Τρανζίστορ NMOS: Λειτουργία, κύκλωμα, κατασκευή και τα χαρακτηριστικά του

Το τρανζίστορ ημιαγώγιμου οξειδίου μετάλλου ή τρανζίστορ MOS είναι ένα βασικό δομικό στοιχείο σε λογικά τσιπ, επεξεργαστές και σύγχρονες ψηφιακές μνήμες. Είναι μια συσκευή πλειοψηφικού φορέα, όπου το ρεύμα μέσα σε ένα αγώγιμο κανάλι μεταξύ της πηγής και της αποστράγγισης διαμορφώνεται από μια εφαρμοζόμενη τάση στην πύλη. Αυτό το τρανζίστορ MOS παίζει βασικό ρόλο σε διάφορα IC αναλογικού και μικτού σήματος. Αυτό το τρανζίστορ είναι αρκετά προσαρμόσιμο, επομένως λειτουργεί ως ενισχυτής, διακόπτης ή α αντίσταση . δεν τρανζίστορ ταξινομούνται σε δύο τύπους PMOS & NMOS. Έτσι, αυτό το άρθρο εξετάζει μια επισκόπηση του Τρανζίστορ NMOS – κατασκευή, κύκλωμα και εργασία.

Τι είναι ένα τρανζίστορ NMOS;

Ένα τρανζίστορ NMOS (n-channel metal-oxide semiconductor) είναι ένας τύπος τρανζίστορ όπου χρησιμοποιούνται προσμίξεις τύπου n στην περιοχή πύλης. Μια θετική (+ve) τάση στον ακροδέκτη της πύλης ενεργοποιεί τη συσκευή. Αυτό το τρανζίστορ χρησιμοποιείται κυρίως σε CMOS (συμπληρωματικός ημιαγωγός μετάλλου-οξειδίου) σχεδιασμός και επίσης σε τσιπ λογικής και μνήμης. Σε σύγκριση με το τρανζίστορ PMOS, αυτό το τρανζίστορ είναι πολύ πιο γρήγορο, επομένως μπορούν να τοποθετηθούν περισσότερα τρανζίστορ σε ένα μόνο τσιπ. Το σύμβολο τρανζίστορ NMOS φαίνεται παρακάτω.

Πώς λειτουργεί το τρανζίστορ NMOS;

Η λειτουργία του τρανζίστορ NMOS είναι? όταν το τρανζίστορ NMOS δέχεται μια μη αμελητέα τάση, τότε σχηματίζει ένα κλειστό κύκλωμα που σημαίνει ότι η σύνδεση από τον ακροδέκτη πηγής με την αποστράγγιση λειτουργεί ως καλώδιο. Έτσι το ρεύμα ρέει από το τερματικό της πύλης προς την πηγή. Ομοίως, όταν αυτό το τρανζίστορ δέχεται τάση περίπου 0V τότε σχηματίζει ένα ανοιχτό κύκλωμα που σημαίνει ότι η σύνδεση από τον ακροδέκτη πηγής προς την αποστράγγιση θα σπάσει, οπότε το ρεύμα ρέει από τον ακροδέκτη της πύλης προς την αποστράγγιση.

Διατομή τρανζίστορ NMOS

Γενικά, ένα τρανζίστορ NMOS είναι απλά κατασκευασμένο με σώμα τύπου p από δύο περιοχές ημιαγωγών τύπου n που βρίσκονται δίπλα στην πύλη, γνωστή ως πηγή και αποστράγγιση. Αυτό το τρανζίστορ έχει μια πύλη ελέγχου που ελέγχει τη ροή ηλεκτρονίων μεταξύ των ακροδεκτών πηγής και αποστράγγισης.

Σε αυτό το τρανζίστορ, δεδομένου ότι το σώμα του τρανζίστορ είναι γειωμένο, οι διασταυρώσεις PN της πηγής και της αποστράγγισης προς το σώμα έχουν αντίστροφη πόλωση. Εάν η τάση στο τερματικό της πύλης αυξηθεί, ένα ηλεκτρικό πεδίο θα αρχίσει να αυξάνεται και θα προσελκύει ελεύθερα ηλεκτρόνια στη βάση της διεπαφής Si-SiO2.

