Două tipuri principale de FET-uri care există în prezent sunt: JFET-uri și MOSFET-uri.
MOSFET-urile pot fi clasificate în continuare în tipul de epuizare și tip de accesoriu. Ambele tipuri definesc modul fundamental de funcționare a MOSFET-urilor, în timp ce termenul MOSFET în sine este abrevierea tranzistorului cu efect de câmp metal-oxid-semiconductor.
Datorită faptului că cele două tipuri au caracteristici de lucru diferite, vom evalua fiecare dintre ele separat în articole diferite.
Diferența dintre MOSFET de îmbunătățire și epuizare
Practic, spre deosebire de MOSFET-urile de îmbunătățire, MOSFET-urile de epuizare se află într-o stare de pornire chiar și în prezența unui 0 V peste terminalele gate-to-source (VGS).
Pentru un MOSFET de îmbunătățire, tensiunea de la poartă la sursă (VGS) trebuie să fie deasupra tensiunii sale de prag de la poartă la sursă (VGS (th)) pentru a-l face să conducă .
Cu toate acestea, pentru un MOSFET de epuizare a canalului N, valoarea sa VGS (th) este peste 0 V. Aceasta înseamnă că, chiar dacă VGS = 0 V, un MOSFET de epuizare este capabil să conducă curent. Pentru a-l opri, VGS-ul unui MOSFET de epuizare trebuie redus sub VGS (th) (negativ).
În prezentul articol vom discuta despre tipul de epuizare MOSFET, despre care se spune că au caracteristici care se potrivesc cu cele ale unui JFET. Asemănarea este între limită și saturație lângă IDSS.
Construcție de bază
Fig.5.23 prezintă structura internă de bază a unui MOSFET de tip epuizare cu canal n.
Putem găsi un bloc de material de tip p creat folosind o bază de siliciu. Acest bloc se numește substrat.
Substratul este baza sau fundația pe care este construit un MOSFET. Pentru unele MOSFET-uri este conectat intern cu terminalul „sursă”. De asemenea, multe dispozitive oferă o ieșire suplimentară sub formă de SS, cu un MOSFET cu 4 terminale, așa cum se arată în figura 5.23
Terminalele de scurgere și sursă sunt conectate prin contacte conductive la locații n-dopate și atașate printr-un canal n, așa cum se indică în aceeași figură.
Poarta este, de asemenea, conectată la un strat metalic, deși este izolată de canalul n printr-un strat fin de dioxid de siliciu (SiODouă).
SiODouăposedă o formă unică de proprietate de izolație numită dielectric care creează un câmp electric opus în sine ca răspuns la un câmp electric aplicat extern.
Fiind un strat izolator, materialul SiODouăne oferă următoarele informații importante:
O izolare completă este dezvoltată între terminalul porții și canalul mosfet cu acest material.
Mai mult, se datorează SiODouă, poarta mosfetului este capabilă să prezinte un grad extrem de mare de impedanță de intrare.
Datorită acestei proprietăți vitale de mare impedanță de intrare, curentul de poartă IGeste practic zero amperi pentru orice configurație MOSFET cu tendință de curent continuu.
Funcționare și caracteristici de bază
AS poate fi văzut în Fig.5.24, poarta la tensiunea sursei a fost configurată la zero volți prin conectarea celor două terminale împreună, în timp ce o tensiune VDSse aplică peste terminalele de evacuare și sursă.
Cu setarea de mai sus, partea de scurgere stabilește un potențial pozitiv de către electronii liberi cu canal n, împreună cu un curent echivalent prin canalul JFET. De asemenea, curentul rezultat VGS= 0V este încă identificat ca euDSS, așa cum este dat în Fig. 5.25
Putem vedea că în Fig.5.26 tensiunea sursei de poartă VGSi se dă un potențial negativ sub formă de -1V.
Acest potențial negativ încearcă să forțeze electronii către substratul canalului p (deoarece sarcinile se resping) și să tragă găuri din substratul canalului p (deoarece sarcinile opuse atrag).
