טרנזיסטור PMOS: עבודה, ייצור, חתך רוחב ומאפייניו

טרנזיסטור MOS הוא האלמנט הבסיסי ביותר בתכנון מעגלים משולבים בקנה מידה גדול. טרנזיסטורים אלה מסווגים בדרך כלל לשני סוגים PMOS ו- NMOS. השילוב של טרנזיסטורים NMOS ו-PMOS ידוע בתור a טרנזיסטור CMOS . השונה שערים לוגיים והתקני לוגיקה דיגיטלית אחרים המיושמים חייבים להיות בעלי לוגיקה PMOS. טכנולוגיה זו היא זולה ויש לה עמידות טובה בפני הפרעות. מאמר זה דן באחד מסוגי טרנזיסטורי MOS כמו טרנזיסטור PMOS.

מהו טרנזיסטור PMOS?

טרנזיסטור PMOS או מוליכים למחצה תחמוצת מתכת בערוץ P הוא מעין טרנזיסטור שבו נעשה שימוש בחומרי הדופנטים מסוג p באזור הערוץ או השער. טרנזיסטור זה הוא בדיוק ההפך מהטרנזיסטור NMOS. לטרנזיסטורים אלו שלושה מסופים עיקריים; המקור, השער והניקוז שבו המקור של הטרנזיסטור מתוכנן עם מצע מסוג p, ומסוף הניקוז מתוכנן עם מצע מסוג n. בטרנזיסטור זה, נושאי המטען כמו חורים אחראים להולכת הזרם. סמלי הטרנזיסטור של PMOS מוצגים להלן.

כיצד פועל טרנזיסטור PMOS?

הטרנזיסטור מסוג p פועל הפוך למדי לטרנזיסטור מסוג n. טרנזיסטור זה יהווה מעגל פתוח בכל פעם שהוא מקבל מתח לא זניח כלומר, אין זרימת חשמל ממסוף השער (G) למקור (S). באופן דומה, טרנזיסטור זה יוצר מעגל סגור כאשר הוא מקבל מתח בסביבות 0 וולט, כלומר הזרם זורם ממסוף השער (G) לניקוז (D).

בועה זו ידועה גם בתור בועת היפוך. אז התפקיד העיקרי של המעגל הזה הוא להפוך את ערך מתח הכניסה. אם מסוף השער מספק מתח 1, מהפך זה ישנה אותו לאפס ויתפקד את המעגל בהתאם. אז הפונקציה של טרנזיסטור PMOS וטרנזיסטור NMOS הפוכה למדי. ברגע שנמזג אותם למעגל MOS יחיד, הוא יהפוך למעגל CMOS (מוליכים למחצה מתכת-תחמוצת משלימים).

חתך רוחב של טרנזיסטור PMOS

החתך של הטרנזיסטור PMOS מוצג להלן. טרנזיסטור pMOS בנוי עם גוף מסוג n הכולל שני אזורי מוליכים למחצה מסוג p אשר סמוכים לשער. לטרנזיסטור זה יש שער בקרה כפי שמוצג בתרשים השולט בזרימת האלקטרונים בין שני הטרמינלים כמו מקור וניקוז. בטרנזיסטור pMOS, הגוף מוחזק במתח +ve. ברגע שמסוף השער חיובי, מסופי המקור והניקוז מוטים לאחור. ברגע שזה קורה, אין זרימת זרם, ולכן הטרנזיסטור יכבה.

לאחר הורדת אספקת המתח במסוף השער, נשאי מטען חיובי יימשכו לתחתית ממשק Si-SiO2. בכל פעם שהמתח יורד במידה מספקת, הערוץ יתהפך ויוצר מסלול מוליך ממסוף המקור לניקוז על ידי מתן אפשרות לזרימת הזרם.

בכל פעם שהטרנזיסטורים האלה עוסקים בלוגיקה דיגיטלית יש בדרך כלל שני ערכים שונים רק כמו 1 ו-0 (מופעל וכבוי). המתח החיובי של הטרנזיסטור ידוע בשם VDD המייצג את הערך הלוגי הגבוה (1) בתוך מעגלים דיגיטליים. מתח ה-VDD נכנס פנימה היגיון TTL היו בדרך כלל סביב 5V. כיום טרנזיסטורים לא יכולים לעמוד בפני מתחים גבוהים כל כך מכיוון שהם בדרך כלל נעים בין 1.5V - 3.3V. המתח הנמוך מכונה לעתים קרובות GND או VSS. אז, VSS מסמל את ההיגיון '0' והוא גם מוגדר כרגיל ל-0V.