Μόλις η τάση είναι αρκετά υψηλή, τότε τα ηλεκτρόνια τυλίγονται γεμίζοντας όλες τις τρύπες και μια λεπτή περιοχή κάτω από την πύλη, γνωστή ως κανάλι, θα αναστραφεί για να λειτουργήσει ως ημιαγωγός τύπου n. Αυτό θα δημιουργήσει μια αγώγιμη λωρίδα από τον ακροδέκτη πηγής προς την αποστράγγιση, επιτρέποντας τη ροή του ρεύματος, έτσι το τρανζίστορ θα είναι ενεργοποιημένο. Εάν ο ακροδέκτης της πύλης είναι γειωμένος, τότε δεν ρέει ρεύμα στην ανάστροφη διασταύρωση, οπότε το τρανζίστορ θα απενεργοποιηθεί.

Κύκλωμα τρανζίστορ NMOS

Ο σχεδιασμός της πύλης NOT που χρησιμοποιεί τρανζίστορ PMOS και NMOS φαίνεται παρακάτω. Για να σχεδιάσουμε μια πύλη NOT, πρέπει να συνδυάσουμε τρανζίστορ pMOS & nMOS συνδέοντας ένα τρανζίστορ pMOS στην πηγή και ένα τρανζίστορ nMOS στη γείωση. Έτσι το κύκλωμα θα είναι το πρώτο μας παράδειγμα τρανζίστορ CMOS.

Η πύλη NOT είναι ένας τύπος λογικής πύλης που δημιουργεί μια ανεστραμμένη είσοδο ως έξοδο. Αυτή η πύλη ονομάζεται επίσης μετατροπέας. Εάν η είσοδος είναι «0», η ανεστραμμένη έξοδος θα είναι «1».

Όταν η είσοδος είναι μηδέν, τότε πηγαίνει στο τρανζίστορ pMOS από πάνω και κάτω στο τρανζίστορ nMOS στο κάτω μέρος. Μόλις η τιμή εισόδου «0» φτάσει στο τρανζίστορ pMOS, τότε αναστρέφεται σε «1». Έτσι, η σύνδεση προς την πηγή διακόπτεται. Έτσι, αυτό θα δημιουργήσει μια λογική τιμή «1» εάν η σύνδεση προς την αποχέτευση (GND) είναι επίσης κλειστή. Γνωρίζουμε ότι το τρανζίστορ nMOS δεν θα αντιστρέψει την τιμή εισόδου, επομένως παίρνει τη μηδενική τιμή ως έχει και θα κάνει ένα ανοιχτό κύκλωμα προς την αποχέτευση. Έτσι, δημιουργείται μια λογική μία τιμή για την πύλη.

Ομοίως, εάν η τιμή εισόδου είναι «1», τότε αυτή η τιμή αποστέλλεται και στα δύο τρανζίστορ στο παραπάνω κύκλωμα. Μόλις η τιμή «1» λάβει το τρανζίστορ pMOS, τότε θα αναστραφεί σε ένα «o». ως αποτέλεσμα, η σύνδεση προς την πηγή είναι ανοιχτή. Μόλις το τρανζίστορ nMOS λάβει την τιμή '1, τότε δεν θα αναστραφεί. Έτσι, η τιμή εισόδου παραμένει ως μία. Μόλις ληφθεί μία τιμή από το τρανζίστορ nMOS, τότε η σύνδεση προς το GND κλείνει. Έτσι θα δημιουργήσει μια λογική «0» ως έξοδο.

Διαδικασία Κατασκευής

Υπάρχουν πολλά βήματα που εμπλέκονται στη διαδικασία κατασκευής τρανζίστορ NMOS. Η ίδια διαδικασία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τρανζίστορ PMOS και CMOS. Το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο υλικό σε αυτή την κατασκευή είναι είτε πολυπυρίτιο είτε μέταλλο. Τα βήματα της διαδικασίας κατασκευής βήμα προς βήμα του τρανζίστορ NMOS συζητούνται παρακάτω.

