MOSFETy - typ vylepšení, typ vyčerpání

Vyzkoušejte Náš Nástroj Pro Odstranění Problémů





V současné době existují dva hlavní typy FET: JFET a MOSFET.

MOSFETy lze dále rozdělit na typ vyčerpání a typ vylepšení. Oba tyto typy definují základní režim provozu MOSFETů, zatímco samotný termín MOSFET je zkratkou tranzistoru s efektem kov-oxid-polovodič-pole.



Vzhledem k tomu, že tyto dva typy mají různé pracovní vlastnosti, budeme každý z nich hodnotit samostatně v různých článcích.

Rozdíl mezi vylepšením a vyčerpáním MOSFET

V zásadě, na rozdíl od vylepšených MOSFETů, jsou vyčerpané MOSFETy v zapnutém stavu i v přítomnosti 0 V přes terminály typu gate-to-source (VGS).



Pro vylepšení MOSFET musí být napětí brány od zdroje (VGS) nad svým prahovým napětím brány ke zdroji (VGS (th)) aby to fungovalo .

U MOSFETu s vyčerpáním N-kanálu je však jeho hodnota VGS (th) nad 0 V. To znamená, že i když VGS = 0 V, je vyčerpaný MOSFET schopen vést proud. Chcete-li jej vypnout, je třeba snížit VGS vyčerpání MOSFET pod VGS (th) (záporný).

V tomto článku budeme diskutovat o typu vyčerpání MOSFET, o kterém se říká, že má vlastnosti shodné s vlastnostmi JFET. Podobnost je mezi cut-off a saturací blízko IDSS.

Základní konstrukce

MOSFET typu n-kanálového vyčerpání.

Obr. 5.23 ukazuje základní vnitřní strukturu MOSFETu typu vyčerpání n kanálu.

Můžeme najít blok materiálu typu p vytvořený pomocí silikonové základny. Tento blok se nazývá substrát.

Substrát je základna nebo základ, na kterém je konstruován MOSFET. U některých MOSFETů je interně propojen se „zdrojovým“ terminálem. Mnoho zařízení také nabízí další výstup ve formě SS s 4-koncovým MOSFET, jak je znázorněno na obr. 5.23

Odtokové a zdrojové svorky jsou připojeny přes vodivé kontakty k místům dotovaným n a jsou připojeny přes n-kanál, jak je uvedeno na stejném obrázku.

Brána je také spojena s kovovou vrstvou, i když je izolována od n-kanálu přes jemnou vrstvu oxidu křemičitého (SiOdva).

SiOdvamá jedinečnou formu izolační vlastnosti zvanou dielektrikum, která v sobě vytváří protichůdné elektrické pole v reakci na externě aplikované elektrické pole.

Jako izolační vrstva je materiál SiOdvanám nabízí následující důležité informace:

S tímto materiálem je vyvinuta úplná izolace mezi terminálem brány a kanálem MOSFET.

Navíc je to kvůli SiOdvaje brána MOSFETu schopna vykazovat extrémně vysoký stupeň vstupní impedance.

Kvůli této životně důležité vlastnosti vysoké vstupní impedance, hradlový proud IGje prakticky nulový proud pro jakoukoli konfiguraci MOSFET s předpětím DC.

Základní operace a vlastnosti

n-kanálový MOSFET typu vyčerpání s VGS = 0 V a aplikovaným napětím VDD.

Jak je vidět na obr. 5.24, napětí brány k zdroji bylo nakonfigurováno na nulové napětí spojením obou svorek dohromady, zatímco napětí VDSse aplikuje přes odtokové a zdrojové svorky.

S výše uvedeným nastavením vytváří odtoková strana pozitivní potenciál volnými elektrony v kanálu n spolu s ekvivalentním proudem kanálem JFET. Také výsledný proud VGS= 0 V je stále identifikován jako IDSS, jak je uvedeno na obr. 5.25

Charakteristiky odtoku a přenosu pro n-kanálový MOSFET typu vyčerpání.

