Struktura

Tranzistor typu MOSFET s vodivým kanálem

Tranzistor typu MOSFET s vodivým kanálem

Konstrukční uspořádání tranzistorů s vodivým kanálem je obdobné jako u tranzistorů s indukovaným kanálem. Stejně jako tranzistory s indukovaným kanálem mají dvě oblasti se silnou koncentrací příměsí N+. Tyto oblasti jsou vytvořeny difúzí příměsí do základní destičky typu P. Narozdíl od tranzistorům s indukovaným kanálem mají vytvořen vodivý kanál již při nulovém napětí na řídicí elektrodě.

Tyto tranzistory pracují při zvětšování vodivosti kanálu v režimu obohacení, při zmenšování vodivosti kanálu pracují v režimu ochuzení.

Na rozdíl od tranzistorů s indukovaným kanálem je mezi oblastmi N+ při výrobě vytvořena méně dotovaná a tenší vrstva N, která tvoří vodivý kanál.

Tranzistor s vodivým kanálem má tedy vytvořen vodivý kanál již od výrobce.

Obr. 1: Struktura tranzistoru MOSFET s vodivým kanálem N

Obr. 2: MOSFET se zabudovaným N kanálem

 

Obr. 3: Výstupní charakteristika tranzistoru MOSFET se zabudovaným kanálem N

 

Obr. 4: Tranzistor MOSFET se zabudovaným kanálem

Činnost tranzistoru MOSFET s vodivým kanálem

Napětí mezi elektrodami tranzistoru je nulové.

Mezi oblastmi typu N+ je kanál s vodivostí typu N. Oblast s vodivostí typu N vytváří se substrátem, který má vodivost typu P, přechod PN. Jestliže jsou všechny elektrody tranzistoru propojeny, vzniká v okolí přechodu PN na dolní hranici vodivého kanálu tenká ochuzená oblast, jež má rovnoměrný průřez.

Připojení napájecího zdroje UDS mezi svorky kolektoru a emitoru.

Protože je kanál široký, jeho odpor je malý, a proto, když mezi emitor a kolektor zapojíme nastavitelný napájecí zdroj zpočátku s napětím UDS = 0, a budeme napětí postupně zvyšovat, začne kanálem poměrně prudce stoupat proud ID.

Kladné napětí UDS však mezi substrátem typu P a kanálem typu N působí jako závěrné napětí. Růst napětí UDS způsobí v blízkosti kolektoru rozšiřování ochuzené oblasti a tím omezování kolektorového proudu ID. V okamžiku, kdy velikosti UDS = UP, dojde k zaškrcení kanálu.

Při napětí UDS = UP (napětí zaškrceného kanálu) se ochuzená oblast v blízkosti kolektoru rozšíří téměř přes celou šířku kanálu. Pro průchod proudu zbývá, stejně jako u tranzistorů JFET, pouze tenká vodivá vrstva.

Při dalším zvyšování napětí UDS nad hodnotu UP se bude zaškrcená oblast pomalu zvětšovat. Protože nosiče elektrického náboje (pro vodivost typu N –elektrony) procházejí úsekem kanálu s velikým elektrickým polem, je jejich pohybová energie značná a růst odporu kanálu nezpůsobí pokles proudu ID.

Proud ID kanálem se při zvětšování UDS nebude zvětšovat, protože se v důsledku dalšího zužování kanálu ochuzenou oblastí zvětšuje odpor kanálu.

Tranzistor přejde z oblasti odporového režimu do oblasti nasycení.

Režim ochuzení

Jestliže na hradlo připojíme záporné napětí UGS < 0, vytlačí elektrické pole z prostoru kanálu určité množství elektronů, odpor kanálu se zvětší a při zvětšování napětí UDS se bude proud ID zvětšovat mírněji než při nulovém předpětí hradla. Tranzistor nyní pracuje v oblasti ochuzení.

Režim ochuzení je znázorněn v soustavě výstupních charakteristik tranzistoru s vodivým kanálem. Z obrázku je zřejmé, že tranzistor s vodivým kanálem typu N pracuje v režimu ochuzení při záporném napětí na hradle UGS.

Při tzv. závěrném předpětí UGSZ vytlačí elektrické pole vytvořené elektrickým napětím na hradle kanálu všechny volné elektrony a proud ID klesne na nulu. Je to prahové napětí tranzistoru s vodivým kanálem UT .

Jestliže na hradlo tranzistoru s kanálem typu N připojíme kladné napětí proti emitoru, UGS > 0, přitáhne elektrické pole do kanálu pod hradlem víc elektronů, takže se vodivost kanálu zvětší a může téci větší proud. Tranzistor nyní pracuje v režimu obohacení.

