MOSFET

MOS tranzistor nebo Field (unipolární) tranzistor s izolovaným hradlem ( angl. metal-oxide-semiconductor field effect tranzistor, zkráceně "MOSFET" ) - polovodičová součástka, typ tranzistorů s efektem pole . Zkratka MOS je odvozena ze slov " metal-oxide-semiconductor ", označující sekvenci typů materiálů v hlavním těle zařízení.

MOSFET má tři svorky: hradlo, zdroj, odtok (viz obrázek). Zadní kontakt (B) je obvykle připojen ke zdroji. V oblasti blízko povrchu polovodiče se při výrobě nebo indukci vytvoří tzv. kanál (objeví se při přiložení napětí). Množství proudu v něm (zdroj-odvodový proud) závisí na napětí zdroj-brána a zdroj-odvod.

Polovodičovým materiálem je nejčastěji křemík (Si) a kovová brána je od kanálu oddělena tenkou vrstvou izolantu [1] — oxidu křemičitého (SiO 2 ). Pokud je SiO 2 nahrazen neoxidovým dielektrikem (D), používá se název MOS tranzistor ( ang. MISFET , I = izolátor).

Na rozdíl od bipolárních tranzistorů , které jsou řízeny proudem, jsou IGBT řízeny napětím, protože brána je izolována od kolektoru a zdroje; takové tranzistory mají velmi vysokou vstupní impedanci .

MOSFETy jsou páteří moderní elektroniky. Jsou nejmasověji vyráběným průmyslovým produktem, od roku 1960 do roku 2018 bylo vyrobeno asi 13 sextilionů (1,3 × 10 21 ) [2] . Takové tranzistory se používají v moderních digitálních mikroobvodech, které jsou základem technologie CMOS .

Klasifikace

Podle typu kanálu

Existují MOS tranzistory s vlastním (nebo vestavěným) ( angl. depletion mode tranzistor ) a indukovaným (nebo inverzním) kanálem ( ang. enhancement mode tranzistor ). V zařízeních s vestavěným kanálem je při nulovém napětí hradlo-zdroj otevřený tranzistorový kanál (to znamená, že vede proud mezi kolektorem a zdrojem); Chcete-li kanál zablokovat, musíte na bránu přivést napětí určité polarity. Kanál zařízení s indukovaným kanálem je uzavřen (nevede proud) při nulovém napětí hradlo-zdroj; k otevření kanálu je třeba přivést na bránu napětí určité polarity vzhledem ke zdroji.

V digitální a energetické technice se obvykle používají pouze tranzistory s indukovaným kanálem. V analogové technologii se používají oba typy zařízení [1] .

Typ vodivosti

Polovodičový materiál kanálu může být dopován nečistotami pro získání elektrické vodivosti typu P nebo N. Přivedením určitého potenciálu na bránu je možné změnit stav vodivosti sekce kanálu pod bránou. Pokud jsou zároveň jeho hlavní nosiče náboje vytěsněny z kanálu a kanál se obohacuje o menšinové nosiče, pak se tento režim nazývá režim obohacení . V tomto případě se zvyšuje vodivost kanálu. Když je na hradlo aplikováno znaménko opačného potenciálu vzhledem ke zdroji, kanál se ochudí o menšinové nosiče a jeho vodivost se sníží (toto se nazývá depletizační režim , který je typický pouze pro tranzistory s integrovaným kanálem) [3] .

U n-kanálových tranzistorů s efektem pole je spouštěčem kladné (vzhledem ke zdroji) napětí přivedené na hradlo a současně překročení prahového napětí pro otevření tohoto tranzistoru. V souladu s tím bude u p-kanálových tranzistorů s efektem pole spouštěcí napětí záporné vzhledem ke zdrojovému napětí aplikovanému na hradlo a překročí jeho prahové napětí.

Naprostá většina MOS součástek je vyrobena tak, že zdroj tranzistoru je elektricky spojen s polovodičovým substrátem struktury (nejčastěji se samotným krystalem). Tímto spojením se mezi zdrojem a vývodem vytvoří tzv. parazitní dioda. Snížení škodlivého vlivu této diody je spojeno se značnými technologickými obtížemi, proto se naučili tento vliv překonávat a dokonce jej v některých obvodových řešeních používat. U n-kanálových FETů je parazitní dioda připojena anodou ke zdroji a u p-kanálových FETů je anoda připojena k kolektoru.

