V súčasnosti existujú dva hlavné typy FET: JFET a MOSFET.
MOSFETy sa dajú ďalej klasifikovať na typ vyčerpania a typ vylepšenia. Oba tieto typy definujú základný režim činnosti MOSFETov, zatiaľ čo samotný termín MOSFET je skratkou tranzistora s efektom kov-oxid-polovodič-pole.
Vzhľadom na to, že tieto dva typy majú odlišné pracovné vlastnosti, budeme každý z nich hodnotiť osobitne v rôznych článkoch.
Rozdiel medzi zosilnením a vyčerpaním MOSFET
V podstate, na rozdiel od vylepšených MOSFETov, sú vyčerpané MOSFETy v zapnutom stave aj v prítomnosti 0 V cez terminály typu gate-to-source (VGS).
Pre vylepšený MOSFET musí byť napätie medzi vstupným zdrojom a zdrojom (VGS) vyššie ako jeho prahové napätie medzi vstupným a výstupným zdrojom (VGS (th)). aby sa to stalo správnym .
Avšak pre MOSFET vyčerpania N-kanála je jeho hodnota VGS (th) vyššia ako 0 V. To znamená, že aj keď VGS = 0 V, vyčerpaný MOSFET je schopný viesť prúd. Ak ju chcete vypnúť, je potrebné znížiť VGS vyčerpania MOSFET pod VGS (th) (záporná).
V tomto článku sa budeme zaoberať typom vyčerpania MOSFET, o ktorom sa hovorí, že má charakteristiky zodpovedajúce vlastnostiam JFET. Podobnosť je medzi medznou hodnotou a saturáciou blízko IDSS.
Základná konštrukcia
Obrázok 5.23 zobrazuje základnú vnútornú štruktúru n-kanálového typu MOSFET typu vyčerpania.
Nájdeme blok materiálu typu p vytvorený pomocou kremíkovej základne. Tento blok sa nazýva substrát.
Podklad je podklad alebo základ, na ktorom je zostrojený MOSFET. Pre niektoré MOSFETy je vnútorne prepojený s „zdrojovým“ terminálom. Veľa zariadení tiež ponúka ďalší výstup vo forme SS, ktorý obsahuje 4-koncový MOSFET, ako je znázornené na obr. 5.23.
Odtok a zdrojové svorky sú pripojené cez vodivé kontakty k miestam dotovaným n a sú pripojené cez n-kanál, ako je znázornené na rovnakom obrázku.
Brána je tiež spojená s kovovou vrstvou, aj keď je izolovaná od n-kanála cez jemnú vrstvu oxidu kremičitého (SiOdva).
SiOdvamá jedinečnú formu izolačnej vlastnosti zvanú dielektrikum, ktorá v sebe vytvára protichodné elektrické pole v reakcii na externe použité elektrické pole.
Ako izolačná vrstva je to materiál SiOdvaponúka nám tieto dôležité informácie:
Týmto materiálom je vyvinutá úplná izolácia medzi terminálom brány a kanálom MOSFET.
Navyše je to kvôli SiOdvaje brána mosfetu schopná vykazovať extrémne vysoký stupeň vstupnej impedancie.
Kvôli tejto životne dôležitej vlastnosti vysokej vstupnej impedancie je hradlový prúd IGje prakticky nulový pre každú konfiguráciu MOSFET s predpätím na jednosmerný prúd.
Základné fungovanie a charakteristiky
Ako je možné vidieť na obr. 5.24, napätie hradla k zdroju bolo nakonfigurované na nulové volty spojením dvoch svoriek dohromady, zatiaľ čo napätie VDSsa aplikuje cez odtokové a zdrojové svorky.
Pri vyššie uvedenom nastavení vytvára odtoková strana pozitívny potenciál voľnými elektrónmi v kanáli n spolu s ekvivalentným prúdom cez kanál JFET. Taktiež výsledný prúd VGS= 0 V sa stále identifikuje ako IDSS, ako je uvedené na obr. 5.25
Môžeme vidieť, že na obr. 5.26 je zdroj napätia brány VGSdostane negatívny potenciál vo forme -1V.
