Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET)

Добавлено 4 ноября 2016 в 22:00

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.

Теги

MOSFETПолевой транзисторУчебникЭлектроника

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

В случае комментирования в качестве гостя (без регистрации на disqus.com) для публикации комментария требуется время на премодерацию.


  • 2019-02-07ml

    Да, спасибо. Мне кажется, что в общем случае правильно тогда говорить про напряжение относительно подложки. Ну мне так понятнее. И в большистве случаев, как я понимаю, подложка как раз закорачивается на исток.

  • 2019-02-04antzol

    Просто вывод истока является общим и для входа (затвор-исток), и для выхода (сток-исток) схемы. Управляя напряжением затвор-исток на входе, мы управляем током сток-исток на выходе.

    Про плюс и на исток, и на затвор. То есть предлагаете поменять местами исток и сток? Один источник подключить между затвором (+) и стоком (-), а второй так же оставить между истоком и стоком, перевернуть полярность? Если да, то в такой теоретической структуре транзистора как на втором рисунке, по сути, ничего не изменится, так как исток и сток в ней одинаковы. И напряжение между затвором и стоком будет управлять током через сток-исток.

    Но дело в том, что структура реальных транзисторов отличается (третий рисунок). Сток делается больше по размеру и не полностью сильно легированным.

  • 2019-02-03ml

    нет, и на исток плюс и на затвор плюс.

    я пытаюсь осознать это на уровне работы конденсатора затвор - канал.
    Я понимаю, что когда я прикладываю в n-канальном транзисторе к затвору полюс с избытком положительных зарядов, с затвора электроны сбегают к этому полюсу, а на кромке затвора образуется избыток положительного заряда. Этот заряд образует поле, которое к краю подложки под диэлектриком притягивает отрицательные заряды. Образуется канал.

    И вот в эту цепочку рассуждений у меня никак не вписывается привязка к потенциалу Истока.

  • 2019-02-03antzol

    То есть, подать на исток плюс, а на затвор минус? Тогда это просто повысит концентрацию дырок в подложке около МОП-конденсатора. А нам здесь нужны электроны, чтобы увеличить проводимость.

  • 2019-02-03ml

    Рисунок(номер 2 от начала статьи) N-канальный MOSFET транзистор (работающий в режиме обогащения): (b) положительное смещение на затворе.

    что если вывод И был бы подключен не к минусу, а к плюсу? как это помешает конденсатору затвор-подложка сформировать канал?