Två huvudtyper av FET som för närvarande finns är: JFET och MOSFET.
MOSFET kan klassificeras ytterligare i utarmningstyp och förbättringstyp. Båda dessa typer definierar det grundläggande driftsättet för MOSFET, medan termen MOSFET i sig är en förkortning av metalloxid-halvledar-fält-effekt-transistor.
På grund av det faktum att de två typerna har olika arbetsegenskaper kommer vi att utvärdera var och en separat i olika artiklar.
Skillnad mellan förbättring och utarmning MOSFET
I grund och botten, till skillnad från förbättrings-MOSFETs, är uttömnings-MOSFETs i på-tillstånd även i närvaro av en 0 V över gate-to-source-terminalerna (VGS).
För en förbättring av MOSFET måste gate-to-source-spänningen (VGS) vara över sin gate-to-source-tröskelspänning (VGS (th)) för att få det att genomföra .
För en N-kanal utarmning MOSFET är dess VGS (th) värde över 0 V. Detta betyder att även om VGS = 0 V, kan en utarmning MOSFET leda ström. För att stänga av den måste VGS för en utarmning MOSFET minskas under VGS (th) (negativ).
I denna artikel kommer vi att diskutera utarmningstypen MOSFET, som sägs ha egenskaper som matchar en JFET. Likheten är mellan cut-off och mättnad nära IDSS.
Grundläggande konstruktion
Fig.5.23 visar den grundläggande interna strukturen för en MOSFET av uttömningstyp av n-kanal.
Vi kan hitta ett block av p-typmaterial skapat med hjälp av en kiselbas. Detta block kallas substrat.
Substratet är basen eller grunden över vilken en MOSFET är konstruerad. För vissa MOSFET: er är det internt kopplat till 'källterminalen'. Många enheter erbjuder också en extra utgång i form av SS, med en 4-terminal MOSFET, vilket avslöjas i figur 5.23
Avloppet och källanslutningarna är anslutna genom ledande kontakter till n-dopade platser och fästa genom en n-kanal, vilket indikeras i samma figur.
Porten är också ansluten till ett metallskikt, även om det är isolerat från n-kanalen genom ett fint lager kiseldioxid (SiOtvå).
SiOtvåhar en unik form av isoleringsegenskap som kallas dielektrikum som skapar ett motsatt elektriskt fält inom sig själv som svar på ett externt applicerat elektriskt fält.
Att vara ett isolerande skikt, materialet SiOtvåerbjuder oss följande viktiga information:
En fullständig isolering utvecklas mellan portterminalen och mosfetkanalen med detta material.
Dessutom beror det på SiOtvåkan mosfetens grind ha en extremt hög grad av ingångsimpedans.
På grund av denna viktiga höga ingångsimpedansegenskap är grindströmmen IGär praktiskt taget nollförstärkare för alla DC-förspända MOSFET-konfigurationer.
Grundläggande användning och egenskaper
Såsom kan ses i figur 5.24 har grinden till källspänningen konfigurerats vid noll volt genom att ansluta de två terminalerna tillsammans, medan en spänning VDSappliceras över avlopps- och källterminalerna.
Med ovanstående inställning etablerar avloppssidan en positiv potential av de n-kanalfria elektronerna tillsammans med en ekvivalent ström genom JFET-kanalen. Även den resulterande strömmen VGS= 0V identifieras fortfarande som jagDSS, som ges i fig 5.25
Vi kan se att i fig 5.26 grindkällspänningen V.GSges en negativ potential i form av -1V.
Denna negativa potential försöker tvinga elektroner mot p-kanalsubstratet (eftersom laddningar stöter bort) och dra hål från p-kanalsubstratet (eftersom motsatta laddningar lockar).
Beroende på hur stor denna negativa förspänning VGSdvs en rekombination av hål och elektroner sker vilket resulterar i reduktion av fria elektroner i n-kanalen som är tillgänglig för ledningen. Högre nivåer av negativ förspänning resulterar i högre rekombinationshastighet.
Avloppsströmmen reduceras följaktligen när ovanstående negativa förspänningsförhållande ökar, vilket bevisas i figur 5.25 för VGSnivåer av VGS= -1, -2 och så vidare tills nypmarkeringen på -6V.
Avloppsströmmen som ett resultat tillsammans med kurvan för överföringskurvan fortsätter precis som för a JFET.