Vidíme, že na obr. 5.26 je zdroj napětí brány VGSje dán záporný potenciál ve formě -1V.

Tento negativní potenciál se pokouší tlačit elektrony směrem k substrátu p-kanálu (protože náboje odpuzují) a vytahovat otvory ze substrátu p-kanálu (protože přitahují opačné náboje).

Snížení volných nosných v kanálu kvůli negativnímu potenciálu na terminálu brány

V závislosti na tom, jak velké je toto negativní zkreslení VGSTo znamená, že dochází k rekombinaci děr a elektronů, což má za následek redukci volných elektronů v n-kanálu dostupném pro vedení. Vyšší úrovně negativního zkreslení mají za následek vyšší míru rekombinace.

Odběrový proud se následně snižuje, protože se zvyšuje výše uvedená podmínka negativního předpětí, což je prokázáno na obr. 5,25 pro VGSúrovně VGS= -1, -2 a tak dále, až do odtržení značky -6V.

Výsledek odtoku ve výsledku spolu s grafem přenosové křivky probíhá stejně jako u a JFET.

Nyní pro pozitivní VGSkladné hodnoty hradla přitahují přebytečné elektrony (volné nosiče) ze substrátu typu p v důsledku zpětného svodového proudu. Tím se vytvoří nové nosiče prostřednictvím výsledných srážek napříč zrychlujícími se částicemi.

Protože napětí brány od zdroje má tendenci stoupat kladnou rychlostí, odtokový proud vykazuje rychlý nárůst, jak dokazuje obr.5.25 ze stejných důvodů, jak bylo uvedeno výše.

Mezera se vyvinula mezi křivkami VGS= 0 V a VGS= +1 zřetelně ukazuje množství, o které se proud zvýšil kvůli 1 - V variaci VGS

Vzhledem k rychlému nárůstu odtokového proudu musíme dávat pozor na maximální jmenovitý proud, jinak by mohlo dojít k překročení hranice kladného napětí brány.

Například pro typ zařízení znázorněného na obr. 5,25, použití VGS= + 4 V by způsobilo, že odběrový proud vzroste na 22,2 mA, což může překročit maximální mezní hodnotu (proud) zařízení.

Výše uvedená podmínka ukazuje, že použití kladného napětí brána-zdroj generuje zvýšený účinek na množství volných nosných v kanálu, na rozdíl od toho, když VGS= 0V.

To je důvod, proč je oblast pozitivního hradlového napětí na charakteristikách odtoku nebo přenosu obecně známá jako oblast vylepšení . Tato oblast leží mezi mezní hodnotou a úrovní nasycení I.DSSnebo oblast vyčerpání.

Řešení příkladného problému

Výhody a aplikace

Na rozdíl od MOSFETů s vylepšeným režimem, kde zjistíme, že odtokový proud klesá na nulu v reakci na nulové napětí brána-zdroj, moderní FET v režimu vyčerpání má znatelný proud s nulovým hradlovým napětím. Přesněji řečeno, odpor odtoku ke zdroji je obvykle 100 ohmů při nulovém napětí.

Jak je uvedeno ve výše uvedeném grafu, odpor ON(na)vs rozsah analogového signálu vypadá jako prakticky plochá odezva. Tato charakteristika ve spojení s nízkokapacitními úrovněmi tohoto zařízení s pokročilým typem vyčerpání jim umožňuje být obzvláště ideální jako analogové přepínače pro aplikace přepínání zvuku a videa.

Atribut „normálně zapnutého“ MOSFETu v režimu vyčerpání umožňuje, aby bylo zařízení dokonale vhodné pro jednotlivé proudové regulátory FET.

Jeden takový příklad obvodu je vidět na následujícím obrázku.

Hodnotu R lze určit pomocí vzorce:

Rs= VGSvypnuto[1 - (I.D/ JáDSS)1/2] / I.D

kde D je množství regulovaného proudu požadovaného na výstupu.

