Моп транзисторы: Страница не найдена — Практическая электроника

Содержание

Полевой МОП транзистор – устройство и принцип работы

Содержание статьи

Устройство и основные характеристики МОП-транзисторов

МОП-транзистор (MOSFET, «металл-оксид-полупроводник») – полевой транзистор с изолированным затвором (канал разделен с затвором тонким диэлектрическим слоем). Другое название МОП-транзистора – униполярный. Основные области применения таких приборов – выполнение функций электронного переключателя и усилителя электронных сигналов в старой и современной системотехнике.

Практически все типы MOSFET имеют три вывода:

Исток – источник носителей зарядов. Является аналогом эмиттера в биполярном приборе.

Сток. Служит для приема носителей заряда от истока. Аналог коллектора биполярного транзистора.

Затвор. Выполняет функции управляющего электрода. Аналог в биполярном устройстве – база.

Особая категория – транзисторы с несколькими затворами. Они применяются в цифровой технике для организации логических элементов или в качестве ячеек памяти EEPROM.

 

Основные характеристики униполярных транзисторов, учитываемые при выборе нужного прибора:

управляющее напряжение;

в открытом состоянии – внутреннее сопротивление и наибольшее значение допустимого постоянного тока;

в закрытом состоянии – максимально допустимое напряжение прямого типа.

Отличие униполярных транзисторов от биполярных

МОП-транзистор управляется электрополем, которое создается напряжением, приложенным к затвору относительно истока. Полярность прилагаемого напряжения определяется видом канала транзистора (p или n). В отличие униполярных биполярные транзисторы управляются электрическим током. Ток во всех типах этих полупроводников формируется двумя типами зарядов – электронами и дырками.

Полевые (униполярные) транзисторы в отличие от биполярных обладают меньшими собственными шумами в низкочастотном диапазоне. Это свойство обеспечивает их эффективную работу в звукоусилительных устройствах. MOSFET применяют в микросхемах низкочастотных усилителей в автомобильных проигрывателях.

Типы МОП-транзисторов

Униполярные транзисторы делятся на p-канальные или n-канальные. Они могут иметь:

Собственный (встроенный) канал. Без напряжения канал открыт. Для закрытия канала необходимо подать ток определенной полярности.

Индуцированный (инверсный) канал. При отсутствии приложенного электротока он закрыт. Для его открытия прикладывают напряжение нужной полярности. Для n-канальных транзисторов отпирающим является напряжение, положительное относительно истока. Его величина должна быть больше порогового значения, установленного для данного транзистора. Для p-канальных моделей отпирающим будет отрицательное относительно истока напряжение, приложенное к затвору.

Принцип работы МОП-транзисторов на примере прибора с n-проводимостью

В схему униполярного транзистора с изолированным затвором и n-проводимостью входят:

Кремниевая подложка. В подложке n-типа в узлах кристаллической решетки кремния присутствуют отрицательно заряженные атомы и свободные электроны, что достигается введением специальных примесей.

Диэлектрик. Служит для изоляции кремниевой подложки от электрода затвора. В качестве диэлектрика используется оксид кремния.

В большинстве MOSFET исток транзистора подключается к полупроводниковой подложке. Между стоком и истоком формируется «паразитный» диод. Ликвидировать отрицательные последствия появления такого диода и даже использовать в положительных целях позволяет его подключение анодом к истоку в n-канальных полевых транзисторах, анодом к стоку – в p-канальных приборах.

Принцип работы:

  1. Между затвором и истоком прикладывается плюсовое напряжение к затвору.
  2. Между металлическим выводом затвора и подложкой появляется электрическое поле.
  3. Электрическое поле притягивает к приповерхностному слою диэлектрика свободные электроны, ранее распределенные в кремниевой подложке.
  4. В приповерхностном слое появляется область проводимости (канал) n-типа, состоящая из свободных электронов.
  5. Между выводами стока и истока появляется «мост», проводящий электрический ток.
  6. Проводимость полевого транзистора регулируется величиной внешнего управляющего напряжения. При его снятии проводящий «мостик» исчезнет и прибор закроется.

Аналогично работает МОП-транзистор p-типа. Показанный выше принцип работы является упрощенным. Приборы, используемые на практике в схемотехнике, имеют более сложное устройство и, следовательно, более сложный принцип работы.

Преимущества и недостатки МОП-транзисторов

Униполярные транзисторы имеют довольно широкое распространение в современной системотехнике благодаря ряду преимуществ, среди которых:

  • возможность мгновенного переключения;
  • отсутствие вторичного пробоя;
  • хорошая эффективность работы при низких напряжениях;
  • стабильность при температурных колебаниях;
  • низкий уровень шума при работе;
  • большой коэффициент усиления сигнала;
  • экономичность в плане энергопотребления;
  • меньшее количество технологических операций при построении схем с использованием МОП-транзисторов по сравнению с применением биполярных приборов.

Применение этих приборов ограничивают следующие недостатки:

Важнейший минус – повышенная чувствительность к статическому электричеству. Тонкий слой оксида кремния легко повреждается электростатическими зарядами, поэтому МОП-приборы могут выйти из строя даже при прикосновении к прибору наэлектризованными руками. Современные устройства практически лишены этого недостатка благодаря корпусам, способным минимизировать воздействие статики. Также в них могут интегрироваться защитные устройства по типу стабилитронов.

Появление нестабильности работы при напряжении перегрузки.

Разрушение структуры, начиная от температуры +150 °C. У биполярных приборов критической является температура +200 °C.

Постоянный поиск по получению хороших эксплуатационных свойств высокомощных униполярных транзисторов привел к изобретению гибридного IGBT-транзистора. Эти устройства объединили лучшие качества биполярного и полевых транзисторов.


Была ли статья полезна?

Да

Нет

Оцените статью

Что вам не понравилось?


Анатолий Мельник

Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.


MOSFET транзисторы. Устройство, принцип работы и разновидности.

Полевой транзистор с изолированным затвором

На сегодняшний день, среди достаточного количества разновидностей транзисторов выделяют два класса: p-n — переходные транзисторы (биполярные) и транзисторы с изолированным полупроводниковым затвором (полевые).

Другое название, которое можно встретить при описании полевых транзисторов – МОП (металл – окисел — полупроводник). Обусловлено это тем, что в качестве диэлектрического материала в основном используется окись кремния (SiO

2).

Еще одно, довольно распространенное название – МДП (металл – диэлектрик — полупроводник).

Немного пояснений. Очень часто можно услышать термины MOSFET, мосфет, MOS-транзистор. Данный термин порой вводит в заблуждение новичков в электронике.

Что же это такое MOSFET ?

MOSFET – это сокращение от двух английских словосочетаний: Metal-Oxide-Semiconductor (металл – окисел – полупроводник) и Field-Effect-Transistors (транзистор, управляемый электрическим полем). Поэтому MOSFET – это не что иное, как обычный МОП-транзистор.

Думаю, теперь понятно, что термины мосфет, MOSFET, MOS, МДП, МОП обозначают одно и тоже, а именно полевой транзистор с изолированным затвором.

Внешний вид одного из широко распространённых мосфетов — IRFZ44N.

Стоит помнить, что наравне с аббревиатурой MOSFET применяется сокращение J-FET (Junction – переход). Транзистор J-FET также является полевым, но управление им осуществляется за счёт применения в нём управляющего p-n перехода. В отличие от MOSFET’а, J-FET имеет немного иную структуру.

Принцип работы полевого транзистора.

Суть работы полевого транзистора заключается в возможности управления протекающим через него током с помощью электрического поля (напряжения). Этим он выгодно отличается от транзисторов биполярного типа, где управление большим выходным током осуществляется с помощью малого входного тока.

Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором.

Взглянем на упрощённую модель полевого транзистора с изолированным затвором (см. рис.). Поскольку мосфеты бывают с разным типом проводимости (n или p), то на рисунке изображён полевой транзистор с изолированным затвором и каналом n-типа.


Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором

Основу МДП-транзистора составляет:

  • Подложка из кремния. Подложка может быть как из полупроводника p-типа, так и n-типа. Если подложка p-типа, то в полупроводнике в большей степени присутствуют положительно заряженные атомы в узлах кристаллической решётки кремния. Если подложка имеет тип n, то в полупроводнике в большей степени присутствуют отрицательно заряженные атомы и свободные электроны. В обоих случаях формирование полупроводника p или n типа достигается за счёт введения примесей.

  • Области полупроводника n+. Данные области сильно обогащены свободными электронами (поэтому «+»), что достигается введением примеси в полупроводник. К данным областям подключаются электроды истока и стока.

  • Диэлектрик. Он изолирует электрод затвора от кремниевой подложки. Сам диэлектрик выполняют из оксида кремния (SiO2). К поверхности диэлектрика подключен электрод затвора – управляющего электрода.

Теперь в двух словах опишем, как это всё работает.

Если между затвором и истоком приложить напряжение плюсом (+) к выводу затвора, то между металлическим выводом затвора и подложкой образуется поперечное электрическое поле. Оно в свою очередь начинает притягивать к приповерхностному слою у диэлектрика отрицательно заряженные свободные электроны, которые в небольшом количестве рассредоточены в кремниевой подложке.

В результате в приповерхностном слое скапливается достаточно большое количество электронов и формируется так называемый канал – область проводимости. На рисунке канал показан синим цветом. То, что канал типа n – это значит, что он состоит из электронов. Как видим между выводами истока и стока, и собственно, их областями n+ образуется своеобразный «мостик», который проводит электрический ток.

Между истоком и стоком начинает протекать ток. Таким образом, за счёт внешнего управляющего напряжения контролируется проводимость полевого транзистора. Если снять управляющее напряжение с затвора, то проводящий канал в приповерхностном слое исчезнет и транзистор закроется – перестанет пропускать ток. Следует отметить, что на рисунке упрощённой модели показан полевой транзистор с каналом n-типа. Также существуют полевые транзисторы с каналом p-типа.

Показанная модель является сильно упрощённой. В реальности устройство современного MOS-транзистора гораздо сложнее. Но, несмотря на это, упрощённая модель наглядно и просто показывает идею, которая была заложена в его устройство.

Кроме всего прочего полевые транзисторы с изолированным затвором бывают обеднённого и обогащённого типа. На рисунке показан как раз полевой транзистор обогащённого типа – в нём канал «обогащается» электронами. В мосфете обеднённого типа в области канала уже присутствуют электроны, поэтому он пропускает ток уже без управляющего напряжения на затворе. Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов обеднённого и обогащённого типа существенно различаются.

О различии MOSFET’ов обогащённого и обеднённого типа можно прочесть тут. Там же показано, как различные МОП-транзисторы обозначаются на принципиальных схемах.

Нетрудно заметить, что электрод затвора и подложка вместе с диэлектриком, который находится между ними, формирует своеобразный электрический конденсатор. Обкладками служат металлический вывод затвора и область подложки, а изолятором между этими электродами – диэлектрик из оксида кремния (SiO2). Поэтому у полевого транзистора есть существенный параметр, который называется ёмкостью затвора.

Об остальных важных параметрах мосфетов я уже рассказывал на страницах сайта.

Полевые транзисторы в отличие от биполярных обладают меньшими собственными шумами на низких частотах. Поэтому их активно применяют в звукоусилительной технике. Так, например, современные микросхемы усилителей мощности низкой частоты для автомобильных CD/MP3-проигрывателей имеют в составе MOSFET’ы. На приборной панели автомобильного ресивера можно встретить надпись “Power MOSFET” или что-то похожее. Так производитель хвастается, давая понять, что он заботится не только о мощности, но и о качестве звука.

