ترانزستور NMOS: العمل والدائرة والتصنيع وخصائصه

جرب أداة القضاء على المشاكل





ترانزستور أشباه الموصلات بأكسيد المعدن أو ترانزستور MOS هو لبنة أساسية في الرقائق المنطقية والمعالجات والذكريات الرقمية الحديثة. إنه جهاز ذو أغلبية ناقل ، حيث يتم تعديل التيار داخل قناة موصلة بين المصدر والصرف بجهد مطبق على البوابة. يلعب ترانزستور MOS هذا دورًا رئيسيًا في العديد من الدوائر المتكاملة التناظرية والمختلطة. هذا الترانزستور قابل للتكيف تمامًا ، لذا فهو يعمل كمضخم أو مفتاح أو أ المقاوم . ليس الترانزستورات تصنف إلى نوعين PMOS و NMOS. لذلك ، تتناول هذه المقالة نظرة عامة على الترانزستور NMOS - التصنيع والدوائر والعمل.


ما هو الترانزستور NMOS؟

يعد ترانزستور NMOS (أشباه الموصلات بأكسيد معدني ذي قناة n) نوعًا واحدًا من الترانزستور حيث يتم استخدام dopants من النوع n في منطقة البوابة. يعمل الجهد الموجب (+ ve) على طرف البوابة على تشغيل الجهاز. يستخدم هذا الترانزستور بشكل رئيسي في CMOS (أشباه موصلات أكسيد المعادن التكميلية) تصميم وكذلك في رقائق المنطق والذاكرة. بالمقارنة مع ترانزستور PMOS ، فإن هذا الترانزستور أسرع جدًا ، لذلك يمكن وضع المزيد من الترانزستورات على شريحة واحدة. يظهر رمز الترانزستور NMOS أدناه.



  رمز
رمز

كيف يعمل ترانزستور NMOS؟

عمل الترانزستور NMOS هو ؛ عندما يستقبل ترانزستور NMOS جهدًا لا يستهان به ، فإنه يشكل دائرة مغلقة مما يعني أن الاتصال من طرف المصدر إلى الصرف يعمل كسلك. لذلك يتدفق التيار من محطة البوابة إلى المصدر. وبالمثل ، عندما يستقبل هذا الترانزستور جهدًا عند 0 فولت تقريبًا ، فإنه يشكل دائرة مفتوحة مما يعني أن الاتصال من طرف المصدر إلى الصرف سوف ينقطع ، وبالتالي يتدفق التيار من طرف البوابة إلى الصرف.

المقطع العرضي لترانزستور NMOS

بشكل عام ، يتم بناء ترانزستور NMOS ببساطة بجسم من النوع p بواسطة منطقتين من أشباه الموصلات من النوع n المتجاورتين للبوابة المعروفة باسم المصدر والصرف. يحتوي هذا الترانزستور على بوابة تحكم تتحكم في تدفق الإلكترون بين طرفي المصدر والتصريف.



  المقطع العرضي لترانزستور NMOS
المقطع العرضي لترانزستور NMOS

في هذا الترانزستور ، نظرًا لأن جسم الترانزستور مؤرض ، فإن تقاطعات PN للمصدر والصرف باتجاه الجسم تكون منحازة عكسيًا. إذا زاد الجهد عند طرف البوابة ، سيبدأ الحقل الكهربائي في الزيادة ويجذب الإلكترونات الحرة إلى قاعدة واجهة Si-SiO2.

بمجرد أن يكون الجهد مرتفعًا بدرجة كافية ، تنتهي الإلكترونات بملء جميع الثقوب وستنعكس المنطقة الرقيقة أسفل البوابة المعروفة باسم القناة لتؤدي دور أشباه الموصلات من النوع n. سيؤدي ذلك إلى إنشاء حارة موصلة من طرف المصدر إلى الصرف عن طريق السماح بتدفق التيار ، لذلك سيتم تشغيل الترانزستور. إذا تم تأريض طرف البوابة ، فلن يتدفق التيار في الوصلة المنحازة العكسية ، لذلك سيتم إيقاف تشغيل الترانزستور.

  PCBWay

حلبة الترانزستور NMOS

يظهر أدناه تصميم البوابة NOT باستخدام ترانزستورات PMOS و NMOS. من أجل تصميم بوابة NOT ، نحتاج إلى دمج ترانزستورات pMOS و nMOS عن طريق توصيل ترانزستور pMOS بالمصدر وترانزستور nMOS بالأرض. لذلك ستكون الدائرة أول مثال لنا على الترانزستور CMOS.

البوابة NOT هي أحد أنواع البوابات المنطقية التي تولد مدخلاً مقلوبًا كمخرج. تسمى هذه البوابة أيضًا بالعاكس. إذا كان الإدخال '0' ، سيكون الناتج المقلوب '1'.

