МОП транзистор принцип работы

Содержание

Основы устройства и применения силовых МОП-транзисторов (MOSFET)

МОП транзистор принцип работы

При изготовлении дискретных силовых МОП-транзисторов (metal oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET) используются те же методы и технологии, что и при производстве современных СБИС, хотя геометрия устройств, значения напряжений и токов в значительной степени различаются.

Родоначальником современных MOSFET является полевой транзистор, изобретенный в 70-е годы. На рис. 1 показаны схема, характеристика и обозначение МОП-транзистора с горизонтальной структурой, первой получившей распространение на практике. На примере этой структуры можно уяснить основной принцип работы МОП-транзистора.

Под влиянием электрического поля, создаваемого изолированным (при помощи слоя оксида) затвором (Gate), в области, находящейся под ним (области канала), происходит явление, называемое «инверсией проводимости» — часть р-области под затвором насыщается индуцированными (притянутыми полем) электронами, в результате становясь областью с n-проводимостью.

Таким образом, между n-областью истока (Source) и n-областью стока (Drain) образуется n-канал, способный за счет электронной проводимости проводить ток от истока к стоку. На приведенной характеристике указан уровень напряжения VT, при котором формируется канал.

Концентрация носителей в канале зависит от величины поля, создаваемого затвором, то есть от напряжения на затворе, поэтому максимальный ток, проходящий через канал, является функцией этого напряжения. Этот факт определяет существование такой важной характеристики МОП-транзистора, как крутизна. Четвертый электрод на условном обозначении транзистора (рис. 1в) подключается к подложке (в случае горизонтальной структуры).

Рис. 1. а) Схема силового МОП-транзистора с горизонтальной структурой; б) зависимость тока стока от напряжения затвор-исток; в) символьное обозначение

Изобретение силовых MOSFET было частично стимулировано недостатками биполярных (BJT) транзисторов, ограничивающих их применение в силовой технике, хотя до недавнего времени в качестве силовых ключей использовались именно биполярные транзисторы. Биполярный силовой транзистор — прибор, управляемый током. Для поддержания в открытом состоянии ему требуется значительный ток базы, достигающий иногда величины в пятую часть коллекторного.

Для быстрого выключения транзистора требуется значительный импульс базового тока противоположной полярности. Несмотря на хорошо отлаженную технологию производства и более низкую, по сравнению с MOSFET, стоимость, эти ограничения приводят к усложнению, а следовательно, к удорожанию схем управления, так что результирующая стоимость использования биполярных транзисторов становится выше, чем полевых. Другим недостатком биполярных транзисторов является вклад в проводимость как электронов, так и дырок.

Наличие дырочной проводимости, с учетом значительного времени жизни дырок, приводит к тому, что время переключения биполярного транзистора на несколько порядков больше, чем транзистора MOSFET с похожим значением максимального рабочего напряжения. Биполярные транзисторы отличаются температурной нестабильностью. Падение напряжения на транзисторе в открытом состоянии снижается с увеличением температуры.

Это вызывает нестабильность токов отдельных транзисторов при их параллельном включении: чем выше температура отдельного прибора, тем меньше падение напряжения, выше ток, больше разогрев и выше температура.

В отличие от биполярного, в проводимости транзистора MOSFET участвуют только основные носители. MOSFET превосходят биполярные транзисторы при использовании в высокочастотных устройствах, где существенна мощность, выделяемая при переключении.

Кроме того, в устройствах с высокими значениями как токов, так и напряжений применение MOSFET предпочтительнее ввиду отсутствия для них явления вторичного пробоя и связанного с ним отказа устройства.

Силовые MOSFET могут быть достаточно просто включены параллельно, так как падение напряжения на открытом транзисторе увеличивается с ростом температуры, что дает уверенность в равномерном распределении тока между транзисторами.

Применение биполярных транзисторов в силовых устройствах иногда может быть оправдано, хоть и за счет снижения рабочей частоты, при больших значениях пробивных напряжений (более 200 В). В этом случае при одинаковом токе падение напряжения на открытом биполярном транзисторе меньше, чем на полевом с таким же значением напряжения пробоя. На рис. 2 представлены диапазоны применения MOSFET и биполярных транзисторов. Применение новых материалов и технологий при производстве MOSFET в будущем приведет к расширению границ их применимости.

