Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET)

Полевой транзистор с изолированным затвором (IGFET), также известный как металлооксидный полевой транзистор . (MOSFET), является производной полевого транзистора (FET). Сегодня большинство транзисторов относятся к типу MOSFET как компоненты цифровых интегральных схем. Хотя дискретных BJT больше, чем дискретных MOSFET. Количество MOSFET-транзисторов в интегральной схеме может приближаться к сотням миллионов. Размеры отдельных устройств MOSFET менее одного микрона, уменьшаясь каждые 18 месяцев. Полевые МОП-транзисторы гораздо большего размера способны переключать ток около 100 ампер при низких напряжениях; некоторые выдерживают почти 1000 В при более низких токах. Эти устройства занимают добрую долю квадратного сантиметра кремния. MOSFET находит гораздо более широкое применение, чем JFET. Однако в настоящее время силовые устройства MOSFET не так широко используются, как биполярные переходные транзисторы.

Работа полевого МОП-транзистора

MOSFET имеет выводы истока, затвора и стока, как и у полевого транзистора. Однако вывод затвора не имеет прямого соединения с кремнием по сравнению с корпусом для полевого транзистора. Затвор MOSFET представляет собой металлический или поликремний слой поверх изолятора из диоксида кремния. Затвор имеет сходство с металлооксидным полупроводником . (MOS) конденсатор на рисунке ниже. При зарядке пластины конденсатора принимают полярность заряда соответствующих клемм аккумулятора. Нижняя пластина изготовлена ​​из кремния P-типа, электроны отталкиваются отрицательной (-) клеммой батареи в сторону оксида и притягиваются положительной (+) верхней пластиной. Этот избыток электронов около оксида создает инвертированный (избыток электронов) канал под оксидом. Этот канал также сопровождается обедненной областью, изолирующей канал от объемной кремниевой подложки.

N-канальный МОП-конденсатор:(а) не заряжен, (б) заряжен.

На рисунке ниже (а) МОП-конденсатор помещен между парой диффузоров N-типа в подложке P-типа. При отсутствии заряда конденсатора, отсутствии смещения на затворе диффузоры N-типа, исток и сток остаются электрически изолированными.

N-канальный МОП-транзистор (тип расширения):(a) смещение затвора 0 В, (b) положительное смещение затвора.

Положительное смещение, приложенное к затвору, заряжает конденсатор (затвор). Затвор над оксидом принимает положительный заряд от батареи смещения затвора. Подложка P-типа под затвором принимает отрицательный заряд. Под оксидом затвора образуется область инверсии с избытком электронов. Эта область теперь соединяет исток и сток N-типа, образуя непрерывную N-область от истока до стока. Таким образом, полевой МОП-транзистор, как и полевой транзистор, является униполярным устройством. За проводимость отвечает один тип носителя заряда. Этот пример представляет собой N-канальный MOSFET. При приложении напряжения между этими соединениями возможно проведение большого тока от истока к стоку. Практическая схема будет иметь нагрузку последовательно с разрядной батареей, показанной на рисунке выше (b).

E-MOSFET

МОП-транзистор, описанный выше на рисунке выше, известен как режим улучшения . МОП-транзистор. Непроводящий, выключенный канал включается путем усиления канала ниже затвора путем приложения смещения. Это самый распространенный вид устройств. Другой тип полевого МОП-транзистора здесь описываться не будет. См. Главу о полевых транзисторах с изолированным затвором, чтобы узнать о режиме истощения . устройство.

МОП-транзистор, как и полевой транзистор, представляет собой устройство, управляемое напряжением. Входное напряжение на затвор управляет потоком тока от истока к стоку. Ворота не потребляют постоянный ток. Тем не менее, затвор потребляет импульс тока, чтобы зарядить емкость затвора.

Поперечное сечение N-канального дискретного МОП-транзистора показано на рисунке ниже (а). Дискретные устройства обычно оптимизированы для коммутации большой мощности. N + указывает, что исток и сток сильно легированы N-типом. Это сводит к минимуму резистивные потери на пути высокого тока от истока к стоку. N- указывает на легкое легирование. P-область под затвором, между истоком и стоком, может быть инвертирована путем приложения положительного напряжения смещения. Профиль легирования представляет собой поперечное сечение, которое может быть расположено в виде змеевика на кремниевом кристалле. Это значительно увеличивает площадь и, следовательно, текущую управляемость.

N-канальный MOSFET (тип расширения):(a) поперечное сечение, (b) схематический символ.

Символ схемы полевого МОП-транзистора на рисунке выше (b) показывает «плавающий» затвор, указывающий на отсутствие прямого подключения к кремниевой подложке. Пунктирная линия от истока к стоку указывает, что это устройство выключено, не проводит ток, с нулевым смещением на затворе. Обычно «выключенный» полевой МОП-транзистор является устройством режима улучшения. Канал должен быть улучшен путем приложения напряжения к затвору для обеспечения проводимости. «Указывающий» конец стрелки на подложке соответствует материалу P-типа, который указывает на канал N-типа, «не указывающий» конец. Это символ N-канального MOSFET. Стрелка указывает в противоположном направлении для устройства с P-каналом (не показано). MOSFET - это четыре оконечных устройства:исток, затвор, сток и подложка. Подложка подключается к источнику в дискретных полевых МОП-транзисторах, превращая собранную часть в трехполюсное устройство. МОП-транзисторы, которые являются частью интегральной схемы, имеют общую подложку для всех устройств, если они не изолированы специально. Это общее соединение может быть выведено из кристалла для подключения к земле или напряжению смещения источника питания.

V-MOS

N-канальный «V-MOS» транзистор:(а) поперечное сечение, (б) схематическое обозначение.

V-MOS Устройство на (рисунок выше) представляет собой улучшенный силовой полевой МОП-транзистор с профилем легирования, расположенным таким образом, чтобы снизить сопротивление истока к стоку в открытом состоянии. VMOS получил свое название от V-образной области затвора, которая увеличивает площадь поперечного сечения пути исток-сток. Это минимизирует потери и позволяет переключать более высокие уровни мощности. UMOS, вариант с U-образной канавкой, более воспроизводим при производстве.

ОБЗОР:

• МОП-транзисторы - это устройства с униполярной проводимостью, проводящие с использованием одного типа носителя заряда, например полевого транзистора, но в отличие от биполярного транзистора.
• МОП-транзистор - это устройство, управляемое напряжением, например полевой транзистор. Входное напряжение затвора управляет истоком для стока тока.
• Затвор MOSFET не потребляет постоянного тока, кроме утечки. Однако для зарядки емкости затвора требуется значительный начальный скачок тока.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Обзор обычных транзисторов и таблица специальных транзисторов