Tento negatívny potenciál sa pokúša tlačiť elektróny smerom k substrátu p-kanála (pretože náboje odpudzujú) a vyťahovať otvory zo substrátu p-kanála (pretože opačné náboje priťahujú).
Podľa toho, aké veľké je toto negatívne skreslenie VGSTo znamená, že dochádza k rekombinácii dier a elektrónov, čo vedie k redukcii voľných elektrónov v n-kanáli, ktorý je k dispozícii na vedenie. Vyššia úroveň negatívneho skreslenia vedie k vyššej miere rekombinácie.
Odtokový prúd sa následne zníži, keď sa zvýši vyššie uvedený stav negatívneho predpätia, čo je dokázané na obr. 5,25 pre VGSúrovne VGS= -1, -2 a tak ďalej, až do odtrhnutia -6V.
Odtokový prúd vo výsledku spolu s grafom prenosovej krivky pokračuje rovnako ako v prípade a JFET.
Teraz pre pozitívny VGShodnoty, kladná hradla priláka prebytočné elektróny (voľné nosiče) zo substrátu typu p v dôsledku reverzného únikového prúdu. Takto sa získajú čerstvé nosiče prostredníctvom výsledných kolízií cez urýchľujúce častice.
Pretože napätie medzi vstupným zdrojom a zdrojom má tendenciu stúpať kladnou rýchlosťou, odtokový prúd vykazuje rýchly nárast, čo je dokázané na obr. 5.25 z rovnakých dôvodov, aké sú uvedené vyššie.
Medzera sa vyvinula medzi krivkami VGS= 0 V a VGS= +1 zreteľne ukazuje množstvo, o ktoré sa prúd zvýšil v dôsledku variácie V na 1 - VGS
Kvôli rýchlemu nárastu odtokového prúdu musíme byť opatrní pri maximálnom prúdovom výkone, inak by mohol prekročiť hranicu kladného hradlového napätia.
Napríklad pre typ zariadenia znázorneného na obr. 5,25 použitie VGS= + 4 V by spôsobilo, že odtokový prúd stúpne na 22,2 mA, čo môže prekročiť maximálnu hraničnú hodnotu (prúd) zariadenia.
Vyššie uvedená podmienka ukazuje, že použitie kladného napätia typu „gate-to-source“ generuje zosilnený účinok na množstvo voľných nosných v kanáli, na rozdiel od prípadu, keďGS= 0V.
To je dôvod, prečo je oblasť pozitívneho hradlového napätia na charakteristike odtoku alebo prenosu všeobecne známa ako vylepšenia regiónu . Táto oblasť leží medzi medznou hodnotou a úrovňou nasýtenia I.DSSalebo oblasť vyčerpania.
Riešenie vzorového problému
Výhody a aplikácie
Na rozdiel od MOSFETov s vylepšeným režimom, kde zistíme, že odtokový prúd klesá na nulu v reakcii na nulové napätie od zdroja k zdroju, moderný FET v režime vyčerpania obsahuje znateľný prúd s nulovým napätím od brány. Aby sme boli presní, odpor odtoku k zdroju je zvyčajne 100 ohmov pri nulovom napätí.
Ako je uvedené v predchádzajúcom grafe, rezistencia rds(zapnuté)vs rozsah analógového signálu vyzerá ako prakticky plochá odozva. Táto vlastnosť v spojení s úrovňami nízkej kapacity tohto zariadenia s pokročilým typom vyčerpania umožňujú, aby boli špeciálne ideálne ako analógové prepínače pre prepínanie zvukových a obrazových aplikácií.
Atribút MOSFET v režime vyčerpania „normálne zapnutý“ umožňuje, aby bolo zariadenie perfektne vhodné pre jednotlivé regulátory prúdu FET.
Jeden takýto príklad obvodu je možné vidieť na nasledujúcom obrázku.
Hodnota Rs sa dala určiť pomocou vzorca:
Rs= VGSvypnutý[1 - (I.D/ JaDSS)1/2] / I.D
kde JaD je množstvo regulovaného prúdu požadovaného na výstupe.
Hlavnou výhodou MOSFETov s depléčným režimom v aplikáciách s prúdovým zdrojom je ich minimálna odtoková kapacita, ktorá ich robí vhodnými pre predpäťové aplikácie v obvodoch s nízkym vstupným únikom a strednou rýchlosťou (> 50 V / us).
