Depletion-Type IGFETs Begrijpen: Ontwerp, Werkking en SPICE Analyse

Geïsoleerde gate veld-effect transistoren (IGFETs) zijn unipolaire toestellen, net als JFETs: de gecontroleerde stroom vloeit volledig binnen een enkel type halfgeleider, dus geen PN-overgang wordt door de stroom gekruist.

Binnen het toestel bestaat een PN-overgang uitsluitend om de niet-geleidende depletierregio te vormen die de stroom door het kanaal beperkt. De overgang zelf draagt nooit stroom.

Schematisch Symbool en Fysiek Diagram

Hieronder is een schema van een depletion-type N-kanaal IGFET:

Let op hoe de source en drain aansluitingen aan beide uiteinden van het N-kanaal bevestigd zijn, terwijl de gate verbindt met een metalen plaat gescheiden door een dun isolerende barrière – meestal siliciumdioxide, het hoofdbestanddeel van zand. Deze Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) constructie is waarom veel IGFETs ook MOSFETs genoemd worden, hoewel 'IGFET' de hele klasse van geïsoleerde-gate toestellen beter beschrijft.

Moderne IGFETs verbinden doorgaans de substraat intern met de source, wat een drie-terminal toestel oplevert. Het schema hieronder weerspiegelt die veelvoorkomende configuratie:

Omdat de substraat en source elektrisch gemeenschappelijk zijn, kan er geen spanning over de interne PN-overgang worden toegepast. Gevolgelijk kan de depletierregio niet uitgebreid of samengeklapt worden zoals in een JFET; in plaats daarvan berust de IGFET-operatie op de verplaatsing van die depletierregio ten opzichte van de gate.

N-kanaal IGFET

Het aanleggen van een positieve spanning aan de gate ten opzichte van de source weert de depletierregio af, verbreed het N-type kanaal en verhoogt de geleidbaarheid:

Het omkeren van de polariteit trekt de depletierregio aan, vernauwt het kanaal en verlaagt de geleidbaarheid:

De geïsoleerde gate staat elke polariteit van besturingsspanning toe zonder risico op voorwaartse bias van de interne overgang – een bezorgdheid die JFETs beperkt. Hoewel gelabeld als 'depletion-type', kan het toestel ofwel gedepleteerd (kanaal vernauwd) of enhanced (kanaal uitgebreid) zijn afhankelijk van de gate-naar-source spanning polariteit.

Om het effect te voorspellen, match de halfgeleider-doping van het kanaal (N- of P-type) met het teken van de bronspanning. Voor een N-kanaal toestel, een positieve gate en negatieve source versterken het kanaal door elektronen aan de kanaalkant van de dielectrische laag te accumuleren. Als de polariteiten omgewisseld worden, worden elektronen uit het kanaal verwijderd, wat het depleteert en de geleidbaarheid verlaagt.

P-kanaal IGFET

P-kanaal toestellen volgen hetzelfde principe, maar de vereiste polariteit is omgekeerd. De volgende afbeeldingen illustreren de biasing:

Met nul gate-naar-source spanning geleidt een depletion-type IGFET tussen source en drain, maar niet op volle capaciteit – in tegenstelling tot bipolaire transistoren, die normaal uit zijn, of JFETs, die normaal aan zijn. In effect gedraagt het zich als een half-aan toestel.

Omdat de gate geïsoleerd is, verdraagt de IGFET gate-source spanningen van elke polariteit. De PN-overgang is beschermd, en de directe source-substraat verbinding voorkomt elk spanningverschil over de overgang.

Opmerkelijk genoeg lijkt het geleidingsgedrag van een D-type IGFET op dat van vroege vacuümbuizen, waar de gridspanning de stroom van elektronen tussen kathode en anode kon onderdrukken of versterken.

SPICE Simulatie van D-type IGFET

De volgende SPICE runs illustreren de stroom-regulerende aard van een depletion-type IGFET.

Eerst, met de gate kortgesloten aan de source (0 V) en de voeding gesweept van 0 V tot 50 V, vestigt de drainstroom zich op een gereguleerde 10 µA over het hele bereik:

n-channel igfet characteristic curve m1 1 0 0 0 mod1 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end 

Het aanleggen van een negatieve gate-spanning van –0,5 V tijdens het sweepen van de voeding verlaagt de gereguleerde drainstroom tot 2,5 µA:

n-channel igfet characteristic curve m1 1 3 0 0 mod1 vin 0 3 dc 0.5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end 

Omgekeerd, een positieve gate-spanning van +0,5 V verhoogt de stroom tot 22,5 µA:

n-channel igfet characteristic curve m1 1 3 0 0 mod1 vin 3 0 dc 0.5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end 

Deze resultaten bevestigen de non-lineaire relatie tussen gate-naar-source spanning en drainstroom, analoog aan die gezien in JFETs. Een depleterende spanning van ongeveer –1 V kan het kanaal afknippen, de drainstroom reducerend tot praktisch nul. De exacte pinch-off spanning varieert met de specificaties van elk toestel.

Kenmerkcurve van IGFET

Het plotten van meerdere kenmerkcurves voor verschillende gate-spanningen levert een patroon op dat lijkt op de familie van curves van een JFET:

GERELATEERD WERKBLAD:

• Geïsoleerde Gate Field-Effect Transistors Werkblad