Моп транзистор принцип работы. МОП-транзистор: принцип работы, устройство и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое МОП-транзистор и как он работает. Какова структура МОП-транзистора. Какие типы МОП-транзисторов бывают. Как применяются МОП-транзисторы в электронике. Каковы преимущества МОП-транзисторов перед другими типами транзисторов.

Содержание

Что такое МОП-транзистор и его основные особенности

МОП-транзистор (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET) — это полупроводниковый прибор, относящийся к семейству полевых транзисторов. Его основные особенности:

Управляется электрическим полем
Имеет изолированный затвор
Обладает очень высоким входным сопротивлением
Может работать в ключевом и аналоговом режимах
Широко применяется в цифровой и аналоговой электронике

МОП-транзисторы являются важнейшими компонентами современной микроэлектроники и используются в огромных количествах в интегральных схемах.

Структура и принцип работы МОП-транзистора

Основными элементами структуры МОП-транзистора являются:

Подложка — область полупроводника p-типа или n-типа

Области истока и стока — сильнолегированные области противоположного типа проводимости
Канал — область между истоком и стоком
Затвор — металлический электрод, изолированный от канала слоем диэлектрика

Принцип работы МОП-транзистора основан на управлении проводимостью канала с помощью электрического поля, создаваемого напряжением на затворе. При подаче напряжения на затвор в канале накапливаются носители заряда, что приводит к появлению проводимости между истоком и стоком.

Основные типы МОП-транзисторов

МОП-транзисторы подразделяются на несколько основных типов:

1. По типу проводимости канала:

n-канальные — канал образован электронами
p-канальные — канал образован дырками

2. По режиму работы:

Транзисторы с индуцированным каналом — канал образуется только при подаче напряжения на затвор

Транзисторы со встроенным каналом — канал существует изначально и может обедняться или обогащаться

Наиболее распространенным типом являются n-канальные МОП-транзисторы с индуцированным каналом.

Основные характеристики МОП-транзисторов

Ключевыми параметрами, определяющими свойства МОП-транзисторов, являются:

Пороговое напряжение — минимальное напряжение на затворе, при котором образуется канал
Крутизна характеристики — отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе
Выходная проводимость — отношение изменения тока стока к изменению напряжения сток-исток
Входная емкость — емкость между затвором и остальными электродами
Максимальное напряжение сток-исток
Максимальный ток стока

Эти параметры определяют возможности применения МОП-транзисторов в различных схемах.

Применение МОП-транзисторов в электронике

МОП-транзисторы нашли широкое применение во многих областях электроники, включая:

Цифровые интегральные схемы — логические элементы, процессоры, память
Аналоговые схемы — усилители, генераторы, преобразователи
Силовая электроника — ключи, преобразователи напряжения
Высокочастотные схемы — усилители и преобразователи частоты
Датчики — сенсоры различных физических величин

Их универсальность и хорошие характеристики делают МОП-транзисторы незаменимыми во многих современных электронных устройствах.

Преимущества МОП-транзисторов

По сравнению с биполярными транзисторами МОП-транзисторы обладают рядом важных преимуществ:

Очень высокое входное сопротивление
Низкое энергопотребление в статическом режиме
Возможность создания комплементарных пар (КМОП)
Хорошая масштабируемость при уменьшении размеров
Простота изготовления и интеграции в ИС
Возможность работы при высоких частотах

Эти преимущества обусловили доминирование МОП-технологии в современной микроэлектронике.

Особенности работы МОП-транзистора в ключевом режиме

МОП-транзисторы часто используются в качестве электронных ключей. В этом режиме работы можно выделить несколько важных аспектов:

В открытом состоянии МОП-транзистор имеет очень низкое сопротивление канала
В закрытом состоянии ток через транзистор близок к нулю
Переключение происходит за счет подачи/снятия напряжения на затвор
Быстродействие определяется входной емкостью и сопротивлением цепи затвора
При переключении возникают динамические потери энергии

Правильный выбор типа и параметров МОП-транзистора позволяет создавать эффективные ключевые схемы для различных применений.

3 Important Facts You Should Know —

Тема обсуждения: МОП-транзистор

Что такое МОП-транзистор?
Принцип работы МОП-транзистора
VI Характеристики
использование

Что такое МОП-транзистор?

Металл-оксид-полупроводник или ‘МОП-транзистор известен своей работой как идеальный переключатель. Микросхема МОП-транзистора работает как надежный ток и конденсатор транзисторов и их проводов.

