Trenutno obstajata dve glavni vrsti FET: JFET-ji in MOSFET-ji.
MOSFET-je lahko nadalje razvrstimo na vrsto izčrpanosti in vrsta dodatne opreme. Obe vrsti določata temeljni način delovanja MOSFET-jev, medtem ko je izraz MOSFET okrajšava od tranzistorja s poljskim efektom kovinski oksid-polprevodnik.
Ker imata obe vrsti različne delovne značilnosti, bomo v različnih člankih vsako posebej ocenili.
Razlika med MOSFET-om za izboljšanje in izčrpavanje
V bistvu so za razliko od izboljšanih MOSFET-jev izčrpani MOSFET-ji v stanju, tudi če je 0 V na terminalih od vrat do vira (VGS).
Za izboljšanje MOSFET mora biti napetost od vrat do vira (VGS) nad mejno napetostjo od vrat do vira (VGS (th)) z namenom, da se obnaša .
Vendar pa je za MOSFET z izčrpanjem N-kanala njegova vrednost VGS (th) nad 0 V. To pomeni, da tudi če je VGS = 0 V, lahko MOSFET z izpraznitvijo vodi tok. Če ga želite izklopiti, je treba VGS izčrpanega MOSFET-a zmanjšati pod VGS (th) (negativno).
V tem članku bomo razpravljali o izčrpavanju tipa MOSFET, ki naj bi imel značilnosti, ki se ujemajo z JFET. Podobnost je med mejo in nasičenostjo v bližini IDSS.
Osnovna konstrukcija
Slika 5.2 prikazuje osnovno notranjo strukturo MOSFET-a z izčrpanjem n-kanalov.
Najdemo blok materiala tipa p, ustvarjen s pomočjo silicijeve podlage. Ta blok se imenuje substrat.
Podlaga je osnova ali temelj, na katerem je zgrajen MOSFET. Za nekatere MOSFET-je je interno povezan z 'izvornim' terminalom. Številne naprave ponujajo tudi dodaten izhod v obliki SS, ki vključuje 4-terminalni MOSFET, kot je razvidno iz slike 5.23.
Odtočni in izvorni priključki so prek prevodnih kontaktov povezani na mesta, dopirana z n, in pritrjena skozi n-kanal, kot je prikazano na isti sliki.
Vrata so povezana tudi s kovinsko plastjo, čeprav so od n-kanala izolirana skozi fino plast silicijevega dioksida (SiOdva).
SiOdvaima edinstveno obliko izolacijske lastnosti, imenovano dielektrik, ki v sebi ustvarja nasprotno električno polje kot odziv na zunanje uporabljeno električno polje.
Kot izolacijski sloj je material SiOdvanam ponuja naslednje pomembne informacije:
S tem materialom je razvita popolna izolacija med terminalom vrat in MOSFET kanalom.
Poleg tega je to zaradi SiOdva, vrata mosfet-a imajo izjemno visoko stopnjo vhodne impedance.
Zaradi te vitalne lastnosti visoke vhodne impedance je tok vrat IGje tako rekoč ničelnih amperov za katero koli konfiguracijo MOSFET, ki je usmerjena v enosmerni tok
Osnovne operacije in značilnosti
Kot je razvidno iz slike 5.24, so vrata do vira napetosti nastavljena na nič voltov s povezavo obeh sponk skupaj, medtem ko je napetost VDSse nanese na odtočno in izvorno sponko.
Z zgornjo nastavitvijo odtočna stran vzpostavi pozitiven potencial s prostimi elektroni n-kanala, skupaj z enakovrednim tokom skozi kanal JFET. Tudi nastali tok VGS= 0V se še vedno označuje kot IDSS, kot je prikazano na sliki 5.25
Vidimo lahko, da je na sliki 5.26 napetost V na vratihGSdobi negativni potencial v obliki -1V.
