MOSFETs - Enhancement-Type, Depletion-Type

MOSFETs - Enhancement-Type, Depletion-Type

To hovedtyper af FET'er, der i øjeblikket findes, er: JFET'er og MOSFET'er.



MOSFET'er kan klassificeres yderligere i udtømningstype og ekstraudstyrstype. Begge disse typer definerer den grundlæggende driftsform for MOSFET'er, mens udtrykket MOSFET i sig selv er en forkortelse af metaloxid-halvleder-felt-effekt-transistor.

På grund af det faktum, at de to typer har forskellige funktionsegenskaber, evaluerer vi hver af dem separat i forskellige artikler.





Forskel mellem Enhancement og Depletion MOSFET

Grundlæggende, i modsætning til forbedring af MOSFET'er, er udtømning af MOSFET'er i en tændt tilstand, selv i nærvær af en 0 V over gate-til-kilde terminaler (VGS).

For at forbedre MOSFET skal gate-to-source spænding (VGS) være over sin gate-to-source tærskelspænding (VGS (th)) for at få det til at lede .



For en N-kanal udtømning MOSFET er dens VGS (th) værdi imidlertid over 0 V. Dette betyder, at selv om VGS = 0 V, er en udtømning MOSFET i stand til at lede strøm. For at slukke for det skal VGS for en udtømning af MOSFET reduceres til under VGS (th) (negativ).

I denne nuværende artikel vil vi diskutere udtømningstypen MOSFET, som siges at have egenskaber, der svarer til en JFET. Ligheden er mellem afskæring og mætning nær IDSS.

Grundlæggende konstruktion

n-Channel udtømningstype MOSFET.

Figur 5.23 viser den grundlæggende interne struktur af en n-kanal udtømningstype MOSFET.

Vi kan finde en blok af p-type materiale oprettet ved hjælp af en siliciumbase. Denne blok kaldes substratet.

Underlaget er basen eller fundamentet, som en MOSFET er konstrueret over. For nogle MOSFET'er er det internt forbundet med 'kilde'-terminalen. Mange enheder tilbyder også en ekstra output i form af SS med en 4-terminal MOSFET, som afsløret i figur 5.23.

Afløbet og kildeterminalerne er forbundet via ledende kontakter til n-dopede placeringer og fastgjort gennem en n-kanal, som angivet i samme figur.

Porten er også forbundet med et metallag, skønt det er isoleret fra n-kanalen gennem et fint lag af siliciumdioxid (SiOto).

SiOtobesidder en unik form for isoleringsegenskab kaldet dielektrikum, som skaber et modsat elektrisk felt i sig selv som reaktion på et eksternt anvendt elektrisk felt.

At være et isolerende lag, materialet SiOtogiver os følgende vigtige oplysninger:

En komplet isolering udvikles mellem portterminalen og mosfetkanalen med dette materiale.

Desuden er det på grund af SiOto, mosfetporten er i stand til at have en ekstrem høj grad af indgangsimpedans.

På grund af denne vitale egenskab med høj indgangsimpedans er portstrømmen IGer næsten nul ampere til enhver DC-forspændt MOSFET-konfiguration.

Grundlæggende betjening og egenskaber

n-Channel MOSFET-udtømningstype med VGS = 0 V og en anvendt spænding VDD.

SOM kan ses i figur 5.24, er porten til kildespændingen konfigureret til nul volt ved at forbinde de to terminaler sammen, mens en spænding VDSpåføres over afløbs- og kildeterminalerne.

Med ovenstående indstilling etablerer afløbssiden et positivt potentiale ved de n-kanalfrie elektroner sammen med en ækvivalent strøm gennem JFET-kanalen. Også den resulterende nuværende VGS= 0V identificeres stadig som jegDSSsom angivet i fig. 5.25

Afløbs- og overførselsegenskaber for en n-kanal udtømningstype MOSFET.

Vi kan se, at portkildespændingen V i figur 5.26GSfår et negativt potentiale i form af -1V.

Dette negative potentiale forsøger at tvinge elektroner mod p-kanalsubstratet (da ladninger frastøder) og trække huller fra p-kanalsubstratet (da modsatte ladninger tiltrækker).

Reduktion af gratis transportører i kanal på grund af et negativt potentiale ved portterminalen

Afhængig af hvor stor denne negative bias VGSdvs. en rekombination af huller og elektroner finder sted, hvilket resulterer i reduktion af frie elektroner i den n-kanal, der er tilgængelig til ledningen. Højere niveauer af negativ bias resulterer i højere rekombinationshastighed.