Nu, för den positiva VGSvärden kommer locket positivt att attrahera överskott av elektroner (fria bärare) från substratet av p-typ, på grund av omvänd läckström. Detta kommer att skapa nya bärare genom resulterande kollisioner över de accelererande partiklarna.
Eftersom gate-to-source-spänningen tenderar att stiga med den positiva hastigheten, visar avloppsströmmen en snabb ökning, vilket bevisats i figur 5.25 av samma skäl som diskuterats ovan.
Gapet utvecklades mellan V-kurvornaGS= 0V och V.GS= +1 visar tydligt mängden med vilken strömmen ökade på grund av V-variationen 1 - VGS
På grund av den snabba stigningen i avloppsströmmen måste vi vara försiktiga med den maximala strömvärdena, annars kan den överskrida den positiva grindens spänningsgräns.
Till exempel, för den enhetstyp som visas i figur 5.25, med användning av en VGS= + 4V skulle få avloppsströmmen att stiga vid 22,2 mA, vilket kan överskrida enhetens maximala nedbrytningsgräns (ström).
Ovanstående tillstånd visar att användningen av en positiv grind-till-källspänning genererar en förbättrad effekt på kvantiteten av de fria bärarna i kanalen, i motsats till när VGS= 0V.
Det är därför den positiva grindspänningsregionen på avlopps- eller överföringsegenskaperna allmänt kallas förbättringsregion . Denna region ligger mellan cut-off och mättnadsnivån för IDSSeller utarmningsregionen.
Lösa ett exempelproblem
Fördelar och applikationer
I motsats till förbättringsläge MOSFET, där vi finner avloppsströmmen sjunker till noll som svar på en nollport till källspänning, har den moderna utarmningsfunktionen märkbar ström med nollgrindspänning. För att vara exakt är motståndet från avlopp till källa vanligtvis 100 ohm i nollspänning.
Som framgår av ovanstående diagram, är ON-resistens rds(på)jämfört med analogt signalområde ser ut som ett praktiskt taget platt svar. Denna egenskap, i kombination med lågkapacitansnivåerna för dessa avancerade enheter för utarmningstyp, gör att de kan vara specifikt idealiska som analoga switchar för ljud- och videoomkopplingsapplikationer.
Med uttömningsläget MOSFETs attribut '' normalt på '' kan enheten vara perfekt lämpad för enstaka FET-strömregulatorer.
En sådan exempelkrets kan ses i följande bild.
Rs-värdet kunde bestämmas med formeln:
Rs= VGSav[1 - (ID/ JagDSS)1/2] / ID
var JagD är den mängd reglerad ström som krävs vid utgången.
Den största fördelen med MOSFET för utarmningsläge i strömkällans applikation är deras minimala avloppskapacitans, vilket gör dem lämpliga för förspänningsapplikationer i kretsar med låg ingångsläckage, medelhastighet (> 50 V / us).
Figuren nedan visar en låg ingångs-läckström differentiell front-end med en dubbel låg läckagefunktion FET.
Generellt sett kommer vardera sidan av JFET att vara partisk vid ID = 500 uA. Därför blir strömmen som kan erhållas för laddningskompensation och avvikande kapacitans begränsad till 2ID eller, i sådana fall, 1,0 mA. JFETs motsvarande funktioner är produktionsbeprövade och försäkrade på databladet.
Cs symboliserar utgångskapacitansen för ingångsstegets 'svans' strömkälla. Denna kapacitans är avgörande i icke-inverterande förstärkare, på grund av det faktum att ingångssteget upplever betydande signalutbyten i hela detta nätverk, och laddningsströmmarna i Cs kan vara stora. Om normala strömkällor används kan denna svanskapacitans vara ansvarig för märkbar försämring av svänghastigheten i icke-inverterande kretsar (jämfört med inverterande applikationer, där laddningsströmmarna i Cs tenderar att vara minimala).
Nedgången i svänghastigheten kan uttryckas som:
1 / 1+ (Cs / Sc)
Så länge Cs är lägre än Cc (kompensationskondensatorn) kan det knappast finnas någon variation i svänghastigheten. Arbetar med DMOS FET, Cs kan vara cirka 2 pF. Denna strategi ger en enorm förbättring av svänghastigheten. Där strömunderskott som är högre än 1 till 5 mA behövs kan enheten förspännas i förbättringsläget för att generera så mycket som 20 mA för en maximal VGS på +2,5 V, med minimal utgångskapacitans som fortsätter att vara en nyckelaspekt.
