Trong số các loại transistor, transistor NMOS (Kim loại-Ôxít-Bán dẫn Kênh N) đã trở nên phổ biến đáng kể nhờ những đặc tính độc đáo và phạm vi ứng dụng rộng rãi. Trong hướng dẫn toàn diện này, chúng ta sẽ đi sâu vào thế giới transistor NMOS, khám phá cấu trúc, ký hiệu, nguyên lý hoạt động, phương trình dòng điện và đặc điểm chức năng của chúng.

NMOS là gì?

NMOS là viết tắt của "N-Channel Metal Oxide Semiconductor" ( Bán dẫn Oxit Kim loại Kênh N). Nghĩa là bán dẫn kim loại-oxit-loại N, và các transistor có cấu trúc này được gọi là transistor NMOS. Transistor MOS được chia thành transistor MOS loại P và transistor MOS loại N. Một mạch tích hợp gồm các ống MOS được gọi là mạch tích hợp MOS. Một mạch gồm NMOS được gọi là mạch tích hợp NMOS. Một mạch gồm các ống PMOS được gọi là mạch tích hợp PMOS. Một mạch MOS bổ sung gồm  các ống NMOS và PMOS được gọi là mạch CMOS .

Giới thiệu về bóng bán dẫn NMOS

Transistor NMOS, viết tắt của Transistor Metal-Oxide-Semiconductor loại N, là thành phần cơ bản trong lĩnh vực công nghệ bán dẫn, cung cấp năng lượng cho vô số thiết bị điện tử, từ các mạch đơn giản nhất đến các bộ vi xử lý phức tạp nhất. Về cơ bản, transistor NMOS tận dụng các đặc tính điện của vật liệu bán dẫn loại n, là các đế silicon được pha tạp các nguyên tố cung cấp một lượng lớn electron tự do, để hoạt động như các công tắc hoặc bộ khuếch đại hiệu quả trong các mạch điện tử.

Transistor NMOS thường được chia thành hai loại:

• MOSFET chế độ suy giảm kênh N
• MOSFET chế độ tăng cường kênh N

Biểu tượng bóng bán dẫn NMOS

Ký hiệu của mosfet kênh n thể hiện chức năng và cấu trúc cơ bản của thiết bị ở dạng đơn giản. Nó bao gồm ba cực: Cổng (G) điều khiển dòng điện, Cống (D) nơi dòng điện thoát ra và Nguồn (S) nơi dòng điện đi vào. Mũi tên hướng ra ngoài trên Nguồn chỉ ra hướng dòng chảy của các hạt mang loại n (electron). Một đường đứt nét giữa Cống và Nguồn thể hiện kênh loại n, hình thành khi có đủ điện áp được đặt vào Cổng, cho phép dòng điện chạy qua. Đường Cổng không chạm vào kênh tượng trưng cho lớp oxit cách điện giữa Cổng và đế/kênh trong cấu trúc NMOS thực tế, minh họa nguyên lý hoạt động của bóng bán dẫn: điều khiển kênh dẫn giữa Nguồn và Cống thông qua điện áp Cổng để quản lý dòng điện.

Để hiểu rõ hơn, hình ảnh bên dưới là sơ đồ chân của MOSFET IRF540N .

Biểu tượng MOSFET chế độ suy giảm kênh N

Ký hiệu MOSFET chế độ suy giảm kênh N được gọi là Ký hiệu chế độ suy giảm NMOS và chúng được biểu thị bằng các ký hiệu sau:

Các thành phần của biểu tượng:

• G: Cổng đầu cuối
• D: Đầu xả
• S: Thiết bị đầu cuối nguồn
• Đường có mũi tên giữa cực nguồn và cực thoát biểu thị kênh dẫn, và mũi tên chỉ từ cực nguồn đến cực thoát, cho biết hướng dòng điện thông thường chạy qua khi thiết bị đang bật.
• Đường đứt nét trong kênh (|<) cho biết đây là thiết bị ở chế độ cạn kiệt.

Đặc điểm của thiết bị chế độ cạn kiệt NMOS:

• Chúng thường ở mức VGS = 0V do có kênh dẫn điện.
• Để tắt thiết bị, phải áp dụng điện áp cổng-nguồn âm (VGS < 0) để làm cạn kiệt kênh chứa hạt mang điện.
• Khi VGS âm tăng về độ lớn, vùng cạn kiệt mở rộng và độ dẫn của kênh giảm cho đến khi thiết bị tắt hoàn toàn (tắt kẹp).
• Chúng ít được sử dụng hơn so với các thiết bị chế độ tăng cường, thường tắt ở VGS = 0V.

