8. MOSFET

M - Metal O - Oxide S - Semiconductor F - Field E - Effect T - Transistor

1. MOSFET - oprócz tranzystorów 7. JFET w układach elektronicznych, w tym również w technice samochodowej, stosuje się drugi rodzaj tranzystorów polowych nazywanych tranzystorami polowymi z izolowaną bramką(MOSFET). Tranzystory MOSFET charakteryzują się całkowitym odizolowaniem elektrody od bramki półprzewodnika stanowiącego podłoże tranzystora. W ten sposób bramka tworzy z podłożem kondensator. Dielektrykiem jest warstwa izolująca wykonana najczęściej z dwutlenku krzemu. Rozróżnia się dwa typy tranzystorów MOSFET opisane poniżej:

   • Tranzystory z kanałem zubożanym D-MOSFET mają wbudowany kanał przewodzący wykonany półprzewodnika odmiennego typu inż półprzewodnik podłoża, dzięki czemu mogą przewodzić prąd przy zerowym napięciu na bramce. nazywane są one normalnie otwartymi lub normalnie włączonymi. Ich parametry są podobne do tranzystorów 7. JFET. Tranzystory D-MOSFET są rzadko stosowane i niedostępne na rynku.
   • Tranzystory z kanałem wzbogacanym E-MOSFET nie mają fizycznie utworzonego kanału przewodzącego, przez co przy braku napięcia na bramce nie przewodzą prądu. Dlatego są nazywane normalnie zamkniętymi lub normalnie wyłączonymi. Kanał przewodzący powstaje dopiero pod wpływem podłączenia bramki napięcia o odpowiedniej wartości i polaryzacji. Podczas pracy tranzystora obwód bramki nie pobiera prądu, a sterowanie pracą odbywa się wyłącznie napięciowo.

2. Tranzystory E-MOSFET są powszechnie stosowane w układach elektronicznych. Budowę tranzystora E-MOSFET przedstawiono na rysunku. W podłoże (B), którym jest płytka słabo domieszkowanego półprzewodnika typu P lub N , są w dyfundowane dwa obszary o przeciwnym do podłoża rodzaju nośników ładunku elektrycznego silnie domieszkowane N+ lub P+ ( na rysunku N+), stanowiące dwie elektrody: źródło (S) i dren (D). Górna powierzchnia półprzewodnika jest pokryta bardzo cienką (rzędu kilkunastu nanometrów) warstwą izolatora. Izolatorem może być warstwa krzemionki (np. dwutlenek krzemu) albo inny tlenek metalu lub niemetalu. Na tak utworzoną strukturę napyla się warstwę dobrze przewodzącego metalu, np. złota, która stanowi stanowi bramkę (G). Gdy żadna z elektrod nie jest spolaryzowana napięciem zewnętrznym, między podłożem a obszarami elektrod ustala się bariera potencjałów złącza P-N, która uniemożliwia przepływ ładunków między źródłem i drenem. Tranzystor nie może przewodzić prądu, a więc jest zamknięty. Nawet jeżeli między elektrody źródła i drenu dołączymy napięcie, prąd nie popłynie, gdyż przy dowolnej biegunowości zasilania zawsze jedno ze złączy P-N(źródło-podłoże lub dren-podłoże) będzie spolaryzowane zaporowo.

2023-11-21 2. Czwartą elektrodą tranzystora MOSFET jest podłoże oznaczone literą B. Może ono, podobnie jak bramka, sterować pracą tranzystora. Jednak rozwiązanie takie jest rzadko stosowane. Najczęściej podłoże jest zawarte wewnątrz tranzystora ze źródłem i wówczas nie ma wyprowadzenia zewnętrznego tej elektrody. Jeżeli do bramki podłączymy napięcie $U_{GS}$, dodatni potencjał bramki za pomocą wytworzonego pola elektrycznego przyciąganie (za indukuje) pod powierzchnię izolatora bramki nośniki ładunków, którymi są elektrony swobodne podłoża (nośnik mniejszościowe) i jednocześnie odepchnie dziury (nośniki większościowe). W ten sposób pod powierzchnią bramki zostaje utworzona przestrzeń wypełniona elektronami swobodnymi, nazywana warstwą inwersyjną. Powstaje obszar o właściwościach podobnych do właściwości półprzewodnika typu n, który dzięki możliwości przewodzenia prądu tworzy kanał przewodzący łączący źródło z drenem. Ponieważ kanał jest półprzewodnikiem tego samego rodzaju co obszary źródła i drenu, znikają utworzone pierwotne bariery potencjałów złączy p-n między źródłem, kanałem i drenem uniemożliwiające przepływ ładunków. Przewodność tego kanału zależy od ilości skoncentrowanych w nim elektronów, czyli od napięcia dołączonego do bramki $U_{GS}$ Wraz ze wzrostem przewodzenia większego prądu. Podłączenie napięcia zasilającego źródło-dren powoduje przepływ prądu $I_D$. Zwiększanie napięcia $U_{DS}$ powoduje wzrost prądu. Jednak nie jest to wzrost liniowy, ponieważ dodatni potencjał napięcia występujący na drenie powoduje w jego okolicy rozszerzenie obszaru zubożałego, co zmniejsza liczbę elektronów tworzących kanał. (rys poniżej)

W ten sposób kanał ulega stopniowo spłycaniu w pobliżu drenu, aż do jego całkowitego zaniku. Gdy napięcie między źródłem a drenem $U_{PS}$ zrówna się z napięciem bramki $U_{GS}$ kanał w pobliżu drenu przestanie istnieć. Przy dalszym wzroście napięcia tzw. punkt zamknięcia kanału będzie się przesuwał w kierunku elektrody źródła. W rzeczywistości istnieje niewielki otwarty przekrój kanału, jednak dalszy wzrost napięcia źródło-dren powoduje tylko nieznaczny przyrost wartości prądu drenu.

Parametry tranzystorów MOSFET są bardzo zbliżone do parametrów tranzystorów 7. JFET. W rzeczywistości istnieje niewielki otwarty przekrój kanału. Jednak dalszy wzrost napięcia źródło-dren powoduje tylko nieznaczny przyrost wartości prądu drenu.

Parametry tranzystorów MOSFET są bardzo zbliżone do parametrów tranzystorów 7. JFET. Także kształty ich charakterystyk wyjściowej $I_D$ = f($U_{DS}$) i przejściowej $I_P$ = $U_{GS}$ są podobne do kształtów odpowiednich charakterystyk tranzystorów 7. JFET Występujące różnice dotyczą wartości napięć polaryzujących elektrody o uzyskiwanych parametrów pracy.