MOSFET: tipo potenziamento, tipo esaurimento

Due tipi principali di FET attualmente esistenti sono: JFET e MOSFET.

I MOSFET possono essere ulteriormente classificati in tipo di esaurimento e tipo di miglioramento. Entrambi questi tipi definiscono la modalità di funzionamento fondamentale dei MOSFET, mentre il termine MOSFET stesso è l'abbreviazione di transistor a effetto di campo a semiconduttore-ossido di metallo.

Dato che le due tipologie hanno caratteristiche di lavoro differenti, le valuteremo separatamente in articoli differenti.

Differenza tra MOSFET di potenziamento e di esaurimento

Fondamentalmente, a differenza dei MOSFET di potenziamento, i MOSFET a esaurimento sono in uno stato attivo anche in presenza di 0 V attraverso i terminali gate-to-source (VGS).

Per un MOSFET di potenziamento, la tensione gate-to-source (VGS) deve essere superiore alla sua tensione di soglia gate-source (VGS (th)) al fine di farlo condurre .

Tuttavia, per un MOSFET a svuotamento a canale N, il suo valore VGS (th) è superiore a 0 V. Ciò significa che anche se VGS = 0 V, un MOSFET a svuotamento è in grado di condurre corrente. Per spegnerlo, il VGS di un MOSFET a esaurimento deve essere ridotto al di sotto del VGS (th) (negativo).

In questo articolo discuteremo il tipo di MOSFET a svuotamento, che si dice abbia caratteristiche corrispondenti a quelle di un JFET. La somiglianza è tra cut-off e saturazione vicino a I_DSS.

Costruzione di base

La Fig. 5.23 mostra la struttura interna di base di un MOSFET di tipo svuotamento a canale n.

Possiamo trovare un blocco di materiale di tipo p creato utilizzando una base di silicio. Questo blocco è chiamato substrato.

Il substrato è la base o la fondazione su cui è costruito un MOSFET. Per alcuni MOSFET è collegato internamente al terminale 'sorgente'. Inoltre, molti dispositivi offrono un'uscita extra sotto forma di SS, con un MOSFET a 4 terminali, come mostrato in Fig. 5.23

I terminali di pozzo e sorgente sono collegati tramite contatti conduttivi a posizioni drogate con n, e fissati attraverso un canale n, come indicato nella stessa figura.

Il gate è anche collegato a uno strato metallico, sebbene sia isolato dal canale n attraverso uno strato sottile di biossido di silicio (SiO_Due).

SiO_Duepossiede una forma unica di proprietà di isolamento chiamata dielettrica che crea un campo elettrico opposto al suo interno in risposta a un campo elettrico applicato esternamente.

Essendo uno strato isolante, il materiale SiO_Dueci offre le seguenti importanti informazioni:

Con questo materiale viene sviluppato un isolamento completo tra il terminale di gate e il canale mosfet.

Inoltre, è a causa di SiO_Due, il gate del mosfet è in grado di presentare un grado di impedenza di ingresso estremamente elevato.

A causa di questa importante proprietà di impedenza di ingresso elevata, la corrente di gate I_Gè virtualmente pari a zero ampere per qualsiasi configurazione MOSFET polarizzata in cc.

Funzionamento e caratteristiche di base

Come si può vedere in Fig. 5.24, la tensione gate to source è stata configurata a zero volt collegando i due terminali insieme, mentre una tensione V_DSviene applicato attraverso i terminali di drenaggio e sorgente.

Con l'impostazione precedente, il lato di drenaggio stabilisce un potenziale positivo da parte degli elettroni liberi del canale n, insieme a una corrente equivalente attraverso il canale JFET. Inoltre, la corrente risultante V_GS= 0V viene ancora identificato come I_DSS, come mostrato in Fig. 5.25

Possiamo vedere che in Fig. 5.26 la tensione del gate source V_GSriceve un potenziale negativo sotto forma di -1V.

