MOSFET

Tranzistor MOS sau tranzistor de câmp (unipolar) cu o poartă izolată ( de exemplu, tranzistor cu efect de câmp cu oxid de metal și semiconductor, abreviat „MOSFET” ) - un dispozitiv semiconductor, un tip de tranzistori cu efect de câmp . Abrevierea MOS este derivată din cuvintele „ metal-oxid-semiconductor ”, indicând o secvență de tipuri de materiale din corpul principal al dispozitivului.

MOSFET-ul are trei terminale: poarta, sursa, scurgere (vezi figura). Contactul din spate (B) este de obicei conectat la sursă. În regiunea din apropierea suprafeței semiconductorului, un așa-numit canal este creat în timpul fabricării sau indus (apare când se aplică tensiuni). Cantitatea de curent din acesta (curent sursă-dren) depinde de tensiunile sursă-poartă și sursă-dren.

Materialul semiconductor este cel mai adesea siliciu (Si), iar poarta metalică este separată de canal printr-un strat subțire de izolator [1] — dioxid de siliciu (SiO 2 ). Dacă SiO 2 este înlocuit cu un dielectric non-oxid (D), se folosește denumirea de tranzistor MOS ( ing. MISFET , I = izolator).

Spre deosebire de tranzistoarele bipolare , care sunt acționate de curent, IGBT-urile sunt acționate de tensiune, deoarece poarta este izolată de scurgere și sursă; astfel de tranzistori au impedanță de intrare foarte mare .

MOSFET-urile sunt coloana vertebrală a electronicii moderne. Sunt cel mai produs industrial în masă, din 1960 până în 2018 au fost produse aproximativ 13 sextilioane (1,3 × 10 21 ) [2] . Astfel de tranzistori sunt utilizați în microcircuitele digitale moderne, fiind baza tehnologiei CMOS .

Clasificare

După tipul de canal

Există tranzistori MOS cu propriul lor (sau încorporat) ( de exemplu tranzistor cu modul de epuizare ) și canal indus (sau invers) ( tranzistor în mod de îmbunătățire ). În dispozitivele cu un canal încorporat, la tensiunea poarta-sursă zero, canalul tranzistorului este deschis (adică conduce curentul între dren și sursă); pentru a bloca canalul, trebuie să aplicați o tensiune de o anumită polaritate la poartă. Canalul dispozitivelor cu canal indus este închis (nu conduce curentul) la tensiunea sursă-portă zero; pentru a deschide canalul, trebuie să aplicați o tensiune de o anumită polaritate în raport cu sursa la poartă.

În ingineria digitală și energetică, tranzistorii cu un canal indus sunt de obicei utilizați numai. În tehnologia analogică se folosesc ambele tipuri de dispozitive [1] .

Tip de conductivitate

Materialul semiconductor al canalului poate fi dopat cu impurități pentru a obține conductivitate electrică de tip P sau N. Prin aplicarea unui anumit potențial porții, este posibilă modificarea stării de conducere a secțiunii de canal de sub poartă. Dacă, în același timp, purtătorii săi de încărcare principali sunt deplasați de canal, în timp ce îmbogățesc canalul cu purtători minoritari, atunci acest mod se numește modul de îmbogățire . În acest caz, conductivitatea canalului crește. Când un potențial opus în semn este aplicat porții în raport cu sursa, canalul devine epuizat de purtătorii minoritari și conductivitatea acestuia scade (acesta se numește mod de epuizare , care este tipic doar pentru tranzistoarele cu canal integrat) [3] .

Pentru tranzistoarele cu efect de câmp cu canale n, declanșatorul este o tensiune pozitivă (față de sursă) aplicată porții și depășind în același timp tensiunea de prag pentru deschiderea acestui tranzistor. În consecință, pentru tranzistoarele cu efect de câmp cu canal p, tensiunea de declanșare va fi negativă în raport cu tensiunea sursei aplicată la poartă și depășind tensiunea de prag.

Marea majoritate a dispozitivelor MOS sunt realizate în așa fel încât sursa tranzistorului să fie conectată electric la substratul semiconductor al structurii (cel mai adesea la cristalul însuși). Cu această legătură, între sursă și scurgere se formează o așa-numită diodă parazită. Reducerea efectului dăunător al acestei diode este asociată cu dificultăți tehnologice semnificative, așa că au învățat să depășească acest efect și chiar să-l folosească în unele soluții de circuit. Pentru FET-urile cu canal n, dioda parazită este conectată cu anodul la sursă, iar pentru FET-urile cu canal p, anodul este conectat la dren.

