MOSFET

MOS-transistori tai kenttätransistori (yksinapainen), jossa on eristetty hila ( eng. metalli-oksidi-puolijohde-kenttätransistori, lyhennetty "MOSFET" ) - puolijohdelaite, kenttätransistorien tyyppi . Lyhenne MOS on johdettu sanoista " metallioksidi-puolijohde ", joka tarkoittaa materiaalityyppien sarjaa laitteen päärungossa.

MOSFET:ssä on kolme liitintä: portti, lähde, tyhjennys (katso kuva). Takakosketin (B) on yleensä kytketty lähteeseen. Puolijohteen pinnan lähellä olevalle alueelle muodostuu valmistuksen aikana tai indusoituu ns. kanava (näkyy, kun jännite kytketään). Siinä olevan virran määrä (lähde-nieluvirta) riippuu lähde-hila- ja lähde-nielujännitteistä.

Puolijohdemateriaali on useimmiten piitä (Si), ja metalliportti erotetaan kanavasta ohuella kerroksella eristettä [1] — piidioksidia (SiO 2 ). Jos SiO 2 korvataan ei-oksididielektrisellä (D), käytetään nimeä MOS-transistori ( eng. MISFET , I = eriste).

Toisin kuin kaksinapaiset transistorit , jotka ovat virtaohjattuja, IGBT:t ovat jänniteohjattuja, koska portti on eristetty viemäristä ja lähteestä; tällaisilla transistoreilla on erittäin korkea tuloimpedanssi .

MOSFETit ovat modernin elektroniikan selkäranka. Ne ovat eniten massatuotettu teollisuustuote, vuosina 1960–2018 niitä valmistettiin noin 13 sekstillijoonaa (1,3 × 10 21 ) [2] . Tällaisia transistoreita käytetään nykyaikaisissa digitaalisissa mikropiireissä, jotka ovat CMOS - tekniikan perusta.

Luokitus

Kanavan tyypin mukaan

On olemassa MOS-transistoreja, joissa on oma (tai sisäänrakennettu) ( eng. depletion mode transistor ) ja indusoitu (tai käänteinen) kanava ( eng. enhancement mode transistor ). Laitteissa, joissa on sisäänrakennettu kanava, nollaportin lähdejännitteellä transistorikanava on avoin (eli johtaa virtaa nielun ja lähteen välillä); kanavan estämiseksi sinun on kytkettävä porttiin tietyn napaisuuden jännite. Indusoidulla kanavalla varustettujen laitteiden kanava on suljettu (ei johda virtaa) nollalla hilalähteen jännitteellä; kanavan avaamiseksi sinun on käytettävä portille tietyn napaisuuden jännite suhteessa lähteeseen.

Digitaalisessa ja tehotekniikassa käytetään yleensä vain indusoidulla kanavalla varustettuja transistoreita. Analogisessa tekniikassa käytetään molempia laitteita [1] .

Johtavuustyyppi

Kanavan puolijohdemateriaali voidaan seostaa epäpuhtauksilla P- tai N-tyypin sähkönjohtavuuden saamiseksi. Ohjaamalla tietty potentiaali hilaan on mahdollista muuttaa portin alla olevan kanavaosan johtavuustilaa. Jos samaan aikaan sen päävarauksenkantajat siirtyvät pois kanavasta samalla kun kanavaa rikastetaan vähemmistökantajalla, tätä tilaa kutsutaan rikastusmoodiksi . Tässä tapauksessa kanavan johtavuus kasvaa. Kun hilalle kohdistetaan potentiaalinen vastamerkki suhteessa lähteeseen, kanava tyhjenee vähemmistökantoaalloilta ja sen johtavuus laskee (tätä kutsutaan tyhjennysmoodiksi , joka on tyypillistä vain transistoreille, joissa on integroitu kanava) [3] .

N-kanavaisissa kenttätransistoreissa liipaisin on positiivinen (lähteeseen suhteutettu) jännite, joka on kohdistettu hilaan ja samalla ylittää tämän transistorin avaamisen kynnysjännitteen. Vastaavasti p-kanavaisten kenttätransistoreiden laukaisujännite on negatiivinen suhteessa hilaan syötettyyn lähdejännitteeseen ja ylittää sen kynnysjännitteen.

Suurin osa MOS-laitteista on valmistettu siten, että transistorin lähde on sähköisesti kytketty rakenteen puolijohdesubstraattiin (useimmiten itse kiteen). Tällä kytkennällä lähteen ja viemärin väliin muodostuu ns. parasiittidiodi. Tämän diodin haitallisen vaikutuksen vähentämiseen liittyy merkittäviä teknologisia vaikeuksia, joten he oppivat voittamaan tämän vaikutuksen ja jopa käyttämään sitä joissakin piiriratkaisuissa. N-kanavaisissa FET:issä parasiittidiodi on yhdistetty anodilla lähteeseen ja p-kanavaisten FET:ien anodi on kytketty nieluun.