MOSFET chế độ suy giảm được sử dụng trong một số mạch tương tự, chẳng hạn như nguồn dòng, tải chủ động và trong một số mạch logic. Tuy nhiên, các linh kiện chế độ tăng cường được sử dụng rộng rãi hơn trong các ứng dụng kỹ thuật số và chuyển mạch.

Biểu tượng MOSFET chế độ tăng cường kênh N

Hình ảnh bên dưới hiển thị ký hiệu mosfet chế độ tăng cường kênh p.

Sau đây là biểu tượng và ý nghĩa của nó:

Các thành phần của biểu tượng:

• G: Cổng đầu cuối
• D: Đầu xả
• S: Thiết bị đầu cuối nguồn
• Đường có mũi tên giữa cực nguồn và cực thoát biểu thị kênh dẫn, và mũi tên chỉ từ cực nguồn đến cực thoát, cho biết hướng dòng điện thông thường chạy qua khi thiết bị đang bật.
• Đường liền trong kênh (|) cho biết đây là thiết bị ở chế độ tăng cường.

Đặc điểm của thiết bị chế độ tăng cường NMOS:

• Chúng thường tắt ở VGS = 0V vì ban đầu không có kênh dẫn điện.
• Để bật thiết bị, phải áp dụng điện áp cổng-nguồn dương (VGS > VTH) để thu hút electron và tạo ra lớp đảo ngược, hình thành kênh dẫn giữa cực nguồn và cực thoát.
• Điện áp ngưỡng (VTH) là VGS tối thiểu cần thiết để tạo kênh và bật thiết bị.
• Khi VGS tăng trên VTH, độ dẫn điện của kênh tăng lên, cho phép nhiều dòng điện hơn chảy từ cực thoát đến cực nguồn.
• Các thiết bị chế độ tăng cường được sử dụng phổ biến hơn các thiết bị chế độ cạn kiệt, đặc biệt là trong các mạch kỹ thuật số và làm công tắc.

Các thiết bị chế độ tăng cường NMOS được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như:

• Cổng logic (NAND, NOR, v.v.)
• Công tắc trong mạch tương tự và kỹ thuật số
• Bộ khuếch đại và bộ so sánh
• Thiết bị bộ nhớ (SRAM, DRAM)

Chế độ hoạt động tăng cường cung cấp khả năng kiểm soát tốt hơn các đặc tính chuyển mạch của thiết bị và cho phép tạo ra các mạch hiệu quả và nhỏ gọn hơn so với các thiết bị chế độ cạn kiệt.

Cấu trúc bóng bán dẫn Nmos

Cấu trúc của bóng bán dẫn NMOS (Kim loại-Ôxít-Bán dẫn loại N) bao gồm một số thành phần chính:

• Lớp nền : Lớp nền của bóng bán dẫn NMOS được gọi là lớp nền, thường được làm bằng silicon loại p. Đây là vật liệu tổng hợp tạo nên thân của thiết bị.
• Cực Nguồn và Cực Thoát : Phía trên đế, có hai vùng được pha tạp mạnh tạp chất loại n, được gọi là cực Nguồn và cực Thoát. Các vùng này là nơi electron đi vào và đi ra khỏi transistor.
• Cổng : Cổng là cực điều khiển của transistor. Nó nằm phía trên đế nhưng được ngăn cách với đế bằng một lớp cách điện rất mỏng. Cổng thường được làm bằng polysilicon hoặc kim loại.
• Lớp Oxit : Giữa cực cổng và đế là một lớp mỏng silicon dioxide (SiO₂) hoặc một vật liệu cách điện khác. Lớp này rất quan trọng vì nó cách điện cực cổng với đế, cho phép cực cổng kiểm soát dòng electron giữa cực nguồn và cực máng mà không cần tiếp xúc trực tiếp.
• Kênh loại N : Khi điện áp dương được đặt vào cực cổng, nó sẽ hút các electron từ chất nền để tạo thành một kênh loại N giữa cực nguồn và cực máng bên dưới vùng cực cổng. Kênh này là đường dẫn mà dòng điện chạy qua bóng bán dẫn.
• Tiếp điểm và kết nối : Các tiếp điểm kim loại được thực hiện ở cực nguồn, cực cổng và cực thoát để cho phép kết nối điện với phần còn lại của mạch.