Speciální tranzistory

Existují tranzistory s více hradly. Používají se v digitální technice k implementaci logických prvků nebo jako paměťové buňky v EEPROM . V analogových obvodech se vícehradlové tranzistory - analogy elektronek s více mřížkami - také poněkud rozšířily, například v směšovacích obvodech nebo zařízeních pro řízení zisku.

Některé vysoce výkonné MOS tranzistory, používané v energetice jako elektrické spínače , jsou vybaveny dodatečným výstupem z tranzistorového kanálu pro řízení proudu, který jím protéká.

Konvenční grafické symboly

Konvenční grafická označení polovodičových součástek upravuje GOST 2.730-73 [4] .

	indukovaný kanál	Vestavěný kanál
P-kanál
N-kanál
Legenda: Z - brána (G - Gate), I - zdroj (S - Source), C - odtok (D - Drain)

Vlastnosti provozu MOSFETů

Tranzistory s efektem pole jsou řízeny napětím aplikovaným na hradlo tranzistoru vzhledem k jeho zdroji, přičemž:

I_{c}=I_{u};

I_{3}\to 0.

Při změně napětí se změní stav tranzistoru a odběrový proud . $U_{3u}$ $já_{c}$

Pro tranzistory s n-kanálem, kdy je tranzistor uzavřen; $U_{3u}<U_{nop}\,,I_{c}=0$
Když se tranzistor otevře a pracovní bod je v nelineární části řídicí (stock-gate) charakteristiky tranzistoru s efektem pole: $U_{3u}>U_{nop}$ $I_{c}=K_{n}\left[\left(U_{3u}-U_{nop}\right)\cdot U_{cu}-{\frac {U_{cu}^{2)) {2}}\vpravo];$ $K_n$ - specifická strmost charakteristik tranzistoru;
S dalším zvýšením řídicího napětí přechází pracovní bod do lineárního úseku charakteristiky drain-gate; $U_{3u}$ $I_{c}={\frac {K_{n}}{2}}\left[U_{3u}-U_{nop}\right]^{2}$ je Hovsteinova rovnice.

Vlastnosti připojení

Při připojování výkonných MOSFETů (zejména těch, které pracují na vysokých frekvencích) se používá standardní tranzistorový obvod:

RC obvod (snubber), zapojený paralelně ke zdroji-drain, pro potlačení vysokofrekvenčních oscilací a velkých proudových impulsů, které vznikají při spínání tranzistoru vlivem parazitní indukčnosti a kapacity napájecích sběrnic. Vysokofrekvenční oscilace a pulzní proudy zvyšují tvorbu tepla v tranzistoru a mohou jej poškodit, pokud tranzistor pracuje v maximálně přípustném tepelném režimu). Snubber také snižuje rychlost nárůstu napětí na svorkách zdroje kolektoru, což chrání tranzistor před samovolným otevřením prostřednictvím průchozí kapacity.
Rychlá ochranná dioda, zapojená paralelně ke zdroji-drain v obráceném zapojení vzhledem ke zdroji, odvádí proudové impulsy generované při vypnutí tranzistoru pracujícího na indukční zátěži.
Pokud tranzistory pracují v můstkovém nebo polomůstkovém obvodu na vysoké frekvenci (například ve svařovacích invertorech , indukčních ohřívačích , spínaných zdrojích ), pak je v opačném obvodu někdy kromě ochranné diody zařazena Schottkyho dioda . odvodňovací obvod pro zablokování parazitní diody. Parazitní dioda má dlouhou dobu vypínání, což může vést k průchozím proudům a selhání tranzistoru.
Rezistor zapojený mezi zdroj a hradlo pro odvod náboje z hradla. Brána ukládá elektrický náboj jako kondenzátor a po odstranění řídicího signálu se MOSFET nemusí zavřít (nebo částečně uzavřít, což povede ke zvýšení jeho odporu, zahřátí a selhání). Hodnota rezistoru je zvolena tak, aby měla malý vliv na řízení tranzistoru, ale zároveň rychle vybíjela elektrický náboj z hradla.
Ochranné diody ( supresory ) zapojené paralelně s tranzistorem a jeho hradlem. Když napájecí napětí na tranzistoru (nebo když řídicí signál na hradle tranzistoru) překročí přípustnou hodnotu, např. při impulzním šumu, omezuje supresor nebezpečné napěťové rázy a chrání dielektrikum hradla před průrazem.
Rezistor zapojený do série s hradlovým obvodem pro snížení dobíjecího proudu hradla. Hradlo výkonného tranzistoru s efektem pole má vysokou kapacitu a je elektricky ekvivalentní kondenzátoru o kapacitě několika desítek nanofaradů, který způsobuje výrazné pulzní proudy při dobíjení hradla krátkými čely řídicího napětí (až do jednotka ampérů). Velké rázové proudy mohou poškodit budič hradla tranzistoru.
Výkonný MOS tranzistor pracující v klíčovém režimu na vysokých frekvencích je řízen pomocí budiče - speciálního obvodu nebo hotového mikroobvodu, který zesiluje řídicí signál a poskytuje velký pulzní proud pro rychlé dobíjení hradla tranzistoru. Tím se zvyšuje rychlost spínání tranzistoru. Kapacita hradla výkonného výkonového tranzistoru může dosahovat desítek nanofarad. K jeho rychlému nabití je zapotřebí proud jednotek ampér.
Používají se také optodrive - budiče kombinované s optočleny . Optodrivery zajišťují galvanické oddělení napájecího obvodu od řídicího obvodu, chrání jej v případě nehody a také zajišťují galvanické oddělení od země při ovládání horních MOSFETů v můstkových a polomůstkových obvodech. Kombinace budiče s optočlenem v jednom pouzdře zjednodušuje vývoj a instalaci obvodu, snižuje rozměry produktu, jeho náklady atd.
U silnoproudých zařízení s vysokou úrovní šumu a elektriky je na vstupy mikroobvodů vyrobených na strukturách MOS připojena dvojice Schottkyho diod zapojených v opačném směru, tzv. diodová zástrčka (jedna dioda je mezi vstupem a společnou sběrnicí, druhá je mezi vstupem a napájecí sběrnicí), aby se zabránilo jevu tzv. "zaklapnutí" struktury MOS. V některých případech však může použití diodové zástrčky vést k nežádoucímu efektu "bloudivého napájení" (při vypnutí napájecího napětí může diodová zástrčka fungovat jako usměrňovač a nadále napájet obvod).

Vynález

V roce 1959 Martin Attala navrhl vypěstovat brány tranzistorů s efektem pole z oxidu křemičitého. Ve stejném roce Attala a Dion Kang vytvořili první funkční MOSFET. První sériově vyráběné tranzistory MOS vstoupily na trh v roce 1964, v 70. letech 20. století dobyly mikroobvody MOS trhy paměťových čipů a mikroprocesorů a na začátku 21. století dosáhl podíl mikroobvodů MOS 99 % z celkového počtu vyrobené integrované obvody (IC) [5 ] .

Poznámky

↑ 1 2 Zherebtsov I.P. Základy elektroniky. Ed. 5., - L.: 1989. - S. 120-121.
↑ 13 Sextillion & Counting: Dlouhá a klikatá cesta k nejčastěji vyráběnému lidskému artefaktu v historii . Muzeum počítačové historie (2. dubna 2018). Získáno 28. července 2019. Archivováno z originálu dne 28. července 2019. (neurčitý)
↑ Moskatov E.A. Elektronické vybavení. Start. - Taganrog, 2010. - S. 76.
↑ GOST 2.730-73 ESKD. Podmíněná grafická označení ve schématech. Polovodičová zařízení Archivováno 12. dubna 2013 na Wayback Machine .
↑ 1960 – Předveden tranzistor s oxidem kovu (MOS) . Muzeum počítačové historie (2007). Získáno 29. března 2012. Archivováno z originálu 5. srpna 2012. (neurčitý)

Odkazy

Principy činnosti výkonových MOSFETů a IGBT .
Tereshchuk D.S. Logické modelování VLSI na spínací úrovni .
Egorov A. Aplikace NXP Semiconductors MOSFET tranzistorů v elektronice .

Slovníky a encyklopedie	Velká dánština Velká Katalánština Britannica (online)
V bibliografických katalozích	BNF : 12423223 g GND : 4207266-9 J9U : 987007565647505171 LCCN : sh85084065 NDL : 01142304