Afløbsstrømmen reduceres følgelig, når den ovennævnte negative forspændingstilstand øges, hvilket er bevist i figur 5.25 for VGSniveauer af VGS= -1, -2 og så videre, indtil klemremærket på -6V.

Afløbsstrømmen som et resultat sammen med overføringskurveplottet fortsætter ligesom a JFET.

Nu, for den positive VGSværdier, vil portens positive tiltrække overskydende elektroner (frie bærere) fra p-type substrat på grund af den omvendte lækstrøm. Dette etablerer friske bærere ved resulterende kollisioner over de accelererende partikler.

Da gate-til-kildespænding har tendens til at stige med den positive hastighed, viser afløbsstrømmen en hurtig stigning, som det er bevist i figur 5.25 af de samme grunde som beskrevet ovenfor.

Mellemrummet udviklede sig mellem V's kurverGS= 0V og V.GS= +1 viser tydeligt det beløb, hvormed strømmen steg med på grund af 1 - V variationen af ​​VGS

På grund af den hurtige stigning i afløbsstrømmen skal vi være forsigtige med den maksimale strømværdi, ellers kan den krydse den positive grænsespændingsgrænse.

For eksempel for den enhedstype, der er afbildet i figur 5.25, ved anvendelse af en VGS= + 4V vil medføre, at afløbsstrømmen stiger med 22,2 mA, hvilket muligvis krydser enhedens maksimale nedbrydningsgrænse (strøm).

Ovenstående betingelse viser, at brugen af ​​en positiv gate-til-kildespænding genererer en forbedret effekt på mængden af ​​de frie bærere i kanalen i modsætning til når VGS= 0V.

Dette er grunden til, at det positive gate spændingsområde på afløb eller overførselsegenskaber generelt er kendt som forbedringsregion . Denne region ligger mellem afskæringen og mætningsniveauet for IDSSeller udtømningsområdet.

Løsning af et eksempel på et problem

Fordele og applikationer

I modsætning til forbedringsmodus-MOSFET'er, hvor vi finder afløbsstrømmen, der falder til nul som reaktion på en nul gate-til-kildespænding, har den moderne udtømningstilstand FET en mærkbar strøm med nul gate-spænding. For at være præcis er afløbsmodstanden normalt 100 ohm i nul spænding.

Som angivet i ovenstående graf, ON-modstand rds(på)vs analogt signalområde ser ud som et praktisk taget fladt svar. Denne egenskab i forbindelse med de lave kapacitetsniveauer af denne avancerede enhed til udtømningstype gør det muligt for dem at være specifikt ideelle som analoge switche til lyd- og videokoblingsapplikationer.

Udtømningstilstand MOSFETs 'normalt tændte' attribut gør det muligt for enheden at være perfekt egnet til enkelt FET-strømregulatorer.

Et sådant eksempel kredsløb kan ses i den følgende figur.

Rs-værdien kunne bestemmes ved hjælp af formlen:

Rs= VGSaf[1 - (ID/JEGDSS)1/2] / ID

hvor jegD er den mængde reguleret strøm, der kræves ved udgangen.

Den største fordel ved depletion-mode MOSFET'er i strømkildeapplikationen er deres minimale afløbskapacitans, der gør dem egnede til forspænding af applikationer i kredsløb med lav input, lækage med mellemhastighed (> 50 V / us).

Nedenstående figur viser en differentiel frontend med lav indgangslækstrøm ved hjælp af en dobbelt FET-funktion med lav lækage.

Generelt vil begge sider af JFET være forudindtaget ved ID = 500 uA. Derfor bliver strømmen, der kan opnås til opladningskompensation og omstrejfende kapaciteter, begrænset til 2ID eller, i tilfælde som denne, 1,0 mA. JFETs tilsvarende funktioner er produktionsprøvet og sikret på databladet.

Cs symboliserer outputkapacitansen for indgangstrinnets 'hale' strømkilde. Denne kapacitans er afgørende i ikke-inverterende forstærkere på grund af det faktum, at indgangstrinnet oplever betydelige signaludvekslinger i hele dette netværk, og opladningsstrømmen i Cs kan være stor. Hvis der anvendes normale strømkilder, kan denne hale-kapacitans være ansvarlig for mærkbar forringelse af svinghastigheden i ikke-inverterende kredsløb (sammenlignet med inverterende applikationer, hvor opladningsstrømmen i Cs har tendens til at være minimal).

