ทรานซิสเตอร์สารกึ่งตัวนำโลหะออกไซด์หรือทรานซิสเตอร์ MOS เป็นองค์ประกอบพื้นฐานในลอจิกชิป โปรเซสเซอร์ และหน่วยความจำดิจิทัลสมัยใหม่ เป็นอุปกรณ์พาหะส่วนใหญ่ ซึ่งกระแสภายในช่องนำไฟฟ้าระหว่างแหล่งกำเนิดและท่อระบายน้ำถูกมอดูเลตด้วยแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายไปยังเกต ทรานซิสเตอร์ MOS นี้มีบทบาทสำคัญในไอซีสัญญาณอนาล็อกและสัญญาณผสมต่างๆ ทรานซิสเตอร์นี้ค่อนข้างจะปรับเปลี่ยนได้ ดังนั้นจึงทำหน้าที่เป็นเครื่องขยายเสียง สวิตช์ หรือ ตัวต้านทาน . ไม่ ทรานซิสเตอร์ แบ่งออกเป็นสองประเภทคือ PMOS & NMOS บทความนี้จึงกล่าวถึงภาพรวมของ ทรานซิสเตอร์ NMOS – การประดิษฐ์วงจรและการทำงาน
ทรานซิสเตอร์ NMOS คืออะไร?
ทรานซิสเตอร์ NMOS (n-channel metal-oxide semiconductor) เป็นทรานซิสเตอร์ประเภทหนึ่งที่ใช้สารเจือปนชนิด n ในบริเวณเกท แรงดันบวก (+ve) ที่ขั้วต่อเกทจะเปิดอุปกรณ์ ทรานซิสเตอร์นี้ส่วนใหญ่ใช้ใน CMOS (เซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์เสริม) การออกแบบและในชิปลอจิกและหน่วยความจำ เมื่อเปรียบเทียบกับทรานซิสเตอร์ PMOS แล้ว ทรานซิสเตอร์นี้เร็วกว่ามาก จึงสามารถวางทรานซิสเตอร์ได้มากขึ้นบนชิปตัวเดียว สัญลักษณ์ทรานซิสเตอร์ NMOS แสดงอยู่ด้านล่าง
ทรานซิสเตอร์ NMOS ทำงานอย่างไร
การทำงานของทรานซิสเตอร์ NMOS คือ เมื่อทรานซิสเตอร์ NMOS ได้รับแรงดันไฟฟ้าที่ไม่มีนัยสำคัญ มันจะสร้างวงจรปิด ซึ่งหมายความว่าการเชื่อมต่อจากเทอร์มินัลต้นทางไปยังท่อระบายน้ำจะทำงานเป็นสายไฟ ดังนั้นกระแสจึงไหลจากเทอร์มินอลเกทไปยังซอร์ส ในทำนองเดียวกัน เมื่อทรานซิสเตอร์นี้ได้รับแรงดันไฟฟ้าที่ประมาณ 0V จะทำให้เกิดวงจรเปิด ซึ่งหมายความว่าการเชื่อมต่อจากขั้วต่อต้นทางไปยังท่อระบายน้ำจะขาด ดังนั้นกระแสจึงไหลจากขั้วต่อเกตไปยังท่อระบายน้ำ
ภาพตัดขวางของทรานซิสเตอร์ NMOS
โดยทั่วไปแล้ว ทรานซิสเตอร์ NMOS ถูกสร้างขึ้นด้วยตัว p-type โดยบริเวณเซมิคอนดักเตอร์ n-type สองตัวซึ่งอยู่ติดกับเกตที่เรียกว่าซอร์สและเดรน ทรานซิสเตอร์นี้มีประตูควบคุมที่ควบคุมการไหลของอิเล็กตรอนระหว่างขั้วต้นทางและท่อระบายน้ำ
ในทรานซิสเตอร์นี้ เนื่องจากตัวทรานซิสเตอร์มีการต่อสายดิน จุดเชื่อมต่อ PN ของแหล่งที่มาและท่อระบายเข้าหาตัวจึงมีความลำเอียงแบบย้อนกลับ ถ้าแรงดันไฟฟ้าที่เทอร์มินอลเกตเพิ่มขึ้น สนามไฟฟ้าจะเริ่มเพิ่มขึ้นและดึงดูดอิเล็กตรอนอิสระไปที่ฐานของอินเทอร์เฟซ Si-SiO2
เมื่อแรงดันไฟฟ้าสูงพอ อิเล็กตรอนจะเติมรูทั้งหมดและบริเวณบาง ๆ ใต้เกทที่เรียกว่าแชนเนลจะกลับด้านเพื่อทำหน้าที่เป็นเซมิคอนดักเตอร์ชนิด n สิ่งนี้จะสร้างเลนนำไฟฟ้าจากเทอร์มินอลต้นทางไปยังเดรนโดยปล่อยให้กระแสไหลผ่าน ดังนั้นทรานซิสเตอร์จะเปิดทำงาน ถ้าขั้วต่อเกทต่อลงดิน จะไม่มีกระแสไหลเข้าทางแยกแบบเอนกลับ ดังนั้นทรานซิสเตอร์จะถูกปิด