Βήμα 1:

Ένα λεπτό στρώμα γκοφρέτας πυριτίου μετατρέπεται σε υλικό τύπου P με απλή ντόπινγκ με υλικό Βόριο.

Βήμα 2:

Ένα παχύ στρώμα Sio2 αναπτύσσεται σε ένα πλήρες υπόστρωμα τύπου p

Βήμα 3:

Τώρα η επιφάνεια επικαλύπτεται μέσω ενός φωτοανθεκτικού στο παχύ στρώμα Sio2.

Βήμα 4:

Στη συνέχεια, αυτό το στρώμα εκτίθεται σε υπεριώδη ακτινοβολία με μια μάσκα που περιγράφει εκείνες τις περιοχές στις οποίες πρόκειται να συμβεί διάχυση μαζί με τα κανάλια τρανζίστορ.

Βήμα 5:

Αυτές οι περιοχές είναι χαραγμένες μεταξύ τους με το υποκείμενο Sio2, έτσι ώστε η επιφάνεια της γκοφρέτας να εκτίθεται εντός του παραθύρου που ορίζεται μέσω της μάσκας.

Βήμα 6:

Το υπολειπόμενο φωτοανθεκτικό διαχωρίζεται και το λεπτό στρώμα Sio2 αναπτύσσεται 0,1 μικρόμετρα τυπικά σε ολόκληρη την επιφάνεια του τσιπ. Στη συνέχεια, το πολυπυρίτιο βρίσκεται σε αυτό για να σχηματίσει τη δομή της πύλης. Ένα φωτοανθεκτικό τοποθετείται στο πλήρες στρώμα πολυπυριτίου και εκθέτει το υπεριώδες φως σε όλη τη μάσκα2.

Βήμα 7:

Με τη θέρμανση της γκοφρέτας στη μέγιστη θερμοκρασία, επιτυγχάνονται διαχύσεις και διοχέτευση αερίου με επιθυμητές ακαθαρσίες τύπου n όπως ο Φώσφορος.

Βήμα 8:

Ένα μικρόμετρο πάχους διοξειδίου του πυριτίου αναπτύσσεται παντού και πάνω του τοποθετείται φωτοανθεκτικό υλικό. Εκθέστε το υπεριώδες φως (UV) μέσω της μάσκας3 στις προτιμώμενες περιοχές της πύλης, οι περιοχές πηγής και αποστράγγισης είναι χαραγμένες για να γίνουν οι τομές επαφής.

Βήμα 9:

Τώρα ένα μέταλλο σαν το αλουμίνιο τοποθετείται πάνω από την επιφάνειά του πλάτους ενός μικρομέτρου. Για άλλη μια φορά ένα φωτοανθεκτικό υλικό αναπτύσσεται σε όλο το μέταλλο και εκτίθεται σε υπεριώδη ακτινοβολία μέσω της μάσκας4 που είναι μια χαραγμένη μορφή στον υποχρεωτικό σχεδιασμό διασύνδεσης. Η τελική δομή NMOS φαίνεται παρακάτω.

Τρανζίστορ PMOS εναντίον NMOS

Η διαφορά μεταξύ των τρανζίστορ PMOS και NMOS συζητείται παρακάτω.

Χαρακτηριστικά

ο Χαρακτηριστικά I-V του τρανζίστορ NMOS φαίνονται παρακάτω. Η τάση μεταξύ της πύλης και των ακροδεκτών πηγής «V _Γ.Σ ’ & επίσης μεταξύ πηγής & αποχέτευσης ‘V _DS ’. Έτσι, οι καμπύλες μεταξύ Ι _DS και V _DS επιτυγχάνονται με απλή γείωση του ακροδέκτη της πηγής, ορίζοντας μια αρχική τιμή VGS και σαρώνοντας V _DS από «0» στην υψηλότερη τιμή τάσης DC που δίνεται από το V _DD όταν πατάτε το V _Γ.Σ τιμή από «0» έως V _DD . Έτσι για εξαιρετικά χαμηλό V _Γ.Σ , το Ι _DS είναι εξαιρετικά μικρά και θα έχουν γραμμική τάση. Όταν το V _Γ.Σ η τιμή αυξάνεται, τότε εγώ _DS ενισχύει και θα έχει την παρακάτω εξάρτηση από το V _Γ.Σ & ΣΕ _DS ;

Αν ο V _Γ.Σ είναι μικρότερο ή ίσο του V _Θ , τότε το τρανζίστορ είναι σε κατάσταση OFF και λειτουργεί σαν ανοιχτό κύκλωμα.