структура MOS в области инверсии, насыщения и истощения, Изображение предоставлено Оливье Делажем и Питером Скоттом, MOSFET функционирует, CC BY-SA 3.0

На рисунке ниже мы можем увидеть некоторые стандартные схемы МОП-транзисторов, которые обычно используются.Штатные схемы МОП-транзисторов

Обычно мы используем разные обозначения клемм, например, рисунок, когда необходимо показать корпус вместе с подложкой или соединение колодца.

Принцип работы МОП-транзистора:

Поскольку МОП-транзистор является устройством с мажоритарной несущей, он проводит ток между истоком и стоком. Этот транзистор регулируется постоянным напряжением, подаваемым на затвор соответствующего МОП-транзистора. В транзисторе n-MOS электроны действуют как основные носители, в то время как в транзисторе p-MOS дырки действуют как основные носители. МОП-транзистор исследуется с изолированной МОП-структурой с включенными затвором и корпусом, чтобы узнать о его свойствах или поведении. На рисунке ниже показана простая структура МОП. Самый верхний слой структура МОП изготовлен из проводника.

Это очень хорошо для переноса токов при любом заряде; который признан воротами. Транзисторы, которые делались в самом начале, использовали металлические вентили; По мере увеличения периода времени затворы транзисторов были заменены и теперь используется поликремний. Промежуточный средний слой МОП состоит из тонкой изолирующей пленки оксида кремния, которую обычно называют оксидом затвора. Слой на нижнем уровне легирован силиконом.

Если мы применяем отрицательное напряжение в затворе возникает отрицательный заряд на затворе. За воротами дырки притягиваются к области, поскольку носители подвижности заряжаются положительной энергией. Это называется режимом накопления.

На рисунке (b) на затвор подается очень минимальное напряжение, которое мы получаем от положительного заряда на затворе. Чтобы сформировать область истощения, отверстия тела, образовавшиеся в результате отталкивания, скапливаются под затвором.

На рисунке (c) подается пороговое напряжение Vt, и к этой области присоединяется несколько электронов.

Инверсионный слой:

Проводящий слой электронов в теле p-типа рассматривается как «инверсионный слой».

Здесь пороговое напряжение зависит от двух параметров: 1. Легирующие добавки МОП 2. Толщина оксидного слоя. Обычно они положительные, но их также можно превратить в отрицательные. Транзистор nMOS имеет множество МОП между обеими областями n-типа, называемыми истоком и стоком.

В этот момент напряжение затвор-исток V_gs <пороговое напряжение (В_t). Исток и сток не имеют свободных электронов с обеих сторон. Когда источник не работает, то есть в основном состоянии, переходы считаются смещенными в обратном направлении, поэтому ток не течет. Когда говорят, что транзистор выключен, этот режим работы называется отключенным.

ток равен 0, если мы сравним его с включенным транзистором. Напряжение затвора выше порогового напряжения. Теперь, если область инверсии электронов, которые являются каналом, создает мост между истоком и стоком и создает проводящий путь, и транзистор включается. Увеличение количества полных носителей и увеличение проводимости пропорциональны друг другу по отношению к приложенному напряжению затвора.

Напряжение стока — напряжение истока определяется как:

V_DS V =_gs — V_gd . Когда, V_DS = 0 (т. Е. V_gs V =_gd),

нет такого электрического поля, которое могло бы генерировать ток от стока к истоку. Канал инверсии и достижение порогового напряжения (IV), Image Credit — Saumitra R Mehrotra & Gerhard Klimeck, модифицировано Зефирис, Формирование порога сейчас, помечено как общественное достояние, подробнее на Wikimedia Commons

Когда, напряжение (В_ds ) подается на сток, и ток I_ds переносит по каналу стока к истоку. Если V_ds становится больше, чем V_gd <Vt, канал, похоже, не претерпевает никаких изменений рядом со стоком и, следовательно, находится в выключенном состоянии. Даже после этого проводимость продолжается с помощью дрейфующего электрона, который генерируется положительным напряжением.

Когда электроны достигают конца канала, область обеднения, примыкающая к стоку, ускоряется в его направлении. Инжектированные электроны ускоряют этот процесс.

Режим насыщенности:

В этом режиме ток Ids контролируется напряжением затвора и прекращается стоком только тогда, когда он выходит за пределы напряжения стока.

VI Характеристики МОП-транзистора

ВИ-характеристики МОП-транзистора имеют три области работы:

Компания Отсеченная или подпороговая область.
Линейный регион.
Область насыщенности.