Questo potenziale negativo cerca di forzare gli elettroni verso il substrato del canale p (poiché le cariche si respingono) e di tirare buchi dal substrato del canale p (poiché le cariche opposte si attraggono).

A seconda di quanto sia grande questo bias negativo V_GScioè, avviene una ricombinazione di lacune ed elettroni che si traduce nella riduzione degli elettroni liberi nel canale n disponibile per la conduzione. Livelli più elevati di bias negativo si traducono in un più alto tasso di ricombinazione.

La corrente di drenaggio di conseguenza viene ridotta all'aumentare della condizione di polarizzazione negativa di cui sopra, come dimostrato nella Fig. 5.25 per V_GSlivelli di V_GS= -1, -2 e così via, fino al segno di pinch-off di -6V.

Di conseguenza, la corrente di drenaggio insieme al grafico della curva di trasferimento procede proprio come quella di a JFET.

Ora, per il positivo V_GSvalori, il gate positivo attirerà gli elettroni in eccesso (portatori liberi) dal substrato di tipo p, a causa della corrente di dispersione inversa. Ciò stabilirà nuovi trasportatori attraverso le collisioni risultanti tra le particelle in accelerazione.

Poiché la tensione gate-to-source tende ad aumentare a un tasso positivo, la corrente di drain mostra un rapido aumento, come dimostrato nella Fig. 5.25 per gli stessi motivi discussi sopra.

Il divario sviluppato tra le curve di V_GS= 0V e V_GS= +1 mostra distintamente l'ammontare di cui la corrente è aumentata a causa della variazione 1 - V della V_GS

A causa del rapido aumento della corrente di drain dobbiamo fare attenzione alla corrente nominale massima, altrimenti potrebbe attraversare il limite di tensione del gate positivo.

Ad esempio, per il tipo di dispositivo rappresentato nella Fig. 5.25, applicando una V_GS= + 4V causerebbe un aumento della corrente di drenaggio a 22,2 mA, che potrebbe superare il limite massimo di guasto (corrente) del dispositivo.

La condizione di cui sopra mostra che l'uso di una tensione gate-to-source positiva genera un effetto potenziato sulla quantità delle portanti libere nel canale, rispetto a quando V_GS= 0V.

Questo è il motivo per cui la regione della tensione di gate positiva sulle caratteristiche di drain o di trasferimento è generalmente nota come regione di valorizzazione . Questa regione si trova tra il limite e il livello di saturazione di I._DSSo la regione di esaurimento.

Risoluzione di un problema di esempio

Vantaggi e applicazioni

In contrasto con i MOSFET in modalità di miglioramento, in cui troviamo la corrente di drain che scende a zero in risposta a una tensione gate-to-source zero, il moderno FET in modalità di esaurimento presenta una corrente evidente con tensione di gate zero. Per essere precisi, la resistenza da drain a source è solitamente di 100 Ohm a tensione zero.

Come indicato nel grafico sopra, la resistenza ON rds_(su)rispetto alla gamma del segnale analogico sembra una risposta praticamente piatta. Questa caratteristica, in combinazione con i livelli di bassa capacità di questi dispositivi di tipo a svuotamento avanzato, consente loro di essere specificamente ideali come interruttori analogici per applicazioni di commutazione audio e video.

L'attributo 'normalmente acceso' del MOSFET in modalità di esaurimento consente al dispositivo di essere perfettamente adatto per regolatori di corrente a FET singoli.

Uno di questi circuiti di esempio può essere visto nella figura seguente.

Il valore Rs potrebbe essere determinato utilizzando la formula:

R_S= VGS_spento[1 - (I_D/IO_DSS)^1/2] / IO_D

dove io_D è la quantità di corrente regolata richiesta all'uscita.

