Принцип роботи МОП-транзистора

1. Вступ

MOSFET (транзистор з метало-оксидно-півпровідниковим полем) — це транзистор, який широко використовується у сучасних електронних схемах. Він керує переключенням струму шляхом формування або блокування провідного каналу за допомогою електричного поля. MOSFETи мають високу ефективність керування, низьке споживання енергії та швидку швидкодію, що робить їх незамінними як у цифрових, так і у аналогових системах.

2. Структура

Типовий MOSFET складається з наступних частин:

Ворота: Металевий або polysilicon електрод, який ізоловано від півпровідника диелектричним шаром (звичайно двогидротитаном кремнію, SiO₂).

Джерело та дрен: Два сильно леговані N-тип регіони, вбудовані у P-тип підкладку півпровідника.

Тіло (Підкладка): Зазвичай P-тип півпровідник. У багатьох проектах схем тіло приєднується до джерела для підтримки фіксованого потенціалу та зменшення збурень впливу тіла.

3. Принцип роботи

MOSFET працює шляхом керування тим, чи утворюється провідний канал між джерелом і стоком, залежно від напруги на воротах.

3.1 Вимкнений стан

Коли напруга на воротах дорівнює 0 В або нижча за порогову напругу (Vth):

На поверхні P-типового субстрату не утворюється провідний канал.

Високий імпеданс існує між джерелом та стоком, що призводить майже до відсутності потоку струму.

МОСФЕТ знаходиться у стані "вимкнено", працюючи як відкритий переключник.

3.2 Стан ввімкнено

Коли напруга на воротах (VGS) перевищує порогову напругу (VGS > Vth):

Утворюється вертикальне електричне поле під шаром диелектрика воротів.

Це поле притягує електрони з P-типового субстрату до поверхні напівпровідника та відкидає діри, створюючи N-типовий шар інверсії.

Цей провідний канал з'єднує джерело та сток, дозволяючи струму течи від стоку до джерела (за правилом напрямку струму).

4. Основні характеристики

МОСФЕТи мають наступні електричні характеристики:

Прилад, що керується напругою: струм регулюється напругою ворота, а через ізольовану оксидну шаруватину ворота майже не протікає струм, що призводить до надзвичайно низького рівня статистичної споживчої потужності.

Швидке переключення: Ідеально підходить для високочастотних кол ців, включаючи РЛ та цифрові переключувачі.

Низька витрата енергії: Енергія споживається лише під час переходів переключення, що робить МОП-транзистори відповідними для переносних та енергоекономічних систем.

5. Застосування

МОП-транзистори зазвичай використовуються в наступних галузях:

Цифрові схеми: Виконують функцію переключувачів у логічних елементах, тригерах та транзисторах у ЦПУ.

Аналогові схеми: Функціонують як напругові підвищувачі, джерела наслідування та регулятори струму.

Управління енергією: Використовуються в конверторах DC-DC, силових переключниках та схемах керування моторами.

6. Підсумок

Основна функція MOSFET полягає у контролі потоку струму за допомогою електричного поля. При подачі напруги на ворота утворюється тимчасовий провідний канал на поверхні півпровідника, що дозволяє або забороняє провідність струму. Цей механізм надає MOSFET його відмінну швидкодію, низьке споживання енергії та широке застосування в сучасних електронних та енергетичних пристроях.