Ich habe jemandem einen Transistor erklärt und festgestellt: Ich verstehe einige Schlüsselkonzepte auf niedrigem Niveau nicht wirklich. Hilfe?

(Überschüssige Geschichte entfernt.)

Ich erklärte jemandem MOSFETs, CMOS und Logikgatter und stellte fest, dass ich einige Konzepte nicht so gut verstand, wie ich dachte.

Es gipfelte, als er einen einzelnen Transistor zeichnete, die beiden Eingänge an das Gate und die Source und den Ausgang an den Drain legte und sagte: "Warum ist das kein UND-Gate?"

Ich zögerte und sagte dann, dass die Wahrheitstabelle für diese Schaltung Z (hohe Impedanz) als Ausgang haben würde, wenn das Gate 0 und die Quelle 1 wäre, und das ist kein UND.

Aber dann wurde mir klar, dass ich Z nicht sehr gut verstehe. Es ist hochohmig, was bedeutet, dass wenig / kein Strom fließt. Aber ist das nicht dasselbe wie die Situation zwischen zwei Punkten bei 0V?

Also meine Fragen:

1. Wenn Strom der Elektronenfluss ist, wie durchqueren sie den positiv geladenen Kanal im n-Typ?
2. Beim p-Typ fehlt dem Körper sowieso ein Elektronenmangel. Wie fließt also Strom, wenn keine Spannung an das Gate angelegt wird?
3. Wie unterscheiden sich 0V und Z?

Wenn Strom der Elektronenfluss ist, wie durchqueren sie den positiv geladenen Kanal im n-Typ?

Siehe Abb. 1 unten. In einem MOSFET vom N-Typ-Anreicherungsmodus$V_{gs}$erzeugt ein elektrisches Feld durch das Gate, die dielektrische Schicht und das Substrat vom P-Typ. Dieses elektrische Feld zieht Elektronen durch das Substrat vom P-Typ auf und "induziert" einen Elektronenkanal (einen N-Kanal) unter der dielektrischen Schicht. Wenn VGS> Vth ist, ist die Feldstärke ausreichend, um unter dem Dielektrikum eine Elektronenschicht zu induzieren (und aufrechtzuerhalten), die sich zwischen den Source- und Drain-Anschlüssen erstreckt, und wenn$V_{DS}>0$ Der Transistor leitet Strom zwischen seinen Drain- und Source-Anschlüssen.

Abbildung 1. MOSFET vom N-Typ-Anreicherungsmodus

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist das Substrat (B) mit der Quelle (S) verbunden, die mit dem negativen Anschluss der Stromversorgung verbunden ist, die als Quelle der Elektronen dient, die in das Substrat vom P-Typ injiziert werden . In Abb. 2 repräsentieren die drei vertikalen Balken die Elemente Drain, Substrat (mit der Pfeilspitze) und Source (von oben nach unten). Es ist zu beachten, dass das Substrat sowohl im N-Typ- als auch im P-Typ-MOSFET intern mit der Quelle verbunden ist.

Abbildung 2. Schematische Symbole für MOSFETs im Anreicherungsmodus

Beim p-Typ fehlt dem Körper sowieso ein Elektronenmangel. Wie fließt also Strom, wenn keine Spannung an das Gate angelegt wird?

Sowohl die MOSFETs vom N-Typ- als auch vom P-Typ-Anreicherungsmodus sind "normalerweise ausgeschaltet". Der Transistor wird nur eingeschaltet, wenn die Bedingung VGS> Vth erfüllt ist. Wenn VGS <Vth ist, ist der Transistor AUS (sehr hoher Widerstand zwischen den Drain- und Source-Anschlüssen).

Abbildung 3. MOSFET im P-Typ-Verbesserungsmodus

FETs im Verarmungsmodus sind dagegen "normalerweise EIN" -Geräte. Ein "Junction FET" (JFET) ist ein Beispiel für eine Verarmungsmodusvorrichtung. Betrachten Sie den N-Kanal-JFET in Abb. 4. Wenn a$V_{DS}>0$Der Strom fließt sofort durch das Gerät. Eine Sperrvorspannung, die relativ zu seiner Quelle an das Gate des N-Kanal-JFET angelegt wird ($V_{GS}<0$) erzeugt ein elektrisches Feld, das den stromführenden Drain-Source-Kanal verengt, dh das Feld "erschöpft" die Anzahl der Ladungsträger im Stromkanal, wodurch der Stromfluss verringert wird. Bei ausreichender negativer Gate-Source-Vorspannung "drückt" die elektrische Feldstärke den Stromfluss im Drain-Source-Kanal vollständig ab, und der Stromfluss fällt auf ungefähr null Ampere ab.