Cấu trúc của một transistor NMOS vô cùng đơn giản nhưng hiệu quả, bao gồm ba cực chính: cực nguồn, cực máng và cực cổng. Cực nguồn và cực máng được làm bằng vật liệu loại n, trong khi cực cổng được ngăn cách với đế silicon bên dưới bằng một lớp cách điện silicon dioxide mỏng. Thiết kế này cho phép điện áp cực cổng kiểm soát dòng electron giữa cực nguồn và cực máng, cho phép hoặc vô hiệu hóa đường dẫn dựa trên tín hiệu điện được áp dụng. Điểm nổi bật của công nghệ NMOS nằm ở khả năng thực hiện chuyển mạch nhanh với mức tiêu thụ điện năng thấp, biến nó thành nền tảng của điện tử kỹ thuật số, định hình nên bối cảnh điện tử hiện đại.

Nguyên lý hoạt động của bóng bán dẫn NMOS

Transistor NMOS bao gồm một cực nguồn, một cực máng và một cực điều khiển. Khi điện áp trên cực điều khiển cao hơn cực nguồn, transistor sẽ bật, cho phép dòng điện chạy từ cực nguồn đến cực máng. Khi điện áp trên cực điều khiển thấp hơn cực nguồn, transistor sẽ tắt, ngăn dòng điện chạy từ cực nguồn đến cực máng.

Đặc điểm chức năng của bóng bán dẫn NMOS

Transistor NMOS hoạt động như một mạch kín khi nhận được điện áp khác không, nghĩa là kết nối giữa cực nguồn và cực máng hoạt động như một dây dẫn. Do đó, nguồn điện nhận dòng điện từ cực cổng. Khi transistor này nhận được điện áp khoảng 0V, kết nối giữa cực nguồn và cực máng bị ngắt, tạo thành mạch hở, khiến dòng điện chạy từ cực cổng đến cực máng.

Các đặc tính IV của transistor NMOS được thể hiện bên dưới. Điện áp giữa cực nguồn và cực máng (V DS ) và giữa cực cổng và cực nguồn (V GS ). Do đó, đường cong giữa I DS và V DS được thu được bằng cách đơn giản là nối đất các cực của nguồn điện, đặt giá trị V GS ban đầu , rồi tăng giá trị V GS từ "0" lên "V DD " để đặt V DS lên giá trị điện áp DC cao nhất. Do đó, I DS rất nhỏ và sẽ biểu thị xu hướng tuyến tính đối với V GS rất thấp . Khi giá trị V GS tăng lên, I DS cải thiện và phát triển các phụ thuộc sau vào V GS và V DS .

Trường hợp V_GS = 0

Có hai tiếp giáp PN đối diện nhau giữa cực máng d và cực nguồn s của đèn MOS chế độ tăng cường. Khi điện áp cổng-nguồn V_GS = 0, ngay cả khi điện áp máng-nguồn V_DS được thêm vào, và bất kể cực tính của V_DS , luôn có một tiếp giáp PN ở trạng thái phân cực ngược, và không có kênh dẫn điện giữa cực máng-nguồn. Do đó, dòng máng iD≈0 tại thời điểm này.

Trường hợp V_GS >0

Nếu V_GS > 0, một điện trường sẽ được tạo ra trong lớp cách điện SiO2 giữa cực cổng và đế. Hướng của điện trường vuông góc với điện trường hướng từ cực cổng đến đế trên bề mặt bán dẫn. Điện trường này đẩy các lỗ trống và hút các electron.

Đẩy lỗ: Các lỗ trên chất nền loại P gần cổng bị đẩy ra, để lại các ion chấp nhận bất động (ion âm) tạo thành lớp nghèo. Hút electron: Các electron (hạt mang điện thiểu số) trong chất nền loại P bị hút về bề mặt chất nền.

Sự hình thành các kênh dẫn điện

Khi giá trị V_GS nhỏ và khả năng thu hút electron không mạnh, vẫn chưa có kênh dẫn giữa cực máng và cực nguồn. Khi V_GS tăng, nhiều electron hơn bị thu hút vào lớp bề mặt của đế P. Khi V_GS đạt đến một giá trị nhất định, các electron này tạo thành một lớp mỏng loại N trên bề mặt đế P gần cực cổng và được kết nối với hai vùng N+. Thông qua đó, một kênh dẫn loại N được hình thành giữa cực máng và cực nguồn. Loại dẫn của nó ngược với loại dẫn của đế P, vì vậy nó còn được gọi là lớp đảo ngược. V_GS càng lớn thì trường điện tác dụng lên bề mặt bán dẫn càng mạnh, càng nhiều electron bị thu hút vào bề mặt đế P, kênh dẫn càng dày và điện trở kênh càng nhỏ.

