Τρανζίστορ PMOS: Εργασία, Κατασκευή, Διατομή & Τα Χαρακτηριστικά του

Το τρανζίστορ MOS είναι το πιο θεμελιώδες στοιχείο στη σχεδίαση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων μεγάλης κλίμακας. Αυτά τα τρανζίστορ ταξινομούνται γενικά σε δύο τύπους PMOS και NMOS. Ο συνδυασμός τρανζίστορ NMOS και PMOS είναι γνωστός ως α Τρανζίστορ CMOS . Το διαφορετικό λογικές πύλες & άλλες συσκευές ψηφιακής λογικής που υλοποιούνται πρέπει να έχουν λογική PMOS. Αυτή η τεχνολογία είναι φθηνή και έχει καλή αντοχή στις παρεμβολές. Αυτό το άρθρο εξετάζει έναν από τους τύπους τρανζίστορ MOS όπως ένα τρανζίστορ PMOS.

Τι είναι το τρανζίστορ PMOS;

Το τρανζίστορ PMOS ή ο ημιαγωγός οξειδίου μετάλλου καναλιού P είναι ένα είδος τρανζίστορ όπου οι προσμίξεις τύπου p χρησιμοποιούνται στην περιοχή του καναλιού ή της πύλης. Αυτό το τρανζίστορ είναι ακριβώς το αντίστροφο του τρανζίστορ NMOS. Αυτά τα τρανζίστορ έχουν τρεις κύριους ακροδέκτες. η πηγή, η πύλη και η αποστράγγιση όπου η πηγή του τρανζίστορ έχει σχεδιαστεί με υπόστρωμα τύπου p και ο ακροδέκτης αποστράγγισης έχει σχεδιαστεί με υπόστρωμα τύπου n. Σε αυτό το τρανζίστορ, οι φορείς φόρτισης όπως οι τρύπες είναι υπεύθυνοι για την αγωγή του ρεύματος. Τα σύμβολα τρανζίστορ PMOS φαίνονται παρακάτω.

Πώς λειτουργεί το τρανζίστορ PMOS;

Το τρανζίστορ τύπου p που λειτουργεί είναι εντελώς αντίθετο από το τρανζίστορ τύπου n. Αυτό το τρανζίστορ θα σχηματίσει ένα ανοιχτό κύκλωμα κάθε φορά που λαμβάνει μη αμελητέα τάση που σημαίνει ότι δεν υπάρχει ροή ηλεκτρισμού από τον ακροδέκτη της πύλης (G) προς την πηγή (S). Ομοίως, αυτό το τρανζίστορ σχηματίζει ένα κλειστό κύκλωμα όταν παίρνει τάση περίπου 0 βολτ, που σημαίνει ότι το ρεύμα ρέει από τον ακροδέκτη της πύλης (G) προς την αποστράγγιση (D).

Αυτή η φούσκα είναι επίσης γνωστή ως φούσκα αντιστροφής. Άρα η κύρια λειτουργία αυτού του κύκλου είναι να αντιστρέφει την τιμή της τάσης εισόδου. Εάν ο ακροδέκτης πύλης παρέχει τάση 1, τότε αυτός ο μετατροπέας θα την αλλάξει σε μηδέν και θα λειτουργήσει ανάλογα το κύκλωμα. Έτσι, η λειτουργία του τρανζίστορ PMOS και του τρανζίστορ NMOS είναι εντελώς αντίθετη. Μόλις τα συγχωνεύσουμε σε ένα ενιαίο κύκλωμα MOS, τότε θα γίνει ένα κύκλωμα CMOS (συμπληρωματικό ημιαγωγό οξειδίου μετάλλου).

Διατομή Τρανζίστορ PMOS

Η διατομή του τρανζίστορ PMOS φαίνεται παρακάτω. Ένα τρανζίστορ pMOS είναι κατασκευασμένο με σώμα τύπου n που περιλαμβάνει δύο περιοχές ημιαγωγών τύπου p που βρίσκονται δίπλα στην πύλη. Αυτό το τρανζίστορ έχει μια πύλη ελέγχου, όπως φαίνεται στο διάγραμμα, η οποία ελέγχει τη ροή ηλεκτρονίων μεταξύ των δύο ακροδεκτών, όπως η πηγή και η αποστράγγιση. Στο τρανζίστορ pMOS, το σώμα διατηρείται σε τάση +ve. Μόλις ο ακροδέκτης της πύλης είναι θετικός, τότε οι ακροδέκτες πηγής και αποστράγγισης έχουν αντίστροφη πόλωση. Μόλις συμβεί αυτό, δεν υπάρχει ροή ρεύματος, επομένως το τρανζίστορ θα απενεργοποιηθεί.