În funcție de cât de mare este această tendință negativă VGSadică are loc o recombinare a găurilor și a electronilor care are ca rezultat reducerea electronilor liberi în canalul n disponibil pentru conducere. Niveluri mai ridicate de prejudecată negativă duc la o rată mai mare de recombinare.
În consecință, curentul de scurgere este redus pe măsură ce starea de polarizare negativă de mai sus este crescută, ceea ce este dovedit în Fig.5.25 pentru VGSniveluri de VGS= -1, -2 și așa mai departe, până la semnul de prindere de -6V.
Curentul de scurgere ca rezultat, împreună cu graficul curbei de transfer, decurge la fel ca cel al lui a JFET.
Acum, pentru V pozitivGSvalorile, poarta pozitivă va atrage excesul de electroni (purtători liberi) de pe substratul de tip p, din cauza curentului invers de scurgere. Acest lucru va stabili purtători noi prin coliziuni rezultate peste particulele accelerate.
Deoarece tensiunea de la poartă la sursă tinde să crească la viteza pozitivă, curentul de scurgere arată o creștere rapidă, așa cum s-a dovedit în Fig.5.25 din aceleași motive descrise mai sus.
Decalajul s-a dezvoltat între curbele lui VGS= 0V și VGS= +1 arată în mod distinct cantitatea cu care curentul a crescut datorită variației 1 - V a VGS
Datorită creșterii rapide a curentului de scurgere trebuie să fim atenți la curentul maxim nominal, altfel ar putea trece limita pozitivă de tensiune a porții.
De exemplu, pentru tipul de dispozitiv descris în Fig.5.25, aplicând un VGS= + 4V ar determina creșterea curentului de scurgere la 22,2 mA, care poate depăși limita maximă de curent (curent) a dispozitivului.
Condiția de mai sus arată că utilizarea unei tensiuni pozitive de la poartă la sursă generează un efect sporit asupra cantității de purtători liberi din canal, spre deosebire de atunci când VGS= 0V.
Acesta este motivul pentru care regiunea de tensiune pozitivă a porții pe caracteristicile de drenaj sau transfer este în general cunoscută sub numele de regiune de îmbunătățire . Această regiune se află între limita și nivelul de saturație al lui IDSSsau regiunea de epuizare.
Rezolvarea unui exemplu de problemă
Avantaje și aplicații
Spre deosebire de MOSFET-urile în modul de îmbunătățire, unde găsim curentul de scurgere scăzând la zero ca răspuns la o tensiune zero de la poartă la sursă, FET-ul modern de mod de epuizare prezintă curent notabil cu tensiune de poartă zero. Pentru a fi precis, rezistența la scurgere la sursă este de obicei de 100 Ohmi în tensiune zero.
După cum se indică în graficul de mai sus, RD-urile de rezistență la pornire(pe)vs gama de semnal analogic pare un răspuns practic plat. Această caracteristică, coroborată cu nivelurile de capacitate scăzută ale acestor dispozitive avansate de tip epuizare, le permit să fie în mod special ideale ca comutatoare analogice pentru aplicații de comutare audio și video.
Atributul „normal pornit” al MOSFET în modul de epuizare permite dispozitivului să fie perfect potrivit pentru regulatoare de curent FET unice.
Un astfel de exemplu de circuit poate fi văzut în figura următoare.
Valoarea RS poate fi determinată folosind formula:
Rs= VGSoprit[1 - (ID/ EuDSS)1/2] / EuD
Unde EuD este cantitatea de curent reglat necesară la ieșire.
Principalul avantaj al MOSFET-urilor în modul de epuizare în aplicația cu sursă de curent este capacitatea minimă de scurgere a acestora, care le face adecvate pentru aplicații de polarizare în circuitele de scurgere de intrare redusă, de viteză medie (> 50 V / us).