Ta negativni potencial poskuša prisiliti elektrone proti substratu p-kanala (ker se naboji odbijajo) in povleči luknje iz substrata p-kanala (ker se nasprotni naboji privlačijo).
Odvisno od tega, kako velika je ta negativna pristranskost VGSse zgodi rekombinacija lukenj in elektronov, kar povzroči zmanjšanje prostih elektronov v n-kanalu, ki je na voljo za prevod. Višja stopnja negativne pristranskosti povzroči večjo stopnjo rekombinacije.
Odtočni tok se posledično zmanjša, ko se poveča zgoraj navedeno negativno stanje pristranskosti, kar je dokazano na sliki 5.25 za VGSravni VGS= -1, -2 in tako naprej, do oznake pinch-off -6V.
Posledično odtočni tok skupaj s krivuljo prenosne krivulje poteka tako kot pri a JFET.
Zdaj pa za pozitivno VGSvrednosti, bo pozitivna vrata pritegnila odvečne elektrone (proste nosilce) iz podlage tipa p, zaradi povratnega toka uhajanja. To bo vzpostavilo sveže nosilce s posledičnimi trki po pospeševalnih delcih.
Ker napetost od vrat do vira narašča s pozitivno hitrostjo, odtočni tok hitro narašča, kar je dokazano na sliki 5.25 iz istih razlogov, kot je bilo omenjeno zgoraj.
Vrzel se je razvila med krivuljami VGS= 0V in VGS= +1 izrazito prikazuje količino, za katero se je povečal tok zaradi 1 - V variacije VGS
Zaradi hitrega naraščanja odtočnega toka moramo biti previdni pri največji nazivni vrednosti toka, sicer lahko preseže pozitivno mejo napetosti vrat.
Na primer, za vrsto naprave, prikazano na sliki 5.25, z uporabo VGS= + 4V bi povzročil dvig odtočnega toka pri 22,2 mA, kar morda presega mejo največje razgradnje (toka) naprave.
Zgornji pogoj kaže, da uporaba pozitivne napetosti od vrat do vira poveča učinek na količino prostih nosilcev v kanalu, v nasprotju z VGS= 0V.
Zato je območje pozitivne napetosti vrat na značilnostih odtoka ali prenosa splošno znano kot regija za izboljšanje . To območje leži med mejno mejo in stopnjo nasičenosti IDSSali regija izčrpavanja.
Reševanje primera problema
Prednosti in uporabe
V nasprotju z MOSFET-ji v načinu izboljšanja, kjer ugotovimo, da se odtočni tok spusti na nič kot odziv na ničelno napetost od vrat do vira, ima sodobni FET v načinu izpraznitve opazen tok z ničelno napetostjo vrat. Če smo natančni, je upor odtoka do vira običajno 100 ohmov pri ničelni napetosti.
Kot je prikazano na zgornjem grafu, RDS odpornosti ON(vklopljeno)v primerjavi z analognim obsegom signala izgleda praktično ravno odziv. Ta lastnost v povezavi z nizko kapacitivnimi ravnmi teh naprednih naprav za izpraznitev omogoča, da so posebej idealni kot analogna stikala za avdio in video preklapljanje.
Atribut 'normalno vklopljen' MOSFET v načinu izčrpavanja omogoča, da je naprava popolnoma primerna za enojne regulatorje toka FET.
Tak primer vezja je razviden na naslednji sliki.
Vrednost Rs bi lahko določili s formulo:
Rs= VGSizključeno[1 - (ID/JAZDSS)1/2] / JAZD
kje jazD je količina reguliranega toka, ki se zahteva na izhodu.
Glavna prednost MOSFET-jev v načinu izpraznitve v aplikaciji tokovnega vira je njihova minimalna odtočna kapacitivnost, zaradi česar so primerni za pristranske aplikacije v vezjih z nizkim vhodnim uhajanjem, srednje hitrosti (> 50 V / us).