Длина канала в n-МОП-транзисторе больше, а электрическое поле между истоком и стоком сравнительно мало. Канал обычно идентифицируется как «длинный канал», идеальный, 1^st порядок, или модель Шокли при этом характеризуется как фигура.

Модель с длинным каналом представляет собой ток, который проходит через выключенный транзистор. Он очень низкий или 0. Гейт привлекает несущих для создания канала в выключенном состоянии (V_gs> V_t). В области от истока до стока электроны продолжают течь с постоянной скоростью.

Обвинение конденсатор пластина определяется как – Q = CV.

Таким образом, заряд в канале Q_канал is

Q_канал = C_g(V_gc — V_t)

Кредит изображения — Пользователь: CyrilB, IVSV MOSFET — описание производителя, CC BY-SA 3.0

На приведенном выше графике показан IV характеристики транзистора.

На конкретном графике протекающий ток равен «0» для напряжений на затворе ниже V_t. Ток увеличивается, когда напряжение затвора увеличивается соответственно линейно с V_ds для малых V_ds. Поскольку V_ds приближается к точке насыщения V_дсат V =_GT, текущее снижение и в конечном итоге оказываются независимыми.

Транзисторы pMOS ведут себя обратным образом, чем транзисторы n-MOS, поэтому все напряжения и токи здесь отрицательные. Здесь ток течет от истока к стоку, а текучесть дырок в кремнии обычно ниже, чем у электронов.

Таким образом, p-МОП-транзистор производит меньший ток, чем n-МОП-транзистор того же размера и характеристик. Здесь µ_n и µ_p = подвижность электронов и дырок в n-МОП и p-МОП транзисторах соответственно. Коэффициент подвижности µ_n / µ_p находится между 2–3. Транзисторы p-MOS имеют ту же геометрию, что и nMOS.

Для получения дополнительной информации о MOSFET и других статьях, связанных с электроникой нажмите здесь.

MOSFET транзистор. Полевой транзистор с изолированным затвором.

Пока свежи вспоминания о предыдущей статье, которая была посвящена полевым транзисторам, я решил опубликовать и еще один материал по этой теме. Разберем следующий из упомянутых типов полупроводниковых устройств, а именно полевой транзистор с изолированным затвором (MOSFET транзистор). И снова основной упор я сделаю на сути физических явлений, которые обеспечивают работу описываемого устройства. Не затягиваю с вводным текстом, приступаем к основной деятельности.

Транзисторы с изолированным затвором также именуются МОП-транзисторами (Металл-Оксид-Полупроводник), либо МДП-транзисторами (Металл-Диэлектрик-Полупроводник). Собственно, это напрямую зависит от его физического устройства. Кроме того, прочно вошло в обиход и название MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor), оно также относится к рассматриваемым нами сегодня устройствам. Изолированность затвора от канала диэлектриком позволяет данным компонентам иметь очень высокое входное сопротивление.

Итак, разветвим сразу статью на две части, в соответствии с двумя подклассами полевых транзисторов с изолированным затвором:

с встроенным каналом
с индуцированным каналом

При этом, по-прежнему, каждый из этих подклассов делится еще на два в зависимости от типа проводимости канала — N-канал/P-канал:

Начинаем по традиции с подробного обзора того, как именно работает рассматриваемое устройство/компонент. И для этого погрузимся в его внутренне устройство. Снова сосредоточим внимание на MOSFET транзисторах с N-каналом, для P-канала суть и принципы те же, только полярность подключаемых напряжений противоположная.

Устройство и принцип работы MOSFET транзистора с встроенным каналом.

Устройство, в целом, схоже с JFET-транзисторами, вспомним основных действующих лиц:

Область P-типа, в которой основными носителями заряда являются дырки.
Область N+, в которой, напротив, основные носители – электроны. Пометка «+» символизирует повышенное легирование области, что означает повышенную же концентрацию электронов в ней.
Электроды полевого транзистора – сток, исток и затвор. Вывод подложки может как присутствовать, так и отсутствовать (в таком случае он соединен с истоком внутри транзистора).
И ко всему прочему, зоны типа N+ соединены между собой – эта область и образует встроенный канал, присутствующий в названии компонента.

Как адепт максимально четкой структуры, я пойду по такому же плану, как в статье про JFET. Стартовая точка такова:

Начнем с подключения следующим образом:

Канал (то есть область N-типа, соединяющая сток и исток) у нас присутствует конструктивно изначально, поэтому ничто и никто не препятствует движению электронов по этому самому каналу.