Na obrázku nižšie je znázornené predné rozhranie diferenciálneho prúdu s nízkym vstupným únikom využívajúce funkciu FET s dvojitým nízkym únikom.
Všeobecne možno povedať, že každá strana JFET bude ovplyvnená na ID = 500 uA. Preto je prúd, ktorý je možné získať na kompenzáciu nabíjania a bludné kapacity, obmedzený na hodnotu 2ID alebo v takýchto prípadoch na 1,0 mA. Zodpovedajúce vlastnosti JFET sú výrobne overené a zabezpečené v údajovom liste.
Cs symbolizuje výstupnú kapacitu „koncového“ zdroja prúdu vstupného stupňa. Táto kapacita je rozhodujúca v neinvertujúcich zosilňovačoch, vzhľadom na to, že na vstupnom stupni dochádza k významným výmenám signálov v celej tejto sieti a nabíjacie prúdy v Cs by mohli byť veľké. V prípade, že sa použijú zdroje bežného prúdu, môže byť táto koncová kapacita zodpovedná za viditeľné zhoršenie rýchlosti otáčania v neinvertujúcich obvodoch (v porovnaní s inverznými aplikáciami, kde nabíjacie prúdy v Cs majú tendenciu byť minimálne).
Pokles miery zabitia by sa dal vyjadriť ako:
1 / 1+ (Cs / Sc)
Pokiaľ je Cs nižšie ako Cc (kompenzačný kondenzátor), môžu existovať takmer akékoľvek zmeny v rýchlosti premeny. Pri práci s DMOS FET môžu byť Cs okolo 2 pF. Táto stratégia vedie k obrovskému zlepšeniu miery spomalenia. Tam, kde sú potrebné prúdové deficity vyššie ako 1 až 5 mA, by zariadenie mohlo byť predpäté do režimu vylepšenia, aby generovalo až 20 mA pre maximálny VGS +2,5 V, pričom kľúčovým aspektom zostáva minimálna výstupná kapacita.
Ďalšia nižšie uvedená aplikácia vykazuje správny obvod zdroja prúdu v režime vylepšenia.
„Normálne zapnutý“ analógový prepínač by mohol byť zostrojený pre požiadavky, kde je počas výpadku napájacieho napätia potrebný štandardný stav, napríklad pri automatickom nastavovaní rozsahu testovacích nástrojov alebo na zabezpečenie presného spustenia logických obvodov pri zapnutí.
Znížené záporné prahové napätie prístroja ponúka základné predpoklady pohonu a umožňuje prácu s minimálnym napätím.
Obvod uvedený nižšie demonštruje faktory spoločného predpätia pre akýkoľvek analógový prepínač DMOS v režime vyčerpania.
Aby sa prístroj vypol, je na bráne potrebné záporné napätie. To znamená, že odpor by sa mohol minimalizovať, keď sa FET dodatočne zvýši pomocou kladného hradlového napätia, čo ho špecificky umožní v oblasti režimu vylepšenia spolu s oblasťou vyčerpania.
Túto odpoveď môžeme sledovať v nasledujúcom grafe.
Vysokofrekvenčný zisk jednotky spolu s nízkymi kapacitnými hodnotami poskytuje zvýšenú „hodnotu zásluh“. Je to skutočne zásadný prvok v zosilňovaní VHF a UHF, ktorý špecifikuje produkt šírky pásma (GBW) FET, ktorý by sa dal znázorniť ako:
GBW = gfs / 2 Pi (C.v+ C.von)
MOSFET typu p-kanálového vyčerpania
Konštrukcia MOSFET typu vyčerpania p-kanála je dokonalým zvratom verzie n-kanála zobrazenej na obr. 5.23. To znamená, že substrát má teraz formu typu n a kanál sa stáva typom p, ako je vidieť na obrázku 5.28a nižšie.
Identifikácia terminálu zostáva nezmenená, ale polarita napätia a prúdu sú obrátené, ako je to znázornené na rovnakom obrázku. Charakteristiky odtoku by boli presne také, ako je znázornené na obr. 5.25, okrem VDSznamienko, ktoré v tomto prípade získa zápornú hodnotu.
