PMOS-transistori: Toiminta, valmistus, poikkileikkaus ja sen ominaisuudet

MOS-transistori on keskeisin elementti suuren mittakaavan integroidun piirin suunnittelussa. Nämä transistorit luokitellaan yleensä kahteen tyyppiin PMOS ja NMOS. NMOS- ja PMOS-transistorien yhdistelmä tunnetaan nimellä a CMOS-transistori . Eri logiikka portit ja muissa digitaalisissa logiikkalaitteissa, jotka toteutetaan, on oltava PMOS-logiikka. Tämä tekniikka on edullinen ja sillä on hyvä häiriönkestävyys. Tässä artikkelissa käsitellään yhtä MOS-transistoreista, kuten PMOS-transistoreista.

Mikä on PMOS-transistor?

PMOS-transistori tai P-kanavainen metallioksidipuolijohde on eräänlainen transistori, jossa p-tyypin seostusaineita hyödynnetään kanava- tai hila-alueella. Tämä transistori on täsmälleen päinvastainen kuin NMOS-transistori. Näissä transistoreissa on kolme pääliitintä; lähde, portti ja nielu, jossa transistorin lähde on suunniteltu p-tyypin substraatilla ja nieluliitin on suunniteltu n-tyypin substraatilla. Tässä transistorissa varauksenkuljettajat kuten reiät vastaavat virran johtamisesta. PMOS-transistorisymbolit näkyvät alla.

Kuinka PMOS-transistori toimii?

P-tyypin transistori toimii täysin päinvastoin kuin n-tyypin transistori. Tämä transistori muodostaa avoimen piirin aina, kun se saa merkityksettömän jännitteen, mikä tarkoittaa, että sähköä ei kulje portin (G) liittimestä lähteeseen (S). Vastaavasti tämä transistori muodostaa suljetun piirin, kun se saa noin 0 voltin jännitteen, mikä tarkoittaa, että virta kulkee hilaliittimestä (G) nieluon (D).

Tämä kupla tunnetaan myös inversiokuplana. Joten tämän ympyrän päätehtävä on invertoida tulojännitteen arvo. Jos hilaliitin tarjoaa 1 jännitteen, tämä invertteri muuttaa sen nollaan ja toimii piirin vastaavasti. Joten PMOS-transistorin ja NMOS-transistorin toiminta on täysin päinvastainen. Kun yhdistämme ne yhdeksi MOS-piiriksi, siitä tulee CMOS-piiri (komplementaarinen metallioksidipuolijohde).

PMOS-transistorin poikkileikkaus

PMOS-transistorin poikkileikkaus on esitetty alla. pMOS-transistori on rakennettu n-tyypin rungolla, joka sisältää kaksi p-tyypin puolijohdealuetta, jotka ovat portin vieressä. Tässä transistorissa on kaaviossa esitetty ohjausportti, joka ohjaa elektronien virtausta kahden liittimen, kuten lähde ja nielu, välillä. pMOS-transistorissa runko pidetään +ve-jännitteessä. Kun portin liitin on positiivinen, lähde- ja tyhjennysliittimet ovat käänteisbiasoituja. Kun tämä tapahtuu, virtaa ei ole, joten transistori kytketään pois päältä.

Kun jännitesyöttö hilaliitännässä on laskettu, positiiviset varauksenkantajat houkuttelevat Si-SiO2-rajapinnan pohjaan. Aina kun jännite laskee riittävästi, kanava käännetään ja muodostaa johtavan reitin lähdeliittimestä viemäriin sallimalla virran kulkemisen.

Aina kun nämä transistorit käsittelevät digitaalista logiikkaa, niillä on yleensä vain kaksi eri arvoa, kuten 1 ja 0 (ON ja OFF). Transistorin positiivinen jännite tunnetaan nimellä VDD, joka edustaa loogista korkeaa (1) arvoa digitaalisissa piireissä. VDD-jännitetasot sisään TTL logiikkaa olivat yleensä noin 5V. Tällä hetkellä transistorit eivät itse asiassa kestä niin suuria jännitteitä, koska ne vaihtelevat tyypillisesti välillä 1,5 V – 3,3 V. Matala jännite tunnetaan usein nimellä GND tai VSS. Joten VSS tarkoittaa logiikkaa '0' ja se on myös asetettu normaalisti 0V: ksi.

