نام فایل : ترانزیستور

فرمت : .ppt

تعداد صفحه/اسلاید : 103

حجم : 3 مگابایت

بنام خدا
ترانزیستور MOSFET
مقدمه
در فصل قبل دیود که المانی دو ترمینالی بود را بررسی کردیم. در این فصل و فصل بعدی المانی سه ترمینالی که ترانزیستور نامیده میشود را بررسی خواهیم کرد.
ترانزیستور در مدارات زیادی از جمله تقویت کننده ها، مدارات دیجیتال و حافظه ها کاربرد دارد.
اصول کلی کارکرد ترانزیستور بر این پایه است که با اعمال ولتاژ به دو ترمینال جریان ترمینال سوم را کنترل میکنند.
دو نوع ترانزیستور مهم وجود دارد: MOSFET, BJT
MOSFET ازBJT کوچکتر بوده و ساخت آن ساده تر بوده و توان کمتری مصرف میکند. در ساخت بسیاری از مدارات مجتمع کاربرد دارد.
Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
این ترانزیستور بر روی یک پایه از نوع p ساخته میشود. بر روی پایه دو ناحیه با نیمه هادی نوع n که دارای ناخالصی زیادی هستند ایجاد میشود. این نواحی سورس و درین نامیده میشوند که با یک اتصال فلزی دردسترس قرار میگیرند.
بین این دو ناحیه و در سطح پایه عایقی از جنس شیشه کشیده میشود. برروی این عایق یک لایه فلز قرار داده میشود که اتصالی با نام گیت بوجود می آورد.
ممکن است پایه نیز به یک اتصال فلزی وصل شود.
Figure 4.1 Physical structure of the enhancement-type NMOS transistor: (a) perspective view; (b) cross-section. Typically L = 0.1 to 3 mm, W = 0.2 to 100 mm, and the thickness of the oxide layer (tox) is in the range of 2 to 50 nm.
نحوه عملکرد
این ترانزیستور بصورت یک المان با سه ترمینال Source, Drain , Gate مورد استفاده قرارمیگیرد.
اگر ولتاژی به گیت وصل نشده باشد بین سورس و درین دو دیود وجود خواهند داشت: یکی بین n سورس و p پایه و دیگری بین p پایه و n درین.
چون این دو دیود پشت به پشت به هم وصل شده اند هیچ جریانی بین سورس و درین نمیتواند برقرارشود.
مقاومت بین سورس و درین خیلی زیاد خواهد بود.
در واقع یک ناحیه تخلیه بین دو قطعه p,n مجاور تشکیل میشود که از عبور جریان بین پایه و درین و همچنین پایه و سورس جلوگیری میکند.
ایجاد کانالی برای عبور جریان
اگر درین و سورس را به زمین وصل کرده و ولتاژ مثبتی به گیت وصل کنیم، ناقلهای مثبت زیر ناحیه گیت تحت تاثیر این ولتاژ از زیر گیت دور شده و به سمت substrate رانده میشوند.
این ولتاژ متقابلا الکترونهای منفی را از ناحیه های سورس و درین جذب مینماید. اگر در ناحیه زیر گیت الکترون کافی جمع شود یک ناحیه منفی بوجود می آید که دو ناحیه n مربوط به سورس و درین را به هم وصل میکند. در واقع کانالی برای عبور جریان الکترون از سورس به درین تشکیل میشود.
توجه شود که substrate که قبلا از نوع p بود در ناحیه زیر گیت به نوع n تبدیل میشود (inversion layer)
Figure 4.2 The enhancement-type NMOS transistor with a positive voltage applied to the gate. An n channel is induced at the top of the substrate beneath the gate.
ترانزیستور NMOS
ترانزیستوری که کانال آن از نوع n باشد، n-channel و یا NMOS خوانده میشود.
مقدار VGS لازم برای تشکیل کانال باید از یک مقدار آستانه Vt بیشتر باشد. این مقدار معمولا بین 0.5 , 1 ولت است.
درناحیه گیت در اثر جمع شدن بار منفی در زیر گیت و اتصال آن به ولتاژ مثبت در بالای گیت، خازنی بوجود میآید.
مقدار جریانی که از کانال میگذرد بستگی به میدان الکتریکی تشکیل شده در ناحیه گیت دارد.
توجه شود که ترانزیستور از لحاظ ساخت متقارن است لذا نامگذاری درین و سورس بستگی به ولتاژی دارد که به آنها اعمال میشود: برای ترانزیستور با کانال n درین به ولتاژ بالاتری نسبت به سورس وصل میشود.
اعمال ولتاژی کوچک به درین و سورس
اگر ولتاژ کوچکی به درین و سورس اعمال شود (Vds) باعث خواهد شد تا جریان id در کانال عبورکند.
درواقع این ولتاژ باعث جذب الکترونها از سمت سورس به درین شده و جریانی در خلاف جهت حرکت الکترون بوجود می آورد.
مقدار این جریان بستگی به مقدار الکترونهای آزاد ناحیه زیر گیت دارد که خود آن وابسته به ولتاژ VGs-Vt دارد.