Полевой транзистор, в сравнении с транзисторами биполярного типа, обладает более высоким входным сопротивлением, которое может достигать 10 в 9-й степени Ом и более. Эта особенность позволяет рассматривать данные приборы как управляемые потенциалом или по-другому — напряжением. На сегодня это лучший вариант создания схем с достаточно низким потреблением электроэнергии в режиме статического покоя. Данное условие особенно актуально для статических схем памяти имеющих большое количество запоминающих ячеек.

Если говорить о ключевом режиме работы транзисторов, то в данном случае биполярные показывают лучшую производительность, так как падение напряжений на полевых вариантах очень значительно, что снижает общую эффективность работы всей схемы. Несмотря на это, в результате развития технологии изготовления полупроводниковых элементов, удалось избавиться и от этой проблемы. Современные образцы обладают малым сопротивлением канала и прекрасно работают на высоких частотах.

В результате поисков по улучшению характеристик мощных полевых транзисторов был изобретён гибридный электронный прибор – IGBT-транзистор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного. Подробнее о IGBT-транзисторе можно прочесть здесь.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Биполярный или МОП-транзистор – приложение диктует выбор — Компоненты и технологии

В последние годы, благодаря большим инвестициям и энергичному продвижению на рынок, технология МОП-транзисторов развилась до такой степени, что многие разработчики считают технологию и производство биполярных транзисторов устаревшей. Но между тем технология биполярных транзисторов продолжает развиватся, конкурирует, а в рде приложений и превосходит МОП-технологию. Именно поэтому очень важно сравнить характеристики и выявить преимущества каждой из технологий.

Основная характеристика, которой разработчики уделяют очень большое внимание — это сопротивление открытого канала при напряжении пробоя. Благодаря технологии производства МОП-транзисторов Trench появилась возможность создавать очень низкое сопротивление канала за счет его высокой плотности. Это позволило существенно улучшить характеристики транзисторов с низким напряжением пробоя, но тем не менее электрический ток остается сконцентрированным в узких областях канала. МОП-транзисторы с высокими напряжениями также зависят от высоких сопротивлений слаболегированных стоковых областей таким образом, что сопротивление канала возрастает при увеличении напряжения пробоя:

При одинаково заданных условиях нет ничего удивительного в том, что биполярные транзисторы превосходят МОП-транзисторы, если говорить в понятиях сопротивления в открытом состоянии на единицу площади кристалла (удельное сопротивление, рис. 1). При оптимизации технологического процесса биполярного транзистора напряжение смещения и ток равномерно распределяются по всей площади кристалла. При этом достигается максимальная эффективность используемого кремния. Более того, биполярные транзисторы имеют дополнительное преимущество при их работе в качестве ключа в насыщении благодаря модуляции проводимости в активной коллекторной зоне, что значительно снижает их сопротивление Rce(sat). МОП-транзисторы не обладают ни одним схожим свойством, что дает биполярным транзисторам неоспоримое преимущество. На графике (рис. 2) отражена зависимость между напряжением пробоя и напряжением насыщения для третьего поколения транзисторов Zetex:

Разница в величине экспоненты в формулах 1 и 2 доказывает преимущество биполярных транзисторов перед МОП-транзисторами в отношении удельного сопротивления при увеличении напряжений пробоя. Например, NPN-транзистор FMMT459 фирмы Zetex c номинальным напряжением 450 В имеет максимальный ток 150 мА при типовом значении сопротивления Rce(sat) только 1,4 Ом, что позволяет использовать корпус SOT-23. Схожий по классу МОП-транзистор имеет настолько высокое сопротивление и низкую плотность тока, что для него необходимо использовать корпус типа D-PAK, чтобы поместить кристалл кремния необходимой площади и достичь требуемых параметров. Также необходимо помнить, что биполярные транзисторы блокируют напряжение в двух направлениях, что задается их характеристиками BVebo и BVeco. И в тех случаях, когда требуется двусторонняя блокировка, это свойство биполярных транзисторов исключает необходимость использования дополнительных элементов, таких, как последовательный диод или компенсирующая пара МОП-транзисторов, что снижает дополнительные потери (см. пример 1).

Зависимость сопротивления от температуры — другой важный фактор в определении токовой характеристики силового ключа. Поскольку с изменением температуры коэффициент усиления биполярного транзистора увеличивается и снижается значение Vbe, которое является составляющей Vce(sat), то происходит увеличение сопротивления Rce(sat) биполярного транзистора, которое в общем случае составляет половину аналогичного сопротивления Rds(on) МОП-транзистора. Данная характеристика позволяет биполярным транзисторам быть более холодными при высоком непрерывном токе по сравнению с МОП-транзисторами в сопоставимых областях кристалла.

Требования по управлению биполярными и МОП-транзисторами различны. Поэтому при сравнении двух технологий необходимо обращать на это внимание. Например, биполярные транзисторы требуют соответствующего тока базы, чтобы достигнуть наиболее низкого значения Rce(sat), а потери на базе должны учитываться при расчете рассеиваемой мощности. Приборы с высоким коэффициентом усиления минимизируют такие потери, и тот факт, что для открытия биполярного транзистора требуется менее одного вольта, и что он обладает лучшей температурной стабильностью, позволяет использовать его в низковольтных приборах и приборах с батарейным питанием. В свою очередь, для МОП-транзистора требуется ток затвора только лишь для заряда и разряда затворной емкости. Но величина напряжения на затворе является критичной для достижения наиболее низкого значения Rds(on), и сопротивление канала очень быстро возрастает, когда напряжение на затворе приближается к пороговому значению. Исходя из сказанного выше, для наиболее качественного сравнения этих двух типов приборов были выбраны управляющие токи и напряжения, при которых достигаются наилучшие параметры обеих технологий, что отражено на рис. 1.

МОП-транзисторы могут переключаться при частотах свыше 1 МГц за счет высокотоковой схемы управления, которая заряжает и разряжает паразитные емкости. Очень часто для управления МОП-транзисторами используются биполярные транзисторы, которые могут обеспечить необходимый управляющий ток и высокую частоту переключения (см. пример 2). Однако когда биполярный транзистор работает как ключ по насыщению, то накопление и удаление остаточного заряда в процессе каждого цикла переключения увеличивает время включениявыключения, что ограничивает частоту до нескольких сотен килогерц.

МОП-транзисторы чувствительны к электростатическому заряду, особенно когда он является причиной превышения допустимого напряжения. При хорошей качественной сборке существует возможность минимизировать, но не избежать потенциальных отказов из-за этого. Биполярный транзистор является более устойчивым и не испытывает трудностей при прохождении стандартного ESD-теста.

И последнее: многие из обсуждаемых здесь факторов влияют на общую стоимость схемы. Понимая все преимущества и недостатки каждой технологии, можно сделать соотношение «цена — качество» максимальным. В таблице 1 приведены ключевые параметры биполярных и МОП-транзисторов.

Таблица 1. Сравнение параметров между МОП и биполярными транзисторами

Пример 1. Зарядное устройство батареи

Линейные зарядные устройства просты в исполнении, малы по размерам и не создают никаких электромагнитных помех (EMI), что дает им право быть использованными в системах с критичными требованиями по шумам. В них используется внешний пассивный элемент, на котором происходит падение разницы напряжений между напряжением источника питания и напряжением батареи, что приводит к большой рассеиваемой мощности. Ниже представлена схема такого устройства с использованием транзистора ZXT13P20 (Zetex). Потери мощности на транзисторе определяются потерями на коллектор-эммитере.

где VSENSE = ICHG × RCHG.

Критерии выбора элементов для схемы включают в себя значение максимального протекающего тока, коэффициент усиления по току, цену и потери на корпусе. Биполярные PNP-транзисторы являются приоритетными в приложениях такого типа из-за их способности блокировать напряжение в двух направлениях. МОП-транзистору необходимо последовательное подключение диода Шотки для предотвращения утечки тока в обратном направлении через его внутренний диод.

Пример 2. Схема управления МОП-транзистора

Высокотоковые МОП-транзисторы с низким Rds(on) обладают затворными емкостями, которые требуют высокого управляющего тока для работы на высоких частотах. Обычно управляющее устройство питает МОП-транзистор через резистор, поэтому напряжение на затворе имеет характеристику с постоянной времени RC. Это время должно быть достаточно мало, чтобы находиться в линейной зоне для избежания дополнительных потерь, но и не настолько коротким, чтобы спровоцировать электромагнитные помехи.

Средняя величина тока затвора во время включения может быть вычислена по формуле:

Ig = Q/t,

где Ig — средняя величина тока затвора; Q — суммарный заряд затвора (Qgs + Qgd) ; t — время переключения (ton или toff).

Например, суммарный заряд для МОП-транзистора с типичными параметрами 100 В, 35 мОм составляет примерно 50 нКл, поэтому для того, чтобы переключить такой транзистор за 20 нс, необходимо на затворе иметь ток 2,5 А.

В качестве устройства управления МОП-транзистором могут быть использованы специализированные ИС, логические ИС, дискретные МОП и биполярные транзисторы. Критерии выбора включают скорость переключения, мощность тока, коэффициент усиления по току, цену и размер. В этом смысле биполярные транзисторы являются наиболее подходящими, так как обладают способностью быстро переключаться в линейной области. Они также обладают высоким импульсным током, малыми размерами и ценой.

Одним из наиболее популярных и разумных по цене устройств является биполярное безинверторное двухполюсное управление.

Если при частоте 1 МГц (см. пример 2) МОП-транзистор начинает переключаться при напряжении от 5 В, то мощность рассеяния в каждом управляющем транзисторе рассчитывается так:

Допуская, что величина тока базы зависит от управляющего напряжения Vdrive, общие потери управляющей цепи составляют

И это при двух устройствах, рассеивающих только 256 мВт. В этом случае объединение двух транзисторов в одном корпусе является идеальным решением от производителей, таких, как Zetex.

МОЩНЫЕ МОП-ТРАНЗИСТОРЫ

Мощные МОП (металл-окисел-полупроводник) полевые транзисторы в значительной степени отличаются от биполярных принципом работы и характеристиками. Они характеризуются меньшим временем срабатывания, более простыми схемами управления, отсутствием влияния механизмов вторичного пробоя, возможностью параллельного включения, стабильным усилением и временем отклика в широком диапазоне рабочих температур.

Основные параметры

Обычный n-p-n биполярный транзистор является трехвыводным (база, эмиттер, коллектор) прибором с токовым управлением. Биполярные транзисторы работают на основе механизма переноса и рекомбинации неосновных носителей заряда. Отрицательной стороной рекомбинации является ограниченная рабочая частота прибора. Благодаря токовому управлению переходом база-эмиттер схема управления биполярным транзистором должна обладать малым сопротивлением нагрузки. В большинстве мощных схем требование низкого импеданса существенно усложняет схему управления транзистором.

Мощные МОП транзисторы управляются напряжением на затворе, электрически изолированном от канала тонким слоем двуокиси кремния ( Рис. 1а ). МОП-транзистор работает на основе переноса основных носителей заряда и поэтому обладает значительно большим быстродействием чем биполярный транзистор. Положительное напряжение, приложенное к затвору МОП транзистора с каналом n-типа, создает электрическое поле в области канала под затвором. Подзатворный p-слой изменяет тип проводимости на n- тип, как показано на Рис. 1б . Этот эффект поверхностной инверсии вызывает протекание электрического тока между областями стока и истока n типа проводимости. Область между стоком и истоком можно представить в виде нелинейного резистора.

