Принцип работы МОП-транзистора

1. Введение

МОСФЕТ (транзистор с изолированным затвором на основе металлооксидной полупроводниковой структуры) — это полевой транзистор, широко используемый в современных электронных схемах. Он управляет переключением тока путем формирования или блокировки проводящего канала при помощи электрического поля. МОСФЕТы обладают высокой эффективностью управления, низким энергопотреблением и быстрой скоростью переключения, что делает их неотъемлемой частью как цифровых, так и аналоговых систем.

2. Структура

МОСФЕТ обычно состоит из следующих частей:

Затвор: металлический или полисиликоновый электрод, изолированный от полупроводника диэлектрическим слоем (обычно двуокисью кремния, SiO₂).

Исток и сток: Два сильно легированных N-типа региона, встроенных в полупроводниковый субстрат P-типа.

Тело (Субстрат): Обычно полупроводник P-типа. В большинстве схем тело соединяется с истоком для поддержания фиксированного потенциала и уменьшения влияния эффекта тела.

3. Принцип работы

МОСФЕТ работает за счёт контроля образования проводящего канала между истоком и стоком в зависимости от напряжения на затворе.

3.1 Выключенное состояние

Когда напряжение на затворе равно 0 В или ниже порогового напряжения (Vth):

На поверхности P-типного субстрата не образуется проводящий канал.

Между истоком и стоком существует высокое сопротивление, что приводит к практически отсутствию тока.

МОСФЕТ находится в состоянии "выключен", функционируя как разомкнутый переключатель.

3.2 Включенное состояние

Когда напряжение на затворе (VGS) превышает пороговое напряжение (VGS > Vth):

Под диэлектрическим слоем затвора формируется вертикальное электрическое поле.

Это поле притягивает электроны из P-типового субстрата к поверхности полупроводника и отталкивает дырки, создавая N-типовый инверсионный слой.

Этот проводящий канал соединяет исток и сток, позволяя току течь от стока к истоку (согласно направлению conventional current).

4. Основные характеристики

МOSFETы обладают следующими электрическими характеристиками:

Устройство с управлением по напряжению: ток регулируется напряжением на затворе, и из-за изолирующего оксида затвора практически нет тока на затворе, что приводит к сверхнизкому статическому потреблению мощности.

Высокая скорость переключения: идеально подходят для высокочастотных цепей, включая радиочастотные и цифровые коммутационные схемы.

Низкие потери мощности: энергия потребляется только во время переходов переключения, что делает MOSFETы подходящими для портативных и энергоэффективных систем.

5. Применения

MOSFETы широко используются в следующих областях:

Цифровые цепи: Используются как переключатели в логических вентилях, триггерах и транзисторах в ЦПУ.

Аналоговые цепи: Функционируют как усилители напряжения, источники следования и регуляторы тока.

Управление питанием: Применяются в преобразователях DC-DC, силовых ключах и схемах управления двигателями.

6. резюме

Основная функция МОП-транзистора заключается в управлении током с помощью электрического поля. Приложением напряжения к затвору на поверхности полупроводника создается временный проводящий канал, что позволяет включать или выключать проводимость тока. Этот механизм обеспечивает МОП-транзистору отличную отзывчивость, низкое энергопотребление и широкую применимость в современных электронных и силовых устройствах.