Il vantaggio principale dei MOSFET in modalità di svuotamento nelle applicazioni con sorgente di corrente è la loro capacità di drain minima, che li rende appropriati per applicazioni di polarizzazione in circuiti a bassa dispersione di ingresso, a velocità media (> 50 V / us).

La figura seguente mostra un front-end differenziale di corrente di dispersione a basso input utilizzando una doppia funzione FET a bassa dispersione.

In generale, entrambi i lati del JFET saranno polarizzati a ID = 500 uA. Pertanto, la corrente ottenibile per la compensazione della carica e le capacità parassite si limita a 2ID o, in casi come questo, a 1,0 mA. Le caratteristiche corrispondenti del JFET sono collaudate in produzione e garantite sulla scheda tecnica.

Cs simboleggia la capacità di uscita della sorgente di corrente 'coda' dello stadio di ingresso. Questa capacità è cruciale negli amplificatori non invertenti, poiché lo stadio di ingresso subisce scambi di segnali significativi in ​​tutta questa rete e le correnti di carica in Cs potrebbero essere grandi. Nel caso vengano impiegate sorgenti di corrente normali, questa capacità di coda potrebbe essere responsabile di un notevole deterioramento della velocità di variazione nei circuiti non invertenti (rispetto alle applicazioni invertenti, dove le correnti di carica in Cs tendono ad essere minime).

Il calo della velocità di risposta potrebbe essere espresso come:

1 / 1+ (Cs / Sc)

Finché Cs è inferiore a Cc (il condensatore di compensazione), potrebbe non esserci quasi alcuna variazione nella velocità di variazione. Lavorando con DMOS FET, C può essere di circa 2 pF. Questa strategia produce un enorme miglioramento nella velocità di variazione. Dove sono necessari deficit di corrente superiori da 1 a 5 mA, il dispositivo può essere polarizzato nella modalità di miglioramento per generare fino a 20 mA per un VGS massimo di +2,5 V, con una capacità di uscita minima che continua a essere un aspetto chiave.

La successiva applicazione di seguito mostra un circuito sorgente di corrente in modalità di miglioramento appropriato.

Un interruttore analogico 'normalmente acceso' potrebbe essere costruito per i requisiti in cui le condizioni standard diventano necessarie durante una caduta della tensione di alimentazione, ad esempio nella selezione automatica degli strumenti di prova o per garantire un avvio accurato dei circuiti logici all'accensione.

La tensione di soglia negativa ridotta del dispositivo offre i prerequisiti di azionamento di base e consente di lavorare con una tensione minima.

Il circuito seguente mostra i fattori di polarizzazione comuni per qualsiasi interruttore analogico DMOS in modalità di esaurimento.

Per provocare lo spegnimento del dispositivo è necessaria una tensione negativa sul cancello. Detto questo, la resistenza on potrebbe essere ridotta al minimo quando il FET viene ulteriormente migliorato utilizzando una tensione di gate positiva, abilitandolo specificamente nella regione della modalità di miglioramento insieme alla regione della modalità di svuotamento.

Questa risposta può essere vista nel grafico seguente.

Il guadagno ad alta frequenza dell'unità, insieme ai suoi bassi valori di capacità, fornisce una maggiore 'cifra di merito'. È davvero un elemento cruciale nell'amplificazione VHF e UHF, che specifica il prodotto guadagno-larghezza di banda (GBW) del FET, che potrebbe essere rappresentato come:

GBW = gfs / 2 Pi (C_nel+ C_su)

MOSFET di tipo a svuotamento del canale p

La costruzione di un MOSFET di tipo a svuotamento del canale p è il contrario perfetto di una versione a canale n mostrata in Fig. 5.23. Ciò significa che il substrato ora assume la forma di un tipo n e il canale diventa un tipo p, come si può vedere nella Fig. 5.28a sotto.

L'identificazione del terminale rimane invariata, ma le polarità della tensione e della corrente sono invertite, come indicato nella stessa figura. Le caratteristiche dello scarico sarebbero esattamente come illustrate in Fig. 5.25, tranne V_DSsegno che in questo caso assumerà un valore negativo.