Движение электронов – это, в свою очередь, есть протекание тока. То есть при U_{ЗИ} = 0 в наличии имеется протекающий от стока к истоку ток. Фиксируем данный факт, и подаем положительное напряжение между затвором и истоком:

Возникающее электрическое поле будет притягивать дополнительные электроны как из областей стока и истока, так и из подложки, где концентрация электронов пусть и невелика, но они там есть.

И что получаем в итоге? Фактически увеличение, оно же расширение, канала, из которого логичным образом вытекает и увеличение тока, поскольку физически по нему сможет перемещаться большее количество электронов. Расширение канала ⇒ уменьшение его сопротивления ⇒ увеличение его проводимости ⇒ увеличение потока электронов ⇒ увеличение тока 👍

При таком включении MOSFET транзистор работает в режиме обогащения. Проведем сравнительный анализ со случаем, когда U_{ЗИ} = 0:

Все соответствует произведенным нами выводам. Но на этом не завершаем, второй случай: U_{ЗИ} < 0. Механизм тот же, эффект противоположный:

Теперь возникающее поперечное электрическое поле приводит, наоборот, к выталкиванию электронов из области канала, что ведет к диаметрально отличающимся последствиям. Сужение канала ⇒ увеличение его сопротивления ⇒ уменьшение его проводимости ⇒ уменьшение потока электронов ⇒ уменьшение тока. И по итогу имеем:

В данном случае транзистор с встроенным каналом пребывает в режиме обеднения. И для всех трех рассмотренных случаев:

Также рассмотрим зависимость тока сток-исток от напряжения между затвором и истоком. Очевидно, что увидим тут полное соответствие тому, что разобрали:

При U_{ЗИ} = 0 через транзистор (по пути сток-исток) течет некий ток. Увеличение U_{ЗИ} – увеличение тока, то же самое и при уменьшении, то есть отрицательном смещении затвора относительно истока. При определенном пороговом значении канал сужается настолько, что протекание тока прекращается полностью.

Разобрали суть протекающих процессов и явлений, переходим ко второму типу – MOSFET с индуцированным каналом.

Устройство и принцип работы MOSFET транзистора с индуцированным каналом.

Действуем по уже четко отработанному плану, начинаем с устройства и структуры:

Сразу же ключевое отличие – область N-типа, соединяющая зоны стока и истока (канал) отсутствует. Из чего вытекает тот факт, что при U_{ЗИ} равном 0, ток не течет, в отличие от рассмотренного выше случая.

Начинаем повышать напряжение между затвором и истоком. Для N-канального транзистора, который мы рассматриваем, ситуация такова:

Для P-канального все описанное остается в силе, просто полярность противоположная.

Продолжаем с N-каналом. Возникающее электрическое поле вполне естественно начинает притягивать электроны к области затвора. При определенном значении U_{ЗИ} концентрация электронов станет достаточной для образования тонкой области N-типа, через которую начнет протекать ток:

Эта область и является индуцированным каналом, которого конструктивно изначально нет, но в связи с воздействием электрического поля он материализуется ) Соответственно, увеличиваем дальше U_{ЗИ} – получаем расширение этого канала, которое приводит к увеличению тока сток-исток:

Транзистор с индуцированным каналом в данном случае работает в режиме обогащения:

А зависимость тока I_{СИ} от напряжения U_{ЗИ} теперь имеет следующий вид:

И опять же все логично, при U_{ЗИ} < U_{ЗИ \medspace порог} ток не течет, при U_{ЗИ} > U_{ЗИ \medspace порог} ток увеличивается с увеличением напряжения.

В целом, на этом можно считать, что с механизмами, обеспечивающими функционирование полевых транзисторов с изолированным затвором, мы разобрались, закрепим на примере.

Полевой транзистор с изолированным затвором. Практический пример.

Начинаем, конечно, с обозначения MOSFET транзисторов на принципиальных схемах. Наличие разных типов диктует, в свою очередь, необходимость в их отличающихся вариантах обозначения:

Что тут можно отметить отдельно, во-первых, само собой полевые транзисторы с индуцированным и встроенным каналом выглядят на схемах по-разному. Кроме того, вывод подложки может быть как замкнут внутри транзистора с истоком, так и выходить в мир в виде отдельного вывода. В результате этого внутреннего соединения между стоком и истоком образуется паразитный диод, который может и не обозначаться на схемах, но его присутствие всегда надо учитывать.

Не исключено, что этому я посвящу отдельный пост, а пока возвращаемся к базовому примеру, который призван подтвердить теоретические аспекты, рассмотренные нами ранее. В качестве экспериментального образца возьмем 2N7002. Такой выбор связан с тем, что 2N7002 — это бесспорный топ, если говорить о популярности и распространенности.

