पीएमओएस ट्रांजिस्टर: वर्किंग, फैब्रिकेशन, क्रॉस सेक्शन और इसकी विशेषताएं

बड़े पैमाने पर एकीकृत सर्किट डिजाइन में एमओएस ट्रांजिस्टर सबसे मौलिक तत्व है। इन ट्रांजिस्टर को आम तौर पर दो प्रकार के PMOS और NMOS में वर्गीकृत किया जाता है। NMOS और PMOS ट्रांजिस्टर के संयोजन को कहा जाता है सीएमओएस ट्रांजिस्टर . अलग तर्क द्वार और अन्य डिजिटल लॉजिक डिवाइस जिन्हें लागू किया गया है उनमें PMOS लॉजिक होना चाहिए। यह तकनीक सस्ती है और हस्तक्षेप के लिए अच्छा प्रतिरोध है। यह लेख पीएमओएस ट्रांजिस्टर जैसे एमओएस ट्रांजिस्टर के प्रकारों में से एक पर चर्चा करता है।

पीएमओएस ट्रांजिस्टर क्या है?

पीएमओएस ट्रांजिस्टर या पी-चैनल मेटल ऑक्साइड सेमीकंडक्टर एक प्रकार का ट्रांजिस्टर है जहां चैनल या गेट क्षेत्र में पी-टाइप डोपेंट का उपयोग किया जाता है। यह ट्रांजिस्टर NMOS ट्रांजिस्टर के ठीक उल्टा होता है। इन ट्रांजिस्टर के तीन मुख्य टर्मिनल होते हैं; स्रोत, गेट और नाली जहां ट्रांजिस्टर के स्रोत को पी-टाइप सब्सट्रेट के साथ डिज़ाइन किया गया है, और ड्रेन टर्मिनल को एन-टाइप सब्सट्रेट के साथ डिज़ाइन किया गया है। इस ट्रांजिस्टर में आवेश वाहक जैसे छिद्र विद्युत धारा के संचालन के लिए उत्तरदायी होते हैं। PMOS ट्रांज़िस्टर प्रतीक नीचे दिखाए गए हैं।

पीएमओएस ट्रांजिस्टर कैसे काम करता है?

कार्य करने वाला p-टाइप ट्रांजिस्टर n-टाइप ट्रांजिस्टर के बिल्कुल विपरीत है। जब भी यह नगण्य वोल्टेज प्राप्त करता है तो यह ट्रांजिस्टर एक खुला सर्किट बनाता है जिसका अर्थ है, गेट (G) टर्मिनल से स्रोत (S) तक बिजली का प्रवाह नहीं होता है। इसी तरह, यह ट्रांजिस्टर एक बंद सर्किट बनाता है जब इसे लगभग 0 वोल्ट पर वोल्टेज मिलता है जिसका अर्थ है कि गेट (जी) टर्मिनल से नाली (डी) तक प्रवाह होता है।

इस बुलबुले को उलटा बुलबुला भी कहा जाता है। तो इस सर्कल का मुख्य कार्य इनपुट वोल्टेज मान को उल्टा करना है। यदि गेट टर्मिनल 1 वोल्टेज प्रदान करता है, तो यह इन्वर्टर इसे शून्य में बदल देगा और उसी के अनुसार सर्किट को कार्य करेगा। तो PMOS ट्रांजिस्टर और NMOS ट्रांजिस्टर का कार्य बिल्कुल विपरीत है। एक बार जब हम उन्हें एक एकल एमओएस सर्किट में मिला देते हैं, तो यह एक सीएमओएस (पूरक धातु-ऑक्साइड सेमीकंडक्टर) सर्किट बन जाएगा।

पीएमओएस ट्रांजिस्टर का क्रॉस सेक्शन

PMOS ट्रांजिस्टर का अनुप्रस्थ काट नीचे दिखाया गया है। एक pMOS ट्रांजिस्टर एक n-टाइप बॉडी के साथ बनाया गया है जिसमें दो p-टाइप सेमीकंडक्टर क्षेत्र शामिल हैं जो गेट से सटे हुए हैं। इस ट्रांजिस्टर में एक कंट्रोलिंग गेट है जैसा कि आरेख में दिखाया गया है जो स्रोत और नाली जैसे दो टर्मिनलों के बीच इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह को नियंत्रित करता है। पीएमओएस ट्रांजिस्टर में, बॉडी को + ve वोल्टेज पर रखा जाता है। एक बार गेट टर्मिनल पॉजिटिव होने के बाद, सोर्स और ड्रेन टर्मिनल रिवर्स-बायस्ड हो जाते हैं। एक बार ऐसा होने पर, करंट का प्रवाह नहीं होता है, इसलिए ट्रांजिस्टर को बंद कर दिया जाएगा।