La corrente di drenaggio I._Dmostra una polarità positiva anche in questo caso, perché abbiamo già invertito la sua direzione. V_GSmostra una polarità opposta, che è comprensibile, come indicato in Fig. 5.28c.

Perché V_GSè invertito produce un'immagine speculare per le caratteristiche di trasferimento come indicato in Fig.5,28b.

Ciò significa che la corrente di drenaggio aumenta nel V positivo_GSregione dal punto di cut-off in V_GS= Vp fino a I_DSS, quindi continua a salire come valore negativo di V_GSsorge.

Simboli

I segni grafici per un MOSFET di tipo svuotamento dei canali n e p possono essere visti nella Fig. 5.29 sopra.

Osservare il modo in cui i simboli selezionati mirano a rappresentare la vera struttura del dispositivo.

L'assenza di una interconnessione diretta (a causa dell'isolamento del cancello) tra il cancello e il canale è simboleggiata da uno spazio tra il cancello ei diversi terminali del simbolo.

La linea verticale che rappresenta il canale è attaccata tra lo scarico e la sorgente ed è “trattenuta” dal substrato.

Nella figura sopra sono forniti due gruppi di simboli per ogni tipo di canale per evidenziare il fatto che in alcuni dispositivi il substrato può essere accessibile dall'esterno mentre in altri questo può non essere visto.

MOSFET (tipo Enhancement)

Sebbene il tipo di esaurimento e il tipo di potenziamento MOSFET siano simili con le loro strutture interne e la modalità funzionale, le loro caratteristiche possono essere abbastanza diverse.

La principale differenza è la corrente di drain che dipende da un livello specifico di tensione gate-to-source per l'azione di interruzione.

Precisamente, un MOSFET di tipo potenziamento a canale n può funzionare con una tensione di gate / sorgente positiva, invece di una gamma di potenziali negativi che normalmente possono influire su un MOSFET di tipo a svuotamento.

Costruzione di base

È possibile visualizzare il MOSFET di tipo miglioramento del canale n di seguito
Fig. 5.31.

Una sezione di materiale di tipo p viene creata tramite una base di silicio e, come appreso in precedenza, viene definita substrato.

Questo substrato in alcune occasioni è collegato internamente con il pin sorgente in un MOSFET di tipo a svuotamento, mentre in alcuni casi è terminato come quarto conduttore per consentire un controllo esterno del suo livello potenziale.

I terminali di source e drain sono come al solito uniti mediante contatti metallici a regioni drogate n.

Tuttavia, può essere importante visualizzare che nella Fig. 5.31 manca il canale tra le due regioni drogate con n.

Questa può essere considerata come la differenza fondamentale tra il layout interno di un MOSFET di tipo a svuotamento e di tipo a potenziamento, ovvero l'assenza di un canale intrinseco che si suppone faccia parte del dispositivo.

È ancora prevalente lo strato di SiO2, che garantisce un isolamento tra la base metallica del terminale di gate e la regione tra drain e source. Tuttavia, qui può essere visto in piedi separato dalla sezione del materiale di tipo p.

Dalla discussione di cui sopra possiamo concludere che un layout interno MOSFET di svuotamento e potenziamento può avere alcune somiglianze, ad eccezione del canale mancante tra drain / source per un tipo di potenziamento di MOSFET.

Funzionamento e caratteristiche di base

Per un MOSFET di tipo potenziamento quando viene introdotto uno 0 V nel suo VGS, a causa del canale n mancante (che è noto per trasportare molti portatori liberi) fa sì che un'uscita di corrente sia zero, che è abbastanza diversa da un tipo di svuotamento di MOSFET, avente ID = IDSS.

