MOSFETs - Enhancement-Type, Depletion-Type

To hovedtyper av FETs som for tiden eksisterer er: JFET og MOSFET.

MOSFET kan klassifiseres videre i utarmningstype og forbedringstype. Begge disse typene definerer den grunnleggende driftsmåten til MOSFET, mens begrepet MOSFET i seg selv er en forkortelse av metall-oksid-halvleder-felt-effekt-transistor.

På grunn av det faktum at de to typene har forskjellige arbeidsegenskaper, vil vi evaluere hver av dem separat i forskjellige artikler.

Forskjellen mellom Enhancement og Depletion MOSFET

I utgangspunktet, i motsetning til forbedrings-MOSFET-er, er uttømming-MOSFET-er i en på-tilstand selv i nærvær av 0 V over gate-til-kildeterminalene (VGS).

For en forbedring av MOSFET må gate-til-kildespenningen (VGS) være over dens gate-til-kilde terskelspenning (VGS (th)) for å få det til å gjennomføre .

For en N-kanal uttømming MOSFET er imidlertid VGS (th) -verdien over 0 V. Dette betyr at selv om VGS = 0 V, er en uttømming MOSFET i stand til å lede strøm. For å slå den av, må VGS for en uttømming MOSFET reduseres under VGS (th) (negativ).

I denne artikkelen vil vi diskutere uttømmingstypen MOSFET, som sies å ha egenskaper som samsvarer med en JFET. Likheten er mellom avskjæring og metning nær jeg_DSS.

Grunnleggende konstruksjon

Figur 5.23 viser den grunnleggende interne strukturen til en MOSFET av uttømmingstypen av n-kanal.

Vi kan finne en blokk av p-type materiale laget med en silisiumbase. Denne blokken kalles substrat.

Underlaget er basen eller fundamentet som en MOSFET er konstruert over. For noen MOSFET-er er den internt koblet til kildeterminalen. Mange enheter tilbyr også en ekstra utgang i form av SS, med en 4-terminal MOSFET, som avslørt i figur 5.23.

Avløpet og kildeterminalene er koblet gjennom ledende kontakter til n-dopede steder, og festet gjennom en n-kanal, som angitt i samme figur.

Porten er også koblet til et metallag, selv om det er isolert fra n-kanalen gjennom et fint lag med silisiumdioksid (SiO_to).

SiO_tohar en unik form for isolasjonsegenskap kalt dielektrikum som skaper et motstridende elektrisk felt i seg selv som svar på et eksternt påført elektrisk felt.

Å være et isolerende lag, materialet SiO_togir oss følgende viktige informasjon:

Det utvikles en fullstendig isolasjon mellom portterminalen og mosfetkanalen med dette materialet.

Videre er det på grunn av SiO_toporten til mosfet er i stand til å ha en ekstremt høy grad av inngangsimpedans.

På grunn av denne viktige høye inngangsimpedansegenskapen, er portstrømmen I_Ger nesten null ampere for enhver DC-forspent MOSFET-konfigurasjon.

Grunnleggende drift og egenskaper

SOM kan sees i figur 5.24, er porten til kildespenningen konfigurert til null volt ved å koble de to terminalene sammen, mens en spenning V_DSpåføres over avløps- og kildeterminalene.

Med ovennevnte innstilling etablerer avløpssiden et positivt potensial av n-kanalfrie elektroner, sammen med en ekvivalent strøm gjennom JFET-kanalen. Også den resulterende nåværende V_GS= 0V blir fortsatt identifisert som jeg_DSS, som gitt i figur 5.25

Vi kan se at portkildespenningen V i figur 5.26_GSer gitt et negativt potensial i form av -1V.

Dette negative potensialet prøver å tvinge elektroner mot p-kanalsubstratet (siden ladninger frastøter), og trekke hull fra p-kanalsubstratet (siden motsatte ladninger tiltrekker seg).

Avhengig av hvor stor denne negative forspenningen V_GSer en rekombinasjon av hull og elektroner som resulterer i reduksjon av frie elektroner i n-kanalen som er tilgjengelig for ledning. Høyere nivåer av negativ forspenning resulterer i høyere rekombinasjonshastighet.

Avløpsstrømmen reduseres følgelig ettersom den ovennevnte negative forspenningstilstanden økes, noe som er bevist i figur 5.25 for V_GSnivåer av V_GS= -1, -2 og så videre, til klemmemerket på -6V.