Nästa applikation nedan visar en korrekt strömkrets för förbättringsläge.
En '' normalt-på '' analog omkopplare kan byggas för krav där standardförhållanden blir nödvändigt under ett försörjningsspänningsfel, till exempel i automatiskt omfång av testverktyg eller för att säkerställa korrekt start av logiska kretsar vid strömbrytaren.
Enhetens reducerade negativa tröskelspänning erbjuder grundläggande drivförutsättningar och tillåter arbete med minimal spänning.
Kretsen nedan visar de vanliga förspänningsfaktorerna för alla DMOS-analoga switchar för utarmningsläge.
För att få enheten att stängas av blir det nödvändigt med en negativ spänning på grinden. Med detta sagt kan motståndet minimeras när FET dessutom förbättras med användning av en positiv grindspänning, vilket möjliggör det specifikt i regionen för förbättringsläge tillsammans med utarmningsregionen.
Detta svar kan ses i följande graf.
Enhetens högfrekventa förstärkning, tillsammans med dess låga kapacitansvärden, ger en ökad 'meritnivå'. Det är verkligen ett avgörande element i VHF- och UHF-förstärkning, som specificerar förstärkningsbreddsprodukten (GBW) för FET, som kan avbildas som:
GBW = gfs / 2 Pi (Ci+ Cut)
p-Channel utarmningstyp MOSFET
Konstruktionen av en MOSFET av p-kanalutarmningstyp är en perfekt omvändning av en n-kanalversion som visas i figur 5.23. Det betyder att substratet nu har formen av en n-typ och kanalen blir en p-typ, vilket kan ses i figur 5.28a nedan.
Terminalidentifieringen förblir oförändrad, men spänningen och strömpolariteterna är omvända, vilket indikeras i samma figur. Avloppskarakteristiken skulle vara exakt som avbildad i figur 5.25, utom VDStecken som i detta fall får ett negativt värde.
Avloppsströmmen IDvisar också en positiv polaritet i det här fallet, det beror på att vi redan har vänt riktningen. VGSvisar en motsatt polaritet, vilket är förståeligt, såsom indikeras i figur 5.28c.
Eftersom VGSomvänd producerar en spegelbild för överföringsegenskaperna såsom anges i fig. 5,28b.
Betydelse, avloppsströmmen ökar i den positiva VGSregion från avskärningspunkten vid VGS= Vp tills jagDSS, sedan fortsätter den att stiga som det negativa värdet av V.GSstiger.
Symboler
De grafiska tecknen för en MOSFET av uttömningstyp av n- och p-kanalen kan ses i ovanstående figur 5.29.
Observera hur de valda symbolerna syftar till att representera enhetens sanna struktur.
Frånvaron av en direkt sammankoppling (på grund av grindisoleringen) mellan grinden och kanalen symboliseras av ett gap mellan grinden och symbolens olika terminaler.
Den vertikala linjen som representerar kanalen är fäst mellan avloppet och källan och 'hålls' av substratet.
Två grupper av symboler är inredda i figuren ovan för varje typ av kanal för att belysa det faktum att substratet i vissa enheter kan vara tillgängligt externt medan det i andra kanske inte syns.
MOSFET (Enhancement-Type)
Även om MOSFET: er för utarmningstyp och förbättringstyp liknar sina interna strukturer och funktionella läge kan deras egenskaper vara helt annorlunda.
Huvudskillnaden är dräneringsströmmen som beror på en specifik nivå av gate-to-source-spänning för avstängningsåtgärden.
Exakt, en MOSFET av n-kanalförbättringstyp kan arbeta med en positiv grind / källspänning, istället för en rad negativa potentialer som normalt kan påverka en utarmningstyp MOSFET.
Grundläggande konstruktion
Du kan visualisera MOSFET av n-kanalförbättringstyp i det följande
Bild 5.31.
En p-typmaterialsektion skapas genom en kiselbas och som man lär sig innan den kallas substratet.
Detta substrat är vid vissa tillfällen fäst internt med källstiftet i en utarmningstyp MOSFET, medan det i vissa fall avslutas som en fjärde ledning för att möjliggöra en extern kontroll av dess potentiella nivå.
