Базовая электроника - MOSFET
У полевых транзисторов есть несколько недостатков, таких как высокое сопротивление стока, средний входной импеданс и более медленная работа. Чтобы преодолеть эти недостатки, был изобретен полевой МОП-транзистор, который является усовершенствованным полевым транзистором.
MOSFET расшифровывается как Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor или Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. Это также называется IGFET, что означает полевой транзистор с изолированным затвором. FET работает как в режиме истощения, так и в режиме повышения. На следующем рисунке показано, как выглядит практичный MOSFET.
Конструкция полевого МОП-транзистора
Конструкция полевого МОП-транзистора немного похожа на полевой. На подложку, к которой подсоединен вывод затвора, нанесен оксидный слой. Этот оксидный слой действует как изолятор (sio 2 изолирует от подложки), поэтому полевой МОП-транзистор имеет другое название - IGFET. В конструкции MOSFET слаболегированная подложка рассеивается с сильно легированной областью. В зависимости от используемого субстрата они называютсяP-type и N-type МОП-транзисторы.
На следующем рисунке показана конструкция полевого МОП-транзистора.
Напряжение на затворе управляет работой полевого МОП-транзистора. В этом случае на затвор может подаваться как положительное, так и отрицательное напряжение, поскольку он изолирован от канала. При отрицательном напряжении смещения затвора он действует какdepletion MOSFET в то время как при положительном напряжении смещения затвора он действует как Enhancement MOSFET.
Классификация полевых МОП-транзисторов
В зависимости от типа материалов, используемых в конструкции, и типа операции полевые МОП-транзисторы классифицируются, как показано на следующем рисунке.
После классификации пройдемся по символам MOSFET.
В N-channel MOSFETs просто называются как NMOS. Обозначения для N-канального MOSFET приведены ниже.
В P-channel MOSFETs просто называются как PMOS. Символы для P-канального MOSFET приведены ниже.
Теперь давайте рассмотрим конструктивные детали N-канального MOSFET. Обычно для объяснения используется NChannel MOSFET, так как он в основном используется. Также нет нужды упоминать, что изучение одного типа объясняет и другой.
Конструкция N-канального MOSFET
Давайте рассмотрим N-канальный MOSFET, чтобы понять, как он работает. Берется слаболегированная подложка P-типа, в которой рассеиваются две сильно легированные области N-типа, которые действуют как исток и сток. Между этими двумя областями N + происходит диффузия с образованием канала N, соединяющего сток и исток.
Тонкий слой Silicon dioxide (SiO2)нарастает по всей поверхности и сделаны отверстия для протягивания омических контактов для выводов стока и истока. Проводящий слойaluminum проложен по всему каналу, при этом SiO2слой от истока до стока, который составляет затвор. ВSiO2 substrate подключается к общим клеммам или клеммам заземления.
Из-за своей конструкции MOSFET имеет очень меньшую площадь кристалла, чем BJT, что составляет 5% занятости по сравнению с биполярным переходным транзистором. Это устройство может работать в режимах. Это режимы истощения и улучшения. Попробуем разобраться в деталях.
Работа N - канала (режим истощения) MOSFET
На данный момент у нас есть идея, что здесь нет PN-перехода между затвором и каналом, в отличие от полевого транзистора. Мы также можем заметить, что диффузный канал N (между двумя областями N +),insulating dielectric SiO2 и алюминиевый металлический слой затвора вместе образуют parallel plate capacitor.
Если NMOS должен работать в режиме истощения, клемма затвора должна иметь отрицательный потенциал, а сток - положительный потенциал, как показано на следующем рисунке.
Когда между затвором и истоком нет напряжения, некоторый ток течет из-за напряжения между стоком и истоком. Пусть какое-то отрицательное напряжение приложено кVGG. Тогда неосновные носители, то есть дыры, притягиваются и оседают околоSiO2слой. Но большинство носителей, т.е. электроны, отталкиваются.