  NOT تصميم البوابة مع PMOS و NMOS
NOT تصميم البوابة مع PMOS و NMOS

عندما يكون الإدخال صفرًا ، فإنه ينتقل إلى ترانزستور pMOS في أعلى وأسفل إلى ترانزستور nMOS في الأسفل. بمجرد وصول قيمة الإدخال '0' إلى ترانزستور pMOS ، يتم قلبها إلى '1'. وبالتالي ، يتم إيقاف الاتصال بالمصدر. لذلك سيولد هذا قيمة منطقية '1' إذا تم أيضًا إغلاق الاتصال باتجاه الصرف (GND). نحن نعلم أن ترانزستور nMOS لن يقوم بعكس قيمة الإدخال ، وبالتالي يأخذ القيمة الصفرية كما هي وسيؤدي إلى فتح دائرة للتصريف. لذلك ، يتم إنشاء قيمة منطقية واحدة للبوابة.

وبالمثل ، إذا كانت قيمة الإدخال هي '1' ، يتم إرسال هذه القيمة إلى كل من الترانزستورات في الدائرة أعلاه. بمجرد أن تستقبل القيمة '1' ترانزستور pMOS ، فإنها تنقلب إلى 'o'. نتيجة لذلك ، الاتصال بالمصدر مفتوح. بمجرد أن يتلقى ترانزستور nMOS القيمة '1 ، فلن ينقلب. لذلك ، تظل قيمة الإدخال كواحد. بمجرد استلام قيمة واحدة بواسطة ترانزستور nMOS ، يتم إغلاق الاتصال باتجاه GND. لذلك سيولد المنطق '0' كناتج.

عملية التصنيع

هناك العديد من الخطوات المتضمنة في عملية تصنيع الترانزستور NMOS. يمكن استخدام نفس العملية مع ترانزستورات PMOS و CMOS. المواد الأكثر استخدامًا في هذا التصنيع هي إما البولي سيليكون أو المعدن. نناقش أدناه خطوات عملية التصنيع خطوة بخطوة لترانزستور NMOS.

الخطوة 1:

يتم تغيير طبقة رقيقة من السليكون إلى مادة من النوع P ببساطة عن طريق تعاطي المنشطات بمادة البورون.

الخطوة 2:

يتم زراعة طبقة Sio2 سميكة على ركيزة كاملة من النوع p

الخطوه 3:

الآن السطح مغطى من خلال مقاوم للضوء على طبقة Sio2 السميكة.

الخطوة 4:

بعد ذلك ، تتعرض هذه الطبقة لضوء الأشعة فوق البنفسجية بقناع يصف تلك المناطق التي يحدث فيها الانتشار بشكل مشترك مع قنوات الترانزستور.

الخطوة 5:

يتم حفر هذه المناطق بشكل متبادل مع Sio2 الأساسي بحيث يكون سطح الرقاقة مكشوفًا داخل النافذة المحددة من خلال القناع.

الخطوة 6:

يتم فصل مقاوم الضوء المتبقي وتنمو طبقة Sio2 الرقيقة بمقدار 0.1 ميكرومتر عادةً على كامل وجه الشريحة. بعد ذلك ، يقع البولي سيليكون على هذا لتشكيل هيكل البوابة. يتم وضع مقاوم للضوء على طبقة البولي سيليكون الكاملة ويعرض الضوء فوق البنفسجي في جميع أنحاء القناع 2.

الخطوة 7:

عن طريق تسخين الرقاقة إلى أقصى درجة حرارة ، يتم تحقيق الانتشار وتمرير الغاز مع الشوائب المطلوبة من النوع n مثل الفوسفور.

الخطوة 8:

تتم زراعة طبقة من ثاني أكسيد السيليكون بسمك ميكرومتر واحد وتوضع عليها مادة مقاومة للضوء. كشف الضوء فوق البنفسجي (UV) من خلال القناع 3 على المناطق المفضلة للبوابة ، يتم حفر مناطق المصدر والصرف لعمل قطع التلامس.

الخطوة 9:

الآن يتم وضع معدن مثل الألمنيوم فوق سطحه الذي يبلغ عرضه واحد ميكرومتر. مرة أخرى ، يتم زراعة مادة مقاومة للضوء في جميع أنحاء المعدن وتعريضها لضوء الأشعة فوق البنفسجية من خلال قناع 4 وهو شكل محفور لتصميم التوصيل البيني الإلزامي. يظهر هيكل NMOS النهائي أدناه.

  عملية تصنيع الترانزستور NMOS
عملية تصنيع الترانزستور NMOS

PMOS مقابل NMOS الترانزستور

تتم مناقشة الفرق بين ترانزستورات PMOS و NMOS أدناه.