Hlavní výhodou MOSFET v režimu vyčerpání v aplikaci s proudovým zdrojem je jejich minimální odběrová kapacita, která je činí vhodnými pro předpěťové aplikace v obvodech s nízkým vstupním únikem a středními rychlostmi (> 50 V / us).

Na obrázku níže je znázorněno přední rozhraní diferenciálního proudu s nízkým vstupním únikem pomocí funkce FET s dvojitým nízkým únikem.

Obecně lze říci, že každá strana JFET bude upřednostněna na ID = 500 uA. Proto je proud získatelný pro kompenzaci nabíjení a zbloudilé kapacity omezen na 2ID nebo v takových případech na 1,0 mA. Odpovídající funkce JFET jsou ověřeny výrobou a zajištěny v datovém listu.

Cs symbolizuje výstupní kapacitu zdroje proudu „ocasu“ vstupního stupně. Tato kapacita je zásadní u neinvertujících zesilovačů, vzhledem k tomu, že na vstupní fázi dochází k významným výměnám signálů v celé této síti a nabíjecí proudy v Cs mohou být velké. V případě, že jsou použity normální zdroje proudu, může být tato koncová kapacita zodpovědná za znatelné zhoršení rychlosti přeběhu v neinvertujících obvodech (ve srovnání s invertujícími aplikacemi, kde nabíjecí proudy v Cs mají tendenci být minimální).

Pokles rychlosti přeběhu lze vyjádřit jako:

1 / 1+ (Cs / Sc)

Pokud je Cs nižší než Cc (kompenzační kondenzátor), může se téměř nevyskytovat žádná změna rychlosti přeběhu. Při práci s DMOS FET mohou být Cs kolem 2 pF. Tato strategie produkuje obrovské zlepšení rychlosti přeběhu. Tam, kde jsou potřeba proudové deficity vyšší než 1 až 5 mA, může být zařízení předpjato do režimu vylepšení, aby generovalo až 20 mA pro maximální VGS +2,5 V, přičemž klíčovým aspektem bude i nadále minimální výstupní kapacita.

Následující aplikace níže vykazuje správný obvod zdroje proudu v režimu vylepšení.

Analogový spínač „normálně zapnutý“ by mohl být sestaven pro požadavky, kde je během výpadku napájecího napětí nutný standardní stav, například v automatickém rozsahu testovacích nástrojů nebo pro zajištění přesného spuštění logických obvodů při zapnutí.

Snížené záporné prahové napětí zařízení nabízí základní předpoklady pohonu a umožňuje práci s minimálním napětím.

Níže uvedený obvod ukazuje společné faktory zkreslení pro jakýkoli analogový přepínač DMOS v režimu vyčerpání.

Aby se zařízení vypnulo, je na bráně nutné záporné napětí. Jak již bylo řečeno, on-odpor by mohl být minimalizován, když je FET dodatečně zvýšen pomocí kladného hradlového napětí, což mu umožňuje specificky v oblasti režimu vylepšení spolu s oblastí režimu vyčerpání.

Tuto odpověď lze vidět v následujícím grafu.

Vysokofrekvenční zisk jednotky spolu s nízkými hodnotami kapacity přináší zvýšenou „hodnotu zásluh“. Je to skutečně zásadní prvek při zesílení VHF a UHF, který specifikuje produkt šířky pásma zisku (GBW) FET, který lze popsat jako:

GBW = gfs / 2 Pi (Cv+ C.ven)

MOSFET typu vyčerpání kanálu p

Konstrukce MOSFETu typu vyčerpání p-kanálu je dokonalým opakem verze s n-kanály zobrazenou na obr. 5.23. To znamená, že substrát nyní má formu typu n a kanál se stává typem p, jak je vidět na obr. 5.28a níže.

MOSFET typu p-kanálového vyčerpání s IDSS = 6 mA a VP = +6 V.

Identifikace terminálu zůstává nezměněna, ale polarita napětí a proudu je obrácená, jak je uvedeno na stejném obrázku. Charakteristiky odtoku by byly přesně tak, jak je znázorněno na obr. 5,25, kromě VDSznaménko, které v tomto případě získá zápornou hodnotu.