Figura de mai jos prezintă un front diferențial de curent cu scăderi de intrare, utilizând o funcție dublă cu scurgere redusă FET.
În general vorbind, fiecare parte a JFET va fi părtinitoare la ID = 500 uA. Prin urmare, curentul care poate fi obținut pentru încărcarea compensării și a capacităților rătăcite devine limitat la 2ID sau, în astfel de cazuri, la 1,0 mA. Caracteristicile corespunzătoare ale JFET sunt dovedite de producție și asigurate pe foaia tehnică.
Cs simbolizează capacitatea de ieșire a sursei de curent a etapei de intrare. Această capacitate este crucială în amplificatoarele fără inversare, datorită faptului că etapa de intrare are schimburi semnificative de semnale în această rețea, iar curenții de încărcare în Cs ar putea fi mari. În cazul în care se utilizează surse normale de curent, această capacitate a cozii ar putea fi responsabilă de deteriorarea notabilă a vitezei de rotire în circuitele care nu inversează (în comparație cu aplicațiile inversoare, unde curenții de încărcare în Cs tind să fie minimi).
Scăderea ratei de rotație poate fi exprimată ca:
1/1+ (Cs / Sc)
Atâta timp cât Cs este mai mic decât Cc (condensatorul de compensare), este posibil să existe cu greu vreo variație a ratei de rotire. Lucrând cu DMOS FET, Cs poate fi în jur de 2 pF. Această strategie produce o îmbunătățire imensă a ratei de rotație. În cazul în care sunt necesare deficite de curent mai mari de 1 până la 5 mA, dispozitivul ar putea fi influențat în modul de îmbunătățire pentru a genera până la 20 mA pentru un VGS maxim de +2,5 V, cu o capacitate minimă de ieșire care continuă să fie un aspect cheie.
Următoarea aplicație de mai jos prezintă un circuit de sursă de curent în modul de îmbunătățire adecvat.
Un comutator analogic „în mod normal” ar putea fi construit pentru cerințe în care condiția standard devine necesară în timpul unei defecțiuni a tensiunii de alimentare, de exemplu în gama automată a instrumentelor de testare sau pentru a asigura pornirea precisă a circuitelor logice la comutatorul ON.
Tensiunea de prag negativ redusă a dispozitivului oferă condiții esențiale de acționare și permite funcționarea cu tensiune minimă.
Circuitul de mai jos demonstrează factorii de polarizare obișnuiți pentru orice comutator analog DMOS în modul de epuizare.
Pentru a provoca oprirea dispozitivului, devine necesară o tensiune negativă pe poartă. Acestea fiind spuse, rezistența la pornire ar putea fi minimizată atunci când FET-ul este îmbunătățit suplimentar folosind o tensiune pozitivă a porții, permițându-l în mod specific în regiunea modului de îmbunătățire, împreună cu regiunea modului de epuizare.
Acest răspuns poate fi observat în graficul următor.
Câștigul de înaltă frecvență al unității, împreună cu valorile sale reduse de capacitate, oferă o „cifră de merit” crescută. Este într-adevăr un element crucial în amplificarea VHF și UHF, care specifică produsul cu lățime de bandă de câștig (GBW) al FET, care ar putea fi descris ca:
GBW = gfs / 2 Pi (Cîn+ Cafară)
MOSFET de tip p-Channel Depletion
Construcția unui MOSFET de tip epuizare a canalului p este o inversare perfectă a unei versiuni cu canal n prezentată în Fig.5.23. Adică, substratul ia acum forma unui tip n și canalul devine un tip p, așa cum se poate vedea în figura 5.28a de mai jos.
Identificarea terminalului rămâne neschimbată, dar polaritățile de tensiune și curent sunt inversate, așa cum se indică în aceeași figură. Caracteristicile de scurgere ar fi exact așa cum este descris în Fig.5.25, cu excepția VDSsemn care va obține în acest caz o valoare negativă.