Avløpsstrømmen som et resultat sammen med overføringskurveplottet fortsetter akkurat som for en JFET.

Nå, for den positive V_GSverdier, vil portens positive tiltrekke seg overflødige elektroner (frie bærere) fra p-type substrat på grunn av omvendt lekkasjestrøm. Dette vil etablere friske bærere ved resulterende kollisjoner over akselerasjonspartiklene.

Ettersom port-til-kildespenningen har en tendens til å stige med den positive hastigheten, viser avløpsstrømmen en rask økning, som påvist i figur 5.25 av samme grunner som diskutert ovenfor.

Gapet utviklet seg mellom kurvene til V_GS= 0V og V._GS= +1 viser tydelig hvor mye strømmen økte på grunn av 1 - V variasjonen av V_GS

På grunn av den raske økningen i avløpsstrømmen, må vi være forsiktige med den maksimale strømverdien, ellers kan den krysse grensen for positiv grind.

For eksempel, for enhetstypen avbildet i figur 5.25, påføring av en V_GS= + 4V vil føre til at avløpsstrømmen øker med 22,2 mA, noe som kan krysse enhetens maksimale nedbrytningsgrense (strøm).

Ovennevnte tilstand viser at bruken av en positiv gate-til-kildespenning genererer en forbedret effekt på mengden av gratis bærere i kanalen, i motsetning til når V_GS= 0V.

Dette er grunnen til at den positive portens spenningsregion på avløps- eller overføringsegenskapene generelt er kjent som forbedringsregion . Denne regionen ligger mellom cut-off og metningsnivået til I_DSSeller utarmningsområdet.

Løse et eksempel på et problem

Fordeler og applikasjoner

I motsetning til MOSFET-er i forbedringsmodus, hvor vi finner at avløpsstrømmen faller til null som svar på en null gate-til-kildespenning, har den moderne uttømmingsmodus FET merkbar strøm med null gate-spenning. For å være presis, er avløps-til-kildemotstanden vanligvis 100 ohm i null spenning.

Som angitt i grafen ovenfor, ON-motstand rds_(på)versus analogt signalområde ser ut som en praktisk talt flat respons. Denne egenskapen, sammen med de lave kapasitansnivåene til denne avanserte enheten for uttømmingstypen, gjør at de kan være spesielt ideelle som analoge brytere for lyd- og videobytteapplikasjoner.

Uttømmingsmodus MOSFETs 'normalt på' attributt gjør at enheten kan være perfekt egnet for enkelt FET-strømregulatorer.

En slik eksempelkrets kan sees i følgende figur.

Rs-verdien kan bestemmes ved hjelp av formelen:

R_s= VGS_av[1 - (I_D/JEG_DSS)^1/2] / JEG_D

hvor Jeg_D er mengden regulert strøm som kreves ved utgangen.

Den største fordelen med uttømmingsmodus MOSFET i strømkildeapplikasjon er deres minimale avløpskapasitet, som gjør dem passende for forspenning av applikasjoner i kretsløp med lav inngangslekkasje, mellomhastighet (> 50 V / us).

Figuren nedenfor viser en differensial frontend med lav inngangslekkasje med en dobbel FET-funksjon.

Generelt sett vil hver side av JFET være forspent ved ID = 500 uA. Derfor blir strømmen som kan oppnås for ladingskompensasjon og avvikende kapasitanser begrenset til 2ID eller, i tilfeller som dette, 1,0 mA. JFETs tilsvarende funksjoner er produksjonsbevist og sikret på databladet.

Cs symboliserer utgangskapasitansen til inngangstrinnets 'hale' strømkilde. Denne kapasitansen er avgjørende i ikke-inverterende forsterkere, på grunn av det faktum at inngangstrinnet opplever betydelige signalutvekslinger i hele dette nettverket, og ladestrømmen i Cs kan være stor. Hvis normale strømkilder benyttes, kan denne halekapasitansen være ansvarlig for merkbar svekkelseforringelse i ikke-inverterende kretser (sammenlignet med inverterende applikasjoner, der ladestrømmen i Cs har en tendens til å være minimal).

