MOSFET (Verarmungsmodus)
Im Moment haben wir die Idee, dass in diesem Fall im Gegensatz zu einem FET kein PN-Übergang zwischen Gate und Kanal vorhanden ist. Wir können auch beobachten, dass der diffuse Kanal N (zwischen zwei N + Regionen) derinsulating dielectric SiO2 und die Aluminiummetallschicht des Tors bilden zusammen a parallel plate capacitor.
Wenn das NMOS im Verarmungsmodus betrieben werden muss, sollte der Gate-Anschluss auf negativem Potential liegen, während Drain auf positivem Potential liegt, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.
Wenn zwischen Gate und Source keine Spannung angelegt wird, fließt aufgrund der Spannung zwischen Drain und Source etwas Strom. Lassen Sie eine negative Spannung an angelegt werdenVGG. Dann werden die Minderheitenträger, dh Löcher, angezogen und lassen sich in der Nähe niederSiO2Schicht. Aber die meisten Träger, dh Elektronen, werden abgestoßen.
Mit etwas negativem Potential bei VGG eine bestimmte Menge an Drainstrom IDfließt durch die Quelle zum Abfluss. Wenn dieses negative Potential weiter erhöht wird, werden die Elektronen erschöpft und der StromIDnimmt ab. Je negativer die angewandteVGGJe geringer der Wert des Drainstroms ist ID wird sein.
Der Kanal, der näher am Drain liegt, wird stärker erschöpft als an der Quelle (wie beim FET), und der Stromfluss nimmt aufgrund dieses Effekts ab. Daher wird es als Verarmungsmodus-MOSFET bezeichnet.
Funktionsweise des N-Kanal-MOSFET (Enhancement Mode)
Der gleiche MOSFET kann im Anreicherungsmodus betrieben werden, wenn wir die Polaritäten der Spannung ändern können VGG. Betrachten wir also den MOSFET mit Gate-Source-SpannungVGG positiv sein, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.
Wenn zwischen Gate und Source keine Spannung angelegt wird, fließt aufgrund der Spannung zwischen Drain und Source etwas Strom. Lassen Sie eine positive Spannung an angelegt werdenVGG. Dann werden die Minoritätsträger, dh Löcher, abgestoßen und die Majoritätsträger, dh Elektronen, werden in Richtung der angezogenSiO2 Schicht.
Mit etwas positivem Potenzial bei VGG eine bestimmte Menge an Drainstrom IDfließt durch die Quelle zum Abfluss. Wenn dieses positive Potential weiter erhöht wird, wird der StromID steigt aufgrund des Elektronenflusses von der Quelle an und diese werden aufgrund der angelegten Spannung weiter gedrückt VGG. Je positiver also die angewandteVGGJe höher der Wert des Drainstroms IDwird sein. Der Stromfluss wird aufgrund des Anstiegs des Elektronenflusses besser als im Verarmungsmodus verbessert. Daher wird dieser Modus als bezeichnetEnhanced Mode MOSFET.
P - Kanal MOSFET
Der Aufbau und die Funktionsweise eines PMOS ist der gleiche wie bei NMOS. Ein leicht dotiertern-substrate wird aufgenommen, in die zwei stark dotiert sind P+ regionssind diffus. Diese beiden P + -Regionen wirken als Source und Drain. Eine dünne Schicht ausSiO2wird über die Oberfläche gewachsen. Durch diese Schicht werden Löcher geschnitten, um Kontakte mit P + -Regionen herzustellen, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.
Arbeiten von PMOS
Wenn der Gate-Anschluss ein negatives Potential bei erhält VGG als die Drain-Source-Spannung VDDAufgrund der vorhandenen P + -Bereiche wird der Lochstrom durch den diffusen P-Kanal erhöht und das PMOS arbeitet ein Enhancement Mode.
Wenn der Gate-Anschluss ein positives Potential bei erhält VGG als die Drain-Source-Spannung VDDdann tritt aufgrund der Abstoßung die Verarmung auf, aufgrund derer sich der Stromfluss verringert. Somit funktioniert PMOS inDepletion Mode. Obwohl sich die Konstruktion unterscheidet, ist die Arbeitsweise bei beiden Arten von MOSFETs ähnlich. Daher können mit der Änderung der Spannungspolarität beide Typen in beiden Modi verwendet werden.
Dies kann besser verstanden werden, wenn man eine Vorstellung von der Abflusskennlinie hat.
Abflussmerkmale
Die Drain-Eigenschaften eines MOSFET werden zwischen den Drain-Strom gezogen ID und die Drain-Source-Spannung VDS. Die Kennlinie ist wie unten für verschiedene Werte von Eingaben gezeigt.
Eigentlich wann VDS erhöht wird, wird der Drainstrom ID sollte zunehmen, aber aufgrund der angewandten VGSwird der Drainstrom auf einem bestimmten Niveau geregelt. Daher steuert der Gate-Strom den Ausgangs-Drain-Strom.
Übertragungseigenschaften
Übertragungseigenschaften definieren die Wertänderung von VDS mit der Änderung in ID und VGSsowohl im Verarmungs- als auch im Verbesserungsmodus. Die folgende Übertragungskennlinie ist für den Drainstrom gegenüber der Gate-Source-Spannung gezeichnet.
Vergleich zwischen BJT, FET und MOSFET
Nachdem wir alle drei oben genannten Punkte besprochen haben, versuchen wir, einige ihrer Eigenschaften zu vergleichen.
| BEDINGUNGEN | BJT | FET | MOSFET |
|---|---|---|---|
| Gerätetyp | Stromgesteuert | Spannungsgesteuert | Spannungsgesteuert |
| Aktueller Durchfluss | Bipolar | Unipolar | Unipolar |
| Terminals | Nicht austauschbar | Austauschbar | Austauschbar |
| Betriebsarten | Keine Modi | Nur Erschöpfungsmodus | Sowohl Erweiterungs- als auch Verarmungsmodus |
| Eingangsimpedanz | Niedrig | Hoch | Sehr hoch |
| Ausgangswiderstand | Mäßig | Mäßig | Niedrig |
| Betriebsgeschwindigkeit | Niedrig | Mäßig | Hoch |
| Lärm | Hoch | Niedrig | Niedrig |
| Thermische Stabilität | Niedrig | Besser | Hoch |
Bisher haben wir verschiedene elektronische Komponenten und ihre Typen sowie deren Aufbau und Funktionsweise erörtert. Alle diese Komponenten haben verschiedene Anwendungen im Bereich der Elektronik. Praktische Kenntnisse darüber, wie diese Komponenten in praktischen Schaltkreisen verwendet werden, finden Sie im Tutorial ELEKTRONISCHE SCHALTUNGEN.