Elettronica di base - MOSFET

I FET presentano alcuni svantaggi come un'elevata resistenza al drenaggio, un'impedenza di ingresso moderata e un funzionamento più lento. Per superare questi svantaggi, viene inventato il MOSFET che è un FET avanzato.

MOSFET sta per transistor a effetto di campo al silicio all'ossido di metallo o transistor a effetto di campo a semiconduttore all'ossido di metallo. Questo è anche chiamato IGFET che significa transistor a effetto di campo con gate isolato. Il FET funziona sia in modalità di esaurimento che di potenziamento. La figura seguente mostra l'aspetto di un pratico MOSFET.

Costruzione di un MOSFET

La costruzione di un MOSFET è un po 'simile al FET. Uno strato di ossido viene depositato sul substrato a cui è collegato il terminale di gate. Questo strato di ossido funge da isolante (sio ₂ isola dal substrato), e quindi il MOSFET ha un altro nome come IGFET. Nella costruzione del MOSFET, un substrato leggermente drogato viene diffuso con una regione fortemente drogata. A seconda del substrato utilizzato, sono chiamati comeP-type e N-type MOSFET.

La figura seguente mostra la costruzione di un MOSFET.

La tensione al gate controlla il funzionamento del MOSFET. In questo caso è possibile applicare al gate sia tensioni positive che negative in quanto isolate dal canale. Con tensione di polarizzazione del gate negativa, agisce comedepletion MOSFET mentre con tensione di polarizzazione di gate positiva funge da Enhancement MOSFET.

Classificazione dei MOSFET

A seconda del tipo di materiali utilizzati nella costruzione e del tipo di operazione, i MOSFET sono classificati come nella figura seguente.

Dopo la classificazione, passiamo attraverso i simboli del MOSFET.

Il N-channel MOSFETs sono semplicemente chiamati come NMOS. I simboli per MOSFET a canale N sono indicati di seguito.

Il P-channel MOSFETs sono semplicemente chiamati come PMOS. I simboli per MOSFET a canale P sono indicati di seguito.

Passiamo ora ai dettagli costruttivi di un MOSFET a canale N. Di solito un MOSFET a canale NC è considerato per la spiegazione poiché questo è principalmente utilizzato. Inoltre, non è necessario menzionare che lo studio di un tipo spiega anche l'altro.

Costruzione di MOSFET a canale N.

Consideriamo un MOSFET a canale N per comprenderne il funzionamento. Un substrato di tipo P leggermente drogato viene portato in cui sono diffuse due regioni di tipo N fortemente drogate, che fungono da source e drain. Tra queste due regioni N +, avviene la diffusione per formare un Nchannel, collegando drain e source.

Un sottile strato di Silicon dioxide (SiO₂)viene coltivato su tutta la superficie e vengono praticati dei fori per disegnare contatti ohmici per terminali di drain e source. Uno strato conduttore dialuminum è posto sull'intero canale, su questo SiO₂strato dalla sorgente allo scarico che costituisce il gate. IlSiO₂ substrate è collegato ai terminali comuni o di terra.

A causa della sua costruzione, il MOSFET ha un'area di chip molto inferiore rispetto a BJT, che è il 5% dell'occupazione rispetto al transistor a giunzione bipolare. Questo dispositivo può essere utilizzato in modalità. Sono modalità di esaurimento e miglioramento. Cerchiamo di entrare nei dettagli.

Funzionamento del MOSFET a canale N (modalità svuotamento)

Per ora, abbiamo l'idea che non sia presente alcuna giunzione PN tra gate e canale in questo, a differenza di un FET. Possiamo anche osservare che, il canale diffuso N (tra due regioni N +), ilinsulating dielectric SiO₂ e lo strato metallico di alluminio del cancello insieme formano a parallel plate capacitor.

Se il NMOS deve essere lavorato in modalità svuotamento, il terminale di gate dovrebbe essere a potenziale negativo mentre il drain è a potenziale positivo, come mostrato nella figura seguente.

Quando non viene applicata alcuna tensione tra gate e source, una parte di corrente scorre a causa della tensione tra drain e source. Lascia che venga applicata una tensione negativaV_GG. Quindi i portatori di minoranza, cioè i buchi, vengono attratti e si stabiliscono vicinoSiO₂strato. Ma i portatori maggioritari, cioè gli elettroni, vengono respinti.

Con una certa quantità di potenziale negativo a V_GG una certa quantità di corrente di scarico I_Dscorre attraverso la sorgente per drenare. Quando questo potenziale negativo viene ulteriormente aumentato, gli elettroni si esauriscono e la correnteI_Ddiminuisce. Quindi il più negativo è applicatoV_GG, minore è il valore della corrente di drenaggio I_D sarà.

