MOSFET: tipus de millora, tipus d’esgotament

MOSFET: tipus de millora, tipus d’esgotament

Hi ha dos tipus principals de FET que existeixen actualment: JFET i MOSFET.



Els MOSFET es poden classificar a més en tipus d’esgotament i tipus de millora. Tots dos tipus defineixen el mode de funcionament fonamental dels MOSFET, mentre que el mateix terme MOSFET és l’abreviatura del transistor d’efecte de camp d’òxid de metall-semiconductor.

Atès que els dos tipus tenen característiques de treball diferents, els avaluarem per separat en diferents articles.





Diferència entre MOSFET de millora i esgotament

Bàsicament, a diferència dels MOSFET de millora, els MOSFET d’esgotament es troben en estat, fins i tot en presència de 0 V a través dels terminals porta-font (VGS).

Per a un MOSFET de millora, el voltatge de porta a font (VGS) ha d’estar per sobre del voltatge llindar de porta a font (VGS (th)) per tal de fer-la conduir .



Tanmateix, per a un MOSFET d’esgotament de canal N, el seu valor VGS (th) és superior a 0 V. Això significa que, fins i tot si VGS = 0 V, un MOSFET d’esgotament és capaç de conduir corrent. Per desactivar-lo, cal reduir el VGS d’un MOSFET d’esgotament per sota del VGS (th) (negatiu).

En aquest article analitzarem el tipus d'esgotament MOSFET, que es diu que tenen característiques que coincideixen amb la d'un JFET. La similitud és entre el tall i la saturació a prop de IDSS.

Construcció bàsica

MOSFET tipus esgotament de canal n.

La figura 5.23 mostra l’estructura interna bàsica d’un MOSFET de tipus d’esgotament de canal n.

Podem trobar un bloc de material de tipus p creat amb una base de silici. Aquest bloc s’anomena substrat.

El substrat és la base o la base sobre la qual es construeix un MOSFET. Per a alguns MOSFET està vinculat internament amb el terminal 'font'. A més, molts dispositius ofereixen una sortida addicional en forma de SS, amb un MOSFET de 4 terminals, tal com es revela a la figura 5.23

Els terminals de desguàs i font es connecten mitjançant contactes conductors a ubicacions dopades amb n, i s’uneixen a través d’un canal n, tal com s’indica a la mateixa figura.

La porta també està connectada a una capa metàl·lica, tot i que està aïllada del canal n a través d’una fina capa de diòxid de silici (SiO2).

SiO2posseeix una forma única de propietat d'aïllament anomenada dielèctrica que crea un camp elèctric oposat en si mateix en resposta a un camp elèctric aplicat externament.

En ser una capa aïllant, el material SiO2ens ofereix la següent informació important:

Amb aquest material es desenvolupa un aïllament complet entre la terminal de la porta i el canal mosfet.

A més, és a causa de SiO2, la porta del mosfet és capaç de presentar un grau d’impedància d’entrada extremadament alt.

A causa d’aquesta propietat vital d’alta impedància d’entrada, el corrent de porta IGés pràcticament zero amperes per a qualsevol configuració MOSFET esbiaixada per CC.

Funcionament i característiques bàsiques

MOSFET de tipus d’esgotament de canal n amb VGS = 0 V i un voltatge aplicat VDD.

Com es pot veure a la figura 5.24, la porta a la tensió de la font s’ha configurat a zero volts connectant els dos terminals junts, mentre que una tensió VDSs'aplica a través dels terminals de desguàs i font.

Amb la configuració anterior, el costat de drenatge estableix un potencial positiu pels electrons lliures de canal n, juntament amb un corrent equivalent a través del canal JFET. A més, el corrent V resultantGS= 0V encara s'està identificant com a joDSS, tal com es mostra a la figura 5.25

Característiques de drenatge i transferència per a un MOSFET de tipus d’esgotament de canal n.

Podem veure que a la figura 5.26 la tensió V de la font de la portaGSse li dóna un potencial negatiu en forma de -1V.

Aquest potencial negatiu intenta forçar els electrons cap al substrat del canal p (ja que les càrregues es repel·leixen) i extreure forats del substrat del canal p (ja que les càrregues oposades atrauen).

Reducció de transportistes lliures en canal a causa d’un potencial negatiu a la terminal de la porta

Depenent de la mida d'aquest biaix negatiu VGSés a dir, es produeix una recombinació de forats i electrons que resulta en la reducció d’electrons lliures al canal n disponible per a la conducció. Uns nivells més alts de biaix negatiu produeixen una taxa de recombinació més alta.

