Electronics The Tenth Lecture

1. إلكترونياتالمحاضرة العاشر Electronics The Tenth Lecture الاسبوع الثالث عشر 27/6/ 1435 هـ 2/7/ 1435 هـ أ / سمر السلمي

2. Outline for today • الوصلة الأومية • وصلة معدن –أكسيد -شبه موصل MOS • التركيب, أثر جهد الانحياز • أشكال مستويات الطاقة في الوصلة MOS في الثلاث الحالات • ترانزستور تأثير المجال • MOSFETمعدن –أكسيد -شبه موصل ترانزستور تأثير المجال • التركيب و أنماطه ورمز الدائرة • ماذا يحدث داخل MOSFET • منحني الخصائص I-V لترانزستور MOSFET • MOSFET عمله كمفتاح • معادلات وحسابات الترانزستور MOSFET

3. ترانزستور تأثير المجال Field Effect Transistor • عند درستنا الى BJT وJFET لاحظنا اعتماد التركيب على مادة شبة الموصل من وصلتين ثنائيتين pn و np متصلين بالاضافة معدن واكسيد في الصناعة ولكن عدم اعتمادها عليها • ولكن هناك ترانزستورات اخري مثل MESFET و MISFET و MOSFET يعتمد التركيب على وصلة من معدن وشبه موصل MESاوادخال بينهما عازل مثل وصلة MIS او اكسيد مثل MOS • وقبل الدخول لدراسة ترانزستور MOSFET معدن –أكسيد -شبه موصل ترانزستور تأثير المجال • سوف نتعرف على وصلة MOS وأيضا على مفهوم الوصلة الاوميةOhmic Contact =

4. الوصلة الأوميةOhmic Contact • هي الوصلة التي تتكون من معدن وشبه موصل (وهي تتبع قانون أوم أي أن ليس لديها قابلية لتقويم التيار ومميز التيار والجهد خطي في كلا من الإنحيازين الامامي والخلفي) • الطريقة العلمية لتكوين هذه الوصلة • 1- زيادة الشوائب في شبه الموصل عند منطقة الاتصال بحث يمكن لحوامل الشحنة عبور الحاجز • 2- اختيار معدن ذي دالة شغل(eΦ) قربية من تلك الدالة لشبه الموصل • دالة الشغل : هي الطاقة اللازمة لإزاحة الكترون من مستوي فيرمي أي الطاقة اللازمة لتأين المعدن =

5. الوصلة الأوميةOhmic Contact • في الشكل الايسر توضيح لمستوي فيرمي ودالة الشغل في المعدن و شبة موصل (n-type) قبل الاتصال • في الشكل الايمن توضيح لهم عند تكوين وصلة معدن شبة موصل (n-type) في حالة الاتزان وكيف ان مستوي فيرمي ينطبق بين المعدن وشبه الموصل (والتي يحصل هنا عند وضع شحنات سالبة قريبا من سطح المعدن فإنها تجذب الشحنات الموجبة الموجودة في المعدن) =

6. الوصلة الأوميةOhmic Contact • في الشكل الايسر توضيح لمستوي فيرمي ودالة الشغل في المعدن و شبة موصل (P-type) قبل الاتصال • في الشكل الايمن توضيح لهم عند تكوين وصلة معدن شبة موصل (P-type) في حالة الاتزان وكيف ان مستوي فيرمي ينطبق بين المعدن وشبه الموصل (والتي يحصل هنا عند وضع شحنات موجبة قريبا من سطح المعدن فإنها تجذب الشحنات السالبة الموجودة في المعدن) =

7. وصلة معدن –أكسيد -شبه موصل MOS • التركيب • في هذه الوصلة يتم تنمية طبقة رقيقة من أكسيد فلز على سطح شبة موصل من النوع n-type او p-type ثم يتم وضع قطب فلزي(معدني) فوق سطح طبقة الأكسيد ويختار الاكسيد من مادة عازلة جيدة العزل الكهربي تكون فجوة الطاقة كبيرة وتكون وظيفة هذه الطبقة هي عزل • المعدن عن شبة الموصل فلا يمر بينهما تيار كهربي. • في حالة الاتزان الحراري • عند عدم وجود تطبيق للمجال الكهربي او الجهد فإن مستويات • فيرمي والتوصيل والتكافؤ افقية ومستوية • عند تطبيق مجال كهربي يكون هناك انحناء في مستويات الطاقة • حتي في حالة الاتزان الحراري =