Из документации можно почерпнуть все необходимые данные — предельные значения напряжений и токов, характеристики и т. д., дублировать не буду. Эта статья именно про физические процессы внутри транзистора с изолированным затвором, в ближайшее время разберем пример, где подробнее углубимся в характеристики, расчеты, сопротивления, паразитные диоды и далее по списку.

В контексте данной статьи сразу отметим, что он относится к типу MOSFET с индуцированным каналом. Собираем схему из статьи, без изменений, для случая, когда U_{ЗИ} = 0, U_{СИ} поставим равным 3 В:

Какой ток мы ожидали увидеть? Именно такой, какой и увидели — нулевой, в точности так, как и должно было быть для полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом.

Добавим источник напряжения между затвором и истоком и будем задавать разные значения. Что планируем получить? Четко по графику:

Начиная с некоторого значения U_{ЗИ} (из даташита — в районе 2 В) ток начнет увеличиваться. Проверяем:

Четко, надежно, стабильно ✅ Оставим U_{ЗИ} равным 2.1 В и увеличим U_{СИ}:

Очевидно, что транзистор находится в режиме насыщения, что также соответствует принципу его работы:

На этом на сегодня остановимся. Данный простенький пример подтвердил теорию, что и неудивительно. В следующей части уже рассмотрим расчеты для реальных задач и случаев, не пропустите 🤝

Обозначение, работа, типы и различные пакеты

Силовая электроника Коммутационные компоненты, такие как BJT, MOSFET, IGBT, SCR, TRIAC и т. д., являются важными устройствами, используемыми при разработке многих цепей, начиная от простой схемы драйвера и заканчивая сложными силовыми выпрямителями и инверторами. . Самым основным из них является BJT, и мы уже изучили работу транзисторов BJT. Помимо BJT, широко используемыми силовыми ключами являются полевые МОП-транзисторы. По сравнению с BJT, MOSFET может работать с высоким напряжением и большим током, поэтому он популярен среди приложений с высокой мощностью. В этой статье мы узнаем Основы MOSFET, его внутренняя конструкция, как он работает и как использовать их в ваших схемах. Если вы хотите пропустить теорию, вы можете прочитать статью о популярных полевых МОП-транзисторах и о том, как их использовать, чтобы ускорить процесс выбора деталей и проектирования.

Что такое МОП-транзистор?

MOSFET расшифровывается как Metal Oxide Field Effect Transistor , MOSFET был изобретен для преодоления недостатков полевых транзисторов, таких как высокое сопротивление стока, умеренное входное сопротивление и медленная работа. Таким образом, MOSFET можно назвать усовершенствованной формой FET. В некоторых случаях МОП-транзисторы также называют 9.0003 IGFET (полевой транзистор с изолированным затвором). С практической точки зрения, МОП-транзистор — это устройство, управляемое напряжением, то есть при подаче номинального напряжения на вывод затвора МОП-транзистор начинает проводить ток через выводы стока и истока. Подробности мы узнаем позже в этой статье.

Основное различие между FET и MOSFET заключается в том, что MOSFET имеет электрод затвора из оксида металла, электрически изолированный от основного полупроводника n-каналом или p-каналом тонким слоем диоксида кремния или стекла. Изоляция контролирующих ворот увеличивает входное сопротивление МОП-транзистора до чрезвычайно высокого значения в мегаомах (МОм).

Обозначение полевого МОП-транзистора

Как правило, полевой МОП-транзистор представляет собой четырехвыводное устройство со стоком (D), истоком (S), затвором (G) и корпусом (B)/подложкой. терминалы. Клемма корпуса всегда будет подключена к клемме источника, поэтому полевой МОП-транзистор будет работать как трехконтактное устройство. На изображении ниже символ N-Channel MOSFET показан слева, а символ P-Channel MOSFET показан справа.

Наиболее часто используемым корпусом для MOSFET является корпус To-220, для лучшего понимания давайте взглянем на распиновку знаменитого MOSFET IRF540N (показан ниже). Как видите, выводы Gate, Drain и Source перечислены ниже, помните, что порядок этих выводов будет меняться в зависимости от производителя. Другими популярными МОП-транзисторами являются IRFZ44N, BS170, IRF520, 2N7000 и т. д.

MOSFET в качестве переключателя

Наиболее распространенное применение MOSFET в качестве переключателя. На приведенной ниже схеме показан МОП-транзистор, работающий как переключающее устройство для включения и выключения лампы. Входное напряжение затвора V _GS подается с помощью источника входного напряжения. Когда приложенное напряжение положительное, двигатель будет включен, а если приложенное напряжение равно нулю или отрицательное, лампа будет выключена.

