MOSFET — metalo-oksido puslaidininkio lauko tranzistoriai: kas tai?

Sužinokite, kas yra MOSFET — kaip metalo‑oksido puslaidininkio lauko tranzistoriai veikia, kur naudojami ir kodėl jie kertiniai modernioje elektronikoje.

MOSFET reiškia metalo‑oksido puslaidininkio lauko tranzistorių. Tranzistoriai yra maži elektros prietaisai, plačiai naudojami elektroniniuose įrenginiuose — nuo žadintuvų ir skaičiuotuvų iki sudėtingų kompiuterių. Kai kurie MOSFET tipai stiprina arba apdoroja analoginius signalus, tačiau didžioji dalis jų naudojama skaitmeninėje elektronikoje, kur jie veikia kaip greiti įjungimo/išjungimo elementai.

Kaip veikia MOSFET

MOSFET veikia kaip elektrinis vožtuvas: turi tris pagrindines elektros jungtis — vartus (gate), šaltinį (source) ir nutekėjimą (drain). Per elektrinį signalą į vartus sukuriamas elektrinis laukas, kuris formuoja arba užblokuoja laidžią kanalą tarp šaltinio ir nutekėjimo, todėl kinta srovė tarp jų. Kitaip tariant, vartų įtampa valdo, ar ir kiek srovės tekės per tranzistorių, panašiai kaip reguliuojamas šviesos jungiklis reguliuoja lemputės ryškumą.

Skirtumas nuo bipolinių tranzistorių (BJT) yra tas, kad MOSFET yra unipolinis — jį valdo įtampa (ne srovė). Struktūriškai MOSFET susideda iš sluoksnių: metalas (vartai) — oksidas (izoliatorius) — puslaidininkis (šaltinis ir nutekėjimas), todėl pavadinimas MOS (metal‑oxide‑semiconductor) apibūdina jo konstrukciją.

Pagrindinės rūšys ir režimai

Dažniausiai sutinkamos rūšys:

• n‑kanalo (n‑MOS) — kanalas susidaro, kai vartų įtampa yra aukštesnė už šaltinio (t. y. teigiama prieš šaltinį); srovė teka nuo nutekėjimo į šaltinį.
• p‑kanalo (p‑MOS) — kanalas susidaro, kai vartų įtampa yra žemesnė už šaltinio (t. y. neigiama prieš šaltinį); naudojami komplementariai su n‑kanalo, pvz., CMOS logikoje.

Svarbiausi parametrai

Keletas parametrų, kuriuos dažnai žiūri inžinieriai:

• Slenkstinė įtampa (Vth) — vartų įtampa, kurią reikia pasiekti, kad pradėtų tekėti reikšminga D–S srovė.
• Rds(on) — varža tarp nutekėjimo ir šaltinio, kai MOSFET „įjungtas“; mažesnė reikšmė reiškia mažesnius nuostolius ir geresnę efektyvumą, ypač galios grandinėse.
• Vds max — didžiausia leistina nutekėjimo‑šaltinio įtampa.
• Kapaciteto ir greičio parametrai — vartų talpa lemia, kiek energijos reikia pereinant tarp būsenų ir kiek greitai MOSFET galima jungti/išjungti.
• Galios nuostoliai ir aušinimas — galios MOSFET'ams svarbu šilumos valdymas, nes didelė išsiskirianti šiluma gali pažeisti įrenginį.

Panaudojimas

MOSFET naudojami labai plačiai:

• Skaitmeninėse grandinėse — kaip loginiai elementai CMOS technologijoje (komplementarūs n‑ ir p‑MOS tranzistoriai).
• Galingose galios grandinėse — kaip jungikliai maitinimo valdikliuose, variklių valdymuose ir impulsiniuose maitinimo šaltiniuose.
• Analoginėse grandinėse — kaip stiprintuvai, signalo kondicionieriai ir RF grandinių elementai.
• Integrinėse grandinėse — MOSFET dominuoja moderniose mikroschemose; transistorų tankis luste pastaraisiais dešimtmečiais labai išaugo, todėl šiuolaikiniai lustai talpina milžinišką tranzistorių skaičių, palyginti su ankstesnėmis kartomis.