Рис. 2. Границы применимости МОП и биполярных силовых транзисторов по току и напряжению

Паразитные элементы в структуре МОП-транзистора

На рис. 3 изображена схема современного MOSFET с вертикальной структурой. Принцип действия такого транзистора практически не отличается от горизонтальной структуры, приведенной выше. Также существуют области истока (n+), области канала (p+) и области стока (n+-подложка). Канал образуется в p+-области под слоем оксида затвора. На рис. 4 проиллюстрированы физические причины возникновения паразитных компонентов в n-канальном MOSFET.

Паразитный полевой транзистор с переходом ограничивает ток при расширении обедненной области p— в область дрейфа по мере увеличения напряжения на стоке. Паразитный биполярный транзистор может привести к нежелательному открытию структуры и пробою. Сопротивление в цепи базы паразитного биполярного транзистора RB должно быть минимизировано за счет правильного легирования и соответствующего расположения под областью истока.

Также в структуре MOSFET имеют место несколько паразитных емкостей, как показано на рис. 4.

Рис. 3. Схема силового МОП-транзистора с вертикальной структурой и его символьное обозначение

Рис. 4. Паразитные компоненты в вертикальной структуре силового МОП-транзистора

Емкость CGS (СЗИ) образуется при перекрытии области истока и области канала поликремниевым затвором и не зависит от величины приложенного напряжения. CGD (СЗС) состоит из двух частей. Первая — это емкость между поликремниевым затвором и кремнием в области паразитного полевого транзистора. Вторая часть — емкость, связанная с обедненной областью непосредственно под затвором. Емкость СЗС является нелинейной функцией приложенного напряжения. CDS (ССИ), связанная с емкостью внутреннего запертого p-n-перехода, изменяется обратно квадратному корню из напряжения сток-исток.

На данный момент существуют две основные разновидности MOSFET с вертикальной структурой, называемые обычно планарной и траншейной. Планарная схема была уже рассмотрена на рис. 3. Две вариации траншейной структуры представлены на рис. 5. Ячейки, выполненные по траншейной технологии, могут быть более плотно упакованы, однако такая структура сложнее в производстве, чем планарная.

Рис. 5. Силовой МОП-транзистор, выполненный по траншейной схеме: а) поток электронов в V-образной структуре; б) устройство усеченной V-образной структуры

Напряжение пробоя

Напряжением пробоя (BVDSS) называется напряжение сток-исток, при котором обратносмещенный внутренний p-n-переход между р-областью и областью дрейфа пробивается и за счет лавинного процесса увеличения носителей заряда через прибор начинает протекать значительный ток, даже если исток и затвор закорочены. Для напряжений ниже BVDSS и при отсутствии смещения на затворе канал не образуется, и все напряжение стока падает на закрытом внутреннем p-n-переходе. BVDSS обычно измеряется при токе стока 250 мкА.

Кроме пробоя за счет лавинообразного процесса, в неудачно разработанных или некачественно изготовленных приборах могут существовать два связанных по смыслу явления, приводящих к подобному результату. Оба этих эффекта вызываются «проколом» p-n-перехода. В первом случае область обеднения внутреннего p-n-перехода в области p (рис. 6) доходит до области истока при напряжениях, меньших, чем напряжение пробоя BVDSS.

Область p в месте прокола фактически перестает существовать, что можно охарактеризовать как прокол базы паразитного биполярного транзистора. Для тока появляется путь в обход канала, что вызывает «мягкий» пробой, характеристика которого показана на рис. 7. Ток утечки между истоком и стоком обозначается как IDSS.

Существует определенная дилемма — уменьшение сопротивления канала за счет его укорочения с одной стороны, и попытка избежать явления прокола за счет удлинения канала — с другой. Проколу также может быть подвержена область дрейфа, что имеет место при достижении подложки областью обеднения внутреннего p-n-перехода со стороны области дрейфа (n—) при напряжениях ниже напряжений образования лавины в эпитаксиальном слое.

Как только область обеднения заходит в насыщенную носителями область подложки, дальнейшее повышение напряжения стока приводит к быстрому достижению критической величины напряженности поля в 2×105 В/см, при котором начинается лавинообразный процесс.

Читайте также  Тензодатчики для весов принцип работы

Рис. 6. Зависимость тока стока от напряжения сток-исток при различных значениях напряжения на затворе

Рис. 7. Зависимость тока стока от напряжения сток-исток при пробое

Сопротивление открытого транзистора

Рис. 8. Компоненты полного сопротивления открытого транзистора

Сопротивление открытого MOSFET складывается из нескольких компонент, как показано на рис. 8.