8. وصلة معدن –أكسيد -شبه موصل MOS • أثر جهد الانحياز • حسب الجهد المطبق على هذه الوصلة سوف يتكون لدينا ثلاث حالات مختلفة مثل ما هو موضح بالرسم • 1- النضوب 2- الانقلاب 3- التكدس =

9. وصلة معدن –أكسيد -شبه موصل MOS • أثر جهد الانحياز (في وصلة معدن و n-type) • 1- النضوب Depletion: • عند تطبيق جهد انحياز سالب عن سطح قطب المعدن تتكون كمية صغيرة من الشحنات السالبة عندها تمنع طبقة الاكسيد مرور أي تيار كهربي إلا ان الالكترونات الموجودة في ركيزة شبة الموصل n-type سوف تتأثر بتلك الشحنات السالبة وتبتعد متنافرة عن المنطقة الموجودة تحت المعدن وتنشأ بذلك منطقة نضوب شبيهة بتلك التي تنشأ في الوصلة pn • 2- الانقلاب Inversion • عند زياد تطبيق جهد انحياز سالب عن سطح قطب المعدن فبدل من اتساع منطقة النضوب اكثر داخل شبة الموصل يتكون حالة انقلاب أي تتجمع الثقوب بجانب سطح الأكسيد والتي تأتي من الحاملات الاقلية الموجود في شبه الموصل n-type. • 3- التكدس Accumulation • عند تطبيق جهد موجب عند سطح قطب المعدن تنجذب الحاملات الاغلبية السالبة وتتكدس عند السطح البيني للأكسيد وشبة الموصل n-type =

10. وصلة معدن –أكسيد -شبه موصل MOS • أشكال مستويات الطاقة في الوصلة MOS في الثلاث الحالات(في وصلة معدن و p-type) • 1- النضوب Depletion: • عند التأثير بالجهد الموجب يتحرك مستوي • فيرمي للمعدن عن موضعه الابتدائي في حالة • الاتزان الحراري الى اسفل بالإضافة ميل • المستقيم عند مستوى الطاقة في الاكسيد • ومستويات الطاقة لشبة الموصل p-type الى • اسفل قرب السطح البيني له مع الأكسيد وأيضا • تهبط الالكترونات الى اسفل بئر الجهد. • نلاحظ أن توزيع الشحنات في شبة الموصل p • مساوي في المعدن =

11. وصلة معدن –أكسيد -شبه موصل MOS • أشكال مستويات الطاقة في الوصلة MOS في الثلاث الحالات(في وصلة معدن و p-type) • 2- الانقلاب Inversion • مع زيادة الجهد الموجب على سطح المعدن الى • اعلى من جهد العتبة VT ينقلب شبه الموصل • وتحتل الالكترونات لطبقة الانقلاب بالاضافة الى • زيادة هبوط مستوي فيرمي للمعدن وزيادة انحناء • مستويات الطاقة لشبه الموصل p وزيادة ميل • المستقيم عند مستوى الطاقة في الاكسيد الى اسفل • نلاحظ أن توزيع الشحنات في شبة الموصل p • لاقصي منطقة نضوب Wmix بالإضافة الى شحنة • طبقةالانقلاب مساوي لشحنة في المعدن =

12. وصلة معدن –أكسيد -شبه موصل MOS • أشكال مستويات الطاقة في الوصلة MOS في الثلاث الحالات(في وصلة معدن و p-type) • 3- التكدس Accumulation • عند التأثير بالجهد السالب يتحرك مستوي • فيرمي للمعدن عن موضعه الابتدائي في حالة • الاتزان الحراري الى اعلى بالإضافة مستويات • الطاقة لشبة الموصل p-type ينحني الى اعلى • قرب السطح البيني له مع الأكسيد وأيضا تصعد • الثقوب الى اعلى بئر الجهد.وهنا بالإضافة ميل • المستقيم عند مستوى الطاقة في الاكسيد الى الاعلى • نلاحظ أن توزيع الشحنات في شبة الموصل p • مساوي في المعدن =

13. MOSFETمعدن –أكسيد -شبه موصل ترانزستور تأثير المجال • metal–oxide–semiconductor field-effect transistor • التركيب بشكل عام • (n-channal النمط المقوي) نلاحظ • مثل JFETالمصدر S • والمصرف D والبوابة G ايضا • اتصال المعدن بهم جميع • أن المصدر والمصرفيحتوي على شبه • موصل مشابه اشابة عالية من n-type • طبقة أكسيد (SiO2) بين المعدن • وشبه الموصل • وجود ركيزة تحتية من شبة موصل • P-type =