Il canale più vicino allo scarico si esaurisce di più rispetto alla sorgente (come in FET) e il flusso di corrente diminuisce a causa di questo effetto. Quindi è chiamato MOSFET in modalità di esaurimento.

Funzionamento del MOSFET a canale N (modalità di miglioramento)

Lo stesso MOSFET può essere lavorato in modalità di miglioramento, se possiamo cambiare le polarità della tensione V_GG. Quindi, consideriamo il MOSFET con tensione gate sourceV_GG essere positivo come mostrato nella figura seguente.

Quando non viene applicata alcuna tensione tra gate e source, una parte di corrente scorre a causa della tensione tra drain e source. Lascia che venga applicata una tensione positivaV_GG. Quindi i portatori di minoranza, cioè i buchi, vengono respinti e i portatori di maggioranza, cioè gli elettroni, vengono attratti verso ilSiO₂ strato.

Con una certa quantità di potenziale positivo a V_GG una certa quantità di corrente di scarico I_Dscorre attraverso la sorgente per drenare. Quando questo potenziale positivo viene ulteriormente aumentato, la correnteI_D aumenta a causa del flusso di elettroni dalla sorgente e questi vengono spinti ulteriormente a causa della tensione applicata a V_GG. Quindi il più positivo è applicatoV_GG, maggiore è il valore della corrente di drenaggio I_Dsarà. Il flusso di corrente viene migliorato a causa dell'aumento del flusso di elettroni meglio che in modalità di esaurimento. Quindi questa modalità è definita comeEnhanced Mode MOSFET.

MOSFET a canale P.

La costruzione e il funzionamento di un PMOS sono gli stessi di NMOS. Un leggermente drogaton-substrate è preso in cui due pesantemente drogati P+ regionssono diffusi. Queste due regioni P + agiscono come sorgente e drenaggio. Un sottile strato diSiO₂è cresciuto sulla superficie. I fori vengono tagliati attraverso questo strato per creare contatti con le regioni P +, come mostrato nella figura seguente.

Lavorare con PMOS

Quando al terminale di gate viene assegnato un potenziale negativo a V_GG rispetto alla tensione di drain source V_DD, quindi a causa delle regioni P + presenti, la corrente di buco viene aumentata attraverso il canale P diffuso e il PMOS interviene Enhancement Mode.

Quando al terminale di gate viene assegnato un potenziale positivo a V_GG rispetto alla tensione di drain source V_DD, quindi a causa della repulsione, si verifica l'esaurimento a causa del quale il flusso di corrente si riduce. Quindi PMOS funziona inDepletion Mode. Sebbene la costruzione differisca, il funzionamento è simile in entrambi i tipi di MOSFET. Quindi con il cambio di polarità della tensione entrambi i tipi possono essere utilizzati in entrambe le modalità.

Questo può essere meglio compreso avendo un'idea sulla curva delle caratteristiche di scarico.

Caratteristiche dello scarico

Le caratteristiche di drenaggio di un MOSFET sono tracciate tra la corrente di drenaggio I_D e la tensione di drain source V_DS. La curva caratteristica è come mostrato di seguito per diversi valori di input.

In realtà quando V_DS viene aumentata, la corrente di drenaggio I_D dovrebbe aumentare, ma a causa dell'applicazione V_GS, la corrente di drenaggio è controllata a un certo livello. Quindi la corrente di gate controlla la corrente di drain in uscita.

Caratteristiche di trasferimento

Le caratteristiche di trasferimento definiscono la variazione del valore di V_DS con il cambio di I_D e V_GSin entrambe le modalità di esaurimento e miglioramento. La curva caratteristica di trasferimento sottostante è disegnata per la corrente di drain rispetto alla tensione da gate a source.

Confronto tra BJT, FET e MOSFET

Ora che abbiamo discusso di tutti e tre i precedenti, proviamo a confrontare alcune delle loro proprietà.

TERMINI	BJT	FET	MOSFET
Tipo di dispositivo	Controllato in corrente	Controllato in tensione	Controllato in tensione
Flusso di corrente	Bipolare	Unipolare	Unipolare
Terminali	Non intercambiabile	Intercambiabile	Intercambiabile
Modalità operative	Nessuna modalità	Solo modalità esaurimento	Entrambe le modalità Enhancement e Depletion
Impedenza di ingresso	Basso	Alto	Molto alto
Resistenza di uscita	Moderare	Moderare	Basso
Velocità operativa	Basso	Moderare	Alto
Rumore	Alto	Basso	Basso
Stabilità termica	Basso	Meglio	Alto

Finora abbiamo discusso dei vari componenti elettronici e dei loro tipi insieme alla loro costruzione e funzionamento. Tutti questi componenti hanno diversi utilizzi nel campo dell'elettronica. Per avere una conoscenza pratica di come questi componenti vengono utilizzati nei circuiti pratici, fare riferimento al tutorial CIRCUITI ELETTRONICI.