Когда вы включаете полевой МОП-транзистор, подавая требуемое напряжение на контакт затвора, он останется включенным, пока вы не подадите 0 В на затвор. Чтобы избежать этой проблемы, мы всегда должны использовать подтягивающий резистор (R1), здесь я использовал значение 10 кОм. В таких приложениях, как управление скоростью двигателя или диммирование света, мы будем использовать сигнал ШИМ для быстрого переключения, в этом случае емкость затвора MOSFET создаст обратный ток из-за паразитного эффекта. Чтобы решить эту проблему, мы должны использовать токоограничивающий конденсатор, здесь я использовал значение 470.

Вышеупомянутая нагрузка считается резистивной нагрузкой, поэтому схема очень проста, и в случае, если нам нужно использовать индуктивную или емкостную нагрузку, нам нужно использовать какую-то защиту, чтобы предотвратить повреждение МОП-транзистора. Например, если мы используем емкостную нагрузку без электрического заряда, это рассматривается как короткое замыкание, это приведет к высокому «броску» тока, а когда приложенное напряжение снимается с индуктивной нагрузки, будет большое количество обратного напряжения в цепи, когда магнитное поле рушится, это приведет к наведенной обратной ЭДС в обмотке индуктора.

Классификация МОП-транзисторов

МОП-транзисторы подразделяются на два типа в зависимости от типа операций, а именно:

Режим расширения MOSFET (E-MOSFET) и Режим истощения 0 MOSFET (E-MOSFET) эти полевые МОП-транзисторы далее классифицируются на основе материала, из которого они изготовлены, как n-канальные и p-канальные. Итак, в целом существует 4 различных типа МОП-транзисторов

N-канальный режим истощения МОП-транзисторов
Режим истощения P-канала MOSFET
Режим улучшения N-канального МОП-транзистора
Режим расширения P-канала MOSFET

N-канальные МОП-транзисторы называются NMOS и обозначаются следующими символами.

Согласно внутренней конструкции полевого МОП-транзистора, выводы затвора (G), стока (D) и источника (S) физически соединены в МОП-транзисторе с режимом истощения, в то время как в режиме расширения они физически разделены. причина, по которой символ отображается сломанным для полевого МОП-транзистора с режимом улучшения. МОП-транзисторы с P-каналом называются 9.0003 PMOS

и представлены следующими символами.

Из доступных типов N-Channel Enhancement MOSFET является наиболее часто используемым MOSFET. Но ради познания попробуем разобраться в разнице. Основное различие между N-Channel MOSFET и P-Channel MOSFET заключается в том, что в N-канале переключатель MOSFET остается открытым до тех пор, пока не будет подано напряжение затвора. Когда на вывод затвора подается напряжение, переключатель (между стоком и истоком) замыкается, а в P-Channel MOSFET переключатель остается закрытым до тех пор, пока не будет подано напряжение затвора.

Аналогично, основное различие между режимом расширения и режимом истощения MOSFET заключается в том, что напряжение затвора, подаваемое на E-MOSFET, всегда должно быть положительным, и он имеет пороговое напряжение, выше которого он полностью открывается.

Для D-MOSFET напряжение на затворе может быть как положительным, так и отрицательным, и он никогда не открывается полностью. Также обратите внимание, что D-MOSFET может работать в режиме расширения и истощения, а E-MOSFET может работать только в режиме расширения.

Конструкция MOSFET

На изображении ниже показана типичная внутренняя структура MOSFET . Хотя полевой МОП-транзистор является усовершенствованной формой полевого транзистора и работает с теми же тремя выводами, что и полевой транзистор, внутренняя структура полевого МОП-транзистора действительно отличается от обычного полевого транзистора.

Если вы посмотрите на структуру, вы увидите, что клемма затвора закреплена на тонком металлическом слое, который изолирован слоем диоксида кремния (SiO2) от полупроводника, и вы сможете увидеть два полупроводника N-типа закреплены в области канала, где расположены выводы стока и истока. Канал между стоком и истоком полевого МОП-транзистора является N-типом, в противоположность этому подложка выполнена как P-типа. Это помогает смещать МОП-транзистор в обеих полярностях, как положительной, так и отрицательной. Если вывод затвора MOSFET не смещен, он останется в непроводящем состоянии, поэтому MOSFET в основном используется при разработке переключателей и логических элементов.

