أنماط الاستنزاف والتحسين

📅 آخر تحديث: ٢ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة
ترانزستورات FET من نوع الاستنزاف تحت الفولتية النموذجية: JFET، MOSFET متعدد السيليكون، MOSFET مزدوج البوابة، MOSFET ذو بوابة معدنية، MESFET.
  استنزاف
  الإلكترونات
  ثقوب
  معدن
  عازل
أعلى: المصدر، أسفل: المصرف، يسار: البوابة، يمين: المادة الأساسية. لم يتم عرض الفولتيات التي تؤدي إلى تكوين القناة.

في ترانزستورات تأثير المجال (FETs)، يعتبر وضع الاستنزاف ووضع التحسين نوعين رئيسيين من الترانزستورات، ويتوافقان مع ما إذا كان الترانزستور في حالة تشغيل أو حالة إيقاف عند جهد البوابة-المصدر الصفري.

تُعدّ ترانزستورات MOSFET من نوع التحسين (ترانزستورات أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة) عناصر التبديل الشائعة في معظم الدوائر المتكاملة. وتكون هذه الأجهزة في حالة إيقاف عند جهد بوابة-مصدر يساوي صفرًا. ويمكن تشغيل ترانزستور NMOS برفع جهد البوابة عن جهد المصدر، بينما يمكن تشغيل ترانزستور PMOS بخفض جهد البوابة عن جهد المصدر. في معظم الدوائر، يعني هذا أن خفض جهد بوابة ترانزستور MOSFET من نوع التحسين باتجاه جهد المصرف يؤدي إلى تحسين ترانزستورات MOSFET من النوع p أو استنزاف ترانزستورات MOSFET من النوع n.

في ترانزستور MOSFET ذي نمط الاستنزاف، يكون الجهاز في حالة تشغيل طبيعية عند جهد بوابة-مصدر يساوي صفرًا. تُستخدم هذه الأجهزة كمقاومات حمل في الدوائر المنطقية (في منطق NMOS ذي نمط الاستنزاف والحمل، على سبيل المثال). بالنسبة لأجهزة نمط الاستنزاف والحمل من النوع N، قد يكون جهد العتبة حوالي -3  فولت، لذا يمكن إيقاف تشغيله بسحب  جهد سالب مقداره 3 فولت على البوابة (بالمقارنة، يكون جهد المصرف أكثر إيجابية من جهد المصدر في NMOS). أما في PMOS، فتنعكس الأقطاب.

يمكن تحديد الوضع من خلال إشارة جهد العتبة (جهد البوابة بالنسبة لجهد المصدر عند النقطة التي تتشكل فيها طبقة الانعكاس في القناة): بالنسبة لترانزستور FET من النوع N، فإن أجهزة وضع التحسين لها عتبات موجبة، وأجهزة وضع الاستنزاف لها عتبات سالبة؛ بالنسبة لترانزستور FET من النوع P، فإن وضع التحسين له عتبات سالبة، ووضع الاستنزاف له عتبات موجبة.

الفولتيات الرئيسية (مع جهد عتبة +3  فولت أو -3 فولت) 
مرض التهاب النخاع والعصب البصريPMOS
وضع التحسينV d > V s (النوع) تشغيل: V g ≥ V s + 3V off: V g ≥ V sV d < V s (typ) on: V g ≥ V s − 3V off: V g ≥ V s
وضع الاستنزافV d > V s (typ) on: V g ≥ V s off: V g ≥ V s - 3VV d < V s (typ) on: V g ≥ V s off: V g ≥ V s + 3V

تُعتبر ترانزستورات تأثير المجال ذات الوصلة ( JFETs ) من نوع الاستنزاف، حيث تنحاز وصلة البوابة انحيازًا أماميًا إذا تم تطبيق جهد البوابة بشكل كبير من المصدر نحو المصرف. تُستخدم هذه الأجهزة في رقائق زرنيخيد الغاليوم والجرمانيوم ، حيث يصعب تصنيع عازل أكسيدي.

المصطلحات البديلة

تُشير بعض المصادر إلى نوعي الأجهزة الموصوفين في هذه المقالة، وهما "نمط الاستنزاف" و"نمط التحسين"، وتُطبّق مصطلح "النمط" على اتجاه اختلاف جهد البوابة-المصدر عن الصفر. [ 1 ] يؤدي تحريك جهد البوابة باتجاه جهد المصرف إلى "تحسين" التوصيل في القناة، وهذا ما يُعرّف نمط التشغيل المُحسّن، بينما يؤدي تحريك البوابة بعيدًا عن المصرف إلى استنزاف القناة، وهذا ما يُعرّف نمط الاستنزاف.