Erikoistransistorit

On olemassa transistoreja, joissa on useita portteja. Niitä käytetään digitaalitekniikassa logiikkaelementtien toteuttamiseen tai muistisoluina EEPROMissa . Analogisissa piireissä moniporttitransistorit - moniverkkoisten tyhjiöputkien analogit - ovat myös yleistyneet jonkin verran esimerkiksi sekoitinpiireissä tai vahvistuksensäätölaitteissa.

Jotkut suuritehoiset MOS-transistorit, joita käytetään energiatekniikassa sähkökytkiminä , on varustettu lisälähdöllä transistorikanavasta sen läpi kulkevan virran ohjaamiseksi.

Perinteiset graafiset symbolit

Puolijohdelaitteiden tavanomaisia graafisia merkintöjä säätelee GOST 2.730-73 [4] .

	indusoitu kanava	Sisäänrakennettu kanava
P-kanava
N-kanava
Selite: Z - portti (G - portti), I - lähde (S - lähde), C - viemäri (D - Drain)

MOSFETien toiminnan ominaisuudet

Kenttätransistoreja ohjataan jännitteellä, joka syötetään transistorin hilaan suhteessa sen lähteeseen, samalla kun:

I_{c}=I_{u};

I_{3}\to 0.

Kun jännite muuttuu, transistorin tila ja nieluvirta muuttuvat . $U_{3u}$ $minä_{c}$

Transistoreille, joissa on n-kanava, kun transistori on suljettu; $U_{3u}<U_{nop}\,,I_{c}=0$
Kun transistori avautuu ja toimintapiste on kenttätransistorin ohjausominaiskäyrän (stock-gate) epälineaarisessa osassa: $U_{3u}>U_{nop}$ $I_{c}=K_{n}\left[\left(U_{3u}-U_{nop}\right)\cdot U_{cu}-{\frac {U_{cu}^{2)) {2}}\oikea];$ $K_n$ - transistorin ominaisuuksien erityinen jyrkkyys;
Ohjausjännitteen kasvaessa edelleen toimintapiste siirtyy nieluportin ominaiskäyrän lineaariseen osaan; $U_{3u}$ $I_{c}={\frac {K_{n}}{2}}\left[U_{3u}-U_{nop}\right]^{2}$ on Hovsteinin yhtälö.

Yhteysominaisuudet

Kun kytket tehokkaita MOSFET-laitteita (etenkin korkeilla taajuuksilla toimivia), käytetään tavallista transistoripiiriä:

RC-piiri (snubber), kytketty rinnan lähdevuotoon, vaimentaa suurtaajuisia värähtelyjä ja suuria virtapulsseja, joita esiintyy transistoria kytkettäessä syöttöväylän loisinduktanssin ja kapasitanssin vuoksi. Suurtaajuiset värähtelyt ja pulssivirrat lisäävät transistorin lämmöntuotantoa ja voivat vahingoittaa sitä, jos transistori toimii suurimmassa sallitussa lämpötilassa). Snubber vähentää myös jännitteen nousun nopeutta nielulähdeliittimissä, mikä suojaa transistoria itseaukeutumiselta läpimenokapasitanssin kautta.
Nopea suojadiodi, joka on kytketty rinnan lähde-nielun kanssa käänteisessä yhteydessä virtalähteeseen nähden, ohittaa virtapulsseja, jotka syntyvät, kun induktiivisella kuormalla toimiva transistori kytketään pois päältä.
Jos transistorit toimivat silta- tai puolisiltapiirissä suurella taajuudella (esimerkiksi hitsausinverttereissä , induktiolämmittimissä , kytkentävirtalähteissä ), suojadiodin lisäksi Schottky-diodi sisältyy joskus vastakkaiseen piiriin tyhjennyspiiri loisdiodin estämiseksi. Parasiittidiodilla on pitkä sammutusaika, mikä voi johtaa läpivirtauksiin ja transistorin vikaantumiseen.
Lähteen ja portin väliin kytketty vastus latauksen tyhjentämiseksi portista. Portti tallentaa sähkövarauksen kondensaattorina, ja ohjaussignaalin poistamisen jälkeen MOSFET ei välttämättä sulkeudu (tai sulkeutuu osittain, mikä johtaa sen vastuksen kasvuun, kuumenemiseen ja vikaantumiseen). Vastuksen arvo valitaan siten, että sillä on vähän vaikutusta transistorin ohjaukseen, mutta samalla se purkaa nopeasti sähkövarauksen hilasta.
Suojadiodit ( vaimentimet ), jotka on kytketty rinnan transistorin ja sen portin kanssa. Kun transistorin syöttöjännite (tai transistorin hilan ohjaussignaali) ylittää sallitun arvon, esimerkiksi impulssikohinan aikana, vaimennin rajoittaa vaarallisia jännitepiikkejä ja suojaa hiladielektriikkiä rikkoutumiselta.
Vastus, joka on kytketty sarjaan hilapiirin kanssa hilan latausvirran vähentämiseksi. Tehokkaan kenttätransistorin hilalla on suuri kapasitanssi ja se vastaa sähköisesti useiden kymmenien nanofaradien kapasiteetin kondensaattoria, mikä aiheuttaa merkittäviä pulssivirtoja portin latauksen aikana ohjausjännitteen lyhyillä rintamilla (jopa yksikkö ampeeria). Suuret ylijännitevirrat voivat vahingoittaa transistorin hilaohjainta.
Tehokas MOS-transistoria, joka toimii avaintilassa korkeilla taajuuksilla, ohjataan ohjaimella - erityisellä piirillä tai valmiilla mikropiirillä, joka vahvistaa ohjaussignaalia ja tarjoaa suuren pulssivirran transistorin portin nopeaan lataamiseen. Tämä lisää transistorin kytkentänopeutta. Tehokkaan tehotransistorin hilakapasitanssi voi nousta kymmeniin nanofaradeihin. Sen nopeaan lataamiseen tarvitaan ampeeriyksikköjen virta.
Optoajureita käytetään myös - ajureita yhdistettynä optoerottimiin . Optoohjaimet mahdollistavat tehopiirin galvaanisen eristyksen ohjauspiiristä, suojaten sitä onnettomuuden sattuessa, ja tarjoavat myös galvaanisen eristyksen maasta ohjattaessa ylempiä MOSFET:itä silta- ja puolisiltapiireissä. Ohjaimen yhdistäminen optoerottimeen yhdessä kotelossa yksinkertaistaa piirin kehittämistä ja asennusta, pienentää tuotteen mittoja, sen kustannuksia jne.
Suurvirtalaitteissa, joissa on korkea melutaso ja sähkö, MOS-rakenteisiin tehtyjen mikropiirien tuloihin on kytketty vastakkaiseen suuntaan kytketty Schottky-diodipari, ns. diodipistoke (yksi diodi on tulon ja yhteisen väylän välissä, toinen tulon ja tehoväylän välissä) estämään niin sanotun MOS-rakenteen "katkaistuminen". Joissakin tapauksissa diodipistokkeen käyttö voi kuitenkin johtaa ei-toivottuun "hajavirta"-vaikutukseen (kun syöttöjännite on katkaistu, diodipistoke voi toimia tasasuuntaajana ja jatkaa virtapiirin virtaa).

Keksintö

Vuonna 1959 Martin Attala ehdotti kenttätransistorien porttien kasvattamista piidioksidista. Samana vuonna Attala ja Dion Kang loivat ensimmäisen toimivan MOSFETin. Ensimmäiset massatuotetut MOS-transistorit tulivat markkinoille vuonna 1964, 1970-luvulla MOS-mikropiirit valloittivat muistisirujen ja mikroprosessorien markkinat , ja 2000-luvun alussa MOS-mikropiirien osuus nousi 99 prosenttiin kokonaismäärästä. integroidut piirit (ICs) tuotetaan [5] .

Muistiinpanot

↑ 1 2 Zherebtsov I.P. Elektroniikan perusteet. Ed. 5., - L .: 1989. - S. 120-121.
↑ 13 Sextillion & Counting: Pitkä ja mutkikas tie historian useimmin valmistettuun ihmisartefaktiin . Tietokonehistoriallinen museo (2.4.2018). Haettu 28. heinäkuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 28. heinäkuuta 2019. (määrätön)
↑ Moskatov E.A. Elektroniset laitteet. Alkaa. - Taganrog, 2010. - S. 76.
↑ GOST 2.730-73 ESKD. Ehdolliset graafiset merkinnät kaavioissa. Semiconductor Devices arkistoitu 12. huhtikuuta 2013 Wayback Machinessa .
↑ 1960 - Metallioksidipuolijohdetransistori (MOS) esitelty . Tietokonehistoriallinen museo (2007). Haettu 29. maaliskuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 5. elokuuta 2012. (määrätön)

Linkit

Suurtehoisten MOSFET- ja IGBT-laitteiden toimintaperiaatteet .
Tereshchuk D.S. VLSI:n looginen mallinnus kytkentätasolla .
Egorov A. NXP Semiconductors MOSFET - transistorien käyttö elektroniikassa .

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Suuri tanskalainen Suuri katalaani Britannica (verkossa)
Bibliografisissa luetteloissa	BNF : 12423223g GND : 4207266-9 J9U : 987007565647505171 LCCN : sh85084065 NDL : 01142304