Faldet i svinghastigheden kunne udtrykkes som:

1 / 1+ (Cs / Sc)

Så længe Cs er lavere end Cc (kompensationskondensatoren), kan der næppe være variation i svinghastigheden. Arbejder med DMOS FET, kan Cs være omkring 2 pF. Denne strategi producerer en enorm forbedring i drejningstakten. Hvor der er behov for nuværende underskud på mere end 1 til 5 mA, kan enheden forspændes i forbedringstilstand for at generere så meget som 20 mA for en maksimal VGS på +2,5 V, med minimal outputkapacitans, der fortsat er et nøgleaspekt.

Den næste applikation nedenfor viser et korrekt strømkildekredsløb til forbedringstilstand.

En 'normalt-på' analog switch kan bygges til krav, hvor standardtilstand bliver nødvendig under en forsyningsspændingsfejl, for eksempel i automatisk rækkevidde af testværktøjer eller for at sikre nøjagtig opstart af logiske kredsløb ved tænding.

Enhedens reducerede negative tærskelspænding giver grundlæggende drevforudsætninger og tillader arbejde med minimal spænding.

Nedenstående kredsløb viser de almindelige forspændingsfaktorer for enhver DMOS-analog switch til udtømningstilstand.

For at få enheden til at slukke, bliver en negativ spænding nødvendig på porten. Når det er sagt, kunne modstanden minimeres, når FET yderligere forbedres ved hjælp af en positiv gate spænding, hvilket muliggør det specifikt i regionen til forbedringstilstand sammen med regionen for udtømningstilstand.

Dette svar kan ses i følgende graf.

Enhedens højfrekvente forstærkning leverer sammen med dens lave kapacitansværdier et øget 'fortjensttal'. Det er virkelig et afgørende element i VHF- og UHF-forstærkning, som specificerer forstærkningsbåndbreddeproduktet (GBW) af FET, som kan afbildes som:

GBW = gfs / 2 Pi (Ci+ Cud)

p-Channel udtømningstype MOSFET

Konstruktionen af ​​en P-kanal udtømningstype MOSFET er en perfekt omvendt af en n-kanal version vist i figur 5.23. Det betyder, at substratet nu har form af en n-type, og kanalen bliver en p-type, som det kan ses i figur 5.28a nedenfor.

p-Channel udtømningstype MOSFET med IDSS = 6 mA og VP = +6 V.

Terminalidentifikationen forbliver uændret, men spændingen og strømpolariteterne vendes som angivet i samme figur. Afløbskarakteristika ville være nøjagtigt som vist i figur 5.25, undtagen VDStegn, som i dette tilfælde får en negativ værdi.

Afløbsstrømmen IDviser også en positiv polaritet i dette tilfælde, det er fordi vi allerede har vendt dets retning. VGSviser en modsat polaritet, hvilket er forståeligt, som angivet i figur 5.28c.

Fordi VGSer omvendt producerer et spejlbillede for overførselsegenskaberne som angivet i fig. 5,28b.

Betydning, afløbsstrømmen øges i den positive VGSområde fra afskæringspunktet ved VGS= Vp indtil jegDSS, så fortsætter den med at stige som den negative værdi af VGSstiger.

Symboler

MOSFET-symboler udtømningstype

De grafiske tegn på en n- og p-kanal udtømningstype MOSFET kan ses i ovenstående figur 5.29.

Overhold den måde, hvorpå de valgte symboler sigter mod at repræsentere enhedens sande struktur.

Fraværet af en direkte sammenkobling (på grund af portisolering) mellem porten og kanalen er symboliseret ved et hul mellem porten og symbolets forskellige terminaler.

Den lodrette linje, der repræsenterer kanalen, er fastgjort mellem afløbet og kilden og 'holdes' af substratet.

To grupper af symboler er angivet i figuren ovenfor for hver type kanal for at fremhæve det faktum, at substratet i nogle enheder kan være tilgængeligt eksternt, mens det i andre muligvis ikke ses.

MOSFET (Enhancement-Type)

Selvom MOSFET'er for udtømningstype og forbedringstype ligner deres interne strukturer og funktionelle tilstand, kan deres egenskaber være helt forskellige.

Den største forskel er drænstrømmen, der afhænger af et specifikt niveau af gate-til-kildespænding til afskæringshandlingen.

Præcis kan en MOSFET-forstærkningstype af n-kanal arbejde med en positiv gate / kildespænding i stedet for en række negative potentialer, som normalt kan påvirke en udtømningstype MOSFET.

Grundlæggende konstruktion

Du kan visualisere MOSFET af n-kanal-forbedringstypen i det følgende
Fig. 5.31.

En p-type materialesektion oprettes gennem en siliciumbase og som lært før betegnes den som substratet.

Dette substrat er ved nogle lejligheder fastgjort internt med kildestiften i en MOSFET af udtømningstype, mens det i nogle tilfælde afsluttes som en fjerde ledning for at muliggøre en ekstern kontrol af dets potentielle niveau.

