טרנזיסטור מוליכים למחצה של תחמוצת מתכת או טרנזיסטור MOS הוא אבן בניין בסיסית בשבבי לוגיקה, מעבדים וזיכרונות דיגיטליים מודרניים. זהו התקן נושא רוב, שבו הזרם בתוך תעלה מוליכה בין המקור לניקוז מווסת על ידי מתח המופעל על השער. טרנזיסטור MOS זה ממלא תפקיד מפתח במגוון ICs אנלוגיים ומעורבים. טרנזיסטור זה די מותאם, ולכן מתפקד כמגבר, מתג או א נַגָד . לֹא טרנזיסטורים מסווגים לשני סוגים PMOS & NMOS. אז, מאמר זה דן בסקירה כללית של טרנזיסטור NMOS - ייצור, מעגל ועבודה.
מהו טרנזיסטור NMOS?
טרנזיסטור NMOS (N-channel metal-oxide semiconductor) הוא סוג אחד של טרנזיסטור שבו מנוצלים דופטנטים מסוג n באזור השער. מתח חיובי (+ve) במסוף השער מדליק את המכשיר. טרנזיסטור זה משמש בעיקר ב CMOS (מוליכים למחצה מתכת-תחמוצת משלימים) עיצוב וגם בשבבי לוגיקה וזיכרון. בהשוואה לטרנזיסטור PMOS, טרנזיסטור זה מהיר מאוד, כך שניתן למקם יותר טרנזיסטורים על שבב בודד. סמל הטרנזיסטור NMOS מוצג להלן.
כיצד פועל טרנזיסטור NMOS?
פעולתו של הטרנזיסטור NMOS היא; כאשר הטרנזיסטור NMOS מקבל מתח לא זניח אז הוא יוצר מעגל סגור מה שאומר שהחיבור ממסוף המקור לניקוז עובד כחוט. אז הזרם זורם ממסוף השער למקור. באופן דומה, כאשר טרנזיסטור זה מקבל מתח ב-0V בקירוב אז הוא יוצר מעגל פתוח מה שאומר שהחיבור ממסוף המקור לניקוז יישבר, ולכן זרם זורם ממסוף השער אל הניקוז.
חתך רוחב של טרנזיסטור NMOS
באופן כללי, טרנזיסטור NMOS בנוי פשוט עם גוף מסוג p על ידי שני אזורי מוליכים למחצה מסוג n אשר סמוכים לשער המכונה המקור והניקוז. לטרנזיסטור זה יש שער בקרה השולט בזרימת האלקטרונים בין מסופי המקור והניקוז.
בטרנזיסטור זה, מכיוון שגוף הטרנזיסטור מקורקע, צומת ה-PN של המקור והניקוז לגוף מוטים לאחור. אם המתח במסוף השער גדל, שדה חשמלי יתחיל לגדול וימשוך אלקטרונים חופשיים לבסיס ממשק Si-SiO2.
ברגע שהמתח גבוה מספיק, האלקטרונים ממלאים את כל החורים ואזור דק מתחת לשער המכונה הערוץ יהפוך להיות מוליך למחצה מסוג n. זה ייצור נתיב מוליך ממסוף המקור לניקוז על ידי מתן אפשרות לזרימת זרם, כך שהטרנזיסטור יופעל. אם מסוף השער מוארק אז לא זורם זרם בצומת המוטה לאחור ולכן הטרנזיסטור יכבה.
מעגל טרנזיסטור NMOS
עיצוב שער NOT באמצעות טרנזיסטורי PMOS ו-NMOS מוצג להלן. על מנת לתכנן שער NOT, עלינו לשלב טרנזיסטורי pMOS ו-nMOS על ידי חיבור טרנזיסטור pMOS למקור וטרנזיסטור nMOS לאדמה. אז המעגל יהיה הדוגמה הראשונה שלנו לטרנזיסטור CMOS.
שער NOT הוא סוג אחד של שער לוגי שיוצר קלט הפוך כפלט. שער זה נקרא גם מהפך. אם הקלט הוא '0', הפלט ההפוך יהיה '1'.
כאשר הקלט הוא אפס, הוא עובר לטרנזיסטור pMOS למעלה ולמטה לטרנזיסטור nMOS בתחתית. ברגע שערך הקלט '0' מגיע לטרנזיסטור pMOS, אז הוא הופך ל-'1'. לפיכך, החיבור למקור הופסק. אז זה יפיק ערך '1' לוגי אם גם החיבור לכיוון הניקוז (GND) נסגר. אנו יודעים שהטרנזיסטור nMOS לא יהפוך את ערך הקלט, ולכן הוא לוקח את ערך האפס כפי שהוא והוא ייצור מעגל פתוח לניקוז. אז, נוצר ערך אחד הגיוני עבור השער.