En conseqüència, el corrent de drenatge es redueix a mesura que augmenta la condició de biaix negatiu anterior, cosa que es demostra a la figura 5.25 per a VGSnivells de VGS= -1, -2 i així successivament, fins a la marca de pessic de -6V.

Com a resultat, el corrent de drenatge juntament amb el traç de la corba de transferència procedeix igual que el de a JFET.

Ara, pel V positiuGSvalors, el positiu de la porta atraurà l'excés d'electrons (portadors lliures) del substrat de tipus p, a causa del corrent invers de fuita. Això establirà portadors nous a través de les col·lisions resultants a través de les partícules accelerades.

Com que el voltatge de la porta a la font tendeix a augmentar a la velocitat positiva, el corrent de drenatge mostra un augment ràpid, tal com s’ha demostrat a la figura 5.25 per les mateixes raons que s’ha comentat anteriorment.

La bretxa es va desenvolupar entre les corbes de VGS= 0V i VGS= +1 mostra clarament la quantitat en què va augmentar el corrent a causa de la variació 1 - V del VGS

A causa de la pujada ràpida del corrent de drenatge, hem de tenir precaució respecte a la potència màxima de corrent, en cas contrari podria creuar el límit de tensió de la porta positiva.

Per exemple, per al tipus de dispositiu representat a la figura 5.25, aplicant un VGS= + 4V provocaria que el corrent de drenatge augmentés a 22,2 mA, que pot estar creuant el límit màxim de corrent (corrent) del dispositiu.

La condició anterior mostra que l’ús d’un voltatge positiu de porta a font genera un efecte millorat sobre la quantitat de portadors lliures al canal, en comparació amb quan VGS= 0V.

És per això que es coneix generalment com a regió de tensió de porta positiva a les característiques de desguàs o transferència regió de millora . Aquesta regió es troba entre el punt de tall i el nivell de saturació de IDSSo la regió d’esgotament.

Resolució d’un problema d’exemple

Avantatges i aplicacions

A diferència dels MOSFET en mode de millora, on trobem que el corrent de drenatge cau a zero en resposta a un voltatge de porta a font zero, el modern FET en mode d’esgotament presenta un corrent notable amb voltatge de porta zero. Per ser precisos, la resistència de drenatge a font sol ser de 100 ohms en tensió zero.

Tal com s’indica al gràfic anterior, els rds de resistència a l’EN(activat)El rang de senyal analògic vs comparatiu sembla una resposta pràcticament plana. Aquesta característica, juntament amb els nivells de baixa capacitat d’aquest dispositiu de tipus d’esgotament avançat, els permet ser específicament ideals com a commutadors analògics per a aplicacions de commutació d’àudio i vídeo.

L'atribut 'normalment activat' de MOSFET en mode d'esgotament permet que el dispositiu sigui perfectament adequat per a reguladors de corrent FET individuals.

Un exemple d’aquest circuit es pot veure a la figura següent.

El valor de Rs es podria determinar mitjançant la fórmula:

Rs= VGSapagat[1 - (ID/ JoDSS)1/2] / JoD

on JoD és la quantitat de corrent regulat requerida a la sortida.

El principal avantatge dels MOSFET en mode d’esgotament en aplicacions de font actual és la seva capacitat de drenatge mínima, que els fa apropiats per a aplicacions esbiaixades en circuits de baixa velocitat d’entrada, de velocitat mitjana (> 50 V / us).

La figura següent mostra un diferencial de corrent diferencial de baixa entrada d’entrada mitjançant una funció FET doble de baixa fuita.

En termes generals, els dos costats del JFET estaran esbiaixats a ID = 500 uA. Per tant, el corrent que es pot obtenir per compensar la càrrega i les capacitats perdudes es limita a 2ID o, en casos com aquest, a 1,0 mA. Les característiques corresponents del JFET estan provades per la producció i estan garantides al full de dades.

Cs simbolitza la capacitat de sortida de la font de corrent de la cua de l'etapa d'entrada. Aquesta capacitat és crucial en els amplificadors que no inverteixen, a causa del fet que l’etapa d’entrada experimenta intercanvis de senyals importants a tota aquesta xarxa i els corrents de càrrega en Cs poden ser grans. En cas que s’utilitzin fonts de corrent normals, aquesta capacitat de la cua podria ser responsable d’un deteriorament notable de la velocitat de rotació en circuits no inversors (en comparació amb les aplicacions d’inversió, on els corrents de càrrega en Cs solen ser mínims).