Abbildung 4. Übergangsfeldeffekttransistoren

Wie unterscheiden sich 0V und Z?

Spannung ist Potentialdifferenz. Bei zwei verschiedenen Knoten innerhalb einer Schaltung, den Knoten A und B, hat jeder Knoten sein eigenes elektrisches Potential (mit Einheiten von Volt).

Wenn $V_{AB}=0$, dann $potential@A = potential@B$.

Beim Entwerfen einer Schaltung wählt der Schaltungsentwickler willkürlich einen Knoten - z. B. Knoten B - als "Referenzpotential" -Knoten aus, und alle Spannungen (Potentialdifferenzen) in der Schaltung werden relativ zum Referenzknoten gemessen (der oft als "bezeichnet" wird "Boden" -Knoten). Das Potential am ausgewählten Referenzknoten wird als "Null Volt" (0 V) angegeben, so dass alle anderen Spannungen in der Schaltung einen positiven oder negativen Versatz von Null aufweisen.

Der Zustand mit hoher Impedanz oder "High Z" bezieht sich auf einen Zustand innerhalb einer komplementären Metalloxidhalbleiterschaltung (CMOS), bei dem das MOSFET-Paar vom P-Typ- und N-Typ-Anreicherungsmodus beide ausgeschaltet sind.

PMOS  NMOS  Q
-----------------------
OFF   OFF   HIGH Z
ON    OFF   LOGIC HIGH
OFF   ON    LOGIC LOW

Wenn in Fig. 5 sowohl der PMOS- als auch der NMOS-Transistor AUS sind, gibt es sehr große Widerstände zwischen den Stromversorgungen (VDD und VSS) und dem Ausgangsanschluss Q. Folglich fließt beim CMOS ungefähr Nullstrom in den Anschluss Q hinein oder aus diesem heraus Gerät befindet sich im Zustand "High Z". Es ist zu beachten, dass bei Q relativ zum Referenz- / Erdungsknoten der Schaltung eine Spannung ungleich Null anliegen kann; Im Zustand mit hohem Z ist die Ausgangsimpedanz bei Q jedoch so hoch, dass ungefähr null Ampere in den Anschluss Q hinein oder aus diesem heraus fließen.

Abbildung 5. CMOS-Schaltung

1. Wenn Strom der Elektronenfluss ist,

Es ist nicht. Strom ist der Fluss der elektrischen Ladung . Es kann sein , getragen von Elektronen (oder Löcher oder Ionen) , aber es ist nicht das gleiche wie die Bewegung der Elektronen selbst.

Wie durchqueren sie den positiv geladenen Kanal im n-Typ?

Es wird nicht berechnet. Das elektrische Feld, das durch die Spannung am Gate erzeugt wird, ändert den Widerstand des Kanals über den Feldeffekt .

2. Beim p-Typ fehlt dem Körper sowieso ein Elektronenmangel,

Es ist nicht gerade ein Mangel an Elektronen, sondern Räume im Kristallgitter, in die Elektronen passen könnten. Ohne Löcher wären alle Elektronen an ihre Atome gebunden, so dass der Kristall ein Isolator wäre. Die Löcher bieten Räume, in die Elektronen springen können, und lassen andere Löcher zurück, die zum Stromfluss werden.

Wie fließt also Strom, wenn keine Spannung an das Gate angelegt wird?

In einem MOSFET im Anreicherungsmodus fließt kein Strom, wenn die Spannung zwischen Gate und Source Null ist.

Wie unterscheiden sich 0V und Z?

0V ist ein Logikpegel. 'Z' (hohes Z oder hohe Impedanz) ist ein offener Stromkreis (OC). Da ein offener Stromkreis die angelegte Spannung aufnimmt, zeigt ein an Masse angeschlossenes Messgerät keinen Unterschied zwischen 0 V und 'Z' an. Sie können durch Anlegen einer Spannung über einen Pull-up-Widerstand unterschieden werden . Ein Ausgang, der aktiv auf 0 V gehalten wird, bleibt auf 0 V, aber ein OC-Ausgang steigt auf die Spannung am anderen Ende des Widerstands an.

Leerlaufausgänge sind nützlich für UND- Schaltkreise, bei denen möglicherweise mehrere Ausgänge mit einem einzigen Eingang verbunden werden müssen, z. der INT-Eingang einer CPU, der mehrere Interruptquellen erkennt. Es wird auch zur Steuerung des Zugriffs auf einen gemeinsamen Bus verwendet , bei dem jeweils ein Gerät Signale auf den Bus legt, während die anderen auf hohem Z gehalten werden.