Tranzistoare cu efect de camp metal oxid semiconductor

Spre deosebire de tranzistoarele studiate pana acum, aceste tipuri de tranzistoare sunt caracterizate de conductia de suprafata si nu de cea de volum. Din acest motiv mai poarta numele de tranzistoare cu efect de camp de suprafata. In literatura de specialitate se intalnesc si sub denumirea prescurtata TECMOS (Tranzistoare cu Efect de Camp Metal Oxid Semiconductor) sau MOSFET (Metal Oxid Semiconductor Field Efect Tranzistor).

Ideea tranzistorului cu efect de camp de suprafata dateaza din 1930 cand Lillien in Statele Unite si Heil in Anglia au propus utilizarea efectului de camp de suprafata pentru obtinerea unui dispozitiv amplificator folosind corpul solid. Cercetari ample au fost realizate ulterior (1940) in laboratoarele Bell. Descoperirea mai mult sau mai putin accidentala a tranzistorului bipolar a determinat insa apoi o noua directie in cercetarea si dezvoltarea dispozitivelor semiconductoare pentru mai mult de o decada. Aparitia siliciului oxidat - una dintre cele trei mari idei care au fundamentat tehnologia planara - a adus cu sine o crestere a posibilitatii de de fabricatie a TECMOS. In 1960 Kahng si Atalla au realizat un tranzistor cu efect de camp utilizand siliciul oxidat termic. Anii ce au urmat au insemnat o activitate extrem de intensa in acest domeniu. Aceasta activitate a condus pe de o parte la un nivel inalt de cunoastere a interfetei Si-SiO₂ iar pe de alta parte TECMOS a devenit unul dintre cele mai utilizate tranzistoare, la concurenta cu tranzistorul bipolar. De fapt, in multe aplicatii in special in domeniul circuitelor integrate acest tranzistor detine primul loc ca importanta.

Structura capitolului este:

Subcapitolul unu este dedicat notiunilor generale. Sunt prezentate cele doua tipuri principale;

Subcapitolul doi prezinta comportarea celor doua tipuri de tranzistoare in regim cvasistatic de semnal mare. Sunt prezentate principalele caracteristici statice precum si modele uzuale;

Subcapitolul trei prezinta comportarea celor doua tipuri de tranzistoare in regim cvasistatic de semnal mic. Sunt prezentate modelele matematice precum si modelele electrice;

Subcapitolul patru este dedicat problemelor speciale legate de polarizarea celor doua tipuri de tranzistoare .

Subcapitolul cinci prezinta o aplicatie uzuala si anume etajul sursa comuna

1 Preliminarii

In principiu acest tranzistor are o functionare asemanatoare tranzistorului cu efect de camp cu jonctiune. Curentul principal - curent stabilit intre terminale care poarta acelasi nume, sursa si drena - circula printr-un canal, a carui conductanta este modificata electric de potentialul de pe grila. Functie de modul in care se realizeaza acest canal exista in principiu doua tipuri de tranzistoare MOS:

tranzistor MOS cu canal initial (canalul este realizat tehnologic in structura printr-o difuzie suplimentara);

tranzistor MOS cu canal indus (canalul este indus de potentialul aplicat grilei)

Structura sucapitolului este:

Structura, simbol, notatii;

Principiul de functionare;

Conexiunile tranzistoarelor;

1.1 Structura, simbol, notatii

a.)    TECMOS cu canal initial

Structura este prezentata in figura 1. S-au folosit notatiile:

S sursa; terminalul de la care sunt "emisi" purtatorii;

D drena; terminalul la care sunt "colectati" purtatorii;

G    grilasau poarta; terminalul care controleaza fluxul de purtatori dintre grila si sursa

B    substrat; terminal care in anumite cazuri este conectat la sursa iar in altele functioneaza ca o grila secundara

Canal    regiunea prin care tranziteaza purtatorii in drumul lor dintre sursa si drena

SiO₂    strat izolator de bioxid de siliciu; izoleaza grila de canal.

