MOS Tüplerine Giriş ve İçsel Kazanımlar

Metal-oksit-yarıiletken alan etkili transistörün İngilizce adının kısaltması olan MOS, adını veren elektrik alan etkisi yoluyla çıkış döngüsünün akımını kontrol eden benzersiz bir yarı iletken cihazdır. Cihaz, elektriği iletmek için öncelikle yarı iletkenlerdeki taşıyıcıların çoğunluğuna dayanıyor, bu nedenle tek kutuplu bir transistör olarak da sınıflandırılıyor. MOS transistörlerin yanı sıra, bağlantı FET'leri (JFET'ler), metal-yarı iletken FET'ler, JLFET'ler ve QWFET'ler gibi çeşitli türleri vardır. Bu tipler arasında MOS transistörler, yüksek giriş direnci, düşük güç tüketimi, düşük gürültü ve entegrasyon kolaylığı gibi pek çok avantajı nedeniyle en sık kullanılan tercih olup, analog ve dijital devrelerde yaygın olarak kullanılmakta ve mutlak yer kaplamaktadır. piyasada bipolar transistörleri (BJT'ler) çok aşan hakim konum.

715-031986-005 Hsg Lwr Reaksiyon Odası

MOS transistörleri ayrıca NMOS (N-kanal tipi) ve PMOS (P-kanal tipi) olarak alt bölümlere ayrılır; bunların her ikisi de yalıtımlı kapı FET'lerine aittir. NMOS ve PMOS akıllıca bir araya getirildiğinde, genellikle CMOS (Tamamlayıcı Metal-Oksit-Yarıiletken) cihazları dediğimiz cihazı oluştururlar. NMOS'un yapısı, üç anahtar elektrot dahil olmak üzere mükemmel olacak şekilde tasarlanmıştır: Bipolar bir transistörün sırasıyla emitörü, tabanı ve toplayıcısıyla işlevsel olarak ilişkilendirilebilen Kaynak (S), Kapı (G) ve Boşaltma (D). aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi.

NMOS yapısının şematik diyagramı

0040-09723 -yekpare gövde, Aşındırma Odası

Aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi NMOS'un çalışması sırasında kapıya herhangi bir voltaj uygulanmazsa iletken kanalların bulunmamasından dolayı kaynak ve drenaj bölgeleri arasında akım oluşamaz. Bununla birlikte, geçide yeterince büyük bir pozitif voltaj uygulandığında, bu voltaj bir mıknatıs gibi davranarak P-tipi substrattaki az sayıda taşıyıcıyı (elektronları) çeker ve bunların kapı ile substratın birleşiminde yoğunlaşmasına neden olur. Elektronların birikmesiyle, substratın yüzeyinde elektronlarla dolu ters bir katman oluşacaktır, bu da orijinal P-tipi bölgeyi N-tipi bir bölgeye çevirecek ve böylece akım için düzgün bir kanal sağlayacaktır. Kaynak bölgedeki elektronlar, bir akım oluşturmak için drenaj bölgesine düzgün bir şekilde akabilir. Bu süreç, MOS transistörünün bir voltaj kontrol cihazı olarak özünü gösterir; yani, kapı voltajı, kaynak ve drenaj arasındaki akımı hassas bir şekilde düzenlemek için kullanılır. Bu ters katman, kaynak bölgedeki elektronların sürekli olarak drenaj bölgesine akmasına olanak tanıyan verimli bir elektron taşıma yolu oluşturur ve bu da bir elektrik akımının oluşmasına neden olur. Bu nedenle, MOS transistörü esas olarak bir voltaj kontrol cihazıdır ve bunun çekirdeği, kaynak ile geçit voltajı aracılığıyla drenaj arasındaki akımı hassas bir şekilde kontrol etmektir. FET'i açmak için gereken minimum geçit voltajını eşik voltajı olarak tanımlıyoruz. Kapı burada bir anahtar görevi görür: geçit voltajı eşik voltajının altına düştüğünde veya kapı voltajı kaldırıldığında kapatılır, böylece akımın kaynak ile drenaj arasında geçişi önlenir; Kapı voltajı eşik voltajının üzerine çıktığında kanalı açar ve kaynak ile drenaj arasındaki akımın serbestçe akmasını sağlar.

