¿Por qué un dispositivo semiconductor (MOSFET) consigue una conmutación más rápida a medida que aumenta el voltaje?

Answer 1

La velocidad de transición de CMOS depende de qué tan rápido puede cargar / descargar la capacitancia de salida (carga) que está impulsando un nodo en particular.

Por lo tanto, depende de dos factores: la capacidad de carga en sí (CL) y el suministro de voltaje (VDD). En el diagrama anterior, digamos que la capacidad de carga CL no se cargó inicialmente. Cuando se produce una transición de alta a baja en Vin, alternará el PMOS del corte a la saturación y tiende a tirar del Vout a VDD. Entonces, cuando tiene valores más altos de VDD, el voltaje aplicado a través de la carga será más alto y, por lo tanto, carga el condensador de carga más rápido; en otras palabras, Vout alcanza VDD (o más cerca de VDD) en un tiempo mucho menor, debido a una mayor corriente de accionamiento . Y cuanto menor es el tiempo, mayor es la frecuencia de conmutación. Pero la compensación aquí será una mayor disipación dinámica del poder.

Answer 2

¿Por qué un dispositivo semiconductor (MOSFET en microprocesador) consigue una conmutación más rápida a medida que aumenta el voltaje?

Para poder entender esto, necesita saber cómo funcionan los MOSFET. Los MOSFETS consisten en un metal y un semiconductor y una capa de óxido que separa los dos. Al encender un MOSFET, se aplica un voltaje al metal a través de la puerta que conduce a una capa de carga en la interfaz de óxido de metal. La neutralidad de la carga dicta que una carga igual pero opuesta debe ensamblarse en la interfaz óxido-semiconductor. Este es solo el principio de cargar un condensador. La carga en el semiconductor de óxido ahora permite que una corriente vaya desde el drenaje a la fuente.

La carga en las interfaces es igual a:
[matemáticas] Q = C_ {ox} V [/ matemáticas]

El tiempo para que se encienda el MOSFET es el tiempo requerido para proporcionar este cargo. Este cargo es proporcionado por otros MOSFETS después de que ellos mismos se hayan encendido. Para saber cuánto tiempo se tarda en proporcionar la carga, necesitamos saber qué corriente puede pasar a través de un MOSFET. Esta corriente es (en el régimen saturado):
[matemáticas] I_D = \ frac {\ mu C_ox} {2} \ frac {W} {L} \ left (V – V_ {th} \ right) ^ 2 [/ math]

Hay algunos prefactores geométricos y dependientes del material y un umbral de voltaje que debe superarse para que el dispositivo funcione, pero la corriente aumenta esencialmente de forma cuadrática con el voltaje aplicado.

El tiempo requerido para cargar el condensador y encender el dispositivo es entonces (descuidando el voltaje de umbral) dado por:

[matemáticas] t = \ frac {Q} {I_D} = \ frac {2 L} {\ mu W} \ frac {1} {V} [/ matemáticas]

Entonces podemos ver que hay una relación inversa entre el tiempo de carga y el voltaje aplicado.

Imagen tomada de google images.

Answer 3

En mi opinión, el tiempo de respuesta o la velocidad de conmutación dependen del factor de velocidad de respuesta del dispositivo semiconductor dado. También algún otro factor como ganancia de voltaje, Av, respuesta de frecuencia máxima y Vin max tiene influencia directa sobre él.

Puedes calcularlo tú mismo:

w (omega) * ganancia de voltaje (Av) = velocidad de respuesta (SI = V / us);

Ahora, sabemos w = 2 * pie * f; donde pie = 3.141 (3 dp) & f = frecuencia y velocidad de respuesta es Voltaje / micro segundos.

El aumento en el voltaje de entrada aumenta Av (hasta que alcanza el límite máximo) mientras que la velocidad de respuesta en corto SR permanece fija, por lo que el tiempo o frecuencia de respuesta de salida (que es nuestro caso deseado aquí) aumenta.

Por ejemplo: si Av es 30 mV, entonces el cálculo anterior resulta en 0.0127 microsegundos, por lo tanto, la frecuencia es 78.540 MHz; y si Av es 60 mV, entonces la frecuencia es 157.080 MHz. Dado que algunos redondean las cifras, dividir el último con el primero encontrado da 1.9999 ~ 2. Por lo tanto, el aumento en Av es directamente proporcional a la frecuencia (conmutación) y lo hace constantemente con Av.

Creo que si revisas la hoja de datos de Mosfets, ¡sería más una ayuda que conoces! ¡Perdón por hacer esto tan largo y extremadamente arrepentido si escribí esto en mal inglés!