Шпаргалка в картинках по использованию MOSFET’ов

Не знаю, как вы, а я лично постоянно забываю, где у полевых МОП-транзисторов (a.k.a MOSFET) находится сток и исток, а также как их использовать в зависимости от того, имеет ли данный МОП-транзистор N-канал или P-канал. Поэтому я решил сделать себе небольшую шпаргалку, ну и заодно поделиться ею с вами. Я также подготовил упрощенную PDF-версию этого поста, которую можно распечатать на половине листа A4 и повесить на стену.

Итак, у МОП-транзисторов три ноги, называемые затвором (gate), истоком (source) и стоком (drain):

Такое расположение верно для большинства полевых МОП-транзисторов в корпуске TO-220, в частности IRF3205 и IRF4905. При использовании незнакомого полевика, естественно, следует свериться с его даташитом.

Типичное использование:

Транзистор с N-каналом подключается, что называется, в нижнем плече (low-side), а с P-каналом — в верхнем плече (high-side). По такой схеме полевые транзисторы используются для нагрева паяльника, управления двигателями, и так далее.

Fun fact! На самом деле, полевые транзисторы разделяют еще на две категории: enhancement mode и depletion mode. Последние встречаются существенно реже и обычно являются N-канальными. Поэтому в данном посте речь идет об enhancement mode MOSFET’ах. Для depletion mode справедливо все тоже самое, только на картинке нужно поменять ON и OFF местами. При работе с незнакомым полевым транзистором, стоит проверить, к какому типу он относится.

Также МОП-транзисторы могут быть использованы для защиты от переполюсовки:

В приведенной схеме падение напряжения практически нулевое, чего нельзя достичь при помощи обычных блокирующих диодов. Это может быть особенно важно в проектах, питающихся от аккумулятора. Заметьте, что сток и исток располагаются с точностью до наоборот по сравнению с тем, как их хочется расположить, исходя из предыдущей схемы.

Стоит также отметить еще одно интересное свойство MOSFET’ов. Допустим, вам нужно управлять большим током, чем тот, на который рассчитан имеющийся у вас MOSFET. В этом случае ничто не мешает взять несколько штук и соединить их параллельно. Тогда ток будет автоматически распределен между ними поровну.

Дополнительные материалы:

Такая вот получилась шпаргалка. Если вам есть, что к ней добавить, не стесняйтесь оставлять комментарии.

Дополнение: Еще вас могут заинтересовать следующие схемы на основе полевых МОП-транзисторов: автоматическая регулировка усиления (АРУ), ВЧ усилители на 5 Вт и 10 Вт, схема ограничения по току, а также схема переключения RX/TX для трансивера.

Метки: Электроника.

P Канал Одиночные МОП-транзисторы | Farnell Россия

STP10P6F6

2807209

Силовой МОП-транзистор, P Канал, 60 В, 10 А, 0.13 Ом, TO-220AB, Through Hole

STMICROELECTRONICS

Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука

P Канал 10А 60В 0.13Ом 10В Through Hole TO-220AB 30Вт 3вывод(-ов) 175°C STripFET F6
SQ2301ES-T1_GE3

2889707

Силовой МОП-транзистор, P Канал, 20 В, 3.9 А, 0.08 Ом, SOT-23, Surface Mount

VISHAY

Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки
P Канал 3.9А 20В 0.08Ом 4.5В Surface Mount 1.5В SOT-23 3Вт 3вывод(-ов) 175°C TrenchFET AEC-Q101
SIRA01DP-T1-GE3

2846630

Силовой МОП-транзистор, P Канал, 30 В, 60 А, 0.0041 Ом, PowerPAK SO, Surface Mount

VISHAY

Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки
P Канал 60А 30В 0.0041Ом 10В Surface Mount 2.2В PowerPAK SO 62.5Вт 8вывод(-ов) 150°C TrenchFET Gen IV
RQ5A020ZPTL

2948668

Силовой МОП-транзистор, P Канал, 12 В, 2 А, 0.075 Ом, SOT-346T, Surface Mount

ROHM

Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки
P Канал 12В 0.075Ом 4.5В Surface Mount SOT-346T 1Вт 3вывод(-ов) 150°C
IRF7416TRPBF

3132245

Силовой МОП-транзистор, P Канал, 30 В, 10 А, 0.02 Ом, SOIC, Surface Mount

INFINEON

Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки
P Канал 10А 30В 0.02Ом 10В Surface Mount 2.04В SOIC 2.5Вт 8вывод(-ов) 150°C HexFET
SISH625DN-T1-GE3

3019136

Силовой МОП-транзистор, P Канал, 30 В, 35 А, 0.0056 Ом, PowerPAK 1212, Surface Mount

VISHAY

Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки
P Канал 35А 30В 0.0056Ом 10В Surface Mount 2.5В PowerPAK 1212 52Вт 8вывод(-ов) 150°C TrenchFET
VP2110K1-G

2857808

Силовой МОП-транзистор, P Канал, 100 В, 120 мА, 9 Ом, SOT-23, Surface Mount

MICROCHIP

Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки
P Канал 120мА 100В 9Ом 10В Surface Mount 3.5В SOT-23 360мВт 3вывод(-ов) 150°C
LP0701N3-G

2851547

Силовой МОП-транзистор, P Канал, 16.5 В, 500 мА, 1.3 Ом, TO-92, Through Hole

MICROCHIP

Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука

P Канал 500мА 16.5В 1.3Ом Through Hole 700мВ TO-92 1Вт 3вывод(-ов) 150°C
IRF9383MTRPBF

2781122

Силовой МОП-транзистор, P Канал, 30 В, 22 А, 0.0023 Ом, DirectFET MX, Surface Mount

INFINEON

Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки
P Канал 22А 30В 0.0023Ом 10В Surface Mount 1.8В DirectFET MX 113Вт 5вывод(-ов) 150°C HEXFET
TP2104N3-G

2775067

Силовой МОП-транзистор, P Канал, 40 В, 175 мА, 6 Ом, TO-92, Through Hole

MICROCHIP

Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука

P Канал 175мА 40В 6Ом 10В Through Hole TO-92 740мВт 3вывод(-ов) 150°C
VP3203N3-G

2810154

Силовой МОП-транзистор, режим обогащения, P Канал, 30 В, 650 мА, 0.6 Ом, TO-92, Through Hole

MICROCHIP

Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука

P Канал 650мА 30В 0.6Ом 10В Through Hole 3.5В TO-92 740мВт 3вывод(-ов) 150°C
NTB25P06T4G

2845365

Силовой МОП-транзистор, P Канал, 60 В, 27.5 А, 0.07 Ом, TO-263 (D2PAK), Surface Mount

ONSEMI

Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

P Канал 27.5А 60В 0.07Ом 10В Surface Mount 2.8В TO-263 (D2PAK) 120Вт 3вывод(-ов) 175°C
FDMS86263P

2822538

Силовой МОП-транзистор, P Канал, 150 В, 22 А, 0.042 Ом, Power 56, Surface Mount

ONSEMI

Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки
P Канал 22А 150В 0.042Ом 10В Surface Mount 2.9В Power 56 104Вт 8вывод(-ов) 150°C PowerTrench
STD28P3LLH6AG

3132723

Силовой МОП-транзистор, P Канал, 30 В, 12 А, 0.027 Ом, TO-252 (DPAK), Surface Mount

STMICROELECTRONICS

Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки
P Канал 12А 30В 0.027Ом 10В Surface Mount 2.5В TO-252 (DPAK) 33Вт 3вывод(-ов) 150°C STripFET H6 AEC-Q101
IRF7420TRPBF

2777391

Силовой МОП-транзистор, P Канал, 12 В, 11.5 А, 0.014 Ом, SOIC, Surface Mount

INFINEON

Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки
P Канал 11.5А 12В 0.014Ом 4.5В Surface Mount 900мВ SOIC 2.5Вт 8вывод(-ов) 150°C HEXFET
AUIRFR6215

3514400

Силовой МОП-транзистор, P Канал, 150 В, 13 А, 0.295 Ом, TO-252 (DPAK), Surface Mount

INFINEON

Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука

P Канал 13А 150В 0.295Ом 10В Surface Mount TO-252 (DPAK) 110Вт 3вывод(-ов) 175°C HexFET AEC-Q101
XP222P0801TR-G

3577859

Силовой МОП-транзистор, P Канал, 20 В, 800 мА, 0.3 Ом, SOT-23, Surface Mount

TOREX

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

P Канал 800мА 20В 0.3Ом 4.5В Surface Mount 800мВ SOT-23 400мВт 3вывод(-ов) 150°C XP222P0801xx-G
BS250P

3405170

Силовой МОП-транзистор, P Канал, 45 В, 230 мА, 14 Ом, E-Line, Through Hole

DIODES INC.

Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки
P Канал 230мА 45В 14Ом 10В Through Hole 3.5В E-Line 700мВт 3вывод(-ов) 150°C
BUK6Y24-40PX

3438515

Силовой МОП-транзистор, P Канал, 40 В, 39 А, 0.019 Ом, LFPAK56, Surface Mount

NEXPERIA

Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки
P Канал 39А 40В 0.019Ом 10В Surface Mount LFPAK56 66Вт 4вывод(-ов) 175°C AEC-Q101
IPB80P03P4L07ATMA2

3290155

Силовой МОП-транзистор, P Канал, 30 В, 80 А, 0.0056 Ом, TO-263 (D2PAK), Surface Mount

INFINEON

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки
P Канал 80А 30В 0.0056Ом 10В Surface Mount 1.5В TO-263 (D2PAK) 88Вт 3вывод(-ов) 175°C OptiMOS-P2 AEC-Q101
ISS17EP06LMXTSA1

3267800

Силовой МОП-транзистор, P Канал, 60 В, 300 мА, 1.356 Ом, SOT-23, Surface Mount

INFINEON

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки
P Канал 300мА 60В 1.356Ом 10В Surface Mount 1.5В SOT-23 360мВт 3вывод(-ов) 150°C OptiMOS
FQD8P10TM-F085

3368810

Силовой МОП-транзистор, P Канал, 100 В, 6.6 А, 0.41 Ом, TO-252 (DPAK)

ONSEMI

Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки
P Канал 6.6А 100В 0.41Ом 10В TO-252 (DPAK) 44Вт 3вывод(-ов) 150°C AEC-Q101
ISP25DP06LMXTSA1

3267795

Силовой МОП-транзистор, P Канал, 60 В, 1.9 А, 0.177 Ом, SOT-223, Surface Mount

INFINEON

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки
P Канал 1.9А 60В 0.177Ом 10В Surface Mount 1.5В SOT-223 5Вт 4вывод(-ов) 150°C OptiMOS
PMV65XPER

3440080

Силовой МОП-транзистор, P Канал, 20 В, 2.8 А, 0.067 Ом, TO-236AB, Surface Mount

NEXPERIA

Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

Варианты упаковки
P Канал 2.8А 20В 0.067Ом 4.5В Surface Mount TO-236AB 480мВт 3вывод(-ов) 150°C
XP221P0501TR-G

3577852

Силовой МОП-транзистор, P Канал, 20 В, 500 мА, 0.6 Ом, SOT-23, Surface Mount

TOREX

Штука (Поставляется на разрезной ленте)

Разрезная лента

P Канал 500мА 20В 0.6Ом 4.5В Surface Mount 800мВ SOT-23 400мВт 3вывод(-ов) 150°C XP221P0501xx-G

Сравнение отклика МОП-транзистора на воздействие рентгеновского и гамма-облучения | Мокрушина

1. Таперо К. И., Улимов В. Н., Членов А. М. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. 305 с.