एक बार गेट टर्मिनल पर वोल्टेज की आपूर्ति कम हो जाने के बाद, सकारात्मक चार्ज वाहक Si-SiO2 इंटरफ़ेस के नीचे की ओर आकर्षित होंगे। जब भी वोल्टेज पर्याप्त रूप से कम हो जाता है तो चैनल उलटा हो जाएगा और वर्तमान के प्रवाह की अनुमति देकर स्रोत टर्मिनल से नाली तक एक संचालन मार्ग बनाता है।

जब भी ये ट्रांजिस्टर डिजिटल लॉजिक से निपटते हैं तो आमतौर पर केवल 1 और 0 (चालू और बंद) जैसे दो अलग-अलग मान होते हैं। ट्रांजिस्टर के सकारात्मक वोल्टेज को वीडीडी के रूप में जाना जाता है जो डिजिटल सर्किट के भीतर तर्क उच्च (1) मान का प्रतिनिधित्व करता है। वीडीडी वोल्टेज स्तर में टीटीएल तर्क आम तौर पर लगभग 5 वी थे। वर्तमान में ट्रांजिस्टर वास्तव में इस तरह के उच्च वोल्टेज का सामना नहीं कर सकते क्योंकि वे आमतौर पर 1.5V - 3.3V से लेकर होते हैं। कम वोल्टेज को अक्सर GND या VSS के रूप में जाना जाता है। तो, VSS तर्क '0' को दर्शाता है और यह सामान्य रूप से 0V पर भी सेट होता है।

पीएमओएस ट्रांजिस्टर सर्किट

पीएमओएस ट्रांजिस्टर और एनएमओएस ट्रांजिस्टर का इस्तेमाल करते हुए एनएएनडी गेट डिजाइन नीचे दिखाया गया है। आम तौर पर, डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स में एक NAND गेट एक लॉजिक गेट होता है जिसे NOT-AND गेट भी कहा जाता है। इस गेट का आउटपुट कम (0) तभी होता है जब दो इनपुट उच्च (1) हों और इसका आउटपुट AND गेट का पूरक हो। यदि दो में से कोई भी इनपुट LOW (0) है, तो यह उच्च आउटपुट परिणाम देता है।

नीचे दिए गए लॉजिक सर्किट में, यदि इनपुट A 0 है और B 0 है, तो pMOS का एक इनपुट '1' उत्पन्न करेगा और nMOS का एक इनपुट '0' उत्पन्न करेगा। तो, यह लॉजिक गेट एक तार्किक '1' उत्पन्न करता है क्योंकि यह एक बंद सर्किट द्वारा स्रोत से जुड़ा होता है और एक खुले सर्किट के माध्यम से जीएनडी से अलग होता है।

जब A '0' और B' '1' होता है, तो pMOS का एक इनपुट '1' उत्पन्न करेगा और NMOS का एक इनपुट '0' उत्पन्न करेगा। इस प्रकार, यह गेट तार्किक उत्पन्न करेगा क्योंकि यह एक बंद सर्किट के माध्यम से स्रोत से जुड़ा हुआ है और एक खुले सर्किट द्वारा GND से अलग हो गया है। जब A '1' और B '0' होता है, तो pMOS का 'B' इनपुट उच्च आउटपुट (1) उत्पन्न करेगा और NMOS का 'B' इनपुट कम (0) आउटपुट उत्पन्न करेगा। तो, यह लॉजिक गेट एक तार्किक 1 उत्पन्न करेगा क्योंकि यह एक बंद सर्किट के माध्यम से स्रोत से जुड़ा है और एक खुले सर्किट द्वारा जीएनडी से अलग हो गया है।