Μόλις μειωθεί η παροχή τάσης στον ακροδέκτη της πύλης, τότε οι φορείς θετικού φορτίου θα έλκονται στο κάτω μέρος της διεπαφής Si-SiO2. Κάθε φορά που η τάση πέφτει αρκετά, τότε το κανάλι θα αναστραφεί και δημιουργεί μια αγώγιμη διαδρομή από τον ακροδέκτη της πηγής προς την αποστράγγιση επιτρέποντας τη ροή του ρεύματος.

Όποτε αυτά τα τρανζίστορ ασχολούνται με την ψηφιακή λογική, συνήθως έχουν δύο διαφορετικές τιμές μόνο όπως 1 & 0 (ON και OFF). Η θετική τάση του τρανζίστορ είναι γνωστή ως VDD που αντιπροσωπεύει τη λογική υψηλή (1) τιμή στα ψηφιακά κυκλώματα. Τα επίπεδα τάσης VDD σε Λογική TTL ήταν γενικά γύρω στα 5V. Προς το παρόν, τα τρανζίστορ δεν μπορούν πραγματικά να αντέξουν τόσο υψηλές τάσεις, επειδή συνήθως κυμαίνονται από 1,5 V – 3,3 V. Η χαμηλή τάση είναι συχνά γνωστή ως GND ή VSS. Έτσι, το VSS σημαίνει τη λογική «0» και ρυθμίζεται επίσης κανονικά σε 0V.

Κύκλωμα τρανζίστορ PMOS

Ο σχεδιασμός της πύλης NAND χρησιμοποιώντας το τρανζίστορ PMOS και το τρανζίστορ NMOS φαίνεται παρακάτω. Γενικά, μια πύλη NAND στα ψηφιακά ηλεκτρονικά είναι μια λογική πύλη που ονομάζεται επίσης πύλη NOT-AND. Η έξοδος αυτής της πύλης είναι χαμηλή (0) μόνο εάν οι δύο είσοδοι είναι υψηλές (1) και η έξοδος της είναι συμπλήρωμα μιας πύλης ΚΑΙ. Εάν κάποια από τις δύο εισόδους είναι LOW (0), τότε δίνει υψηλά αποτελέσματα εξόδου.

Στο παρακάτω λογικό κύκλωμα, εάν η είσοδος Α είναι 0 και το Β είναι 0, τότε μια είσοδος του pMOS θα παράγει «1» και μια είσοδος του nMOS θα παράγει «0». Έτσι, αυτή η λογική πύλη δημιουργεί ένα λογικό «1» επειδή συνδέεται με την πηγή μέσω ενός κλειστού κυκλώματος και αποσπάται από το GND μέσω ενός ανοιχτού κυκλώματος.

Όταν το Α είναι «0» και το Β» είναι «1», τότε μια είσοδος του pMOS θα δημιουργήσει ένα «1» και μια είσοδος του NMOS θα δημιουργήσει «0». Έτσι, αυτή η πύλη θα παράγει μια λογική γιατί συνδέεται με την πηγή μέσω ενός κλειστού κυκλώματος και αποσπάται από το GND με ένα ανοιχτό κύκλωμα. Όταν το Α είναι «1» και το Β είναι «0», τότε η είσοδος «Β» του pMOS θα παράγει υψηλή έξοδο (1) και η είσοδος «Β» του NMOS θα παράγει μια έξοδο τόσο χαμηλή (0). Έτσι, αυτή η λογική πύλη θα δημιουργήσει ένα λογικό 1 επειδή συνδέεται με την πηγή μέσω ενός κλειστού κυκλώματος και αποσπάται από το GND με ένα ανοιχτό κύκλωμα.

