Transistor NMOS: Hoạt động, Mạch, Chế tạo & Đặc điểm của nó

Bóng bán dẫn bán dẫn oxit kim loại hoặc bóng bán dẫn MOS là khối xây dựng cơ bản trong chip logic, bộ xử lý & bộ nhớ kỹ thuật số hiện đại. Nó là một thiết bị mang đa số, trong đó dòng điện trong kênh dẫn ở giữa nguồn và cống được điều chế bằng điện áp đặt vào cổng. Bóng bán dẫn MOS này đóng một vai trò quan trọng trong các IC tín hiệu tương tự và tín hiệu hỗn hợp khác nhau. Bóng bán dẫn này khá linh hoạt, do đó có chức năng như một bộ khuếch đại, một công tắc hoặc một điện trở . không phải Linh kiện bán dẫn được phân thành hai loại PMOS & NMOS. Vì vậy, bài viết này thảo luận về một cái nhìn tổng quan về bóng bán dẫn NMOS – chế tạo, mạch & làm việc.

Transistor NMOS là gì?

Bóng bán dẫn NMOS (chất bán dẫn oxit kim loại kênh n) là một loại bóng bán dẫn trong đó các tạp chất loại n được sử dụng trong vùng cổng. Điện áp dương (+ ve) trên cổng cổng sẽ bật thiết bị. Transistor này chủ yếu được sử dụng trong CMOS thiết kế (chất bán dẫn oxit kim loại bổ sung) và cả trong chip logic & bộ nhớ. So với bóng bán dẫn PMOS, bóng bán dẫn này rất nhanh, vì vậy có thể đặt nhiều bóng bán dẫn hơn trên một con chip. Biểu tượng bóng bán dẫn NMOS được hiển thị bên dưới.

Transistor NMOS hoạt động như thế nào?

Hoạt động của bóng bán dẫn NMOS là; khi bóng bán dẫn NMOS nhận được một điện áp không đáng kể thì nó sẽ tạo thành một mạch kín, nghĩa là kết nối từ cực nguồn đến cực cống hoạt động như một dây dẫn. Vì vậy, dòng điện chạy từ thiết bị đầu cuối cổng đến nguồn. Tương tự, khi bóng bán dẫn này nhận điện áp xấp xỉ 0V thì nó tạo thành mạch hở, nghĩa là kết nối từ cực nguồn đến cực cống sẽ bị đứt, do đó dòng điện sẽ chạy từ cực cổng đến cực cống.

Mặt cắt ngang của bóng bán dẫn NMOS

Nói chung, một bóng bán dẫn NMOS được chế tạo đơn giản với thân loại p bởi hai vùng bán dẫn loại n tiếp giáp với cổng được gọi là nguồn và cống. Bóng bán dẫn này có một cổng điều khiển để điều khiển dòng điện tử giữa các cực nguồn và cực cống.

Trong bóng bán dẫn này, vì thân của bóng bán dẫn được nối đất, nên các mối nối PN của nguồn & cống về phía thân được phân cực ngược. Nếu điện áp ở cực cổng tăng lên, một điện trường sẽ bắt đầu tăng và thu hút các electron tự do về đáy của giao diện Si-SiO2.

Khi điện áp đủ cao, thì các electron sẽ lấp đầy tất cả các lỗ và một vùng mỏng bên dưới cổng được gọi là kênh sẽ được đảo ngược để hoạt động như một chất bán dẫn loại n. Điều này sẽ tạo ra một làn dẫn từ cực nguồn đến cực cống bằng cách cho phép dòng điện chạy qua, vì vậy bóng bán dẫn sẽ được BẬT. Nếu cực cổng được nối đất thì không có dòng điện nào chạy trong mối nối phân cực ngược nên bóng bán dẫn sẽ TẮT.

Mạch bán dẫn NMOS

Thiết kế cổng NOT sử dụng bóng bán dẫn PMOS và NMOS được hiển thị bên dưới. Để thiết kế một cổng NOT, chúng ta cần kết hợp các bóng bán dẫn pMOS & nMOS bằng cách nối một bóng bán dẫn pMOS với nguồn và một bóng bán dẫn nMOS với đất. Vì vậy, mạch sẽ là ví dụ về bóng bán dẫn CMOS đầu tiên của chúng tôi.