ترانزستور PMOS NMOS الترانزستور
يرمز ترانزستور PMOS إلى ترانزستور أكسيد المعادن وأشباه الموصلات P-channel. ترانزستور NMOS يرمز إلى ترانزستور أكسيد المعادن وأشباه الموصلات N- قناة.
إن المصدر والصرف في ترانزستورات PMOS مصنوعان ببساطة من أشباه الموصلات من النوع n إن المصدر والصرف في ترانزستور NMOS مصنوعان ببساطة من أشباه الموصلات من النوع p.
الركيزة لهذا الترانزستور مصنوعة من نوع n من أشباه الموصلات ركيزة هذا الترانزستور مصنوعة من أشباه الموصلات من النوع p
غالبية ناقلات الشحن في PMOS عبارة عن ثقوب. غالبية ناقلات الشحنة في NMOS هي إلكترونات.
بالمقارنة مع NMOS ، فإن أجهزة PMOS ليست أصغر. أجهزة NMOS أصغر إلى حد ما مقارنة بأجهزة PMOS.
لا يمكن تبديل أجهزة PMOS بشكل أسرع مقارنة بأجهزة NMOS. بالمقارنة مع أجهزة PMOS ، يمكن تبديل أجهزة NMOS بشكل أسرع.
سيتم إجراء ترانزستور PMOS بمجرد توفير جهد منخفض للبوابة. سيتم إجراء ترانزستور NMOS بمجرد توفير جهد عالٍ للبوابة.
هذه هي أكثر مناعة ضد الضوضاء. بالمقارنة مع PMOS ، فهذه ليست محصنة ضد الضوضاء.
جهد العتبة (Vth) لهذا الترانزستور هو كمية سالبة. جهد العتبة (Vth) لهذا الترانزستور هو كمية موجبة.

مميزات

ال I-V خصائص الترانزستور NMOS موضحة أدناه. الجهد بين البوابة ومحطات المصدر 'V. ع 'وكذلك بين المصدر والتصريف' V. DS '. لذا ، فإن المنحنيات بين أنا DS و V. DS يتم تحقيقها ببساطة عن طريق تأريض محطة المصدر ، وتعيين قيمة VGS أولية وكاسح V. DS من '0' إلى أعلى قيمة لجهد التيار المستمر التي قدمها V DD عند الخطو على V. ع قيمة من '0' إلى V. DD . لذلك من أجل V منخفض للغاية ع أنا DS صغيرة للغاية وسيكون لها اتجاه خطي. عندما تعلق V ع قيمة عالية ، ثم أنا DS يعزز وسيحظى بالاعتماد أدناه على V. ع & في DS ؛

  مميزات
مميزات

إذا كان V. ع أصغر من أو يساوي V العاشر ، ثم يكون الترانزستور في حالة إيقاف التشغيل ويعمل كدائرة مفتوحة.

إذا كان V. ع أكبر من V. العاشر ، ثم هناك وضعان للتشغيل.

إذا كان V. DS أقل من V. ع - في العاشر ، ثم يعمل الترانزستور في الوضع الخطي ، ويعمل كمقاومة (R تشغيل ).

IDS = u إف ج ثور W / L [(V. ع - في العاشر )في DS - ½ V. DS ^ 2]

أين،

'eff' هو التنقل الفعال لحامل الشحن.

'COX' هو سعة أكسيد البوابة لكل وحدة مساحة.

W & L هما عرض القناة وطولها في المقابل. يقع R تشغيل يتم التحكم في القيمة ببساطة عن طريق جهد البوابة التالي ؛

ص تشغيل = 1 في ن ج ثور W / L [(V. ع - في العاشر )في DS - ½ V. DS ^ 2]

إذا كان VDS أكبر من أو يساوي V ع - في العاشر ، ثم يعمل الترانزستور ضمن وضع التشبع

أنا DS = ش ن ج ثور W / L [(V. ع - في العاشر ) ^ 2 (1 + λ V. DS ]

في هذه المنطقة ، عندما كنت DS أعلى ، ثم يعتمد التيار بشكل طفيف على V DS القيمة ، ومع ذلك ، يتم التحكم ببساطة في أعلى قيمة من خلال VGS. يمثل تعديل طول القناة '' الزيادة داخل IDS عن طريق زيادة داخل VDS في الترانزستورات ، بسبب الضغط. يحدث هذا الانقطاع مرة واحدة على حد سواء V DS و V. ع تحديد نمط المجال الكهربائي بالقرب من منطقة التصريف ، وبالتالي تغيير اتجاه حاملات شحن الإمداد الطبيعي. يقلل هذا التأثير من طول القناة الفعالة ويزيد أنا DS . من الناحية المثالية ، 'λ' تعادل '0' لذلك أنا DS مستقل تمامًا عن V DS قيمة داخل منطقة التشبع.

وبالتالي ، هذا كل شيء عن لمحة عامة عن NMOS الترانزستور - التصنيع والدائرة مع العمل. يلعب ترانزستور NMOS دورًا رئيسيًا في تنفيذ البوابات المنطقية بالإضافة إلى الدوائر الرقمية المختلفة الأخرى. هذه دائرة إلكترونية دقيقة تستخدم بشكل أساسي في تصميم الدوائر المنطقية وشرائح الذاكرة وتصميم CMOS. التطبيقات الأكثر شيوعًا لترانزستورات NMOS هي المفاتيح ومضخمات الجهد. إليك سؤال لك ، ما هو ترانزستور PMOS؟