Принцип работы МОП-транзистора

В общем, МОП-транзистор работает как переключатель, МОП-транзистор управляет напряжением и током между истоком и стоком. Работа МОП-транзистора зависит от МОП-конденсатора , который представляет собой поверхность полупроводника под оксидными слоями между выводами истока и стока. Его можно преобразовать из p-типа в n-тип, просто подав положительное или отрицательное напряжение затвора соответственно. На изображении ниже показана блок-схема MOSFET.

Когда напряжение сток-исток (V _DS ) подключено между стоком и истоком, на сток подается положительное напряжение, а на исток подается отрицательное напряжение. Здесь PN-переход на стоке смещен в обратном направлении, а PN-переход на истоке смещен в прямом направлении. На этом этапе между стоком и истоком не будет никакого тока.

Если подать положительное напряжение (В _GG ) к клемме затвора, из-за электростатического притяжения неосновные носители заряда (электроны) в подложке P начнут накапливаться на контакте затвора, который образует проводящий мост между двумя областями n+. Количество свободных электронов, накопленных на затворном контакте, зависит от силы приложенного положительного напряжения. Чем выше приложенное напряжение, тем больше ширина n-канала, образующегося за счет накопления электронов, это в конечном итоге увеличивает проводимость и ток стока (I _D ) начнет течь между истоком и стоком.

Когда на клемму затвора не подается напряжение, не будет протекать никакого тока, кроме небольшого тока из-за неосновных носителей заряда. Минимальное напряжение, при котором MOSFET начинает проводить ток, называется пороговым напряжением .

Работа полевого МОП-транзистора в режиме истощения:

МОП-транзисторы, работающие в режиме истощения, обычно называют «включенными», поскольку они обычно находятся в закрытом состоянии, когда на клемме затвора отсутствует напряжение смещения. Когда мы увеличиваем приложенное напряжение к затвору в положительном направлении, ширина канала будет увеличиваться в режиме истощения. Это увеличит ток стока I _D через канал. Если приложенное напряжение затвора сильно отрицательное, то ширина канала будет меньше, и полевой МОП-транзистор может войти в зону отсечки.

VI характеристики:

Характеристики V-I полевого МОП-транзистора в режиме обеднения показаны между напряжением сток-исток (V _DS ) и током стока (I _D). Небольшое напряжение на клемме затвора будет контролировать ток, протекающий через канал. Канал, образованный между стоком и истоком, будет работать как хороший проводник с нулевым напряжением смещения на выводе затвора. Ширина канала и ток стока увеличиваются, если на затвор подается положительное напряжение, тогда как они уменьшаются, когда на затвор подается отрицательное напряжение.

Работа полевого МОП-транзистора в расширенном режиме:

Работа полевого МОП-транзистора в расширенном режиме аналогична работе разомкнутого переключателя, он начнет проводить только при положительном напряжении (+В _GS) подается на клемму затвора и через устройство начинает протекать ток стока. Ширина канала и ток стока увеличиваются при увеличении напряжения смещения. Но если приложенное напряжение смещения равно нулю или отрицательно, транзистор сам останется в выключенном состоянии.

Характеристики VI:

Характеристики VI полевого МОП-транзистора в расширенном режиме показаны между током стока (I _D ) и напряжением сток-исток (V _DS ). Характеристики VI разделены на три различных области, а именно омические области, области насыщения и области отсечки. Область отсечки — это область, в которой МОП-транзистор будет находиться в выключенном состоянии, когда приложенное напряжение смещения равно нулю. Когда приложено напряжение смещения, полевой МОП-транзистор медленно переходит в режим проводимости, и медленное увеличение проводимости происходит в омической области. Наконец, в области насыщения постоянно подается положительное напряжение, и МОП-транзистор остается в состоянии проводимости.

Пакеты MOSFET

MOSFET доступны в различных упаковках, размерах и названиях для их использования в различных приложениях. Как правило, МОП-транзисторы поставляются в 4 различных упаковках, а именно для поверхностного монтажа, сквозного монтажа, PQFN и DirectFET. ТО-263, ТО-252, МО-187, СО-8, СОТ-223, СОТ-23, ТСОП-6 и др.

Сквозное отверстие: ТО-262, ТО-251, ТО-274, ТО-220, ТО-247 и т. д.

PQFN: , PQFN 5×6 и т. д.

DirectFET : DirectFET M4, DirectFET MA, DirectFET MD, DirectFET ME, DirectFET S1, DirectFET SH и т. д.