Odtokový prúd IDukazuje pozitívnu polaritu aj v tomto prípade, pretože sme už obrátili jeho smer. V.GSukazuje opačnú polaritu, ktorá je pochopiteľná, ako je znázornené na obr. 5.28c.
Pretože VGSje obrátený vytvára zrkadlový obraz pre charakteristiky prenosu, ako je znázornené na obr. 5,28b.
To znamená, že odtokový prúd sa zvyšuje v kladnom VGSregiónu od bodu cut-off pri VGS= Vp až do IDSS, potom ďalej rastie ako záporná hodnota VGSstúpa.
Symboly
Grafické znaky pre MOSFET typu vyčerpania n- a p-kanála možno vidieť na vyššie uvedenom obrázku 5.29.
Sledujte spôsob, akým vybrané symboly predstavujú skutočnú štruktúru zariadenia.
Absencia priameho prepojenia (z dôvodu izolácie brány) medzi bránou a kanálom je symbolizovaná medzerou medzi bránou a rôznymi svorkami symbolu.
Vertikálna čiara, ktorá predstavuje kanál, je pripevnená medzi odtokom a zdrojom a je „držaná“ substrátom.
Na obrázku vyššie sú pre každý typ kanála uvedené dve skupiny symbolov, ktoré zvýrazňujú skutočnosť, že v niektorých zariadeniach môže byť podklad prístupný zvonka, zatiaľ čo v iných to nemusí byť viditeľné.
MOSFET (typ vylepšenia)
Aj keď MOSFET typu vyčerpania a vylepšenia vyzerajú podobne so svojimi vnútornými štruktúrami a funkčným režimom, ich charakteristiky môžu byť celkom odlišné.
Hlavným rozdielom je odtokový prúd, ktorý závisí od konkrétnej úrovne napätia typu gate-to-source pre odpojenie.
Presne, N-kanálový MOSFET typu vylepšenia môže pracovať s kladným hradlovým / zdrojovým napätím namiesto s radom negatívnych potenciálov, ktoré môžu normálne ovplyvniť MOSFET typu vyčerpania.
Základná konštrukcia
MOSFET typu vylepšenia n-kanála si môžete vizualizovať nižšie
Obr. 5.31.
Časť materiálu typu p je vytvorená cez kremíkovú základňu a ako bolo známe skôr, je označovaná ako substrát.
Tento substrát je v niektorých prípadoch pripojený interne k zdrojovému kolíku v MOSFETe typu vyčerpania, zatiaľ čo v niektorých prípadoch je zakončený ako štvrtý zvod pre umožnenie externej kontroly jeho potenciálnej úrovne.
Zdrojové a odtokové svorky sú ako obvykle spojené pomocou kovových kontaktov s n-dotovanými oblasťami.
Môže však byť dôležité vizualizovať si, že na obrázku 5.31 chýba kanál medzi dvoma oblasťami dotovanými n.
To možno považovať za základnú odlišnosť medzi vnútorným usporiadaním MOSFET typu vyčerpania a MOSFET typu vylepšenia, čo je absencia inherentného kanála, ktorý má byť súčasťou zariadenia.
Stále možno vidieť vrstvu SiO2, ktorá zaisťuje izoláciu medzi kovovou základňou terminálu brány a oblasťou medzi odtokom a zdrojom. Tu však môže byť svedkom státia oddeleného od časti materiálu typu p.
Z vyššie uvedenej diskusie môžeme vyvodiť záver, že vnútorné rozloženie vyčerpania a vylepšenia MOSFET môže mať určité podobnosti, okrem chýbajúceho kanálu medzi odtokom / zdrojom pre typ vylepšenia MOSFET.
Základné fungovanie a charakteristiky
Pre typ vylepšenia MOSFET, keď sa na jeho VGS zavedie 0 V, spôsobí chýbajúci n-kanál (o ktorom je známe, že nesie veľa voľných nosných) prúdový výstup nulový, čo je celkom na rozdiel od typu vyčerpania MOSFET s ID = IDSS.
V takejto situácii z dôvodu chýbajúcej cesty cez odtokové / zdrojové terminály sa veľké množstvo nosičov vo forme elektrónov nedokáže akumulovať pri odtoku / zdroji (kvôli oblastiam dotovaným n).