Cổng NOT là một loại cổng logic tạo ra đầu vào đảo ngược làm đầu ra. Cổng này còn được gọi là biến tần. Nếu đầu vào là '0', đầu ra đảo ngược sẽ là '1'.

Khi đầu vào bằng 0, thì nó sẽ chuyển đến bóng bán dẫn pMOS ở trên cùng và xuống bóng bán dẫn nMOS ở dưới cùng. Khi giá trị đầu vào '0' đến bóng bán dẫn pMOS, thì nó sẽ được đảo ngược thành '1'. do đó, kết nối tới nguồn bị dừng. Vì vậy, điều này sẽ tạo ra giá trị logic '1' nếu kết nối tới cống (GND) cũng bị đóng. Chúng tôi biết rằng bóng bán dẫn nMOS sẽ không đảo ngược giá trị đầu vào, do đó, nó nhận giá trị bằng 0 như hiện tại và nó sẽ tạo ra một mạch hở cho cống. Vì vậy, một giá trị logic được tạo cho cổng.

Tương tự, nếu giá trị đầu vào là '1' thì giá trị này được gửi đến cả hai bóng bán dẫn trong mạch trên. Khi giá trị '1' nhận được bóng bán dẫn pMOS, thì nó sẽ bị đảo ngược thành 'o'. kết quả là, kết nối tới nguồn được mở. Khi bóng bán dẫn nMOS nhận được giá trị '1, thì nó sẽ không bị đảo ngược. vì vậy, giá trị đầu vào vẫn là một. Khi một giá trị được nhận bởi bóng bán dẫn nMOS, thì kết nối tới GND sẽ bị đóng. Vì vậy, nó sẽ tạo ra logic'0' làm đầu ra.

Quy trình chế tạo

Có nhiều bước liên quan đến quá trình chế tạo bóng bán dẫn NMOS. Quá trình tương tự có thể được sử dụng cho các bóng bán dẫn PMOS và CMOS. Vật liệu được sử dụng thường xuyên nhất trong chế tạo này là polysilicon hoặc kim loại. Các bước quy trình chế tạo từng bước của Transistor NMOS được thảo luận bên dưới.

Bước 1:

Một lớp wafer silicon mỏng được thay đổi thành vật liệu loại P bằng cách pha tạp đơn giản với vật liệu Boron.

Bước 2:

Một lớp Sio2 dày được trồng trên đế loại p hoàn chỉnh

Bước 3:

Bây giờ bề mặt được phủ qua chất cản quang trên lớp Sio2 dày.

Bước 4:

Sau đó, lớp này được tiếp xúc với tia UV với một mặt nạ mô tả các vùng mà trong đó sự khuếch tán sẽ xảy ra cùng với các kênh bóng bán dẫn.

Bước5:

Các vùng này được khắc lẫn nhau với Sio2 bên dưới để bề mặt của tấm wafer lộ ra trong cửa sổ được xác định qua mặt nạ.

Bước 6:

Chất cản quang còn lại được tách ra và lớp Sio2 mỏng thường dày 0,1 micromet trên toàn bộ bề mặt của chip. Tiếp theo, polysilicon nằm trên đó để tạo thành cấu trúc cổng. Một chất cản quang được đặt trên lớp polysilicon hoàn chỉnh và chiếu tia cực tím xuyên suốt mặt nạ2.

Bước7:

Bằng cách làm nóng tấm wafer đến nhiệt độ tối đa, đạt được sự khuếch tán và truyền khí có tạp chất loại n mong muốn như Phốt pho.

Bước8:

Một lớp silicon dioxide có độ dày một micromet được phủ khắp nơi và vật liệu cản quang được đặt trên đó. Phơi sáng tia cực tím (UV) qua mặt nạ3 trên các vùng ưu tiên của cổng, vùng nguồn & vùng thoát nước được khắc để thực hiện các vết cắt tiếp xúc.

Bước 9:

Giờ đây, một kim loại như nhôm được đặt trên bề mặt có chiều rộng một micromet của nó. Một lần nữa, vật liệu cản quang được phủ lên khắp kim loại và tiếp xúc với tia UV thông qua mặt nạ4, đây là một dạng khắc cho thiết kế kết nối bắt buộc. Cấu trúc NMOS cuối cùng được hiển thị bên dưới.

