MOSFET

MOS-transistor , eller fälttransistor (unipolär) med en isolerad gate ( eng. metal-oxide-semiconductor field effect transistor, förkortat "MOSFET" ) - en halvledarenhet, en typ av fälteffekttransistorer . Förkortningen MOS kommer från orden " metalloxid-halvledare ", som betecknar en sekvens av typer av material i enhetens huvuddel.

MOSFET har tre terminaler: gate, source, drain (se figur). Den bakre kontakten (B) är vanligtvis ansluten till källan. I området nära ytan av halvledaren skapas en så kallad kanal under tillverkningen eller induceras (uppträder när spänningar appliceras). Mängden ström i den (source-drain-ström) beror på source-gate och source-drain-spänningarna.

Halvledarmaterialet är oftast kisel (Si), och metallporten är separerad från kanalen av ett tunt lager av isolator [1] — kiseldioxid (SiO 2 ). Om SiO 2 ersätts med ett icke-oxiddielektriskt (D) används namnet MOS-transistor ( eng. MISFET , I = isolator).

Till skillnad från bipolära transistorer , som är strömdrivna, är IGBT spänningsdrivna, eftersom grinden är isolerad från drain och source; sådana transistorer har mycket hög ingångsimpedans .

MOSFET är ryggraden i modern elektronik. De är den mest massproducerade industriprodukten, från 1960 till 2018 producerades cirka 13 sexbiljoner (1,3 × 10 21 ) [2] . Sådana transistorer används i moderna digitala mikrokretsar, som är grunden för CMOS -teknik.

Klassificering

Efter kanaltyp

Det finns MOS-transistorer med en egen (eller inbyggd) ( eng. depletion mode transistor ) och inducerad (eller invers) kanal ( eng. enhancement mode transistor ). I enheter med en inbyggd kanal, vid noll gate-source spänning, är transistorkanalen öppen (det vill säga leder ström mellan drain och source); för att blockera kanalen måste du applicera en spänning med en viss polaritet på grinden. Kanalen för enheter med en inducerad kanal är stängd (leder inte ström) vid noll gate-source spänning; för att öppna kanalen måste du applicera en spänning med en viss polaritet i förhållande till källan till grinden.

Inom digital- och kraftteknik används vanligtvis endast transistorer med en inducerad kanal. Inom analog teknik används båda typerna av enheter [1] .

Konduktivitetstyp

Halvledarmaterialet i kanalen kan vara dopat med föroreningar för att erhålla elektrisk ledningsförmåga av P- eller N-typ. Genom att applicera en viss potential på grinden är det möjligt att ändra ledningstillståndet för kanalsektionen under grinden. Om samtidigt dess huvudladdningsbärare förskjuts från kanalen, samtidigt som kanalen berikas med minoritetsbärare, kallas detta läge för anrikningsmod . I detta fall ökar kanalens konduktivitet. När en potential med motsatt tecken appliceras på grinden i förhållande till källan, blir kanalen utarmad från minoritetsbärare och dess konduktivitet minskar (detta kallas utarmningsläge , vilket är typiskt endast för transistorer med en integrerad kanal) [3] .

För n-kanals fälteffekttransistorer är triggern en positiv (relativt källan) spänning som appliceras på grinden och som samtidigt överskrider tröskelspänningen för att öppna denna transistor. Följaktligen, för p-kanals fälteffekttransistorer, kommer triggningsspänningen att vara negativ i förhållande till källspänningen som appliceras på grinden och överskrida dess tröskelspänning.

De allra flesta MOS-enheter är gjorda på ett sådant sätt att källan till transistorn är elektriskt ansluten till strukturens halvledarsubstrat (oftast till själva kristallen). Med denna anslutning bildas en så kallad parasitisk diod mellan källan och avloppet. Att minska den skadliga effekten av denna diod är förknippad med betydande tekniska svårigheter, så de lärde sig att övervinna denna effekt och till och med använda den i vissa kretslösningar. För n-kanals FET:er är den parasitära dioden ansluten med anoden till källan, och för p-kanals FET:er är anoden ansluten till avloppet.

Specialtransistorer

Det finns transistorer med flera grindar. De används i digital teknik för att implementera logiska element eller som minnesceller i EEPROM . I analoga kretsar har multi-gate transistorer - analoger till multi-grid vakuumrör - också blivit något utbredd, till exempel i mixerkretsar eller förstärkningskontrollanordningar.

Vissa högeffekts MOS-transistorer, som används inom kraftteknik som elektriska omkopplare , är försedda med en extra utgång från transistorkanalen för att styra strömmen som flyter genom den.

Konventionella grafiska symboler

Konventionella grafiska beteckningar för halvledarenheter regleras av GOST 2.730-73 [4] .

	inducerad kanal	Inbyggd kanal
P-kanal
N-kanal
Teckenförklaring: Z - gate (G - Gate), I - source (S - Source), C - drain (D - Drain)

Funktioner för MOSFET:er

Fälteffekttransistorer styrs av en spänning som appliceras på transistorns gate i förhållande till dess källa, medan:

I_{c}=I_{u};

I_{3}\till 0.

När spänningen ändras ändras transistorns tillstånd och dräneringsströmmen . $U_{3u}$ $I_{c}$

För transistorer med en n-kanal, när transistorn är stängd; $U_{3u}<U_{nop}\,,I_{c}=0$
När transistorn öppnar och arbetspunkten är i den icke-linjära sektionen av styrkarakteristiken (stock-gate) för fälteffekttransistorn: $U_{3u}>U_{nop}$ $I_{c}=K_{n}\left[\left(U_{3u}-U_{nop}\right)\cdot U_{cu}-{\frac {U_{cu}^{2)) {2}}\right];$ $K_n$ - specifik branthet hos transistorns egenskaper;
Med en ytterligare ökning av styrspänningen övergår arbetspunkten till den linjära sektionen av drain-gate-karakteristiken; $U_{3u}$ $I_{c}={\frac {K_{n}}{2}}\left[U_{3u}-U_{nop}\right]^{2}$ är Hovsteins ekvation.

Anslutningsfunktioner

Vid anslutning av kraftfulla MOSFET-enheter (särskilt de som arbetar vid höga frekvenser) används en standardtransistorkrets:

RC-krets (snubber), parallellkopplad med source-drain, för att undertrycka högfrekventa svängningar och stora strömpulser som uppstår vid omkoppling av transistorn på grund av parasitisk induktans och kapacitans hos matningsbussarna. Högfrekventa svängningar och pulserande strömmar ökar värmegenereringen i transistorn och kan skada den om transistorn arbetar i det maximalt tillåtna termiska regimen). Dämparen minskar också hastigheten för spänningsökningen vid drain-source-terminalerna, vilket skyddar transistorn från självöppning genom den genomgående kapacitansen.
En snabb skyddsdiod, parallellkopplad med source-drain i omvänd anslutning med avseende på strömkällan, shuntar de strömpulser som genereras när transistorn som arbetar på en induktiv belastning stängs av.
Om transistorer fungerar i en brygg- eller halvbrygga med hög frekvens (till exempel i svetsväxelriktare , induktionsvärmare , omkopplande strömförsörjning ), så ingår, förutom skyddsdioden, ibland en Schottky-diod i den motsatta kretsen i dräneringskrets för att blockera den parasitära dioden. En parasitisk diod har lång avstängningstid, vilket kan leda till genomströmmar och transistorfel.
Ett motstånd kopplat mellan källan och grinden för att dränera laddningen från grinden. Grinden lagrar elektrisk laddning som en kondensator, och efter att styrsignalen har tagits bort kan MOSFET inte stänga (eller delvis stänga, vilket kommer att leda till att dess motstånd ökar, värms upp och misslyckas). Värdet på motståndet väljs på ett sådant sätt att det har liten effekt på kontrollen av transistorn, men samtidigt snabbt laddar ur den elektriska laddningen från grinden.
Skyddsdioder ( dämpare ) kopplade parallellt med transistorn och dess gate. När matningsspänningen på transistorn (eller när styrsignalen på transistorgrinden) överskrider det tillåtna värdet, till exempel under impulsbrus, begränsar suppressorn farliga spänningsstötar och skyddar grindens dielektrikum från genombrott.
Ett motstånd anslutet i serie med gate-kretsen för att minska gate-laddningsströmmen. Gaten till en kraftfull fälteffekttransistor har en hög kapacitans och är elektriskt ekvivalent med en kondensator med en kapacitet på flera tiotals nanofarader, som orsakar betydande pulsströmmar under gate-uppladdningen av korta fronter av styrspänningen (upp till en enhet ampere). Stora överspänningsströmmar kan skada transistorns gate-drivrutin.
En kraftfull MOS-transistor som arbetar i nyckelläget vid höga frekvenser styrs med hjälp av en drivrutin - en speciell krets eller en färdig mikrokrets som förstärker styrsignalen och ger en stor pulsström för snabb uppladdning av transistorgrinden. Detta ökar transistorns omkopplingshastighet. Grindkapacitansen för en kraftfull krafttransistor kan nå tiotals nanofarader. För att snabbt ladda upp den krävs en ström på enheter av ampere.
Optodrivrutiner är också begagnade drivrutiner i kombination med optokopplare . Optodrivrutiner tillhandahåller galvanisk isolering av strömkretsen från styrkretsen, skyddar den i händelse av en olycka, och ger även galvanisk isolering från jord vid styrning av de övre MOSFET:erna i brygg- och halvbryggkretsar. Att kombinera en drivrutin med en optokopplare i ett hus förenklar utvecklingen och installationen av kretsen, minskar produktens dimensioner, dess kostnad etc.
I högströmsenheter med en hög nivå av brus och elektriska, är ett par Schottky-dioder anslutna i motsatt riktning, de så kallade, anslutna till ingångarna på mikrokretsar gjorda på MOS-strukturer. en diodplugg (en diod är mellan ingången och den gemensamma bussen, den andra är mellan ingången och kraftbussen) för att förhindra fenomenet med den så kallade "snäppningen" av MOS-strukturen. Men i vissa fall kan användningen av en diodkontakt leda till en oönskad effekt av "stray power" (när matningsspänningen stängs av kan diodkontakten fungera som en likriktare och fortsätta att driva kretsen).

Uppfinning

1959 föreslog Martin Attala att man skulle odla portarna för fälteffekttransistorer från kiseldioxid. Samma år skapade Attala och Dion Kang den första fungerande MOSFET. De första masstillverkade MOS-transistorerna kom in på marknaden 1964, på 1970-talet erövrade MOS-mikrokretsar marknaderna för minneschips och mikroprocessorer , och i början av 2000-talet nådde andelen MOS-mikrokretsar 99% av det totala antalet producerade integrerade kretsar (IC) [5] .

Anteckningar

↑ 1 2 Zherebtsov I.P. Elektroniks grunder. Ed. 5:e, - L .: 1989. - S. 120-121.
↑ 13 Sextillion & räkning: Den långa och slingrande vägen till den mest tillverkade mänskliga artefakten i historien . Datorhistoriska museet (2 april 2018). Hämtad 28 juli 2019. Arkiverad från originalet 28 juli 2019. (obestämd)
↑ Moskatov E.A. Elektronisk utrustning. Start. - Taganrog, 2010. - S. 76.
↑ GOST 2.730-73 ESKD. Villkorliga grafiska beteckningar i scheman. Halvledarenheter Arkiverade 12 april 2013 på Wayback Machine .
↑ 1960 - Transistor för metalloxidhalvledare (MOS) demonstrerad . Datorhistoriska museet (2007). Hämtad 29 mars 2012. Arkiverad från originalet 5 augusti 2012. (obestämd)

Länkar

Funktionsprinciper för MOSFET och IGBT med hög effekt .
Tereshchuk D.S. Logisk modellering av VLSI på växlingsnivån .
Egorov A. Tillämpning av NXP Semiconductors MOSFET-transistorer i elektronik .

Ordböcker och uppslagsverk	Stor dansk Stor katalanska Britannica (online)
I bibliografiska kataloger	BNF : 12423223g GND : 4207266-9 J9U : 987007565647505171 LCCN : sh85084065 NDL : 01142304