วงจรทรานซิสเตอร์ NMOS
การออกแบบประตูแบบไม่ใช้ PMOS และทรานซิสเตอร์ NMOS แสดงไว้ด้านล่าง ในการออกแบบ NOT gate เราจำเป็นต้องรวมทรานซิสเตอร์ pMOS และ nMOS โดยเชื่อมต่อทรานซิสเตอร์ pMOS กับซอร์สและทรานซิสเตอร์ nMOS เข้ากับกราวด์ ดังนั้นวงจรจะเป็นตัวอย่างทรานซิสเตอร์ CMOS ตัวแรกของเรา
เกต NOT คือลอจิกเกตประเภทหนึ่งที่สร้างอินพุตกลับด้านเป็นเอาต์พุต ประตูนี้เรียกอีกอย่างว่าอินเวอร์เตอร์ หากอินพุตเป็น '0' เอาต์พุตกลับด้านจะเป็น '1'
เมื่ออินพุตเป็นศูนย์ มันจะไปที่ทรานซิสเตอร์ pMOS ที่ด้านบนและลงไปที่ทรานซิสเตอร์ nMOS ที่ด้านล่าง เมื่อค่าอินพุต '0' ถึงทรานซิสเตอร์ pMOS ค่านั้นจะกลับค่าเป็น '1' ดังนั้น การเชื่อมต่อกับแหล่งที่มาจึงหยุดลง ดังนั้นสิ่งนี้จะสร้างค่าลอจิก '1' หากการเชื่อมต่อกับท่อระบายน้ำ (GND) ถูกปิดด้วย เราทราบดีว่าทรานซิสเตอร์ nMOS จะไม่กลับค่าอินพุต ดังนั้นจึงใช้ค่าศูนย์ตามที่เป็นอยู่ และจะสร้างวงจรเปิดไปยังท่อระบายน้ำ ดังนั้น ค่าหนึ่งตรรกะจะถูกสร้างขึ้นสำหรับเกต
ในทำนองเดียวกัน หากค่าอินพุตเป็น '1' ค่านี้จะถูกส่งไปยังทรานซิสเตอร์ทั้งสองตัวในวงจรด้านบน เมื่อค่า '1' ได้รับทรานซิสเตอร์ pMOS ค่านั้นจะกลับค่าเป็น 'o' เป็นผลให้การเชื่อมต่อกับแหล่งที่มาเปิดอยู่ เมื่อทรานซิสเตอร์ nMOS ได้รับค่า '1 แล้ว ทรานซิสเตอร์จะไม่กลับด้าน ดังนั้นค่าอินพุตยังคงเป็นค่าเดียว เมื่อทรานซิสเตอร์ nMOS ได้รับค่าหนึ่งแล้ว การเชื่อมต่อกับ GND จะปิดลง ดังนั้นมันจะสร้างลอจิก '0' เป็นเอาต์พุต
กระบวนการผลิต
มีหลายขั้นตอนที่เกี่ยวข้องในกระบวนการผลิตทรานซิสเตอร์ NMOS สามารถใช้กระบวนการเดียวกันนี้กับทรานซิสเตอร์ PMOS และ CMOS วัสดุที่ใช้บ่อยที่สุดในการผลิตนี้คือโพลีซิลิคอนหรือโลหะ ขั้นตอนกระบวนการผลิตทีละขั้นตอนของทรานซิสเตอร์ NMOS จะกล่าวถึงด้านล่าง
ขั้นตอนที่ 1:
ชั้นเวเฟอร์ซิลิกอนบาง ๆ ถูกเปลี่ยนเป็นวัสดุประเภท P โดยการเจือด้วยวัสดุโบรอน
ขั้นตอนที่ 2:
ชั้น Sio2 ที่หนาขึ้นบนวัสดุพิมพ์ p-type ที่สมบูรณ์
ขั้นตอนที่ 3:
ตอนนี้พื้นผิวถูกเคลือบด้วย photoresist บนชั้น Sio2 ที่หนา
ขั้นตอนที่ 4:
หลังจากนั้นชั้นนี้จะสัมผัสกับแสง UV ด้วยหน้ากากที่อธิบายถึงบริเวณที่มีการแพร่กระจายร่วมกับช่องทรานซิสเตอร์
ขั้นตอนที่ 5:
พื้นที่เหล่านี้จะถูกสลักออกร่วมกับ Sio2 ที่อยู่ข้างใต้ เพื่อให้พื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ถูกเปิดเผยภายในหน้าต่างที่กำหนดผ่านหน้ากาก
ขั้นตอนที่ 6:
โฟโตเรสสิสต์ที่เหลือจะถูกแยกออก และชั้น Sio2 ที่บางจะโตขึ้น 0.1 ไมโครเมตรโดยทั่วไปทั่วทั้งหน้าของชิป ถัดไป โพลีซิลิคอนตั้งอยู่บนส่วนนี้เพื่อสร้างโครงสร้างเกท นักถ่ายภาพจะถูกวางไว้บนชั้นโพลีซิลิคอนทั้งหมดและฉายแสงอัลตราไวโอเลตไปทั่วหน้ากาก2
ขั้นตอนที่ 7:
โดยการให้ความร้อนแก่แผ่นเวเฟอร์จนถึงอุณหภูมิสูงสุด จะทำให้เกิดการแพร่กระจายและผ่านก๊าซที่มีสารเจือปนประเภท n ที่ต้องการ เช่น ฟอสฟอรัส
ขั้นตอนที่ 8:
ซิลิกอนไดออกไซด์หนาหนึ่งไมโครเมตรถูกปลูกไว้ทั่วและวางวัสดุไวแสงไว้บนนั้น ให้แสงอุลตร้าไวโอเลต (UV) ผ่านหน้ากาก3 ในบริเวณที่ต้องการของประตู แหล่งกำเนิด และบริเวณท่อระบายจะถูกแกะสลักเพื่อทำการตัดหน้าสัมผัส
ขั้นตอนที่ 9:
ตอนนี้โลหะเช่นอลูมิเนียมถูกวางบนพื้นผิวที่มีความกว้างหนึ่งไมโครเมตร อีกครั้งหนึ่งที่มีการปลูกวัสดุ photoresist ทั่วโลหะและสัมผัสกับแสง UV ผ่านหน้ากาก4 ซึ่งเป็นรูปแบบสลักสำหรับการออกแบบการเชื่อมต่อระหว่างกันที่จำเป็น โครงสร้าง NMOS สุดท้ายแสดงไว้ด้านล่าง
PMOS กับ NMOS ทรานซิสเตอร์
ความแตกต่างระหว่างทรานซิสเตอร์ PMOS และ NMOS อธิบายไว้ด้านล่าง
| PMOS ทรานซิสเตอร์ | ทรานซิสเตอร์ NMOS |
| ทรานซิสเตอร์ PMOS ย่อมาจาก P-channel metal-oxide-semiconductor transistor | ทรานซิสเตอร์ NMOS ย่อมาจาก N-channel metal-oxide-semiconductor transistor |
| แหล่งที่มาและท่อระบายน้ำในทรานซิสเตอร์ PMOS นั้นทำด้วยเซมิคอนดักเตอร์ชนิด n | แหล่งที่มาและท่อระบายน้ำในทรานซิสเตอร์ NMOS นั้นทำด้วยเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p |
| พื้นผิวของทรานซิสเตอร์นี้ทำด้วยสารกึ่งตัวนำชนิด n | พื้นผิวของทรานซิสเตอร์นี้ทำด้วยเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p |
| ผู้ให้บริการชาร์จส่วนใหญ่ใน PMOS เป็นรู | ตัวพาประจุส่วนใหญ่ใน NMOS คืออิเล็กตรอน |
| เมื่อเทียบกับ NMOS อุปกรณ์ PMOS นั้นไม่ได้เล็กกว่า | อุปกรณ์ NMOS มีขนาดค่อนข้างเล็กเมื่อเทียบกับอุปกรณ์ PMOS |
| ไม่สามารถเปลี่ยนอุปกรณ์ PMOS ได้เร็วกว่าเมื่อเทียบกับอุปกรณ์ NMOS | เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ PMOS แล้ว อุปกรณ์ NMOS สามารถเปลี่ยนได้เร็วกว่า |
| ทรานซิสเตอร์ PMOS จะดำเนินการเมื่อมีแรงดันไฟฟ้าต่ำให้กับเกต | ทรานซิสเตอร์ NMOS จะดำเนินการเมื่อมีการจ่ายไฟฟ้าแรงสูงให้กับเกต |
| สิ่งเหล่านี้มีภูมิคุ้มกันต่อเสียงรบกวน | เมื่อเทียบกับ PMOS แล้ว สิ่งเหล่านี้ไม่มีภูมิคุ้มกันต่อเสียงรบกวน |
| แรงดันเกณฑ์ (Vth) ของทรานซิสเตอร์นี้เป็นปริมาณลบ | แรงดันเกณฑ์ (Vth) ของทรานซิสเตอร์นี้เป็นปริมาณบวก |
ลักษณะเฉพาะ
