Характеристики I-V MOSFET

Контрольна клапан з напругою

Метал-оксидний польовий транзистор (MOSFET) — це чотирививідне пристрій – затвор, джерело, сток, корпус – який використовує напругу на затворі для керування потоком струму між стоком і джерелом, з практично нульовим постійним струмом, що входить у затвор, оскільки він ізольований від каналу тонким оксидним шаром. Ця ізоляція є ключовою: на відміну від транзистора біполярного типу, MOSFET керується електричним полем, а не струмом бази, тому його називають польовим транзистором і він може бути приведений до праці майже без статичної потужності.

жива демонстрація · пов'язана симуляція● LIVE

Перемикач вимкнено: розбиття концепції

Під пороговою напругою V_th, не застосовано достатнього затворного напруження для перетягування рухомих заряджених носіїв заряду до поверхні кремнію під затвором, тому не існує провідного каналу між джерелом і стоком — ідеально, незалежно від напруги стоку, струм стоку повинен бути рівним нулю. У реальних пристроях завжди присутній невеликий субпідповерхневий виточний струм, і контроль цього виточного струму, коли пристрої зменшуються в розмірах, став однією з центральних проблем сучасного проєктування мікросхем, але ідеальна модель, де V_GS < V_th, розглядає це як чисте вимкнення.

Тріодна (лінійна) область: резистор, що регулюється напругою

Після того, як V_GS перевищило V_th, утворюється канал, а при невеликих падіннях напруги на висновках (V_DS < V_GS − V_th) пристрій поводиться майже як резистор, з опором якого визначається напруга на затворі — це триодна або лінійна область, корисна для побудови аналогових перемикачів та резисторів із керуванням напругою:

cutoff:      V_GS < V_th               I_D = 0

triode:      V_GS > V_th, V_DS < (V_GS - V_th)
             I_D = k * [ (V_GS - V_th)*V_DS - V_DS^2/2 ]

saturation:  V_GS > V_th, V_DS >= (V_GS - V_th)
             I_D = k * (V_GS - V_th)^2 / 2

k = mu * C_ox * (W/L)     (transconductance parameter)
mu   = carrier mobility
C_ox = gate oxide capacitance per unit area
W/L  = channel width-to-length ratio

Насичення: квадратна залежність, яка робить його підсилювачем

Після того, як V_DS перевищить V_GS − V_th (напругу віджиму), канал ‘закривається’ поблизу кінця стока, і в ідеальному моделі струм стока вирівнюється, стаючи — перш за все — незалежним від V_DS та залежним лише від напруги затвора: I_D = k(V_GS − V_th)²/2. Ця квадратна залежність є причиною того, що MOSFET може підсилювати: невеликий зміщення напруги затвора виробляє зміну струму, пропорційну напрузі віджиму, надаючи добре визначений трансконденсатор g_m = k(V_GS − V_th), який використовують інженери-конструктори для розміру стабільних ламп. Реальні транзистори показують невеликий підйомний нахил у стані насичення через модуляцію довжини каналу (ефективно коротшає канал, коли збільшується V_DS), який відображається корекційним коефіцієнтом (1 + λV_DS), але вирівняне квадратне законом наближення захоплює основну фізику.

Аналіз родин кривих

Побутуйте діаграму I-V (ID проти VDS) для кількох фіксованих значень VGS, і ви отримаєте класичну «сімейство кривих» MOSFET: кожен слід зростає лінійно через тривожний регіон, згинається на коліні VDS = VGS − VT, де VT – холодовий потенціал, та розгладжується у стані насичення за висотою, встановленої законом квадрата. Вищі значення VGS призводять до більш високих слідів і більшого вигину вправо, оскільки напруга перенапруження — і відповідно точка відключення — зростає з ними. Аналіз цієї родини дозволяє визначити поведінку пристрою в ланцюгу: чи є він уві сні, як джерело струму, або сильно підігрітий у глибокому тривожному режимі, коли VGS >> VT, щоб діяти як низькоомний перемикач.

Читання цієї родини розповідає вам все про те, як пристрій поведеться в ланцюгу: чи є він уві сні, як джерело струму, або сильно підігрітий у глибокому тривожному режимі, коли VGS >> VT, щоб діяти як низькоомний перемикач.

Frequently asked questions

Що таке фактично напруга порогу V_th?

Напруга між затвором і витоком, при якій достатньо заряду було притягнуто до поверхні під затвором, щоб сформувати безперервний інвертований канал, що з'єднує витік і джерело. Нижче V_th канал не існує і (ідеально) струм витоку не тече; вище – канал проводить струм і стає сильнішим зі збільшенням V_GS.

Чому це називається "насичення", коли струм продовжує зростати з V_DS насправді?

У спрощеному квадратно-законній моделі струм справді стає плоским, коли V_DS перевищує V_GS−V_th, оскільки канал стискається біля витоку. Реальні пристрої показують легкий нахил вгору через модуляцію довжини каналу, але назва зберігається, тому що домінуюча поведінка – струм, який контролюється V_GS і частково незалежний від V_DS – робить MOSFET корисним як підсилювач.

Чому C_ox має значення для параметра транскондютивності k?

k = μ·C_ox·(W/L) – тонший шар діелектрика забезпечує більший C_ox, який містить більше індукованого заряду каналу на вольт V_GS і створює більший струм витоку для тієї ж надмірної напруги. Саме тому зменшення товщини діелектрика протягом поколінь було основним засобом для збільшення струмових можливостей транзистора.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте MOSFET I-V Characteristics і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.

▶ Відкрити симуляцію MOSFET I-V Characteristics

Характеристики I-V MOSFET: Відключення, Тривидна та Насичена