Tranzystory typu MOS

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 typu P
Z kanałem typu N
Z kanałem wzbogaconym
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 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.
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 napięcia drenźródło obszar zubożały rozszerza się) i wówczas praktycznie
całe napięcie UDS 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
UDS=0 i UGS=0. W takiej
sytuacji brak jest
połączenia
elektrycznego pomiędzy
drenem i źródłem czyli
brak jest kanału.
Jeżeli zaczniemy
polaryzować bramkę
coraz większym
napięciem UGS>0 to po
przekroczeniu pewnej
wartości tego napięcia,
zwanej napięciem
progowym UT,
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 UGS.
Wielkość prądu płynącego
powstałym kanałem zależy
niemalże liniowo od
napięcia UDS. 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
UGS przekroczona
zostanie pewna jego
wartość zwana
napięciem odcięcia
UGSoff, lub wartość
napięcia UDS zrówna się
z poziomem napięcia
UGS (UDS=UGS),
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