2. Першенков В. С. Попов В. Д., Шальнов А. В. Поверхностные радиационные эффекты в элементах электронных микросхем. М.: Энергоатомиздат, 1988. 256 с.

3. Гуртов В. А. Влияние ионизирующего излучения на свойства МДП-приборов // Обзоры по электронной технике. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. ЦНИИ Электроника. М., 1978. Вып.14. № 505. С. 3–31.

4. Чумаков А. И. Действие космической радиации на интегральные схемы. М.: Радио и связь, 2004, 320 с.

5. Александров О. В., Мокрушина С. А. Модель накопления зарядов в n- и p-МОП-транзисторах при туннельной инжекции электронов из затвора // Физика и техника полупроводников. 2018. Вып. 6. С. 637–642. doi: 10.21883/FTP.2018.06.45929.8717

6. Александров О. В. Влияние смещения на поведение МОП-структур при ионизирующем облучении // Физика и техника полупроводников. 2015. Т. 49, вып. 6. С. 793–798.

7. Benedetto J. M., Boesch H. E. The relationship between 60Co and 10 keV X-ray damage in MOS devices // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1986. Vol. NS-33, № 6. P. 1318–1923.

8. Поверхностные радиационные эффекты в интегральных схемах / А. В. Согоян, Г. И. Зебрев, А. Ю. Никифоров, B. C. Першенков, А. И. Чумаков // Модель космоса: в 2 т. Т. 1: Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов / под ред. Л. И. Панасюка и Л. С. Новикова. Гл. 1.18. М.: КДУ, 2007. С. 466–493.

9. Sensitivity of P-Channel MOSFET to X- and GammaRay Irradiation / M. Pejovic, O. Ciraj-Bjelac, M. Kovacevic, Z. Rajovic, G. Ilic // Intern. J. of Photoenergy. 2013. Art. 158403. 7 p. doi: 10.1155/2013/158403

10. Чжо Ко Вин. Применение ионизирующего излучения для ускоренных испытаний МОП интегральных схем // Электронная техника. Сер. Полупроводниковые приборы. 2012. № 1 (228). С. 54–56.

11. Прогнозирование локальных радиационных эффектов в ИС при воздействии факторов космического пространства / А. И. Чумаков, А. Л. Васильев, А. А. Козлов, Д. О. Кольцов, А. В. Криницкий, А. А. Печен кин, А. С. Тарараксин, А. В. Яненко // Микроэлектроника. 2010. Т. 39, № 2. С. 85–90.

12. Барабан А. П., Булавинов В. В., Коноров П. П. Электроника слоев SiO2 на кремнии. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та. 1988. 304 с.

13. Романов Н. М., Мокрушина С. А. Влияние гамма-облучения на МДП-структуры с тонким оксидом Al2O3 // Перспективные материалы. 2018. № 2. C. 17– 24. https://doi.org/10.30791/1028-978X-2018-2-17-22

14. Коршунов Ф. П., Богатырев Ю. В., Вавилов В. А. Воздействие радиации на интегральные микросхемы. Минск: Наука и техника, 1986. 254 с.

15. Fleetwood D. M. Dual-transistor method to determine threshold-voltage shifts due to oxide-trapped charge and interface-traps in metal-oxide semiconductor devices // Appl. Phys. Lett. 1989. Vol. 55, iss. 5. P. 466–468. doi: 10.1063 /1.101854

16. Oldham T. R., McLean F. B. Total ionizing dose effects in MOS oxides and devices // IEEE Trans. Nuclear Science. 2003. Vol. 50, № 3. P. 483–499. doi: 10.1109/TNS.2003.812927

17. Лазарь А. П., Коршунов Ф. П. Моделирование радиационной стойкости элементов логических КМОП интегральных схем // Докл. БГУИР. 2013. № 5. С. 17–23.

MOSFET и Metal Oxide Semiconductor Учебное пособие

Помимо полевого транзистора Junction (JFET), существует еще один тип полевого транзистора, вход затвора которого электрически изолирован от основного токоведущего канала и поэтому называется полевым транзистором с изолированным затвором .

Наиболее распространенный тип полевого транзистора с изолированным затвором, который используется во многих различных типах электронных схем, называется полевым транзистором Metal Oxide Semiconductor или для краткости MOSFET .

IGFET или MOSFET — это полевой транзистор с управляемым напряжением, который отличается от JFET тем, что имеет металлический оксидный электрод затвора, который электрически изолирован от основного полупроводникового n-канала или p-канала очень высокой тонкий слой изоляционного материала обычно диоксида кремния, широко известного как стекло.

Этот ультратонкий изолированный металлический электрод затвора можно рассматривать как одну пластину конденсатора. Изоляция управляющего затвора делает входное сопротивление полевого МОП-транзистора чрезвычайно высоким в области мегомов (МОм), что делает его почти бесконечным.

Поскольку вывод затвора электрически изолирован от основного токоведущего канала между стоком и истоком, «ток не течет в затвор», и, как и полевой транзистор, полевой МОП-транзистор также действует как резистор, управляемый напряжением, где ток течет через основной канал между стоком и источником пропорционален входному напряжению. Также, как и JFET, полевые МОП-транзисторы с очень высоким входным сопротивлением могут легко накапливать большие количества статического заряда, в результате чего полевой МОП-транзистор легко повреждается, если не обращаться с ним и не защищать его.

Как и в предыдущем руководстве по JFET, полевые МОП-транзисторы представляют собой три оконечных устройства с затвором, стоком и истоком, и доступны полевые МОП-транзисторы с P-каналом (PMOS) и N-каналом (NMOS). Основное отличие на этот раз состоит в том, что полевые МОП-транзисторы доступны в двух основных формах:

  • Тип истощения — транзистору требуется напряжение затвор-исток (В GS ) для выключения устройства. MOSFET в режиме истощения эквивалентен «нормально замкнутому» переключателю.
  • Тип расширения — транзистору требуется напряжение затвор-исток (В GS ) для включения устройства.MOSFET в режиме улучшения эквивалентен переключателю «Нормально разомкнутый».

Символы и базовая конструкция для обеих конфигураций полевых МОП-транзисторов показаны ниже.

Четыре символа полевого МОП-транзистора выше показывают дополнительную клемму, называемую подложкой, которая обычно не используется как входное или выходное соединение, а вместо этого используется для заземления подложки. Он подключается к основному полупроводниковому каналу через диодный переход с корпусом или металлическим выводом полевого МОП-транзистора.

Обычно в полевых МОП-транзисторах дискретного типа этот вывод подложки подключается внутри к клемме истока. В этом случае, например, в типах улучшения, он опускается в символе для пояснения.

Линия в символе полевого МОП-транзистора между стоком (D) и истоком (S) представляет собой полупроводниковый канал транзистора. Если эта линия канала является сплошной непрерывной линией, то она представляет МОП-транзистор типа «истощение» (нормально включенный), поскольку ток стока может протекать с нулевым потенциалом смещения затвора.

Если линия канала показана пунктирной или пунктирной линией, то она представляет МОП-транзистор типа «улучшенный» (обычно выключенный), поскольку ток нулевого стока протекает с нулевым потенциалом затвора. Направление стрелки, указывающей на эту линию канала, указывает, является ли проводящий канал полупроводниковым устройством P-типа или N-типа.

Базовая структура и обозначение полевого МОП-транзистора

Конструкция полевого транзистора из оксида металла и полупроводника сильно отличается от конструкции полевого транзистора с переходом.Как истощающие, так и улучшающие МОП-транзисторы используют электрическое поле, создаваемое напряжением затвора, для изменения потока носителей заряда, электронов для n-канала или дырок для P-канала, через полупроводниковый канал сток-исток. Электрод затвора помещен поверх очень тонкого изолирующего слоя, и есть пара небольших областей n-типа прямо под электродами стока и истока.

В предыдущем уроке мы видели, что затвор полевого транзистора JFET должен быть смещен таким образом, чтобы вызвать обратное смещение pn-перехода.Для устройства MOSFET с изолированным затвором такие ограничения не применяются, поэтому можно смещать затвор MOSFET с любой полярностью, положительной (+ ve) или отрицательной (-ve).

Это делает полевые МОП-транзисторы особенно ценными в качестве электронных переключателей или для создания логических вентилей, потому что без смещения они обычно не проводят ток, а это высокое входное сопротивление затвора означает, что требуется очень небольшой управляющий ток или совсем его не требуется, поскольку полевые МОП-транзисторы являются устройствами, управляемыми напряжением. Как p-канальные, так и n-канальные полевые МОП-транзисторы доступны в двух основных формах: тип Enhancement и тип Depletion .

МОП-транзистор в режиме истощения

MOSFET с режимом истощения , который встречается реже, чем типы с расширенным режимом, обычно включается (проводит) без приложения напряжения смещения затвора. То есть канал ведет себя, когда V GS = 0, что делает его «нормально закрытым» устройством. В приведенном выше обозначении схемы для обедненного МОП-транзистора используется сплошная линия канала, обозначающая нормально закрытый проводящий канал.

Для n-канального истощающего МОП-транзистора отрицательное напряжение затвор-исток, -V GS будет истощать (отсюда и его название) проводящий канал своими свободными электронами, переключая транзистор в положение «ВЫКЛ».Аналогично, для истощающего МОП-транзистора с p-каналом положительное напряжение затвор-исток, + V GS будет истощать канал своих свободных отверстий, переводя его в положение «ВЫКЛ».

Другими словами, для полевого МОП-транзистора с n-канальным режимом истощения: + V GS означает больше электронов и больше тока. В то время как -V GS означает меньше электронов и меньший ток. Обратное также верно для типов p-каналов. Тогда MOSFET в режиме истощения эквивалентен «нормально замкнутому» переключателю.

N-канальный полевой МОП-транзистор в режиме истощения и обозначения схем

MOSFET с обедненным режимом построен аналогично их аналогам с JFET-транзисторами, в которых канал сток-исток по своей природе является проводящим с электронами и дырками, уже присутствующими в канале n-типа или p-типа.Такое легирование канала создает проводящий путь с низким сопротивлением между стоком и истоком с нулевым смещением затвора.

MOSFET в режиме расширения

Более распространенный полевой МОП-транзистор в расширенном режиме или eMOSFET является обратным типу режима истощения. Здесь проводящий канал слегка легирован или даже нелегирован, что делает его непроводящим. Это приводит к тому, что устройство обычно находится в состоянии «ВЫКЛ» (непроводящее), когда напряжение смещения затвора V GS равно нулю. В изображенном выше обозначении схемы для улучшенного МОП-транзистора используется прерывистая линия канала, обозначающая нормально открытый непроводящий канал.

Для n-канального улучшенного МОП-транзистора ток стока будет течь только тогда, когда напряжение затвора (V GS ) приложено к выводу затвора, превышающее уровень порогового напряжения (V TH ), при котором имеет место проводимость, что делает его устройство крутизны.

Приложение положительного (+ ve) напряжения затвора к eMOSFET n-типа привлекает больше электронов к оксидному слою вокруг затвора, тем самым увеличивая или увеличивая (отсюда и название) толщину канала, позволяя протекать большему току.Вот почему этот тип транзистора называется устройством режима улучшения, поскольку приложение напряжения затвора улучшает канал.

Увеличение этого положительного напряжения затвора вызовет дальнейшее уменьшение сопротивления канала, вызывая увеличение тока стока, I D через канал. Другими словами, для n-канального режима расширения MOSFET: + V GS включает транзистор, а ноль или -V GS выключает транзистор. Таким образом, полевой МОП-транзистор в расширенном режиме эквивалентен «нормально разомкнутому» переключателю.