Käll- och avloppsterminalerna är som vanligt förenade med metallkontakter till n-dopade regioner.
Det kan dock vara viktigt att visualisera att i figur 5.31 kanalen mellan de två n-dopade regionerna saknas.
Detta kan betraktas som den grundläggande skillnaden mellan en utarmningstyp och en förbättringstyp MOSFETs interna layout, det vill säga frånvaron av en inneboende kanal som antas vara en del av enheten.
SiO2-skiktet kan ses fortfarande utbrett, vilket säkerställer en isolering mellan grindterminalens metallbas och regionen mellan avloppet och källan. Men här kan det bevittnas stående åtskilt från p-typmaterialsektionen.
Från ovanstående diskussion kan vi dra slutsatsen att en utarmning och förbättring av MOSFETs interna layout kan ha vissa likheter, förutom den saknade kanalen mellan avlopp / källa för en förbättringstyp av MOSFET.
Grundläggande användning och egenskaper
För en förbättringstyp MOSFET när en 0 V introduceras vid sin VGS, på grund av den saknade n-kanalen (som är känd för att bära många fria bärare) orsakar en strömutgång att vara noll, vilket är helt olikt en utarmningstyp av MOSFET, med ID = IDSS.
I en sådan situation på grund av en saknad bana över avlopps- / källterminaler, kan stora mängder bärare i form av elektroner inte ackumuleras vid avlopp / källa (på grund av de n-dopade regionerna).
Genom att använda en viss positiv potential vid VDS, med VGS inställd på noll volt och SS-terminalen kortsluten med källterminalen, hittar vi faktiskt ett par omvänd förspända pn-korsningar mellan de n-dopade regionerna och p-substratet för att möjliggöra någon anmärkningsvärd ledning över dränera till källan.
I figur 5.32 visas ett tillstånd där VDS och VGS appliceras med någon positiv spänning högre än 0 V, vilket gör att avloppet och grinden kan ha en positiv potential i förhållande till källan.
Den positiva potentialen vid grinden skjuter hålen i p-substratet längs kanten av SiO2-skiktet som avgår från platsen och går djupare in i p-substratets områden, såsom visas i figuren ovan. Detta händer på grund av liknande avgifter som stöter bort varandra.
Detta resulterar i att en utarmningsregion skapas nära SiO2-isoleringsskiktet som är tomt för hål.
Trots detta dras p-substratelektronerna som är materialets minoritetsbärare mot den positiva grinden och börjar samlas i regionen nära ytan av SiO2-skiktet.
På grund av isoleringsegenskapen hos SiO2-skiktet tillåter negativa bärare att de negativa bärarna absorberas vid grindterminalen.
När vi ökar nivån på VGS ökar också elektrontätheten nära SiO2-ytan tills slutligen den inducerade regionen av n-typen kan tillåta en kvantifierbar ledning över avlopp / källa.
VGS-storleken som orsakar en optimal ökning av dräneringsströmmen kallas tröskelspänningen, betecknas med symbolen VT . I datablad kommer du att kunna se detta som VGS (Th).
Som lärt oss ovan, på grund av frånvaron av en kanal vid VGS = 0, och 'förbättrad' med den positiva gate-to-source-spänningsapplikationen, är denna typ av MOSFET känd som förbättrings-typ MOSFETs.
Du kommer att upptäcka att både utarmnings- och förbättrings-typ MOSFET uppvisar förbättrings-regioner, men termen förbättring används för det senare eftersom det specifikt fungerar med ett förbättringsläge.
Nu, när VGS skjuts över tröskelvärdet, kommer koncentrationen av de fria bärarna att öka i kanalen där den induceras. Detta gör att avloppsströmmen ökar.
Å andra sidan, om vi håller VGS konstant och ökar VDS-nivån (dränering till källspänning), kommer detta i slutändan att få MOSFET att nå sin mättnadspunkt, vilket normalt också skulle hända med någon JFET eller en utarmning MOSFET.
Som visas i figur 5.33 planas avloppsström-ID ut med hjälp av en klämprocess, indikerad av den smalare kanalen mot avloppsänden på den inducerade kanalen.