Όταν το Α είναι «1» και το Β είναι «1», τότε μια είσοδος του» pMOS θα παράγει μηδέν και μια είσοδος του nMOS θα δημιουργήσει «1». Κατά συνέπεια, θα πρέπει να επαληθεύσουμε την είσοδο B των pMOS & nMOS επίσης. Η είσοδος B του pMOS θα δημιουργήσει ένα «0» και η είσοδος B του nMOS θα δημιουργήσει ένα «1». Έτσι, αυτή η λογική πύλη θα δημιουργήσει ένα λογικό «0» επειδή αποσπάται από την πηγή με ένα ανοιχτό κύκλωμα και συνδέεται με το GND μέσω ενός κλειστού κυκλώματος.

Πίνακας Αλήθειας

Ο πίνακας αλήθειας του παραπάνω λογικού κυκλώματος δίνεται παρακάτω.

Η οριακή τάση του τρανζίστορ PMOS είναι συνήθως το «Vgs» που είναι απαραίτητο για τη δημιουργία του καναλιού που είναι γνωστό ως αναστροφή καναλιού. Σε ένα τρανζίστορ PMOS, το υπόστρωμα και οι ακροδέκτες της πηγής συνδέονται απλώς στο «Vdd». Εάν αρχίσουμε να μειώνουμε την τάση με αναφορά στον ακροδέκτη πηγής στον ακροδέκτη πύλης από το Vdd σε ένα σημείο όπου παρατηρήσετε την αντιστροφή του καναλιού, σε αυτή τη θέση εάν αναλύσετε το Vgs & η πηγή στο υψηλό δυναμικό, τότε θα λάβετε μια αρνητική τιμή. Έτσι, το τρανζίστορ PMOS έχει αρνητική τιμή Vth.

Διαδικασία κατασκευής PMOS

Τα βήματα που εμπλέκονται στην κατασκευή τρανζίστορ PMOS συζητούνται παρακάτω.

Βήμα 1:

Ένα λεπτό στρώμα γκοφρέτας πυριτίου μετατρέπεται σε υλικό τύπου Ν με απλή ντόπινγκ φωσφόρου.

Βήμα 2:

Ένα παχύ στρώμα διοξειδίου του πυριτίου (Sio2) αναπτύσσεται σε ένα πλήρες υπόστρωμα τύπου p.

Βήμα 3:

Τώρα η επιφάνεια επικαλύπτεται με ένα φωτοανθεκτικό πάνω από το παχύ στρώμα διοξειδίου του πυριτίου.

Βήμα 4:

Μετά από αυτό, αυτό το στρώμα απλώς εκτίθεται στο υπεριώδες φως μέσω μιας μάσκας που ορίζει εκείνες τις περιοχές στις οποίες θα γίνει η διάχυση μαζί με τα κανάλια τρανζίστορ.

Βήμα 5:

Αυτές οι περιοχές χαράσσονται αμοιβαία με το υποκείμενο διοξείδιο του πυριτίου, έτσι ώστε η επιφάνεια του πλακιδίου να εκτίθεται εντός του παραθύρου που ορίζεται από τη μάσκα.

Βήμα 6:

Το υπόλοιπο φωτοανθεκτικό αποσπάται και το λεπτό στρώμα Sio2 αναπτύσσεται συνήθως 0,1 μικρόμετρα σε ολόκληρη την επιφάνεια του τσιπ. Μετά από αυτό, τοποθετείται πολυπυρίτιο πάνω από αυτό για να σχηματίσει τη δομή της πύλης. Ένα φωτοανθεκτικό τοποθετείται σε ολόκληρο το στρώμα πολυπυριτίου και εκθέτει το υπεριώδες φως μέσω της μάσκας2.

Βήμα 7:

Οι διαχύσεις επιτυγχάνονται μέσω θέρμανσης πλακιδίων στη μέγιστη θερμοκρασία και διέλευσης αερίου με επιθυμητές ακαθαρσίες τύπου p όπως το βόριο.

Βήμα 8:

Αναπτύσσεται διοξείδιο του πυριτίου πάχους 1 μικρομέτρου και πάνω του εναποτίθεται φωτοανθεκτικό υλικό. Εκθέστε το υπεριώδες φως με τη μάσκα3 στις προτιμώμενες περιοχές της πύλης, της πηγής και της αποστράγγισης που είναι χαραγμένες για να γίνουν οι τομές επαφής.