Tranzistoare speciale

Există tranzistoare cu porți multiple. Ele sunt utilizate în tehnologia digitală pentru a implementa elemente logice sau ca celule de memorie în EEPROM . În circuitele analogice, tranzistoarele cu mai multe porți - analogi ale tuburilor vidate cu mai multe rețele - au devenit, de asemenea, oarecum răspândite, de exemplu, în circuitele mixerului sau dispozitivele de control al câștigului.

Unele tranzistoare MOS de mare putere, utilizate în ingineria energetică ca întrerupătoare electrice , sunt prevăzute cu o ieșire suplimentară de la canalul tranzistorului pentru a controla curentul care circulă prin acesta.

Simboluri grafice convenționale

Denumirile grafice convenționale ale dispozitivelor semiconductoare sunt reglementate de GOST 2.730-73 [4] .

	canal indus	Canal încorporat
Canalul P
canal N
Legendă: Z - poarta (G - Poarta), I - sursă (S - Sursă), C - dren (D - Dren)

Caracteristici ale funcționării MOSFET-urilor

Tranzistoarele cu efect de câmp sunt controlate de o tensiune aplicată la poarta tranzistorului în raport cu sursa acestuia, în timp ce:

I_{c}=I_{u};

I_{3}\la 0.

Când tensiunea se schimbă, starea tranzistorului și curentul de scurgere se modifică . $U_{3u}$ $IC}$

Pentru tranzistoarele cu canal n, când tranzistorul este închis; $U_{3u}<U_{nop}\,,I_{c}=0$
Când tranzistorul se deschide și punctul de funcționare se află în secțiunea neliniară a caracteristicii de control (poarta stoc) a tranzistorului cu efect de câmp: $U_{3u}>U_{nop}$ $I_{c}=K_{n}\left[\left(U_{3u}-U_{nop}\right)\cdot U_{cu}-{\frac {U_{cu}^{2)} {2}}\dreapta];$ $K_n$ - abruptul specific al caracteristicilor tranzistorului;
Cu o creștere suplimentară a tensiunii de comandă, punctul de funcționare trece la secțiunea liniară a caracteristicii poarta de scurgere; $U_{3u}$ $I_{c}={\frac {K_{n}}{2}}\left[U_{3u}-U_{nop}\right]^{2}$ este ecuația lui Hovstein.

Caracteristici de conectare

Când conectați MOSFET-uri puternice (în special cele care funcționează la frecvențe înalte), este utilizat un circuit standard de tranzistor:

Circuit RC (snubber), conectat în paralel cu sursa-drain, pentru a suprima oscilațiile de înaltă frecvență și impulsurile mari de curent care apar la comutarea tranzistorului din cauza inductanței parazitare și capacității magistralelor de alimentare. Oscilațiile de înaltă frecvență și curenții pulsați cresc generarea de căldură în tranzistor și o pot deteriora dacă tranzistorul funcționează în regimul termic maxim admis). Amortizorul reduce, de asemenea, rata de creștere a tensiunii la bornele sursei de scurgere, ceea ce protejează tranzistorul de auto-deschidere prin capacitatea de trecere.
O diodă de protecție rapidă, conectată în paralel cu sursa-dren în conexiunea inversă față de sursa de alimentare, oprește impulsurile de curent generate atunci când tranzistorul care funcționează pe o sarcină inductivă este oprit.
Dacă tranzistoarele funcționează într-un circuit în punte sau semi-punte la frecvență înaltă (de exemplu, în invertoarele de sudură , încălzitoarele cu inducție , sursele de alimentare cu comutare ), atunci, pe lângă dioda de protecție, o diodă Schottky este uneori inclusă în circuitul opus în circuitul circuit de scurgere pentru a bloca dioda parazita. O diodă parazită are un timp lung de oprire, ceea ce poate duce la curenți și defecțiuni ale tranzistorului.
Un rezistor conectat între sursă și poartă pentru a drena sarcina de la poartă. Poarta stochează sarcina electrică ca un condensator, iar după ce semnalul de control este îndepărtat, MOSFET-ul poate să nu se închidă (sau să se închidă parțial, ceea ce va duce la creșterea rezistenței, încălzirea și defectarea acestuia). Valoarea rezistorului este selectată în așa fel încât să aibă un efect redus asupra controlului tranzistorului, dar în același timp să descarce rapid sarcina electrică de la poartă.
Diode de protecție ( supresoare ) conectate în paralel cu tranzistorul și poarta acestuia. Când tensiunea de alimentare pe tranzistor (sau când semnalul de control de pe poarta tranzistorului) depășește valoarea admisibilă, de exemplu, în timpul zgomotului de impuls, supresorul limitează supratensiunile periculoase și protejează dielectricul de poartă de defectare.
Un rezistor conectat în serie cu circuitul porții pentru a reduce curentul de reîncărcare a porții. Poarta unui tranzistor puternic cu efect de câmp are o capacitate mare și este echivalentă electric cu un condensator cu o capacitate de câteva zeci de nanofaradi, care provoacă curenți de impuls semnificativ în timpul reîncărcării porții prin fronturi scurte ale tensiunii de control (până la un unitate de amperi). Curenții mari de supratensiune pot deteriora driverul porții tranzistorului.
Un tranzistor MOS puternic care funcționează în modul cheie la frecvențe înalte este controlat folosind un driver - un circuit special sau un microcircuit gata făcut care amplifică semnalul de control și oferă un curent de impuls mare pentru reîncărcarea rapidă a porții tranzistorului. Aceasta crește viteza de comutare a tranzistorului. Capacitatea de poartă a unui tranzistor de putere puternic poate ajunge la zeci de nanofarads. Pentru a-l reîncărca rapid, este necesar un curent de unități de amperi.
Optodriverele sunt, de asemenea, utilizate - drivere combinate cu optocuple . Optodriverele asigură izolarea galvanică a circuitului de putere de circuitul de control, protejându-l în caz de accident și, de asemenea, asigură izolarea galvanică față de masă atunci când controlează MOSFET-urile superioare în circuitele pod și semi-punte. Combinarea unui driver cu un optocupler într-o singură carcasă simplifică dezvoltarea și instalarea circuitului, reduce dimensiunile produsului, costul acestuia etc.
În dispozitivele de mare curent cu un nivel ridicat de zgomot și electricitate, o pereche de diode Schottky conectate în sens opus, așa-numitele, sunt conectate la intrările microcircuitelor realizate pe structurile MOS. un mufă de diodă (o diodă este între intrare și magistrala comună, cealaltă este între intrare și magistrala de alimentare) pentru a preveni fenomenul așa-numitei „snapping” a structurii MOS. Cu toate acestea, în unele cazuri, utilizarea unui ștecher cu diodă poate duce la un efect nedorit de „putere rătăcită” (atunci când tensiunea de alimentare este oprită, ștecherul cu diodă poate funcționa ca redresor și poate continua să alimenteze circuitul).

Invenție

În 1959, Martin Attala a propus să crească porțile tranzistoarelor cu efect de câmp din dioxid de siliciu. În același an, Attala și Dion Kang au creat primul MOSFET funcțional. Primele tranzistoare MOS produse în masă au intrat pe piață în 1964, în anii 1970, microcircuitele MOS au cucerit piețele pentru cipuri de memorie și microprocesoare , iar la începutul secolului XXI, ponderea microcircuitelor MOS a atins 99% din numărul total de circuite integrate (CI) produse [5 ] .

Note

↑ 1 2 Zherebtsov I.P. Fundamentele electronicii. Ed. a 5-a, - L .: 1989. - S. 120-121.
↑ 13 Sextillion & Counting: Drumul lung și sinuos către cel mai frecvent artefact uman din istorie . Muzeul de Istorie a Calculatoarelor (2 aprilie 2018). Preluat la 28 iulie 2019. Arhivat din original la 28 iulie 2019. (nedefinit)
↑ Moskatov E.A. Echipament electronic. Start. - Taganrog, 2010. - S. 76.
↑ GOST 2.730-73 ESKD. Denumirile grafice condiționate în scheme. Dispozitive Semiconductor Arhivat 12 aprilie 2013 la Wayback Machine .
↑ 1960 - Tranzistor cu semiconductor cu oxid de metal (MOS) demonstrat . Muzeul de Istorie a Calculatoarelor (2007). Preluat la 29 martie 2012. Arhivat din original la 5 august 2012. (nedefinit)

Link -uri

Principiile de funcționare ale MOSFET-urilor și IGBT-urilor de mare putere .
Teresșchuk D.S. Modelarea logică a VLSI la nivel de comutare .
Egorov A. Aplicarea tranzistoarelor MOSFET NXP Semiconductors în electronică .

Dicționare și enciclopedii	mare danez Mare catalană Britannica (online)
În cataloagele bibliografice	BNF : 12423223g GND : 4207266-9 J9U : 987007565647505171 LCCN : sh85084065 NDL : 01142304