где RSOURCE — сопротивление области диффузии истока; RCH — сопротивление канала; RA — сопротивление области сбора тока; RJ — сопротивление области паразитного полевого транзистора между двумя внутренними областями p-типа; RD — сопротивление области дрейфа; RSUB — сопротивление подложки.

Подложки с удельным сопротивлением до 20 мОм/см используются для высоковольтных устройств, а с удельным сопротивлением менее 5 мОм/см — для низковольтных приборов. RWCML — суммарное сопротивление связующих проводников: сопротивление контактов металлизаций стока и истока с кремнием, вклад сопротивления металлизации и внешних выводов.

RWCML можно, как правило, пренебречь при рассмотрении высоковольтных устройств, однако в низковольтных устройствах, ввиду малости остальных составляющих, его вклад значителен. Рис. 9 иллюстрирует относительный вклад всех составляющих полного сопротивления для различных рабочих напряжений. Как можно заметить, при больших напряжениях в полном значении RDS(On) доминирует сопротивление эпитаксиального слоя и области паразитного полевого транзистора.

Эти компоненты велики при больших напряжениях в силу малой проводимости (малой концентрации носителей) в эпитаксиальном слое. При низких рабочих напряжениях RDS(On) определяется сопротивлением канала и вкладом контактов металл-полупроводник, металлизации, соединителей и выводов. Вклад подложки наиболее значителен в низковольтных устройствах.

Рис. 9. Относительные вклады элементов в полное сопротивление для транзисторов с различными рабочими напряжениями

Крутизна

Крутизна gFS является мерой чувствительности тока стока к изменениям управляющего напряжения UЗИ. Этот параметр обычно определяется в области значений напряжения UЗИ, дающего половину максимального тока стока, и для области значений UСИ, в которых ток стока постоянен по UСИ (область насыщения).

На крутизну влияет ширина затвора, которая увеличивается по отношению к активной области ячейки с увеличением плотности ячеек. Указанная плотность в исторической перспективе возросла от примерной цифры 80 тыс. ячеек на квадратный сантиметр в 1980 г. до значений в 1,2 млн (для планарных транзисторов) и 1,9 млн (для траншейных) в настоящее время.

Ограничивающим фактором для дальнейшего роста являются сложности управления фотолитографическим процессом и сложности создания надежного контакта с металлизацией истока в центре ячейки.

На значение крутизны также оказывают влияние длина канала и толщина оксидного слоя затвора. Для роста крутизны и уменьшения сопротивления включенного транзистора нужно уменьшать длину канала, сдерживается же эта тенденция описанным выше явлением сквозного прокола.

Пороговое напряжение

Пороговое напряжение Vth определяется как минимальное открывающее напряжение на затворе, инвертирующее тип проводимости и создающее канал между областями истока и стока. Vth обычно измеряется при токе стока 250 мкА.

Нормальные значения порогового напряжения 2–4 В для высоковольтных устройств с толстым оксидным слоем и 1–2 В для низковольтных устройств с тонким оксидным слоем, совместимых с логическими уровнями напряжений.

С увеличением применяемости MOSFET в портативной и беспроводной электронике, где основным типом питания является батарейное, желательным является снижение порогового напряжения и сопротивления открытого транзистора.

Падение напряжения на внутреннем диоде

Внутренний p-n-переход закрыт при нормальной работе транзистора (при нормальной полярности напряжения сток-исток). Открывается этот переход при обратной полярности приложенного напряжения. Являясь паразитным элементом, он, вместе с тем, может быть схемотехнически использован как защитное устройство. Прямое падение на открытом внутреннем диоде определяется параметром VF.

VF указывает на гарантированное максимальное значение этой характеристики при определенном значении тока истока. На рис. 10 показаны типичные ВАХ внутреннего диода при двух температурах. Ввиду большего сопротивления контакта металлизации и кремния p-типа р-канальные приборы имеют более высокое напряжение VF, чем n-типа.

Нормальными значениями VF являются 1,6 В для высоковольтных приборов (>100 В) и 1,0 В для низковольтных (

Источник: https://power-e.ru/components/osnovy-ustrojstva-i-primeneniya-silovyh-mop-tranzistorov-mosfet/

Принцип работы полевого МОП-транзистора

МОП транзистор принцип работы


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.