Βήμα 9:

Τώρα ένα μέταλλο ή ένα αλουμίνιο εναποτίθεται πάνω από την επιφάνεια πάχους 1 μικρομέτρου. Και πάλι, ένα φωτοανθεκτικό υλικό αναπτύσσεται σε όλο το μέταλλο και εκθέτει το υπεριώδες φως μέσω της μάσκας4, η οποία είναι χαραγμένη για να σχηματίσει το απαιτούμενο σχέδιο διασύνδεσης. Η τελική δομή PMOS φαίνεται παρακάτω.

Χαρακτηριστικά τρανζίστορ PMOS

Τα χαρακτηριστικά του τρανζίστορ PMOS I-V φαίνονται παρακάτω. Αυτά τα χαρακτηριστικά χωρίζονται σε δύο περιοχές προκειμένου να ληφθεί η σχέση μεταξύ του ρεύματος αποστράγγισης προς την πηγή (I DS) καθώς και των τερματικών του τάσεων όπως γραμμικές περιοχές και περιοχές κορεσμού.

Σε μια περιοχή επένδυσης, το IDS θα αυξηθεί γραμμικά όταν αυξηθεί η VDS (τάση αποστράγγισης στην πηγή) ενώ στην περιοχή κορεσμού, το I DS είναι σταθερό και είναι ανεξάρτητο από το VDS. Η κύρια σχέση μεταξύ του ISD (πηγή προς το ρεύμα αποστράγγισης) και των τάσεων ακροδεκτών του προκύπτει από μια παρόμοια διαδικασία του τρανζίστορ NMOS. Σε αυτήν την περίπτωση, η μόνη αλλαγή θα είναι ότι οι φορείς φορτίου που υπάρχουν μέσα στο στρώμα αναστροφής είναι απλώς τρύπες. Όταν οι οπές μετακινούνται από την πηγή στην αποστράγγιση, τότε η ροή του ρεύματος είναι επίσης η ίδια.

Έτσι, το αρνητικό πρόσημο εμφανίζεται στην τρέχουσα εξίσωση. Επιπλέον, όλες οι εφαρμοζόμενες προκαταλήψεις στους ακροδέκτες της συσκευής είναι αρνητικές. Έτσι, τα χαρακτηριστικά ID – VDS του τρανζίστορ PMOS φαίνονται παρακάτω.
Η εξίσωση ρεύματος αποστράγγισης για τρανζίστορ PMOS στη γραμμική περιοχή δίνεται ως:

ID = – mp Cox

Ομοίως, η εξίσωση ρεύματος αποστράγγισης για τρανζίστορ PMOS στην περιοχή κορεσμού δίνεται ως:

ID = – mp Cox (VSG – | V TH |p )^2

Όπου 'mp' είναι η κινητικότητα της τρύπας & '|VTH| p' είναι η οριακή τάση του τρανζίστορ PMOS.

Στην παραπάνω εξίσωση, το αρνητικό πρόσημο θα δείξει ότι το ID( ρεύμα αποστράγγισης ) ρέει από την αποχέτευση (D) προς την πηγή (S) ενώ οι τρύπες ρέουν προς την αντίθετη κατεύθυνση. Όταν η κινητικότητα της οπής είναι χαμηλή σε σύγκριση με την κινητικότητα των ηλεκτρονίων, τότε τα τρανζίστορ PMOS υποφέρουν από την ικανότητα της κίνησης χαμηλού ρεύματος.

Έτσι, πρόκειται για μια επισκόπηση του τρανζίστορ PMOS ή του τρανζίστορ τύπου p - κατασκευή, κύκλωμα και λειτουργία του. PMOS έχουν σχεδιαστεί τρανζίστορ με πηγή p, n-υπόστρωμα & αποχέτευση. Οι φορείς φορτίου του PMOS είναι τρύπες. Αυτό το τρανζίστορ άγει μόλις εφαρμοστεί χαμηλή τάση στον ακροδέκτη της πύλης. Οι συσκευές που βασίζονται σε PMOS είναι λιγότερο επιρρεπείς σε παρεμβολές σε σύγκριση με τις συσκευές NMOS. Αυτά τα τρανζίστορ μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αντιστάσεις ελεγχόμενης τάσης, ενεργά φορτία, κάτοπτρα ρεύματος, ενισχυτές trans-σύνθετης αντίστασης και επίσης σε διακόπτες και ενισχυτές τάσης. Εδώ είναι μια ερώτηση για εσάς, τι είναι ένα τρανζίστορ NMOS;