Curentul de scurgere IDprezintă o polaritate pozitivă și în acest caz, asta pentru că deja i-am inversat direcția. VGSprezintă o polaritate opusă, care este de înțeles, așa cum este indicat în Fig.5.28c.
Pentru că VGSeste inversat produce o imagine în oglindă pentru caracteristicile de transfer, așa cum este indicat în Fig. 5,28b.
Adică, curentul de scurgere crește în V pozitivGSregiune de la punctul de oprire la VGS= Vp până când euDSS, apoi continuă să crească ca valoare negativă a lui VGSse ridică.
Simboluri
Semnele grafice pentru un MOSFET de tip epuizare a canalelor n și p pot fi observate în Fig. 5.29 de mai sus.
Observați modul în care simbolurile selectate vizează să reprezinte adevărata structură a dispozitivului.
Absența unei interconectări directe (din cauza izolației porții) între poartă și canal este simbolizată printr-un decalaj între poartă și diferitele terminale ale simbolului.
Linia verticală care reprezintă canalul este atașată între canal și sursă și este „ținută” de substrat.
Două grupuri de simboluri sunt furnizate în figura de mai sus pentru fiecare tip de canal pentru a evidenția faptul că în unele dispozitive suportul poate fi accesibil în exterior, în timp ce în altele acest lucru nu poate fi văzut.
MOSFET (tip îmbunătățire)
Deși MOSFET-urile de tip epuizare și de îmbunătățire arată similar cu structurile lor interne și modul funcțional, caracteristicile lor pot fi destul de diferite.
Principala diferență este curentul de scurgere care depinde de un nivel specific de tensiune de la poartă la sursă pentru acțiunea de întrerupere.
Tocmai, un MOSFET de tip îmbunătățire cu canal n poate funcționa cu o tensiune pozitivă a sursei / porții, în loc de o gamă de potențiale negative care pot avea un impact normal asupra unui MOSFET de tip epuizare.
Construcție de bază
Puteți vizualiza MOSFET de tip îmbunătățire cu canal n în cele ce urmează
Fig. 5.31.
O secțiune de material de tip p este creată printr-o bază de siliciu și, așa cum s-a învățat înainte, este denumită substrat.
Acest substrat, uneori, este atașat intern cu pinul sursă într-un MOSFET de tip epuizare, în timp ce în unele cazuri este terminat ca un al patrulea cablu pentru a permite un control extern al nivelului său potențial.
Terminalele sursă și de evacuare sunt, ca de obicei, unite folosind contacte metalice la regiuni dopate n.
Cu toate acestea, poate fi important să vizualizăm că în Fig. 5.31 lipsește canalul dintre cele două regiuni dopate n.
Aceasta poate fi considerată diferența fundamentală între aspectul intern al unui MOSFET de tip epuizare și un tip MOSFET de îmbunătățire, adică absența unui canal inerent care se presupune că face parte din dispozitiv.
Stratul de SiO2 poate fi văzut încă predominant, ceea ce asigură o izolare între baza metalică a terminalului porții și regiunea dintre drenaj și sursă. Totuși, aici se poate asista în picioare separat de secțiunea materialului de tip p.
Din discuția de mai sus putem concluziona că un layout intern MOSFET de epuizare și îmbunătățire poate avea unele asemănări, cu excepția canalului lipsă dintre canal / sursă pentru un tip de MOSFET de îmbunătățire.
Funcționare și caracteristici de bază
Pentru un MOSFET de tip îmbunătățire atunci când este introdus 0 V la VGS, din cauza lipsei canalului n (despre care se știe că transportă o mulțime de purtători liberi), o ieșire de curent este zero, ceea ce este destul de diferit de un tip de epuizare din MOSFET, având ID = IDSS.
Într-o astfel de situație din cauza unei căi lipsă între terminalele de scurgere / sursă, cantități mari de purtători sub formă de electroni nu sunt capabili să se acumuleze la scurgere / sursă (din cauza regiunilor dopate n).
