Транзисторы с изолированным затвором (MOSFET): конструкция, работа и силовые варианты

Транзистор с изолированным затвором (IGFET), обычно называемый металл-оксид-полупроводниковым полевым транзистором (MOSFET), — ведущий вариант семейства полевых транзисторов. В современной электронике MOSFET доминируют в цифровых интегральных схемах, где каждый чип может содержать сотни миллионов отдельных приборов. Их размеры регулярно ниже одного микрона, сокращаясь примерно каждые 18 месяцев по закону Мура. Хотя дискретные биполярные транзисторы (БТ) всё ещё чаще встречаются в отдельных корпусах, крупногабаритные MOSFET могут коммутировать около 100 А при низких напряжениях, а специализированные приборы — до 1 кВ при меньших токах. Эти транзисторы занимают значительную долю квадратного сантиметра кремния, подчёркивая их значение в системах с ограничениями по мощности.

Принцип работы MOSFET

MOSFET имеет те же выводы — исток, затвор, сток — что и обычный FET, но затвор изолирован от кремния тонким оксидным слоем. Структура затвора напоминает металл-оксид-полупроводниковый (МОП) конденсатор — при заряде затвор индуцирует инверсионный слой, проводящий между истоком и стоком. Для n-канального прибора положительное смещение затвора притягивает электроны в p-тип подложку, формируя инвертированный n-канал, соединяющий сильно легированные исток и сток. Результат — унополярный прибор, где один тип носителей — электроны — обеспечивает проводимость.

n-канальный МОП конденсатор: (а) без заряда, (б) заряженный.

n-канальный MOSFET (тип усиления): (а) 0 В смещения затвора, (б) положительное смещение затвора. Положительное смещение заряжает конденсатор, индуцируя инверсионную область, соединяющую исток и сток, позволяя существенному току течь при приложенном стоково-источном напряжении. В практической схеме нагрузка соединена последовательно с источником питания стока.

E-MOSFET (Режим усиления)

Описанная выше конфигурация — MOSFET режима усиления, самый распространённый тип. Прибор нормально закрыт; затворное напряжение выше порогового открывает его, усиливая инверсионный канал. В отличие от БТ, затвор MOSFET не потребляет постоянного тока, только кратковременный импульс для заряда своей ёмкости.

Сечение дискретного MOSFET

Сечение типичного n-канального дискретного MOSFET показано ниже. Тяжёлое n-тип легирование (N+) у истока и стока снижает последовательное сопротивление, в то время как лёгкое легирование (N−) в области канала минимизирует утечку. p-тип область затвора может быть инвертирована положительным смещением, создавая низкоомный путь от истока к стоку. Многие высокомощные приборы используют змеевидную компоновку для увеличения эффективной площади канала и токоносимости.

n-канальный MOSFET (тип усиления): (а) сечение, (б) схематический символ.

V-MOS (V-образный MOSFET)

V-MOS приборы имеют V-образный затвор, расширяющий площадь исток-сток канала, снижая активное сопротивление и позволяя более высокую рабочую мощность. U-образный вариант (UMOS) предлагает улучшенную технологичность при сохранении характеристик.

Ключевые выводы

• MOSFET проводят с одним типом носителей, делая их унополярными как FET, но отличными от БТ.
• Напряжение затвора управляет истоково-стоковым током; затвор практически не потребляет постоянного тока.
• Начальный заряд затвора требует кратковременного импульса, но утечка пренебрежимо мала.

Связанные рабочие листы

• Рабочий лист: Обзор обычных транзисторов и специальных транзисторов