Обратное верно для MOS-транзистора расширения с p-каналом. Когда V GS = 0, устройство выключено и канал открыт. Приложение отрицательного (-ve) напряжения затвора к eMOSFET p-типа увеличивает проводимость каналов, включая его. Затем для P-канального режима расширения MOSFET: + V GS выключает транзистор, а -V GS включает транзистор.

N-канальный полевой МОП-транзистор в режиме расширения и условные обозначения схем

Полевые МОП-транзисторы

с расширенным режимом работы являются отличными электронными переключателями благодаря их низкому сопротивлению «ВКЛ» и чрезвычайно высокому сопротивлению «ВЫКЛ», а также бесконечно высокому входному сопротивлению из-за изолированного затвора.Полевые МОП-транзисторы с расширенным режимом используются в интегральных схемах для создания логических вентилей типа КМОП и схем переключения питания в виде вентилей PMOS (P-канал) и NMOS (N-канал). CMOS фактически означает Complementary MOS , что означает, что логическое устройство имеет как PMOS, так и NMOS в своей конструкции.

Усилитель MOSFET

Как и предыдущий Junction Field Effect транзистор, полевые МОП-транзисторы могут использоваться для создания одноступенчатых схем усилителя класса «А», причем наиболее популярной схемой является n-канальный усилитель с общим источником на полевых МОП-транзисторах в режиме улучшения.Усилители MOSFET в режиме обеднения очень похожи на усилители JFET, за исключением того, что MOSFET имеет гораздо более высокий входной импеданс.

Этот высокий входной импеданс контролируется резистивной цепью смещения затвора, образованной R1 и R2. Кроме того, выходной сигнал усилителя MOSFET с общим истоком в режиме расширения инвертируется, потому что, когда V G имеет низкий уровень, транзистор переключается в положение «ВЫКЛ», а V D (Vout) имеет высокий уровень. Когда V G высокий, транзистор включен, а V D (Vout) низкий, как показано.

N-канальный усилитель MOSFET в режиме расширения

Смещение постоянного тока в этой схеме усилителя MOSFET с общим истоком (CS) практически идентично усилителю JFET. Схема MOSFET смещена в режиме класса A цепью делителя напряжения, образованной резисторами R1 и R2. Входное сопротивление переменного тока определяется как R IN = R G = 1 МОм.

Металлооксидно-полупроводниковые полевые транзисторы — это три оконечных активных устройства, изготовленных из различных полупроводниковых материалов, которые могут действовать как изолятор или проводник за счет приложения небольшого напряжения сигнала.

Способность полевого МОП-транзистора переключаться между этими двумя состояниями позволяет ему выполнять две основные функции: «переключение» (цифровая электроника) или «усиление» (аналоговая электроника). Тогда полевые МОП-транзисторы могут работать в трех разных регионах:

  • 1. Область отсечки — при V GS <пороговое значение V напряжение затвор-исток намного ниже порогового напряжения транзистора, поэтому полевой МОП-транзистор переключается «полностью ВЫКЛЮЧЕНО», таким образом, I D = 0, при этом транзистор действует как разомкнутый ключ независимо от значения V DS .
  • 2. Линейная (омическая) область — при V GS > V порог и V DS GS транзистор находится в области постоянного сопротивления и ведет себя как сопротивление, управляемое напряжением, значение сопротивления которого определяется напряжение затвора, В GS уровень.
  • 3. Область насыщения — при V GS > V порог и V DS > V GS транзистор находится в области постоянного тока и, следовательно, «полностью открыт».Ток стока I D = Максимум с транзистором, работающим как замкнутый переключатель.

MOSFET Краткое описание руководства

Полевой транзистор с металлическим оксидом и полупроводником, или для краткости MOSFET , имеет чрезвычайно высокое входное сопротивление затвора, при этом ток, протекающий по каналу между истоком и стоком, регулируется напряжением затвора. Из-за такого высокого входного импеданса и усиления полевые МОП-транзисторы могут быть легко повреждены статическим электричеством, если не будут тщательно защищены или обработаны.

MOSFET идеально подходят для использования в качестве электронных переключателей или усилителей с общим источником, поскольку их потребляемая мощность очень мала. Типичные области применения металлооксидных полупроводниковых полевых транзисторов — микропроцессоры, запоминающие устройства, калькуляторы, логические КМОП-вентили и т. Д.

Также обратите внимание, что пунктирная или прерывистая линия внутри символа обозначает обычно «ВЫКЛ» тип улучшения, показывая, что ток «НЕТ» может течь через канал, когда применяется нулевое напряжение затвор-исток V GS .

Непрерывная непрерывная линия внутри символа указывает на нормальный тип истощения «ВКЛ», показывая, что ток «CAN» протекает через канал с нулевым напряжением затвора. Для типов p-канала символы одинаковы для обоих типов, за исключением того, что стрелка указывает наружу. Это можно резюмировать в следующей таблице переключений.

МОП-транзистор типа В GS = + ve В GS = 0 В GS = -ve
Истощение N-канала ПО ПО ВЫК
Расширение N-канала ПО ВЫК ВЫК
Истощение P-канала ВЫК ПО ПО
Расширение P-канала ВЫК ВЫК ПО

Таким образом, для полевых МОП-транзисторов n-типа положительное напряжение затвора включает транзистор, а при нулевом напряжении затвора транзистор будет отключен.Для полевого МОП-транзистора с р-канальным расширением отрицательное напряжение затвора включит транзистор, а при нулевом напряжении затвора транзистор будет отключен. Точка напряжения, при которой полевой МОП-транзистор начинает пропускать ток через канал, определяется пороговым напряжением V TH устройства.

В следующем руководстве о полевых транзисторах вместо использования транзистора в качестве усилительного устройства мы рассмотрим работу транзистора в его областях насыщения и отсечки при использовании в качестве твердотельного переключателя.Переключатели на полевых транзисторах используются во многих приложениях для включения или выключения постоянного тока, например светодиодов, которым требуется всего несколько миллиампер при низких напряжениях постоянного тока, или двигателей, которым требуются более высокие токи при более высоких напряжениях.

Что такое МОП-транзистор? (с изображением)

Металлооксидный полупроводниковый (МОП) транзистор является строительным блоком большинства современных цифровых запоминающих устройств, процессоров и логических микросхем.Он также является обычным элементом во многих интегральных схемах с аналоговыми и смешанными сигналами. Эти транзисторы можно найти в любом количестве электронных устройств, от сотовых телефонов и компьютеров до холодильников с цифровым управлением и электронного медицинского оборудования. МОП-транзистор довольно универсален и может работать как переключатель, усилитель или резистор. Он также известен как особый тип полевого транзистора (FET), называемый изолированным затвором (IGFET) или MOS (MOSFET). Полевой эффект относится к электрическому полю от заряда на затворе транзистора.

МОП-транзистор изготавливается на полупроводниковой кристаллической подложке, обычно изготовленной из кремния.Подложка покрыта тонким изолирующим слоем, часто сделанным из диоксида кремния. Над этим слоем находится затвор, обычно сделанный из металла или поликристаллического кремния. Кристаллическая область на одной стороне затвора называется истоком, а другая — стоком. Исток и сток обычно «легированы» кремнием одного и того же типа; канал под затвором «легирован» противоположным типом. Это образует структуру, аналогичную стандартному транзистору NPN или PNP.

МОП-транзистор обычно изготавливается как PMOS-транзистор или как NMOS-транзистор.PMOS-транзистор имеет исток и сток из кремния p-типа; канал под воротами n-типа. Когда на затвор подается отрицательное напряжение, транзистор включается. Это позволяет току течь между истоком и стоком. Когда на затвор подается положительное напряжение, он отключается.

Транзистор NMOS противоположен: канал p-типа с истоком и стоком n-типа.Когда на затвор транзистора NMOS подается отрицательное напряжение, он отключается; положительное напряжение включает его. Одно из преимуществ NMOS над PMOS — это скорость переключения — NMOS, как правило, быстрее.

Во многих интегральных схемах используются дополнительные логические элементы MOS (CMOS).КМОП-затвор состоит из двух типов транзисторов, соединенных вместе: одного NMOS и одного PMOS. Эти ворота часто используются там, где потребление энергии имеет решающее значение. Обычно они не потребляют питание, пока транзисторы не переключатся из одного состояния в другое.

МОП-транзистор с режимом истощения — это особый тип МОП-транзистора, который можно использовать в качестве резистора.Его область затвора изготовлена ​​с дополнительным слоем между диоксидом кремния и подложкой. Слой «легирован» кремнием того же типа, что и сток и исток. Когда на затворе нет заряда, этот слой проводит ток. Сопротивление определяется размером транзистора при его создании. Наличие заряда затвора отключает этот тип МОП-транзистора.

Как и большинство других транзисторов, МОП-транзистор может усиливать сигнал.Величина тока, протекающего между истоком и стоком, зависит от стробирующего сигнала. Некоторые МОП-транзисторы сконструированы и индивидуально упакованы для работы с большими токами. Их можно использовать в импульсных источниках питания, мощных усилителях, драйверах катушек и других приложениях для аналоговых или смешанных сигналов. Большинство МОП-транзисторов используются в маломощных слаботочных цифровых схемах. Обычно они находятся внутри микросхем вместе с другими частями, а не стоят отдельно.

5.0.2 Базовый МОП-транзистор

© Х.Föll (Электронные материалы — сценарий)