Устройство и основные характеристики МОП-транзисторов

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:

·         Между затвором и истоком прикладывается плюсовое напряжение к затвору.

·         Между металлическим выводом затвора и подложкой появляется электрическое поле.

·         Электрическое поле притягивает к приповерхностному слою диэлектрика свободные электроны, ранее распределенные в кремниевой подложке.

·         В приповерхностном слое появляется область проводимости (канал) n-типа, состоящая из свободных электронов.

·         Между выводами стока и истока появляется «мост», проводящий электрический ток.

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.

Читайте также  Беспроводной чайник принцип работы

·         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.

Анатолий Мельник

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

Источник: https://www.radioelementy.ru/articles/printsip-raboty-polevogo-mop-tranzistora/

Транзистор МОП-принцип работы, структура, основные характеристики

МОП транзистор принцип работы

Мощный МОП-транзистор или как его еще называют «металлоокисный полупроводник». Трехслойная структура транзистора Металл – Оксид – Полупроводник. Он обладает рядом достоинств перед транзисторами биполярного типа. Эти свойства выражается и при действии транзистора в линейном режиме и в режиме переключения.

Основные преимущества МОП-транзисторов

  • Мгновенное переключение;
  • Нет вторичного пробоя;
  • Безопасная работа характеризуется широкой областью;
  • Высокий коэффициент усиления.
  • Более высокое входное сопротивление.
  • Небольшое потребление электроэнергии.
  • При компоновке интегральных схем с использованием МОП-транзисторов задействуется относительно небольшое количество операций, чем с применением биполярных транзисторов.

Применение МОП-транзисторов

Использование в конструкции импульсных источников питания высокой частоты в качестве дискретных компонентов, в устройствах инверторного преобразования и регуляторах скорости электродвигателей различного типа.

Использование их в конструкции высокочастотных генераторов применяемых для индукционного нагрева, в ультразвуковых генераторах, усилителях звука и устройствах периферийного назначения для компьютеров.

Использование транзисторов в регуляторах скорости ограниченно низким напряжением (подключением к аккумуляторам) и небольшой мощностью, потому как кремниевая поверхность способна выдержать высокое напряжение в закрытом состоянии и низкое падение в открытом состоянии.

Работа МОП-транзистора

Принцип действия прибора зависит от изменения в полупроводнике электрического поля, происходит поляризация изолированного затвора. Такое действие вызвало название элемента, как « металлоокисный полупроводник».

  Он представляет собой прибор, в котором для изготовления затвора использовалась двуокись кремния SiO2, для современных МОП-транзисторов в качестве материала для затвора применяют поликристаллический кремний. Существует два типа МОП-транзисторов. Первые имеют дырочную проводимость – р-канальные.

Транзисторы с электронной проводимостью называются n-канальными. Канал в этих полупроводниковых приборах может быть обедненным или наоборот обогащенным носителями.

Рис. №1. Базовая структура МОП-транзистора с гексагональной топологией. Положительный вывод истока по отношению к стоку создает протекание тока через середину ячейки истока посредством прямо смещенного pn-перехода. Обратное направление транзистора характерно для работы выпрямителя на на  pn-переходе.

Основные характеристики транзистора

  • Напряжение управления: обеспечение проводимости и блокировки компонента;
  • В открытом состоянии (проводящем) характеризуется внутренним сопротивлением и максимально допустимым постоянным током.
  • В закрытом состоянии (не проводящем) транзистор характеризуется максимально допустимым напряжением прямого типа (более 1000В).
  • Использование подобных транзисторов в регуляторах скорости позволяет работать на частоте в границах до нескольких сотен кГц.

Главные типы МОП-транзисторов

  1. Транзистор с индуцированным каналом, считающимся доминирующим элементом в новейших интегральных схемах. Прибор характеризуется положительным пороговым напряжением, от 0,5 до 1 В.
  2. МОП-транзистор со встроенным каналом

МОП-транзистор с индуцированным затвором

Рис. №2. а) структура МОП ПТ с индуцированным каналом. б) графическое изображение.

МОП-транзистор со встроенным каналом

Подобный прибор  обладает ненулевым значением тока, называемым начальным, при этом напряжение имеет нулевое значение. Действует в режиме обеднения и обогащения.