Vypouštěcí proud IDukazuje pozitivní polaritu i v tomto případě, protože jsme již obrátili jeho směr. PROTIGSukazuje opačnou polaritu, což je pochopitelné, jak je znázorněno na obr. 5.28c.

Protože VGSje obrácen vytváří zrcadlový obraz pro přenosové charakteristiky, jak je znázorněno na obr. 5,28b.

To znamená, že odtokový proud se zvyšuje v kladném VGSoblast od bodu cut-off na VGS= Vp dokud jáDSS, pak dále stoupá jako záporná hodnota VGSvychází.

Symboly

Typ vyčerpání symbolů MOSFET

Grafické znaky pro MOSFET typu vyčerpání kanálu n a p lze vidět na výše uvedeném obr. 5.29.

Sledujte způsob, jakým vybrané symboly představují skutečnou strukturu zařízení.

Absence přímého propojení (kvůli izolaci brány) mezi bránou a kanálem je symbolizována mezerou mezi bránou a různými svorkami symbolu.

Svislá čára, která představuje kanál, je připojena mezi odtokem a zdrojem a je „držena“ substrátem.

Na obrázku výše jsou pro každý typ kanálu poskytnuty dvě skupiny symbolů, které zdůrazňují skutečnost, že v některých zařízeních může být substrát přístupný externě, zatímco v jiných to nemusí být vidět.

MOSFET (typ vylepšení)

Ačkoli MOSFET typu vyčerpání a typu vylepšení vypadají podobně s jejich vnitřními strukturami a funkčním režimem, jejich charakteristiky se mohou zcela lišit.

Hlavním rozdílem je odtokový proud, který závisí na konkrétní úrovni napětí brány k zdroji pro odpojení.

Přesně MOSFET typu n-kanálového vylepšení může pracovat s kladným hradlovým / zdrojovým napětím namísto řady negativních potenciálů, které mohou normálně ovlivnit MOSFET typu vyčerpání.

Základní konstrukce

MOSFET typu vylepšení n-kanálu můžete vizualizovat níže
Obr. 5.31.

Sekce materiálu typu p je vytvořena přes silikonovou základnu a jak již bylo řečeno dříve, je označována jako substrát.

Tento substrát je při některých příležitostech interně připojen ke zdrojovému kolíku v MOSFETu typu vyčerpání, zatímco v některých případech je ukončen jako čtvrtý vodič pro umožnění externí kontroly jeho potenciální úrovně.

Zdrojové a odtokové svorky jsou jako obvykle spojeny pomocí kovových kontaktů s n-dotovanými oblastmi.

Může však být důležité si představit, že na obr. 5.31 chybí kanál mezi dvěma n-dopovanými oblastmi.

To lze považovat za zásadní odlišnost mezi vnitřním uspořádáním MOSFET typu vyčerpání a MOSFET typu vylepšení, což je absence inherentního kanálu, který má být součástí zařízení.

Vrstva SiO2 je stále viditelná, což zajišťuje izolaci mezi kovovou základnou terminálu brány a oblastí mezi odtokem a zdrojem. Zde však může být svědkem stojícího odděleného od části materiálu typu p.

Z výše uvedené diskuse můžeme dojít k závěru, že vnitřní rozvržení vyčerpání a vylepšení MOSFET může mít určité podobnosti, s výjimkou chybějícího kanálu mezi odtokem / zdrojem pro typ vylepšení MOSFET.

Základní operace a vlastnosti

Pro typ vylepšení MOSFET, když je na jeho VGS zaveden 0 V, způsobí chybějící n-kanál (o kterém je známo, že nese mnoho volných nosných) proudový výstup nulový, což je zcela na rozdíl od typu vyčerpání MOSFET s ID = IDSS.

V takové situaci kvůli chybějící dráze přes odtokové / zdrojové terminály se velké množství nosičů ve formě elektronů nedokáže akumulovat u odtoku / zdroje (kvůli n-dotovaným oblastem).

