Комплексне введення до MOSFET

MOSFET (металооксидний півпровідниковий транзистор з керованим переходом) — це керований напругою пристрій, який працює під дією електричного поля. Він є основним компонентом в інтегральних схемах та дискретних пристроях й широко використовується в різноманітних аналогових і цифрових схемах завдяки простій структурі, швидкодії та легкості інтеграції.

Розвиток MOSFET суттєво сприяв прогресу технологій у галузі силової електроніки, управління живленням, проектування мікрочипів і автомобільної електроніки.

1. Детальна структура

Основну структуру MOSFET складають чотири базові області:

• Витік: точка, через яку вводяться електрони або дірки; є входом для струму.
• Стік: кінцевий термінал, через який виходять носії заряду; є виходом для струму.
• Затвор: Керує утворенням провідного каналу шляхом подачі зовнішньої напруги; працює як перемикач. Зазвичай покритий тонким шаром оксиду (SiO₂) із чудовими діелектричними властивостями.
• Підкладка: Основний напівпровідниковий матеріал пристрою, зазвичай слабо легований кремній P-типу або N-типу.

Тип підкладки та зв’язок із каналом:

• NMOS: Підкладка P-типу + джерело/стік N-типу; носіями заряду є електрони.
• PMOS: Підкладка N-типу + джерело/стік P-типу; носіями заряду є дірки.
• Різниця між режимами посилення та витіснення:
• Режим посилення: Нормально вимкнений; для провідності потрібна напруга на затворі.
• Режим витіснення: Нормально увімкнений; стає непровідним при подачі напруги на затвор.

2. Принцип роботи (керування полем)

Робота МДН-транзистора переважно базується на використанні ефекту поля, яке контролює розподіл носіїв заряду в напівпровіднику.

• Підвищувальний режим NMOSFET: Коли додатнє напруження подається на затвор, підкладка типу P під затвором притягує електрони завдяки електричному полю, утворюючи інверсний шар типу N і створюючи провідний канал між витоком і стоком.
• Підвищувальний режим PMOSFET: Коли від'ємне напруження подається на затвор, дірки притягуються до поверхні підкладки типу N, утворюючи канал типу P, який забезпечує провідність між витоком і стоком.

Керування станами увімкнення та вимкнення:

Перемикача поведінка MOSFET визначається напругою затвор-витік (VGS):

Коли VGS ≤ Vth (порогова напруга), канал формується і пристрій умикається.

Коли VGS < Vth, канал зникає і пристрій вимикається.

3. Основні методи класифікації

MOSFET можна класифікувати різноманітними способами за різноманітними критеріями:

Пристрої NMOS більш широко використовуються в застосунках з високою частотою та високими характеристиками завдяки їх вищій рухливості електронів і нижчому опору в увімкненому стані.

4. Типові галузі застосування

MOSFET-транзистори підходять для різноманітних сценаріїв — від керування малою потужністю до високовольтного приводу:

• Цифрові схеми та логічне проектування: CMOS-логічні елементи, що складаються з комплементарних NMOS і PMOS, становлять основу мікропроцесорів, мікроконтролерів та чіпів пам'яті. Сучасні SoC (System-on-Chip) інтегрують мільярди MOSFET-транзисторів.
• Джерела живлення та керування потужністю: як ефективні перемикаючі пристрої, вони широко використовуються в перетворювачах постійного струму (DC-DC), імпульсних джерелах живлення (SMPS), інверторах та драйверах LED. Вони підтримують м’яке перемикання, низькі ЕМІ та високоефективні конструкції.
• Аналогові схеми: МОП-транзистори використовуються як підсилювачі напруги, джерела постійного струму та аналогові перемикачі. Вони чудово працюють у підсилювачах звуку та силових контурах зворотного зв’язку.
• Автомобільна та промислова автоматика: МОП-транзистори широко застосовуються в електронних блоках керування (ЕБК), контролерах двигунів і бортових зарядних пристроях (OBC). Вони також використовуються в модулях приводів, програмованих логічних контролерах (PLC) і заміні реле в промисловій автоматизації.
• Сенсори та системи виявлення: МОП-транзистори використовуються для побудови схем зчитування сигналів у CMOS-сенсорах зображення, інфрачерв'яних сенсорах та мікроелектромеханічних системах (MEMS). Вони виступають як підсилювачі на вході для високочутливого виявлення сигналів.

5. Висновок

Завдяки відмінним електричним характеристикам, простій конструкції та високій керованості, МОП-транзистори стали незамінними компонентами в електронній промисловості.

Від побутової електроніки та засобів зв’язку до промислової автоматизації та нових енергетичних електромобілів – їх застосування є поширеним.

Розуміючи їхню структуру, принципи та особливості застосування, можна більш ефективно виконати вибір пристроїв, проектування систем та оптимізацію продуктів.