Observatie Figura 1 prezinta un TECMOS cu canal initial de tip "n". Exista si structura complementara si anume TECMOS cu canal initial de tip "p".

Figura 2 prezinta simbolul unui TECMOS cu canal initial de tip "n", iar figura 3 prezinta simbolul unui TECMOS cu canal initial de tip

S-au folosit notatiile:

i_D    curent de drena

i_S    curent de sursa

i_G    curent de grila

v_GS    tensiunea grila sursa;

v_DS    tensiunea drena sursa;

v_DG    tensiunea drena grila .

Atat pentru tensiuni cat si pentru curenti s-au prezentat sensurile fizice.

b.)    TECMOS cu canal indus

Structura este prezenta in figura 4

Notatiile sunt identice cu cele de la figura 1. In plus, se observa ca de aceasta data canalul nu este fizic realizat.

Observatie Figura 4 prezinta un TECMOS cu canal indus de tip "n". Exista si structura complementara si anume TECMOS cu canal initial de tip "p".

Figura 5 prezinta simbolul unui TECMOS cu canal indus de tip "n", iar figura 6 prezinta simbolul unui TECMOS cu canal indus de tip "p"

Notatiile sunt identice cu cele folosite la simbolurile TECMOS-urilor cu canal intial.

Observatie: Ca si in cazul celorlalte tranzistoare, in continuare va fi prezentata numai comportarea tranzistoarelor cu canal de tip "n".

1.2 Principiul de functionare

In principiu aceste tranzistoare au o functionare asemanatoare tranzistorului cu efect de camp cu jonctiune. Curentul principal - curent stabilit intre terminale care poarta acelasi nume, sursa si drena - circula printr-un canal, a carui conductanta este modificata electric de potentialul de pe grila. Deosebirile apar numai la mecanismele care dau nastere canalului, precum si faptul ca acest canal se afla pe suprafata structurii. Astfel:

In cazul TECMOS cu canal initial, potentialul grilei modifica concentratia purtatorilor din canal si prin aceasta rezistenta canalului. De altfel acest tranzistor mai poarta numele D-MOS (Depletion MOS).

In cazul TECMOS cu canal indus, potentialul grilei - in conditiile in care este suficient de ridicat - datorita fenomenului de atractie electrostatica, atrage la interfata dintre siliciu si bioxidul de siliciu purtatorii si astfel este generat canalul. Si in acest caz modificarea potentialului grilei duce la modificarea concentratiei purtatorilor din canal si prin aceasta a rezistentei canalului Acest tranzistor mai poarta numele E-MOS (Enhancement MOS).

Ca si in cazul TECJ, fara a mai intra in detalii trebuie spus ca se pot pune in evidenta cel putin trei doua moduri distincte de lucru pentru acsre tranzistoare:

Rezistenta comandata. II mare este vorba de mecanismul amintit. Despre tranzistor se sune ca lucreza in regim liniar;

Generator de curent comandat. In aceasta situatie canalul este strangulat, dar purtatorii injectati de sursa pot ajunge la drena. Despre tranzistor se spune ca lucreza in regim saturat;

Circuit intrerupt. In aceasta situatie canalul este strangulat, iar purtatorii injectati de sursa nu mai pot ajunge la drena. Despre tranzistor se spune ca lucreza in regim blocat;

1.3 Conexiunile TECJ. Modalitati de descriere.

Ca si in cazul TECJ si aici se pun in evidenta trei topologii fundamentale. Se vor prezenta schematic numai structurile cu TECMOS cu canal initial, cele cu canal indus fii.d identice.

Conexiunea sursa comuna (figura 7) are ca marimi de intrare tensiunea grila - sursa si curentul de grila, iar ca marimi de iesire tensiunea drena - sursa si curentul de drena. Pentru aceasta conexiune sensurile conventionale ale curentilor si tensiunilor coincid cu cele fizice.