Рис.№3. МОП ПТ с встроенным каналом: а) транзисторная структура; б) графическое изображение.

Меры безопасности при работе с МОП-транзисторами большой мощности

Тестировать МОП-транзисторы и монтировать их в схему необходимо с осторожностью. Хотя большая емкость и позволяет поглощать статический разряд, он все равно может повредить их. При проведении рабочих операций с  МОП-транзисторами большой мощности необходимо следовать определенным правилам.

  • Содержать приборы необходимо в специальной проводящей и антистатической таре.
  • Категорически запрещается брать МОП-транзистор за выводы, только за корпус.
  • При проверке мощного МОП-транзистора на характериографе или тестировании с помощью тестовой схемы нужно придерживаться строгих правил.
  • Тестовая станция должна быть оборудована проводящими полами и заземленными ковриками.
  • До установки элемента в схему нежелательно подавать напряжение до надежного соединения выводов.
  • При пользовании характериографом необходимо резистор соединять с затвором последовательно, это делается для гашения паразитной генерации, появляющейся в активном режиме. Резистор при часто повторяющихся испытаниях лучше всего держать в контактном гнезде.
  • Переключение тестовых диапазонов требует снижение тока и напряжения до нулевого значения, это делается для того, чтобы избежать появления потенциально разрушающих выбросов напряжения при действии по переключению диапазонов.
  • При включении транзистора в схему необходимо пользоваться рабочими станциями на заземленных столах и пользоваться напольными матами.
  • Паяльники оборудуются защитным заземлением.
  • Для надежной работы транзистора в схеме необходимо опасаться неожиданных выбросов напряжения сток – исток.

Избыточное напряжение может пробить слой окисла затвор-исток, что приведет к выходу из строя элемента.

Переходное напряжение затвор – исток, обладающее отрицательным направлением появляется при наличии индуктивности изолирующего трансформатора запуска, индуктивность хорошо отделяет затвор от запускающей схемы в процессе перехода. Напряжение перехода при этих условиях превышает напряжение затвора, что также ведет к отказу.

Для решения подобной проблемы рекомендуется использовать диод Зенера, он предотвращает превышение допустимых значений напряжения затвор-исток.

Еще одним эффективным решением для противодействия отказу будет снижение импеданса схемы затвора до самой малой величины, лишь бы сохранить номинал напряжения затвор-исток и поддерживать переходные процессы на уровне, при котором не возникает случайное включение.

Диод Зенера фиксирует уровень положительных процессов перехода, он в автоматическом режиме фиксирует переходные процессы, действующие в отрицательном направлении, ограничивает их своим падением напряжения обладающим прямой проводимостью.

Основные правила при использовании мощных МОП ПТ

  1. Необходимо остерегаться выбросов напряжения сток-исток, которые появляются при переключениях.
  2. Нельзя превышать параметры пикового тока
  3. Не рекомендуется работать на среднем значении тока, выше нормированного значения.
  4. Желательно оставаться в заданных температурных пределах.
  5. Обязательно нужно обращать внимание на топология схемы.

  6. Необходимо соблюдать осторожность, применяя интегральный диод тело-сток.
  7. Нужно соблюдать предельную внимательность, сравнивая нормы токовых значений.

Обладая огромными преимуществами, мощные полевые транзисторы МОП при правильном применении служат для улучшения конструкции системы, которая при обладании меньшим количеством элементом может быть лучше, компактнее, функциональнее, чем аналогичные приборы, но другой компоновки и типа.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

ссылкой:

Источник: https://elektronchic.ru/elektronika/tranzistor-mop.html

Полевой МОП транзистор

МОП транзистор принцип работы

Как часто вы слышали название МОП, MOSFET, MOS, полевик, МДП-транзистор, транзистор с изолированным затвором? Да-да… это все слова синонимы и относятся они к одному и тому же радиоэлементу.

Полное название такого радиоэлемента на английский манер звучит как Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFET), что в дословном переводе звучит как Металл Оксид Полупроводник Поле Влияние Транзистор.

Если преобразовать на наш могучий русский язык, то получается как полевой транзистор со структурой Металл Оксид Полупроводник или просто МОП-транзистор ;-). Почему МОП-транзистор также называют МДП-транзистором и транзистором с изолированным затвором? С чем это связано? Об этих и других вещах вы узнаете в нашей статье.