Genom att tillämpa Kirchhoffs spänningslag på MOSFET: s terminalspänningar i figur 5.33 får vi:
Om VGS hålls konstant till ett specifikt värde, till exempel 8 V, och VDS höjs från 2 till 5 V, blir spänningen VDG med ekv. 5.11 kan ses falla från -6 till -3 V, och grindpotentialen blir mindre och mindre positiv med avseende på avloppsspänningen.
Detta svar förbjuder de fria bärarna eller elektronerna att dras mot denna region av den inducerade kanalen, vilket i sin tur resulterar i en minskning av kanalens effektiva bredd.
I slutändan minskar kanalbredden till punkten för avklämning och når ett mättnadstillstånd som liknar det vi redan lärde oss i vår tidigare utarmning av MOSFET-artikeln.
Det betyder att öka VDS ytterligare med en fast VGS påverkar inte mättnadsnivån för ID förrän den punkt där en uppdelningssituation uppnås.
Med tanke på fig 5.34 kan vi identifiera att för en MOSFET som i figur 5.33 med VGS = 8 V, sker mättnad vid en VDS-nivå på 6 V. För att vara exakt är VDS-mättnadsnivån associerad med den applicerade VGS-nivån genom:
Utan tvekan innebär det således att när VT-värdet är fixerat, kommer en ökning av nivån på VGS proportionellt att orsaka högre mättnadsnivåer för VDS genom mättnadsnivåerna.
Med hänvisning till egenskaperna som visas i ovanstående figur är VT-nivån 2 V, vilket framgår av det faktum att avloppsströmmen har sjunkit till 0 mA.
Därför kan vi vanligtvis säga:
När VGS-värden är mindre än tröskelvärdet för förbättringstyp MOSFET är dess dräneringsström 0 mA.
Vi kan också tydligt se i figuren ovan att så länge VGS höjs högre från VT till 8 V ökar motsvarande mättnadsnivå för ID också från 0 till 10 mA-nivå.
Vi kan dessutom märka att utrymmet mellan VGS-nivåerna ökar med en ökning av värdet på VGS, vilket orsakar steglöst stigande steg i dräneringsströmmen.
Vi finner att avloppsströmvärdet är relaterat till spänningen gate-to-source för VGS-nivåer som är större än VT, genom följande icke-linjära förhållande:
Termen som visas i kvadratisk parentes är den term som är ansvarig för det olinjära förhållandet mellan ID och VGS.
Termen k är konstant och är en funktion av MOSFET-layouten.
Vi kan ta reda på värdet på denna konstant k genom följande ekvation:
där ID (på) och VGD (på) var och en är värden specifikt beroende på enhetens egenskaper.
I nästa bild 5.35 nedan hittar vi avlopps- och överföringsegenskaperna anordnade bredvid varandra för att klargöra överföringsprocessen över varandra.
I grund och botten liknar den processen som förklarats tidigare för JFET och MOSFETs av uttömningstyp.
För det aktuella fallet måste vi dock komma ihåg att dräneringsströmmen är 0 mA för VGS VT.
Här kan ID se en märkbar mängd ström som kommer att öka enligt bestämning av ekv. 5.13.
Observera att när vi definierar punkter över överföringsegenskaperna från dräneringsegenskaperna, tar vi bara hänsyn till mättnadsnivåerna. Detta begränsar driftsområdet till VDS-värden som är högre än mättnadsnivåerna enligt Eq. (5.12).
p-Channel Enhancement-Type MOSFETs
Strukturen för en MOSFET av p-kanalförbättringstyp som visas i figur 5.37a är precis motsatsen till den som visas i figur 5.31.
Menande, nu hittar du att ett substrat av n-typ och p-dopade områden under avlopps- och källfogarna.
Terminalerna fortsätter att vara som etablerade, men var och en av strömriktningarna och spänningspolariteterna är omvända.
Avloppskaraktäristiken kan se ut som i figur 5.37c, med ökande mängder ström orsakade av en kontinuerligt mer negativ storlek av VGS.
Överföringsegenskaperna skulle vara spegelintrycket (runt ID-axeln) för överföringskurvan i figur 5.35, med ID som ökar med fler och fler negativa värden för VGS över VT, såsom visas i figur 5.37b. Ekvationer (5.11) till (5.14) är lika lämpliga som p-kanalanordningar.
Referenser:
- 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
Tidigare: Anti Spy RF Detector Circuit - Wireless Bug Detector Nästa: Överföringsegenskaper