באופן דומה, אם ערך הקלט הוא '1' אז ערך זה נשלח לשני הטרנזיסטורים במעגל הנ'ל. ברגע שהערך '1' יקבל את הטרנזיסטור pMOS, אז הוא יהפוך ל-'o'. כתוצאה מכך, החיבור למקור פתוח. ברגע שהטרנזיסטור nMOS יקבל את הערך '1, אז הוא לא יתהפך. לכן, ערך הקלט נשאר כאחד. ברגע שערך אחד מתקבל על ידי הטרנזיסטור nMOS, אז החיבור לכיוון GND נסגר. אז זה יפיק '0' לוגי כפלט.
תהליך ייצור
ישנם שלבים רבים המעורבים בתהליך ייצור הטרנזיסטור NMOS. ניתן להשתמש באותו תהליך עבור טרנזיסטורי PMOS ו-CMOS. החומר הנפוץ ביותר בייצור זה הוא פוליסיליקון או מתכת. שלבי תהליך הייצור שלב אחר שלב של טרנזיסטור NMOS נדונים להלן.
שלב 1:
שכבת פרוסות סיליקון דקה משתנה לחומר מסוג P על ידי סימום פשוט בחומר בורון.
שלב 2:
שכבת Sio2 עבה גדלה על מצע שלם מסוג p
שלב 3:
כעת המשטח מצופה באמצעות פוטורסיסט על שכבת Sio2 העבה.
שלב 4:
לאחר מכן, שכבה זו נחשפת לאור UV עם מסכה המתארת את אותם אזורים שאליהם אמורה להתרחש דיפוזיה יחד עם ערוצי טרנזיסטור.
שלב 5:
אזורים אלה נחרטים הדדית עם ה-Sio2 הבסיסי כך שמשטח הפרוסה נחשף בתוך החלון המוגדר דרך המסכה.
שלב 6:
הפוטורסיסט השיורי מופרד ושכבת Sio2 דקה גדלה ב-0.1 מיקרומטר בדרך כלל על פני כל פני השבב. לאחר מכן, פוליסיליקון ממוקם על זה כדי ליצור את מבנה השער. פוטו-רזיסט מונח על שכבת הפוליסיליקון השלמה וחושף אור אולטרה סגול לאורך המסכה2.
שלב 7:
על ידי חימום הפרוסה לטמפרטורה המקסימלית, מושגות דיפוזיות ומעבירות גז עם זיהומים מסוג n רצויים כמו זרחן.
שלב 8:
עובי של מיקרומטר אחד של סיליקון דו חמצני גדל בכל רחבי וחומר פוטו-רזיסט מונח עליו. חשוף את האור האולטרה סגול (UV) דרך mask3 באזורים המועדפים של שער, אזורי מקור וניקוז חרוטים כדי לבצע את חתכי המגע.
שלב 9:
כעת מונחת מתכת כמו אלומיניום על פני השטח שלה ברוחב מיקרומטר אחד. שוב גדל חומר פוטו-רזיסט על כל המתכת ונחשף לאור UV דרך mask4 שהיא צורה חרוטה לתכנון החיבור המחייב. מבנה ה-NMOS הסופי מוצג להלן.
טרנזיסטור PMOS לעומת NMOS
ההבדל בין טרנזיסטורי PMOS ל-NMOS נדון להלן.
| טרנזיסטור PMOS | טרנזיסטור NMOS |
| טרנזיסטור PMOS מייצג טרנזיסטור P-channel מתכת-אוקסיד-מוליכים למחצה. | טרנזיסטור NMOS מייצג טרנזיסטור N-channel מתכת-אוקסיד-מוליכים למחצה. |
| המקור והניקוז בטרנזיסטורי PMOS עשויים פשוט עם מוליכים למחצה מסוג n | המקור והניקוז בטרנזיסטור NMOS עשויים פשוט עם מוליכים למחצה מסוג p. |
| המצע של טרנזיסטור זה עשוי עם מוליך למחצה מסוג n | המצע של טרנזיסטור זה עשוי עם המוליך למחצה מסוג p |
| רוב נושאי המטען ב-PMOS הם חורים. | רוב נושאי המטען ב-NMOS הם אלקטרונים. |
| בהשוואה ל-NMOS, התקני PMOS אינם קטנים יותר. | מכשירי NMOS קטנים למדי בהשוואה למכשירי PMOS. |
| לא ניתן להחליף התקני PMOS מהר יותר בהשוואה להתקני NMOS. | בהשוואה למכשירי PMOS, ניתן להחליף מכשירי NMOS מהר יותר. |
| טרנזיסטור PMOS יוליך ברגע שמתח נמוך מסופק לשער. | טרנזיסטור NMOS יוליך ברגע שמתח גבוה מסופק לשער. |
| אלה חסינים יותר לרעש. | בהשוואה ל-PMOS, אלה אינם חסינים בפני רעש. |
| מתח הסף (Vth) של טרנזיסטור זה הוא כמות שלילית. | מתח הסף (Vth) של טרנזיסטור זה הוא כמות חיובית. |
מאפיינים
ה מאפייני I-V של טרנזיסטור NMOS מוצגים להלן. המתח בין השער למסופי המקור 'V GS ' וגם בין המקור לניקוז 'V DS '. אז, העקומות בין I DS ו-V DS מושגות פשוט על ידי הארקה של המסוף של המקור, הגדרת ערך VGS ראשוני וסוויפת V DS מ-'0' לערך מתח DC הגבוה ביותר שניתן על ידי ה-V DD בעת דריכת ה-V GS ערך מ-'0' עד V DD . אז עבור V נמוך במיוחד GS , האני DS הם קטנים במיוחד ויהיה להם מגמה ליניארית. כאשר ה-V GS הערך נהיה גבוה, ואז אני DS משפר & תהיה התלות שלהלן ב-V GS & IN DS ;
אם V GS קטן או שווה ל-V ה' , אז הטרנזיסטור במצב כבוי ומתפקד כמו מעגל פתוח.
אם V GS גדול מ-V ה' , אז יש שני מצבי פעולה.
אם V DS הוא פחות מ-V GS - IN ה' , אז הטרנזיסטור עובד במצב ליניארי ומתפקד כהתנגדות (R עַל ).
IDS = u eff ג שׁוֹר W/L [(V GS - IN ה' )IN DS – ½ V DS ^2]
איפה,
'µeff' היא הניידות האפקטיבית של נושא המטען.
'COX' הוא הקיבול של תחמוצת השער עבור כל יחידת שטח.
W & L הם הרוחב והאורך של הערוץ בהתאם. ה-R עַל הערך נשלט פשוט על ידי המתח של השער כדלקמן;
ר ON = 1/in נ ג שׁוֹר W/L [(V GS - IN ה' )IN DS – ½ V DS ^2]
אם VDS גדול או שווה ל-V GS - IN ה' , אז הטרנזיסטור עובד בתוך מצב הרוויה
אני DS = u נ ג שׁוֹר W/L [(V GS - IN ה' )^2 (1+λ V DS ]
באזור זה, כאשר אני DS גבוה יותר, אז הזרם תלוי באופן מינימלי ב-V DS לעומת זאת, הערך הגבוה ביותר שלו נשלט פשוט באמצעות VGS. אפנון אורך הערוץ 'λ' אחראי להעלאה בתוך IDS על ידי עלייה בתוך VDS בטרנזיסטורים, בגלל צביטה. Pinch-off זה מתרחש ברגע ששני V DS ו-V GS להחליט על דפוס השדה החשמלי קרוב לאזור הניקוז, ובכך לשנות את כיוון נושאי מטען האספקה הטבעית. אפקט זה מקטין את אורך הערוץ היעיל ומגדיל את ה-I DS . באופן אידיאלי, 'λ' שווה ערך ל-'0' כך שאני DS הוא בלתי תלוי לחלוטין ב-V DS ערך בתוך אזור הרוויה.
לפיכך, מדובר בסך הכל סקירה כללית של NMOS טרנזיסטור - ייצור ומעגל עם עבודה. טרנזיסטור NMOS ממלא תפקיד מפתח ביישום שערים לוגיים כמו גם מעגלים דיגיטליים שונים אחרים. זהו מעגל מיקרואלקטרוני המשמש בעיקר בתכנון מעגלים לוגיים, שבבי זיכרון ובעיצוב CMOS. היישומים הפופולריים ביותר של טרנזיסטורי NMOS הם מתגים ומגברי מתח. הנה שאלה בשבילך, מהו טרנזיסטור PMOS?