Vliv substrátu na vlastnosti tranzistoru MOS

V mnoha aplikacích je substrát Su tranzistoru spojen s jeho emitorem. To má za následek, že přechod PN mezi substrátem a indukovaným kanálem má v závěrném směru konstantní napětí. V tom případě substrát neovlivňuje činnost tranzistoru a nemusí být zohledňován.

Jestliže je substrát tranzistoru MOSFET vůči emitoru záporný, rozšíří se ochuzená oblast a zmenší se tloušťka kanálu. Pro obnovení šířky kanálu tak, aby kolektorový proud zůstal stejný, je nutné zvětšit napětí UGS.

U tranzistorů, které mají vyvedený substrát (značí se Su), může být substrát použit jako další řídicí elektroda ovlivňující velikostí napětí šířku a tím i odpor kanálu.

Teplotní závislosti tranzistorů MOSFET

Tranzistory MOSFET jsou teplotně méně citlivé než bipolární tranzistory, neboť jejich činnost závisí na majoritních nosičích.

Unipolární tranzistory jsou provozuschopné i při velmi nízkých teplotách, kdy dokonce dochází ke zlepšení některých parametrů (např. zvětšení strmosti, zmenšení proudu hradla…).

Při měření kolektorového proudu ID však zjistíme, že se se změnou teploty mění (i když méně než u bipolárních tranzistorů), a to i tehdy, když jsou napětí UGS a UDS konstantní. To je způsobeno tím, že pohyblivost nosičů elektrického náboje a prahové napětí UT jsou teplotně závislé.

Pohyblivost nábojů klesá s rostoucí teplotou. Proto s rostoucí teplotou klesá i vodivost kanálu mezi kolektorem a emitorem a tím i kolektorový proud. Projevuje se to záporným teplotním koeficientem kolektorového proudu.

Záporný teplotní koeficient se projevuje v tom, že se vzrůstající teplotou klesá strmost převodní charakteristiky. To umožňuje snadné paralelní řazení tranzistorů pro dosažení většího výkonu. Přehřátí tranzistoru zmenší výstupní proud a tím i ztrátový výkon. Převodní charakteristiky se křižují téměř v jednom bodu, a proto je možné pro některé aplikace nastavit teplotně nezávislý pracovní bod pouze volbou vhodného zatěžovacího odporu.

Se změnou teploty dochází ke změně i velikosti prahového napětí. Je tedy možné definovat, že se vzrůstající teplotou klesá strmost převodních charakteristik a zmenšuje se velikost prahového napětí UT.

Důležité parametry tranzistorů MOSFET

Mezní parametry

Stejně jako u ostatních polovodičových součástek je i pracovní oblast unipolárních tranzistorů omezena mezními parametry, při jejichž překročení vzniká nebezpečí zničení tranzistoru.

K nejdůležitějším parametrům patří:

  • UBRDS - označuje průrazné napětí mezi kolektorem a emitorem, při jehož překročení může dojít ke zničení tranzistoru;

  • PDmax - je maximální ztrátový výkon tranzistoru (PD = UDS . ID). Jeho velikost je závislá na teplotě prostředí;

  • UBRGSS - je průrazné napětí přechodu mezi hradlem G a emitorem S. Vstup obvodu s tranzistorem MOSFET zpravidla využívá hradlo, což zabezpečuje velmi vysoký vstupní odpor. Izolační vrstva SiO2 je velmi tenká. Průrazné napětí vrstvy silné 50nm je přibližně 30V. Pohybem lidského těla po izolované podlaze může být indukováno napětí dosahující hodnot několik tisíc voltů, které má dostatečnou energii k proražení izolace hradla. Proto jsou hradla chráněna, často jsou výrobcem zkratovány vývody tranzistoru odstranitelným prvkem (plocha hradla je poměrně velká a jeho vstupní kapacita dosahuje poměrně vysoké hodnoty, proto postačuje k jeho ochraně);

  • IDmax – znamená maximální trvalý kolektorový proud, jehož velikost je závislá na teplotě okolního prostředí.

Statické provozní parametry

  • IDSS – kolektorový proud při nulovém napětí hradla (mění se podle teploty prostředí);

  • IGSS – svodový proud hradla při nulovém napětí mezi kolektorem a emitorem a při určité velikosti napětí UGS na hradle. (např. IGSS = ± 100nA při UDS = 0 a UGS = ± 30V);

  • UT (UGS(th)) – je prahové napětí na hradle, které je udáváno pro UDS = UGS a určitou proudu kolektoru (např. UGS(th) = 1,0 V až 2,5 V pro UDS = UGS a ID = 250 μA);

  • RDS(on) - vyjadřuje odpor kanálu v sepnutém stavu, je udáván pro určitou velikost napětí UGS a proud ID (např. rDS(on) = 3,3 Ω při UGS = 5 V, ID = 0,3 A).