اگر VGS در حد vt باشد کانال تازه تاسیس هنوز کوچک بوده و جریان زیادی از ان عبور نمیکند. اما با زیاد شدن این ولتاژ عرض کانال هم زیاد شده و امکان عبور جریان بیشتر فراهم خواهد شد.
Figure 4.3 An NMOS transistor with vGS > Vt and with a small vDS applied. The device acts as a resistance whose value is determined by vGS. Specifically, the channel conductance is proportional to vGS – Vt’ and thus iD is proportional to (vGS – Vt) vDS. Note that the depletion region is not shown (for simplicity).
رابطه جریان و ولتاژ
مقدار جریانی که از کانال میگذرد هم به ولتاژ Vgs-Vt و هم به ولتاژ Vds بستگی خواهد داشت.
درواقع ترانزیستور بصورت یک مقاومت خطی عمل میکند که مقدار آن به ولتاژ VGS بستگی دارد.
اگر VGS از Vt کمتر باشد مقاومت بی نهایت بوده و جریانی عبور نخواهد کرد. با زیاد شدن VGS مقدار مقاومت نیز کمتر میشود.
توجه شود که مقدار جریانی که به ترمینال درین وارد میشود برابر با جریانی است که از سورس خارج میشود و جریان ترمینال گین برابر با صفر است.
Figure 4.4 The iD–vDS characteristics of the MOSFET in Fig. 4.3 when the voltage applied between drain and source, vDS, is kept small. The device operates as a linear resistor whose value is controlled by vGS.
افزایش ولتاژ VDS
اگر ولتاژ درین و سورس را از مقدار 0 به سمت VDS افزایش دهیم ولتاژی که روی کانال می افتد در سمتی که کانال به درین وصل میشود به اندازه VGS- VDS کاهش پیدا میکند در نتیجه عرض کانال در این قسمت کاهش می یابد زیرا مقدار آن به ولتاژی که در ناحیه زیر کانال اعمال میشود بستگی دارد. بدین ترتیب شکل کانال دیگر متقارن نخواهد بود.
Figure 4.5 Operation of the enhancement NMOS transistor as vDS is increased. The induced channel acquires a tapered shape, and its resistance increases as vDS is increased. Here, vGS is kept constant at a value > Vt.
اشباع ترانزیستور
با افزایش بیشتر ولتاژVDS مقدار مقاومت کانال نیز بیشتر شده و در نتیجه منحنی iD-vDS دیگر بصورت یک خط راست نخواهد بود.
اگر ولتاژ تا مقدار VDSsat = vGS − Vt افزایش پیدا کند کانال در محل اتصال به درین فشرده میشود. افزایش بیشتر VDS تاثیری در جریان نخواهد گذاشت و جریان در حد اشباع باقی خواهد ماند.
نواحی کار ترانزیستور بصورت زیر نامگذاری شده است:
Triode region: VDS < VDSsat
Saturation region: VDS ≥ VDSsat
Figure 4.6 The drain current iD versus the drain-to-source voltage vDS for an enhancement-type NMOS transistor operated with vGS > Vt.
Figure 4.7 Increasing vDS causes the channel to acquire a tapered shape. Eventually, as vDS reaches vGS – Vt’ the channel is pinched off at the drain end. Increasing vDS above vGS – Vt has little effect (theoretically, no effect) on the channel’s shape.
بدست آوردن رابطه جریان و ولتاژ ترانزیستور MOSFET
اگر فرض شود که vGS > vt تا کانال ایجاد شده باشد، همچنین با فرضvDS < vGS − vt برای اینکه در ناحیه triode باشیم.
Figure 4.8 Derivation of the iD–vDS characteristic of the NMOS transistor.
جریان در ناحیه تریود
برای خازنی که در ناحیه گیت تشکیل میشود داریم:

بعلت نایکنواختی کانال ایجاد شده ظرفیت خازنی ناحیه کانال متغییر خواهد بود. اگر یک المان جزئی از سطح زیر گیت که در فاصله x قرار دارد را در نظر بگیریم ظرفیت خازن این ناحیه برابر است با:
که بار الکتریکی ذخیره شده در آن با ولتاژ اعمالی به کانال در این نقطه ربط خواهد داشت.
از طرفی ولتاژ VDS میدانی ایجاد میکند که برابر است با

ظرفیت خازنی بازای واحد مساحت ناحیه گیت
جریان در ناحیه تریود
این میدان باعث میشود تا بار الکتریکی جمع شده در زیر ناحیه گیت با سرعت زیر به حرکت در آید:

جریان رانش حاصل برابر است با:
با جایگذاری مقادیر خواهیم داشت:
اگر چه این جریان برای یک نقطه بدست آمد اما باید برابر با جریانی باشد که از سورس به درین وجود دارد. لذا جریان درین به سورس برابر است با:
....