Электроника:Полупроводники/Теория твердотельных приборов/Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET)

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET)[1]

Полевой транзистор с изолированным затвором, также известный как полевой транзистор с управляющим переходом оксид-металла/полупроводник или сокращённо МОП-транзистор (также часто используется аббревиатура MOSFET от англ. Metal Oxide Field Effect Transistor), является усовершенствованной вариацией полевого транзистора. Сегодня большинство транзисторов относятся к типу MOSFET в качестве компонентов цифровых интегральных схем. Хотя в виде отдельных устройств биполярных транзисторов больше, чем MOSFET. Количество МОП-транзисторов в интегральной схеме может приближаться к сотням миллионов. Размеры отдельных устройств MOSFET менее одного микрона, причём уменьшение происходит вдвое каждые 18 месяцев (Примечание редакции: книга Тони Купхальдта писалась в середине нулевых, когда закон Мура ещё работал). МОП-транзисторы гораздо большего размера способны коммутировать токи около 100 ампер при низких напряжениях; некоторые выдерживают почти 1000 В при более низких токах. Но такие устройства не такие уж и маленькие (по меркам микроэлектроники) и могут потребовать чуть ли не квадратный сантиметр кремния. MOSFET гораздо шире применяется, чем обычные полевые транзисторы. Однако в настоящее время для силовых устройств чаще используются транзисторы с биполярным переходом, чем MOSFET.

Принципы работы МОП-транзисторов

MOSFET имеет выводы истока, затвора и стока, как и в полевом транзисторе. Однако вывод затвора не имеет прямого соединения с кремнием, как в обычном полевом транзисторе. Затвор MOSFET – это металлический или поликремний слой поверх диэлектрика из диоксида кремния. Затвор имеет сходство с металлооксидным полупроводниковым (МОП) конденсатором, изображённым на рисунке 1 ниже. При зарядке пластины конденсатора принимают полярность соответствующих клемм аккумулятора. Нижняя пластина изготовлена из кремния P-типа, электроны отталкиваются от (-) клеммы батареи в сторону оксида и притягиваются (+) верхней пластиной. Этот избыток электронов около оксида создаёт инверсный (с избытком электронов) канал, находящийся под оксидом. Возле канала также возникает обеднённая область, изолирующая канал от объёмной кремниевой подложки.

Рис. 1. N-канальный МОП-конденсатор: (а) не заряжен, (б) заряжен.

На рисунке ниже 2.а МОП-конденсатор помещён между парой диффузоров N-типа в подложке P-типа. При отсутствии заряда конденсатора (отсутствия включения на затворе) диффузоры N-типа (исток и сток) остаются электрически изолированными.

Рис. 2. N-канальный MOSFET (режим обогащения): (a) нулевое включение затвора; (б) прямое включение затвора.

Прямое включение, приложенное к затвору, заряжает конденсатор (затвор). Затвор поверх оксида принимает положительный заряд от батареи включения затвора. Подложка P-типа под затвором принимает отрицательный заряд. Под оксидом затвора образуется область инверсии с избытком электронов. Эта область теперь соединяет исток и сток N-типа, образуя непрерывную N-область от истока до стока. Таким образом, MOSFET, как и обычный полевой транзистор, является однополярным устройством (за проводимость отвечает один тип носителя заряда). Этот пример представляет собой N-канальный MOSFET. При приложении напряжения между этими соединениями возможно проведение большого тока от истока к стоку. Практическая схема будет иметь нагрузку, последовательно включённую с разрядной батареей (рисунок 2.б выше).

E-MOSFET

Транзистор, показанный на рисунке 2 выше – это MOSFET, работающий в режиме обогащения. Непроводящий (выключенный) канал включается путём усиления канала ниже затвора после включения оного. Это самый распространенный вид устройств. Другой тип MOSFET здесь описывать не будет (полевым МОП-транзисторам с изолированным затвором, работающим в режиме обеднения, посвящена 6-я глава этого тома).

MOSFET, как и полевой транзистор, представляет собой устройство, управляемое напряжением. Входное напряжение на затвор управляет потоком тока от истока к стоку. Затвор не потребляют постоянный ток. Тем не менее, он потребляет импульсный ток, чтобы зарядить ёмкость затвора.

Поперечное сечение N-канального отдельного МОП-транзистора показано на рисунке 3.а ниже. Дискретные (отдельные, не интегрированные в схемы) устройства обычно оптимизированы для коммутации большой мощности. N+ показывает, что исток и сток сильно легированы N-типом. Это сводит к минимуму резистивные потери на пути высокого тока от истока к стоку. N- указывает на лёгкое легирование. P-область под затвором, между истоком и стоком, может быть инвертирована путем приложения положительного напряжения включения. Профиль легирования представляет собой поперечное сечение, которое может быть расположено в виде змеевика на кремниевом кристалле. Это значительно увеличивает площадь и, следовательно, текущую управляемость.

Рис. 3. N-канальный MOSFET (режим обогащения): (а) поперечное сечение; (б) схематическое обозначение.

В условном обозначении МОП-транзистор на рисунке 3.б выше показан «плавающий» затвор, указывающий на отсутствие прямого подключения к кремниевой подложке. Пунктирная линия от истока к стоку указывает, что это устройство выключено (не проводит ток), т.е. с нулевым включением на затворе. Обычно «выключенный» полевой МОП-транзистор является устройством режима обогащения. Канал должен быть усилен приложением напряжения к затвору для обеспечения проводимости. «Указывающий» конец стрелки на подложке соответствует материалу P-типа, который указывает на канал N-типа, с «без-указательной» конечной линией. Это обозначение N-канального MOSFET. Если бы это было P-канальное устройство, то стрелка указывала бы в противоположном направлении (на рисунке не показано). MOSFET – это четыре оконечных устройства: исток, затвор, сток и подложка. Подложка подключается к истоку в дискретных полевых МОП-транзисторах, превращая корпус в трехполюсное устройство. МОП-транзисторы, которые являются частью интегральной схемы, имеют подложку, общую для всех устройств, если она специально не изолирована для каких-то целей. Это общее соединение может быть выведено из кристалла для подключения к заземлению или источнику включения напряжения.

V-МОП-транзистор

Рис. 4. N-канальный V-МОП-транзистор: (а) поперечное сечение; (б) условное обозначение.

Устройство V-МОП на рисунке 4 выше – улучшенный силовой полевой МОП-транзистор со специальным профилем легирования, предназначенным для более низкого сопротивления истока и стока. Название V-МОП связано с V-образной областью затвора, которая увеличивает площадь поперечного сечения пути исток/сток. Это минимизирует потери и позволяет переключать более высокие уровни мощности. U-МОП вариант (с U-образной канавкой) проще в изготовлении.

Итог

  • MOSFET (МОП-транзистор) – однополярное проводящее устройство, использующее только один тип носителя заряда (либо электроны, либо «дырки», т.е. как в обычном полевом транзисторе и отлично от биполярного транзистора).
  • МОП-транзистор – это устройство, управляемое напряжением, подобное полевому транзистору. Входное напряжение затвора управляет током между истоком и стоком.
  • Затвор MOSFET не потребляет постоянного тока, за исключением тока утечки. Однако для зарядки ёмкости затвора требуется значительный начальный скачок тока.

См.также

Внешние ссылки