Conexiunea grila comuna (figura 8) are ca marimi de intrare tensiunea sursa - grila si curentul de sursa, iar ca marimi de iesire tensiunea drena - grila si curentul de drena. Pentru aceasta conexiune sensurile conventionale ale curentilor si tensiunilor nu coincid cu cele fizice

Conexiunea drena comuna (figura 9) are ca marimi de intrare tensiunea grila - drena si curentul de grila, iar ca marimi de iesire tensiunea sursa - drena si curentul de sursa. Nici pentru aceasta conexiune sensurile conventionale ale curentilor si tensiunilor nu coincid cu cele fizice.

In mod uzual TECMOS-urie indiferent de tip, ca si TECJ-urile de altfel, sunt descrise de doua ecuatii de forma:

i_G=i_G(v_GS,v_DS) (1)

i_D=i_D(v_GS,v_DS) (2)

Intrucat grila este izolata prin constructie de drena, (1) devine:

i_G (3)

2 Comportarea TECMOS in regim cvasistatic de semnal mare

Dupa cum a mai fost amintit de deja, in regim cvasistatic de semnal mare orice tranzistor este integral descris de douǎ si numai douǎ ecuatii, numite ecuatii caracteristice statice, sau pe scurt, caracteristici statice. In mod uzual acestea sunt ecuatiile 2 si 3 Prezentul subcapitol isi propune sǎ prezinte formele explicite ale acestor caracteristici, iar pe baza lor sǎ dezvolte modele aproximative pentru TECMOS. Suplimentar, este prezentat modul de definire al valorilor limitǎ ale parametrilor electrici ce pot fi suportate de aceste tranzistoare In consecintǎ, structura subcapitolului este:

Caracteristici statice;

Modele de semnal mare pentru TECJ

Abateri de la teoria ideala

Limitari in functionare.

2.1 Caracteristici statice

Urmand metodologia din capitolul precedent se vor prezenta cele doua caracteristici statice uzuale:

a.) Caracteristica de iesire

Figura 10 prezinta caracteristicile de iesire pentru un TECMOS cu canal initial tip "n", iar figura 11 caracteristicile de iesire pentru un TECMOS cu canal indus tip "n". Se constata ca alura caracteristicilor este asemanatoare, diferind domeniul tensiunilor de comanda v_GS.

Ca atare se pot pune in evidenta, si in acest caz, existenta mai multor regiuni:

I.) Regiunea liniara este regiunea in care tranzistorul se comporta ca rezistenta comandata; valorile acestei rezistente sunt in general mici lucru atestat de panta caracteristicii; in aceasta regiune dependenta curentului de drena de tensiunea drena-sursa poate fi aproximata de o dreapta.

II.) Regiunea de cot este o regiune de tranzitie; de obicei tranzistoarele nu functioneaza in acesta regiune; caracteristica se poate aproxima parabolic. Analiza ei nu face obiecul prezentului curs.

III.) Regiunea de saturatie; in aceasta regiune tranzistorul functioneaza ca generator comandat; comanda este data prin intermediul tensiunii grila sursa.

IV.) Regiunea de blocare; in aceasta regine tranzistorul se comporta ca un circuit intrerupt; este caracterizata de faptul ca tensiunile pe trazistor pot lua orice valori (in limitele normale), dar curentul este nul.

b.) Caracteristica de intrare

Figura 12 prezinta caracteristicile de intrare pentru un TECMOS cu canal initial tip "n", iar figura 13 caracteristicile de iesire pentru un TECMOS cu canal indus tip "n". Si de .

unde:

I_DSS curentul de drena corespunzator tensiunii grila sursa nula

V_T    tensiunea de prag

Si de acesta data, caracteristicile pot fi aproximate prin parabole deosebirile fiind legate de domeniul in care poate varia tensiunea v_GS.

