مقدمه ای بر MOS Tubes و Intrinsic Gains

MOS که مخفف نام انگلیسی ترانزیستور اثر میدانی فلز-اکسید-نیمه هادی است، یک دستگاه نیمه هادی منحصر به فرد است که جریان حلقه خروجی را از طریق اثر میدان الکتریکی کنترل می کند که نام آن را به آن داده است. این دستگاه در درجه اول به اکثر حامل های نیمه هادی ها برای رسانایی الکتریسیته متکی است، بنابراین به عنوان یک ترانزیستور تک قطبی نیز طبقه بندی می شود. علاوه بر ترانزیستورهای MOS، انواع مختلفی مانند FET های اتصالی (JFET)، FET های فلزی نیمه هادی، JLFET و QWFET وجود دارد. در بین این انواع، ترانزیستورهای MOS به دلیل مزایای فراوانی که دارند از جمله مقاومت ورودی بالا، مصرف برق کم، نویز کم و سهولت در یکپارچگی، پرکاربردترین انتخاب هستند و در مدارهای آنالوگ و دیجیتال بسیار مورد استفاده قرار می گیرند و مطلق را اشغال می کنند. موقعیت غالب در بازار، بسیار فراتر از ترانزیستورهای دوقطبی (BJTs).

715-031986-005 محفظه واکنش Hsg Lwr

ترانزیستورهای MOS بیشتر به NMOS (نوع کانال N) و PMOS (نوع کانال P) تقسیم می شوند که هر دو به FET های گیت عایق تعلق دارند. هنگامی که NMOS و PMOS هوشمندانه با هم ترکیب می شوند، چیزی را تشکیل می دهند که ما اغلب CMOS (مکمل فلز-اکسید-نیمه هادی) می نامیم. ساختار NMOS بسیار عالی طراحی شده است، شامل سه الکترود کلیدی: منبع (S)، دروازه (G) و تخلیه (D) که می تواند به ترتیب با امیتر، پایه و کلکتور یک ترانزیستور دوقطبی مرتبط باشد. ، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است.

نمودار شماتیک ساختار NMOS

٪7b٪7b0٪7d٪7dunibody٪2c اچ اتاق

همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، اگر در حین کار NMOS ولتاژی به گیت اعمال نشود، به دلیل عدم وجود کانال های رسانا، نمی توان جریانی بین مناطق منبع و تخلیه ایجاد کرد. با این حال، هنگامی که ولتاژ مثبت به اندازه کافی بزرگ به دروازه اعمال می شود، این ولتاژ مانند آهنربا عمل می کند تا تعداد کمی از حامل ها-الکترون ها را در بستر نوع P جذب کند و باعث تمرکز آنها در محل اتصال گیت و بستر می شود. با تجمع الکترون ها، یک لایه معکوس پر از الکترون بر روی سطح زیرلایه تشکیل می شود که در واقع ناحیه نوع P اولیه را به ناحیه نوع N معکوس می کند و در نتیجه کانالی صاف برای جریان ایجاد می کند، به طوری که الکترون‌ها در ناحیه منبع می‌توانند به آرامی به سمت ناحیه تخلیه جریان پیدا کنند تا جریان ایجاد کنند. این فرآیند ماهیت ترانزیستور MOS را به عنوان یک دستگاه کنترل ولتاژ نشان می دهد، به عنوان مثال، ولتاژ دروازه برای تنظیم دقیق جریان بین منبع و تخلیه استفاده می شود. این لایه معکوس یک مسیر انتقال الکترون کارآمد ایجاد می‌کند که به الکترون‌های ناحیه منبع اجازه می‌دهد تا به طور مداوم به منطقه تخلیه جریان پیدا کنند و در نتیجه جریان الکتریکی تشکیل شود. بنابراین، ترانزیستور MOS در اصل یک دستگاه کنترل ولتاژ است که هسته آن کنترل دقیق جریان بین منبع و تخلیه از طریق ولتاژ گیت است. حداقل ولتاژ گیت لازم برای روشن کردن FET را به عنوان ولتاژ آستانه تعریف می کنیم. گیت در اینجا نقش یک کلید را بازی می کند: وقتی ولتاژ گیت به زیر ولتاژ آستانه می رسد یا وقتی ولتاژ دروازه حذف می شود، خاموش می شود و از عبور جریان بین منبع و تخلیه جلوگیری می کند. هنگامی که ولتاژ دروازه بالاتر از ولتاژ آستانه باشد، کانال را باز می کند و اجازه می دهد تا جریان بین منبع و تخلیه آزادانه جریان یابد.

