MOSFET

MOS tranzisztor , vagy Field (unipoláris) tranzisztor szigetelt kapuval ( eng. fém-oxid-félvezető térhatás tranzisztor, rövidítve "MOSFET" ) - félvezető eszköz, a térhatású tranzisztorok típusa . A MOS rövidítés a " fém-oxid-félvezető " szavakból származik , amelyek az eszköz fő testében található anyagok sorozatát jelölik.

A MOSFET három csatlakozóval rendelkezik: kapu, forrás, lefolyó (lásd az ábrát). A hátsó érintkező (B) általában a forráshoz csatlakozik. A félvezető felületéhez közeli tartományban a gyártás során vagy indukálva ún. csatorna jön létre (feszültség rákapcsolásakor jelenik meg). A benne lévő áram nagysága (forrás-levezető áram) a forrás-kapu és forrás-leeresztő feszültségtől függ.

A félvezető anyag leggyakrabban szilícium (Si), és a fém kaput vékony szigetelőréteg választja el a csatornától [1] - szilícium-dioxid (SiO 2 ). Ha a SiO 2 -t nem oxid dielektrikummal (D) helyettesítjük, akkor a MOS tranzisztor elnevezést használjuk ( angol. MISFET , I = szigetelő).

Ellentétben a bipoláris tranzisztorokkal , amelyek áramhajtásúak, az IGBT-k feszültséghajtásúak, mivel a kapu el van szigetelve a lefolyótól és a forrástól; az ilyen tranzisztorok bemeneti impedanciája nagyon magas .

A MOSFET-ek a modern elektronika gerincét képezik. Ezek a legtöbbet tömegesen gyártott ipari termék, 1960-tól 2018-ig mintegy 13 szextillió (1,3 × 10 21 ) [2] készült . Az ilyen tranzisztorokat a modern digitális mikroáramkörökben használják, amelyek a CMOS technológia alapját képezik.

Osztályozás

Csatornatípus szerint

Léteznek MOS tranzisztorok saját (vagy beépített) ( angol kimerülési módú tranzisztor ) és indukált (vagy inverz) csatornával ( eng. enhancement mode tranzisztor ). A beépített csatornával rendelkező eszközökben nulla kapuforrás feszültségnél a tranzisztor csatorna nyitott (azaz áramot vezet a lefolyó és a forrás között); a csatorna blokkolásához egy bizonyos polaritású feszültséget kell alkalmazni a kapura. Az indukált csatornával rendelkező eszközök csatornája zárva van (nem vezet áramot) nulla kapuforrás feszültségnél; a csatorna megnyitásához a forráshoz képest bizonyos polaritású feszültséget kell a kapura kapcsolni.

A digitális és energiatechnikában általában csak indukált csatornával rendelkező tranzisztorokat használnak. Az analóg technológiában mindkét típusú eszközt használják [1] .

Vezetőképesség típusa

A csatorna félvezető anyagát szennyeződésekkel lehet adalékolni a P- vagy N-típusú elektromos vezetőképesség elérése érdekében. Egy bizonyos potenciált a kapura alkalmazva lehetőség van a kapu alatti csatornaszakasz vezetési állapotának megváltoztatására. Ha ugyanakkor fő töltéshordozói kiszorulnak a csatornából, miközben a csatornát kisebbségi hordozókkal dúsítják, akkor ezt az üzemmódot dúsítási módnak nevezzük . Ebben az esetben a csatorna vezetőképessége megnő. Ha a kapura a forráshoz képest ellentétes előjelű potenciált alkalmazunk, a csatorna kimerül a kisebbségi vivőkből, és csökken a vezetőképessége (ezt nevezik kimerülési módnak , ami csak az integrált csatornával rendelkező tranzisztorokra jellemző) [3] .

Az n-csatornás térhatású tranzisztorok esetében a trigger egy pozitív (a forráshoz viszonyítva) feszültség, amely a kapura van kapcsolva, és egyidejűleg meghaladja a tranzisztor nyitásához szükséges küszöbfeszültséget. Ennek megfelelően a p-csatornás térhatású tranzisztorok esetében a kioldó feszültség negatív lesz a kapura adott forrásfeszültséghez képest, és meghaladja annak küszöbfeszültségét.

A MOS eszközök túlnyomó többsége úgy készül, hogy a tranzisztor forrása elektromosan csatlakozik a szerkezet félvezető hordozójához (leggyakrabban magához a kristályhoz). Ezzel a csatlakozással a forrás és a lefolyó között úgynevezett parazita dióda jön létre. Ennek a diódának a káros hatásának csökkentése jelentős technológiai nehézségekkel jár, így megtanulták ezt a hatást leküzdeni, sőt egyes áramköri megoldásokban alkalmazni is. Az n-csatornás FET-eknél a parazita dióda az anóddal a forráshoz, a p-csatornás FET-eknél pedig a lefolyóhoz csatlakozik.

Speciális tranzisztorok

Vannak több kapuval rendelkező tranzisztorok. A digitális technológiában logikai elemek megvalósítására vagy memóriacellákként használják az EEPROM -ban . Az analóg áramkörökben a többkapu tranzisztorok - a több rácsos vákuumcsövek analógjai - szintén kissé elterjedtek, például keverőáramkörökben vagy erősítésszabályozó eszközökben.

Egyes nagy teljesítményű MOS tranzisztorok, amelyeket az energiatechnikában elektromos kapcsolóként használnak , további kimenettel rendelkeznek a tranzisztorcsatornáról, hogy szabályozzák az átfolyó áramot.

Hagyományos grafikus szimbólumok

A félvezető eszközök hagyományos grafikai jelöléseit a GOST 2.730-73 [4] szabályozza .

	indukált csatorna	Beépített csatorna
P-csatorna
N-csatornás
Jelmagyarázat: Z - kapu (G - Gate), I - forrás (S - Source), C - lefolyó (D - Drain)

A MOSFET-ek működésének jellemzői

A térhatású tranzisztorokat a tranzisztor kapujára a forráshoz viszonyított feszültség vezérli, miközben:

I_{c}=I_{u};

I_{3}\to 0.

A feszültség változásával a tranzisztor állapota és a leeresztőáram megváltozik . $U_{3u}$ $én_{c}$

n-csatornás tranzisztorokhoz, ha a tranzisztor zárt; $U_{3u}<U_{nop}\,,I_{c}=0$
Amikor a tranzisztor kinyílik és a működési pont a terepi hatású tranzisztor vezérlésének (stock-gate) nemlineáris szakaszában van: $U_{3u}>U_{nop}$ $I_{c}=K_{n}\left[\left(U_{3u}-U_{nop}\right)\cdot U_{cu}-{\frac {U_{cu}^{2)) {2}}\jobbra];$ $K_n$ - a tranzisztor jellemzőinek fajlagos meredeksége;
A vezérlőfeszültség további növelésével a működési pont átmegy a leeresztő kapu karakterisztika lineáris szakaszára; $U_{3u}$ $I_{c}={\frac {K_{n}}{2}}\left[U_{3u}-U_{nop}\right]^{2}$ a Hovstein-egyenlet.

Csatlakozási jellemzők

Erőteljes MOSFET-ek (különösen a magas frekvencián működő) csatlakoztatásakor szabványos tranzisztoros áramkört használnak:

RC áramkör (snubber), párhuzamosan csatlakoztatva a forrás-leeresztővel, a nagyfrekvenciás oszcillációk és a nagy áramimpulzusok elnyomására, amelyek a tranzisztor kapcsolásakor a tápbuszok parazita induktivitása és kapacitása miatt lépnek fel. A nagyfrekvenciás rezgések és impulzusáramok növelik a tranzisztorban a hőtermelést, és károsíthatják azt, ha a tranzisztor a megengedett legnagyobb hőmérsékleti üzemmódban működik). A snubber emellett csökkenti a feszültségnövekedés mértékét a lefolyóforrás kivezetésein, ami megvédi a tranzisztort az önkinyílástól az átmenő kapacitáson keresztül.
Az induktív terhelésen működő tranzisztor kikapcsolásakor keletkező áramimpulzusokat egy gyors védődióda, amely a forrás-leeresztővel párhuzamosan, az áramforráshoz képest fordított kapcsolásban van csatlakoztatva, söntöli.
Ha a tranzisztorok hídban vagy félhíd áramkörben nagy frekvencián működnek (például hegesztő inverterekben , indukciós melegítőkben , kapcsolóüzemű tápegységekben ), akkor a védődiódán kívül néha egy Schottky-dióda is szerepel az ellenkező áramkörben a leeresztő áramkör a parazita dióda blokkolására. A parazita diódának hosszú kikapcsolási ideje van, ami átmenő áramhoz és tranzisztor meghibásodásához vezethet.
A forrás és a kapu közé csatlakoztatott ellenállás a töltés levezetésére a kapuból. A kapu kondenzátorként tárolja az elektromos töltést, és a vezérlőjel eltávolítása után előfordulhat, hogy a MOSFET nem zár (vagy részben zár, ami ellenállásának növekedéséhez, felmelegedéséhez és meghibásodásához vezet). Az ellenállás értékét úgy választják meg, hogy az kevés hatással legyen a tranzisztor vezérlésére, ugyanakkor gyorsan kisüti az elektromos töltést a kapuból.
A tranzisztorral és annak kapujával párhuzamosan csatlakoztatott védődiódák ( szupresszorok ). Amikor a tranzisztoron lévő tápfeszültség (vagy ha a tranzisztor kapuján lévő vezérlőjel) meghaladja a megengedett értéket, például impulzuszaj esetén, a szupresszor korlátozza a veszélyes feszültséglökéseket, és megvédi a kapu dielektrikumát a meghibásodástól.
A kapu áramkörrel sorba kapcsolt ellenállás, amely csökkenti a kapu töltőáramát. Egy nagy teljesítményű térhatású tranzisztor kapuja nagy kapacitású, és elektromosan egyenértékű egy több tíz nanofarad kapacitású kondenzátorral, amely jelentős impulzusáramot okoz a kapu újratöltése során a vezérlőfeszültség rövid frontjaival (akár egy amper mértékegysége). A nagy túlfeszültség károsíthatja a tranzisztoros kapumeghajtót.
A kulcs módban, magas frekvencián működő erős MOS tranzisztor vezérlése meghajtó segítségével történik - egy speciális áramkör vagy egy kész mikroáramkör, amely felerősíti a vezérlőjelet, és nagy impulzusáramot biztosít a tranzisztor kapu gyors újratöltéséhez. Ez növeli a tranzisztor kapcsolási sebességét. Egy erős teljesítménytranzisztor kapukapacitása elérheti a több tíz nanofaradot. A gyors újratöltéshez amper egységnyi áramra van szükség.
Optodrivereket is használnak – optocsatolókkal kombinált meghajtókat . Az optodriverek galvanikus leválasztását biztosítják a tápáramkörnek a vezérlőáramkörtől, megvédve azt baleset esetén, valamint galvanikus leválasztást biztosítanak a testtől a felső MOSFET-ek vezérlésekor a híd- és félhíd-áramkörökben. A meghajtó és az optocsatoló egy házban való kombinálása leegyszerűsíti az áramkör fejlesztését és telepítését, csökkenti a termék méreteit, költségét stb.
A nagyáramú, nagy zajszintű és elektromos készülékekben a MOS szerkezeteken készült mikroáramkörök bemeneteire egy ellentétes irányban kapcsolt Schottky-diódapár, ún. diódadugót (az egyik dióda a bemenet és a közös busz, a másik a bemenet és a tápbusz között van), hogy megakadályozzuk a MOS-struktúra úgynevezett "pattanásának" jelenségét. Egyes esetekben azonban a diódadugó használata a "kóbor teljesítmény" nemkívánatos hatásához vezethet (a tápfeszültség kikapcsolásakor a diódadugó egyenirányítóként működhet, és továbbra is táplálja az áramkört).

Találmány

Martin Attala 1959-ben javasolta a térhatású tranzisztorok kapuinak szilícium-dioxidból történő termesztését. Ugyanebben az évben Attala és Dion Kang létrehozta az első működőképes MOSFET-et. Az első sorozatgyártású MOS tranzisztorok 1964-ben jelentek meg a piacon, az 1970-es években a MOS mikroáramkörök hódították meg a memóriachipek és mikroprocesszorok piacát , a 21. század elején pedig a MOS mikroáramkörök részesedése elérte a 99%-ot a teljes számban. gyártott integrált áramkörök (IC-k) [5] .

Jegyzetek

↑ 1 2 Zherebtsov I.P. Az elektronika alapjai. Szerk. 5., - L .: 1989. - S. 120-121.
↑ 13 Sextillion & Counting: A hosszú és kanyargós út a történelem leggyakrabban előállított emberi műtárgyához . Számítógéptörténeti Múzeum (2018. április 2.). Letöltve: 2019. július 28. Az eredetiből archiválva : 2019. július 28. (határozatlan)
↑ Moskatov E.A. Elektronikus felszerelés. Rajt. - Taganrog, 2010. - S. 76.
↑ GOST 2.730-73 ESKD. Feltételes grafikai jelölések sémákban. Semiconductor Devices archiválva 2013. április 12-én a Wayback Machine -nál .
↑ 1960 – Fém-oxid félvezető (MOS) tranzisztor bemutatása . Számítógéptörténeti Múzeum (2007). Letöltve: 2012. március 29. Az eredetiből archiválva : 2012. augusztus 5.. (határozatlan)

Linkek

A nagy teljesítményű MOSFET-ek és IGBT-k működési elvei .
Tereshchuk D.S. A VLSI logikai modellezése kapcsolási szinten .
Egorov A. NXP Semiconductors MOSFET tranzisztorok alkalmazása az elektronikában .

Szótárak és enciklopédiák	Nagy dán Nagy katalán Britannica (online)
Bibliográfiai katalógusokban	BNF : 12423223g GND : 4207266-9 J9U : 987007565647505171 LCCN : sh85084065 NDL : 01142304