2.2. Modele de semnal mare pentru TECMOS

Modele uzuale utilizate pentru cele doua tipuri de tranzistoare MOS sunt practic identice. Din aceasta cauza in acest subcapitol nu se vor face referiri speciale la unul dintre ele.

1.) Regim de blocare. Ecuatiile (2) si (3) care reprezinta modelul matematic general al TECMOS capata forma:

i_G=0    (4)

i_D=0    (5)

Schema echivalenta corespunzatoare este prezentata in figura 14.

2.) Regim saturat. Modelul matematic este:

i_G=0    (6)

(7)

Observatie: Coeficientul     din relatia (7) este un coeficient a carui valoare care depinde de geometria tranzistorului si nu are legatura cu cel definit in cazul tranzistorului bipolar. Schema echivalenta este prezentata in figura 15

3.) Regim liniar. Tranzistoarele au comportare de rezistenta comandata dupa cum se poate observa din schema echivalenta prezentata in figura (16):

2.3. Abateri de la teoria ideala

Problemele care apar in cazul TECMOS sunt practic aceleasi cu cele care prezentate in subcapitolul 6.2.3 astfel ca nu vor fi reluate.

2.4. Limitari in functionare

Ca si in cazul TECJ problemele care apar in cazul TECMOS sunt practic aceleasi cu cele care prezentate in subcapitolul 6.2.4. Ca atare, concluziile care s-au impus in subcapitolul mentionat raman valabile si pentru TECMOS.

3 Comportarea TECMOS in regim cvasistatic de semnal mic

Liniarizand Taylor relatiile (5 si (7) se obtine:

i_g=0 (8)

i_d=g_mv_gs (9)

unde

i_g    curent de grila (valoare instantanee de semnal)

i_d    curent de drena (valoare instantanee de semnal)

v_gs    tensiune de grila-sursa (valoare instantanee de semnal)

iar

(10)

poarta numele de tranconductanta mutuala. Schema echivalenta corespunzatore este prezentata in figura 1

4 Polarizarea TECMOS

Sarcinile circuitului de alimentare in curent continuu pentru TECMOS sunt aceleasi ca si in cazul TECJ. Si in acest caz nu se mai pune problema ambalarii termice, dar ramane cea a dispersiei de parametrii. Diferentele apar insa daca se observa ca in functionare normala un TECMOS cu canal de tip n indus, are nevoie de o tensiune pozitiva intre grila si sursa (figura 13), iar un TECMOS cu canal n initial suporta intre grila si sursa atat valori pozitive cat si negative pentru polarizare (figura 12). Ca atare pentru TECMOS cu canal indus s-au impus scheme de tipul celei din figura 6.21, iar pentru TECMOS cu canal initial scheme de tipul celei din figura 6.22. Se poate observa ca singura deosebire dintre cele doua scheme este data de absenta respectiv prezenta rezistentei R_S. Intrucat pe rezistenta R_S se obtine o tensiune generata de curentul propriu al tranzistorului, solutiile ce introduc aceasta rezistenta poarta numele de circuite cu polarizare automata.

Analiza detaliata a acestor circuite este practic identica cu cea efectuata in capitolul 5.5. Acesta este motivul pentru care nu va mai fi prezentata.

De altfel si circuitele care au in structura tranzistoare cu efect de camp MOS, au aceeasi comportare formala cu circuitele care au in compunere tranzistoare cu efect de camp cu jonctiune. Ca atare nici circuitele fundamentale de tip sursa comuna, drena comuna sau grila comuna nu vor fi prezentate.

5 Aplicatii. Etaj sursa comuna

Ca si in cazul tranzistorului bipolar, si pentru pentru aceste tranzistoare se pun in evidenta trei 3 structuri topologice cunoscute in literatura de specialitate sub numele de etaje fundamentale:

etaj sursa comuna;

etaj grila comuna;

etaj drena comuna.

