Einführung in MOS-Röhren und intrinsische Verstärkungen

MOS, die Abkürzung für den englischen Namen „Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor“, ist ein einzigartiges Halbleiterbauelement, das den Strom der Ausgangsschleife durch den elektrischen Feldeffekt steuert, der ihm seinen Namen gibt. Das Gerät stützt sich in erster Linie auf die Mehrheit der Träger in Halbleitern, um Elektrizität zu leiten, weshalb es auch als unipolarer Transistor klassifiziert wird. Neben MOS-Transistoren gibt es verschiedene Typen wie Sperrschicht-FETs (JFETs), Metall-Halbleiter-FETs, JLFETs und QWFETs. Unter diesen Typen sind MOS-Transistoren aufgrund ihrer vielen Vorteile, wie hoher Eingangswiderstand, geringer Stromverbrauch, geringes Rauschen und einfache Integration, die am häufigsten verwendete Wahl. Sie werden häufig in analogen und digitalen Schaltkreisen verwendet und nehmen einen absoluten Platz ein dominierende Stellung auf dem Markt und übertrifft Bipolartransistoren (BJTs) bei weitem.

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MOS-Transistoren werden weiter in NMOS (N-Kanal-Typ) und PMOS (P-Kanal-Typ) unterteilt, die beide zu den FETs mit isoliertem Gate gehören. Wenn NMOS und PMOS geschickt kombiniert werden, bilden sie sogenannte CMOS-Geräte (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Die Struktur von NMOS ist exquisit gestaltet und umfasst drei Schlüsselelektroden: Source (S), Gate (G) und Drain (D), die funktionell jeweils mit dem Emitter, der Basis und dem Kollektor eines Bipolartransistors korreliert werden können , wie in der Abbildung unten gezeigt.

Schematische Darstellung der NMOS-Struktur

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Wie in der folgenden Abbildung dargestellt, kann, wenn während des NMOS-Betriebs keine Spannung an das Gate angelegt wird, aufgrund fehlender leitender Kanäle kein Strom zwischen den Source- und Drain-Bereichen gebildet werden. Wenn jedoch eine ausreichend große positive Spannung an das Gate angelegt wird, wirkt diese Spannung wie ein Magnet und zieht eine kleine Anzahl von Trägerelektronen im P-Typ-Substrat an, wodurch sie sich an der Verbindung von Gate und Substrat konzentrieren. Durch die Ansammlung von Elektronen wird auf der Oberfläche des Substrats eine inverse Schicht voller Elektronen gebildet, die den ursprünglichen P-Typ-Bereich tatsächlich in einen N-Typ-Bereich umkehrt und so einen glatten Kanal für den Strom bereitstellt, sodass der Elektronen im Source-Bereich können reibungslos zum Drain-Bereich fließen und dort einen Strom bilden. Dieser Prozess demonstriert das Wesen des MOS-Transistors als Spannungssteuergerät, dh die Gate-Spannung wird verwendet, um den Strom zwischen Source und Drain präzise zu regeln. Diese Umkehrschicht schafft einen effizienten Elektronentransportpfad, der es den Elektronen im Source-Bereich ermöglicht, kontinuierlich zum Drain-Bereich zu fließen, was zur Bildung eines elektrischen Stroms führt. Daher ist der MOS-Transistor im Wesentlichen ein Spannungssteuergerät, dessen Kern darin besteht, den Strom zwischen Source und Drain über die Gate-Spannung präzise zu steuern. Wir definieren die minimale Gate-Spannung, die zum Einschalten des FET erforderlich ist, als Schwellenspannung. Das Gate übernimmt hier die Rolle eines Schalters: Wenn die Gate-Spannung unter die Schwellenspannung fällt oder wenn die Gate-Spannung entfernt wird, wird es ausgeschaltet und verhindert so den Stromfluss zwischen Source und Drain; Wenn die Gate-Spannung über der Schwellenspannung liegt, öffnet sie den Kanal und lässt den Strom zwischen Source und Drain frei fließen.

