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 MISFET), 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-Insulator-Semiconductor FET, co oznacza tranzystor polowy o strukturze: metal, izolator, 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-kilkudziesięciu mikrometrów. 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 tlenek krzemu (ang. Oxide) 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 zubożałym (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 wejściowej 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)]