La caiguda de la velocitat de gir es podria expressar com:

1/1+ (Cs / Sc)

Mentre Cs sigui inferior a Cc (el condensador de compensació), és possible que no hi hagi cap variació en la velocitat de rotació. Treballant amb el DMOS FET, Cs pot rondar els 2 pF. Aquesta estratègia produeix una gran millora en la velocitat de gir. Quan es necessiten dèficits de corrent superiors a 1 a 5 mA, el dispositiu es pot inclinar en el mode de millora per generar fins a 20 mA per a un VGS màxim de +2,5 V, amb una capacitat de sortida mínima que continua sent un aspecte clau.

La següent aplicació següent mostra un circuit de font de corrent en mode de millora adequat.

Es podria construir un commutador analògic 'normalment' per als requisits en què es necessiti una condició estàndard durant una fallada de tensió de subministrament, per exemple en el rang automàtic d'eines de prova o per garantir un inici precís dels circuits lògics a l'interruptor ON.

El voltatge de llindar negatiu reduït del dispositiu ofereix requisits bàsics de la unitat i permet treballar amb una tensió mínima.

El circuit següent mostra els factors de biaix comuns per a qualsevol commutador analògic DMOS en mode d’esgotament.

Per fer que el dispositiu s'apagui, es fa necessari un voltatge negatiu a la porta. Dit això, la resistència a l'encès es podria minimitzar quan el FET es millora addicionalment mitjançant un voltatge de porta positiu, permetent-ho específicament a la regió del mode de millora juntament amb la regió del mode d'esgotament.

Aquesta resposta es pot veure al gràfic següent.

El guany d’alta freqüència de la unitat, juntament amb els seus baixos valors de capacitat, proporciona una “xifra de mèrit” augmentada. És realment un element crucial en l'amplificació VHF i UHF, que especifica el producte d'amplada de banda de guany (GBW) del FET, que es podria representar com:

GBW = gfs / 2 Pi (Cdins+ Cfora)

MOSFET de tipus p-Channel Depletion-Type

La construcció d’un MOSFET de tipus d’esgotament del canal p és un revers perfecte d’una versió de canal n que es mostra a la figura 5.23. És a dir, ara el substrat adopta la forma d’un tipus n i el canal es converteix en un tipus p, com es pot veure a la figura 5.28a següent.

MOSFET de tipus d’esgotament de canal p amb IDSS = 6 mA i VP = +6 V.

La identificació del terminal es manté inalterada, però la polaritat de voltatge i de corrent s’inverteix, tal com s’indica a la mateixa figura. Les característiques del desguàs serien exactament les que es mostren a la figura 5.25, excepte la VDSsigne que en aquest cas obtindrà un valor negatiu.

El corrent de desguàs IDmostra una polaritat positiva també en aquest cas, ja que ja hem invertit la seva direcció. VGSmostra una polaritat oposada, que és comprensible, tal com s’indica a la figura 5.28c.

Perquè VGSs'inverteix produeix una imatge mirall per a les característiques de transferència tal com s'indica a la figura 5,28b.

És a dir, el corrent de drenatge augmenta en V positiuGSregió des del punt de tall a VGS= Vp fins a IDSS, llavors continua augmentant com a valor negatiu de VGSpuja.

Símbols

Tipus d

Els signes gràfics d’un MOSFET de tipus d’esgotament de canals n i p es poden veure a la figura 5.29 anterior.

Observeu la manera com els símbols seleccionats pretenen representar l’autèntica estructura del dispositiu.

L’absència d’una interconnexió directa (a causa de l’aïllament de la porta) entre la porta i el canal està simbolitzada per un buit entre la porta i els diferents terminals del símbol.

La línia vertical que representa el canal s'uneix entre el desguàs i la font i és 'subjectada' pel substrat.

A la figura anterior es mostren dos grups de símbols per a cada tipus de canal per ressaltar el fet que en alguns dispositius el substrat pot ser accessible externament, mentre que en altres no es pot veure.

MOSFET (tipus de millora)

Tot i que els MOSFET de tipus d’esgotament i de millora tenen un aspecte similar amb les seves estructures internes i el seu mode funcional, les seves característiques poden ser molt diferents.

La principal diferència és el corrent de drenatge que depèn d’un nivell específic de tensió de porta a font per a l’acció de tall.

Precisament, un MOSFET de tipus millora de canal n pot funcionar amb una tensió de porta / font positiva, en lloc d’un rang de potencials negatius que normalment poden afectar un MOSFET de tipus d’esgotament.

Construcció bàsica

Podeu visualitzar el MOSFET de tipus millora del canal n a continuació
Fig. 5.31.