Основная концепция транзистора MOS Транзистор проста и лучше можно понять, посмотрев на его структуру:
Всегда интегрированный конструкции практически нет единичных единичных MOS транзисторы.
Транзистор MOS — это в первую очередь переключатель для цифровые устройства. В идеале это работает так:
Если напряжение на затворе , электроде равно « на », транзистор тоже будет « на », и ток течет между источник и сток электродов возможно (почти) без потерь.
Если напряжение на электроде затвора равно « выкл. », транзистор тоже « выкл. », и между ними не протекает ток. электрод истока и стока.
На самом деле, это работает только для данной полярности напряжения затвора (на картинке выше, например, только для отрицательного напряжения затвора), и если напряжение питания (всегда по номеру U DD ) является не слишком мал (раньше было 5 В в древние времена около 1985 ; с тех пор он снижается и скоро будет ударил предел около 1 В ).
Кроме того, для транзистора MOS требуется очень тонкий затвор диэлектрики (около или лучше ниже 10 нм ) и экстремальный контроль материалов и технологий, если реальные транзисторы MOS должны вести себя так, как ожидается в «идеальная» теория.
Каков принцип работы «идеальный» транзистор MOS ?
Чтобы понять это, посмотрим на поведение перевозчиков в Si под действием внешнего электрического поля под действием область ворот.
Понимание MOS Транзистор качественно прост. Мы смотрим в примере сверху и приложите некоторое напряжение исток-сток U SD с любой полярностью, но без напряжения затвора . Что у нас под этими условия
A n -типа Si подложка с определенная равновесная плотность электронов n e ( U G = 0) , или n e (0) для краткости.Его ценность полностью определяется легирование (и температура, которой мы, впрочем, сейчас не будем пренебрегать) и везде одинаково. У нас также гораздо меньшая концентрация n h (0) отверстий.
Некоторые области, легированные p , с равновесной концентрацией отверстий. Величина концентрации дырок в истоке и стоках определяется таким образом также определяется легированием, но значение не имеет особого значения. важность в этом простом соображении.
Два перехода pn , один из которых поляризован вперед направление (один с положительным полюсом напряжения), а другой — в обеспечить регресс. Это верно для любой полярности; в частности, один перекресток будет всегда быть смещен в обратном направлении. Следовательно нет тока сток-исток I SD будет поток (или только небольшой обратный ток, которым мы пренебрегаем при настоящее время).
Также не будет тока в диоде с прямым смещением, потому что n-S i подложки на рисунке электрически не связан с чем-либо (на самом деле, мы могли бы просто заземлить положительный U SD полюс и подложка).
Таким образом, для напряжения затвора U G = 0 В , токов нет и все в равновесии.Но теперь подайте заявку отрицательное напряжение на затворе и посмотрим, что бывает.
Электроны в подложке под затвором будут электростатически отталкивается и вдавливается в подложку. Их концентрация прямо под воротами спустится, n e ( U ) будет функцией координаты глубины z .
n e = n e ( z ) = f ( n e (0), U )
Поскольку у нас все еще есть равновесие, закон действия масс для носители держатся где угодно в Si, т.е.е. .
n e ( z ) · n h ( z ) = n i 2
С n i = собственная плотность носителей в Si = const.(U, z)
Это дает нам
Другими словами: если концентрация электронов ниже затвора уменьшается, концентрация дырок растет.
Если мы достаточно уменьшить электрон концентрации под затвором, увеличивая напряжение затвора, мы будем в конечном итоге достичь условия n h ( z = 0) = n e ( z = 0) прямо под воротами, т.е.е. в z = 0
Если еще больше увеличить напряжение затвора, мы встретим условие n h ( z )> n e ( z ) для малых значений z , т.е. за z c > z > 0 .
Другими словами: Прямо под воротами мы сейчас имеют на дырок больше, чем электронов ; это называется состояние инверсией по понятным причинам. Si , имеющий больше дырок, чем электронов, также называется Si p-типа. Теперь у нас есть провод p . швеллер (с шириной z c ) подключение источника p -проводящий и осушать.
Больше нет pn -переходов, препятствующих протеканию тока под затвором — ток может течь беспрепятственно; ограничивается только омическим сопротивлением контактов, истока / стока и канала.
Очевидно, при повышении напряжения затвора с правильной полярностью , рано или поздно мы встретит инверсию и сформирует проводящий канал между нашими терминалами который становится более заметным и, следовательно, лучше проводит с увеличением гейта. напряжение
Удельное сопротивление этого канала будет определяться количество Si мы перевернули; он быстро упадет с напряжение, как только пороговое напряжение необходимое для инверсии.
Если мы изменим напряжение на затворе, мы притянем электроны и их концентрация под затвором увеличивается. Это называется состояние накопление . Модель PN переходы на истоке и стоке останутся нетронутыми, и ток исток-сток не будет поток.
Очевидно, если мы хотим переключить транзистор MOS «on» с положительным затвором напряжения, теперь мы должны обратить легирование и использовать подложки, легированные p и n -легированные области истока / стока.
Два основных типа мы называем « n-канальная MOS » и « p-канальная MOS » в зависимости от типа легирование в канале при инверсии (или на контактах исток / сток).
Рассматривая электрические характеристики, мы ожидаем кривых как это:
Зависимость тока исток-сток I SD на напряжение затвора U G есть ясно из описанного выше, зависимость I SD по напряжению исток-сток U SD с U G в качестве параметра может быть, не сразу очевидно, но если задуматься на минутку.ты только не может проводить ток без некоторых U SD и кривых как Показано следует ожидать качественно.
Что можно сказать количественно о работе MOS транзистор?
От чего зависит пороговое напряжение U th , или точная форма I SD ( U th ) кривые? Как именно напряжение исток-сток U SD влияет на характеристики? Как основные количества зависят от материала и технологии параметры, напримерг. толщина диэлектрика затвора и его диэлектрика константа e r или уровень легирования субстрат и исток / сток?
Множество вопросов, на которые, как правило, нелегко ответить. Однако мы можем пойти на несколько шагов дальше качественной картины, представленной выше.
Напряжение на затворе Условия в Si Падение напряжения Распределение заряда
Нулевой вентиль напряжение .
« Лента плоская » состояние
Ничего не происходит. Полоса в подложке идеально плоский (как и полоса на контактном электроде, но это не интерес). У нас будет только напряжение (или лучше потенциал) падает, если бы энергии Ферми подложки и электрода затвора были разные Нет нетто начислений
Положительный вентиль напряжение .
Накопление
Положительным напряжением на затворе притягиваем электроны в подложке. Полосы должны немного прогибаться, и мы соответственно увеличьте количество электронов в зоне проводимости. (Там есть немного области пространственного заряда ( SCR ) в контакте, но это не интерес). Напряжение больше всего падает в оксиде Имеется положительного заряда на интерфейсе электрода затвора (с нашим электродом Si от SCR ) и отрицательным зарядом от множества электронов в (тонкий) слой накопления на другой стороне диэлектрика затвора.
Малый отрицательный вентиль напряжение .
Истощение
При (небольшом) отрицательном напряжении на затворе мы отталкивать электроны в подложке.Их концентрация уменьшается, дырка концентрация все еще низкая — у нас есть слой мобильных операторов, и следовательно, SCR . Напряжение падает в основном в оксиде, но также в некоторой степени в SCR . Имеется некоторый отрицательный заряд на интерфейсе электрода затвора (накопленные электроны с нашим электродом Si ) и положительный заряд , размазаны в (расширенном) SCR слой на другой стороне диэлектрика затвора.
Большие отрицательные ворота напряжение .
инверсия
При (большом) отрицательном напряжении на затворе мы очень сильно отталкивают электроны в подложке. Полосы так сильно гнутся, что энергия Ферми (красная линия) находится в нижней половине полосы, близкой к интерфейс.В этой области дырки являются основными носителями, мы дали инверсию . У нас все еще есть SCR . Напряжение падает в основном в оксиде, но также в некоторой степени в SCR и инверсионном слое. Больше отрицательного заряда на границе электрода затвора (накопленные электроны с помощью нашего электрода Si ), некоторый положительный заряд размазан в (расширенном) SCR слой на другой стороне диэлектрика затвора, и много положительный заряд из дырок в тонкой инверсионный слой.
Качественно это понятно. Что произойдет, если заменить (сильно легированный n ) Si затвора электрод с каким-либо металлом (или p -дегированный Si )?
Тогда у нас есть различных энергии Ферми. слева и справа от контакт, ведущий к встроенному потенциал как в переходе pn .У нас будет какая-то группа изгиб при нулевом внешнем напряжении, условия плоской полосы для ненулевого внешнего напряжение и сопутствующие корректировки зарядов с обеих сторон.
Но пока это усложняет ситуацию, как и неизбежные фиксированные неподвижные заряды в диэлектрике или в Si — диэлектрический интерфейс, ничего нового не добавлено.
Теперь решающей частью является достижение инверсия.Понятно, что для этого нужно какое-то минимальное пороговое напряжение. U th , а из картинок выше тоже ясно что этот запрос переводится в запрос на некоторый минимум заряда на конденсаторе, образованном затвором электрод, диэлектрик и подложка Si .
От чего зависит количество заряда в этой системе? Ну так как всю сборку при любой раздаче заряда всегда можно рассматривать как простой конденсатор C G , мы имеем для заряд этого конденсатора.
Поскольку мы хотим, чтобы U th был маленьким, мы нужна большая емкость затвора для большой заряд Q G , и теперь мы должны спросить: что определяет C G ?
Если бы все заряды были сосредоточены прямо на интерфейсов, емкость на единицу площади дается просто геометрией полученного пластинчатого конденсатора до
С d Ox = толщина ворот диэлектрик, (пока) всегда диоксид кремния SiO 2 .
Поскольку наши обвинения несколько разбросаны по подложку (мы можем пренебречь этим в электроде затвора, если будем использовать металлы или очень высоколегированный Si ), это необходимо учитывать.
С точки зрения электричества, у нас просто второй конденсатор. C Si , описывающий эффекты разнесения зарядов в Si , подключенный последовательно к геометрическому конденсатору, который мы теперь называем оксидная емкость С Ох .Будет быть достаточно большим для концентрированных зарядов, т.е. для накопления и обращения и маленький для истощения.
Общая емкость C G тогда составляет предоставлено
1
C G
= 1
C Ox
+ 1
C Si
Для инверсии и накопления, когда большая часть заряд близок к границе раздела, общая емкость будет преобладать по C Ox .Он относительно большой, потому что толщина конденсатора мала.
В диапазоне истощения C Si будет наибольшая, а общая емкость достигает минимума.
Всего C G как функция напряжения, то есть C G ( U ) работает от постоянное значение при больших положительных напряжениях через минимум обратно примерно до такое же постоянное значение при больших положительных напряжениях.Полученная кривая содержит всю актуальную информацию о системе. Измерение C G ( U ) — это первое, что вы делаете, когда работа с контактами MOS .
Пока рассчитать емкость не так просто ценности и все остальное, что с ними связано, Это можно сделать — просто решите Пуассон уравнение для задачи.
Учитывая все обстоятельства, мы хотим C Ox до большой , и это означает, что мы хотим, чтобы диэлектрик был тонким и имел большую диэлектрическую проницаемость — как заявлено выше без обоснования.
Мы также хотим, чтобы диэлектрик имел большую поле разбивки прочность, без фиксированных зарядов в объеме, без интерфейсных зарядов, очень малая тг d ; он также должен быть очень стабильным, совместимым с Si технология и дешево.
Другими словами, мы хотели SiO 2 — даже если это диэлектрическая проницаемость посредственная 3.9 — за все годы чудеса микроэлектроники. Но теперь ( 2001 ) мы хотим чего-то лучшего с относительно диэлектрической проницаемости. Проделана большая работа, например, расследование CeO 2 , Gd 2 O 3 , ZrO 2 , Y 2 O 3 , BaTiO 3 , BaO / SrO и т. Д. И сегодня никто не знает ( 2002 ) какой материал сделает гонку!

Определения МОП-транзисторов

Определения МОП-транзисторов
  • МОП n-типа: основными носителями являются электроны.
  • МОП p-типа: большинство носителей — дырки.

  • Положительное / отрицательное напряжение, приложенное к затвору (относительно подложки), увеличивает количество электронов / дырок в канале и увеличивает проводимость между истоком и стоком.

  • V т определяет напряжение, при котором МОП-транзистор начинает проводить. Для напряжений менее В т (пороговое напряжение) канал отключен.
  • При нормальной работе положительное напряжение, приложенное между истоком и стоком ( В DS ).
  • Нет тока между истоком и стоком (I DS = 0) с V GS = 0 из-за двусторонних p-n переходов.

  • Для n-MOS, с V GS > V tn , электрическое поле притягивает электроны, создавая канал.
  • Канал представляет собой кремний p-типа, который превращается в n-тип электронами, притягиваемыми электрическим полем.
  • Три режима на основе величины V GS : накопление, истощение и инверсия.
  • С V DS отличным от нуля, канал становится меньше ближе к стоку.

  • Когда V DS <= V GS — V т (например, V DS = 3 В, В GS = 5 В и В т = 1V) канал доходит до стока (т.к. V gd > V т ).

  • Это называется . линейный , резистивный или ненасыщенный область. Я DS является функцией как V GS и V DS .
  • Когда V DS > V GS — V т (е.г. V DS = 5 В, В GS = 5 В и В т = 1В), канал ущипнутый выкл рядом со сливом (начиная с V gd т ).

