ترانزستور PMOS: العمل ، التصنيع ، المقطع العرضي وخصائصه

الترانزستور MOS هو العنصر الأساسي في تصميم الدوائر المتكاملة واسعة النطاق. يتم تصنيف هذه الترانزستورات عمومًا إلى نوعين من PMOS و NMOS. يُعرف الجمع بين ترانزستورات NMOS و PMOS باسم a الترانزستور CMOS . المختلف بوابات المنطق، بوابات منطقية & أجهزة المنطق الرقمي الأخرى التي يتم تنفيذها يجب أن يكون لها منطق PMOS. هذه التكنولوجيا غير مكلفة ولديها مقاومة جيدة للتداخل. تتناول هذه المقالة أحد أنواع ترانزستورات MOS مثل ترانزستور PMOS.

ما هو PMOS الترانزستور؟

يعتبر ترانزستور PMOS أو أشباه الموصلات المعدنية ذات القناة P نوعًا من الترانزستور حيث يتم استخدام dopants من النوع p في القناة أو منطقة البوابة. هذا الترانزستور هو بالضبط عكس الترانزستور NMOS. تحتوي هذه الترانزستورات على ثلاث محطات رئيسية ؛ المصدر والبوابة والصرف حيث تم تصميم مصدر الترانزستور بركيزة من النوع p ، وصُممت محطة الصرف بطبقة سفلية من النوع n. في هذا الترانزستور ، تكون حاملات الشحنة مثل الثقوب مسؤولة عن توصيل التيار. تظهر رموز الترانزستور PMOS أدناه.

كيف يعمل ترانزستور PMOS؟

عمل الترانزستور من النوع p هو عكس الترانزستور من النوع n. سيشكل هذا الترانزستور دائرة مفتوحة عندما يحصل على جهد غير مهم مما يعني أنه لا يوجد تدفق للكهرباء من بوابة (G) إلى المصدر (S). وبالمثل ، فإن هذا الترانزستور يشكل دائرة مغلقة عندما يحصل على جهد عند حوالي 0 فولت مما يعني أن التيار يتدفق من بوابة (G) إلى المصرف (D).

تُعرف هذه الفقاعة أيضًا باسم فقاعة الانعكاس. لذا فإن الوظيفة الرئيسية لهذه الدائرة هي عكس قيمة جهد الدخل. إذا كانت محطة البوابة توفر جهدًا 1 ، فسيقوم هذا العاكس بتغييره إلى الصفر ويعمل الدائرة وفقًا لذلك. لذا فإن وظيفة ترانزستور PMOS و NMOS معاكسة تمامًا. بمجرد دمجها في دائرة MOS واحدة ، ستصبح دائرة CMOS (أشباه موصلات أكسيد المعادن التكميلية).

المقطع العرضي لترانزستور PMOS

يظهر المقطع العرضي لترانزستور PMOS أدناه. يتم بناء ترانزستور pMOS بهيكل من النوع n يتضمن منطقتين من أشباه الموصلات من النوع p المتاخمة للبوابة. يحتوي هذا الترانزستور على بوابة تحكم كما هو موضح في الرسم البياني الذي يتحكم في تدفق الإلكترونات بين المحطتين مثل المصدر والصرف. في ترانزستور pMOS ، يُمسك الجسم بجهد + خمسة. بمجرد أن تكون بوابة البوابة موجبة ، تصبح محطات المصدر والصرف منحازة عكسيًا. بمجرد حدوث ذلك ، لا يوجد تدفق للتيار ، لذلك سيتم إيقاف تشغيل الترانزستور.

بمجرد خفض إمداد الجهد عند طرف البوابة ، سيتم جذب حاملات الشحنة الموجبة إلى أسفل واجهة Si-SiO2. عندما ينخفض ​​الجهد بشكل كافٍ ، تنعكس القناة وتخلق مسارًا موصلًا من طرف المصدر إلى الصرف عن طريق السماح بتدفق التيار.

عندما تتعامل هذه الترانزستورات مع المنطق الرقمي ، عادة ما يكون هناك قيمتان مختلفتان فقط مثل 1 & 0 (ON و OFF). يُعرف الجهد الموجب للترانزستور باسم VDD والذي يمثل القيمة المنطقية العالية (1) داخل الدوائر الرقمية. مستويات الجهد VDD في منطق TTL كانت بشكل عام حول 5V. في الوقت الحالي ، لا تستطيع الترانزستورات في الواقع تحمل مثل هذه الفولتية العالية لأنها تتراوح عادةً من 1.5 فولت إلى 3.3 فولت. غالبًا ما يُعرف الجهد المنخفض باسم GND أو VSS. لذلك ، يشير VSS إلى المنطق '0' ويتم تعيينه أيضًا بشكل طبيعي على 0V.