Es crea una secció de material de tipus p a través d’una base de silici, i com s’ha après abans es denomina substrat.

Aquest substrat en algunes ocasions s’uneix internament amb el pin font en un MOSFET de tipus d’esgotament, mentre que en alguns casos s’acaba com a quart conductor per permetre un control extern del seu nivell potencial.

Els terminals de font i de drenatge s’uneixen com de costum mitjançant contactes metàl·lics a regions dopades amb n.

No obstant això, pot ser important visualitzar que a la figura 5.31 falta el canal entre les dues regions dopades amb n.

Això es pot considerar com la diferència fonamental entre el disseny intern d'un MOSFET de tipus esgotament i un tipus de millora, és a dir, l'absència d'un canal inherent que se suposa que forma part del dispositiu.

La capa de SiO2 es pot veure encara prevalent, cosa que assegura un aïllament entre la base metàl·lica del terminal de la porta i la regió entre el desguàs i la font. Tanmateix, aquí es pot presenciar separat de la secció de material de tipus p.

De la discussió anterior podem concloure que un disseny intern de MOSFET per esgotament i millora pot tenir algunes similituds, excepte el canal que falta entre drenatge / font per a un tipus de MOSFET de millora.

Funcionament i característiques bàsiques

Per a un MOSFET de tipus de millora quan s’introdueix un 0 V al seu VGS, a causa de la manca de canal n (que se sap que porta molts portadors lliures) fa que la sortida de corrent sigui zero, cosa que s’assembla a la d’un tipus d’esgotament de MOSFET, amb ID = IDSS.

En una situació així, a causa de la manca de camí a través dels terminals de drenatge / font, grans quantitats de portadors en forma d’electrons no poden acumular-se a la drenatge / font (a causa de les regions dopades amb n).

Aplicant cert potencial positiu a VDS, amb VGS ajustat a zero volts i el terminal SS en curt amb el terminal font, en realitat trobem un parell de juntes pn polaritzades inversament entre les regions dopades amb n i el substrat p per permetre qualsevol conducció notable a través de drenar a la font.


A la figura 5.32 es mostra una condició en què s’apliquen VDS i VGS amb una tensió positiva superior a 0 V, cosa que permet que el drenatge i la porta tinguin un potencial positiu respecte a la font.

El potencial positiu a la porta empeny els forats del substrat p al llarg de la vora de la capa de SiO2 que surt de la ubicació i entra més profundament a les regions del substrat p, tal com es mostra a la figura anterior. Això passa a causa de les càrregues similars que es repel·leixen mútuament.

Això fa que es creï una regió d’esgotament a prop de la capa aïllant de SiO2 que no tingui forats.

Malgrat això, els electrons del substrat p, que són els portadors minoritaris del material, s’estiren cap a la porta positiva i comencen a reunir-se a la regió propera a la superfície de la capa de SiO2.

A causa de la propietat d'aïllament de la capa de SiO2, els portadors negatius permeten que els portadors negatius s'absorbeixin al terminal de la porta.

A mesura que augmentem el nivell de VGS, la densitat d’electrons propera a la superfície de SiO2 també augmenta, fins que finalment la regió de tipus n induïda és capaç de permetre una conducció quantificable a través del drenatge / font.

La magnitud VGS que provoca un augment òptim del corrent de drenatge s’anomena tensió llindar, significat pel símbol VT . Als fulls de dades, podreu veure-ho com a VGS (Th).

Com s’ha après anteriorment, a causa de l’absència d’un canal a VGS = 0, i “millorat” amb l’aplicació de voltatge positiu de porta a font, aquest tipus de MOSFET es coneix com a MOSFET de tipus millora.

Trobareu que tant els MOSFET de tipus d’esgotament com de millora presenten regions de tipus de millora, però el terme millora s'utilitza per a aquest últim perquè funciona específicament amb un mode de funcionament millorat.

Ara, quan VGS passa per sobre del valor llindar, la concentració de les portadores lliures augmentarà al canal on s’indueix. Això fa que augmenti el corrent de desguàs.

D'altra banda, si mantenim el VGS constant i augmentem el nivell VDS (voltatge de drenatge a font), això provocarà que el MOSFET arribi al seu punt de saturació, com normalment passaria a qualsevol JFET o un MOSFET d'esgotament.

Canvi en la regió de canal i esgotament amb un nivell creixent de VDS per un valor fix de VGS.

Com es mostra a la figura 5.33, l'identificador de corrent de drenatge s'anivella amb l'ajut d'un procés de pessigat, indicat pel canal més estret cap a l'extrem de drenatge del canal induït.

