Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET)

Добавлено 4 ноября 2016 в 22:00

Глава 2 - Теория твердотельных приборов

Полевой транзистор с изолированным затвором (IGFET, insulated-gate field-effect transistor), также известный, как полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET), является разновидностью полевого транзистора. В настоящее время большинство транзисторов MOSFET типа служат в качестве компонентов цифровых интегральных микросхем. Но когда речь идет о дискретных элементах, биполярные транзисторы более многочисленны по сравнению с MOSFET транзисторами. Количество MOSFET транзисторов в интегральной схеме может приближаться к сотням миллионов. Размеры отдельных MOSFET устройств составляют порядка микрона и уменьшаются каждые 18 месяцев. Гораздо более крупные MOSFET транзисторы способны коммутировать токи до 100 ампер при низких напряжениях; а некоторые работают с напряжениями почти 1000 вольт при низких токах. Эти устройства могут занимать до 1 квадратного сантиметра кремния. MOSFET транзисторы нашли более широкое применение по сравнению с обычными полевыми транзисторами. Тем не менее, мощные MOSFET устройства не так широко используются по сравнению с биполярными транзисторами.

MOSFET транзистор обладает выводами истока, затвора и стока, как и простой полевой транзистор. Тем не менее, вывод затвора не подключается напрямую к кремнию, по сравнению с затвором в полевом транзисторе. Затвор в MOSFET транзисторе представляет собой металлический слой или слой поликристаллического кремния поверх изолятора из диоксида кремния. Затвор похож на конденсатор со структурой металл-оксид-полупроводник (MOS, МОП), показанный на рисунке ниже. При заряде пластины конденсатора принимают полярность соответствующих выводов батареи. Нижняя пластина – это кремний P-типа, электроны из которой выталкиваются отрицательным (-) выводом батареи в сторону оксида и притягиваются положительной (+) верхней пластиной. Этот избыток электронов вблизи оксида создает инверсный канал под слоем оксида (инверсный означает, что проводимость в этой области определяется концентрацией неосновных носителей заряда полупроводника). Этот канал также сопровождается обедненной областью, изолирующей канал от остальной подложки кремния.

N-канальный МОП конденсатор: (a) незаряженный, (b) заряженный
N-канальный МОП конденсатор: (a) незаряженный, (b) заряженный

На рисунке ниже (a) МОП конденсатор помещается между парой диффузионных областей N-типа в подложке P-типа. При отсутствии заряда в конденсаторе, т.е. без смещения на затворе, диффузионные области N-типа, исток и сток остаются изолированными друг от друга.

N-канальный MOSFET транзистор (работающий в режиме обогащения): (a) смещение на затворе 0 вольт, (b) положительное смещение на затворе
N-канальный MOSFET транзистор (работающий в режиме обогащения): (a) смещение на затворе 0 вольт, (b) положительное смещение на затворе

Положительное смещение, приложенное к затвору, заряжает конденсатор (затвор). Затвор над слоем оксида приобретает положительный заряд от батареи смещения затвора. Подложка P-типа под затвором приобретает отрицательный заряд. Под слоем оксида затвора формируется инверсная область с избытком электронов. Эта область теперь соединяет области N-типа истока и стока, образуя непрерывную N-область от истока к стоку. Таким образом, MOSFET, как и обычный полевой транзистор, является однополярным устройством. За проводимость отвечает один тип носителей заряда. Это пример N-канального MOSFET транзистора. При прикладывании напряжения между истоком и стоком возможно проведение большого тока между этими выводами. Практическая схема будет содержать нагрузку, включенную последовательно с батареей стока, показанной на рисунке выше (b).

MOSFET транзистор, показанный на рисунке выше, известен как MOSFET транзистор, работающий в режиме обогащения. Непроводящий, выключенный канал включается путем обогащения канала под затвором при прикладывании смещения. Это наиболее распространенный тип устройств. Другой тип MOSFET транзисторов здесь не описывается. Для подробной информации об устройстве, работающем в режиме обеднения, смотрите главу 6 о полевых транзисторах с изолированным затвором.

MOSFET, как и простой полевой транзистор, является устройством, управляемым напряжением. Входное напряжение на затворе управляет протеканием тока от истока к стоку. Затвор не проводит непрерывный ток. Хотя затвор и проводит кратковременно ток при зарядке емкости затвора.

Поперечное сечение N-канального дискретного MOSFET транзистора показано на рисунке ниже (a). Дискретные устройства обычно оптимизированы для коммутации больших мощностей. N+ показывает, что исток и сток сильно являются сильно легированными областями N-типа. Это сводит к минимуму резистивные потери в пути протекания большого тока от истока к стоку. N- показывает слабое легирование. Область P-типа под затвором, между истоком и стоком, может быть инвертирована с помощью прикладывания положительного напряжения смещения. Профиль распределения легирующей примеси может представлять собой змеевидный контур на поперечном сечении кремниевого кристалла. Это значительно увеличивает площадь и, соответственно, величину тока, с которым может работать прибор.

N-канальный MOSFET транзистор (работающий в режиме обогащения): (a) поперечное сечение, (b) условное графическое обозначение
N-канальный MOSFET транзистор (работающий в режиме обогащения): (a) поперечное сечение, (b) условное графическое обозначение

Условное графическое обозначение MOSFET транзистора на рисунке выше (b) показывает «плавающий» затвор, указывая на отсутствие прямого подключения к кремниевой подложке. Пунктирная линия от истока к стоку показывает, что это устройство выключено, не проводит ток, с нулевым смещением на затворе. Нормально «выключенный» MOSFET транзистор является устройством, работающим в режиме обогащения. «Указывающая» (Pointing) стрелка подложки соответствует P-типу материала, которая указывает на канал N-типа, «не указывающий» (Non-pointing) конец. Это обозначение N-канального MOSFET транзистора. Для P-канального устройства стрелка указывает в противоположном направлении (не показано). MOSFET транзисторы – это четырехвыводные устройства: исток, затвор, сток и подложка. В дискретном MOSFET транзисторе подложка подключена к истоку, что делает корпус устройства трехвыводным. У MOSFET транзисторов, которые являются частью интегральной схемы, подложка общая для всех устройств, если только они намеренно не изолированы. Это общее соединение может быть выведено из кристалла для соединения с землей или источником напряжения смещения.

N-канальный «V-MOS» транзистор: (a) поперечное сечение, (b) условное графическое обозначение
N-канальный «V-MOS» транзистор: (a) поперечное сечение, (b) условное графическое обозначение

V-MOS устройство (на рисунке выше) представляет собой усовершенствованный мощный MOSFET транзистор с профилем легирования, способствующим получению более низкого сопротивления между истоком и стоком во включенном состоянии. VMOS транзистор получил свое название из-за V-образной области затвора, которая увеличивает площадь поперечного сечения канала исток-сток. Это сводит к минимуму потери и позволяет коммутировать более высокие мощности. Разновидность UMOS данного типа транзисторов, использующая U-образную канавку, является более повторяемой, что предпочтительнее для производства.

Подведем итоги

  • MOSFET транзисторы – это однополярные устройства, проводимость которых обусловлена одним типом носителей заряда, как и простые полевые транзисторы, но они отличаются этим от биполярных транзисторов.
  • MOSFET – это устройство, управляемое напряжением, как и простой полевой транзистор. Входное напряжение на затворе управляет током между истоком и стоком.
  • Затвор MOSFET транзистора не проводит непрерывный ток, за исключением тока утечки. Тем не менее, для начальной зарядки емкости затвора требуется значительный импульс тока.

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.


Сообщить об ошибке