Αν ο V _Γ.Σ είναι μεγαλύτερο από το V _Θ , τότε υπάρχουν δύο τρόποι λειτουργίας.

Αν ο V _DS είναι μικρότερο από το V _Γ.Σ - ΣΕ _Θ , τότε το τρανζίστορ λειτουργεί σε γραμμική λειτουργία και λειτουργεί ως αντίσταση (R _ΕΠΙ ).

IDS = u _εφ ντο _βόδι W/L [(V _Γ.Σ - ΣΕ _Θ )ΣΕ _DS – ½ V _DS ^2]

Που,

Το «μeff» είναι η αποτελεσματική κινητικότητα του φορέα φόρτισης.

Το «COX» είναι η χωρητικότητα του οξειδίου πύλης για κάθε μονάδα επιφάνειας.

Τα W & L είναι το πλάτος και το μήκος του καναλιού αντίστοιχα. Το R _ΕΠΙ Η τιμή ελέγχεται απλά από την τάση της πύλης ως εξής:

R _{ON =} 1/in _n ντο _βόδι W/L [(V _Γ.Σ - ΣΕ _Θ )ΣΕ _DS – ½ V _DS ^2]

Εάν το VDS είναι μεγαλύτερο ή ίσο του V _Γ.Σ - ΣΕ _Θ , τότε το τρανζίστορ λειτουργεί εντός της λειτουργίας κορεσμού

Εγώ _DS = u _n ντο _βόδι W/L [(V _Γ.Σ - ΣΕ _Θ )^2 (1+λ V _DS ]

Στην περιοχή αυτή, όταν εγώ _DS είναι υψηλότερο, τότε το ρεύμα εξαρτάται ελάχιστα από το V _DS τιμή, ωστόσο, η υψηλότερη τιμή του ελέγχεται απλώς μέσω του VGS. Η διαμόρφωση μήκους καναλιού «λ» αντιπροσωπεύει την αύξηση εντός του IDS με μια αύξηση εντός του VDS στα τρανζίστορ, λόγω του pinch-off. Αυτό το Pinch-off συμβαίνει όταν και τα δύο V _DS και V _Γ.Σ αποφασίστε για το μοτίβο του ηλεκτρικού πεδίου κοντά στην περιοχή αποστράγγισης, αλλάζοντας έτσι την κατεύθυνση των φορέων φόρτισης φυσικής παροχής. Αυτό το εφέ μειώνει το μήκος του αποδοτικού καναλιού και αυξάνει το I _DS . Ιδανικά, το «λ» είναι ισοδύναμο με το «0» έτσι ώστε το I _DS είναι εντελώς ανεξάρτητο από το V _DS τιμή εντός της περιοχής κορεσμού.

Επομένως, πρόκειται για όλα μια επισκόπηση ενός NMOS τρανζίστορ – κατασκευή και κύκλωμα με εργασία. Το τρανζίστορ NMOS παίζει βασικό ρόλο στην υλοποίηση λογικών πυλών καθώς και σε άλλα διαφορετικά ψηφιακά κυκλώματα. Αυτό είναι ένα μικροηλεκτρονικό κύκλωμα που χρησιμοποιείται κυρίως στο σχεδιασμό λογικών κυκλωμάτων, τσιπ μνήμης και στο σχεδιασμό CMOS. Οι πιο δημοφιλείς εφαρμογές των τρανζίστορ NMOS είναι οι διακόπτες και οι ενισχυτές τάσης. Εδώ είναι μια ερώτηση για εσάς, τι είναι ένα τρανζίστορ PMOS;