מעגל טרנזיסטור PMOS

עיצוב שער NAND באמצעות טרנזיסטור PMOS וטרנזיסטור NMOS מוצג להלן. באופן כללי, שער NAND באלקטרוניקה דיגיטלית הוא שער לוגי אשר נקרא גם שער NOT-AND. הפלט של שער זה נמוך (0) רק אם שתי הכניסות גבוהות (1) והפלט שלו הוא השלמה לשער AND. אם אחת משתי הכניסות היא נמוכה (0), אז זה נותן תוצאות פלט גבוהות.

במעגל הלוגי שלהלן, אם הקלט A הוא 0 ו-B הוא 0, אז קלט של pMOS יפיק '1' וקלט של nMOS יפיק '0'. אז, שער לוגי זה יוצר '1' לוגי מכיוון שהוא מחובר למקור במעגל סגור ומנותק מה-GND דרך מעגל פתוח.

כאשר A הוא '0' ו-B' הוא '1', אז קלט של pMOS יפיק '1' וקלט של NMOS יפיק '0'. לפיכך, שער זה יפיק אחד לוגי מכיוון שהוא מחובר למקור דרך מעגל סגור ומנותק מה-GND על ידי מעגל פתוח. כאשר A הוא '1' ו-B הוא '0', אז הקלט 'B' של pMOS יפיק פלט גבוה (1) וקלט 'B' של NMOS יפיק פלט נמוך (0). אז, שער לוגי זה יפיק 1 לוגי מכיוון שהוא מחובר למקור דרך מעגל סגור ומנותק מה-GND על ידי מעגל פתוח.

כאשר A הוא '1' ו-B הוא '1', אז קלט של' pMOS יפיק אפס, וקלט של nMOS יפיק '1'. כתוצאה מכך, עלינו לאמת גם את קלט B של pMOS & nMOS. קלט B של pMOS יפיק '0' וקלט B של nMOS יפיק '1'. אז, שער לוגי זה יפיק '0' לוגי מכיוון שהוא מנותק מהמקור על ידי מעגל פתוח ומחובר ל-GND דרך מעגל סגור.

שולחן האמת

טבלת האמת של המעגל הלוגי לעיל ניתנת להלן.

מתח הסף של טרנזיסטור PMOS הוא בדרך כלל ה-'Vgs' הדרוש ליצירת הערוץ המכונה היפוך ערוץ. בטרנזיסטור PMOS, המצע ומסופי המקור מחוברים פשוט ל-Vdd. אם נתחיל להפחית את המתח בהתייחסות למסוף המקור במסוף השער מ-Vdd לנקודה שבה אתה מבחין בהיפוך הערוץ, במיקום זה אם תנתח את Vgs והמקור בפוטנציאל הגבוה, תקבל ערך שלילי. אז, לטרנזיסטור PMOS יש ערך Vth שלילי.

תהליך ייצור PMOS

השלבים הכרוכים בייצור טרנזיסטור PMOS נדונים להלן.

שלב 1:

שכבת פרוסות סיליקון דקה משתנה לחומר מסוג N על ידי סימום של חומר זרחני.

שלב 2:

שכבת סיליקון דו חמצני (Sio2) עבה גדלה על מצע שלם מסוג p.

שלב 3:

כעת המשטח מצופה בפוטורסיסט על שכבת הסיליקון הדו-חמצני העבה.

שלב 4:

לאחר מכן, שכבה זו פשוט נחשפת לאור UV דרך מסכה המגדירה את אותם אזורים שאליהם אמורה להתרחש דיפוזיה יחד עם תעלות טרנזיסטור.

שלב 5:

אזורים אלה נחרטים הדדית עם דו-תחמוצת הסיליקון הבסיסית כך שפני השטח של הפרוסה נחשף בתוך החלון המוגדר על ידי המסכה.

שלב 6:

הפוטו-רזיסט הנותר מנותק ושכבת Sio2 דקה גדלה בדרך כלל 0.1 מיקרומטר על פני כל פני השבב. לאחר מכן, מניחים פוליסיליקון מעל זה כדי ליצור את מבנה השער. פוטו-רזיסט מונח על כל שכבת הפוליסיליקון וחושף אור UV דרך המסכה2.

שלב 7:

דיפוזיות מושגות באמצעות חימום רקיק לטמפרטורה מקסימלית והעברת גז עם זיהומים מסוג p רצוי כמו בורון.

שלב 8:

מגדלים סיליקון דו חמצני בעובי של מיקרומטר וחומר פוטו-רזיסט מופקד עליו. חשוף את האור האולטרה סגול עם mask3 באזורים המועדפים של השער, המקור והניקוז שנחרטים כדי לבצע את חתכי המגע.

שלב 9:

כעת מונחת מתכת או אלומיניום על פני השטח בעובי 1 מיקרומטר שלה. שוב גדל חומר פוטו-רזיסט על כל המתכת וחושף את אור ה-UV דרך mask4 שנחרט כדי ליצור את עיצוב החיבור הנדרש. מבנה ה-PMOS הסופי מוצג להלן.

מאפייני טרנזיסטור PMOS

מאפייני טרנזיסטור PMOS I-V מוצגים להלן. מאפיינים אלה מחולקים לשני אזורים על מנת להשיג את הקשר בין זרם הניקוז למקור (I DS) וכן מתחי הקצה שלו כמו אזורי ליניארי ורוויה.

באזור אניה, ה-IDS יגדל באופן ליניארי כאשר ה-VDS (מתח הניקוז למקור) גדל בעוד שבאזור הרוויה, ה-I DS יציב והוא בלתי תלוי ב-VDS. הקשר העיקרי בין ה-ISD (מקור לניקוז זרם) ומתחים המסוף שלו נגזר על ידי הליך דומה של טרנזיסטור NMOS. במקרה זה, השינוי היחיד יהיה נושאי המטען הנמצאים בשכבת ההיפוך הם פשוט חורים. כאשר החורים עוברים ממקור לניקוז אז גם זרימת הזרם זהה.

לפיכך, הסימן השלילי מופיע בתוך המשוואה הנוכחית. בנוסף, כל ההטיות המופעלות במסופים של המכשיר הן שליליות. אז, מזהה הטרנזיסטור PMOS - VDS מוצגים להלן.
משוואת זרם הניקוז עבור טרנזיסטור PMOS באזור הליניארי ניתנת כ:

מזהה = – mp Cox

באופן דומה, משוואת זרם הניקוז עבור טרנזיסטור PMOS באזור הרוויה ניתנת כ:

ID = – mp Cox (VSG – | V TH |p )^2

כאשר 'mp' הוא הניידות של החור ו-'|VTH| p' הוא מתח הסף של טרנזיסטור ה-PMOS.

במשוואה לעיל, הסימן השלילי יציין כי ה-ID( זרם ניקוז ) זורם מהניקוז (D) למקור (S) ואילו חורים זורמים בכיוון ההפוך. כאשר הניידות של החור נמוכה בהשוואה לניידות האלקטרונים אז טרנזיסטורי PMOS סובלים מהיכולת של כונן הזרם הנמוך.

לפיכך, מדובר בסקירה כללית של טרנזיסטור PMOS או טרנזיסטור mos מסוג p - ייצור, מעגל ועבודתו. PMOS טרנזיסטורים מתוכננים עם מקור p, מצע n וניקוז. נושאי המטען של PMOS הם חורים. טרנזיסטור זה מוליך ברגע שמתח נמוך מופעל במסוף השער. מכשירים מבוססי PMOS נוטים פחות להפרעות בהשוואה למכשירי NMOS. טרנזיסטורים אלו יכולים לשמש כנגדים נשלטי מתח, עומסים אקטיביים, מראות זרם, מגברי טרנס-עכבה, וכן בשימוש במתגים ובמגברי מתח. הנה שאלה בשבילך, מהו טרנזיסטור NMOS?