MOSFET

MOS transistor , eller Field (unipolar) transistor med en isoleret gate ( eng. metal-oxide-semiconductor field effect transistor, forkortet "MOSFET" ) - en halvleder enhed, en type felt-effekt transistorer . Forkortelsen MOS er afledt af ordene " metal-oxid-halvleder ", der angiver en sekvens af typer materialer i enhedens hoveddel.

MOSFET'en har tre terminaler: gate, source, drain (se figur). Bagkontakten (B) er normalt forbundet til kilden. I området nær overfladen af halvlederen skabes en såkaldt kanal under fremstillingen eller induceres (vises, når der påføres spændinger). Mængden af strøm i den (source-drain-strøm) afhænger af source-gate og source-drain-spændingerne.

Halvledermaterialet er oftest silicium (Si), og metalporten er adskilt fra kanalen af et tyndt lag isolator [1] — siliciumdioxid (SiO 2 ). Hvis SiO 2 erstattes af et ikke-oxid-dielektrikum (D), bruges navnet MOS-transistor ( eng. MISFET , I = isolator).

I modsætning til bipolære transistorer , som er strømdrevne, er IGBT'er spændingsdrevne, da porten er isoleret fra drain og source; sådanne transistorer har meget høj indgangsimpedans .

MOSFET'er er rygraden i moderne elektronik. De er det mest masseproducerede industriprodukt, fra 1960 til 2018 blev der produceret omkring 13 sexbillioner (1,3 × 10 21 ) [2] . Sådanne transistorer bruges i moderne digitale mikrokredsløb, der er grundlaget for CMOS - teknologi.

Klassifikation

Efter kanaltype

Der er MOS-transistorer med deres egen (eller indbyggede) ( eng. depletion mode transistor ) og induceret (eller invers) kanal ( eng. enhancement mode transistor ). I enheder med en indbygget kanal, ved nul gate-source spænding, er transistorkanalen åben (det vil sige leder strøm mellem drain og source); for at blokere kanalen, skal du påføre en spænding med en vis polaritet til porten. Kanalen for enheder med en induceret kanal er lukket (leder ikke strøm) ved nul gate-source spænding; for at åbne kanalen, skal du anvende en spænding med en vis polaritet i forhold til kilden til porten.

I digital- og strømteknik bruges transistorer med en induceret kanal normalt kun. I analog teknologi bruges begge typer enheder [1] .

Konduktivitetstype

Kanalens halvledermateriale kan være doteret med urenheder for at opnå elektrisk ledningsevne af P- eller N-typen. Ved at anvende et vist potentiale på porten er det muligt at ændre ledningstilstanden for kanalsektionen under porten. Hvis dens hovedladningsbærere på samme tid forskydes fra kanalen, mens kanalen beriges med minoritetsbærere, kaldes denne tilstand berigelsestilstanden . I dette tilfælde øges kanalens ledningsevne. Når et potentiale modsat fortegn påføres porten i forhold til kilden, bliver kanalen udtømt fra minoritetsbærere, og dens ledningsevne falder (dette kaldes depletion mode , som kun er typisk for transistorer med en integreret kanal) [3] .

For n-kanals felteffekttransistorer er triggeren en positiv (i forhold til kilden) spænding, der påføres porten og samtidig overskrider tærskelspændingen for at åbne denne transistor. Følgelig vil triggerspændingen for p-kanals felteffekttransistorer være negativ i forhold til kildespændingen påført til porten og overskride dens tærskelspænding.

Langt de fleste MOS-enheder er lavet på en sådan måde, at transistorens kilde er elektrisk forbundet med strukturens halvledersubstrat (oftest til selve krystallen). Med denne forbindelse dannes en såkaldt parasitdiode mellem kilden og afløbet. At reducere den skadelige virkning af denne diode er forbundet med betydelige teknologiske vanskeligheder, så de lærte at overvinde denne effekt og endda bruge den i nogle kredsløbsløsninger. For n-kanal FET'er er den parasitære diode forbundet med anoden til kilden, og for p-kanal FET'er er anoden forbundet til drænet.

Specialtransistorer

Der er transistorer med flere porte. De bruges i digital teknologi til at implementere logiske elementer eller som hukommelsesceller i EEPROM . I analoge kredsløb er multi-gate transistorer - analoger til multi-grid vakuumrør - også blevet noget udbredt, for eksempel i mixerkredsløb eller forstærkningskontrolenheder.

Nogle højeffekt MOS-transistorer, der bruges i strømteknik som elektriske kontakter , er forsynet med en ekstra udgang fra transistorkanalen for at styre strømmen, der strømmer gennem den.

Konventionelle grafiske symboler

Konventionelle grafiske betegnelser for halvlederenheder er reguleret af GOST 2.730-73 [4] .

	induceret kanal	Indbygget kanal
P-kanal
N-kanal
Tegnforklaring: Z - gate (G - Gate), I - source (S - Source), C - dræn (D - Drain)

Funktioner ved driften af MOSFET'er

Felteffekttransistorer styres af en spænding påført transistorens gate i forhold til dens kilde, mens:

I_{c}=I_{u};

I_{3}\to 0.

Når spændingen ændres, ændres transistorens tilstand og drænstrømmen . $U_{3u}$ $I_{c}$

For transistorer med en n-kanal, når transistoren er lukket; $U_{3u}<U_{nop}\,,I_{c}=0$
Når transistoren åbner, og driftspunktet er i den ikke-lineære sektion af kontrol (stock-gate) karakteristika for felteffekttransistoren: $U_{3u}>U_{nop}$ $I_{c}=K_{n}\left[\left(U_{3u}-U_{nop}\right)\cdot U_{cu}-{\frac {U_{cu}^{2)) {2}}\right];$ $K_n$ - specifik stejlhed af transistorens egenskaber;
Med en yderligere stigning i styrespændingen går driftspunktet til den lineære sektion af dræn-portkarakteristikken; $U_{3u}$ $I_{c}={\frac {K_{n}}{2}}\left[U_{3u}-U_{nop}\right]^{2}$ er Hovstein-ligningen.

Forbindelsesfunktioner

Ved tilslutning af kraftige MOSFET'er (især dem, der arbejder ved høje frekvenser), bruges et standardtransistorkredsløb:

RC-kredsløb (snubber), forbundet parallelt med source-drænet, for at undertrykke højfrekvente svingninger og store strømimpulser, der opstår, når transistoren skiftes på grund af parasitisk induktans og kapacitans af forsyningsbusserne. Højfrekvente oscillationer og pulserende strømme øger varmeudviklingen i transistoren og kan beskadige den, hvis transistoren fungerer i det maksimalt tilladte termiske regime). Snubberen reducerer også hastigheden af spændingsstigningen ved drain-source terminalerne, hvilket beskytter transistoren mod selvåbning gennem den gennemgående kapacitans.
En hurtig beskyttelsesdiode, der er forbundet parallelt med source-drænet i omvendt forbindelse i forhold til strømkilden, shunter de strømimpulser, der genereres, når transistoren, der arbejder på en induktiv belastning, er slukket.
Hvis transistorer fungerer i et bro- eller halvbro-kredsløb ved høj frekvens (for eksempel i svejse-invertere , induktionsvarmere , skiftende strømforsyninger ), så er der ud over beskyttelsesdioden nogle gange inkluderet en Schottky-diode i det modsatte kredsløb i drænkredsløb for at blokere parasitdioden. En parasitisk diode har en lang slukketid, hvilket kan føre til gennemstrømme og transistorfejl.
En modstand forbundet mellem kilden og porten for at dræne ladningen fra porten. Porten gemmer elektrisk ladning som en kondensator, og efter at styresignalet er fjernet, lukker MOSFET muligvis ikke (eller lukker delvist, hvilket vil føre til modstandsstigning, opvarmning og fejl). Værdien af modstanden er valgt på en sådan måde, at den har ringe effekt på styringen af transistoren, men samtidig hurtigt aflader den elektriske ladning fra porten.
Beskyttelsesdioder ( undertrykkere ) forbundet parallelt med transistoren og dens gate. Når forsyningsspændingen på transistoren (eller når styresignalet på transistorporten) overstiger den tilladte værdi, for eksempel under impulsstøj, begrænser suppressoren farlige spændingsstød og beskytter gate-dielektrikken mod nedbrud.
En modstand forbundet i serie med gate-kredsløbet for at reducere gate-genopladningsstrømmen. Gaten til en kraftig felteffekttransistor har en høj kapacitans og svarer elektrisk til en kondensator med en kapacitet på flere tiere nanofarader, som forårsager betydelige pulsstrømme under gate-genopladningen ved korte fronter af styrespændingen (op til en enhed af ampere). Store overspændingsstrømme kan beskadige transistor-gate-driveren.
En kraftig MOS-transistor, der opererer i nøgletilstanden ved høje frekvenser, styres ved hjælp af en driver - et specielt kredsløb eller et færdiglavet mikrokredsløb, der forstærker styresignalet og giver en stor pulsstrøm til hurtig genopladning af transistorporten. Dette øger transistorens omskiftningshastighed. Portkapacitansen for en kraftig krafttransistor kan nå op på snesevis af nanofarader. For hurtigt at genoplade det kræves en strøm på enheder af ampere.
Optodrivere er også brugte drivere kombineret med optokoblere . Optodrivere giver galvanisk isolering af strømkredsløbet fra styrekredsløbet, beskytter det i tilfælde af en ulykke, og giver også galvanisk isolation fra jord, når de øverste MOSFET'er i bro- og halvbrokredsløb styres. Kombination af en driver med en optokobler i et hus forenkler udviklingen og installationen af kredsløbet, reducerer produktets dimensioner, dets omkostninger osv.
I højstrømsenheder med et højt niveau af støj og elektrisk er et par Schottky-dioder forbundet i den modsatte retning, de såkaldte, forbundet med indgangene på mikrokredsløb lavet på MOS-strukturer. et diodestik (den ene diode er mellem indgangen og den fælles bus, den anden er mellem indgangen og strømbussen) for at forhindre fænomenet med den såkaldte "snapping" af MOS-strukturen. Men i nogle tilfælde kan brugen af et diodestik føre til en uønsket effekt af "stray power" (når forsyningsspændingen er slukket, kan diodestikket fungere som en ensretter og fortsætte med at drive kredsløbet).

Opfindelse

I 1959 foreslog Martin Attala at dyrke portene til felteffekttransistorer fra siliciumdioxid. Samme år skabte Attala og Dion Kang den første brugbare MOSFET. De første masseproducerede MOS-transistorer kom på markedet i 1964, i 1970'erne erobrede MOS-mikrokredsløb markederne for hukommelseschips og mikroprocessorer , og i begyndelsen af det 21. århundrede nåede andelen af MOS-mikrokredsløb 99% af det samlede antal producerede integrerede kredsløb (IC'er) [5] .

Noter

↑ 1 2 Zherebtsov I.P. Fundamentals of electronics. Ed. 5., - L .: 1989. - S. 120-121.
↑ 13 Sextillion og tælling: Den lange og snoede vej til historiens mest hyppigt fremstillede menneskelige artefakt . Computerhistorisk Museum (2. april 2018). Hentet 28. juli 2019. Arkiveret fra originalen 28. juli 2019. (ubestemt)
↑ Moskatov E.A. Elektronisk udstyr. Start. - Taganrog, 2010. - S. 76.
↑ GOST 2.730-73 ESKD. Betingede grafiske betegnelser i skemaer. Semiconductor Devices Arkiveret 12. april 2013 på Wayback Machine .
↑ 1960 - Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor demonstreret . Computerhistorisk Museum (2007). Hentet 29. marts 2012. Arkiveret fra originalen 5. august 2012. (ubestemt)

Links

Principper for drift af højeffekt MOSFET'er og IGBT'er .
Tereshchuk D.S. Logisk modellering af VLSI på koblingsniveau .
Egorov A. Anvendelse af NXP Semiconductors MOSFET transistorer i elektronik .

Ordbøger og encyklopædier	Flot dansk Fantastisk catalansk Britannica (online)
I bibliografiske kataloger	BNF : 12423223g GND : 4207266-9 J9U : 987007565647505171 LCCN : sh85084065 NDL : 01142304