Spodnja slika prikazuje sprednji del diferenčnega toka z nizkim vhodnim tokom in dvojno funkcijo FET z nizkim uhajanjem.
Na splošno bo ena od strani JFET pristranska pri ID = 500 uA. Zato je tok, ki ga je mogoče dobiti za kompenzacijo polnjenja in zapuščene kapacitivnosti, omejen na 2ID ali v takih primerih 1,0 mA. Ustrezne funkcije JFET-a so dokazano v proizvodnji in zagotovljene na obrazcu.
Cs simbolizira izhodno kapacitivnost trenutnega vira 'repa' vhodne stopnje. Ta kapacitivnost je ključnega pomena pri neinvertirajočih ojačevalcih, ker vhodna stopnja doživlja pomembne izmenjave signalov v celotnem omrežju in so polnilni tokovi v Cs lahko veliki. V primeru, da se uporabljajo običajni tokovni viri, bi bila ta repna kapacitivnost lahko odgovorna za opazno poslabšanje hitrosti obračanja v neinvertirnih tokokrogih (v primerjavi z invertirnimi aplikacijami, kjer so polnilni tokovi v Cs ponavadi minimalni).
Padec stopnje umora bi lahko izrazil kot:
1/1+ (Cs / Sc)
Dokler je Cs nižji od Cc (kompenzacijski kondenzator), se hitrost porasta skorajda ne spreminja. Pri delu z DMOS FET lahko C znaša približno 2 pF. Ta strategija močno izboljša stopnjo pobijanja. Kadar so potrebni trenutni primanjkljaji, večji od 1 do 5 mA, bi lahko napravo preusmerili v način izboljšanja, da ustvari do 20 mA za največji VGS +2,5 V, pri čemer je ključni vidik še naprej minimalna izhodna kapacitivnost.
Naslednja aplikacija spodaj prikazuje pravilno tokovno vezje v načinu izboljšave.
Analogno stikalo „običajno na“ je mogoče zgraditi za zahteve, pri katerih so med okvaro napajalne napetosti potrebni standardni pogoji, na primer pri samodejnem določanju razpona preskusnih orodij ali za zagotovitev natančnega zagona logičnih vezij pri vklopljenem stikalu.
Zmanjšana negativna mejna napetost naprave ponuja osnovne pogonske pogoje in omogoča delo z minimalno napetostjo.
Spodnje vezje prikazuje pogoste faktorje pristranskosti za katero koli analogno stikalo DMOS v načinu izpraznitve.
Da se naprava izklopi, so na vratih potrebne negativne napetosti. Ob tem bi lahko odpornost proti vklopu zmanjšali, če se FET dodatno poveča s pozitivno napetostjo vrat, kar ga omogoči posebej v območju načina izboljšave skupaj z območjem načina izčrpavanja.
Ta odziv je razviden iz naslednjega grafa.
Visokofrekvenčni dobiček enote, skupaj z njenimi nizkimi vrednostmi kapacitivnosti, prinaša večjo „vrednost“. To je resnično ključni element pri ojačanju VHF in UHF, ki določa produkt pasovne širine ojačanja (GBW) FET, ki bi ga lahko prikazali kot:
GBW = gfs / 2 Pi (Cv+ Cven)
p-kanalni MOSFET tipa izčrpavanja
Konstrukcija p-kanalnega MOSFET-a z izčrpanim kanalom je popoln reverz različice n-kanala, prikazane na sliki 5.23. To pomeni, da ima substrat zdaj obliko n-tipa in kanal postane p-tip, kot je razvidno iz slike 5.28a spodaj.
Identifikacija terminala ostaja nespremenjena, napetost in trenutna polariteta pa se spremenita, kot je prikazano na isti sliki. Karakteristike odtoka bi bile natančno takšne, kot so prikazane na sliki 5.25, razen VDSznak, ki bo v tem primeru dobil negativno vrednost.