Aplikováním pozitivního potenciálu na VDS, s VGS nastaveným na nulové napětí a terminál SS zkratovaný se zdrojovým terminálem, ve skutečnosti najdeme několik reverzně předpjatých pn křižovatek mezi oblastmi dopovanými n a p-substrátem, aby bylo umožněno jakékoli významné vedení odtok ke zdroji.


Na obr. 5.32 ukazuje stav, kdy jsou VDS a VGS přivedeny s určitým kladným napětím vyšším než 0 V, což umožňuje, aby odtok a hradlo měly kladný potenciál vzhledem ke zdroji.

Kladný potenciál v bráně tlačí otvory v p-substrátu podél okraje vrstvy SiO2, opouští místo a vstupuje hlouběji do oblastí p-substrátu, jak je znázorněno na výše uvedeném obrázku. K tomu dochází kvůli podobným poplatkům, které se navzájem odpuzují.

To má za následek vytvoření oblasti vyčerpání poblíž izolační vrstvy SiO2, která je bez děr.

Navzdory tomu jsou elektrony p-substrátu, které jsou menšinovými nosiči materiálu, přitahovány k pozitivní bráně a začínají se shromažďovat v oblasti blízko povrchu vrstvy SiO2.

Díky izolační vlastnosti vrstvy SiO2 mohou negativní nosiče absorbovat negativní nosiče na hradlovém terminálu.

Jak zvyšujeme hladinu VGS, zvyšuje se také hustota elektronů v blízkosti povrchu SiO2, až nakonec indukovaná oblast typu n je schopna umožnit kvantifikovatelné vedení napříč odtokem / zdrojem.

Velikost VGS, která způsobuje optimální zvýšení odtokového proudu, se nazývá prahové napětí, označeno symbolem VT . V datových listech to uvidíte jako VGS (Th).

Jak jsme se dozvěděli výše, kvůli absenci kanálu při VGS = 0 a „vylepšenému“ pozitivním napětím typu gate-to-source je tento typ MOSFET znám jako MOSFET typu vylepšení.

Zjistíte, že jak MOSFETy typu vyčerpání, tak vylepšení vykazují oblasti typu vylepšení, ale termín zvýšení se používá pro druhé, protože konkrétně pracuje s použitím vylepšeného provozního režimu.

Nyní, když je VGS tlačen nad prahovou hodnotu, koncentrace volných nosičů se zvýší v kanálu, kde je indukován. To způsobí zvýšení odtokového proudu.

Na druhou stranu, pokud udržíme VGS konstantní a zvýšíme hladinu VDS (napětí od zdroje ke zdroji), nakonec to způsobí, že MOSFET dosáhne svého bodu nasycení, jak by se normálně stalo s jakýmkoli JFET nebo vyčerpáním MOSFET.

Změna kanálu a vyčerpání regionu s rostoucí úrovní VDS pro pevnou hodnotu VGS.

Jak je znázorněno na obr. 5.33, ID odtokového proudu se vyrovná pomocí procesu odtržení, který je indikován užším kanálem směrem k odtokovému konci indukovaného kanálu.

Aplikováním Kirchhoffova zákonu napětí na koncové napětí MOSFET na obr. 5.33 získáme:

Pokud se VGS udržuje konstantní na konkrétní hodnotu, například 8 V, a VDS se zvýší ze 2 na 5 V, napětí VDG o ekv. Bylo vidět, že 5.11 klesá z -6 na -3 V a potenciál brány je stále méně a méně pozitivní vzhledem k odtokovému napětí.

Tato odezva zakazuje uvolnění volných nosičů nebo elektronů směrem k této oblasti indukovaného kanálu, což má za následek pokles efektivní šířky kanálu.

Nakonec se šířka kanálu zmenšuje do bodu odtržení a dosáhne podmínky nasycení podobné tomu, co jsme se již naučili v našem dřívějším článku o vyčerpání MOSFET.

