Điện tử cơ bản - MOSFET
FET có một vài nhược điểm như khả năng chống tiêu hao cao, trở kháng đầu vào vừa phải và hoạt động chậm hơn. Để khắc phục những nhược điểm này, MOSFET là một FET tiên tiến được phát minh.
MOSFET là viết tắt của Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor hoặc Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. Nó còn được gọi là IGFET có nghĩa là Transistor hiệu ứng trường cổng cách điện. FET được vận hành ở cả hai chế độ hoạt động cạn kiệt và nâng cao. Hình sau đây cho thấy một MOSFET thực tế trông như thế nào.
Xây dựng MOSFET
Cấu trúc của MOSFET hơi giống với FET. Một lớp oxit được lắng đọng trên chất nền mà thiết bị đầu cuối cổng được kết nối với. Lớp oxit này hoạt động như một chất cách điện (sio 2 cách điện với chất nền), và do đó MOSFET có tên khác là IGFET. Trong cấu tạo của MOSFET, chất nền pha tạp nhẹ, được khuếch tán với vùng pha tạp nhiều. Tùy thuộc vào chất nền được sử dụng, chúng được gọi làP-type và N-type MOSFET.
Hình sau đây mô tả cấu tạo của MOSFET.
Điện áp tại cổng kiểm soát hoạt động của MOSFET. Trong trường hợp này, cả điện áp dương và âm đều có thể được áp dụng trên cổng vì nó được cách điện với kênh. Với điện áp phân cực cổng âm, nó hoạt động nhưdepletion MOSFET trong khi với điện áp phân cực cổng dương nó hoạt động như một Enhancement MOSFET.
Phân loại MOSFET
Tùy thuộc vào loại vật liệu được sử dụng trong xây dựng và loại hoạt động, MOSFET được phân loại như trong hình sau.
Sau khi phân loại, chúng ta hãy xem qua các ký hiệu của MOSFET.
Các N-channel MOSFETs được gọi đơn giản là NMOS. Các ký hiệu cho MOSFET kênh N như được đưa ra bên dưới.
Các P-channel MOSFETs được gọi đơn giản là PMOS. Các ký hiệu cho MOSFET kênh P như dưới đây.
Bây giờ, chúng ta hãy xem qua các chi tiết cấu tạo của MOSFET kênh N. Thông thường MOSFET NChannel được xem xét để giải thích vì cái này hầu hết được sử dụng. Ngoài ra, không cần phải đề cập rằng nghiên cứu của một loại này cũng giải thích cho loại kia.
Xây dựng MOSFET kênh N
Chúng ta hãy xem xét một MOSFET kênh N để hiểu hoạt động của nó. Chất nền loại P pha tạp nhẹ được đưa vào trong đó hai vùng loại N pha tạp nặng được khuếch tán, hoạt động như nguồn và thoát nước. Giữa hai vùng N + này, xảy ra sự khuếch tán để tạo thành một kênh Nchannel, kết nối cống và nguồn.
Một lớp mỏng Silicon dioxide (SiO2)được trồng trên toàn bộ bề mặt và các lỗ được tạo ra để vẽ các tiếp điểm ohmic cho các đầu nối nguồn và đầu cuối. Một lớp dẫn củaaluminum được đặt trên toàn bộ kênh, dựa trên điều này SiO2lớp từ nguồn đến cống tạo thành cổng. CácSiO2 substrate được kết nối với các thiết bị đầu cuối chung hoặc nối đất.
Do cấu tạo của nó, MOSFET có diện tích chip rất ít hơn BJT, chiếm 5% diện tích khi so sánh với bóng bán dẫn đường giao nhau lưỡng cực. Thiết bị này có thể được vận hành ở các chế độ. Chúng là chế độ cạn kiệt và tăng cường. Hãy để chúng tôi cố gắng đi vào chi tiết.
Hoạt động của N - Kênh (chế độ cạn kiệt) MOSFET
Hiện tại, chúng tôi có ý tưởng rằng không có đường giao nhau PN giữa cổng và kênh trong điều này, không giống như FET. Chúng ta cũng có thể quan sát thấy rằng, kênh khuếch tán N (giữa hai vùng N +),insulating dielectric SiO2 và lớp kim loại nhôm của cổng cùng nhau tạo thành parallel plate capacitor.
Nếu NMOS phải làm việc ở chế độ cạn kiệt, thiết bị đầu cuối cổng phải ở điện thế âm trong khi cống ở điện thế dương, như thể hiện trong hình sau.
Khi không có điện áp được áp dụng giữa cổng và nguồn, một số dòng điện chạy qua do điện áp giữa cống và nguồn. Cho một số điện áp âm được áp dụng tạiVGG. Sau đó, các hạt tải điện thiểu số tức là các lỗ, bị thu hút và định cư gầnSiO2lớp. Nhưng phần lớn các hạt tải điện, tức là, các electron bị đẩy lùi.
Với một số tiềm năng tiêu cực ở VGG một lượng dòng chảy nhất định IDchảy qua nguồn để thoát nước. Khi điện thế âm này tăng lên nữa, các điện tử bị cạn kiệt và dòng điệnIDgiảm dần. Do đó, càng áp dụng càng tiêu cựcVGG, giá trị của dòng chảy càng nhỏ ID sẽ là.