Kilde- og afløbsterminalerne forbindes som sædvanligt ved hjælp af metalliske kontakter til n-dopede områder.

Det kan dog være vigtigt at visualisere, at i figur 5.31 mangler kanalen mellem de to n-dopede regioner.

Dette kan betragtes som den grundlæggende ulighed mellem en udtømningstype og en forbedringstype MOSFETs interne layout, det vil sige fravær af en iboende kanal, som formodes at være en del af enheden.

SiO2-laget kan stadig ses udbredt, hvilket sikrer en isolering mellem portterminalens metalliske base og området mellem afløb og kilde. Her kan det dog være vidne til at stå adskilt fra p-type materialeafsnittet.

Fra ovenstående diskussion kan vi konkludere, at en udtømning og forbedring af MOSFET-internt layout kan have nogle ligheder bortset fra den manglende kanal mellem afløb / kilde for en forbedringstype af MOSFET.

Grundlæggende betjening og egenskaber

For en forbedringstype MOSFET, når en 0 V introduceres ved sin VGS, forårsager den manglende n-kanal (som er kendt for at bære mange gratis bærere), at en strømudgang er nul, hvilket er helt i modsætning til en udtømningstype af MOSFET med ID = IDSS.

I en sådan situation på grund af en manglende sti over afløbs- / kildeterminaler er store mængder bærere i form af elektroner ikke i stand til at akkumulere ved afløb / kilde (på grund af de n-dopede regioner).

Anvendelse af noget positivt potentiale ved VDS, med VGS indstillet til nul volt og SS-terminalen kortsluttet med kildeterminalen, finder vi faktisk et par omvendte forspændte pn-forbindelser mellem de n-dopede regioner og p-substratet for at muliggøre enhver bemærkelsesværdig ledning på tværs dræne til kilden.


I figur 5.32 viser en tilstand, hvor VDS og VGS påføres med en eller anden positiv spænding højere end 0 V, hvilket gør det muligt for afløbet og porten at have et positivt potentiale i forhold til kilden.

Det positive potentiale ved porten skubber hullerne i p-substratet langs kanten af ​​SiO2-laget, der forlader placeringen og går dybere ind i regionerne af p-substratet, som vist i ovenstående figur. Dette sker på grund af lignende afgifter, der afviser hinanden.

Dette resulterer i, at der oprettes en udtømningsregion tæt på SiO2-isoleringslaget, der er hulfrit.

På trods af dette trækkes p-substratelektronerne, der er materialets mindretalsbærere, mod den positive port og begynder at samles i regionen tæt på overfladen af ​​SiO2-laget.

På grund af SiO2-lagets isoleringsegenskaber tillader negative bærere de negative bærere at blive absorberet ved portterminalen.

Når vi øger niveauet af VGS, øges elektrondensiteten tæt på SiO2-overfladen også, indtil den inducerede n-type region endelig er i stand til at tillade en kvantificerbar ledning over afløb / kilde.

VGS-størrelsen, der forårsager en optimal stigning i afløbsstrømmen, betegnes som tærskelspændingen, betegnet med symbolet VT . I datablade vil du kunne se dette som VGS (Th).

Som lært ovenfor, på grund af fraværet af en kanal ved VGS = 0, og 'forbedret' med den positive gate-til-kilde spændingsapplikation, er denne type MOSFET kendt som forbedrings-type MOSFET'er.

Du vil opdage, at både udtømnings- og forbedrings-MOSFET'er udviser forbedrings-type regioner, men udtrykket forbedring bruges til sidstnævnte, fordi det specifikt fungerer ved hjælp af en forbedringsfunktion.

Nu, når VGS skubbes over tærskelværdien, vil koncentrationen af ​​de frie transportører øges i den kanal, hvor den induceres. Dette får afløbsstrømmen til at stige.

På den anden side, hvis vi holder VGS konstant og øger VDS-niveauet (dræning til kilde-spænding), vil dette i sidste ende få MOSFET til at nå sit mætningspunkt, som normalt også ville ske for enhver JFET eller en udtømnings-MOSFET.

Ændring i kanal og udtømningsregion med stigende VDS-niveau for en fast værdi på VGS.

Som vist i figur 5.33 bliver afløbsstrøm-ID udjævnet ved hjælp af en afklemningsproces, der er angivet med den smallere kanal mod afløbsenden af ​​den inducerede kanal.

