Tranzystory typu MOS

Wykonał
Artur Kacprzak kl. IVaE

Tranzystory unipolarne

O przepływie prądu decyduje jeden
rodzaj nośników dlatego nazywamy je
unipolarnymi. Nazwa „polowe”
pochodzi od oddziaływania pola
elektrycznego na rezystancję
półprzewodnika.

Ogólnie

W technologii MOSFET tranzystory są

produkowane w formie trzech warstw.

Dolna warstwa to płytka wycięta z

monokryształu krzemu lub krzemu

domieszkowanego germanem. Na płytkę

tę napyla się bardzo cienką warstwę

krzemionki lub innego tlenku metalu lub

półmetalu, która pełni funkcję izolatora.

Warstwa ta musi być ciągła (bez dziur), ale

jak najcieńsza.

Skrót MOSFET pochodzi od angielskiego
określenia Metal-Oxide-Semiconductor
FET, co oznacza tranzystor polowy (FET)o
strukturze: metal, tlenek, półprzewodnik.
Jest to aktualnie podstawowa technologia
produkcji większości układów scalonych
stosowanych w komputerach i stanowi
element technologii CMOS.

Budowa

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.

Przekrój

Struktura
tranzystora MOSFET
typu N z kanałem
wzbogacanym

Ze względu na niewielką grubość warstwy

izolacyjnej istnieje realne

niebezpieczeństwo jej fizycznego

uszkodzenia na skutek doprowadzenia z

zewnątrz dużego ładunku

elektrostatycznego. Dlatego układy

elektroniczne zawierające tranzystory MOS

są przechowywane np. w foliach

przewodzących mających zapobiec

przedostaniu się ładunków do obwodów.

Typy tranzystorów MOS

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).

Symbole graficzne

Z kanałem zubożonym

Z kanałem

wzbogaconym

Z kanałem typu
P

Z kanałem typu
N

Z Kanałem typu
P

Z Kanałem typu
N

Zasada działania

Przepływ prądu następuje pomiędzy źródłem i

drenem, przez tzw. kanał, sterowanie tym prądem

następuje na skutek zmiany napięcia bramka-źródło.
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 (pentodowy)

Zakres nienasycenia

Jeśli napięcie bramka-źródło U

GS

jest mniejsze od

napięcia progowego (tworzenia kanału) U

T

, 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.

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 U

DS

przekroczy wartość U

DSsat

to w pobliżu drenu kanał

zniknie, w jego miejsce pojawi się obszar zubożały, mający

bardzo dużą rezystancję (wraz ze wzrostem napięcia dren-

źródło obszar zubożały rozszerza się) i wówczas

praktycznie całe napięcie U

DS

odkłada się na warstwie

zubożałej.

Zasada działania na przykładzie

MOSFET z kanałem indukowanym
typu n i podłożem typu p.

Na rysunku

przedstawiona jest

sytuacja, w której

polaryzacja drenu i

bramki jest zerowa

czyli U

DS

=0 i U

GS

=0. W

takiej sytuacji brak

jest połączenia

elektrycznego

pomiędzy drenem i

źródłem czyli brak jest

kanału.

Jeżeli zaczniemy

polaryzować bramkę

coraz większym

napięciem U

GS

>0 to

po przekroczeniu

pewnej wartości tego

napięcia, zwanej

napięciem progowym

U

T

, zaistnieje sytuacja

przedstawiona na

rysunku.

Dodatni ładunek bramki spowodował

powstanie pod jej powierzchnią warstwy

inwersyjnej złożonej z elektronów swobodnych

o dużej koncentracji oraz głębiej położonej

warstwy ładunku przestrzennego jonów

akceptorowych, z której wypchnięte zostały

dziury. Powstaje w ten sposób w warstwie

inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy

drenem a źródłem. Przewodność tego

połączenia zależy od koncentracji elektronów w

indukowanym kanale, czyli od napięcia U

GS

.

Wielkość prądu

płynącego powstałym

kanałem zależy niemalże

liniowo od napięcia U

DS

.

Zależność ta nie jest

jednak do końca liniowa,

ponieważ prąd ten

zmienia stan polaryzacji

bramki, na skutek czego

im bliżej drenu, tym

różnica potencjałów

pomiędzy bramką i

podłożem jest mniejsza,

a kanał zmniejsza swój

przekrój.

Gdy w wyniku

dalszego zwiększania

napięcia U

GS

przekroczona zostanie

pewna jego wartość

zwana napięciem

odcięcia U

GSof

, lub

wartość napięcia U

DS

zrówna się z

poziomem napięcia

U

GS

(U

DS

=U

GS

),

powstały kanał

całkowicie zniknie.

Bibliografia

-

Notatki własne

-

http://home.agh.edu.pl/~maziarz/LabPE
/unipolarne_druk.html#3

-

http://pl.wikipedia.org/wiki/MOSFET

-

http://wapedia.mobi/pl/MOSFET