14. MOSFETمعدن –أكسيد -شبه موصل ترانزستور تأثير المجال • metal–oxide–semiconductor field-effect transistor • انماط MOSFET (تركبيه ومبدأ عمله) • بسبب وجود الحالات المختلفة لوصلة MOS • 1- النمط المقوى او المحسن enhancement -mode: • تركيبه مشروح في الشريحة السابقة وهذا النمط يعتمد مبدأ عمله • على تكون طبقة انقلاب بين المصدر والمصرف • 2- نمط النضوب depletion - mode • تركبيه مثل النمط السابق الاختلاف ان يكون هناك قناة وصل بين • المصدر والمصدر من نفسة نوع شبه الموصل المشاب للمصدر • والمصرف وقناة التوصيل هذه ليست لها تشويب عالي وهذا النمط • يعتمد مبدأ عمله على تكون طبقة النضوب =

15. MOSFETمعدن –أكسيد -شبه موصل ترانزستور تأثير المجال • metal–oxide–semiconductor field-effect transistor • انماط MOSFET (رمز الدائرة) • رمز الدائرة مثل JFET من • ناحية المصدر والمصرف • الاختلاف بوجود الركيزة • التحتية لشبه الموصل • ايضا موضع السهم • ليس عند البوابة وإنما • عند الركيزة اخيرا اختلاف • الرمزين عند الركيزة التحتية • فعند نمط النضوب الركيزة • متصلة =

16. MOSFETمعدن –أكسيد -شبه موصل ترانزستور تأثير المجال • metal–oxide–semiconductor field-effect transistor • ما يحدث داخل MOSFET(n-channal النمط المقوي) • يتم توصليها مثل JFET احدهما بين دائرة المصدر والمصرف VDS والأخر بين البوابة مع الركيزة التحتية والمصدر VGS فإذا اثرنا بجهد موجب على البوابة وبجهد فوق العتبة(threshold Voltage)VG > VTفإنه يتكون طبقة انقلاب من الكترونات التوصيل تحت البوابة (ولذلك يسمي بـn-channal ) وتوصل بين المصدر والمصرف والذين يحتوين على منطقة n-type عالية الاشابةn+ والقادرتين على الامداد بوفرة هائلة من الالكترونات لطبقة الانقلاب والذي يسمح للتيار • الالكتروني التحرك من المصدر الى المصرف ويتحرك • التيار الاصطلاحي بالعكس • ويؤدي زيادة جهد الانحياز على البوابة الى دفع مزيد من • الشحنات في طبقة الانقلاب بالتالى زيادة التيار بين S و D • لذلك تسمي بالنمط المقوى =

17. MOSFETمعدن –أكسيد -شبه موصل ترانزستور تأثير المجال • metal–oxide–semiconductor field-effect transistor • تابع ما يحدث داخل MOSFET(n-channal النمط المقوي) • وبما أن هنا وصلتين من n-type عند المصدر والمصرف • بالإضافة الى طبقة الانقلاب وركيزة تحتية من p-type فأن • هناك منطقة نضوب عادية بينهم وبما أن التوصيل عند • المصدر عن الصفر الارضي وبسبب اختلاف الجهود بين • البوابة والقناة وجود جهد VG عند نهاية المصدر وجود جهد • VG -VD عند نهاية المصرف في هذه الحالة جهد المصرف • يكون VD <(VG –VT) . وعند زيادة جهد المصرف الى ان • يصل (VG –VT)=VD(sat.)الى نقطة القطع التخصري • pinch off وبداية حالة تشبع Saturation region وعند • زيادة جهد المصرف نحصل على حالة تشبع قوي يكون • جهد المصرف > (VG –VT )VD(sat.) =

18. MOSFETمعدن –أكسيد -شبه موصل ترانزستور تأثير المجال • metal–oxide–semiconductor field-effect transistor • تابع ما يحدث داخل MOSFET • (n-channal نمط النضوب) • تقريبا نفس عمل النمط السابق بوجود عدة اختلافات • بسبب قناة التوصيل اسفل البوابة فمن دون وجود تطبيق • للجهد يكون هناك تيار الكتروني بين المصدر والمصرف • عبر القناة ولكن عن تطبيق جهد انحياز سالب على البوابة • اقل من جهد العتبة فسوف يقطع الاتصال بين المصدر • والمصرف وكما حصل في النمط السابق عند زيادة جهد • المصرف نحصل عن نقطة القطع التخصري • pinch off ومن ثم حالة التشبع =