Aplicând un potențial pozitiv la VDS, cu VGS setat la zero volți și terminalul SS scurtcircuitat cu terminalul sursă, găsim de fapt câteva joncțiuni pn polarizate invers între regiunile dopate n și substratul p pentru a permite orice conducere notabilă în scurgere la sursă.
În Fig. 5.32 este prezentată o condiție în care VDS și VGS sunt aplicate cu o tensiune pozitivă mai mare de 0 V, permițând scurgerii și porții să fie la un potențial pozitiv față de sursă.
Potențialul pozitiv la poartă împinge găurile din substratul p de-a lungul marginii stratului de SiO2 plecând de la locație și intrând mai adânc în regiunile substratului p, așa cum se arată în figura de mai sus. Acest lucru se întâmplă din cauza acuzațiilor similare care se resping reciproc.
Acest lucru are ca rezultat crearea unei regiuni de epuizare aproape de stratul izolator SiO2 care este gol de găuri.
În ciuda acestui fapt, electronii substratului p, care sunt purtătorii minoritari ai materialului, sunt trase spre poarta pozitivă și încep să se adune în regiunea apropiată de suprafața stratului de SiO2.
Datorită proprietății de izolație a stratului de SiO2, purtătorii negativi permit purtătorilor negativi să fie absorbiți la terminalul porții.
Pe măsură ce creștem nivelul VGS, crește și densitatea electronică apropiată de suprafața SiO2, până când în cele din urmă regiunea de tip n indusă este capabilă să permită o conducție cuantificabilă prin drenaj / sursă.
Mărimea VGS care determină o creștere optimă a curentului de scurgere este denumită tensiunea de prag, semnificat prin simbolul VT . În fișele tehnice, veți putea vedea acest lucru ca VGS (Th).
După cum s-a învățat mai sus, din cauza absenței unui canal la VGS = 0 și „îmbunătățit” cu aplicația de tensiune pozitivă la sursă, acest tip de MOSFET sunt cunoscute sub numele de MOSFET-uri de tip îmbunătățire.
Veți descoperi că atât MOSFET-urile de epuizare, cât și cele de îmbunătățire prezintă regiuni de tip îmbunătățire, dar termenul sporire este utilizat pentru acesta din urmă, deoarece funcționează în mod specific utilizând un mod de funcționare îmbunătățit.
Acum, când VGS este împins peste valoarea pragului, concentrația purtătorilor liberi va crește în canalul în care este indus. Acest lucru determină creșterea curentului de scurgere.
Pe de altă parte, dacă menținem VGS constant și creștem nivelul VDS (tensiune de scurgere la sursă), acest lucru va determina MOSFET să atingă punctul de saturație, așa cum se întâmplă în mod normal oricărui JFET sau un MOSFET de epuizare.
Așa cum se arată în Fig. 5.33 ID-ul curentului de scurgere se nivelează cu ajutorul unui proces de ciupire, indicat de canalul mai îngust spre capătul de scurgere al canalului indus.
Prin aplicarea legii tensiunii Kirchhoff la tensiunile terminale ale MOSFET din Fig. 5.33, obținem:
Dacă VGS este menținut constant la o anumită valoare, de exemplu 8 V, iar VDS este crescut de la 2 la 5 V, tensiunea VDG cu ecuația. 5.11 a putut fi văzut că scade de la -6 la -3 V, iar potențialul porții devine din ce în ce mai puțin pozitiv în ceea ce privește tensiunea de scurgere.
Acest răspuns interzice purtătorilor liberi sau electronilor să se tragă către această regiune a canalului indus, ceea ce duce la scăderea lățimii efective a canalului.
În cele din urmă, lățimea canalului scade până la punctul de prindere, ajungând la o condiție de saturație similară cu ceea ce am învățat deja în articolul anterior MOSFET de epuizare.