Aplicant la llei de tensió de Kirchhoff a les tensions terminals del MOSFET a la figura 5.33, obtenim:

Si VGS es manté constant fins a un valor específic, per exemple, 8 V, i VDS augmenta de 2 a 5 V, el voltatge VDG és l’equador. Es va poder veure 5.11 baixant de -6 a -3 V, i el potencial de la porta cada vegada menys positiu respecte a la tensió de drenatge.

Aquesta resposta prohibeix que els electrons o portadors lliures s’atraguin cap a aquesta regió del canal induït, cosa que al seu torn provoca una caiguda de l’amplada efectiva del canal.

En última instància, l’amplada del canal disminueix fins al punt de pessigat, arribant a una condició de saturació similar a la que ja vam aprendre al nostre anterior article MOSFET sobre esgotament.

És a dir, augmentar encara més el VDS amb un VGS fix no afecta el nivell de saturació de l’ID, fins al punt on s’arriba a una situació de desglossament.

Observant la figura 5.34 podem identificar que per a un MOSFET com a la figura 5.33 amb VGS = 8 V, la saturació té lloc a un nivell VDS de 6 V. Per ser precisos, el nivell de saturació VDS s’associa al nivell VGS aplicat per:

Sens dubte, implica doncs que quan es fixa el valor de VT, augmentar el nivell de VGS provocarà proporcionalment nivells de saturació més alts per VDS a través del lloc dels nivells de saturació.

En referència a les característiques que es mostren a la figura anterior, el nivell de TV és de 2 V, cosa que és evident pel fet que el corrent de drenatge ha caigut a 0 mA.

Per tant, normalment podem dir:

Quan els valors de VGS són inferiors al nivell llindar per a MOSFET de tipus millora, el seu corrent de drenatge és de 0 mA.

També podem veure clarament a la figura anterior que, sempre que el VGS s’elevi més alt de VT a 8 V, el nivell de saturació corresponent per a ID també augmenta de 0 a 10 mA.

A més, podem observar que l'espai entre els nivells de VGS augmenta amb un augment del valor de VGS, provocant un increment infinit del corrent de drenatge.

Trobem que el valor del corrent de drenatge està relacionat amb el voltatge de porta a font per als nivells de VGS superior a VT, a través de la següent relació no lineal:

El terme que es mostra entre claudàtors és el terme responsable de la relació no lineal entre ID i VGS.

El terme k és una constant i és una funció del disseny MOSFET.

Podem esbrinar el valor d’aquesta constant k mitjançant la següent equació:

on l'ID (activat) i VGD (activat) són valors específics segons la característica del dispositiu.

A la següent figura 5.35 a continuació trobem que les característiques de desguàs i transferència estan disposades una al costat de l’altra per aclarir el procés de transferència entre si.

Bàsicament, és similar al procés explicat anteriorment per a JFET i MOSFET de tipus d’esgotament.

No obstant això, per al cas actual, hem de recordar que el corrent de drenatge és de 0 mA per a VGS VT.

Aquí l'identificador pot veure una quantitat notable de corrent, que augmentarà segons determini l'Eq. 5.13.

Tingueu en compte que, tot definint els punts sobre les característiques de transferència a partir de les característiques de desguàs, només considerem els nivells de saturació. Això restringeix la regió d'operació a valors VDS superiors als nivells de saturació establerts per l'Eq. (5.12).

com traçar les característiques de transferència d’un MOSFET de millora de canal n

MOSFET de tipus millora de canals p

L'estructura d'un MOSFET de millora del canal p tal com es mostra a la figura 5.37a és exactament el contrari de la que es mostra a la figura 5.31.

És a dir, ara trobareu que hi ha un substrat de tipus n i regions dopades amb p sota les juntes de drenatge i font.

Els terminals continuen sent els establerts, però cadascuna de les direccions actuals i les polaritats de tensió estan invertides.

Les característiques del desguàs poden ser semblants a les de la figura 5.37c, amb quantitats de corrent creixents causades per una magnitud contínuament més negativa de VGS.

Les característiques de la transferència serien la impressió del mirall (al voltant de l'eix ID) de la corba de transferència de la figura 5.35, amb ID augmentant amb cada vegada més valors negatius de VGS per sobre de la TV, tal com es mostra a la figura 5.37b. Les equacions (5.11) a (5.14) són apropiades de manera similar als dispositius de canal p.

Referències:




Anterior: Circuit de detecció de RF anti-espia - Detector d'errors sense fils Següent: Característiques de transferència