خواص الکتریکی NMOS
در مرحله بعد، یک فرآیند معمولی آماده سازی لوله NMOS را بیان می کنیم. ابتدا یک لایه اپیتاکسیال بر روی یک بستر سیلیکونی با رشد همپایی تشکیل می شود، این مرحله با هدف به دست آوردن یک بلور سیلیکونی با محتوای اکسیژن کم است که قسمت نیمه هادی (S) لوله MOS را تشکیل می دهد و سپس اکسید میدان توسط تکنیک‌های اکسیداسیون، فوتولیتوگرافی و اچینگ، که برای جداسازی لوله‌های مختلف MOS و جلوگیری از تداخل الکتریکی بین آنها در مرحله بعد، یک فرآیند اکسیداسیون برای تولید یک لایه اکسید دروازه، که نصف اکسید (O) در لوله MOS است، عبور داده می شود. مرحله بعدی این است که مواد پلی سیلیکونی را رسوب داده و از طریق فرآیندهای فتولیتوگرافی و اچ کردن، یک دروازه پلی سیلیکونی تشکیل دهید، اگرچه پلی سیلیکون به معنای سنتی یک فلز نیست، اما پس از دوپینگ رسانایی خوبی دارد و برای فرآیندهای مدار مجتمع مناسب است، بنابراین جایگزین فلز قبلی می شود. مواد آلومینیومی سپس وارد مرحله تولید ناحیه منبع و ناحیه نشتی می شود که ابتدا با فرآیند فتولیتوگرافی پنجره شده و به دنبال آن یون های فسفر تزریق می شود و برای تثبیت ساختار آنیل می شود. به دنبال آن لایه ای از شیشه فسفوسیلیکات (PSG) به عنوان یک لایه دی الکتریک رسوب می شود که با فرآیندهای رسوب و جریان مجدد صاف می شود و پایه خوبی برای مراحل لیتوگرافی بعدی ایجاد می کند. سپس PSG برای ایجاد الگوی مورد نظر، فوتولیتوگرافی و اچینگ می شود. در مرحله بعد، آلیاژ آلومینیوم-سیلیکون به عنوان ماده اتصال فلزی رسوب داده می شود و اتصال فلز با فرآیندهای فوتولیتوگرافی و اچینگ آماده می شود. در نهایت، یک لایه نیترید سیلیکون به عنوان یک لایه محافظ غیرفعال قرار می گیرد تا حفاظت و پایداری بیشتری را برای کل دستگاه فراهم کند.

بهره ذاتی لوله MOS
حداکثر بهره سیگنال کوچک فرکانس پایین که یک ترانزیستور می تواند در پیکربندی تقویت کننده منبع مشترک نشان دهد به عنوان بهره ذاتی ترانزیستور MOS تعریف می شود که می تواند به صورت بیان شود.

در اینجا فرآیند استخراج دقیق حذف شده است. طبق این فرمول، بهره ذاتی ترانزیستور MOS با ولتاژ اوردرایو و ضریب مدولاسیون طول شیار λ نسبت معکوس دارد. از آنجایی که λ با طول کانال L لوله MOS نسبت معکوس دارد، بهره ذاتی با افزایش L افزایش می یابد. از نظر تئوری، بهره ذاتی ترانزیستور MOS را می توان با کاهش ولتاژ اوردرایو و افزایش L افزایش داد. این عملیات سرعت کار لوله MOS را کاهش می دهد. بنابراین، در طراحی مدار واقعی، ما باید بین افزایش و سرعت یک مبادله ایجاد کنیم. این تعادل بین بهره و سرعت همیشه یکی از موضوعات اصلی در زمینه طراحی مدارهای مجتمع آنالوگ بوده است. شایان ذکر است که معادله زیر قابل مشاهده است

بهره ذاتی ترانزیستور MOS مشابه بهره ذاتی هنگام طراحی راندمان ترانس رسانایی است، اما بهره ذاتی نیز تحت تأثیر طول کانال است. همانطور که اندازه ویژگی دستگاه‌های MOS به کوچک شدن ادامه می‌دهد، بهره ذاتی آن‌ها کاهش می‌یابد، که چالشی فزاینده برای طراحی‌های ما ایجاد می‌کند.

علاوه بر این، ما باید مراقب باشیم که ولتاژ بیش از حد پایین ممکن است باعث ورود ترانزیستور MOS به منطقه آستانه فرعی شود، جایی که ویژگی‌های عملیاتی ترانزیستور MOS با موارد موجود در ناحیه اشباع بسیار متفاوت است، و بسیاری از فرمول‌ها و فرمول‌های مربوطه و تئوری ها دیگر کاربردی نخواهند داشت.