Thin Film Transistor Technologies

Тонкопленочные транзисторные технологии

Плоские дисплеи (FPD) становятся все более распространенными в современном коммерческом электронном устройства. FPD находят широкое применение во многих новых продуктах, таких как сотовые телефоны, персональные цифровые помощники (КПК), видеокамеры и ноутбуки персональные компьютеры (ПК). Это поколение портативной электроники жесткие требования к их дисплеям. Ожидается, что FPD в этих устройствах быть легким, портативным, прочным, маломощным и с высоким разрешением. Дисплеи наличие всех этих атрибутов позволит использовать широкий спектр коммерческих приложений в будущем.

Жидкокристаллические дисплеи с активной матрицей (AMLCD) являются ведущей технологией плоскопанельных дисплеев. Эти дисплеи вездесущи в ноутбуках, часто называемых «TFT с активной матрицей» (аббревиатура от «активная матрица»). тонкопленочный транзистор»). Что именно означает это название?

Отображение состоит из сетки (или матрицы) элементов изображения. («пиксели»). Тысячи или миллионы этих пикселей вместе создают изображение. на дисплее. Тонкопленочные транзисторы (TFT) действуют как переключатели для индивидуального включения каждого пикселя (светлый) или «выключения» (темный). TFT — активные элементы, расположенные в виде матрицы на дисплее. Таким образом название «TFT с активной матрицей».

В большинстве имеющихся на рынке AMLCD в качестве исходного материала используется стекло. в процессе изготовления дисплея. Стекло обладает отличной оптической прозрачностью и совместим с химическими веществами, используемыми в стандартной обработке полупроводников. Тем не менее, стекло имеет нежелательную характеристику, заключающуюся в том, что оно чрезвычайно хрупкое. Поэтому с дисплеями нужно обращаться осторожно, чтобы не сломать их. Однако, если пластик используется в качестве исходного материала для изготовления дисплея, мы можем создать дисплей, который будет не только легким и прочным, но и гибкий. Реализация такой технологии будет иметь значительное влияние на индустрию дисплеев.

Однако изготовление не является тривиальной задачей. дисплеи на пластике. Многие серьезные проблемы возникают, когда пластиковые подложки используются вместо стекла. Исследования в группе TFT направлены на решение и преодоление этих проблем.

Разработка технологии тонкопленочных транзисторов (TFT) для использования с пластиковыми подложками все еще находится в зачаточном состоянии. Существует значительное возможности для улучшения изготовленных при сверхнизких температурах поли-Si TFT. Высокий подвижности, низкие токи утечки и порог напряжения желательны для высокопроизводительных ЖК-приложений с активной матрицей, особенно для интеграция схемы драйвера, но низкие температуры обработки (<150ºC) должны поддерживаться для совместимость с недорогими пластиковыми подложками. В общем, выше характеристики поли-Si TFT достигаются при более высоких температурах изготовления процессы, потому что качество критического интерфейса затвор-диэлектрик очень чувствителен к температуре процесса.

Сверхнизкотемпературный (100ºC) процесс изготовления, будет совместим с гибкими пластиковыми подложками, разрабатывается технологической группой TFT в UCB. Цель состоит в том, чтобы получить поликристаллический кремний. (поли-Si) тонкопленочные транзисторы (TFT) с возможностью управления током намного превосходит обычные TFT на основе аморфного кремния обычно используется в высокопроизводительных жидкокристаллических дисплеях с активной матрицей сегодня. Методы формирования поликремния и затворного диэлектрика исследуются материалы с целью определения оптимального процессов для высокопроизводительных TFT. Различные архитектуры устройств и процессов для достижения низкого тока утечки изучаются. Деградация Производительность TFT при воздействии высокого напряжения смещения будет также охарактеризовать. Чтобы включить моделирование устройств и проектирование схем, физически будет разработана модель на основе сверхнизкотемпературных тонкопленочных транзисторов.

Предоставлено Yeh-Jiun Тунг
Нажмите здесь за статью о производстве кремниевых транзисторов на пластиковых подложках.

Эта работа поддерживается грантом (ECS-9733247) Национального Научный фонд в рамках программы карьерного роста.

Назад на домашнюю страницу Tsu-Jae

Определения терминов

Жидкокристаллические дисплеи (ЖК):

Жидкокристаллические дисплеи с активной матрицей (AMLCD):

Тонкопленочный транзистор (TFT):

Высокая мобильность:

Малые токи утечки:

Пороговые напряжения:

Интеграция схемы драйвера:

TFT на основе аморфного кремния:

Материалы диэлектрика затвора:

Напряжение смещения высокого напряжения:

Физическая модель: