NMOS-transistori: Toiminta, piiri, valmistus ja sen ominaisuudet

Metallioksidipuolijohdetransistori tai MOS-transistori on perusrakennuspalikka logiikkasiruissa, prosessoreissa ja nykyaikaisissa digitaalisissa muisteissa. Se on enemmistön kantoaaltolaite, jossa virtaa johtavassa kanavassa lähteen ja nielun välillä moduloidaan hilaan syötetyllä jännitteellä. Tällä MOS-transistorilla on keskeinen rooli erilaisissa analogisissa ja sekasignaalisissa IC:issä. Tämä transistori on melko mukautuva, joten se toimii vahvistimena, kytkimenä tai a vastus . ei transistorit luokitellaan kahteen tyyppiin PMOS ja NMOS. Joten tässä artikkelissa käsitellään yleiskatsausta NMOS transistori – valmistus, piiri ja työstö.

Mikä on NMOS-transistori?

NMOS-transistori (n-kanavainen metallioksidipuolijohde) on yksi transistorityyppi, jossa n-tyypin seostusaineita käytetään hila-alueella. Positiivinen (+ve) jännite porttiliittimessä käynnistää laitteen. Tätä transistoria käytetään pääasiassa CMOS (täydentävä metallioksidipuolijohde) suunnittelu ja myös logiikka- ja muistisiruissa. PMOS-transistoriin verrattuna tämä transistori on erittäin nopeampi, joten yhdelle sirulle voidaan sijoittaa enemmän transistoreita. NMOS-transistorin symboli näkyy alla.

Kuinka NMOS-transistori toimii?

NMOS-transistorin toiminta on; Kun NMOS-transistori vastaanottaa ei-merkittävän jännitteen, se muodostaa suljetun piirin, mikä tarkoittaa, että yhteys lähdeliittimestä viemäriin toimii johtona. Joten virta kulkee portin liittimestä lähteeseen. Vastaavasti, kun tämä transistori vastaanottaa jännitteen noin 0 V, se muodostaa avoimen piirin, mikä tarkoittaa, että yhteys lähdeliittimestä viemäriin katkeaa, joten virta kulkee hilaliittimestä viemäriin.

NMOS-transistorin poikkileikkaus

Yleensä NMOS-transistori on yksinkertaisesti rakennettu p-tyypin rungolla kahdesta n-tyypin puolijohdealueesta, jotka ovat lähteenä ja nieluna tunnetun portin vieressä. Tässä transistorissa on ohjausportti, joka ohjaa elektronien virtausta lähde- ja tyhjennysliittimien välillä.

Koska transistorin runko on maadoitettu, tässä transistorin lähteen ja nielun PN-liitokset runkoon päin ovat käänteisbiasoituja. Jos jännitettä hilaliitännässä nostetaan, sähkökenttä alkaa kasvaa ja houkuttelee vapaita elektroneja Si-SiO2-rajapinnan pohjalle.

Kun jännite on tarpeeksi korkea, elektronit purkautuvat täyttämään kaikki reiät ja ohut alue portin alapuolella, joka tunnetaan nimellä kanava, käännetään toimimaan n-tyypin puolijohteena. Tämä luo johtavan kaistan lähdeliittimestä viemäriin sallimalla virran kulkemisen, joten transistori kytkeytyy päälle. Jos hilaliitin on maadoitettu, käänteisesijänniteliitoksessa ei kulje virtaa, joten transistori kytkeytyy pois päältä.

NMOS-transistoripiiri

NOT-portin suunnittelu PMOS- ja NMOS-transistoreilla on esitetty alla. NOT-portin suunnittelemiseksi meidän on yhdistettävä pMOS- ja nMOS-transistorit yhdistämällä pMOS-transistori lähteeseen ja nMOS-transistori maahan. Joten piiri on ensimmäinen esimerkkimme CMOS-transistorista.

NOT-portti on yksi logiikkaportin tyyppi, joka tuottaa ulostulona käänteisen tulon. Tätä porttia kutsutaan myös invertteriksi. Jos tulo on '0', käänteinen lähtö on '1'.

Kun tulo on nolla, se menee pMOS-transistoriin ylhäällä ja alas nMOS-transistoriin alareunassa. Kun tuloarvo '0' saavuttaa pMOS-transistorin, se käännetään arvoksi '1'. siten yhteys lähteeseen katkeaa. Joten tämä luo loogisen arvon '1', jos myös yhteys viemäriin (GND) on suljettu. Tiedämme, että nMOS-transistori ei käännä tuloarvoa, joten se ottaa nolla-arvon sellaisenaan ja muodostaa avoimen piirin viemäriin. Joten portille luodaan looginen yksi-arvo.

Vastaavasti, jos tuloarvo on '1', tämä arvo lähetetään molemmille transistoreille yllä olevassa piirissä. Kun arvo '1' vastaanottaa pMOS-transistorin, se käännetään 'o':ksi. seurauksena yhteys lähteeseen on avoin. Kun nMOS-transistori vastaanottaa arvon 1, sitä ei käännetä. joten syöttöarvo pysyy yhtenä. Kun nMOS-transistori vastaanottaa yhden arvon, yhteys GND:hen suljetaan. Joten se tuottaa logiikan '0' lähtönä.

Valmistusprosessi

NMOS-transistorin valmistusprosessiin liittyy monia vaiheita. Samaa prosessia voidaan käyttää PMOS- ja CMOS-transistoreille. Yleisimmin käytetty materiaali tässä valmistuksessa on joko polypii tai metalli. NMOS-transistorin vaiheittaiset valmistusprosessin vaiheet käsitellään alla.

Vaihe 1:

Ohut piikiekkokerros muutetaan P-tyyppiseksi materiaaliksi yksinkertaisesti seosttamalla boorimateriaalia.

Vaihe2:

Paksu Sio2-kerros kasvatetaan täydelliselle p-tyypin substraatille

Vaihe 3:

Nyt pinta päällystetään fotoresistillä paksun Sio2-kerroksen päällä.

Vaihe 4:

Tämän jälkeen tämä kerros altistetaan UV-valolle maskilla, joka kuvaa ne alueet, joihin diffuusio tapahtuu yhdessä transistorikanavien kanssa.

Vaihe 5:

Nämä alueet syövytetään pois keskenään alla olevan Sio2:n kanssa niin, että kiekon pinta paljastuu maskin määrittämän ikkunan sisällä.

Vaihe 6:

Jäännösfotoresisti erotetaan ja ohut Sio2-kerros kasvatetaan 0,1 mikrometriä tyypillisesti sirun koko pinnalle. Seuraavaksi polypii sijoitetaan tälle muodostamaan porttirakenne. Koko polypiikerroksen päälle asetetaan fotoresisti, joka altistaa ultraviolettivalolle koko maskin2.

Vaihe 7:

Kuumentamalla kiekko maksimilämpötilaan saavutetaan diffuusiot ja kaasu kulkee läpi haluttujen n-tyyppisten epäpuhtauksien, kuten fosforin, kanssa.

Vaihe 8:

Mikrometrin paksuinen piidioksidia kasvatetaan kaikkialle ja sen päälle laitetaan fotoresistimateriaalia. Altista ultraviolettivalo (UV) maskin3 läpi halutuille portin alueille, lähde- ja tyhjennysalueet on syövytetty kosketinleikkausten tekemiseksi.

Vaihe 9:

Nyt sen yhden mikrometrin leveän pinnan päälle asetetaan metalli, kuten alumiini. Jälleen kerran fotoresistimateriaalia kasvatetaan kaikkialla metallissa ja se altistetaan UV-valolle maskin4 kautta, joka on pakollisen liitäntärakenteen syövytetty muoto. Lopullinen NMOS-rakenne on esitetty alla.

PMOS vs NMOS-transistori

PMOS- ja NMOS-transistorien eroa käsitellään alla.

Ominaisuudet

The NMOS-transistorin IV-ominaisuudet esitetään alla. Jännite portin ja lähdeliittimien välillä V _GS ' & myös lähteen & viemärin väliin 'V _DS '. Joten käyrät I:n välillä _DS ja V _DS saavutetaan yksinkertaisesti maadoittamalla lähteen liitin, asettamalla VGS-alkuarvo ja pyyhkäisemällä V _DS '0':sta V:n antamaan korkeimpaan tasajännitearvoon _DD astuessaan v:lle _GS arvo '0' - V _DD . Joten erittäin alhaiselle V _GS , I _DS ovat erittäin pieniä ja niillä on lineaarinen trendi. Kun V _GS arvo nousee korkeaksi, niin minä _DS parantaa ja sillä on alla oleva riippuvuus V:stä _GS & SISÄÄN _DS ;

Jos V _GS on pienempi tai yhtä suuri kuin V _TH , silloin transistori on OFF-tilassa ja toimii kuin avoin piiri.

Jos V _GS on suurempi kuin V _TH , silloin on kaksi toimintatilaa.

Jos V _DS on pienempi kuin V _GS - SISÄÄN _TH , niin transistori toimii lineaarisessa tilassa ja toimii vastuksena (R _PÄÄLLÄ ).

IDS = u _eff C _härkä W/L [(V _GS - SISÄÄN _TH )SISÄÄN _DS – ½ V _DS ^2]

Missä,

'µeff' on varauksen kantajan tehokas liikkuvuus.

'COX' on hilaoksidin kapasitanssi jokaiselle pinta-alayksikölle.

W & L ovat vastaavasti kanavan leveys ja pituus. R _PÄÄLLÄ arvoa ohjataan yksinkertaisesti portin jännitteellä seuraavasti;

R _{PÄÄLLÄ =} 1/in _n C _härkä W/L [(V _GS - SISÄÄN _TH )SISÄÄN _DS – ½ V _DS ^2]

Jos VDS on suurempi tai yhtä suuri kuin V _GS - SISÄÄN _TH , niin transistori toimii kyllästymistilassa

minä _DS = u _n C _härkä W/L [(V _GS - SISÄÄN _TH )^2 (1+λ V _DS ]

Tällä alueella, kun minä _DS on suurempi, niin virta riippuu minimaalisesti V:stä _DS arvoa, mutta sen suurinta arvoa ohjataan yksinkertaisesti VGS:n kautta. Kanavan pituusmodulaatio 'λ' selittää nousun IDS:n sisällä transistoreiden VDS:n kasvun vuoksi, mikä johtuu puristumisesta. Tämä puristus tapahtuu, kun molemmat V _DS ja V _GS päättää sähkökenttäkuviosta lähellä nielualuetta, mikä muuttaa luonnollisen syöttövarauksen kantajien suuntaa. Tämä vaikutus vähentää tehokkaan kanavan pituutta ja lisää I _DS . Ihannetapauksessa 'λ' vastaa '0' niin, että I _DS on täysin riippumaton V:stä _DS arvo saturaatioalueella.

Tästä siis kaikesta on kyse yleiskatsaus NMOS:sta transistori – valmistus ja kytkentä toimineen. NMOS-transistorilla on keskeinen rooli logiikkaporttien ja muiden erilaisten digitaalisten piirien toteutuksessa. Tämä on mikroelektroninen piiri, jota käytetään pääasiassa logiikkapiirien, muistisirujen ja CMOS-suunnittelussa. NMOS-transistorien suosituimpia sovelluksia ovat kytkimet ja jännitevahvistimet. Tässä on kysymys sinulle, mikä on PMOS-transistori?