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 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 U DSsat

to w pobliżu drenu kanał 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 połączenia =0. W takiej sytuacji brak jest 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 U U GS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia GSoff GS , lub wartość napięcia U (U DS =U DS GS zrówna się z poziomem napięcia ), powstały kanał całkowicie zniknie.

Bibliografia

Notatki własne http://home.agh.edu.pl/~maziarz/LabPE/unip olarne_druk.html#3 http://pl.wikipedia.org/wiki/MOSFET http://wapedia.mobi/pl/MOSFET