NMOS'un elektriksel özellikleri
Daha sonra tipik bir NMOS tüpü hazırlama sürecinin ana hatlarını çizeceğiz. İlk olarak, epitaksiyel büyüme ile bir silikon substrat üzerinde bir epitaksiyel katman oluşturulur, bu adım, MOS tüpünün yarı iletken kısmını (S) oluşturan düşük oksijen içeriğine sahip bir silikon tek kristali elde etmeyi amaçlar ve ardından alan oksit şu şekilde hazırlanır: Farklı MOS tüplerini izole etmek ve aralarındaki elektriksel girişimi önlemek için kullanılan oksidasyon, fotolitografi ve aşındırma teknikleri. Daha sonra, MOS tüpündeki oksit kısmı (O) olan bir geçit oksit tabakası oluşturmak için bir oksidasyon işleminden geçirilir. Bir sonraki adım, polisilikon malzemeyi biriktirmek ve fotolitografi ve dağlama işlemleri yoluyla bir polisilikon kapısı oluşturmaktır; polisilikon geleneksel anlamda bir metal olmamasına rağmen, katkılama sonrasında iyi bir iletkenliğe sahiptir ve entegre devre işlemleri için uygundur, dolayısıyla daha önceki metaliklerin yerini alır. alüminyum malzemeler. Daha sonra fotolitografi işlemi ile önce pencerelenen, ardından fosfor iyonlarının enjeksiyonu yapılan ve yapıyı stabilize etmek için tavlanan kaynak bölgesi ve sızıntı bölgesi üretim aşamasına girer. Bunu, sonraki litografi adımları için iyi bir temel oluşturan, biriktirme ve yeniden akıtma işlemleriyle yumuşatılan bir dielektrik katman olarak bir fosfosilikat cam (PSG) tabakasının biriktirilmesi takip eder. PSG daha sonra istenen deseni oluşturmak için fotolitografi ve dağlama işlemine tabi tutulur. Daha sonra metal bağlantı malzemesi olarak alüminyum-silikon alaşımı biriktirilir ve fotolitografi ve aşındırma işlemleriyle metal bağlantı hazırlanır. Son olarak, tüm cihaza ek koruma ve stabilite sağlamak için pasifleştirme koruyucu tabakası olarak bir silikon nitrür tabakası biriktirilir.

MOS tüpünün içsel kazancı
Bir transistörün ortak kaynak amplifikatör konfigürasyonunda sergileyebileceği maksimum düşük frekanslı küçük sinyal kazancı, MOS transistörünün içsel kazancı olarak tanımlanır ve şu şekilde ifade edilebilir:

Ayrıntılı türetme işlemi burada atlanmıştır. Bu formüle göre, MOS transistörünün içsel kazancı aşırı hız voltajı ve oluk uzunluğu modülasyon katsayısı λ ile ters orantılıdır. λ, MOS tüpünün kanal uzunluğu L ile ters orantılı olduğundan, L'nin artmasıyla içsel kazanç artar. Teorik olarak, MOS transistörünün içsel kazancı, aşırı hız voltajının azaltılması ve L'nin arttırılmasıyla arttırılabilir. Bununla birlikte, her ikisi de bu işlemler MOS tüpünün çalışma hızını yavaşlatır. Bu nedenle gerçek devre tasarımında kazanç ve hız arasında bir denge kurmamız gerekir. Kazanç ve hız arasındaki bu denge, analog entegre devre tasarımı alanında her zaman merkezi bir konu olmuştur. Aşağıdaki denklemin görülebileceğini belirtmekte fayda var

MOS transistörünün içsel kazancı, geçiş iletkenliği verimliliği tasarlanırken içsel kazanca benzer, ancak içsel kazanç ayrıca kanal uzunluğundan da etkilenir. MOS cihazlarının özellik boyutu küçülmeye devam ettikçe içsel kazançları da azalıyor ve bu da tasarımlarımıza yönelik artan bir zorluk teşkil ediyor.

Ek olarak, çok düşük bir aşırı hız voltajının MOS transistörünün, MOS transistörünün çalışma özelliklerinin doyma bölgesindekilerden çok farklı olduğu eşik altı bölgeye girmesine neden olabileceği konusunda dikkatli olmamız gerekir ve ilgili formüllerin çoğu ve teoriler artık geçerli olmayacak.