Metalloksiid-pooljuhttransistor või MOS-transistor on loogikakiipide, protsessorite ja kaasaegsete digitaalsete mälude põhiline ehitusplokk. See on enamuskandja seade, kus allika ja äravoolu vahelises juhtivas kanalis voolu moduleeritakse väravale rakendatava pingega. See MOS-transistor mängib võtmerolli erinevates analoog- ja segasignaaliga IC-des. See transistor on üsna kohandatav, seega toimib võimendi, lüliti või a takisti . mitte transistorid liigitatakse kahte tüüpi PMOS ja NMOS. Niisiis, see artikkel käsitleb ülevaadet NMOS transistor - valmistamine, vooluring ja töö.
Mis on NMOS-transistor?
NMOS (n-kanaliga metalloksiid-pooljuht) transistor on ühte tüüpi transistor, mille väravapiirkonnas kasutatakse n-tüüpi lisandeid. Positiivne (+ve) pinge värava klemmil lülitab seadme sisse. Seda transistorit kasutatakse peamiselt CMOS (täiendav metalloksiidpooljuht) disain ja ka loogika- ja mälukiibid. Võrreldes PMOS-transistoriga on see transistor väga kiirem, nii et ühele kiibile saab paigutada rohkem transistore. NMOS-transistori sümbol on näidatud allpool.
Kuidas NMOS-transistor töötab?
NMOS-transistori töö on; kui NMOS-transistor saab mitteolulise pinge, siis moodustab see suletud vooluringi, mis tähendab, et ühendus lähteklemmilt äravooluga töötab juhtmena. Nii et vool liigub värava terminalist allikani. Samamoodi, kui see transistor saab umbes 0 V pinge, moodustab see avatud vooluringi, mis tähendab, et ühendus lähteklemmilt äravooluga katkeb, nii et vool liigub väravaklemmist äravoolu.
NMOS-transistori ristlõige
Üldiselt on NMOS-transistor lihtsalt ehitatud p-tüüpi korpusega kahe n-tüüpi pooljuhtpiirkonnaga, mis külgnevad allikaks ja äravooluks tuntud väravaga. Sellel transistoril on juhtvärav, mis juhib elektronide voogu lähte- ja äravooluklemmide vahel.
Selles transistoris, kuna transistori korpus on maandatud, on allika ja äravoolu PN-ühendused korpuse suunas pöördpingestatud. Kui väravklemmi pinget suurendada, hakkab elektriväli suurenema ja meelitab vabu elektrone Si-SiO2 liidese alusele.
Kui pinge on piisavalt kõrge, hakkavad elektronid täitma kõik augud ja õhuke piirkond, mida nimetatakse kanaliks, pööratakse ümber, et toimida n-tüüpi pooljuhina. See loob juhtiva raja allika terminalist äravooluni, võimaldades voolu voolu, nii et transistor lülitub SISSE. Kui paisu klemm on maandatud, ei voola tagurpidi eelpingestusega ristmikus voolu, mistõttu transistor lülitatakse VÄLJA.
NMOS-transistori ahel
PMOS- ja NMOS-transistore kasutav NOT-värava disain on näidatud allpool. NOT-värava kujundamiseks peame ühendama pMOS- ja nMOS-transistorid, ühendades pMOS-transistori allikaga ja nMOS-transistori maapinnaga. Nii et ahel on meie esimene CMOS-transistori näide.
NOT-värav on üht tüüpi loogikavärav, mis genereerib väljundina ümberpööratud sisendi. Seda väravat nimetatakse ka inverteriks. Kui sisendiks on '0', on pöördväljundiks '1'.
Kui sisend on null, läheb see üleval pMOS-transistorile ja alla nMOS-transistorile all. Kui sisendväärtus '0' jõuab pMOS-transistorini, pööratakse see väärtuseks '1'. seega ühendus allikaga peatub. Seega genereerib see loogilise väärtuse 1, kui ühendus äravoolu (GND) poole on samuti suletud. Teame, et nMOS-transistor ei inverteeri sisendväärtust, seega võtab see nullväärtuse sellisena, nagu see on, ja loob äravoolu avatud vooluringi. Seega genereeritakse värava jaoks loogiline üks väärtus.