С некоторым количеством отрицательного потенциала при VGG определенное количество тока стока IDтечет через исток в канализацию. Когда этот отрицательный потенциал еще больше увеличивается, электроны истощаются, и токIDуменьшается. Следовательно, тем отрицательнее применяетсяVGG, тем меньше ток стока ID будет.
Канал, расположенный ближе к стоку, истощается больше, чем у истока (как в полевом транзисторе), и ток уменьшается из-за этого эффекта. Следовательно, он называется MOSFET в режиме истощения.
Работа N-канального MOSFET (режим улучшения)
Тот же полевой МОП-транзистор может работать в режиме улучшения, если мы можем изменить полярность напряжения. VGG. Итак, рассмотрим полевой МОП-транзистор с напряжением затвор-истокVGG положительный, как показано на следующем рисунке.
Когда между затвором и истоком нет напряжения, некоторый ток течет из-за напряжения между стоком и истоком. Пусть приложено некоторое положительное напряжение наVGG. Тогда неосновные носители, то есть дырки, отталкиваются, а основные носители, то есть электроны, притягиваются кSiO2 слой.
С некоторым количеством положительного потенциала при VGG определенное количество тока стока IDтечет через исток в канализацию. Когда этот положительный потенциал еще больше увеличивается, токID увеличивается из-за потока электронов от источника, и они продвигаются дальше из-за напряжения, приложенного на VGG. Следовательно, чем положительнее применяемыеVGG, чем больше значение тока стока IDбудет. Ток увеличивается за счет увеличения потока электронов лучше, чем в режиме истощения. Следовательно, этот режим называетсяEnhanced Mode MOSFET.
P - канал MOSFET
Конструкция и работа PMOS такие же, как и у NMOS. Слегка допированныйn-substrate учтены два сильно легированных P+ regionsраспространены. Эти две области P + действуют как исток и сток. Тонкий слойSiO2растет по поверхности. В этом слое прорезаются отверстия для контакта с областями P +, как показано на следующем рисунке.
Работа PMOS
Когда на клемму затвора подается отрицательный потенциал на VGG чем напряжение стока истока VDD, то из-за присутствия областей P + ток дырки увеличивается через диффузный канал P, и PMOS работает в Enhancement Mode.
Когда клемме затвора дается положительный потенциал на VGG чем напряжение стока истока VDD, то из-за отталкивания происходит истощение, из-за которого ток уменьшается. Таким образом, PMOS работает вDepletion Mode. Хотя конструкция отличается, работа обоих типов полевых МОП-транзисторов одинакова. 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 полевого МОП-транзистора находятся между током стока ID и напряжение стока истока VDS. Характеристическая кривая показана ниже для различных значений входов.
Собственно, когда VDS увеличивается, ток стока ID должен увеличиваться, но из-за нанесенного VGSток стока регулируется на определенном уровне. Следовательно, ток затвора контролирует выходной ток стока.
Передаточные характеристики
Передаточные характеристики определяют изменение стоимости VDS с изменением в ID и VGSкак в режиме истощения, так и в режиме улучшения. Приведенная ниже кривая передаточной характеристики построена для тока стока в зависимости от напряжения затвор-исток.
Сравнение BJT, FET и MOSFET
Теперь, когда мы обсудили все три вышеупомянутых, давайте попробуем сравнить некоторые из их свойств.
| СРОКИ | BJT | FET | МОП-транзистор |
|---|---|---|---|
| Тип устройства | Текущий контролируемый | Контроль напряжения | Контролируемое напряжение |
| Текущий поток | Биполярный | Униполярный | Униполярный |
| Терминалы | Не взаимозаменяемы | Взаимозаменяемый | Взаимозаменяемый |
| Режимы работы | Нет режимов | Только режим истощения | Режимы улучшения и истощения |
| Входное сопротивление | Низкий | Высоко | Очень высоко |
| Выходное сопротивление | Умеренный | Умеренный | Низкий |
| Скорость работы | 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 находят различное применение в области электроники. Чтобы получить практические знания о том, как эти компоненты используются в практических схемах, обратитесь к руководству по ЭЛЕКТРОННЫМ СХЕМАМ.