Fallet i slew-rate kan uttrykkes som:

1 / 1+ (Cs / Sc)

Så lenge Cs er lavere enn Cc (kompensasjonskondensatoren), kan det knapt være noen variasjon i svinghastigheten. Arbeider med DMOS FET, kan Cs være rundt 2 pF. Denne strategien gir en enorm forbedring i slew-rate. Der det er behov for strømunderskudd som er høyere enn 1 til 5 mA, kan enheten være forspent i forbedringsmodus for å generere så mye som 20 mA for en maksimal VGS på +2,5 V, med minimal utgangskapasitans som fortsatt er et sentralt aspekt.

Den neste applikasjonen nedenfor viser en riktig strømkrets for forbedringsmodus.

En 'normalt-på' analog bryter kan bygges for krav der standardtilstand blir nødvendig under en forsyningsspenningsfeil, for eksempel i automatisk rekkevidde av testverktøy eller for å sikre nøyaktig oppstart av logiske kretser ved slå PÅ.

Enhetens reduserte negative terskelspenning gir grunnleggende stasjonsforutsetninger og tillater arbeid med minimal spenning.

Kretsen nedenfor viser de vanlige forspenningsfaktorene for en hvilken som helst utarmingsmodus DMOS analog bryter.

For å få enheten til å slå seg av, blir det nødvendig med en negativ spenning på porten. Når det er sagt, kan motstanden minimeres når FET i tillegg forbedres ved hjelp av en positiv grindspenning, noe som muliggjør det spesifikt i forbedringsmodusregionen sammen med uttømmingsmodusområdet.

Dette svaret kan sees i i følgende graf.

Enhetens høyfrekvente forsterkning, sammen med dens lave kapasitansverdier, gir en økt 'fortjenestetall'. Det er virkelig et viktig element i VHF- og UHF-forsterkning, som spesifiserer forsterkningsbåndbreddeproduktet (GBW) av FET, som kan vises som:

GBW = gfs / 2 Pi (C_i+ C_ute)

p-Channel uttømningstype MOSFET

Konstruksjonen av en MOSFET av typen utarmning av p-kanal er en perfekt reversering av en n-kanalversjon vist i figur 5.23. Betydning, substratet har nå form av en n-type og kanalen blir en p-type, som det kan sees i figur 5.28a nedenfor.

Terminalidentifikasjonen forblir uendret, men spenningen og strømpolaritetene blir reversert, som angitt i samme figur. Avløpskarakteristikkene ville være nøyaktig som vist i figur 5.25, unntatt V_DStegn som i dette tilfellet vil få en negativ verdi.

Avløpsstrømmen I_Dviser en positiv polaritet også i dette tilfellet, det er fordi vi allerede har snudd retningen. V_GSviser en motsatt polaritet, noe som er forståelig, som angitt i figur 5.28c.

Fordi V_GSreverseres produserer et speilbilde for overføringsegenskapene som indikert i figur 5,28b.

Betydning, avløpsstrømmen øker i den positive V_GSregion fra skjæringspunktet ved V_GS= Vp til jeg_DSS, så fortsetter den å stige som den negative verdien av V_GSreiser seg.

Symboler

De grafiske tegnene for en MOSFET av uttømmingstypen n- og p-kanalen kan sees i figur 5.29 ovenfor.

Observer hvordan de valgte symbolene tar sikte på å representere enhetens sanne struktur.

Fraværet av en direkte sammenkobling (på grunn av portisolasjonen) mellom porten og kanalen symboliseres av et gap mellom porten og de forskjellige terminalene på symbolet.

Den vertikale linjen som representerer kanalen er festet mellom avløpet og kilden og 'holdes' av underlaget.

To grupper av symboler er innredet i figuren ovenfor for hver type kanaler for å markere det faktum at underlaget kan være tilgjengelig eksternt, mens det i andre ikke kan sees.

MOSFET (Enhancement-Type)

Selv om uttømmingstype og MOSFET-forbedringstype ser like ut med sine interne strukturer og funksjonelle modus, kan deres egenskaper være ganske forskjellige.

Hovedforskjellen er avløpsstrømmen som avhenger av et spesifikt nivå av gate-til-kildespenning for avskjæringshandlingen.

Nettopp en MOSFET av typen n-kanalforbedring kan fungere med en positiv gate / kildespenning, i stedet for en rekke negative potensialer som normalt kan påvirke en uttømmingstype MOSFET.

Grunnleggende konstruksjon

Du kan visualisere MOSFET av n-kanalforbedringstypen i det følgende
Fig. 5.31.

En p-type materialdel blir opprettet gjennom en silisiumbase, og som lært før den blir betegnet som substratet.