عائلات منطق التحميل المعزز والتحميل المستنزف

يشير مصطلح منطق NMOS ذو الحمل الاستنزافي إلى عائلة المنطق التي سادت في تقنية VLSI المصنوعة من السيليكون في النصف الثاني من سبعينيات القرن الماضي؛ حيث دعمت هذه التقنية ترانزستورات نمط التحسين ونمط الاستنزاف، وكانت الدوائر المنطقية النموذجية تستخدم أجهزة نمط التحسين كمفاتيح سحب لأسفل، وأجهزة نمط الاستنزاف كأحمال أو مقاومات سحب لأعلى. أما عائلات المنطق المبنية بتقنيات أقدم والتي لم تدعم ترانزستورات نمط الاستنزاف، فقد أُطلق عليها لاحقًا اسم منطق الحمل التحسيني ، أو منطق الحمل المشبع ، نظرًا لأن ترانزستورات نمط التحسين كانت تُوصل عادةً ببوابة مصدر VDD وتعمل في منطقة التشبع (أحيانًا تُحيز البوابات إلى جهد VGG أعلى وتعمل في المنطقة الخطية، لتحسين حاصل ضرب الطاقة في التأخير (PDP)، ولكن الأحمال في هذه الحالة تشغل مساحة أكبر). [ 2 ] بدلاً من ذلك، وبدلاً من البوابات المنطقية الثابتة، تم استخدام المنطق الديناميكي مثل منطق الطور الرباعي في بعض الأحيان في العمليات التي لم تكن تحتوي على ترانزستورات وضع الاستنزاف.

على سبيل المثال، استخدم معالج Intel 4004 لعام 1971 منطق PMOS ذو بوابة السيليكون مع تحميل التحسين ، واستخدم معالج Zilog Z80 لعام 1976 منطق NMOS ذو بوابة السيليكون مع تحميل الاستنزاف.

تاريخ

طُوِّر النوعان الأصليان من بوابات MOSFET المنطقية، وهما PMOS وNMOS، على يد فروتش وديريك في مختبرات بيل عام 1957. [ 3 ] وفي عام 1963، وصف ستيفن  هوفشتاين وفريد  ​​هايمان في مختبرات RCA ترانزستورات MOSFET من نوعي الاستنزاف والتحسين . [ 4 ] وفي عام 1966، قام تي.  بي. برودي وإتش.  إي. كونيغ في شركة وستنجهاوس إلكتريك بتصنيع ترانزستورات الأغشية الرقيقة (TFTs) المصنوعة من زرنيخيد الإنديوم (InAs) من نوع MOS، والتي تعمل بنمطي الاستنزاف والتحسين . [ 5 ] [ 6 ] وفي عام 2022، أبلغ فريق من جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا عن أول ترانزستور عضوي ثنائي النمط يعمل في كل من نمطي الاستنزاف والتحسين. [ 7 ]

مراجع

  1. ↑ جون ج . آدامز (2001). إتقان ورشة عمل الإلكترونيات . ماكجرو هيل بروفيشنال. ص 192. ISBN  978-0-07-134483-8.
  2. ↑ جيري سي. ويتاكر (2005). الإلكترونيات الدقيقة ( الطبعة الثانية). مطبعة سي آر سي. ص 6-7–6-10. ISBN   978-0-8493-3391-0.
  3. ↑ فروتش، سي جيه؛ ديريك، إل (1957). "حماية السطح والتغطية الانتقائية أثناء الانتشار في السيليكون" . مجلة الجمعية الكهروكيميائية . 104 (9): 547. doi : 10.1149/1.2428650 .
  4. ↑ هوفستين، ستيف ر.؛ هايمان، فريد ب. (سبتمبر 1963). "ترانزستور تأثير المجال ذو البوابة المعزولة المصنوع من السيليكون". وقائع معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . 51 (9): 1190-1202 . doi : 10.1109/PROC.1963.2488 .
  5. ↑ وودال، جيري م. (2010). أساسيات ترانزستورات MOSFET لأشباه الموصلات من النوع III-V . سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا . الصفحات 2-3 . ISBN  9781441915474.
  6. ↑ برودي، تي بي؛ كونيغ، إتش إي (أكتوبر 1966). "ترانزستور ذو غشاء رقيق من إنديوم أرسينيد عالي الكسب" . رسائل الفيزياء التطبيقية . 9 (7): 259-260 . رمز Bibcode : 1966ApPhL...9..259B . doi : 10.1063/1.1754740 . ISSN 0003-6951 . 
  7. ↑ نغوين-دانغ، تونغ؛ فيسيل، يون؛ نغوين، ثوك-كوين؛ {وآخرون} (مايو 2022). "ترانزستورات كهروكيميائية عضوية ثنائية الوضع تعتمد على بوليمرات إلكتروليتية مترافقة ذاتية التطعيم لإعادة تشكيل الإلكترونيات". مواد متقدمة . doi : 10.1002/adma.202200274 .