  • Это называется насыщенной областью. Я DS является функцией V GS , почти не зависит от V DS .
  • МОП-транзисторы можно смоделировать как переключатель, управляемый напряжением. Я DS является важным параметром, определяющим поведение, например, скорость переключателя.

  • Какие параметры влияют на величину I ? DS ? (Предположим, V GS и V DS фиксированы, т.е.г. 5В).
  • Расстояние между истоком и стоком (длина канала).
  • тип = диск>
  • Ширина канала.
  • тип = диск>
  • Пороговое напряжение.
  • тип = диск>
  • Толщина оксидного слоя затвора.
  • тип = диск>
  • Диэлектрическая проницаемость изолятора затвора.
  • тип = диск>
  • Подвижность носителей (электронов или дырок).
  • тип = диск>

  • Сводка характеристик нормальной проводимости:
  • Отрезной : накопление, I DS по существу равен нулю.
  • тип = диск>
  • Ненасыщенный : слабая инверсия, I DS зависит от обоих V GS и V DS .
  • тип = диск>
  • Насыщенный : сильная инверсия, I DS идеально не зависит от V DS .
  • тип = диск>
  • V т тоже важный параметр. Что влияет на его стоимость?

  • Большинство из них связано со свойствами материала. Другими словами, V т в значительной степени определяется во время изготовления, а не условиями схемы, как I DS .

  • Например, параметры материала, влияющие на V т включают:
  • Материал проводника затвора (поли или металл).
  • тип = диск>
  • Изоляционный материал затвора (SiO 2 ).
  • тип = диск>
  • Толщина материала ворот.
  • тип = диск>
  • Канальная концентрация легирования.
  • тип = диск>

  • Однако V т также зависит от
  • V сб (напряжение между источником и подложкой), которое в цифровых устройствах обычно равно 0.
  • тип = диск>
  • Температура: изменяется на -2 мВ / градус Цельсия для низких уровней легирования подложки.
  • тип = диск>
  • Выражение для порогового напряжения дается как:
  • Пороговое напряжение (продолж.):

  • Типичные значения V т для транзисторов с каналом n и p +/- 700 мВ.
  • Из уравнений можно изменить пороговое напряжение, изменив:
  • Концентрация легирования (N А ).
  • тип = диск>
  • Оксидная емкость (C бык ).
  • тип = диск>
  • Заряд поверхностного состояния (Q FC ).
  • тип = диск>

  • Как видите, часто приходится регулировать V . т .
  • Распространены два метода:
  • Изменить Q FC путем введения небольшой легированной области на границе оксид / подложка посредством ионной имплантации.
  • тип = диск>

  • Изменить C бык за счет использования другого изоляционного материала для ворот.
  • тип = диск>
    • Слой Si 3 4 (нитрид кремния) с относительной диэлектрической проницаемостью 7,5 сочетается со слоем диоксида кремния (относительная диэлектрическая проницаемость 3,9).
    • Это дает относительную диэлектрическую проницаемость около 6.

    • Для диэлектрического слоя такой же толщины C бык больше при использовании комбинированного материала, что снижает V т .
  • В цифровых схемах подложка обычно находится на нуле.
    • Источники n-канальных устройств, например, также удерживаются на нуле, за исключением случаев последовательного соединения, например.г.,
  • Источник-подложка (V сб ) может увеличиваться при этих соединениях, например V сбН1 = 0, но V сбН2 / = 0.
  • V сб добавляет к потенциалу канал-подложка:
  • Идеальное уравнение первого порядка для отрезной регион:

  • Идеальное уравнение первого порядка для линейный регион:

  • Идеальное уравнение первого порядка для насыщенность регион:
  • со следующими определениями:
  • Факторы, зависящие от процесса: .

  • Факторы, зависящие от геометрии: W и L.

  • Вольт-амперные характеристики n- и p-транзисторов.
  • Пример расчета бета транзистора:
    • Типичные значения для n-транзистора в технологии 1 микрон:

    • Как эта бета сравнивается с p-устройствами:

  • Коэффициент усиления n-транзистора составляет примерно 2.В 8 раз больше, чем у p-транзисторов.
  • Характеристики инвертора постоянного тока
  • Регион C — самый важный регион. Небольшое изменение входного напряжения, В в , приводит к БОЛЬШОМУ изменению выходного напряжения, В из .

  • Такое поведение описывает усилитель, вход усиливается на выходе.Усиление называется усилением транзистора, которое дается бета-коэффициентом.

  • И n-, и p-канальные транзисторы имеют бета-версию. Изменение их соотношения изменит характеристики выходной кривой.
  • Таким образом,
  • НЕ влияет на коммутационную способность.

  • Какой фактор может служить аргументом в пользу отношения 1 к ? ?

  • Время, необходимое для зарядки или разрядки емкостной нагрузки, равно .

  • Поскольку бета зависит от W и L, мы можем отрегулировать соотношение, изменив размеры ширины канала транзистора, сделав транзисторы с каналом p-типа шире чем n-канальные транзисторы.
  • Параметр, определяющий максимум шум напряжение на входе затвора, что позволяет выходу оставаться стабильным.

  • Два параметра, низкий запас шума (NM L ) и высокий запас шума (NM H ).

  • NM L = разница в величине между максимальным НИЗКИМ выходным напряжением управляющего затвора и максимальным НИЗКОМ входным напряжением, распознаваемым управляемым затвором.
  • Идеальная характеристика: V IH = V IL = (V ОН + V ПР ) / 2.

  • Это означает, что передаточная характеристика должна переключаться резко (высокий коэффициент усиления в переходной области).

  • V IL найдено путем определения точки единичного усиления из V ОН .
  • Следовательно, форма передаточной характеристики и V ПР инвертора влияет соотношение .
  • В общем, низкий запас шума значительно хуже, чем высокий запас шума для Pseudo-nMOS.

  • Псевдо-nMOS был популярен для высокоскоростных схем, статических ПЗУ и PLA.
  • Пример: Расчет запаса шума:
  • Кривая передачи для инвертора псевдо-nMOS может использоваться для расчета запаса помехоустойчивости идентичных инверторов псевдо-nMOS.

Что такое полевой МОП-транзистор? | Основы, принцип работы и применение

Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET, MOS-FET или MOS FET) — это полевой транзистор (полевой транзистор с изолированным затвором), напряжение которого определяет проводимость устройства.Он используется для переключения или усиления сигналов. Возможность изменять проводимость в зависимости от приложенного напряжения может использоваться для усиления или переключения электронных сигналов. MOSFET теперь даже более распространены, чем BJT (биполярные переходные транзисторы) в цифровых и аналоговых схемах.

Диоксид кремния образует затвор МОП-транзистора. Он используется для обеспечения изоляции путем предотвращения прямого попадания зарядов на затвор в проводящий канал.

Структура полевого МОП-транзистора

МОП-транзистор на сегодняшний день является наиболее распространенным транзистором в цифровых схемах, поскольку сотни тысяч или миллионы из них могут быть включены в микросхему памяти или микропроцессор.Поскольку они могут быть изготовлены из полупроводников p-типа или n-типа, дополнительные пары МОП-транзисторов могут использоваться для создания схем переключения с очень низким энергопотреблением в форме логики КМОП.

Почему MOSFET?

Полевые МОП-транзисторы

особенно полезны в усилителях из-за того, что их входной импеданс почти бесконечен, что позволяет усилителю улавливать почти весь входящий сигнал. Основное преимущество заключается в том, что он почти не требует входного тока для управления током нагрузки по сравнению с биполярными транзисторами.Ниже приведены различные типы полевых МОП-транзисторов:

.
  • Тип истощения: Транзистору требуется напряжение затвор-исток (VGS), чтобы выключить устройство. MOSFET в режиме истощения эквивалентен «нормально замкнутому» переключателю.
  • Тип расширения: Транзистору требуется напряжение затвор-исток (VGS) для включения устройства. MOSFET режима улучшения эквивалентен «нормально разомкнутому» переключателю.

Структура устройства MOSFET

Это четырехконтактное устройство с выводами истока (S), стока (D), затвора (G) и корпуса (B).Корпус часто подключается к клемме источника, что сокращает количество клемм до трех. Он работает, изменяя ширину канала, по которому текут носители заряда (электроны или дырки).

Носители заряда входят в канал у истока и выходят через сток. Ширина канала регулируется напряжением на электроде, называемом затвором, который расположен между истоком и стоком. Он изолирован от канала очень тонким слоем оксида металла. Полевой транзистор металл-изолятор-полупроводник или MISFET — это термин, почти синонимичный MOSFET.Другой синоним — IGFET для полевого транзистора с изолированным затвором.

Работа полевого МОП-транзистора

Работа полевого МОП-транзистора зависит от МОП-конденсатора. Конденсатор MOS является основной частью MOSFET. Поверхность полупроводника в нижнем оксидном слое, который расположен между выводами истока и стока. Его можно инвертировать из p-типа в n-тип, подав положительное или отрицательное напряжение затвора.

Когда мы прикладываем положительное напряжение затвора, дырки под оксидным слоем создают силу отталкивания, а дырки толкаются вниз вместе с подложкой.Область обеднения заселена связанными отрицательными зарядами, которые связаны с атомами акцептора. Электроны достигают сформированного канала. Положительное напряжение также притягивает электроны из n + областей истока и стока в канал. Теперь, если между стоком и истоком приложено напряжение, ток свободно течет между истоком и стоком, а напряжение затвора управляет электронами в канале. Если приложить отрицательное напряжение, под оксидным слоем образуется дырочный канал.

МОП-транзистор с P-каналом

Сток и исток представляют собой сильно легированную p + -область, а подложка — n-типа. Ток течет из-за потока положительно заряженных дырок, также известных как MOSFET с p-каналом. Когда мы прикладываем отрицательное напряжение затвора, электроны, находящиеся под оксидным слоем, испытывают силу отталкивания, и они толкаются вниз к подложке, область обеднения заполняется связанными положительными зарядами, которые связаны с донорными атомами.Отрицательное напряжение затвора также притягивает дырки из области p + истока и стока в область канала.

N-канальный полевой МОП-транзистор

N-канальный полевой МОП-транзистор

Сток и исток имеют сильно легированную область n +, а подложка — p-типа. Ток течет из-за потока отрицательно заряженных электронов, также известного как n-канальный MOSFET. Когда мы прикладываем положительное напряжение затвора, дырки, находящиеся под оксидным слоем, испытывают силу отталкивания, и дырки толкаются вниз к связанным отрицательным зарядам, которые связаны с атомами акцептора.Положительное напряжение затвора также притягивает электроны из n + области истока и стока в канал, таким образом, образуется канал доступа электронов.


Дополнительные базовые статьи доступны в учебном уголке.

Статья была впервые опубликована 19 июля 2017 г. и обновлена ​​4 апреля 2019 г.

1960: Показан металлооксидно-полупроводниковый (МОП) транзистор | Кремниевый двигатель

В 1959 г.М. (Джон) Аталла и Давон Канг из Bell Labs создали первый успешный полевой транзистор с изолированным затвором (FET), который долгое время ждали Лилиенфельд, Хейл, Шокли и другие (Milestone 1926), преодолевая «поверхностные состояния». «который блокировал проникновение электрических полей в полупроводниковый материал. Изучая термически выращенные слои диоксида кремния, они обнаружили, что эти состояния могут быть заметно уменьшены на границе раздела между кремнием и его оксидом в сэндвиче, состоящем из слоев металла (M — затвор), оксида (O — изоляция) и кремния (S — полупроводник) — отсюда и название MOSFET, широко известный как MOS.Поскольку их устройство было медленным и не удовлетворяло насущных потребностей телефонной системы, дальнейшее его развитие не проводилось. Однако в меморандуме 1961 года Канг указал на его потенциальную «простоту изготовления и возможность применения в интегральных схемах». Но исследователи из Fairchild и RCA признали эти преимущества. В 1960 году Карл Зайнингер и Чарльз Мейллер изготовили МОП-транзистор в RCA и C.T. Сах из Fairchild построил тетрод, управляемый МОП. Фред Хейман и Стивен Хофштейн в 1962 году разработали экспериментальное интегрированное устройство с 16 транзисторами в RCA.

Проводящая область МОП-транзистора изготовлена ​​из материала p-типа (что делает его устройством « p-channel ») или n-типа (устройство « n-channel »). Последние быстрее, чем p-канал, но их сложнее сделать. MOS-устройства поступили на коммерческий рынок в 1964 году. General Microelectronics (GME 1004) и Fairchild (FI 100) предложили p-канальные устройства для логических и коммутационных приложений; RCA представила n-канальный транзистор (3N98) для усиления сигналов.Из-за их меньшего размера и более низкого энергопотребления, чем биполярные устройства, более 99 процентов микрочипов, производимых сегодня, используют МОП-транзисторы. Для достижения такой повсеместности потребовались десятилетия усилий. (Веха 1964 года)

  • Канг, Давон, «Полупроводниковое устройство с управляемым электрическим полем», Патент США № 3 102 230 (подана 31 мая 1960 г., выдана 27 августа 1963 г.).
  • Канг, Давон. «Поверхностные устройства, индуцируемые полем из диоксида кремния и диоксида кремния», — технический меморандум, выпущенный Bell Labs (16 января 1961 г.), перепечатанный в Sze, S.M. Полупроводниковые приборы: новаторские статьи . (Сингапур: World Scientific Publishing Co., 1991) стр. 583-596.
  • Sah, C. T., «Новый полупроводниковый триод, транзистор с управляемым поверхностным потенциалом», Proceedings of the IRE , Vol. 49, № 11 (ноябрь 1961 г.), стр. 1623–1634.
  • Хофштейн, С.и Хейман, Ф. П., «Полевой транзистор с кремниевым изолированным затвором», Proceedings of the IEEE , Vol. 51 (сентябрь 1963 г.), стр. 1190-1202.
  • Аталла, М. М. и др., «Стабилизация поверхности кремния термически выращенными оксидами», Bell System Technical Journal , Vol. 38 (май 1959 г.), стр. 749-783.
  • Аугартен, Стан. «Новая форма транзистора», Состояние дел: фотографическая история интегральной схемы .(Нью-Хейвен и Нью-Йорк: Тикнор и Филдс, 1983) стр. 12.
  • Sah, C. T. «Эволюция МОП-транзистора», Proceedings of the IEEE , Vol. 76, выпуск 10, (октябрь 1988 г.) стр. 1293.
  • Росс, Ян М. «Основы кремниевой эпохи» Технический журнал Bell Labs (осень 1997 г.) с. 11.
  • Arns, R.G. «Другой транзистор: ранняя история металлооксидного полупроводникового полевого транзистора», IEEE Engineering Science and Education Journal .Том 7, выпуск 5 (октябрь 1998 г.), стр. 233–240.
  • Бассетт, Росс Нокс. В цифровую эпоху . (Балтимор: Издательство Университета Джона Хопкинса, 2002) стр. 24-45.
  • Доктор Чарльз В. Мюллер, инженер-электрик, устная история, проведенная в 1975 году Марком Хейером и Аль Пински, Центр истории IEEE, Университет Рутгерса, Нью-Брансуик, Нью-Джерси, США.

MOSFETS — МОП полевые транзисторы

В Разделе 10-3 мы рассматриваем полевые МОП-транзисторы.MOSFET — это аббревиатура от Metallic-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor. Разве это не полный рот? MOSFET изготавливается иначе и работает иначе, чем JFET, но имеет некоторые сходства. Есть два класса полевых МОП-транзисторов. Есть режим истощения и есть режим улучшения. Каждый класс доступен как n- или p-канал, что дает в общей сложности четыре типа полевых МОП-транзисторов. Режим истощения обозначается буквой N или P, а режим улучшения — буквой N или P. У нас есть четыре разных типа полевых МОП-транзисторов.

МОП полевые транзисторы

: режим истощения

Сначала мы рассмотрим MOSFET в режиме истощения. Обратите внимание, непрерывный канал из материала n-типа между истоком и стоком. Вы заметите здесь источник, вот сток, и у нас есть непрерывный канал из материала n-типа. Напряжение, приложенное к истоку и стоку, вызовет ток. Мы ставим напряжение между истоком и стоком, у нас будет протекать ток. Канал действует как резистор.Это очень похоже на то, что мы видели в JFET. Отрицательное напряжение уменьшит ток. Мы ставим здесь отрицательное напряжение, оно будет увеличивать сопротивление канала n-типа и уменьшать ток. Более положительное напряжение приведет к уменьшению сопротивления канала и пропусканию большого тока.

Затвор соединен с алюминием, который изолирован от канала тонким слоем диоксида кремния. Вот и наши ворота. В этом мы сильно отличаемся от полевого транзистора тем, что здесь действительно металл.Это алюминий. Алюминий изолирован от канала куском диоксида кремния. Что это будет делать, так это отсутствие электрического соединения между затвором и материалом n-типа, потому что у нас есть изолятор между ними, но мы сможем индуцировать электронное поле через материал. Нет связи между затвором и истоком и стоком.

Три слоя привели к названию устройства, следовательно, у нас есть металл, металл, оксид, оксид, полупроводники, полупроводники.Эти три слоя привели к названию устройства. Здесь у нас есть собственно схематический символ. У нас есть вентиль, сток и исток, и их обычно соединяют по три. Однако есть вариант для четвертого подключения, и это будет здесь. Это добавляет дополнительный контроль. Наша главная забота будет связана с тремя связями.

Это р-тип. Это то же самое, что и N, за исключением разворота материала. Линия со стрелкой также указывает на соединение между истоком и стоком прямо здесь.Опять же, то же самое, за исключением того, что материалы были перевернуты.

МОП-транзистор в режиме истощения, в МОП-транзисторе в режиме истощения между выводами истока и стока имеется непрерывный канал или материал n-типа. При поданном напряжении между клеммами может легко течь ток. Металлический затвор полевого МОП-транзистора изолирован от подложки слоем диоксида кремния.

МОП-транзистор с расширенным режимом работы

МОП-транзисторы с расширенным режимом, выводы истока и стока подключаются к сильно легированному кремнию n-типа в n-канальном МОП-транзисторе с расширенным режимом.Вот и источник. Вот и сток. Они связаны с сильно легированным материалом n-типа. Область между истоком и стоком состоит из слаболегированного материала p-типа. Между истоком и стоком нет непрерывного канала, как у полевых транзисторов с полевыми транзисторами и в режиме истощения. Помните, что это режим улучшения, здесь в этом и заключается основная разница.

Для протекания тока необходимо подать напряжение затвора правильной полярности. Нам понадобится напряжение затвора для протекания тока, и мы рассмотрим это на нескольких слайдах.Пунктирная линия в условном обозначении указывает на отсутствие непрерывного пути от истока к сливу. Когда вы посмотрите на схематический символ полевого МОП-транзистора электронного режима, вы заметите, что обычно у вас здесь будет непрерывная линия, как мы это делали с полевыми транзисторами и режимом истощения. Здесь он нарушен, потому что это не непрерывный канал.

Смещение и работа полевого МОП-транзистора

Сопротивление канала в полевом транзисторе зависит от легирования и физических размеров материала.В полевом МОП-транзисторе эффективный уровень легирования изменяется смещением. Мы собираемся рассмотреть смещение в режимах истощения и улучшения. Начнем с режима истощения.

Если внешний источник постоянного тока подключен между истоком и стоком полевого МОП-транзистора в режиме истощения, измеряемый ток будет течь, обратите внимание на это, в зависимости от значения сопротивления канала. Что мы говорим? Здесь исток, здесь сток, а здесь через резистор подается напряжение.У нас будет ток через канал. Теперь величина протекающего тока будет зависеть от сопротивления канала. Мы обнаружим, что это будет по-разному.

Если сделать затвор более положительным, чем у истока, произойдет увеличение тока стока. Сделав ворота более положительными, чем источник, хорошо. Вот и наш источник напряжения. В MOSFET происходит кое-что интересное. Обратите внимание, что у нас есть металлический материал прямо здесь. Он отделен от материала n-типа изолирующим диоксидом кремния.Затем у нас есть материал n-типа. Ну, это действует как емкость. По сути, диоксид кремния является диэлектрическим материалом, причем металл здесь является одной стороной конденсатора, а материал n-типа — другой стороной. Когда мы подаем здесь положительное напряжение, на этой стороне будет положительный заряд. У нас будет минус с этой стороны. Отрицательный элемент здесь будет представлять свободные электроны, и для этого потребуется материал n-типа, добавляющий гораздо больше свободных электронов. Это будет сильно легированный материал n-типа, он будет легко проводить ток и будет иметь очень небольшое сопротивление току.

Во втором сценарии, если затвор сделан более отрицательным, чем источник, легирование канала эффективно уменьшается, замедляя прохождение тока. Эта картинка такая же, как эта, за исключением того, что мы изменили смещение на затворе. Теперь мы подаем отрицательное напряжение на затвор. Мы имеем тот же эффект емкости, за исключением того, что теперь электроны находятся на верхней пластине. У нас внизу положительный заряд. Это эффективно снижает уровень легирования в материале n-типа. В зависимости от величины отрицательного напряжения, оно становится очень резистивным и препятствует прохождению тока.

В полевом МОП-транзисторе в режиме истощения заряд этого конденсатора в конечном итоге определяет, какой ток будет протекать через канал. Теперь, в полевом МОП-транзисторе в режиме улучшения, когда прикладывается положительное напряжение затвора, емкость затвора заряжается до значения напряжения затвор-исток. Теперь помните, на самом деле на этом чертеже этот материал n-типа не является непрерывным, это примерно так прямо здесь. Опять же, мы помещаем положительное напряжение. Опять же, это явление емкости.Здесь у нас есть положительный заряд на верхней пластине, если это положительное напряжение. Тогда у нас есть отрицательный заряд. Отрицательного заряда здесь нет в материале p-типа. На самом деле отрицательный заряд находится прямо по краю диоксида кремния. Это формирует то, что называется слоем инверсии n-типа. Это не совсем материал n-типа, но его называют инверсионным слоем n-типа. Этот тонкий слой расположен прямо по краю кремния, и в нем будет много электронов. Что в конечном итоге произойдет, так это то, что это заставит ток течь по краю этого диоксида кремния, и у нас будет ток.То есть с положительным напряжением на затворе.

Когда мы делаем прямо противоположное, опять же, это то же самое, за исключением того, что теперь у нас здесь отрицательное напряжение. Емкость, опять же, заряд, минус, электроны будут сверху. Положительный заряд будет внизу. Это эффективно отключит текущий поток. Текущего потока не будет, потому что в этой точке нет пути. Нет инверсионного слоя n-типа, поэтому у нас есть этот положительный материал и материал p-типа, и мы отключим ток.Сейчас есть неполный канал, и он будет отключен.

Это представило полевые МОП-транзисторы в режиме истощения и улучшения. Мы также рассмотрели смещение обоих устройств.

Видеолекции, созданные Тимом Фигенбаумом в Общественном колледже Северного Сиэтла.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *