MOSFET tranzistory - struktury, funkce, charakteristiky

Popis
www.elweb.cz
MOSFET je zkratkou pro Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. Jedná se tranzistor řízený elektrickým polem. Je to elektronická součástka obvykle se třemi, někdy i čtyřmi vývody: Gate (G, hradlo), Drain (D, kolektor), Source (S, emitor) a případně substrát (B), který se obvykle v pouzdru propojuje se Source.
www.elweb.cz
Struktura
www.elweb.cz
Do substrátu jsou difúzí vytvořeny dvě silně legované oblasti opačného typu polovodiče, ke kterým jsou připojeny (obvykle Al) elektrody Source a Drain. Na povrchu substrátu je mezi těmito elektrodami vytvořena tenká (stovky nano metrů) dielektrická vrstva oxidu křemičitého SiO₂. Na povrchu této vrstvy je nanesena elektroda Gate. Některé tranzistory využívají jiný materiál dielektrika a to především polykrystalický křemík, který umožňuje větší hustotu integrace a menší parazitní kapacity. Z tohoto důvodu se někdy používá název IGFET (Insulated Gate FET).
Struktura je obvykle symetrická a pokud není substrát propojen uvnitř pouzdra se Source, jsou elektrody Source a Drain ekvivalentní a lze je vzájemně zaměnit. Vlastnosti tranzistoru jsou výrazně ovlivněny délkou (L= 1 až 10um) a šířkou (W= 2 až 500um) kanálu.
www.elweb.cz
Zobrazit: N kanál P kanál vysvětlivky
www.elweb.cz

www.elweb.cz

www.elweb.cz
Zapojení SS
www.elweb.cz
Funkci tranzistoru budu popisovat pro zapojení SS (se společným Source). Při popisu funkce a při kreslení charakteristik se striktně držím spotřebičových orientací proudů a napětí dvojbranu. Vše je patrné z následujících schémat:
www.elweb.cz
Zobrazit: indukovaný N kanál indukovaný P kanál zabudovaný N kanál zabudovaný P kanál
www.elweb.cz

www.elweb.cz
Dvojbran je takové schéma, které má vstupní (vlevo) a výstupní (vpravo) brány. Brána je tvořena dvěma piny (póly). Spotřebičová orientace znamená, že proudy tečou vždy horním pinem dovnitř bran a napětí směřují od horního pinu k dolnímu. Viz šipky ve schématech. V případě, že je napětí respektive proud polarizován opačně, než ukazuje příslušná šipka ve schématu, je jeho hodnota záporná. Ve schematech jsou také vyznačeny možné orientace vnějších zdrojů stejnosměrného napětí (červeným plusem a modrým mínusem).
www.elweb.cz

www.elweb.cz
Výstupní VA charakteristiky, funkce
www.elweb.cz
Pro zjednodušení popisuji funkci pouze pro indukovaný N kanál. Ostatní typy tranzistoru fungují analogicky.
U bipolárního tranzistoru se tranzistor "otevírá/zavírá" podle proudu tekoucího do báze. Je tedy řízený proudem (přesněji výkonem). Narozdíl od něj však do Gate u MOSFETu žádný stejnosměrný proud neteče, protože je tato elektroda od zbytku tranzistoru odizolována dielektrikem. MOSFET je řízený napětím. Napětím mezi Gate a Source ovlivňujeme vodivost tzv. kanálu mezi elektrodami Source a Drain, tedy "otevíráme/zavíráme" tranzistor. Pokud mezi Gate a Source není přivedeno žádné napětí (stále je řeč o indukovaném kanálu) tak kvůli závěrné polarizaci jednoho z přechodů D-B nebo B-S mezi Sourcem a Drainem nemůže protékat žádný proud (tedy téměř žádný, ve skutečnosti cca jednotky nA).
www.elweb.cz
Odporová oblast
www.elweb.cz
Tato oblast se také někdy nazývá také triodová. Pro malá napětí U_DS (cca do 1V) funguje tranzistor jako napětím řízený odpor. Toho si můžete všimnout na výstupní VA charakteristice. V blízkosti počátku souřadného systému (v blízkosti nuly) jsou pro všechna U_GS křivky téměř lineární (rovné). A přímka ve VA charakteristice odpovídá právě rezistoru. Její sklon (a tedy i odpor kanálu mezi elektrodami S a D) je řízen právě napětím U_GS.

Přivedením napětí mezi elektrody G a S se vlivem elektrického pole začnou přitahovat elektrony ze substrátu typu P směrem k elektrodě Gate. Díry se přesunou směrem opačným. (Viz obrázek struktury N kanálu výše.) Zjednodušeně řečeno se tím oblast substrátu pod Gate přemení z typu polovodiče P na typ N (inverzní oblast). Což vytvoří vodivý kanál mezi elektrodami Source a Drain. Napětí U_GS, při kterém se vytvoří kanál se nazývá prahové a značí se U_T (obvykle 1 až 3V). Jak jsem již psal, toto platí pro MOSFET s indukovaným N kanálem.
Pro větší napětí U_DS (cca od 1V do 3V) tyto úsečky přecházejí v křivky.
K tomu dochází proto, že kanál není ovlivňován už jen elektrickým polem způsobeným napětí U_GS, ale i polem způsobeným napětím U_DS. Vodivý kanál se tedy začne rozšiřovat v oblasti u elektrody Source a naopak zužovat v oblasti u elektrody Drain. Tomuto zužování se říká zaškrcování kanálu.

www.elweb.cz
Oblast saturace
www.elweb.cz
Pro vyšší hodnoty U_DS (cca od 3V) přechází charakteristiky opět do lineárních úseček. Tomuto místu odpovídají ve výstupních VA charakteristikách tzv. body zaškrcení kanálu vyznačené červeně. Proud se s rostoucím napětím U_DS již téměř nezvyšuje. Další zvyšování proudu je způsobené již jen jevem zvaným modulace délky kanálu. Charakteristické je vějířovité rozevření těchto úseček, které popisuje parametr lambda odpovídající Earlymu napětí u bipolárních tranzistorů.
Došlo k tzv. zaškrcení kanálu vlivem působícího el. pole způsobeného napětím U_DS.
Pro použití tranzistoru MOSFET jako zesilovače signálu se používá oblast saturace. Do této oblasti se tranzistor dostane pro U_DS větší než je (U_GS - U_T).
www.elweb.cz

www.elweb.cz
Zobrazit: indukovaný N kanál indukovaný P kanál zabudovaný N kanál zabudovaný P kanál
www.elweb.cz

www.elweb.cz
Charakteristiky jsou kresleny tak, aby na nich bylo možné vše přehledně vyznačit. Proto nejsou měřítka na osách lineární, ale nějaké úseky jsou zvětšeny nebo naopak zmenšeny. Modře jsou vyznačeny orientační hodnoty napětí a proudů pro běžný (nikoli výkonový) tranzistor.
www.elweb.cz
Zabudovaný kanál
www.elweb.cz
MOSFET se zabudovaným kanálem se liší od tranzistoru s indukovaným kanálem tím, že i při nulovém napětí U_GS je již vodivý kanál vytvořen. Jednou polaritou napětí U_GS lze zúžit (uzavřít) a druhou polaritou lze naopak rozšířit.
www.elweb.cz
Průraz tranzistoru
www.elweb.cz
Tranzistor může být proražen (zničen) několika způsoby.
www.elweb.cz
Prvním z nich je tzv. měkký průraz ke kterému dochází vlivem příliš velikého elektrického pole a příliš velikého proudu mezi Sourcem a Drainem. Dochází k lavinovému násobení nosičů náboje (elektronů respektive děr) a ke vzniku párů elektron-díra. K tomuto průrazu dochází tedy při nadměrném zatížení tranzistoru v otevřeném stavu.
www.elweb.cz
Průraz může nastat i pokud je tranzistor uzavřený. Mezi Source a Drain tedy neprotéká téměř žádný proud. Ale při překročení maximálního napětí mezi Source a Drain se prorazí PN přechod mezi Drain a substrátem - ve výstupních VA charakteristikách označen jako "průraz D-B".
www.elweb.cz
Dalším možným průrazem je průraz dielektrika pod elektrodou Gate, tzv. průraz hradla. K průrazu hradla stačí náboj v řádech 10^-10C, tím se překročí elektrická pevnost dielektrika (řádově 10⁹ V/m) a elektroda Gate se trvale propojí se substrátem. Tranzistor lze takto prorazit i nábojem vzniklým při neopatrné manipulaci, dotykem lidské ruky a pod. V integrovaných obvodech se proto Gate vstupních tranzistorů chrání rychlými diodami.
www.elweb.cz
U tranzistorů s krátkým kanálem může docházet i ke stykovému průrazu, který však nemusí mít vždy trvalé následky.
www.elweb.cz

www.elweb.cz
Vstupní VA charakteristiky
www.elweb.cz
Vstupní stejnosměrný proud je dán pouze svodovými proudy dielektrika, proto nemají vstupní charakteristiky žádný význam. Na vstupu se však uplatňuje parazitní kapacita (obvykle v řádech pF, u výkonových až jednotky nF) mezi Gate a substrátem, která umožňuje tok střídavých proudů do Gate.
www.elweb.cz

www.elweb.cz
Převodní charakteristiky
www.elweb.cz
Převodní charakteristiky dávají do souvislosti vstup a výstup dvojbranu - tedy tranzistoru MOSFET v zapojení SS podle výše uvedených schémat. Zároveň úzce souvisí s výstupními VA charakteristikami a lze je z nich také nakreslit. Zakřivení křivky převodní charakteristiky odpovídá zvětšující se rozteči mezi jednotlivými křivkami ve výstupních charakteristikách s rostoucím proudem I_D. Je zde také vyznačeno již zmíněné prahové napětí U_T, při kterém dochází k vytvoření vodivého kanálu mezi elektrodami Source a Drain.
www.elweb.cz
Zobrazit: indukovaný N kanál indukovaný P kanál zabudovaný N kanál zabudovaný P kanál
www.elweb.cz

www.elweb.cz

www.elweb.cz
Další vlastnosti
MOSFET mají výrazně menší teplotní závislost parametrů oproti bipolárním tranzistorům. Teplotní závislost je charakterizována tzv. krityckým proudem Drainu, což je takový proud I_D, při kterém I_D nezávisí na teplotě. Kvůli větší pohyblivosti elektronů než děr mají obecně lepší vlastnosti tranzistory s kanálem typu N.
www.elweb.cz

www.elweb.cz
Poznámka: Článek vznikl na základě mé přípravy na zkoušku z předmětu "Elektronické součástky a struktury" ve druhém ročníku na ČVUT FEL. Problematiku jsem se snažil popsat vlastními slovy tak, jak jsem ji já pochopil a aby mohla být pochopena normálním smrtelníkem. Článek neodráží kvalitu ani rozsah výuky zmíněného předmětu.