Tranzystor polowy z izolowaną bramką
Z Wikipedii
Tranzystor unipolarny z izolowaną bramką, IGFET (ang. Insulated Gate Field-Effect Transistor) - tranzystor unipolarny wytwarzany zarówno z półprzewodników monokrystalicznych (tranzystory MOSFET), jak i polikrystalicznych (tranzystory TFT).
Tranzystor z izolowaną bramką posiada przynajmniej trzy elektrody: źródło (S), bramkę (G) i dren (D), często ma również czwartą elektrodę: podłoże (B). Tranzystory te wykonuje się głównie w układach scalonych, natomiast jako elementy dyskretne rzadziej i są to głównie tranzystory mocy, np. pracujące jako szybkie przełączniki w zasilaczach impulsowych.
W przypadku konstrukcji układów scalonych CMOS może istnieć więcej niż jedna bramka, co występuje także w niektórych elementach dyskretnych, np. tranzystorze typu BF966.
Spis treści |
[edytuj] Tranzystory MOSFET
[edytuj] Budowa
Skrót MOSFET pochodzi od angielskiego określenia Metal-Oxide Semiconductor FET, co oznacza tranzystor polowy o strukturze: metal, tlenek, półprzewodnik. Przekrój takiego tranzystora jest pokazany na rysunku poniżej.
W podłożu - płytce słabo domieszkowanego półprzewodnika typu P albo N tworzone są dwa małe obszary o przeciwnym typie przewodnictwa - odpowiednio N+ lub P+ (N+/P+ oznacza silne domieszkowanie tych obszarów). Te silnie domieszkowane obszary tworzą dren oraz źródło do których doprowadzane są kontakty. Powierzchnia półprzewodnika pomiędzy drenem i źródłem jest pokryta cienką warstwą dielektryka (izolatora), grubość tej warstwy jest rzędu kilkunastu nanometrów. Na dielektryk napylana jest warstwa materiału przewodzącego (metalu) tworząca bramkę.
Ze względu na niewielką grubość warstwy izolacyjnej istnieje realne niebezpieczeństwo jej fizycznego uszkodzenia (przepalenia) na skutek doprowadzenia z zewnątrz dużego ładunku elektrostatycznego. Dlatego układy elektroniczne zawierające tranzystory MOS (np. powszechnie stosowane w sprzęcie komputerowym układy CMOS) są przechowywane np. w foliach przewodzących mających zapobiec przedostaniu się ładunków do obwodów. W żadnym razie nie jest to przesadna ostrożność, ponieważ potencjał człowieka może być nawet rzędu kilku-kilkudzisięciu kilowoltów.
Najczęściej wykorzystywanym izolatorem jest dwutlenek krzemu (ang. Silicon Dioxide) uprzednio wytworzony na płytce podłoża - daje to ułożenie warstw: metal, tlenek, półprzewodnik, stąd bardziej popularny angielski akronim MOSFET (krócej MOS) - Metal-Oxide-Semiconductor FET.
Przepływ prądu następuje pomiędzy źródłem i drenem, przez tzw. kanał, sterowanie tym prądem następuje na skutek zmiany napięcia bramka-źródło. Rozróżnia się dwa typy tranzystorów MOS:
- z kanałem zubożanym (z kanałem wbudowanym) - normalnie włączone, tj. takie, w których istnieje kanał przy zerowym napięciu bramka-źródło;
- z kanałem wzbogacanym (z kanałem indukowanym) - normalnie wyłączone, kanał tworzy się dopiero, gdy napięcie bramka-źródło przekroczy charakterystyczną wartość UT (napięcie progowe).
Ponieważ bramka jest izolowana od kanału to nie płynie przez nią żaden prąd - dla prądu stałego oporność wejściowa jest nieskończenie duża. Tranzystory MOS są elementami bardzo szybkimi w porównaniu z tranzystorami bipolarnymi, gdyż zachodzące w nich zjawiska są czysto elektrostatyczne. Głównym czynnikiem zwiększającym czas przełączania jest obecność pojemności bramki którą trzeba przeładować przy przełączaniu.
[edytuj] Symbole graficzne
| z kanałem zubożanym | z kanałem wzbogacanym | ||
 |
 |
 |
 |
| z kanałem typu P | z kanałem typu N | z kanałem typu P | z kanałem typu N |
[edytuj] Zasada działania
Tranzystor MOS polaryzuje się tak, żeby jeden rodzaj nośników (nie ma nośników większościowych i mniejszościowych - elektrony w kanale typu N, dziury w kanale typu P) płynęły od źródła do drenu.
Wyróżnia się dwa zakresy pracy:
- zakres nienasycenia (liniowy, triodowy)
- zakres nasycenia
Zakres pracy tranzystora determinuje napięcie dren-źródło (UDS) - jeśli jest ono większe od napięcia nasycenia (UDSsat), wówczas tranzystor znajduje się w zakresie nasycenia.
[edytuj] Zakres nienasycenia
UDS < UDSsat
Jeśli napięcie bramka-źródło UGS jest mniejsze od napięcia progowego (tworzenia kanału) UT, to prąd dren-źródło jest zerowy. Gdy napięcie progowe zostanie przekroczone wówczas na skutek działania pola elektrycznego przy powierzchni półprzewodnika powstaje warstwa inwersyjna - warstwa półprzewodnika o przeciwnym typie przewodnictwa niż podłoże. Warstwa inwersyjna ma więc taki sam typ przewodnictwa jak obszary drenu i źródła, możliwy jest więc przepływ prądu od drenu do źródła. Warstwa inwersyjna tworzy kanał.
Tak jest w przypadku tranzystorów z kanałem indukowanym, natomiast w tranzystorach z kanałem wbudowanym istnieje on nawet przy zerowym napięciu UGS.
W zakresie nienasycenia zależność prądu drenu od napięcia bramka-źródło wyraża przybliżony wzór:
![I_D \approx \beta \left[ (U_{GS} - U_{T}) U_{DS} - \frac{U_{DS}^2}{2} \right]](../../../../math/1/0/5/1052dd95e0e65242f4e66ddaaf1000f1.png)
gdzie β - współczynnik transkonduktancji, parametr zależny od tranzystora. Dla niewielkich napięć drenu zależność ta jest liniowa.
[edytuj] Zakres nasycenia
Gdy kanał już istnieje, zwiększanie napięcia dren-źródło powoduje zwiększanie prądu drenu. To z kolei powoduje odkładanie się pewnego napięcia na niezerowej rezystancji kanału. Napięcie to powoduje zmniejszenie różnicy potencjałów między bramką a kanałem, czego wynikiem jest zawężenie warstwy inwersyjnej. A że różnica potencjałów rośnie od źródła do drenu, również przekrój kanału maleje w tym samym kierunku - w obszarze przy drenie kanał uzyskuje najmniejszy przekrój.
Jeśli UDS przekroczy wartość UDSsat to w pobliżu drenu kanał zniknie, w jego miejsce pojawi się obszar zubożały, mający bardzo dużą rezystancję (wraz ze wzrostem napięcie dren-źródło obszar zubożały rozszerza się) i wówczas praktycznie całe napięcie UDS odkłada się na warstwie zubożałej.
Najprostszy model tranzystora przyjmuje, że napięcie nasycenia 
. W zakresie nasycenia prąd drenu jest zależny od napięcia UGS, zależność tą przybliża się wzorem:
gdzie β - współczynnik transkonduktancji, parametr zależny od tranzystora.
[edytuj] Podstawowe parametry tranzystora
Podstawowymi parametrami opisującymi tranzystor typu MOS są:
- transkonduktancja [S (Simens)]. Określa jak zmiany napięcia bramka-źródło wpływają na prąd drenu, na charakterystyce przejściowej określa jej nachylenie.
- parametry graniczne - maksymalne napięcia i prądy elektrod, maksymalna moc tracona - określają zakres bezpiecznej pracy elementu.
- napięcie odcięcia [V] - określa napięcia bramka-źródło dla którego zanika prąd drenu. Dla tranzystorów wzbogacanych jest zawsze dodatnie, dla zubożonych zawsze ujemne.
- napięcie włączenia [V] - określa wartość napięcia sterującego dla którego oporność tranzystor jest nasycony, a oporność kanału nie zależy od napięcia dren - źródło. Parametr jest bardzo istotny w zastosowaniach impulsowych - w tym stanie oporność kanału jest minimalna.
- oporność włączenia [Ω] - określa oporność kanału tranzystora w stanie nasycenia.
- czas włączenia i czas wyłączenia [ns (nanosekundy)] - czasy po którym tranzystor z pełnego zatkania przejdzie w stan nasycenia lub ze stanu pełnego nasycenia do stanu zatkania. Bardzo istotne w pracy impulsowej.
- pojemność bramki [pF (pikofarady)]