เดอะ คุณสมบัติ IV ของทรานซิสเตอร์ NMOS แสดงไว้ด้านล่าง แรงดันไฟฟ้าระหว่างเกทและเทอร์มินอลต้นทาง 'V จีเอส ' & ระหว่างแหล่งที่มา & ท่อระบายน้ำ 'V ดีเอส ’ ดังนั้น เส้นโค้งระหว่าง I ดีเอส และ V ดีเอส ทำได้โดยการต่อสายดินที่ขั้วของต้นทาง ตั้งค่า VGS เริ่มต้น & กวาด V ดีเอส จาก '0' ถึงค่าแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงสูงสุดที่กำหนดโดย V ดี.ดี เมื่อเหยียบ V จีเอส ค่าจาก '0' ถึง V ดี.ดี . ดังนั้นสำหรับ V ที่ต่ำมาก จีเอส , I ดีเอส มีขนาดเล็กมาก & จะมีแนวโน้มเชิงเส้น เมื่อ V จีเอส มูลค่าจะสูงขึ้น จากนั้นฉัน ดีเอส ปรับปรุง & จะมีการพึ่งพา V ด้านล่าง จีเอส & ใน ดีเอส ;
ถ้า V จีเอส น้อยกว่าหรือเท่ากับ V ไทย จากนั้นทรานซิสเตอร์จะอยู่ในสถานะปิดและทำงานเหมือนวงจรเปิด
ถ้า V จีเอส มีค่ามากกว่า V ไทย จากนั้นจะมีโหมดการทำงานสองโหมด
ถ้า V ดีเอส น้อยกว่า V จีเอส - ใน ไทย จากนั้นทรานซิสเตอร์จะทำงานในโหมดเชิงเส้น และทำหน้าที่เป็นตัวต้านทาน (R บน ).
รหัส = คุณ ผล ค วัว W/L [(วี จีเอส - ใน ไทย )ใน ดีเอส – ½ V ดีเอส ^2]
ที่ไหน,
‘µeff’ คือความคล่องตัวที่มีประสิทธิภาพของตัวพาประจุ
'COX' คือความจุของเกตออกไซด์สำหรับแต่ละหน่วยพื้นที่
W & L คือความกว้างและความยาวของช่องตามลำดับ อาร์ บน ค่าถูกควบคุมโดยแรงดันของเกทดังนี้
ร เปิด = 1/นิ้ว น ค วัว W/L [(วี จีเอส - ใน ไทย )ใน ดีเอส – ½ V ดีเอส ^2]
ถ้า VDS มากกว่าหรือเท่ากับ V จีเอส - ใน ไทย จากนั้นทรานซิสเตอร์จะทำงานในโหมดความอิ่มตัว
ฉัน ดีเอส = คุณ น ค วัว W/L [(วี จีเอส - ใน ไทย )^2 (1+λ V ดีเอส ]
ในภูมิภาคนี้ เมื่อข้าพเจ้า ดีเอส สูงกว่า กระแสจะขึ้นอยู่กับ V น้อยที่สุด ดีเอส อย่างไรก็ตาม ค่าสูงสุดของมันถูกควบคุมผ่าน VGS การมอดูเลตความยาวของแชนเนล 'λ' อธิบายถึงการเพิ่มภายใน IDS โดยการเพิ่มภายใน VDS ในทรานซิสเตอร์เนื่องจากการบีบนิ้วออก Pinch-off นี้เกิดขึ้นเมื่อทั้ง V ดีเอส และ V จีเอส ตัดสินใจเลือกรูปแบบสนามไฟฟ้าใกล้กับบริเวณท่อระบายน้ำ ซึ่งจะเปลี่ยนทิศทางของพาหะประจุไฟฟ้าตามธรรมชาติ เอฟเฟกต์นี้ลดความยาวของช่องที่มีประสิทธิภาพและเพิ่ม I ดีเอส . ตามหลักการแล้ว 'λ' เทียบเท่ากับ '0' ดังนั้น I ดีเอส เป็นอิสระจาก V โดยสิ้นเชิง ดีเอส ค่าภายในขอบเขตความอิ่มตัว
ดังนั้น ทั้งหมดนี้เป็นเรื่องเกี่ยวกับ ภาพรวมของ NMOS ทรานซิสเตอร์ -- การประดิษฐ์และวงจรกับการทำงาน ทรานซิสเตอร์ NMOS มีบทบาทสำคัญในการนำลอจิกเกตไปใช้รวมถึงวงจรดิจิทัลอื่นๆ นี่คือวงจรไมโครอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้เป็นหลักในการออกแบบวงจรลอจิก ชิปหน่วยความจำ และในการออกแบบ CMOS แอพพลิเคชั่นยอดนิยมของทรานซิสเตอร์ NMOS คือสวิตช์และตัวขยายแรงดันไฟฟ้า นี่เป็นคำถามสำหรับคุณ ทรานซิสเตอร์ PMOS คืออะไร?