Dette substratet er ved noen anledninger festet internt med kildepinnen i en uttømmingstype MOSFET, mens det i noen tilfeller blir avsluttet som en fjerde ledning for å muliggjøre en ekstern kontroll av potensialnivået.

Kilde- og avløpsterminalene er som vanlig koblet sammen ved bruk av metalliske kontakter til n-dopede områder.

Det kan imidlertid være viktig å visualisere at kanalen mellom de to n-dopede områdene mangler i figur 5.31.

Dette kan betraktes som den grunnleggende ulikheten mellom en utarmningstype og en forbedringstype MOSFETs interne layout, det vil si fravær av en iboende kanal som antas å være en del av enheten.

SiO2-laget kan sees fortsatt utbredt, noe som sikrer en isolasjon mellom den metalliske basen til portterminalen og regionen mellom avløpet og kilden. Her kan det imidlertid være vitne til å stå atskilt fra p-type materialavsnitt.

Fra diskusjonen ovenfor kan vi konkludere med at en uttømming og forbedring av MOSFETs interne layout kan ha noen likheter, bortsett fra den manglende kanalen mellom avløp / kilde for en forbedringstype MOSFET.

Grunnleggende drift og egenskaper

For en forbedringstype MOSFET når en 0 V blir introdusert ved VGS, forårsaker den manglende n-kanalen (som er kjent for å ha mange gratis bærere) at strømutgangen er null, noe som er helt ulikt en utarmningstype av MOSFET, med ID = IDSS.

I en slik situasjon på grunn av en manglende bane over avløp / kileterminaler, er store mengder bærere i form av elektroner ikke i stand til å akkumulere ved avløp / kilde (på grunn av de n-dopede områdene).

Ved å bruke noe positivt potensial på VDS, med VGS satt til null volt og SS-terminalen kortsluttet med kildeterminalen, finner vi faktisk et par omvendte forspente pn-kryss mellom de n-dopede områdene og p-substratet for å muliggjøre enhver bemerkelsesverdig ledning over tøm til kilden.

I figur 5.32 viser en tilstand der VDS og VGS påføres med noe positiv spenning høyere enn 0 V, slik at avløpet og porten kan ha et positivt potensial i forhold til kilden.

Det positive potensialet ved porten skyver hullene i p-substratet langs kanten av SiO2-laget som forlater stedet og går dypere inn i regionene til p-substratet, som vist i figuren ovenfor. Dette skjer på grunn av lignende kostnader som frastøter hverandre.

Dette resulterer i at en utarmingsregion blir opprettet nær SiO2-isolasjonslaget som er tom for hull.

Til tross for dette trekkes p-substratelektronene som er minoritetsbærerne av materialet mot den positive porten og begynner å samles i regionen nær overflaten av SiO2-laget.

På grunn av isolasjonsegenskapene til SiO2-laget, tillater negative bærere at de negative bærerne blir absorbert ved portterminalen.

Når vi øker nivået av VGS, øker også elektrontettheten nær SiO2-overflaten, til endelig den induserte regionen av n-typen er i stand til å tillate en kvantifiserbar ledning over avløp / kilde.

VGS-størrelsen som forårsaker en optimal økning i avløpsstrømmen blir betegnet som terskelspenningen, betegnet med symbolet VT . I datablad vil du kunne se dette som VGS (Th).

Som lært ovenfor, på grunn av fravær av en kanal ved VGS = 0, og 'forbedret' med den positive spenningsapplikasjonen gate-til-kilde, er denne typen MOSFET kjent som forbedrings-type MOSFETs.

Du vil oppdage at både uttømmings- og forbedrings-type MOSFETs viser forbedrings-regioner, men begrepet Forbedring brukes til sistnevnte fordi den spesifikt fungerer ved hjelp av en forbedringsmodus for drift.

Nå, når VGS skyves over terskelverdien, vil konsentrasjonen av de gratis transportørene øke i kanalen der den er indusert. Dette fører til at avløpsstrømmen øker.

På den annen side, hvis vi holder VGS konstant og øker VDS-nivået (avløp til kildespenning), vil dette til slutt føre til at MOSFET når sitt metningspunkt, som normalt også vil skje med hvilken som helst JFET eller en uttømming MOSFET.

Som vist i figur 5.33 blir avløpsstrøm-IDen jevnet ut ved hjelp av en avklemningsprosess, indikert av den smalere kanalen mot avløpsenden av den induserte kanalen.

