Ievads MOS caurulēs un raksturīgajos pastiprinājumos

MOS, kas ir metāla oksīda pusvadītāju lauka efekta tranzistora angļu nosaukuma saīsinājums, ir unikāla pusvadītāju ierīce, kas kontrolē izejas cilpas strāvu caur elektriskā lauka efektu, kas dod tai nosaukumu. Ierīce galvenokārt balstās uz lielāko daļu pusvadītāju nesēju, lai vadītu elektrību, tāpēc to klasificē arī kā vienpolāru tranzistoru. Papildus MOS tranzistoriem ir dažādi veidi, piemēram, savienojuma FET (JFET), metāla pusvadītāju FET, JLFET un QWFET. Starp šiem veidiem MOS tranzistori ir visizplatītākā izvēle, pateicoties to daudzajām priekšrocībām, piemēram, lielai ievades pretestībai, zemam enerģijas patēriņam, zemam trokšņa līmenim un vienkāršai integrācijai, un tos plaši izmanto analogajās un digitālajās shēmās, un tie aizņem absolūtu. dominējošais stāvoklis tirgū, ievērojami pārsniedzot bipolāros tranzistorus (BJT).

715-031986-005 Hsg Lwr reakcijas kamera

MOS tranzistori tālāk tiek iedalīti NMOS (N-kanāla tips) un PMOS (P-kanāla tips), kas abi pieder izolētiem vārtu FET. Ja NMOS un PMOS ir gudri apvienoti, tie veido tā, ko mēs bieži saucam par CMOS (komplementārā metāla-oksīda-pusvadītāja) ierīces. NMOS struktūra ir izstrādāta tā, lai tā būtu izsmalcināta, ietverot trīs galvenos elektrodus: avots (S), vārti (G) un drenāža (D), kurus var funkcionāli korelēt ar bipolārā tranzistora emitētāju, bāzi un kolektoru. , kā parādīts zemāk esošajā attēlā.

NMOS struktūras shematiskā diagramma

0040-09723 -unibody, Etch Chamber

Kā parādīts attēlā zemāk, ja NMOS darbības laikā vārtiem netiek pievadīts spriegums, strāva nevar izveidoties starp avota un drenāžas reģioniem vadošu kanālu trūkuma dēļ. Tomēr, ja vārtiem tiek pielikts pietiekami liels pozitīvs spriegums, šis spriegums darbojas kā magnēts, lai piesaistītu nelielu skaitu nesēju-elektronu P-veida substrātā, liekot tiem koncentrēties vārtu un substrāta savienojuma vietā. Uzkrājoties elektroniem, uz substrāta virsmas izveidosies apgriezts elektronu pilns slānis, kas faktiski apgriež sākotnējo P tipa apgabalu N tipa apgabalā, tādējādi nodrošinot vienmērīgu kanālu strāvai, lai elektroni avota reģionā var vienmērīgi plūst uz drenāžas reģionu, veidojot strāvu. Šis process parāda MOS tranzistora kā sprieguma kontroles ierīces būtību, ti, vārtu spriegumu izmanto, lai precīzi regulētu strāvu starp avotu un noteci. Šis apgrieztais slānis rada efektīvu elektronu transportēšanas ceļu, kas ļauj elektroniem avota reģionā nepārtraukti plūst uz drenāžas reģionu, kā rezultātā veidojas elektriskā strāva. Tāpēc MOS tranzistors būtībā ir sprieguma kontroles ierīce, kuras kodols ir precīzi kontrolēt strāvu starp avotu un aizplūšanu caur vārtu spriegumu. Mēs definējam minimālo vārtu spriegumu, kas nepieciešams, lai ieslēgtu FET kā sliekšņa spriegumu. Vārti šeit spēlē slēdža lomu: kad vārtu spriegums nokrītas zem sliekšņa sprieguma vai kad vārtu spriegums tiek noņemts, tie tiek izslēgti, novēršot strāvas pāreju starp avotu un noteci; Kad vārtu spriegums pārsniedz sliekšņa spriegumu, tas atver kanālu un ļauj brīvi plūst strāvai starp avotu un noteci.

