Tranzistor NMOS: Práca, obvod, výroba a jeho vlastnosti

Polovodičový tranzistor z oxidu kovu alebo tranzistor MOS je základným stavebným kameňom v logických čipoch, procesoroch a moderných digitálnych pamätiach. Je to zariadenie s väčšinovým nosným, kde je prúd vo vodivom kanáli medzi zdrojom a odtokom modulovaný privedeným napätím na bránu. Tento MOS tranzistor hrá kľúčovú úlohu v rôznych integrovaných obvodoch s analógovým a zmiešaným signálom. Tento tranzistor je celkom prispôsobivý, takže funguje ako zosilňovač, spínač alebo a odpor . nie tranzistory sú rozdelené do dvoch typov PMOS a NMOS. Tento článok teda pojednáva o prehľade NMOS tranzistor - výroba, obvody a práca.

Čo je tranzistor NMOS?

Tranzistor NMOS (n-channel metal-oxide semiconductor) je jedným typom tranzistora, kde sa v hradlovej oblasti používajú dopanty typu n. Kladné (+V) napätie na svorke brány zapne zariadenie. Tento tranzistor sa používa hlavne v CMOS (doplnkový metal-oxidový polovodič) dizajn a tiež v logických a pamäťových čipoch. V porovnaní s tranzistorom PMOS je tento tranzistor veľmi rýchlejší, takže na jeden čip je možné umiestniť viac tranzistorov. Symbol tranzistora NMOS je zobrazený nižšie.

Ako funguje tranzistor NMOS?

Práca tranzistora NMOS je; keď tranzistor NMOS dostane nezanedbateľné napätie, potom tvorí uzavretý obvod, čo znamená, že spojenie zo zdroja na zvod funguje ako vodič. Takže prúd tečie z terminálu brány do zdroja. Podobne, keď tento tranzistor prijme napätie približne 0 V, potom vytvorí otvorený obvod, čo znamená, že spojenie medzi svorkou zdroja a zvodom bude prerušené, takže prúd tečie z terminálu hradla do zvodu.

Prierez tranzistorom NMOS

Vo všeobecnosti je tranzistor NMOS jednoducho zostavený s telom typu p dvoma polovodičovými oblasťami typu n, ktoré susedia s bránou známou ako zdroj a odtok. Tento tranzistor má riadiacu bránu, ktorá riadi tok elektrónov medzi terminálmi zdroja a kolektora.

V tomto tranzistore, pretože telo tranzistora je uzemnené, sú PN prechody zdroja a odtoku smerom k telu spätne predpäté. Ak sa napätie na svorke brány zvýši, elektrické pole sa začne zvyšovať a priťahuje voľné elektróny k báze rozhrania Si-SiO2.

Akonáhle je napätie dostatočne vysoké, elektróny vyplnia všetky otvory a tenká oblasť pod bránou, známa ako kanál, bude invertovaná, aby fungovala ako polovodič typu n. Tým sa vytvorí vodivý pruh od zdroja k zvodu tým, že umožní tok prúdu, takže tranzistor bude zapnutý. Ak je svorka hradla uzemnená, potom v reverznom predpätom spoji netečie žiadny prúd, takže tranzistor bude vypnutý.

Tranzistorový obvod NMOS

Návrh brány NOT pomocou tranzistorov PMOS a NMOS je znázornený nižšie. Aby sme mohli navrhnúť bránu NOT, musíme skombinovať tranzistory pMOS a nMOS pripojením tranzistora pMOS k zdroju a tranzistora nMOS k zemi. Takže obvod bude naším prvým príkladom tranzistora CMOS.

Hradlo NOT je jeden typ logického hradla, ktorý generuje invertovaný vstup ako výstup. Táto brána sa nazýva aj invertor. Ak je vstup „0“, invertovaný výstup bude „1“.

Keď je vstup nula, potom ide do tranzistora pMOS navrchu a nadol na tranzistor nMOS dole. Keď vstupná hodnota „0“ dosiahne tranzistor pMOS, potom sa invertuje na „1“. teda spojenie so zdrojom sa zastaví. Takže to vygeneruje logickú hodnotu „1“, ak je tiež uzavreté spojenie smerom k odtoku (GND). Vieme, že tranzistor nMOS nezvráti vstupnú hodnotu, takže berie nulovú hodnotu tak, ako je, a spôsobí otvorený obvod do odtoku. Pre bránu sa teda vygeneruje hodnota logickej jednotky.

Podobne, ak je vstupná hodnota „1“, potom sa táto hodnota odošle do oboch tranzistorov vo vyššie uvedenom obvode. Akonáhle hodnota „1“ dostane tranzistor pMOS, potom sa obráti na „o“. v dôsledku toho je spojenie so zdrojom otvorené. Keď tranzistor nMOS dostane hodnotu „1, nebude invertovaný. takže vstupná hodnota zostane ako jedna. Keď tranzistor nMOS prijme jednu hodnotu, spojenie smerom k GND sa uzavrie. Takže vygeneruje logickú „0“ ako výstup.

Proces výroby

Proces výroby tranzistorov NMOS zahŕňa mnoho krokov. Rovnaký proces možno použiť pre tranzistory PMOS a CMOS. Najčastejšie používaným materiálom pri tejto výrobe je buď polysilikón alebo kov. Kroky výrobného procesu tranzistora NMOS krok za krokom sú uvedené nižšie.