Не переключайтесь на другую вкладку! 😉

Виды МОП-транзисторов

В семействе МОП-транзисторов в основном выделяют 4 вида:

1) N-канальный с индуцированным каналом

2) P-канальный с индуцированным каналом

3) N-канальный со встроенным каналом

4) P-канальный со встроенным каналом

Как вы могли заметить, разница только в обозначении самого канала. С индуцированным каналом он обозначается штриховой линией, а со встроенным каналом – сплошной.

В современном мире МОП-транзисторы со встроенным каналом используются все реже и реже, поэтому в наших статьям мы их затрагивать не будем, а будем рассматривать только N и P – канальные транзисторы с индуцированным каналом.

Откуда пошло название “МОП”

Начнем наш цикл статей про МОП-транзисторы именно с самого распространенного N-канального МОП-транзистора с индуцированным каналом. Go!

Если взять тонкий-тонкий нож и разрезать МОП-транзистор вдоль, то можно увидеть вот такую картину:

Если рассмотреть с точки зрения еды на вашем столе, то МОП-транзистор будет больше похож на бутерброд. Полупроводник P-типа – толстый кусок хлеба, диэлектрик – тонкий кусок колбасы, а сверху кладем еще слой металла – тонкую пластинку сыра. И у нас получается вот такой бутерброд:

А как  будет строение транзистора сверху-вниз? Сыр – металл, колбаса – диэлектрик, хлеб – полупроводник. Следовательно получаем Металл-Диэлектрик-Полупроводник.

А если взять первые буквы с каждого названия, то получается МДП – Металл-Диэлектрик-Полупроводник, не так ли? Значит, такой транзистор можно назвать по первым буквам МДП-транзистором ;-).

А так как в качестве диэлектрика используется очень тонкий слой оксида кремния (SiO2), можно сказать что почти стекло, то и вместо названия “диэлектрик” взяли название “оксид, окисел”, и получилось Металл-Окисел-Полупроводник, сокращенно МОП. Ну вот, теперь все встало на свои места 😉

Строение МОП-транзистора

Давайте еще раз рассмотрим структуру нашего МОП-транзистора:

Имеем “кирпич” полупроводникового материала P-проводимости. Как вы помните, основными носителями в полупроводнике P-типа являются дырки, поэтому их концентрация в данном материале намного больше, чем электронов. Но электроны тоже есть в P-полупроводнике. Как вы помните, электроны в P-полупроводнике –  это неосновные носители и их концентрация очень мала, по сравнению с дырками. “Кирпич” P-полупроводника носит название Подложки. Она является основой МОП-транзистора, так как на ней создаются другие слои. От подложки выходит вывод с таким же названием.

Другие слои – это материал N+ типа, диэлектрик, металл. Почему N+, а не просто N? Дело в том, что этот материал сильно легирован, то есть концентрация электронов в этом полупроводнике очень большая. От  полупроводников N+ типа, которые располагаются по краям, отходят два вывода: Исток и Сток.

Между Истоком и Стоком через диэлектрик располагается металлическая пластинка, от который идет вывод и называется Затвором. Между Затвором и другими выводами нет никакой электрической связи. Затвор вообще изолирован от всех выводов транзистора, поэтому МОП-транзистор также называют транзистором с изолированным затвором.

Подложка МОП-транзистора

Итак, смотря на рисунок выше, мы видим, что МОП-транзистор на схеме имеет 4 вывода (Исток, Сток, Затвор, Подложка), а в реальности только 3. В чем прикол? Дело все в том, что Подложку обычно соединяют с Истоком. Иногда это уже делается в самом транзисторе еще на этапе разработки. В результате того, что Исток соединен с Подложкой, у нас образуется диод между Стоком и Истоком, который иногда даже не указывается в схемах, но всегда присутствует:

Поэтому, требуется соблюдать цоколевку при подключении МОП-транзистора в схему.

Принцип работы МОП-транзистора

Тут все то же самое как и в полевом транзисторе с управляющим PN-переходом. Исток – это вывод, откуда начинают свой путь основные носители заряда, Сток – это вывод, куда они притекают, а Затвор – это вывод, с помощью которого мы контролируем поток основных носителей.