Spínač analogového signálu s tranzistorem NMOSFET

Obdobné zapojení jako s tranzistorem JFET je možné realizovat např. i s tranzistorem MOSFET. Řídicí napětí je v tomto případě generováno zdrojem Uříd. To nemusí být příliš výhodné, protože se se změnou napětí u1 mění i uGS mezi hradlem a emitorem. Se změnou vstupního analogového signálu proto dochází i ke změně velikosti odporu kanálu v sepnutém stavu Ron. Z toho důvodu není toto zapojení vhodné pro velké změny spínacího analogového signálu.

Komplementární MOS technologie (CMOS)

Komplementární MOS technologie spočívá na současném obvodovém zapojení tranzistoru s kanálem N i s kanálem typu P.

Komplementární tranzistory

Pod pojmem komplementární tranzistory budeme rozumět dvojice tranzistorů s opačnými typy vodivosti, tedy NMOS a PMOS.

CMOS technologie

Vyrobíme-li oba komplementární tranzistory na jednom substrátu, potom mluvíme o technice CMOS.

CMOS obvody jsou velmi užitečné, protože umožňují stejným signálem otevřít tranzistor jednoho typu a současně zavřít tranzistor opačného typu.

Tato schopnost umožňuje konstruovat logické obvody s velmi malou spotřebou. Všechny číslicové integrované obvody velmi vysoké integrace jsou založeny na technologii CMOS.

Funkce CMOS v logických obvodech

Přivedeme-li na vstupní svorku obvodu logický signál o kladné napěťové úrovni odpovídající log 1, dojde k otevření tranzistoru NMOS, PMOS bude uzavřený, na výstupu obvodu bude nízká úroveň napětí odpovídající log 0.

Přivedeme-li na vstup logický signál o nízké napěťové úrovni odpovídající log 0, dojde k otevření tranzistoru PMOS, NMOS bude uzavřený a na výstupu obvodu bude vysoká úroveň napětí odpovídající log 1.

Vhodnou volbou prahových napětí tranzistorů je možné dosáhnout toho, že je vždy tranzistor uzavřen a druhý otevřen, současné uzavření jednoho a otevření druhého tranzistoru je rychlé, a proto časový interval, kdy jsou oba tranzistory v oblasti saturace, je velmi krátký. To má za následek velmi malou spotřebu. Se zvyšováním kmitočtu spínání se potřeba zvyšuje.

CMOS technologie umožňuje i konstrukci nízkopříkonových analogových obvodů, jako jsou např. operační zesilovače CMOS.

Základy pro manipulaci s tranzistory řízenými elektrickým polem

Protože mají tranzistory FET a zejména IGFET velmi vysoký vstupní odpor, přičemž tloušťka hradla je velmi tenká, postačuje k průrazu izolační vrstvy pod hradlem napětí statické elektřiny a náboj, kterým se nabije lidské tělo. Elektrický náboj vzniká třením dvou povrchů, když alespoň jeden z nich je nevodivý. Velikost a polarita nábojů je závislá na vlastnostech materiálů, síle tření a na vlhkosti prostředí.

Elektrostatické náboje mohou vzniknout v různých zařízeních, např.:

  • třením vláken látek;

  • v pohyblivých částech různých mechanismů;

  • ve skladovacích přepravkách z plastů;

  • na listech papíru v plastických obalech;

  • na listech papíru vycházejících z kopírky;

  • na částech lidského těla a jeho oblečení.

Při manipulaci s unipolárními tranzistory je nutné dodržovat následující zásady:

  • dotýkat se vývodů nezaletovaných tranzistorů pouze v nutných případech, přičemž by vývody tranzistorů měly být zkratovány;

  • v dílně, kde dochází k manipulaci s těmito tranzistory, má být antistatická podlaha, která omezuje vznik elektrostatické elektřiny;

  • jednotlivá pracoviště musí být vybavena uzemňovacími náramky, které mají příslušní pracovníci navlečené na rukou;

  • pracoviště musí být udržována v čistotě;

  • rozmístění nástrojů a nářadí musí být přehledné;

  • zařízení napájená z elektrorozvodné sítě musí být jištěna proti zemi, jejich skříňky musí být uzemněné;

  • relativní vlhkost má být udržována mezi 50 a 65 %;

  • v dílně by mělo být umístěno ionizační zařízení vzduchu, aby byly neutralizovány statické náboje.

Zdroje

  • KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009

Obrázky

  • Obr. 1: Autor neznámý.  Struktura tranzistoru MOSFET s vodivým kanálem N. [online]. [cit. 2015-05-25]. Dostupné z: http://www.spsemoh.cz/vyuka/zel/tranzistory-unip.htm
  • Obr. 2: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. MOSFET se zabudovaným N kanálem, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
  • Obr. 3: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Výstupní charakteristika tranzistoru MOSFET se zabudovaným kanálem N, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
  • Obr. 4: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Tranzistor MOSFET se zabudovaným kanálem, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
Logolink