Krok 1:

Tenká vrstva kremíka sa mení na materiál typu P jednoduchým dopovaním bórového materiálu.

Krok 2:

Hrubá vrstva Sio2 sa pestuje na kompletnom substráte typu p

Krok 3:

Teraz je povrch potiahnutý fotorezistom na silnej vrstve Sio2.

Krok 4:

Potom je táto vrstva vystavená UV žiareniu s maskou, ktorá opisuje tie oblasti, do ktorých má nastať difúzia spoločne s tranzistorovými kanálmi.

Krok 5:

Tieto oblasti sú odleptané spoločne s podkladovým Sio2, takže povrch plátku je odkrytý v okne definovanom cez masku.

Krok 6:

Zvyškový fotorezist sa oddelí a tenká vrstva Sio2 narastie 0,1 mikrometra typicky po celej ploche čipu. Ďalej je na ňom umiestnený polysilikón, aby vytvoril štruktúru brány. Fotorezist je umiestnený na kompletnej polysilikónovej vrstve a vystavuje ultrafialové svetlo v celej maske2.

Krok 7:

Zahriatím plátku na maximálnu teplotu sa dosiahne difúzia a prechod plynu s požadovanými nečistotami typu n, ako je fosfor.

Krok 8:

Po celom povrchu sa pestuje jeden mikrometrový oxid kremičitý a je naň umiestnený fotorezistný materiál. Vystavte ultrafialové svetlo (UV) cez masku3 na preferované oblasti brány, oblasti zdroja a odtoku sú vyleptané, aby sa vytvorili kontaktné rezy.

Krok 9:

Teraz je na jeho povrch so šírkou jedného mikrometra umiestnený kov podobný hliníku. Po celom kove opäť narastie fotorezistný materiál a vystaví sa UV žiareniu cez masku4, ktorá je leptanou formou povinného prepojovacieho dizajnu. Konečná štruktúra NMOS je uvedená nižšie.

Tranzistor PMOS vs NMOS

Rozdiel medzi tranzistormi PMOS a NMOS je popísaný nižšie.

Charakteristika

The I-V charakteristiky tranzistora NMOS sú zobrazené nižšie. Napätie medzi bránou a svorkami zdroja „V _GS “ & tiež medzi zdrojom a odtokom „V _DS '. Takže krivky medzi I _DS a V _DS sa dosahujú jednoduchým uzemnením terminálu zdroja, nastavením počiatočnej hodnoty VGS a rozmazaním V _DS od „0“ po najvyššiu hodnotu jednosmerného napätia danú V _DD pri vykročení V _GS hodnota od „0“ do V _DD . Takže pre extrémne nízke V _GS , I _DS sú extrémne malé a budú mať lineárny trend. Keď V _GS hodnota je vysoká, potom ja _DS vylepšuje a bude mať nižšie uvedenú závislosť od V _GS & V _DS ;

Ak V _GS je menšie alebo rovné V _TH , potom je tranzistor vo vypnutom stave a funguje ako otvorený obvod.

Ak V _GS je väčšia ako V _TH , potom existujú dva prevádzkové režimy.

Ak V _DS je menej ako V _GS – V _TH , potom tranzistor pracuje v lineárnom režime a funguje ako odpor (R _ON ).

IDS = u _eff C _vôl W/L [(V _GS – V _TH )V _DS – ½ V _DS ^2]

Kde,

„µeff“ je efektívna mobilita nosiča náboja.

„COX“ je kapacita hradlového oxidu pre každú jednotkovú oblasť.

W a L zodpovedajú šírke a dĺžke kanála. R _ON hodnota je jednoducho riadená napätím brány takto;

R _{ON =} 1/in _n C _vôl W/L [(V _GS – V _TH )V _DS – ½ V _DS ^2]

Ak je VDS väčšie alebo rovné V _GS – V _TH , potom tranzistor pracuje v režime saturácie

ja _DS = u _n C _vôl W/L [(V _GS – V _TH )^2 (1+λ V _DS ]

V tomto kraji, keď som I _DS je vyšší, potom je prúd minimálne závislý od V _DS hodnota, avšak jeho najvyššia hodnota je jednoducho riadená cez VGS. Modulácia dĺžky kanála „λ“ zodpovedá za zvýšenie v rámci IDS zvýšením v rámci VDS v tranzistoroch v dôsledku vypnutia. Toto odtrhnutie nastane, keď obe V _DS a V _GS rozhodnúť o vzore elektrického poľa v blízkosti odtokovej oblasti, čím sa zmení smer prirodzených nosičov náboja. Tento efekt skracuje dĺžku efektívneho kanála a zvyšuje I _DS . V ideálnom prípade je „λ“ ekvivalentné „0“, takže I _DS je úplne nezávislý od V _DS hodnotu v rámci oblasti nasýtenia.

Ide teda o všetko prehľad NMOS tranzistor – výroba a obvod s obj. Tranzistor NMOS hrá kľúčovú úlohu pri implementácii logických brán, ako aj iných rôznych digitálnych obvodov. Jedná sa o mikroelektronický obvod, ktorý sa používa hlavne pri návrhu logických obvodov, pamäťových čipov a pri návrhu CMOS. Najpopulárnejšími aplikáciami tranzistorov NMOS sú spínače a napäťové zosilňovače. Tu je otázka pre vás, čo je tranzistor PMOS?