Použitím pozitívneho potenciálu na VDS, s VGS nastaveným na nulové volty a svorkou SS skratovanou so zdrojovou svorkou, skutočne nájdeme pár reverzne predpätých pn spojov medzi oblasťami dotovanými n a p-substrátom, aby sme umožnili akékoľvek pozoruhodné vedenie cez odtok k zdroju.
Na obr. 5.32 zobrazuje stav, keď sú VDS a VGS aplikované s pozitívnym napätím vyšším ako 0 V, čo umožňuje, aby odtok a hradlo mali kladný potenciál vzhľadom na zdroj.
Pozitívny potenciál v bráne tlačí otvory v p-substráte pozdĺž okraja vrstvy SiO2, pričom opúšťa miesto a vstupuje hlbšie do oblastí p-substrátu, ako je to znázornené na obrázku vyššie. Stáva sa to kvôli podobným poplatkom, ktoré sa navzájom odpudzujú.
To má za následok vytvorenie oblasti vyčerpania blízko izolačnej vrstvy SiO2, ktorá je bez dier.
Napriek tomu sú p-substrátové elektróny, ktoré sú menšinovými nosičmi materiálu, ťahané smerom k pozitívnej bráne a začínajú sa zhromažďovať v oblasti blízko povrchu vrstvy SiO2.
Vďaka izolačnej vlastnosti vrstvy SiO2 umožňujú záporné nosiče absorpciu záporných nosičov na termináli brány.
Keď zvyšujeme hladinu VGS, zvyšuje sa aj elektrónová hustota blízko povrchu SiO2, až kým nakoniec indukovaná oblasť typu n nie je schopná umožniť kvantifikovateľné vedenie cez odtok / zdroj.
Veľkosť VGS, ktorá spôsobuje optimálne zvýšenie odtokového prúdu, sa nazýva prahové napätie, označené symbolom VT . V údajových listoch to uvidíte ako VGS (Th).
Ako sme sa dozvedeli vyššie, kvôli absencii kanála pri VGS = 0 a „vylepšenej“ pozitívnou aplikáciou napätia typu gate-to-source, je tento typ MOSFET známy ako MOSFET vylepšeného typu.
Zistíte, že obidva typy MOSFET s vyčerpaním a vylepšením vykazujú oblasti typu vylepšenia, ale výraz vylepšenie sa používa pre druhú možnosť, pretože konkrétne pracuje s použitím prevádzkového režimu vylepšenia.
Teraz, keď je VGS tlačený nad prahovú hodnotu, koncentrácia voľných nosičov sa zvýši v kanáli, kde je indukovaný. To spôsobí zvýšenie odtokového prúdu.
Na druhej strane, ak udržíme konštantu VGS a zvýšime hladinu VDS (napätie od zdroja k zdroju), nakoniec to spôsobí, že MOSFET dosiahne svoj bod nasýtenia, ako by sa to normálne stalo s akýmkoľvek JFET alebo vyčerpaním MOSFET.
Ako je znázornené na obr. 5.33, ID odtokového prúdu sa vyrovná pomocou procesu odštiepenia, ktorý je indikovaný užším kanálom smerom k odtokovému koncu indukovaného kanála.
Aplikáciou uplatnenia Kirchhoffovho zákona o napätí na koncové napätia MOSFET na obrázku 5.33 dostaneme:
Ak sa VGS udržiava konštantná na konkrétnu hodnotu, napríklad 8 V, a VDS sa zvýši z 2 na 5 V, napätie VDG pomocou ekv. Bolo vidieť, že 5,11 klesá z -6 na -3 V a potenciál hradla je čoraz menej pozitívny vzhľadom na odtokové napätie.
Táto odpoveď zakazuje voľným nosičom alebo elektrónom priťahovať sa k tejto oblasti indukovaného kanála, čo vedie k poklesu efektívnej šírky kanála.
Šírka kanála sa nakoniec zníži na úroveň odštiepenia a dosiahne sa saturačná podmienka podobná tomu, čo sme sa už dozvedeli v našom predchádzajúcom článku o vyčerpaní MOSFET.
To znamená, že ďalšie zvyšovanie VDS s pevným VGS nemá vplyv na úroveň nasýtenia ID, až do bodu, keď sa dosiahne situácia poruchy.
