Χωρητικότητα πύλης - καναλιού ως συνάρτηση του βαθμού κορεσμού. Εικόνα 3.31(β) από Raabey Χωρητικότητα πύλης - καναλιού ως συνάρτηση του βαθμού κορεσμού. Σωτήρης Δημητρίου 6417

Δυναμική Συμπεριφορά MOSFET (1) Είναι αποκλειστική συνάρτηση του χρόνου που διαρκεί η φόρτιση , εκ - φόρτιση των ενδογενών παρασιτικών χωρητικοτήτων του στοιχείου καθώς και της πρόσθετης χωρητικότητας που εισάγεται από τις γραμμές διασύνδεσης και το φορτίο.

Δυναμική Συμπεριφορά MOSFET (2) Λόγω της βασικής δομής του. Λόγω του φορτίου καναλιού. Λόγω των ανάστροφα πολωμένων επαφών pn της υποδοχής (drain) και της πηγής (source).

Χωρητικότητα πύλης Cg (1) Η πύλη του MOS απομονώνεται από το αγώγιμο κανάλι λόγω του οξειδίου πύλης. Το οξείδιο πύλης έχει χωρητικότητα ανά μονάδα επιφανείας: Η συνολική τιμή αυτής της χωρητικότητας ονομάζεται χωρητικότητα πύλης (Cg).

Χωρητικότητα πύλης Cg (2) Η χωρητικότητα πύλης αποτελείται από 2 βασικά μέρη: Ένα μέρος λόγω της τοπολογικής δομής του τρανζίστορ. Ένα άλλο μέρος που συνεισφέρει στο φορτίο του καναλιού.

Χωρητικότητες δομής MOS (1) Οι περιοχές διάχυσης της πηγής και της υποδοχής , επεκτείνονται ελαφρώς κάτω από το οξείδιο κατά μια ποσότητα xd η οποία ονομάζεται πλευρική διάχυση. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα το ενεργό μήκος του καναλιού να γίνεται μικρότερο από το μήκος Ld το οποίο σχεδίασε αρχικά ο σχεδιαστής. Επίσης επιφέρει μια παρασιτική χωρητικότητα μεταξύ της πύλης και της πηγής , και μεταξύ της πύλης και της υποδοχής η οποία ονομάζεται χωρητικότητα επικάλυψης (overlap capacitance).

Χωρητικότητες δομής MOS (2) Η χωρητικότητα επικάλυψης είναι γραμμική και έχει σταθερή τιμή. Επειδή το xd καθορίζεται από την τεχνολογία συνηθίζεται να το συνδυάζουμε με τη χωρητικότητα οξειδίου έτσι ώστε να παράγουμε τη χωρητικότητα επικάλυψης ανά μονάδα πλάτους καναλιού . Έτσι η χωρητικότητα επικάλυψης γράφεται:

Χωρητικότητα καναλιού (1) Ίσως το πιο σημαντικό στοιχείο των MOS κυκλωμάτων είναι η χωρητικότητα πύλης καναλιού Είναι μεταβαλλόμενη τόσο ως προς το πλάτος της , όσο και ως προς την διαίρεσή της σε 3 συνιστώσες ανάλογα με την περιοχή λειτουργίας του τρανζίστορ και τις τάσεις στους ακροδέκτες του.

Χωρητικότητα καναλιού (2) Οι 3 συνιστώσες της χωρητικότητας πύλης καναλιού είναι : Χωρητικότητα πύλης – υποστρώματος Χωρητικότητα πύλης – πηγής Χωρητικότητα πύλης – υποδοχής Οπότε μπορούμε να γράψουμε:

Χωρητικότητα καναλιού (3) Όπως αναφέραμε η Cgc μεταβάλλεται ανάλογα με την κατάσταση του τρανζίστορ. Όταν το τρανζίστορ είναι στην αποκοπή: Τότε δεν υπάρχει αντιστροφή άρα ούτε κανάλι. Άρα η συνολική χωρητικότητα εμφανίζεται μεταξύ της πύλης και του υποστρώματος. Φι Θι γκλ

Χωρητικότητα καναλιού (4) Στην ωμική περιοχή : Σχηματίζεται μια στρώση αντιστροφής (αντεστραμμένο κανάλι), που θωρακίζει το υπόστρωμα από την πύλη. Τότε το Cox είναι εξολοκλήρου ανάμεσα στην πύλη και το κανάλι. Λόγω συμμετρίας η χωρητικότητα κατανέμεται ομοιόμορφα μεταξύ της πηγής και της υποδοχής.

Χωρητικότητα καναλιού (5) Στην περιοχή κορεσμού. Όσο η μεγαλώνει, το κανάλι εξαντλείται στην μεριά της υποδοχής (pinch off) , οπότε η χωρητικότητα πύλης – υποδοχής είναι μηδενική. Επίσης μηδενική εξακολουθεί να είναι και η χωρητικότητα πύλης – υποστρώματος. Έτσι η χωρητικότητα πύλης , είναι εξολοκλήρου η χωρητικότητα μεταξύ της πύλης και της πηγής.

Χωρητικότητα πύλης - καναλιού ως συνάρτηση του βαθμού κορεσμού. Παρατηρούμε την μεταβολή της Cgc συναρτήσει του βαθμού κορεσμού Χ που μετριέται από τον λόγο : Βλέπουμε πως η πέφτει βαθμιαία στο μηδέν για αυξημένα επίπεδα κορεσμού , ενώ η αυξάνεται στα:

Εξομοίωση Cgc στο LTspice Για Vds = 0V

Cgc (Vgs) με Vds = 0V

Cgc με Vds > 0V Κυκλωματικό διάγραμμα

Cgc με Vds = 0.01V

Cgc με Vds = 0.5V

Cgc με Vds = 1V

Cgc με Vds = 2V

Συμπεράσματα Οι συνιστώσες της χωρητικότητας πύλης – καναλιού είναι μη γραμμικές και μεταβάλλονται ανάλογα με την τάση λειτουργίας του τρανζίστορ. Όσο η συσκευή πλησιάζει στον κόρο , η χωρητικότητα πύλης - καναλιού, εξαρτάται περισσότερο από την χωρητικότητα μεταξύ της πύλης και της πηγής και μειώνεται στα 2/3 της υψηλότερης της τιμής όταν κορεστεί.