Kênh gần thoát nước bị cạn kiệt hơn ở nguồn (như trong FET) và dòng hiện tại giảm do ảnh hưởng này. Do đó nó được gọi là MOSFET chế độ cạn kiệt.
Hoạt động của MOSFET kênh N (Chế độ nâng cao)
Cùng một MOSFET có thể hoạt động ở chế độ nâng cao, nếu chúng ta có thể thay đổi các cực của điện áp VGG. Vì vậy, chúng ta hãy xem xét MOSFET với điện áp nguồn cổngVGG là dương như trong hình sau.
Khi không có điện áp được áp dụng giữa cổng và nguồn, một số dòng điện chạy qua do điện áp giữa cống và nguồn. Cho một số điện áp dương được áp dụng tạiVGG. Sau đó, các hạt tải điện thiểu số tức là lỗ trống, bị đẩy lùi và hạt tải điện đa số tức là các electron bị hút về phíaSiO2 lớp.
Với một số tiềm năng tích cực tại VGG một lượng dòng chảy nhất định IDchảy qua nguồn để thoát nước. Khi tiềm năng tích cực này được tăng thêm, dòng điệnID tăng do dòng electron từ nguồn và chúng bị đẩy ra xa hơn do điện áp đặt tại VGG. Do đó, ứng dụng càng tích cựcVGG, giá trị của dòng chảy càng nhiều IDsẽ là. Dòng điện được tăng cường do sự gia tăng dòng electron tốt hơn so với ở chế độ cạn kiệt. Do đó, chế độ này được gọi làEnhanced Mode MOSFET.
P - MOSFET kênh
Việc xây dựng và hoạt động của PMOS cũng giống như NMOS. Pha tạp nhẹn-substrate được đưa vào đó hai P+ regionsđược khuếch tán. Hai vùng P + này hoạt động như nguồn và cống. Một lớp mỏngSiO2được trồng trên bề mặt. Các lỗ được cắt qua lớp này để tạo các điểm tiếp xúc với vùng P +, như thể hiện trong hình sau.
Hoạt động của PMOS
Khi thiết bị đầu cuối cổng được cung cấp một điện thế âm tại VGG hơn điện áp nguồn cống VDD, sau đó do các vùng P + hiện diện, dòng lỗ được tăng lên qua kênh P khuếch tán và PMOS hoạt động trong Enhancement Mode.
Khi thiết bị đầu cuối cổng được cung cấp một tiềm năng dương tại VGG hơn điện áp nguồn cống VDD, sau đó do lực đẩy, sự suy giảm xảy ra do đó dòng điện giảm. Do đó PMOS hoạt động trongDepletion Mode. Mặc dù cấu trúc khác nhau, nhưng hoạt động giống nhau ở cả hai loại MOSFET. Do đó, với sự thay đổi phân cực điện áp, cả hai loại đều có thể được sử dụng ở cả hai chế độ.
Điều này có thể được hiểu rõ hơn bằng cách có một ý tưởng về đường cong đặc tính cống.
Đặc điểm thoát nước
Các đặc tính xả của MOSFET được vẽ giữa dòng xả ID và điện áp nguồn cống VDS. Đường đặc tính như hình dưới đây cho các giá trị đầu vào khác nhau.
Trên thực tế khi VDS được tăng lên, dòng chảy ID nên tăng, nhưng do áp dụng VGS, dòng chảy được kiểm soát ở mức nhất định. Do đó dòng điện cổng kiểm soát dòng điện đầu ra.
Đặc điểm chuyển nhượng
Đặc điểm chuyển giao xác định sự thay đổi giá trị của VDS với sự thay đổi trong ID và VGSở cả chế độ cạn kiệt và tăng cường. Đường cong đặc tính truyền dưới đây được vẽ cho dòng xả so với cổng vào điện áp nguồn.
So sánh giữa BJT, FET và MOSFET
Bây giờ chúng ta đã thảo luận về tất cả ba điều trên, chúng ta hãy thử so sánh một số thuộc tính của chúng.
| ĐIỀU KIỆN | BJT | FET | MOSFET |
|---|---|---|---|
| Loại thiết bị | Kiểm soát hiện tại | Kiểm soát điện áp | Kiểm soát điện áp |
| Dòng chảy hiện tại | Lưỡng cực | Đơn cực | Đơn cực |
| Thiết bị đầu cuối | Không thể hoán đổi cho nhau | Có thể hoán đổi cho nhau | Có thể hoán đổi cho nhau |
| Chế độ hoạt động | Không có chế độ | Chỉ chế độ cạn kiệt | Cả hai chế độ nâng cao và cạn kiệt |
| Trở kháng đầu vào | Thấp | Cao | Rất cao |
| Điện trở đầu ra | Vừa phải | Vừa phải | Thấp |
| Tốc độ hoạt động | Thấp | Vừa phải | Cao |
| Tiếng ồn | Cao | Thấp | Thấp |
| Ổn định nhiệt | Thấp | Tốt hơn | Cao |
Cho đến nay, chúng ta đã thảo luận về các thành phần điện tử khác nhau và các loại của chúng cùng với cấu tạo và hoạt động của chúng. Tất cả các thành phần này đều có công dụng khác nhau trong lĩnh vực điện tử. Để có kiến thức thực tế về cách sử dụng các linh kiện này trong mạch điện thực tế, mời các bạn tham khảo bài hướng dẫn MẠCH ĐIỆN TỬ.