PMOS-transistoripiiri

NAND-portin suunnittelu PMOS-transistoria ja NMOS-transistoria käyttäen on esitetty alla. Yleisesti ottaen NAND-portti digitaalisessa elektroniikassa on logiikkaportti, jota kutsutaan myös NOT-AND-portiksi. Tämän portin lähtö on matala (0) vain, jos kaksi tuloa ovat korkeat (1) ja sen lähtö on AND-portin komplementti. Jos jompikumpi tuloista on LOW (0), se antaa korkean tulostuksen.

Alla olevassa logiikkapiirissä, jos tulo A on 0 ja B on 0, pMOS:n tulo tuottaa '1' ja nMOS:n A tulo tuottaa '0'. Joten tämä logiikkaportti tuottaa loogisen '1', koska se on kytketty lähteeseen suljetulla piirillä ja irrotettu GND:stä avoimen piirin kautta.

Kun A on '0' ja B' on '1', pMOS-sisääntulo tuottaa 1:n ja NMOS-syöte 0:n. Siten tämä portti tuottaa loogisen, koska se on kytketty lähteeseen suljetun piirin kautta ja irrotettu GND:stä avoimella piirillä. Kun A on '1' ja B on '0', pMOS:n 'B'-tulo tuottaa korkean lähdön (1) ja NMOS:n 'B'-tulo tuottaa alhaisen lähdön (0). Joten tämä logiikkaportti tuottaa loogisen 1:n, koska se on kytketty lähteeseen suljetun piirin kautta ja irrotettu GND:stä avoimella piirillä.

Kun A on '1' ja B on '1', pMOS-syöte tuottaa nollan ja nMOS-tulo tuottaa 1:n. Tästä syystä meidän pitäisi myös tarkistaa pMOS:n ja nMOS:n B-tulo. pMOS:n B-sisääntulo tuottaa arvon '0' ja nMOS:n B-sisääntulo 1:n. Joten tämä logiikkaportti tuottaa loogisen '0', koska se on irrotettu lähteestä avoimella piirillä ja on kytketty GND:hen suljetun piirin kautta.

Totuustaulukko

Yllä olevan logiikkapiirin totuustaulukko on annettu alla.

PMOS-transistorin kynnysjännite on tavallisesti 'Vgs', joka on tarpeen kanavan inversioksi tunnetun kanavan luomiseksi. PMOS-transistorissa substraatti ja lähdeliittimet kytketään yksinkertaisesti 'Vdd'-liitäntään. Jos alamme vähentää jännitettä viitaten lähdeliittimeen portilla Vdd:stä pisteeseen, jossa huomaat kanavan inversion, tässä kohdassa, jos analysoit Vgs:n ja lähteen olevan korkealla potentiaalilla, saat negatiivisen arvon. Joten PMOS-transistorilla on negatiivinen viides arvo.

PMOS-valmistusprosessi

PMOS-transistorin valmistukseen liittyviä vaiheita käsitellään alla.

Vaihe 1:

Ohut piikiekkokerros muutetaan N-tyyppiseksi materiaaliksi yksinkertaisesti seostamalla fosforimateriaalia.

Vaihe2:

Paksu piidioksidikerros (Sio2) kasvatetaan täydelliselle p-tyypin substraatille.

Vaihe 3:

Nyt pinta on päällystetty fotoresistillä paksun piidioksidikerroksen päällä.

Vaihe 4:

Sen jälkeen tämä kerros yksinkertaisesti altistetaan UV-valolle maskin kautta, joka määrittää ne alueet, joihin diffuusion tulee tapahtua yhdessä transistorikanavien kanssa.

Vaihe 5:

Nämä alueet syövytetään pois keskenään alla olevan piidioksidin kanssa niin, että kiekon pinta tulee näkyviin maskin määrittämän ikkunan sisällä.