Odtočni tok IDkaže pozitivno polarnost tudi v tem primeru, to je zato, ker smo že obrnili njegovo smer. VGSkaže nasprotno polarnost, kar je razumljivo, kot je prikazano na sliki 5.28c.
Ker VGSje obrnjeno, ustvari zrcalno sliko za značilnosti prenosa, kot je prikazano na sliki 5.28b.
To pomeni, da se odtočni tok poveča pri pozitivnem VGSobmočje od mejne točke na VGS= Vp, dokler IDSS, nato pa še naprej narašča kot negativna vrednost VGSdvigne.
Simboli
Grafični znaki za MOSFET tipa izčrpanosti n- in p-kanalov so lahko prikazani na zgornji sliki 5.29.
Opazujte, kako izbrani simboli želijo predstaviti pravo zgradbo naprave.
Odsotnost neposredne medsebojne povezave (zaradi izolacije vrat) med vrati in kanalom je simbolizirana z vrzeljo med vrati in različnimi priključki simbola.
Navpična črta, ki predstavlja kanal, je pritrjena med odtokom in izvorom in jo 'drži' podlaga.
Na zgornji sliki sta za vsako vrsto kanala na voljo dve skupini simbolov, ki poudarjata dejstvo, da je v nekaterih napravah substrat lahko dostopen zunaj, v drugih pa tega ni mogoče videti.
MOSFET (Enhancement-Type)
Čeprav so MOSFET-ti tipa izčrpanja in izboljšanja videti podobni z notranjimi strukturami in funkcionalnim načinom, so lahko njihove značilnosti precej drugačne.
Glavna razlika je v odtočnem toku, ki je odvisen od določene ravni napetosti od vrat do vira za prekinitev.
Natančneje, n-kanalni MOSFET tipa izboljšave lahko deluje s pozitivno napetostjo vrat / vira, namesto z vrsto negativnih potencialov, ki lahko običajno vplivajo na MOSFET tipa izčrpavanja.
Osnovna konstrukcija
MOSFET n-kanalnega tipa izboljšave si lahko ogledate v nadaljevanju
Slika 5.31.
Odsek materiala tipa p je ustvarjen s pomočjo silicijeve podlage in, kot smo se že prej naučili, se imenuje podlaga.
Ta podlaga je včasih pritrjena z izvornim zatičem v MOSFET z izčrpanim tipom, medtem ko je v nekaterih primerih zaključena kot četrti vodnik, ki omogoča zunanji nadzor njegove potencialne ravni.
Izhodni in odtočni priključki so kot običajno povezani s kovinskimi kontakti v območja, dopirana z n.
Morda pa je pomembno, da si predstavljamo, da na sliki 5.31 manjka kanal med obema dopiranima regijama.
To se lahko šteje za temeljno neskladje med notranjo postavitvijo MOSFET-a tipa izčrpavanja in izboljšave, to je odsotnost lastnega kanala, ki naj bi bil del naprave.
Še vedno prevladuje plast SiO2, ki zagotavlja izolacijo med kovinsko podlago terminala vrat in območjem med odtokom in izvorom. Tu pa je lahko priča, da stoji ločeno od odseka za material tipa p.
Iz zgornje razprave lahko sklepamo, da ima lahko notranja postavitev MOSFET za izčrpavanje in izboljšanje nekaj podobnosti, razen manjkajočega kanala med odtokom / virom za vrsto izboljšave MOSFET.
Osnovne operacije in značilnosti
Za tip izboljšave MOSFET, ko je 0 V na njegovem VGS, zaradi manjkajočega n-kanala (za katerega je znano, da ima veliko prostih nosilcev) povzroči, da je trenutni izhod enak nič, kar je povsem drugače od tipa izpraznitve MOSFET-a, ki ima ID = IDSS.
V takšni situaciji zaradi manjkajoče poti skozi odtočne / izvorne terminale velike količine nosilcev v obliki elektronov ne morejo kopičiti v odtoku / viru (zaradi n-dopiranih regij).