NMOS elektriskās īpašības
Tālāk mēs ieskicējam tipisku NMOS caurules sagatavošanas procesu. Pirmkārt, uz silīcija substrāta ar epitaksiālu augšanu tiek izveidots epitaksiālais slānis, šī soļa mērķis ir iegūt silīcija monokristālu ar zemu skābekļa saturu, kas veido MOS caurules pusvadītāja daļu (S), un pēc tam lauka oksīdu sagatavo ar oksidācijas, fotolitogrāfijas un kodināšanas metodes, ko izmanto, lai izolētu dažādas MOS caurules un novērstu elektriskos traucējumus starp tām. Pēc tam tiek veikts oksidācijas process, lai izveidotu vārtu oksīda slāni, kas ir oksīda daļa (O) MOS caurulē. Nākamais solis ir polisilīcija materiāla nogulsnēšana un polisilīcija vārtu veidošana, izmantojot fotolitogrāfijas un kodināšanas procesus, lai gan polisilīcijs nav metāls tradicionālajā izpratnē, tam ir laba vadītspēja pēc dopinga un tas ir piemērots integrālo shēmu procesiem, tādējādi aizstājot agrāko metālisko. alumīnija materiāli. Pēc tam tas nonāk avota zonas un noplūdes zonas ražošanas stadijā, ko vispirms atver fotolitogrāfijas process, kam seko fosfora jonu injekcija, un atkvēlina, lai stabilizētu struktūru. Tam seko fosfosilikāta stikla (PSG) slāņa nogulsnēšana kā dielektrisks slānis, kas tiek izlīdzināts ar nogulsnēšanas un pārplūdes procesiem, liekot labu pamatu turpmākajiem litogrāfijas posmiem. Pēc tam PSG tiek veikta fotolitogrāfija un kodināšana, lai izveidotu vēlamo modeli. Pēc tam alumīnija un silīcija sakausējums tiek uzklāts kā metāla savienojuma materiāls, un metāla savienojumu sagatavo fotolitogrāfijas un kodināšanas procesos. Visbeidzot, kā pasivācijas aizsargslānis tiek uzklāts silīcija nitrīda slānis, lai nodrošinātu papildu aizsardzību un stabilitāti visai ierīcei.

MOS caurules iekšējais pastiprinājums
Maksimālais zemfrekvences mazā signāla pastiprinājums, ko tranzistors var parādīt kopējā avota pastiprinātāja konfigurācijā, ir definēts kā MOS tranzistora raksturīgā pastiprināšana, ko var izteikt kā

Detalizēts atvasināšanas process šeit ir izlaists. Saskaņā ar šo formulu MOS tranzistora iekšējais pastiprinājums ir apgriezti proporcionāls pārsprieguma spriegumam un rievas garuma modulācijas koeficientam λ. Tā kā λ ir apgriezti proporcionāls MOS caurules kanāla garumam L, iekšējais pastiprinājums palielinās, palielinoties L. Teorētiski MOS tranzistora iekšējo pastiprinājumu var palielināt, samazinot pārsprieguma spriegumu un palielinot L. šīs darbības palēnina MOS caurules darba ātrumu. Tāpēc faktiskajā ķēdes projektā mums ir jāizveido kompromiss starp pastiprinājumu un ātrumu. Šis līdzsvars starp pastiprinājumu un ātrumu vienmēr ir bijis centrālais jautājums analogās integrālās shēmas projektēšanas jomā. Ir vērts atzīmēt, ka var redzēt šādu vienādojumu

MOS tranzistora iekšējais pastiprinājums ir līdzīgs iekšējam pastiprinājumam, projektējot transvadītspējas efektivitāti, bet iekšējo pastiprinājumu papildus ietekmē kanāla garums. Tā kā MOS ierīču funkciju lielums turpina samazināties, to iekšējais ieguvums samazinās, kas rada arvien lielāku izaicinājumu mūsu dizainiem.

Turklāt mums ir jāuzmanās, ka pārāk zems pārsprieguma spriegums var izraisīt MOS tranzistora nonākšanu apakšsliekšņa apgabalā, kur MOS tranzistora darbības raksturlielumi ļoti atšķiras no piesātinājuma apgabalā esošajiem, un daudzas no attiecīgajām formulām un teorijas vairs nederēs.