دائرة ترانزستور PMOS

يظهر أدناه تصميم بوابة NAND باستخدام ترانزستور PMOS وترانزستور NMOS. بشكل عام ، بوابة NAND في الإلكترونيات الرقمية هي بوابة منطقية تسمى أيضًا بوابة NOT-AND. يكون خرج هذه البوابة منخفضًا (0) فقط إذا كان المدخلان مرتفعان (1) ويكون ناتجها مكملًا لبوابة AND. إذا كان أي من المدخلين منخفضًا (0) ، فإنه يعطي نتائج مخرجات عالية.

في الدائرة المنطقية أدناه ، إذا كان الإدخال A هو 0 و B هو 0 ، فإن إدخال pMOS سينتج '1' ومدخلات nMOS سينتج '0'. لذلك ، تولد هذه البوابة المنطقية '1' منطقية لأنها متصلة بالمصدر بواسطة دائرة مغلقة ومنفصلة عن GND من خلال دائرة مفتوحة.

عندما تكون A هي '0' و B 'تساوي' 1 '، فإن إدخال pMOS سينشئ' 1 'ومدخلات NMOS ستولد' 0 '. وبالتالي ، ستنتج هذه البوابة بوابة منطقية لأنها متصلة بالمصدر من خلال دائرة مغلقة ومنفصلة عن GND بدائرة مفتوحة. عندما تكون A هي '1' و B هي '0' ، فإن إدخال 'B' من pMOS سيولد ناتجًا عاليًا (1) وسيولد إدخال 'B' من NMOS ناتجًا منخفضًا (0). لذلك ، ستولد هذه البوابة المنطقية 1 منطقيًا لأنها متصلة بالمصدر من خلال دائرة مغلقة ومنفصلة عن GND بواسطة دائرة مفتوحة.

عندما تكون A هي '1' و B تساوي '1' ، فإن إدخال 'pMOS سينتج صفرًا ، وسيولد إدخال nMOS' 1 '. وبالتالي ، يجب علينا التحقق من إدخال B من pMOS و nMOS أيضًا. المدخلات B من pMOS سوف تولد '0' & ​​B المدخلات من nMOS سوف تولد '1'. لذلك ، ستولد هذه البوابة المنطقية '0' منطقية لأنها منفصلة عن المصدر بواسطة دائرة مفتوحة ومتصلة بـ GND من خلال دائرة مغلقة.

جدول الحقيقة

جدول الحقيقة لدائرة المنطق أعلاه معطى أدناه.

عادةً ما يكون جهد عتبة ترانزستور PMOS هو 'Vgs' وهو أمر ضروري لإنشاء القناة المعروفة باسم انعكاس القناة. في ترانزستور PMOS ، يتم توصيل الركيزة ومحطات المصدر ببساطة بـ 'Vdd'. إذا بدأنا في تقليل الجهد بالرجوع إلى محطة المصدر عند محطة البوابة من Vdd إلى نقطة حيث تلاحظ انعكاس القناة ، في هذا الموضع إذا قمت بتحليل Vgs & source عند الإمكانات العالية ، فستحصل على قيمة سالبة. لذلك ، فإن ترانزستور PMOS له قيمة V سالبة.

عملية تصنيع PMOS

تتم مناقشة الخطوات المتبعة في تصنيع الترانزستور PMOS أدناه.

الخطوة 1:

يتم تغيير طبقة رقيقة من السليكون إلى مادة من النوع N ببساطة عن طريق تعاطي مادة الفوسفور.

الخطوة 2:

تتم زراعة طبقة سميكة من ثاني أكسيد السيليكون (Sio2) على طبقة سفلية كاملة من النوع p.

الخطوه 3:

الآن السطح مغطى بمقاوم للضوء فوق طبقة ثاني أكسيد السيليكون السميكة.

الخطوة 4:

بعد ذلك ، تتعرض هذه الطبقة ببساطة لضوء الأشعة فوق البنفسجية من خلال قناع يحدد المناطق التي يتم فيها الانتشار مع قنوات الترانزستور.

الخطوة 5:

يتم حفر هذه المناطق بشكل متبادل مع ثاني أكسيد السيليكون الأساسي بحيث يكون سطح الرقاقة مكشوفًا داخل النافذة المحددة بواسطة القناع.