19. MOSFETمعدن –أكسيد -شبه موصل ترانزستور تأثير المجال • metal–oxide–semiconductor field-effect transistor • منحني الخصائص MOSFET • (n-channal نمط المقوي) • مثل منحني الخصائص لـ JFET تقريبا • لدينا منطقة خطية او أوميةOhmic Region • بسبب تطبيق علاقة اومV=IR • ونجد بعد منحني او نقاط القطع التخصريpinch off • حالة او منطقة التشبع Saturation Region وهنا • يكون تيار المصرف المشبع تقريبا ثابت مع جهد • المصرف المشبع • اخير وجود منطقة القطع Cut off =

20. MOSFETمعدن –أكسيد -شبه موصل ترانزستور تأثير المجال • metal–oxide–semiconductor field-effect transistor • تابع منحني الخصائص MOSFET • (n-channal نمط المقوي) تفاصيل العملية في المنطقتين الاول • منطقة أوميةنقطة القطع التخصريمنطقة التشبع • Saturation Region pinch off piontOhmic Region =

21. MOSFETمعدن –أكسيد -شبه موصل ترانزستور تأثير المجال • metal–oxide–semiconductor field-effect transistor • تابع منحني الخصائص MOSFET • (n-channal نمط النضوب) • وهو يشبه النمط المقوي في وجود • منطقة الاومية والتشبع ونقطة القطع • التخصري الفرق فقط في قيم وتغير • جهد البوابة ( لماذا؟) (سؤال مشاركة) =

22. MOSFETمعدن –أكسيد -شبه موصل ترانزستور تأثير المجال • metal–oxide–semiconductor field-effect transistor • منحنيات الخصائص MOSFET =

23. MOSFETمعدن –أكسيد -شبه موصل ترانزستور تأثير المجال • metal–oxide–semiconductor field-effect transistor • عمل المفتاح لـ MOSFET • مما سبق رأينا ما يحدث في MOSFET في النمطين • ومنها نستنتج الترانزستور يكون مفتاح مغلق Fully-ON (أي يمر تيار الكتروني بين المصدر والمصرف) في حالة عدم تطبيق جهد او مجال كهربي عليه في نمط النضوب (قبل التوصيل) بعكس نمط المقوى عند تطبيق جهد او مجال كهربي عليه (عند التوصيل) • يكون مفتاح مفتوح Fully-OFF (عدم مرور تيار الكتروني بين المصدر والمصرف) في حالة تطبيق جهد او مجال كهربي عليه في نمط النضوب بعكس نمط المقوى عند عدم تطبيق جهد او مجال كهربي عليه. • بالاضافة تأثر عمل المفتاح في مناطق التشبع والقطع ونقطة القطع التخصري ( لن نتطرق الي ذكر التفاصيل) • ايضا هذا الترانزستور يعمل كمكبر مثل JFET =

24. MOSFETمعدن –أكسيد -شبه موصل ترانزستور تأثير المجال • metal–oxide–semiconductor field-effect transistor • معادلات وحسابات الترانزستور MOSFET • نوجد قانون لتيار المصرف عند التشبع لـ MOSFET (من دون اثبات ) (n-channal نمط المقوي • حيث حركية الالكترونات السطحي (للقناة) • و Cox سعة طبقة الاكسيد • و zسمك القناة و L طول القناة • طبيعة الكسب لترانزستور MOSFET مثل JFET • بالعلاقة • حيث gm هو الموصلية الانتقالية المتبادل mutual transconductance وحدته امبير على فولت وهي السيمنزSiemens(S) = (A)/(V) =

25. (سؤال مشاركة) ضعي قائمة بالفروق بين نمط المقوى والنضوب لـ MOSFET

26. بتسليم الواجب الثاني والثالث • الواجب الثالث في موقعي وسوف يكون تسليمه ان شاء الله في أي وقت من يوم الخميس 2 / 7 / 1435 • في صندوق البريد الخاص بي عند اعضاء قسم الفيزياء • ولن اقبل بأي تأخير ( في حالة توقعك للغياب ضعي الواجب في صندوق البريد قبل هذا اليوم أو ارسلي الواجب بالايميل) • ايضا سوف يتم تأجيل الواجب الثاني الى يوم الخميس 2 / 7 / 1435 • وسوف يكون حل الواجب الثاني والثالث ان شاء الله الاسبوع القادم بالاضافة الى مراجعة قبل الاختبار ولن يكون هناك محاضرات فردية هذا الاسبوع