To znamená, že další zvyšování VDS s pevným VGS nemá vliv na úroveň nasycení ID, dokud nedojde k bodu, kdy dojde k poruchové situaci.

Při pohledu na obr. 5.34 můžeme identifikovat, že pro MOSFET jako na obr. 5.33, který má VGS = 8 V, dochází k nasycení na úrovni VDS 6 V. Abychom byli přesní, úroveň nasycení VDS je spojena s aplikovanou úrovní VGS pomocí:

Není pochyb o tom, že to tedy znamená, že když je hodnota VT pevná, zvýšení úrovně VGS proporcionálně způsobí vyšší úrovně nasycení pro VDS přes místo úrovní nasycení.

S odkazem na charakteristiky zobrazené na výše uvedeném obrázku je úroveň VT 2 V, což je zřejmé ze skutečnosti, že odtokový proud klesl na 0 mA.

Proto obvykle můžeme říci:

Když jsou hodnoty VGS nižší než prahová úroveň pro MOSFET typu vylepšení, je jeho odtokový proud 0 mA.

Na výše uvedeném obrázku také jasně vidíme, že pokud je VGS zvýšen výše z VT na 8 V, odpovídající úroveň nasycení pro ID se také zvýší z úrovně 0 na 10 mA.

Kromě toho si můžeme dále všimnout, že prostor mezi úrovněmi VGS se zvyšuje se zvyšováním hodnoty VGS, což způsobuje nekonečně rostoucí přírůstky odtokového proudu.

Zjistili jsme, že hodnota odtokového proudu souvisí s napětím brány ke zdroji pro úrovně VGS, které je větší než VT, prostřednictvím následujícího nelineárního vztahu:

Termín, který je zobrazen na druhou hranatou závorku, je termín, který je zodpovědný za nelineární vztah mezi ID a VGS.

Termín k je konstanta a je funkcí rozložení MOSFET.

Hodnotu této konstanty k můžeme zjistit pomocí následující rovnice:

kde ID (zapnuto) a VGD (zapnuto) jsou hodnoty konkrétně v závislosti na charakteristice zařízení.

Na dalším obr. 5.35 níže zjistíme, že charakteristiky odtoku a přenosu jsou uspořádány jeden vedle druhého, aby se objasnil proces přenosu mezi sebou.

V zásadě je podobný procesu vysvětlenému dříve pro JFET a MOSFET typu vyčerpání.

V tomto případě si však musíme pamatovat, že vypouštěcí proud je pro VGS VT 0 mA.

Zde ID může vidět znatelné množství proudu, který se zvýší, jak je určeno ekv. 5.13.

Všimněte si, že při definování bodů přes přenosové charakteristiky z charakteristik odtoku uvažujeme pouze úrovně nasycení. To omezuje oblast provozu na hodnoty VDS vyšší než úrovně nasycení stanovené ekv. (5.12).

jak vykreslit přenosové charakteristiky MOSFETu typu vylepšení typu n

MOSFET typu p-vylepšeného kanálu

Struktura MOSFET typu vylepšení p-kanálu, jak je znázorněno na obr. 5.37a, je pravým opakem struktury zobrazené na obr. 5.31.

To znamená, že nyní zjistíte, že substrát typu n a oblasti dotované p pod odtokem a zdrojovými spoji.

Svorky jsou i nadále stanoveny, ale každý ze směrů proudu a polarit napětí je obrácen.

Charakteristiky odtoku mohou vypadat, jak je uvedeno na obr. 5.37c, s rostoucími množstvími proudu způsobenými trvale negativnějšími veličinami VGS.

Přenosové charakteristiky by byly zrcadlovým otiskem (kolem osy ID) přenosové křivky na obr. 5.35, přičemž ID by se zvyšovalo s více a více zápornými hodnotami VGS nad VT, jak je zobrazeno na obr. 5.37b. Rovnice (5.11) až (5.14) jsou obdobně vhodné jako p-kanálová zařízení.

Reference:




Předchozí: Anti Spy RF detektorový obvod - bezdrátový detektor chyb Další: Přenosové charakteristiky