Kodėl MOSFET tokie populiarūs?

Privalumai:

• Geras energetinis efektyvumas dėl mažų Rds(on) ir galimybės greitai jungti/išjungti.
• Aukštas integracijos lygis — MOS technologija leidžia sutalpinti didelius kiekius tranzistorių mažame plote.
• Platus operacinis diapazonas — nuo mažos galios logikos iki galingų maitinimo grandinių.

Apibendrinant: MOSFET yra universalūs, efektyvūs ir plačiai naudojami elektronikos statybiniai blokai. Jie leidžia valdyti sroves ir įtampas tiek mažos galios logikoje, tiek didelės galios įrenginiuose, todėl yra nepakeičiami šiuolaikinėje elektronikoje.

Teorija

Yra daug skirtingų puslaidininkinių MOSFET gaminimo būdų. Paprasčiausias būdas parodytas šio teksto dešinėje esančioje schemoje. Mėlyna dalis vaizduoja P tipo silicį, o raudona - N tipo silicį. Abiejų tipų sankirta sudaro diodą. Silicio puslaidininkyje yra keistenybė, vadinama "išeikvojimo sritimi". Legiruotame silicyje, kurio viena dalis yra legiruoto N tipo, o kita - legiruoto P tipo, jų sankirtoje natūraliai susidaro nuskurdimo sritis. Taip yra dėl jų akceptorių ir donorų. P tipo silicis turi akceptorių, dar vadinamų skylėmis, kurios pritraukia elektronus prie savęs. N tipo silicis turi donorų, arba elektronų, kuriuos traukia skylės. Pasienyje tarp jų N tipo elektronai užpildo P tipo skyles. Dėl to akceptoriai arba P tipo atomai įgyja neigiamą krūvį, o kadangi neigiami krūviai pritraukia teigiamus krūvius, akceptoriai arba skylės plūsta "sandūros" link. N tipo pusėje yra teigiamas krūvis, todėl donorai, arba elektronai, teka link "sandūros". Kai jie ten pateks, juos atstums kitoje sandūros pusėje esantis neigiamas krūvis, nes panašūs krūviai atstumia. Tas pats nutiks ir P tipo pusėje, donorai, arba skylės, bus atstumti teigiamo ploto N tipo pusėje. Tarp jų negali tekėti elektra, nes jokie elektronai negali pereiti į kitą pusę.

MOSFET tai išnaudoja savo naudai. MOSFET "kūnas" maitinamas neigiamai, todėl išsiplečia išeikvojimo sritis, nes skylės užpildomos naujais elektronais, todėl priešinga jėga elektronams N pusėje tampa daug didesnė. MOSFET "Šaltinis" maitinamas neigiamai, todėl N tipo išeikvojimo zona visiškai susitraukia, nes yra pakankamai elektronų, kad užpildytų teigiamą išeikvojimo zoną. "Drain" turi teigiamą maitinimą. Kai "Gate" maitinamas teigiama galia, jis sukuria nedidelį elektromagnetinį lauką, kuris panaikina nuskurdinimo zoną tiesiai po užtūra, nes ten atsiranda skylių "purslai", kurie sudaro vadinamąjį "N kanalą". N kanalas yra laikina P tipo silicio srities sritis, kurioje nėra išeikvojimo zonos. Teigiamas elektrinis laukas neutralizuos visus laisvuosius elektronus, sudarančius nuskurdinimo zoną. Tuomet elektronai šaltinio srityje turės laisvą kelią judėti į "Drain", todėl elektra tekės iš šaltinio į "Drain".

Paprasto MOSFET schema

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra MOSFET?

K: Kam naudojami tranzistoriai?

K: Kaip veikia MOSFET?

K: Ką reiškia pavadinimas "MOSFET"?

Klausimas: Kur naudojami beveik visi MOSFET'ai?

K.: Kiek tranzistorių galima sutalpinti į integrinį grandyną šiandien, palyginti su 1970 m.?

Paieška pagal raidę