Як працюють MOSFET

Принцип роботи MOSFET в основному базується на його унікальних структурних властивостях і ефектах електричного поля. Нижче наведено детальне пояснення того, як працюють MOSFET:

 

I. Базова структура MOSFET

MOSFET складається в основному з затвора (G), витоку (S), стоку (D) і підкладки (B, іноді з’єднаної з витоком, щоб утворити пристрій із трьома висновками). У МОП-транзисторах з N-канальним розширенням підкладка зазвичай являє собою кремнієвий матеріал P-типу з низьким вмістом легованих речовин, на якому виготовлено дві високолеговані області N-типу, які служать джерелом і стоком відповідно. Поверхня підкладки P-типу вкрита дуже тонкою оксидною плівкою (діоксид кремнію) як ізоляційний шар, а електрод витягнутий як затвор. Ця структура робить затвор ізольованим від напівпровідникової підкладки P-типу, стоку та витоку, і тому також називається польовою трубкою з ізольованим затвором.

II. Принцип дії

MOSFET працюють, використовуючи напругу джерела затвора (VGS) для керування струмом стоку (ID). Зокрема, коли прикладена позитивна напруга джерела затвора, VGS, більша за нуль, верхнє позитивне та нижнє негативне електричні поля з’являться на шарі оксиду під затвором. Це електричне поле притягує вільні електрони в P-області, змушуючи їх накопичуватися під шаром оксиду, одночасно відштовхуючи дірки в P-області. Із збільшенням VGS напруженість електричного поля зростає і концентрація притягнутих вільних електронів збільшується. Коли VGS досягає певної порогової напруги (VT), концентрація вільних електронів, зібраних у цій області, є достатньо великою, щоб утворити нову область N-типу (N-канал), яка діє як міст, що з’єднує стік і витік. У цей момент, якщо між стоком і джерелом існує певна керуюча напруга (VDS), починає протікати ID струму стоку.

III. Утворення та зміна провідного каналу

Формування провідного каналу є ключем до роботи MOSFET. Коли VGS більше, ніж VT, провідний канал встановлюється, а на ID струму стоку впливають як VGS, так і VDS. VGS впливає на ID, керуючи шириною та формою провідного каналу, тоді як VDS впливає на ID безпосередньо як керуюча напруга. Важливо відзначити, що якщо провідний канал не встановлено (тобто VGS менше, ніж VT), то навіть якщо VDS присутній, ідентифікатор струму стоку не з’являється.

IV. Характеристики MOSFET

Високий вхідний опір:Вхідний опір MOSFET дуже високий, близький до нескінченності, оскільки між затвором і областю витік-сток є ізоляційний шар і лише слабкий струм затвора.

Низький вихідний опір:МОП-транзистори — це пристрої, керовані напругою, у яких струм джерело-стік може змінюватися разом із вхідною напругою, тому їх вихідний опір малий.

Постійний потік:Під час роботи в зоні насичення на струм MOSFET практично не впливають зміни напруги джерело-стік, що забезпечує відмінну постійність струму.

 

Хороша температурна стабільність:МОП-транзистори мають широкий діапазон робочих температур від -55°C до +150°C.

V. Застосування та класифікації

МОП-транзистори широко використовуються в цифрових схемах, аналогових схемах, схемах живлення та інших областях. Відповідно до типу роботи MOSFET можна класифікувати на типи покращення та виснаження; за типом провідного каналу їх можна класифікувати на N-канали та P-канали. Ці різні типи MOSFET мають власні переваги в різних сценаріях застосування.

Підсумовуючи, принцип роботи MOSFET полягає в управлінні формуванням і зміною провідного каналу через напругу джерела затвора, яка, у свою чергу, контролює потік струму стоку. Його високий вхідний опір, низький вихідний опір, постійний струм і стабільність температури роблять MOSFET важливим компонентом електронних схем.