Vaihe 6:

Jäljelle jäänyt fotoresisti irtoaa ja ohut Sio2-kerros kasvaa tyypillisesti 0,1 mikrometriä sirun koko pinnalle. Tämän jälkeen polypii asetetaan tämän päälle portin rakenteen muodostamiseksi. Fotoresisti asetetaan koko polypiikerroksen päälle ja se altistaa UV-valoa maskin läpi2.

Vaihe 7:

Diffuusio saavutetaan lämmittämällä kiekkoa maksimilämpötilaan ja kuljettamalla kaasua haluttujen p-tyypin epäpuhtauksien, kuten boorin, kanssa.

Vaihe 8:

Kasvatetaan 1 mikrometrin paksuista piidioksidia ja sen päälle kerrostetaan fotoresistimateriaalia. Altista ultraviolettivalo maskilla3 halutuille portin, lähteen ja viemärin kohdille, jotka on syövytetty kosketusleikkausten tekemiseksi.

Vaihe 9:

Nyt metalli tai alumiini kerrostetaan sen 1 mikrometrin paksuiselle pinnalle. Jälleen fotoresistimateriaalia kasvatetaan kaikkialle metalliin ja se altistaa UV-valolle maskin4 läpi, joka on syövytetty muodostamaan vaadittu liitäntärakenne. Lopullinen PMOS-rakenne on esitetty alla.

PMOS-transistorin ominaisuudet

PMOS-transistorin I-V ominaisuudet on esitetty alla. Nämä ominaisuudet on jaettu kahteen alueeseen, jotta saadaan suhde nielun ja lähdevirran (I DS) välillä sekä sen päätejännitteiden, kuten lineaaristen ja kyllästymisalueiden, välillä.

Vuorausalueella IDS kasvaa lineaarisesti, kun VDS (drain to source jännite) kasvaa, kun taas saturaatioalueella I DS on vakaa ja se on riippumaton VDS:stä. Pääsuhde ISD:n (lähteestä nieluvirtaan) ja sen päätejännitteiden välillä johdetaan vastaavalla NMOS-transistorin menettelyllä. Tässä tapauksessa ainoa muutos on se, että inversiokerroksessa olevat varauksenkantajat ovat yksinkertaisesti reikiä. Kun reiät siirtyvät lähteestä viemäriin, myös virran virtaus on sama.

Siten negatiivinen etumerkki näkyy nykyisessä yhtälössä. Lisäksi kaikki laitteen liittimissä käytetyt biasit ovat negatiivisia. Joten PMOS-transistorin ID - VDS -ominaisuudet on esitetty alla.
Lineaarialueen PMOS-transistorin tyhjennysvirtayhtälö annetaan seuraavasti:

ID = – mp Cox

Samoin PMOS-transistorin tyhjennysvirtayhtälö saturaatioalueella annetaan seuraavasti:

ID = – mp Cox (VSG – | V TH |p )^2

Missä 'mp' on reiän liikkuvuus ja '|VTH|'. p’ on PMOS-transistorin kynnysjännite.

Yllä olevassa yhtälössä negatiivinen merkki osoittaa, että ID( tyhjennysvirta ) virtaa viemäristä (D) lähteeseen (S), kun taas reiät virtaavat vastakkaiseen suuntaan. Kun reiän liikkuvuus on alhainen verrattuna elektronien liikkuvuuteen, PMOS-transistorit kärsivät pienvirtakäytön kyvystä.

Siten tässä on kyse yleiskatsauksesta PMOS-transistoreista tai p-tyypin mos-transistoreista – valmistuksesta, piiristä ja sen toiminnasta. PMOS transistorit on suunniteltu p-lähteellä, n-substraatilla ja viemärillä. PMOS:n varauksen kantajat ovat reikiä. Tämä transistori johtaa, kun alhainen jännite on kytketty hilaliittimeen. PMOS-pohjaiset laitteet ovat vähemmän alttiita häiriöille kuin NMOS-laitteet. Näitä transistoreita voidaan käyttää jänniteohjattuina vastuksina, aktiivisina kuormina, virtapeileinä, trans-impedanssivahvistimina sekä kytkimissä ja jännitevahvistimissa. Tässä on kysymys sinulle, mikä on NMOS-transistori?