Ved at anvende Kirchhoffs spændingslov på MOSFETs terminalspændinger i figur 5.33 får vi:

Hvis VGS holdes konstant til en bestemt værdi, for eksempel 8 V, og VDS hæves fra 2 til 5 V, spændes VDG med ækv. 5.11 kunne ses falde fra -6 til -3 V, og portpotentialet blev mindre og mindre positivt med hensyn til afløbsspændingen.

Dette svar forhindrer de frie bærere eller elektroner i at blive trukket mod dette område af den inducerede kanal, hvilket igen resulterer i et fald i kanalens effektive bredde.

I sidste ende falder kanalbredden til klemningspunktet og når en mætningstilstand svarende til det, vi allerede har lært i vores tidligere udtømning af MOSFET-artiklen.

Betydning at øge VDS yderligere med en fast VGS påvirker ikke mætningsniveauet for ID, indtil det punkt, hvor en sammenbrudssituation er nået.

Ser man på figur 5.34 kan vi identificere, at for en MOSFET som i figur 5.33, der har VGS = 8 V, finder mætning sted på et VDS-niveau på 6 V. For at være præcist er VDS-mætningsniveauet knyttet til det anvendte VGS-niveau ved at:

Ingen tvivl indebærer det således, at når VT-værdien er fast, vil forøgelse af VGS-niveauet forholdsmæssigt medføre højere niveauer af mætning for VDS gennem stedet for mætningsniveauer.

Idet der henvises til de karakteristika, der er vist i ovenstående figur, er VT-niveauet 2 V, hvilket er tydeligt ved, at afløbsstrømmen er faldet til 0 mA.

Derfor kan vi typisk sige:

Når VGS-værdier er mindre end tærskelværdien for forbedringstype MOSFET, er dens afløbsstrøm 0 mA.

Vi kan også tydeligt se i ovenstående figur, at så længe VGS hæves højere fra VT til 8 V, stiger det tilsvarende mætningsniveau for ID også fra 0 til 10 mA niveau.

Derudover kan vi yderligere bemærke, at rummet mellem VGS-niveauerne stiger med en stigning i værdien af ​​VGS, hvilket forårsager uendeligt stigende trin i afløbsstrømmen.

Vi finder, at afløbsstrømværdien er relateret til gate-to-source-spændingen for VGS-niveauer, der er større end VT, gennem følgende ikke-lineære forhold:

Udtrykket, der vises i firkantet parentes, er det udtryk, der er ansvarlig for det ikke-lineære forhold mellem ID og VGS.

Udtrykket k er en konstant og er en funktion af MOSFET-layoutet.

Vi kan finde ud af værdien af ​​denne konstant k gennem følgende ligning:

hvor ID (til) og VGD (til) hver er værdier specifikt afhængigt af enhedens karakteristik.

I den næste figur 5.35 nedenfor finder vi, at afløbs- og overførselsegenskaberne er anbragt ved siden af ​​hinanden for at afklare overførselsprocessen over hinanden.

Grundlæggende svarer det til den proces, der tidligere blev forklaret for JFET og MOSFET'er af udtømningstypen.

Imidlertid skal vi i dette tilfælde huske, at afløbsstrømmen er 0 mA for VGS VT.

Her kan ID muligvis se en mærkbar mængde strøm, som vil stige som bestemt af ligning. 5.13.

Bemærk, mens vi definerer punkterne over overførselsegenskaberne fra afløbskarakteristikkerne, overvejer vi kun mætningsniveauerne. Dette begrænser driftsområdet til VDS-værdier, der er højere end mætningsniveauerne som fastlagt ved ligning. (5.12).

hvordan man tegner overførselsegenskaber for en MOSFET af n-kanal forbedringstype

p-Channel-forbedringstype MOSFET'er

Strukturen af ​​en p-kanalforbedring-type MOSFET som vist i figur 5.37a er lige det modsatte af den, der vises i figur 5.31.

Betydning, nu finder du ud af, at et n-type substrat og p-dopede områder under afløbs- og kildeleddene.

Terminalerne fortsætter med at være som etablerede, men hver af de aktuelle retninger og spændingspolariteterne vendes.

Afløbskarakteristika kan se ud som vist i fig. 5.37c med stigende strømmængder forårsaget af en kontinuerligt mere negativ størrelse af VGS.

Overførselsegenskaberne ville være spejlindtrykket (omkring ID-aksen) for overføringskurven i fig. 5.35, idet ID stiger med flere og flere negative værdier for VGS over VT, som vist i fig. 5.37b. Ligninger (5.11) til (5.14) er ligeledes passende for p-kanal enheder.

Referencer:




Forrige: Anti Spy RF Detector Circuit - Trådløs fejldetektor Næste: Overførselsegenskaber