In una tale situazione a causa di un percorso mancante attraverso i terminali di drain / source, grandi quantità di portatori sotto forma di elettroni non sono in grado di accumularsi al drain / source (a causa delle regioni drogate con n).

Applicando un po 'di potenziale positivo a VDS, con VGS impostato a zero volt e il terminale SS in corto con il terminale di sorgente, troviamo effettivamente un paio di giunzioni pn polarizzate inversamente tra le regioni drogate n e il substrato p per consentire qualsiasi conduzione notevole attraverso scarico alla fonte.

In Fig. 5.32 mostra una condizione in cui VDS e VGS vengono applicati con una tensione positiva superiore a 0 V, consentendo a drain e gate di essere a potenziale positivo rispetto alla sorgente.

Il potenziale positivo al gate spinge i fori nel substrato p lungo il bordo dello strato di SiO2 in partenza dalla posizione ed entrando più in profondità nelle regioni del substrato p, come mostrato nella figura sopra. Ciò accade a causa di cariche simili che si respingono a vicenda.

Ciò si traduce in una regione di esaurimento creata vicino allo strato isolante di SiO2 priva di buchi.

Nonostante ciò, gli elettroni p-substrato che sono i portatori minoritari del materiale vengono trascinati verso il gate positivo e iniziano a raccogliersi nella regione vicino alla superficie dello strato di SiO2.

A causa della proprietà di isolamento dello strato di SiO2, i vettori negativi consentono ai vettori negativi di essere assorbiti al terminale di gate.

Man mano che aumentiamo il livello di VGS, aumenta anche la densità elettronica vicino alla superficie di SiO2, fino a quando finalmente la regione di tipo n indotta è in grado di consentire una conduzione quantificabile attraverso drain / source.

L'ampiezza VGS che provoca un aumento ottimale della corrente di drain è definita tensione di soglia, indicato dal simbolo VT . Nelle schede tecniche potrai vederlo come VGS (Th).

Come appreso in precedenza, a causa dell'assenza di un canale a VGS = 0 e 'potenziato' con l'applicazione della tensione gate-to-source positiva, questo tipo di MOSFET è noto come MOSFET di tipo potenziamento.

Scoprirai che sia i MOSFET di tipo a esaurimento che quelli a potenziamento mostrano regioni di tipo a potenziamento, ma il termine aumento viene utilizzato per quest'ultimo perché funziona specificamente utilizzando una modalità di funzionamento di miglioramento.

Ora, quando VGS viene spinto oltre il valore di soglia, la concentrazione delle portanti libere aumenterà nel canale in cui è indotta. Ciò fa aumentare la corrente di drenaggio.

D'altra parte, se manteniamo costante il VGS e aumentiamo il livello VDS (tensione drain-source), questo alla fine farà sì che il MOSFET raggiunga il suo punto di saturazione, come normalmente accadrebbe anche a qualsiasi JFET o MOSFET a svuotamento.

Come mostrato in Fig. 5.33 l'ID della corrente di drenaggio viene livellato con l'ausilio di un processo di pinching-off, indicato dal canale più stretto verso l'estremità di drenaggio del canale indotto.

Applicando la legge della tensione di Kirchhoff alle tensioni dei terminali del MOSFET in Fig. 5.33, otteniamo:

Se VGS viene mantenuto costante a un valore specifico, ad esempio 8 V, e VDS viene aumentato da 2 a 5 V, la tensione VDG dell'Eq. 5.11 potrebbe essere visto scendere da -6 a -3 V, e il potenziale di gate diventare sempre meno positivo rispetto alla tensione di drain.

Questa risposta impedisce ai portatori liberi o agli elettroni di essere trascinati verso questa regione del canale indotto, il che a sua volta si traduce in una diminuzione della larghezza effettiva del canale.

Alla fine, la larghezza del canale diminuisce fino al punto di interruzione, raggiungendo una condizione di saturazione simile a quella che abbiamo già appreso nel nostro precedente articolo sui MOSFET a esaurimento.