Elektrische Eigenschaften von NMOS
Als Nächstes skizzieren wir einen typischen Vorbereitungsprozess für NMOS-Röhren. Zunächst wird durch epitaktisches Wachstum eine Epitaxieschicht auf einem Siliziumsubstrat gebildet. Dieser Schritt zielt darauf ab, einen Siliziumeinkristall mit niedrigem Sauerstoffgehalt zu erhalten, der den Halbleiteranteil (S) der MOS-Röhre darstellt. Anschließend wird das Feldoxid hergestellt Oxidations-, Fotolithographie- und Ätztechniken, die dazu dienen, die verschiedenen MOS-Röhren zu isolieren und elektrische Interferenzen zwischen ihnen zu verhindern. Als nächstes wird ein Oxidationsprozess durchgeführt, um eine Gate-Oxidschicht zu erzeugen, die den Oxidanteil (O) in der MOS-Röhre darstellt. Der nächste Schritt besteht darin, das Polysiliziummaterial abzuscheiden und durch Fotolithographie und Ätzprozesse ein Polysilizium-Gate zu bilden. Obwohl Polysilizium kein Metall im herkömmlichen Sinne ist, weist es nach der Dotierung eine gute Leitfähigkeit auf und eignet sich für integrierte Schaltkreisprozesse und ersetzt so das frühere Metall Aluminiummaterialien. Dann gelangt es in die Produktionsphase der Quellzone und der Leckzone, die zunächst durch den Photolithographieprozess mit Fenstern versehen wird, gefolgt von der Injektion von Phosphorionen und dem Tempern, um die Struktur zu stabilisieren. Anschließend erfolgt die Abscheidung einer Schicht aus Phosphosilikatglas (PSG) als dielektrische Schicht, die durch Abscheidungs- und Reflow-Prozesse geglättet wird und eine gute Grundlage für nachfolgende Lithographieschritte bildet. Anschließend wird das PSG fotolithographiert und geätzt, um das gewünschte Muster zu erzeugen. Anschließend wird die Aluminium-Silizium-Legierung als Metallverbindungsmaterial abgeschieden und die Metallverbindung durch Fotolithographie und Ätzverfahren hergestellt. Abschließend wird eine Schicht aus Siliziumnitrid als Passivierungsschutzschicht abgeschieden, um dem gesamten Gerät zusätzlichen Schutz und Stabilität zu verleihen.

Eigenverstärkung der MOS-Röhre
Die maximale Niederfrequenz-Kleinsignalverstärkung, die ein Transistor in einer Common-Source-Verstärkerkonfiguration aufweisen kann, ist als intrinsische Verstärkung des MOS-Transistors definiert, die ausgedrückt werden kann als

Auf den detaillierten Ableitungsprozess wird hier verzichtet. Gemäß dieser Formel ist die intrinsische Verstärkung des MOS-Transistors umgekehrt proportional zur Übersteuerungsspannung und zum Rillenlängenmodulationskoeffizienten λ. Da λ umgekehrt proportional zur Kanallänge L der MOS-Röhre ist, nimmt die Eigenverstärkung mit zunehmendem L zu. Theoretisch kann die Eigenverstärkung des MOS-Transistors durch Verringern der Übersteuerungsspannung und Erhöhen von L erhöht werden. Allerdings ist beides möglich Diese Vorgänge verlangsamen die Arbeitsgeschwindigkeit der MOS-Röhre. Daher müssen wir beim eigentlichen Schaltungsentwurf einen Kompromiss zwischen Verstärkung und Geschwindigkeit eingehen. Dieses Gleichgewicht zwischen Verstärkung und Geschwindigkeit war schon immer ein zentrales Thema im Bereich des analogen integrierten Schaltkreisdesigns. Es ist erwähnenswert, dass die folgende Gleichung zu sehen ist

Die Eigenverstärkung des MOS-Transistors ähnelt der Eigenverstärkung beim Entwurf der Transkonduktanzeffizienz, die Eigenverstärkung wird jedoch zusätzlich von der Kanallänge beeinflusst. Da die Strukturgröße von MOS-Bauelementen immer weiter abnimmt, nimmt ihr intrinsischer Gewinn ab, was eine zunehmende Herausforderung für unsere Designs darstellt.

Darüber hinaus müssen wir auf der Hut sein, dass eine zu niedrige Übersteuerungsspannung dazu führen kann, dass der MOS-Transistor in den Unterschwellenbereich gelangt, wo sich die Betriebseigenschaften des MOS-Transistors stark von denen im Sättigungsbereich unterscheiden, und viele der relevanten Formeln und Theorien werden nicht mehr gelten.