Samamoodi, kui sisendväärtus on '1', saadetakse see väärtus ülaltoodud ahela mõlemale transistorile. Kui väärtus '1' saab pMOS-transistori, pööratakse see 'o'-ks. selle tulemusena on ühendus allikaga avatud. Kui nMOS-transistor saab väärtuse 1, siis seda ei pöörata. seega jääb sisendväärtus üheks. Kui nMOS-transistor võtab vastu ühe väärtuse, suletakse ühendus GND-ga. Seega genereerib see väljundina loogika '0'.
Valmistamisprotsess
NMOS-transistori valmistamise protsessis on palju etappe. Sama protsessi saab kasutada PMOS- ja CMOS-transistoride jaoks. Selles valmistamises kõige sagedamini kasutatav materjal on polüräni või metall. NMOS-transistori valmistamise samm-sammulisi etappe käsitletakse allpool.
Samm 1:
Õhuke ränivahvli kiht muudetakse P-tüüpi materjaliks lihtsalt boormaterjaliga legeerimisega.
2. samm:
Paks Sio2 kiht kasvatatakse terviklikul p-tüüpi substraadil
3. samm:
Nüüd kaetakse pind läbi fotoresisti paksule Sio2 kihile.
4. samm:
Seejärel eksponeeritakse see kiht UV-valgusega maskiga, mis kirjeldab piirkondi, kuhu difusioon koos transistorkanalitega toimub.
5. samm:
Need piirkonnad söövitatakse vastastikku aluseks oleva Sio2-ga, nii et vahvli pind on maski kaudu määratletud aknas eksponeeritud.
6. samm:
Jääkfotoresist eraldatakse ja õhuke Sio2 kiht kasvatatakse 0,1 mikromeetrit tavaliselt kogu kiibi pinnale. Järgmisena asub sellel polüräni, et moodustada värava struktuur. Täielikule polüränikihile asetatakse fotoresist, mis eksponeerib kogu maski ulatuses ultraviolettvalgust2.
7. samm:
Vahvli kuumutamisel maksimaalse temperatuurini saavutatakse difusioon ja gaas juhitakse läbi soovitud n-tüüpi lisanditega nagu fosfor.
8. samm:
Üle kogu kasvatatakse ühe mikromeetri paksune ränidioksiidi ja sellele asetatakse fotoresistmaterjal. Säritage ultraviolettvalgus (UV) läbi maski3 värava eelistatud piirkondadesse, kontaktlõigete tegemiseks on söövitatud allika- ja äravoolupiirkonnad.
9. samm:
Nüüd asetatakse selle ühe mikromeetri laiusele pinnale metall nagu alumiinium. Taas kasvatatakse fotoresist materjali üle kogu metalli ja puututakse kokku UV-valgusega läbi maski4, mis on söövitatud vorm kohustusliku ühenduse kujunduse järgi. Lõplik NMOS-i struktuur on näidatud allpool.
PMOS vs NMOS transistor
PMOS- ja NMOS-transistoride erinevust käsitletakse allpool.