Ciò significa che aumentare ulteriormente il VDS con un VGS fisso non influisce sul livello di saturazione dell'ID, fino al punto in cui si raggiunge una situazione di guasto.

Guardando la Fig 5.34 possiamo identificare che per un MOSFET come in Fig. 5.33 avente VGS = 8 V, la saturazione avviene ad un livello VDS di 6 V. Per la precisione il livello di saturazione VDS è associato al livello VGS applicato da:

Senza dubbio, implica quindi che quando il valore di VT è fisso, l'aumento del livello di VGS causerà proporzionalmente livelli più elevati di saturazione per VDS attraverso il luogo dei livelli di saturazione.

Facendo riferimento alle caratteristiche mostrate nella figura sopra, il livello di TV è di 2 V, cosa evidente dal fatto che la corrente di drain è scesa a 0 mA.

Quindi tipicamente possiamo dire:

Quando i valori VGS sono inferiori al livello di soglia per il MOSFET di tipo potenziato, la sua corrente di drain è 0 mA.

Possiamo anche vedere chiaramente nella figura sopra che fintanto che il VGS è aumentato più in alto da VT a 8 V, anche il livello di saturazione corrispondente per ID aumenta da 0 a 10 mA.

Inoltre possiamo ulteriormente notare che lo spazio tra i livelli VGS aumenta con un aumento del valore di VGS, provocando incrementi infinitamente crescenti della corrente di drain.

Troviamo che il valore della corrente di drain è correlato alla tensione gate-to-source per i livelli VGS che è maggiore di VT, attraverso la seguente relazione non lineare:

Il termine che è mostrato parentesi quadra è il termine responsabile della relazione non lineare tra ID e VGS.

Il termine k è una costante ed è una funzione del layout del MOSFET.

Possiamo scoprire il valore di questa costante k attraverso la seguente equazione:

dove ID (on) e VGD (on) sono valori ciascuno specificatamente dipendenti dalle caratteristiche del dispositivo.

Nella successiva Fig. 5.35 di seguito troviamo che le caratteristiche di drenaggio e trasferimento sono disposte una accanto all'altra per chiarire il processo di trasferimento l'una sull'altra.

Fondamentalmente, è simile al processo spiegato in precedenza per JFET e MOSFET di tipo a svuotamento.

Tuttavia, per il caso presente dobbiamo ricordare che la corrente di drain è 0 mA per VGS VT.

Qui ID può vedere una notevole quantità di corrente, che aumenterà come determinato dall'Eq. 5.13.

Nota, mentre definiamo i punti sulle caratteristiche di trasferimento dalle caratteristiche di drenaggio, consideriamo solo i livelli di saturazione. Ciò limita la regione di funzionamento a valori VDS superiori ai livelli di saturazione stabiliti dall'Eq. (5.12).

MOSFET di tipo potenziamento del canale p

La struttura di un MOSFET di tipo potenziamento del canale p come mostrato nella Fig. 5.37a è esattamente l'opposto di quella mostrata nella Fig. 5.31.

Significa, ora trovi che un substrato di tipo n e regioni drogate p sotto i giunti di drenaggio e sorgente.

I terminali continuano ad essere come stabiliti, ma ciascuna delle direzioni della corrente e le polarità della tensione sono invertite.

Le caratteristiche di drenaggio possono assomigliare a quelle fornite in Fig. 5.37c, con quantità crescenti di corrente causate da magnitudini sempre più negative di VGS.

Le caratteristiche di trasferimento sarebbero l'impressione speculare (attorno all'asse ID) della curva di trasferimento di Fig. 5.35, con ID crescente con valori sempre più negativi di VGS sopra VT, come mostrato in Fig. 5.37b. Le equazioni da (5.11) a (5.14) sono analogamente appropriate per i dispositivi a canale p.

Riferimenti:

• 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