Пусть Затвор у нас пока что никуда не подключен. Для того, чтобы устроить движуху электронов через Исток-Сток, нам потребуется источник питания Bat:

Если рассмотреть наш транзистор с точки зрения P-N переходов и диодов на их основе, то можно нарисовать эквивалентную схемку для нашего рисунка. Она будет выглядеть вот так:

где

И-исток, П-Подложка, С-Сток.

Как вы видите, диод VD2 включен в обратном направлении, так что электрический ток никуда не потечет.

Значит, в этой схеме

никакой движухи электрического тока не намечается.

НО…

Индуцирование канала в МОП-транзисторе

Если подать определенное напряжение на Затвор, в подложке начинаются волшебные превращения. В ней начинает индуцироваться канал.

Индукция, индуцирование – это буквально означает “наведение”, “влияние”. Под этим термином понимают возбуждение в объекте какого-либо свойства или активности в присутствии возбуждающего субъекта (индуктора), но без непосредственного контакта (например, через электрическое поле). Последнее выражение для нас имеет более глубокий смысл: “через электрическое поле”.

Также нам не помешает вспомнить, как ведут себя заряды различных знаков. Те, кто не играл на физике на последней парте в  морской бой и не плевал через корпус шариковой ручки бумажными шариками в одноклассниц, тот наверняка вспомнит, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются:

На основе этого принципа еще в начале ХХ века ученые сообразили, где все это можно применить и создали гениальный радиоэлемент. Оказывается, достаточно подать на Затвор положительное напряжение относительно Истока, как сразу под Затвором возникает электрическое поле. А раз  подаем на Затвор положительное напряжение, значит он будет заряжаться положительно не так ли?

Так как у нас слой диэлектрика очень тонкий, следовательно, электрическое поле будет также влиять и на подложку, в которой дырок намного больше, чем электронов. А раз и на Затворе положительный потенциал и дырки обладают положительным зарядом, следовательно, одноименные заряды отталкиваются, а разноименные  – притягиваются. Картина будет выглядеть следующим образом пока что без источника питания между Истоком и Стоком:

Дырки обращаются в бегство подальше от Затвора и поближе к выводу Подложки, так как одноименные заряды отталкиваются, а электроны наоборот пытаются пробиться к металлической пластинке затвора, но им мешает диэлектрик, который не дает им воссоединиться с Затвором и уравнять потенциал до нуля. Поэтому электронам ничего другого не остается, как просто создать вавилонское столпотворение около слоя диэлектрика.

В результате, картина будет выглядеть следующим образом:

Видели да? Исток и Сток соединились тонким каналом из электронов! Говорят, что такой канал индуцировался из-за электрического поля, которое создал Затвор транзистора.

Так как этот канал соединяет Исток и Сток, которые сделаны из N+ полупроводника, следовательно у нас получился N-канал. А  такой транзистор уже будет называться N-канальным МОП-транзистором. Если вы читали статью проводники и диэлектрики, то наверняка помните, что в проводнике очень много свободных электронов. Так как Сток и Исток соединились мостиком из большого количества электронов, следовательно этот канал стал проводником для электрического тока. Проще говоря, между Истоком и Стоком образовался “проводок”, по которому может бежать электрический ток.

Получается, если подать напряжение между Стоком и Истоком при индуцированном канале, то мы можем увидеть вот такую картину:

Как вы видите, цепь стает замкнутой и в цепи начинает спокойно протекать электрический ток.

Но это еще не все! Чем сильнее электрическое поле, тем больше концентрация электронов, тем толще получается канал. А как сделать поле сильнее? Достаточно подать побольше напряжения на Затвор 😉 Подавая бОльшее напряжение на Затвор с помощью Bat2, мы  увеличиваем толщину канала, а значит и его проводимость! Или простыми словами, мы можем менять сопротивление канала, “играя” напряжением на затворе 😉 Ну гениальнее некуда!

Работа P-канального МОП-транзистора

В нашей статье мы разобрали N-канальный МОП транзистор с индуцированным каналом. Также есть еще и P-канальный  МОП-транзистор с индуцированным каналом. P-канальный работает точно также, как и N-канальный, но вся разница в том, что основными носителями будут являться уже дырки. В этом случае все напряжения в схеме меняем на инверсные, в отличие от N-канального транзистора:

На ютубе нашел очень неплохое видео, поясняющее работу полевого МОП-транзистора. Рекомендую к просмотру (не реклама):

А вот и  продолжение

Источник: https://www.ruselectronic.com/polevoj-mop-tranzistor/