Adică, mărirea VDS în continuare cu un VGS fix nu afectează nivelul de saturație al ID-ului, până la punctul în care se ajunge la o situație de defecțiune.
Privind Fig. 5.34 putem identifica faptul că pentru un MOSFET ca în Fig.5.33 având VGS = 8 V, saturația are loc la un nivel VDS de 6 V. Pentru a fi precis, nivelul de saturație VDS este asociat nivelului VGS aplicat prin:
Fără îndoială, implică astfel că atunci când valoarea VT este fixă, creșterea nivelului VGS va determina proporțional niveluri mai ridicate de saturație pentru VDS prin locusul nivelurilor de saturație.
Referindu-se la caracteristicile prezentate în figura de mai sus, nivelul VT este de 2 V, ceea ce este evident prin faptul că curentul de scurgere a scăzut la 0 mA.
Prin urmare, de obicei putem spune:
Când valorile VGS sunt mai mici decât nivelul pragului pentru MOSFET de tip îmbunătățire, curentul său de scurgere este de 0 mA.
De asemenea, putem vedea clar în figura de mai sus că atâta timp cât VGS este ridicat mai sus de la VT la 8 V, nivelul de saturație corespunzător pentru ID crește, de asemenea, de la 0 la 10 mA.
Mai mult, putem observa în continuare că spațiul dintre nivelurile VGS crește odată cu creșterea valorii VGS, provocând creșteri infinite ale curentului de scurgere.
Găsim că valoarea curentului de scurgere este legată de tensiunea de la poartă la sursă pentru nivelurile VGS mai mari decât VT, prin următoarea relație neliniară:
Termenul care este prezentat între paranteze pătrate este termenul care este responsabil pentru relația neliniară dintre ID și VGS.
Termenul k este o constantă și este o funcție a aspectului MOSFET.
Putem afla valoarea acestei constante k prin următoarea ecuație:
unde ID-ul (pornit) și VGD (pornit) sunt valori în funcție de caracteristicile dispozitivului.
În următoarea fig. 5.35 de mai jos găsim caracteristicile de scurgere și transfer sunt dispuse unul lângă altul pentru a clarifica procesul de transfer unul peste altul.
Practic, este similar cu procesul explicat anterior pentru JFET și MOSFET-uri de tip epuizare.
Cu toate acestea, pentru cazul de față trebuie să ne amintim că curentul de scurgere este de 0 mA pentru VGS VT.
Aici ID-ul poate vedea o cantitate vizibilă de curent, care va crește așa cum este determinat de ecuație. 5.13.
Rețineți, în timp ce definim punctele peste caracteristicile de transfer din caracteristicile de scurgere, luăm în considerare doar nivelurile de saturație. Aceasta restricționează regiunea de funcționare la valori VDS mai mari decât nivelurile de saturație stabilite de ecuație. (5.12).
MOSFET-uri de tip p-Channel Enhancement
Structura unui MOSFET de tip îmbunătățire a canalului p așa cum se arată în Fig. 5.37a este exact opusul celei prezentate în Fig. 5.31.
Adică, acum descoperiți că un substrat de tip n și regiuni dopate p sub articulațiile de scurgere și sursă.
Terminalele continuă să fie așa cum au fost stabilite, dar fiecare dintre direcțiile de curent și polaritățile de tensiune sunt inversate.
Caracteristicile de scurgere pot arăta ca în Fig. 5.37c, având cantități crescânde de curent cauzate de o magnitudine continuă mai negativă a VGS.
Caracteristicile de transfer ar fi impresia oglinzii (în jurul axei ID) a curbei de transfer din Fig. 5.35, având ID crescând cu valori din ce în ce mai negative ale VGS peste VT, așa cum este afișat în Fig. 5.37b. Ecuațiile (5.11) până la (5.14) sunt adecvate în mod similar dispozitivelor cu canal p.
Referințe:
- 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
Precedent: Circuit de detectare RF anti spionaj - Detector de erori fără fir Următorul: Caracteristici de transfer