| PMOS transistor | NMOS transistor |
| PMOS-transistor tähistab P-kanaliga metalloksiid-pooljuhttransistori. | NMOS-transistor tähistab N-kanaliga metalloksiid-pooljuhttransistori. |
| PMOS-transistoride allikas ja äravool on lihtsalt valmistatud n-tüüpi pooljuhtidest | NMOS-transistori allikas ja äravool on lihtsalt valmistatud p-tüüpi pooljuhtidest. |
| Selle transistori substraat on valmistatud n-tüüpi pooljuhiga | Selle transistori substraat on valmistatud p-tüüpi pooljuhiga |
| Enamik PMOS-i laengukandjaid on augud. | Suurem osa NMOS-i laengukandjatest on elektronid. |
| NMOS-iga võrreldes pole PMOS-seadmed väiksemad. | NMOS-seadmed on PMOS-seadmetega võrreldes üsna väiksemad. |
| PMOS-seadmeid ei saa NMOS-seadmetega võrreldes kiiremini lülitada. | Võrreldes PMOS-seadmetega saab NMOS-seadmeid kiiremini vahetada. |
| PMOS-transistor hakkab juhtima, kui väravale antakse madalpinge. | NMOS-transistor hakkab juhtima, kui väravale antakse kõrgepinge. |
| Need on müra suhtes immuunsemad. | Võrreldes PMOS-iga ei ole need müra suhtes immuunsed. |
| Selle transistori lävipinge (Vth) on negatiivne suurus. | Selle transistori lävipinge (Vth) on positiivne suurus. |
Omadused
The NMOS-transistori I-V omadused on näidatud allpool. Värava ja allika klemmide vaheline pinge V GS & ka allika & äravoolu vahel 'V DS '. Niisiis, kõverad I vahel DS ja V DS saavutatakse lihtsalt allika terminali maandamisega, VGS-i algväärtuse määramisega ja V pühkmisega DS 0-st V poolt antud kõrgeima alalispinge väärtuseni DD V-le astudes GS väärtus '0' kuni V DD . Nii et ülimadala V jaoks GS , I DS on äärmiselt väikesed ja neil on lineaarne trend. Kui V GS väärtus tõuseb kõrgeks, siis mina DS suurendab ja on V-st alltoodud sõltuvuses GS & IN DS ;
Kui V GS on väiksem või võrdne V-ga TH , siis on transistor VÄLJAS ja töötab nagu avatud vooluring.
Kui V GS on suurem kui V TH , siis on kaks töörežiimi.
Kui V DS on väiksem kui V GS - IN TH , siis töötab transistor lineaarses režiimis ja toimib takistusena (R PEAL ).
IDS = u eff C härg W/L [(V GS - IN TH )IN DS - ½ V DS ^2]
kus,
'µeff' on laengukandja efektiivne liikuvus.
„COX” on paisuoksiidi mahtuvus iga pindalaühiku kohta.
W & L on vastavalt kanali laius ja pikkus. R PEAL väärtust juhitakse lihtsalt värava pingega järgmiselt;
R SEES = 1/in n C härg W/L [(V GS - IN TH )IN DS - ½ V DS ^2]
Kui VDS on suurem või võrdne V GS - IN TH , siis töötab transistor küllastusrežiimis
I DS = u n C härg W/L [(V GS - IN TH )^2 (1+λ V DS ]
Selles piirkonnas, kui ma DS on suurem, siis sõltub vool minimaalselt V-st DS väärtust, kuid selle kõrgeimat väärtust juhitakse lihtsalt VGS-i kaudu. Kanali pikkuse modulatsioon 'λ' seletab IDS-i tõusu transistoride VDS-i suurenemise tõttu pigistuste tõttu. See kokkutõmbumine toimub siis, kui mõlemad V DS ja V GS otsustada äravoolupiirkonna lähedal asuva elektrivälja mustri üle, muutes seega loomuliku toitelaengukandjate suunda. See efekt vähendab tõhusa kanali pikkust ja suurendab I DS . Ideaalis on 'λ' samaväärne '0'-ga, nii et I DS on V-st täiesti sõltumatu DS väärtus küllastuspiirkonnas.
Seega on see kõik umbes ülevaade NMOS-ist transistor – valmistamine ja lülitus koos tööga. NMOS-transistor mängib võtmerolli nii loogiliste väravate kui ka teiste erinevate digitaalsete ahelate rakendamisel. See on mikroelektrooniline skeem, mida kasutatakse peamiselt loogikalülituste, mälukiipide ja CMOS-i kujundamisel. NMOS-transistoride populaarseimad rakendused on lülitid ja pingevõimendid. Siin on teile küsimus, mis on PMOS-transistor?