Ved å anvende Kirchhoffs spenningslov på MOSFETs terminalspenninger i figur 5.33 får vi:

Hvis VGS holdes konstant til en bestemt verdi, for eksempel 8 V, og VDS heves fra 2 til 5 V, blir spenningen VDG med Eq. 5.11 kan sees fra -6 til -3 V, og portpotensialet blir mindre og mindre positivt med tanke på avløpsspenningen.

Dette svaret forbyr de frie bærerne eller elektronene å trekke seg mot dette området av den induserte kanalen, noe som igjen resulterer i et fall i den effektive bredden på kanalen.

Til syvende og sist reduseres kanalbredden til klemmepunktet, og når en metningstilstand som ligner på det vi allerede har lært i vår tidligere uttømming av MOSFET-artikkelen.

Betydning, å øke VDS ytterligere med en fast VGS påvirker ikke metningsnivået til ID, før det punktet hvor en sammenbruddssituasjon er nådd.

Ser vi på figur 5.34 kan vi identifisere at for en MOSFET som i figur 5.33 med VGS = 8 V, finner metning sted på et VDS-nivå på 6 V. For å være nøyaktig er VDS-metningsnivået assosiert med det anvendte VGS-nivået ved å:

Utvilsomt innebærer det således at når VT-verdien er fast, vil økning av VGS-nivået forholdsmessig føre til høyere nivåer av metning for VDS gjennom stedet for metningsnivåer.

Med henvisning til karakteristikkene vist i figuren ovenfor er VT-nivået 2 V, noe som fremgår av det faktum at avløpsstrømmen har falt til 0 mA.

Derfor kan vi vanligvis si:

Når VGS-verdier er mindre enn terskelenivået for forbedringstype MOSFET, er avløpsstrømmen 0 mA.

Vi kan også tydelig se i figuren ovenfor at så lenge VGS heves høyere fra VT til 8 V, øker det tilsvarende metningsnivået for ID også fra 0 til 10 mA-nivå.

Videre kan vi videre legge merke til at rommet mellom VGS-nivåene øker med en økning i verdien av VGS, noe som forårsaker uendelig økende trinn i avløpsstrømmen.

Vi finner at avløpsstrømverdien er relatert til gate-til-kildespenningen for VGS-nivåer som er større enn VT, gjennom følgende ikke-lineære forhold:

Begrepet som vises i kvadratparentes er begrepet som er ansvarlig for det ikke-lineære forholdet mellom ID og VGS.

Begrepet k er en konstant og er en funksjon av MOSFET-oppsettet.

Vi kan finne ut verdien av denne konstanten k gjennom følgende ligning:

der ID (på) og VGD (på) hver er verdier, spesielt avhengig av enhetens karakteristikk.

I neste figur 5.35 nedenfor finner vi at avløps- og overføringsegenskapene er anordnet hverandre for å avklare overføringsprosessen over hverandre.

I utgangspunktet ligner den prosessen som ble forklart tidligere for JFET og MOSFETer av typen utarmning.

For dette tilfellet må vi imidlertid huske at avløpsstrømmen er 0 mA for VGS VT.

Her kan ID se en merkbar mengde strøm, som vil øke som bestemt av ligning. 5.13.

Merk, mens vi definerer punktene over overføringsegenskapene fra avløpskarakteristikkene, tar vi bare hensyn til metningsnivåene. Dette begrenser driftsområdet til VDS-verdier som er høyere enn metningsnivåene som fastslått av ligning. (5.12).

p-Channel Enhancement-Type MOSFETs

Strukturen til en p-kanalforbedringstype MOSFET som vist i figur 5.37a er akkurat det motsatte av den som vises i figur 5.31.

Betydning, nå finner du ut at et n-type substrat og p-dopede områder under avløps- og kildeleddene.

Terminalene fortsetter å være som etablert, men hver av strømretningene og spenningspolaritetene er omvendt.

Avløpskarakteristikkene kan se ut som gitt i figur 5.37c, med økende mengder strøm forårsaket av en kontinuerlig mer negativ størrelse på VGS.

Overføringsegenskapene vil være speilinntrykket (rundt ID-aksen) til overføringskurven i figur 5.35, idet ID øker med flere og flere negative verdier av VGS over VT, som vist i figur 5.37b. Ligninger (5.11) til (5.14) er like passende som p-kanalinnretninger.

Referanser:

• 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