Pri pohľade na obrázok 5.34 môžeme zistiť, že pre MOSFET ako na obrázku 5.33, ktorý má VGS = 8 V, nastáva saturácia na úrovni VDS 6 V. Aby sme boli presní, úroveň nasýtenia VDS je spojená s aplikovanou úrovňou VGS pomocou:
Niet pochýb o tom, znamená to, že keď je hodnota VT pevná, zvýšenie hladiny VGS úmerne spôsobí vyššie úrovne nasýtenia VDS cez miesto úrovní nasýtenia.
Pokiaľ ide o charakteristiky zobrazené na vyššie uvedenom obrázku, úroveň VT je 2 V, čo je zrejmé zo skutočnosti, že odtokový prúd klesol na 0 mA.
Preto zvyčajne môžeme povedať:
Keď sú hodnoty VGS nižšie ako prahová úroveň pre MOSFET typu vylepšenia, jeho odtokový prúd je 0 mA.
Na vyššie uvedenom obrázku tiež jasne vidíme, že pokiaľ je VGS zvýšený vyššie z VT na 8 V, zodpovedajúca úroveň nasýtenia pre ID sa tiež zvýši z 0 na 10 mA.
Ďalej si môžeme všimnúť, že priestor medzi úrovňami VGS sa zvyšuje so zvyšovaním hodnoty VGS, čo spôsobuje nekonečne rastúce prírastky odtokového prúdu.
Zistili sme, že hodnota odtokového prúdu súvisí s napätím gate-to-source pre úrovne VGS, ktoré je väčšie ako VT, prostredníctvom nasledujúceho nelineárneho vzťahu:
Termín, ktorý sa zobrazuje v hranatej zátvorke, je termín zodpovedný za nelineárny vzťah medzi ID a VGS.
Termín k je konštanta a je funkciou usporiadania MOSFET.
Hodnotu tejto konštanty k môžeme zistiť pomocou nasledujúcej rovnice:
kde ID (zapnuté) a VGD (zapnuté) sú hodnoty špecificky závislé od charakteristiky zariadenia.
Na nasledujúcom obrázku 5.35 nižšie nájdeme charakteristiky odtoku a prenosu umiestnené navzájom vedľa seba, aby sme objasnili proces prenosu navzájom.
V zásade je to podobné ako proces vysvetlený vyššie pre JFET a MOSFET typu vyčerpania.
V tomto prípade si však musíme uvedomiť, že odtokový prúd je pre VGS VT 0 mA.
Tu ID môže vidieť znateľné množstvo prúdu, ktoré sa zvýši, ako je určené ekv. 5.13.
Upozorňujeme, že pri definovaní bodov nad charakteristikami prenosu z charakteristík odtoku berieme do úvahy iba úrovne nasýtenia. To obmedzuje oblasť pôsobenia na hodnoty VDS vyššie ako sú úrovne nasýtenia stanovené ekv. (5.12).
MOSFET typu p-kanálového vylepšenia
Štruktúra MOSFET typu vylepšenia p-kanála, ako je znázornená na obrázku 5.37a, je opačná oproti štruktúre zobrazenej na obrázku 5.31.
Čo znamená, teraz zistíte, že substrát typu n a oblasti dotované p pod odtokom a zdrojovými spojmi.
Svorky zostávajú nezmenené, ale každý zo smerov prúdu a polarita napätia sú obrátené.
Charakteristiky odtoku môžu vyzerať tak, ako je to znázornené na obrázku 5.37c, pričom majú stúpajúce množstvá prúdu spôsobené kontinuálne negatívnejšími veľkosťami VGS.
Prenosovými charakteristikami by bol zrkadlový odtlačok (okolo osi ID) prenosovej krivky na obr. 5.35, ktorého ID by sa zvyšovalo s čoraz viac negatívnych hodnôt VGS nad VT, ako je zobrazené na obr. 5.37b. Rovnice (5.11) až (5.14) sú podobne vhodné ako zariadenia s kanálom p.
Referencie:
- 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
Dvojica: Anti Spy RF detektorový obvod - bezdrôtový detektor chýb Ďalej: Prenosové charakteristiky