Bóng bán dẫn PMOS so với NMOS

Sự khác biệt giữa các bóng bán dẫn PMOS và NMOS được thảo luận dưới đây.

Đặc trưng

Các Đặc tính IV của bóng bán dẫn NMOS được hiển thị bên dưới. Điện áp giữa cổng và các cực nguồn ‘V _gs ' & cũng giữa nguồn & cống 'V _ĐS ’. Vì vậy, các đường cong giữa I _ĐS và V _ĐS đạt được bằng cách đơn giản nối đất đầu cuối của nguồn, đặt giá trị VGS ban đầu & quét V _ĐS từ '0' đến giá trị điện áp DC cao nhất được cung cấp bởi V _ĐĐ khi bước chữ V _gs giá trị từ '0' đến V _ĐĐ . Vì vậy, đối với V cực thấp _gs , tôi _ĐS cực kỳ nhỏ và sẽ có xu hướng tuyến tính. Khi V _gs giá trị tăng cao, sau đó tôi _ĐS tăng cường & sẽ có sự phụ thuộc bên dưới vào V _gs & TRONG _ĐS ;

Nếu V _gs nhỏ hơn hoặc bằng V _{THỨ TỰ} , thì bóng bán dẫn ở trạng thái TẮT & hoạt động như mạch hở.

Nếu V _gs lớn hơn V _{THỨ TỰ} , sau đó có hai chế độ hoạt động.

Nếu V _ĐS nhỏ hơn V _gs - TRONG _{THỨ TỰ} , thì bóng bán dẫn hoạt động ở chế độ tuyến tính và hoạt động như một điện trở (R _TRÊN ).

IDS = bạn _{hiệu quả} C _{con bò đực} W/L [(V _gs - TRONG _{THỨ TỰ} )TRONG _ĐS – ½ V _ĐS ^2]

Ở đâu,

'µeff' là độ linh động hiệu quả của hạt mang điện.

'COX' là điện dung của oxit cổng cho mỗi đơn vị diện tích.

W & L lần lượt là chiều rộng và chiều dài của kênh. các R _TRÊN giá trị được điều khiển đơn giản bởi điện áp của cổng như sau;

r _{BẬT =} 1 trong _N C _{con bò đực} W/L [(V _gs - TRONG _{THỨ TỰ} )TRONG _ĐS – ½ V _ĐS ^2]

Nếu VDS lớn hơn hoặc bằng V _gs - TRONG _{THỨ TỰ} , thì bóng bán dẫn hoạt động trong chế độ bão hòa

Tôi _ĐS = bạn _N C _{con bò đực} W/L [(V _gs - TRONG _{THỨ TỰ} )^2 (1+λ V _ĐS ]

Ở vùng này, khi tôi _ĐS cao hơn, thì dòng điện phụ thuộc tối thiểu vào V _ĐS giá trị, tuy nhiên, giá trị cao nhất của nó được kiểm soát đơn giản thông qua VGS. Điều chế độ dài kênh 'λ' giải thích cho mức tăng trong IDS bằng mức tăng trong VDS trong các bóng bán dẫn, do hiện tượng chụm. Pinch-off này xảy ra khi cả V _ĐS và V _gs quyết định mô hình điện trường gần khu vực cống, do đó thay đổi hướng của các hạt mang điện tích cung cấp tự nhiên. Hiệu ứng này làm giảm độ dài của kênh hiệu quả và tăng I _ĐS . Lý tưởng nhất là 'λ' tương đương với '0' để tôi _ĐS hoàn toàn độc lập với V _ĐS giá trị trong vùng bão hòa.

Vì vậy, đây là tất cả về Tổng quan về NMOS bóng bán dẫn - chế tạo và mạch với làm việc. Bóng bán dẫn NMOS đóng một vai trò quan trọng trong việc thực hiện các cổng logic cũng như các mạch kỹ thuật số khác nhau. Đây là mạch vi điện tử được sử dụng chủ yếu trong thiết kế mạch logic, chip nhớ & trong thiết kế CMOS. Các ứng dụng phổ biến nhất của bóng bán dẫn NMOS là chuyển mạch và khuếch đại điện áp. Đây là một câu hỏi dành cho bạn, bóng bán dẫn PMOS là gì?