Điện áp cổng-nguồn khi kênh bắt đầu hình thành được gọi là điện áp bật, được biểu thị bằng V_T .

Khi V_GS < V_T , ống MOS kênh N không thể tạo thành kênh dẫn điện và ống ở trạng thái ngắt. Chỉ khi V_GS ≥ V_T mới có thể tạo thành kênh dẫn điện. Loại ống MOS có thể tạo thành kênh dẫn điện khi V_GS ≥ V_T này được gọi là ống MOS tăng cường. Sau khi kênh được tạo thành, một điện áp thuận V_DS được đặt giữa cực máng và cực nguồn, và dòng điện máng được tạo ra.

Phương trình dòng điện của bóng bán dẫn Nmos

Phương trình dòng điện cho một bóng bán dẫn NMOS hoạt động trong vùng hoạt động hoặc vùng bão hòa phản ánh cách thiết bị dẫn điện khi điện áp cực cổng-cực nguồn (V_GS ) vượt quá điện áp ngưỡng (V_th ), cho phép hình thành một kênh dẫn điện giữa cực máng và cực nguồn. Phương trình là:

Ở đâu:

• I D là dòng điện cực thoát-cực nguồn,
• μ n là độ linh động của electron,
• C ox là điện dung oxit cổng trên một đơn vị diện tích,
• W là chiều rộng của bóng bán dẫn,
• L là chiều dài của bóng bán dẫn,
• V GS là điện áp cổng-nguồn và
• V th là điện áp ngưỡng.

Phương trình này giả định rằng bóng bán dẫn đang ở vùng bão hòa, tại đó điện áp cực máng-cực nguồn (V_DS ) đủ lớn để kẹp chặt kênh dẫn điện ở đầu cực máng, tạo ra dòng điện không đổi, độc lập với V_DS nhưng liên quan trực tiếp đến V_GS . Trong vùng tuyến tính hoặc triode, tại đó V_DS nhỏ hơn và kênh dẫn không bị kẹp chặt, phương trình dòng điện phức tạp hơn và phụ thuộc vào cả V_GS và V_DS .

Mạch bán dẫn NMOS

Dưới đây là sơ đồ cổng NOT được chế tạo từ các transistor NMOS và PMOS. Bằng cách kết nối transistor pMOS với nguồn và transistor nMOS với đất, chúng ta có thể kết hợp các transistor pMOS và nMOS lại với nhau để tạo ra một cổng NOT. Do đó, mạch này sẽ là ví dụ đầu tiên về transistor CMOS. Một loại cổng logic tạo ra đầu vào đảo ngược làm đầu ra là cổng NOT. Cổng NOT đảo ngược là một tên gọi khác của cổng này. Nếu đầu vào là "0", kết quả sẽ là "1".

Transistor pMOS trên cùng và transistor nMOS dưới cùng nhận tín hiệu đầu vào khi tín hiệu đầu vào bằng 0. Giá trị "0" đầu vào được chuyển đổi thành "1" sau khi đến transistor pMOS. Do đó, liên kết nguồn bị ngắt. Vì vậy, nếu kết nối với cực máng (GND) cũng bị đóng, điều này sẽ tạo ra giá trị logic "1". Ta đã biết rằng transistor nMOS không đảo ngược giá trị đầu vào; do đó, nó chấp nhận giá trị 0 nguyên trạng và tạo ra cực máng mở. Kết quả là, cực cổng tạo ra giá trị logic 1.

Nếu giá trị đầu vào cũng là "1", thì hai transistor của mạch trên sẽ nhận giá trị "1". Giá trị "1" sẽ trở thành "0" sau khi được transistor pMOS nhận. Do đó, đường dẫn đến nguồn là thông suốt. Transistor nMOS không đảo ngược sau khi nhận giá trị "1". Do đó, giá trị đầu vào vẫn giữ nguyên ở mức 1. Khi transistor nMOS nhận được giá trị, kết nối với GND sẽ bị đóng. Do đó, nó sẽ tạo ra ngõ ra logic "0".