Z uporabo nekega pozitivnega potenciala na VDS, z VGS, nastavljenim na nič voltov, in SS terminalom, ki je okrajšan z izvornim terminalom, dejansko najdemo nekaj obratno pristranskih pn stikov med območji, dopiranimi z n, in p-podlago, da omogočimo opazno prevod odtok do vira.
Na sliki 5.32 je prikazano stanje, ko se VDS in VGS uporabljata z neko pozitivno napetostjo, večjo od 0 V, ki omogoča odtoku in zavoru pozitiven potencial glede na vir.
Pozitivni potencial na vratih potisne luknje v p-substratu vzdolž roba plasti SiO2, ki odstopa od lokacije in vstopa globlje v območja p-substrata, kot je prikazano na zgornji sliki. To se zgodi zaradi podobnih obtožb, ki se med seboj odbijajo.
To povzroči nastanek območja izčrpavanja blizu izolacijske plasti SiO2, v kateri ni lukenj.
Kljub temu se elektroni p-substrata, ki so manjšinski nosilci materiala, potegnejo proti pozitivnim vratom in se začnejo zbirati v območju blizu površine plasti SiO2.
Zaradi izolacijske lastnosti plasti SiO2 negativni nosilci omogočajo, da se negativni nosilci absorbirajo na priključku vrat.
Ko povečujemo raven VGS, se tudi elektronska gostota blizu površine SiO2 povečuje, dokler končno inducirano območje tipa n ne omogoči merljive prevodnosti čez odtok / vir.
Velikost VGS, ki povzroči optimalno povečanje odtočnega toka, se imenuje mejna napetost, označeno s simbolom VT . V podatkovnih listih boste to videli kot VGS (Th).
Kot smo že ugotovili zgoraj, so tovrstni MOSFET-ji zaradi odsotnosti kanala pri VGS = 0 in 'okrepljeni' s pozitivno napetostno povezavo od vira do vira znani kot MOSFET-ji za izboljšanje.
Ugotovili boste, da MOSFET-ji tipa izčrpavanja in povečanja kažejo regije povečanja, vendar izraz izboljšanje se uporablja za slednje, ker posebej deluje z uporabo načina izboljšanja.
Zdaj, ko bo VGS potisnjen čez mejno vrednost, se bo koncentracija prostih nosilcev povečala v kanalu, kjer je inducirana. To povzroči povečanje odtočnega toka.
Po drugi strani pa, če ohranjamo VGS konstantno in zvišujemo raven VDS (napetost odtoka do vira), bo to na koncu povzročilo, da bo MOSFET dosegel točko nasičenja, kot bi se običajno zgodilo tudi s katerim koli JFET ali MOSFET-om z izčrpanjem.
Kot je prikazano na sliki 5.33, se ID iztočnega toka izravna s pomočjo postopka stiskanja, ki ga kaže ožji kanal proti odtočnemu koncu induciranega kanala.
Z uporabo Kirchhoffovega napetostnega zakona za priključne napetosti MOSFET-a na sliki 5.33 dobimo:
Če se VGS ohranja konstantno na določeno vrednost, na primer 8 V, in VDS dvigne z 2 na 5 V, napetost VDG za enačbo 5.11 je bilo mogoče opaziti, kako pada s -6 na -3 V, potencial vrat pa postaja vedno manj pozitiven glede na odtočno napetost.
Ta odziv prepoveduje, da bi se prosti nosilci ali elektroni vlekli proti temu območju induciranega kanala, kar posledično povzroči padec efektivne širine kanala.
Na koncu se širina kanala zmanjša do točke odklopa in doseže nasičenost, podobno kot smo se že naučili v prejšnjem članku o izčrpavanju MOSFET-a.
To pomeni, da nadaljnje povečanje VDS s fiksnim VGS ne vpliva na stopnjo nasičenosti ID, dokler ni dosežena točka okvare.