Prezenta sectiune prezinta numai etajul sursa comuna. Pentru acest etaj semnalele de intrare se aplica intre grila si sursa, iar semnalul de iesire se culege intre drena si sursa.

a.) schema este prezentata in figura 20

b.) rolul elementelor; notatii folosite

R_D    rezistor de sarcina;

v_IN     tensiune de intrare (valoare instantanee totala);

i_IN     curent de intrare (valoare instantanee totala);

v_O     tensiune de iesire (valoare instantanee totala);

c.) analiza de semnal mare

Obiectivul acestei analize consta in explicitarea caracteristicii de intrare (11);

v_O=v_O(v_IN)    (11)

Procedura aplicata este identica cu procedura prezentata in capitolul 6.:

I.           Pentru

v_GS<V_T (12)

si

v_GD<V_T (13)

tranzistorul este blocat. Circuitul din figura 20 se modeleaza ca in figura 21. Se constata ca:

v_O=E_D (14)

Observatie: Conditiile (2) si (3) sunt satisfacute daca:

(15)

II.        Pentru:

v_GS>V_T (16)

si

v_GD<V_T (17)

tranzistorul este in regiunea de saturatie. Circuitul din figura 20 se modeleaza ca in figura 22: Expresia tensiunii de iesire este:

v_O=E_D-i_DR_D    (18)

iar.

(19)

v_GS=v_IN (20)

Inlocuind (20) in (19), iar (19) in (18) se obtine:

(21)

Aceasta expresie este valabila pentru:

(22)

III.     Pentru:

v_GS>V_T    (23)

and

v_GD>V_T    (24)

tranzistorul opereaza in regiunea liniara. Circuitul din figura 20 se modeleaza ca in figura 23. Prin simpla inspectie se constata ca expresia tensiunii de iesire este:

(25)

Tensiunea de intrare trebuie sa satisfaca conditia

(26)

Tinand cont de relatiile si (25) caracteristica de transfer capata alura din figura (24):

d) etaj de amplificare in conexiunea sursa comuna

Acesta sectiune trateaza comportarea in semnal mic a acestei coneciuni.

d₁) schema este prezentata in figura 25.

d₂) rolul elementelor

R_G1 R_G2 R_S circuit de polarizare.

C₁, C₂ condensatoare de cuplaj.

C_S condensator de decuplare; pune sursa la masa in regim de semnal.

R_D sarcina.

d₃.) analiza de semnal mic

Se vor analiza:

amplificarea in tensiune;

rezistenta de intrare;

rezistenta de iesire.

1.) Amplificarea in tensiune

Este definita ca:

(27)

unde:

V_t    tensiune de intrare aplicata la intrare; (amplitudine);

V_ot    raspunsul in tensiune al circuitului la tensiunea de test. (amplitudine).

Circuitul din figura 25 se modeleaza ca in figura 26.

S-au folosit notatiile.

(28)

(29)

Se gaseste:

V_ot=-g_mV_gsR_D,L    (30)

V_t=V_ds (31)

Introducand (30) si (31) in (27) amplificarea in tensiune devine:

(32)

Concluzii:

castigul in tensiune este ridicat;

diferenta de faza dintre tensiuneade intrare si cea de iesire este 180⁰ (semnul minus).

2.) Rezistenta de intrare.

Este definita de:

(33)

Din figura 26 prin simpla inspectie.

R_in=R_G (34)

Concluzie: rezistenta de intrare este egala cu RG si poate lua valori ridicate.

3.) Rezistenta de iesire;

Este definita ca in (35):

(35)

Figura 27 arate modul in care este plasata sursa de test precum si modul in care se realizeaza scurtcircuitul, prin intermediul condensatorului C_s. Circuitul este modelat in figura 28. Observand ca

V_gs=0 (36)

circuitul din figura 28 se reduce la cel din figura 29. In consecinta rezistenta de iesire devine:

R_o=R_D (37)

Concluzie: rezistenta de iesire are o valoare moderata.