जब A '1' है और B '1' है, तो 'pMOS' का एक इनपुट शून्य उत्पन्न करेगा, और nMOS का एक इनपुट '1' उत्पन्न करेगा। नतीजतन, हमें पीएमओएस और एनएमओएस के बी इनपुट को भी सत्यापित करना चाहिए। पीएमओएस का बी इनपुट '0' उत्पन्न करेगा और एनएमओएस का बी इनपुट '1' उत्पन्न करेगा। तो, यह लॉजिक गेट एक तार्किक '0' उत्पन्न करेगा क्योंकि यह स्रोत से एक खुले सर्किट द्वारा अलग किया जाता है और एक बंद सर्किट के माध्यम से GND से जुड़ा होता है।

सच्ची तालिका

उपरोक्त लॉजिक सर्किट की सत्य तालिका नीचे दी गई है।

पीएमओएस ट्रांजिस्टर का थ्रेसहोल्ड वोल्टेज सामान्य रूप से 'वीजीएस' होता है जो चैनल उलटा के रूप में जाना जाने वाला चैनल बनाने के लिए जरूरी है। एक पीएमओएस ट्रांजिस्टर में, सबस्ट्रेट और स्रोत टर्मिनल केवल 'वीडीडी' से जुड़े होते हैं। यदि हम Vdd से गेट टर्मिनल पर स्रोत टर्मिनल के संदर्भ में वोल्टेज को कम करना शुरू करते हैं, जहाँ भी आप चैनल उलटा देखते हैं, इस स्थिति में यदि आप Vgs और स्रोत के उच्च क्षमता पर होने का विश्लेषण करते हैं, तो आपको एक नकारात्मक मान मिलेगा। तो, PMOS ट्रांजिस्टर का नकारात्मक Vth मान है।

पीएमओएस निर्माण प्रक्रिया

पीएमओएस ट्रांजिस्टर के निर्माण में शामिल चरणों की चर्चा नीचे की गई है।

चरण 1:

एक पतली सिलिकॉन वेफर परत को केवल फॉस्फोरस सामग्री को डोपिंग करके एन-टाइप सामग्री में बदल दिया जाता है।

चरण दो:

एक पूर्ण पी-प्रकार सब्सट्रेट पर एक मोटी सिलिकॉन डाइऑक्साइड (Sio2) परत उगाई जाती है।

चरण 3:

अब सतह को सिलिकॉन डाइऑक्साइड की मोटी परत के ऊपर एक फोटोरेसिस्ट के साथ लेपित किया गया है।

चरण 4:

उसके बाद, यह परत केवल एक मुखौटा के माध्यम से यूवी प्रकाश के संपर्क में आती है जो उन क्षेत्रों को परिभाषित करती है जिनमें ट्रांजिस्टर चैनलों के साथ प्रसार होना है।

चरण 5:

इन क्षेत्रों को अंतर्निहित सिलिकॉन डाइऑक्साइड के साथ पारस्परिक रूप से दूर किया जाता है ताकि मास्क द्वारा परिभाषित खिड़की के भीतर वेफर की सतह उजागर हो।

चरण 6:

शेष फोटोरेसिस्ट को अलग कर दिया जाता है और पतली Sio2 परत चिप की पूरी सतह पर आमतौर पर 0.1 माइक्रोमीटर बढ़ जाती है। उसके बाद, गेट की संरचना बनाने के लिए इसके ऊपर पॉलीसिलिकॉन रखा जाता है। पूरे पॉलीसिलिकॉन परत पर एक फोटोरेसिस्ट लगाया जाता है और मास्क2 के माध्यम से यूवी प्रकाश को उजागर करता है।

चरण 7:

अधिकतम तापमान तक वेफर हीटिंग और बोरॉन जैसी वांछित पी-प्रकार की अशुद्धियों के साथ गैस पास करने के माध्यम से प्रसार प्राप्त किया जाता है।

चरण 8:

एक 1-माइक्रोमीटर मोटाई का सिलिकॉन डाइऑक्साइड उगाया जाता है और उस पर फोटोरेसिस्ट सामग्री जमा की जाती है। गेट, स्रोत और नाली के पसंदीदा क्षेत्रों पर मास्क 3 के साथ पराबैंगनी प्रकाश का पर्दाफाश करें जो संपर्क कटौती करने के लिए नक़्क़ाशीदार हैं।

चरण 9:

अब इसकी 1-माइक्रोमीटर मोटाई वाली सतह पर एक धातु या एल्युमिनियम जमा किया जाता है। फिर से एक फोटोरेसिस्ट सामग्री पूरे धातु में उगाई जाती है और मास्क4 के माध्यम से यूवी प्रकाश को उजागर करती है जिसे आवश्यक इंटरकनेक्शन डिजाइन बनाने के लिए उकेरा जाता है। अंतिम पीएमओएस संरचना नीचे दिखाई गई है।

PMOS ट्रांजिस्टर के लक्षण

PMOS ट्रांजिस्टर I-V विशेषताओं को नीचे दिखाया गया है। ड्रेन टू सोर्स करंट (I DS) के साथ-साथ इसके टर्मिनल वोल्टेज जैसे रैखिक और संतृप्ति क्षेत्रों के बीच संबंध प्राप्त करने के लिए इन विशेषताओं को दो क्षेत्रों में विभाजित किया गया है।

लाइनर क्षेत्र में, VDS (ड्रेन टू सोर्स वोल्टेज) बढ़ने पर IDS रैखिक रूप से बढ़ेगा जबकि संतृप्ति क्षेत्र में, I DS स्थिर है और यह VDS से स्वतंत्र है। आईएसडी (स्रोत से वर्तमान को निकालने के लिए) और इसके टर्मिनल वोल्टेज के बीच मुख्य संबंध एनएमओएस ट्रांजिस्टर की एक समान प्रक्रिया द्वारा प्राप्त किया गया है। इस मामले में, एकमात्र बदलाव यह होगा कि व्युत्क्रम परत के भीतर मौजूद आवेश वाहक केवल छेद होते हैं। जब छिद्र स्रोत से नाली की ओर बढ़ते हैं तो धारा का प्रवाह भी समान होता है।

इस प्रकार, वर्तमान समीकरण के भीतर ऋणात्मक चिह्न प्रकट होता है। इसके अलावा, डिवाइस के टर्मिनलों पर लागू सभी पूर्वाग्रह नकारात्मक हैं। तो, पीएमओएस ट्रांजिस्टर की आईडी - वीडीएस विशेषताओं को नीचे दिखाया गया है।
रैखिक क्षेत्र में पीएमओएस ट्रांजिस्टर के लिए नाली वर्तमान समीकरण इस प्रकार दिया गया है:

आईडी = - एमपी कॉक्स

इसी तरह, संतृप्ति क्षेत्र में पीएमओएस ट्रांजिस्टर के लिए नाली वर्तमान समीकरण इस प्रकार दिया गया है:

आईडी = - एमपी कॉक्स (वीएसजी - | वी टीएच |पी)^2

जहाँ 'mp' छेद की गतिशीलता है और '|VTH| p' PMOS ट्रांजिस्टर का थ्रेशोल्ड वोल्टेज है।

उपरोक्त समीकरण में, ऋणात्मक चिह्न इंगित करेगा कि आईडी ( नाली वर्तमान ) नाली (D) से स्रोत (S) तक बहती है जबकि छिद्र विपरीत दिशा में बहते हैं। जब इलेक्ट्रॉन गतिशीलता की तुलना में छेद की गतिशीलता कम होती है तो पीएमओएस ट्रांजिस्टर कम वर्तमान ड्राइव की क्षमता से पीड़ित होते हैं।

इस प्रकार, यह सब पीएमओएस ट्रांजिस्टर या पी-टाइप एमओएस ट्रांजिस्टर - निर्माण, सर्किट और इसकी कार्यप्रणाली के बारे में है। पीएमओएस ट्रांजिस्टर डिजाइन किए हैं एक पी-स्रोत, एक एन-सब्सट्रेट और नाली के साथ। पीएमओएस के आवेश वाहक छिद्र होते हैं। गेट टर्मिनल पर लो वोल्टेज लगाने के बाद यह ट्रांजिस्टर कंडक्ट करता है। NMOS उपकरणों की तुलना में PMOS-आधारित उपकरणों में हस्तक्षेप की संभावना कम होती है। इन ट्रांजिस्टर का उपयोग वोल्टेज-नियंत्रित प्रतिरोधों, सक्रिय भार, वर्तमान दर्पण, ट्रांस-प्रतिबाधा एम्पलीफायरों के रूप में किया जा सकता है, और स्विच और वोल्टेज एम्पलीफायरों में भी उपयोग किया जाता है। यहाँ आपके लिए एक प्रश्न है, NMOS ट्रांजिस्टर क्या है?