الخطوة 6:

يتم فصل مقاوم الضوء المتبقي ويتم زراعة طبقة Sio2 الرقيقة بشكل نموذجي 0.1 ميكرومتر على كامل سطح الشريحة. بعد ذلك ، يتم وضع البولي سيليكون فوق هذا لتشكيل هيكل البوابة. يتم وضع مقاوم للضوء فوق طبقة البولي سيليكون بالكامل ويعرض ضوء الأشعة فوق البنفسجية من خلال القناع 2.

الخطوة 7:

يتم تحقيق الانتشار من خلال تسخين الرقائق إلى أقصى درجة حرارة وتمرر الغاز مع الشوائب المطلوبة من النوع p مثل البورون.

الخطوة 8:

ينمو ثاني أكسيد السيليكون بسمك 1 ميكرومتر وترسب عليه مادة مقاومة للضوء. قم بتعريض الضوء فوق البنفسجي باستخدام القناع 3 على المناطق المفضلة للبوابة والمصدر والمصرف والتي تم حفرها لعمل قطع التلامس.

الخطوة 9:

الآن يتم ترسيب معدن أو ألومنيوم على سطحه الذي يبلغ سمكه 1 ميكرومتر. مرة أخرى ، يتم زراعة مادة مقاومة للضوء في جميع أنحاء المعدن وتعرض ضوء الأشعة فوق البنفسجية من خلال قناع 4 محفور لتشكيل تصميم التوصيل البيني المطلوب. يظهر هيكل PMOS النهائي أدناه.

خصائص الترانزستور PMOS

يتم عرض خصائص الترانزستور PMOS I-V أدناه. يتم تقسيم هذه الخصائص إلى منطقتين من أجل الحصول على العلاقة بين الصرف إلى تيار المصدر (I DS) بالإضافة إلى الفولتية النهائية مثل مناطق التشبع والخطية.

في منطقة خطية ، ستزداد IDS خطيًا عند زيادة VDS (استنزاف جهد المصدر) بينما في منطقة التشبع ، يكون I DS مستقرًا ومستقلًا عن VDS. يتم اشتقاق العلاقة الرئيسية بين ISD (المصدر إلى تيار التصريف) والجهد الطرفي الخاص به من خلال إجراء مماثل لترانزستور NMOS. في هذه الحالة ، سيكون التغيير الوحيد هو أن حاملات الشحنة الموجودة داخل طبقة الانعكاس هي مجرد ثقوب. عندما تنتقل الثقوب من المصدر إلى التصريف ، يكون تدفق التيار هو نفسه أيضًا.

وهكذا تظهر العلامة السالبة داخل المعادلة الحالية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن جميع التحيزات المطبقة في أطراف الجهاز سلبية. لذلك ، معرّف ترانزستور PMOS - خصائص VDS موضحة أدناه.
تُعطى معادلة تيار التصريف لترانزستور PMOS في المنطقة الخطية على النحو التالي:

المعرف = - النائب كوكس

وبالمثل ، تُعطى معادلة الصرف الحالية لترانزستور PMOS في منطقة التشبع على النحو التالي:

المعرف = - mp Cox (VSG - | V TH | p) ^ 2

حيث 'mp' هو تنقل الثقب و '| VTH | p 'هو جهد عتبة ترانزستور PMOS.

في المعادلة أعلاه ، تشير العلامة السالبة إلى أن المعرف ( استنزاف الحالي ) يتدفق من الصرف (D) إلى المصدر (S) بينما تتدفق الثقوب في الاتجاه المعاكس. عندما تكون حركة الفتحة منخفضة مقارنة بحركة الإلكترون ، فإن ترانزستورات PMOS تعاني من قدرة محرك التيار المنخفض.

وبالتالي ، فإن هذا كله يتعلق بنظرة عامة على ترانزستور PMOS أو ترانزستور موس من النوع p - التصنيع والدائرة وعملها. PMOS الترانزستورات مصممة مع مصدر p ، ركيزة n واستنزاف. حاملات شحن PMOS عبارة عن فتحات. يتم إجراء هذا الترانزستور بمجرد تطبيق جهد منخفض عند طرف البوابة. الأجهزة المستندة إلى PMOS أقل عرضة للتداخل مقارنة بأجهزة NMOS. يمكن استخدام هذه الترانزستورات كمقاومات يتم التحكم فيها بالجهد ، والأحمال النشطة ، والمرايا الحالية ، ومضخمات المعاوقة العابرة ، وأيضًا استخدامها في المفاتيح ومضخمات الجهد. إليك سؤال لك ، ما هو ترانزستور NMOS؟