Če pogledamo sliko 5.34, lahko ugotovimo, da za MOSFET, kot je na sliki 5.33 z VGS = 8 V, nasičenje poteka na ravni VDS 6 V. Natančneje je raven nasičenosti VDS povezana z uporabljeno ravnjo VGS z:
Brez dvoma to pomeni, da bo, ko bo vrednost VT fiksna, povečanje ravni VGS sorazmerno povzročilo višje stopnje nasičenosti VDS skozi lokus ravni nasičenosti.
Glede na značilnosti, prikazane na zgornji sliki, je raven VT 2 V, kar je razvidno iz dejstva, da je odtočni tok padel na 0 mA.
Zato običajno lahko rečemo:
Kadar so vrednosti VGS manjše od mejne vrednosti za MOSFET izboljšanega tipa, je njen odtočni tok 0 mA.
Na zgornji sliki lahko tudi jasno vidimo, da dokler se VGS dvigne višje od VT na 8 V, se ustrezna stopnja nasičenosti za ID poveča tudi od 0 do 10 mA.
Poleg tega lahko še opazimo, da se razmik med nivoji VGS povečuje s povečanjem vrednosti VGS, kar povzroči neskončno naraščajoče povečanje odtočnega toka.
Ugotovili smo, da je vrednost odtočnega toka povezana z napetostjo od vrat do vira za ravni VGS, ki je večja od VT, z naslednjim nelinearnim razmerjem:
Izraz, ki je prikazan v oglatem oklepaju, je izraz, ki je odgovoren za nelinearno povezavo med ID in VGS.
Izraz k je konstanta in je funkcija postavitve MOSFET-a.
Vrednost te konstante k lahko ugotovimo z naslednjo enačbo:
pri čemer sta ID (vklopljena) in VGD (vklopljena) vrednosti, ki sta posebej odvisni od značilnosti naprave.
Na naslednji sliki 5.35 spodaj najdemo značilnosti odtoka in prenosa, ki so razporejene ena ob drugo, da pojasnijo postopek prenosa med seboj.
V bistvu je podoben postopku, ki je bil prej razložen za JFET in MOSFET-ove z izčrpanjem.
Vendar se moramo v tem primeru spomniti, da je odtočni tok za VGS VT 0 mA.
Tu lahko ID vidi opazno količino toka, ki se bo povečala, kot določa enačba 5.13.
Upoštevajte, da med definiranjem točk nad značilnostmi prenosa iz značilnosti odtoka upoštevamo samo stopnje nasičenosti. To omejuje območje delovanja na vrednosti VDS, višje od ravni nasičenosti, kot jih določa enačba. (5.12).
MOSFET-ji tipa p-Channel Enhancement Type
Struktura MOSFET-a tipa izboljšave p-kanala, kot je prikazana na sliki 5.37a, je ravno nasprotna od tiste, prikazane na sliki 5.31.
To pomeni, da zdaj ugotavljate, da so pod odtočnim in izvornim spojem podlaga n-tipa in območja, dopirana s p.
Terminali so še vedno enaki, vendar so vsa trenutna smer in napetostne polaritete obrnjene.
Karakteristike odtokov so lahko videti tako, kot je prikazano na sliki 5.37c, saj imajo vedno večje količine toka, ki jih povzročajo vedno bolj negativne velikosti VGS.
Karakteristike prenosa bi bile zrcalni odtis (okoli osi ID) prenosne krivulje na sliki 5.35, pri čemer bi se ID povečeval z vedno več negativnimi vrednostmi VGS nad VT, kot je prikazano na sliki 5.37b. Enačbe (5.11) do (5.14) so podobno primerne za p-kanalne naprave.
Reference:
- 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
Prejšnja: Protivohunsko vezje RF detektorja - brezžični detektor hroščev Naprej: Značilnosti prenosa
