МОП-структура

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Типичная внутренняя структура МОП-транзистора

МОП-структу́ра — полупроводниковая структура, применяемая при производстве микросхем и дискретных полевых транзисторов. Полупроводниковые приборы на основе этой структуры называют МОП-транзисторами (аббревиатура от слов «металл-оксид-полупроводник», англ. metal-oxide-semiconductor field effect transistor, сокращенно «MOSFET»), МДП-транзисторами (от слов «металл-диэлектрик-полупроводник») или транзисторами с изолированным затвором (так как у таких транзисторов затвор отделён от канала тонким слоем диэлектрика)[1].

В отличие от биполярных транзисторов, которые управляются током, транзисторы с изолированным затвором управляются напряжением, так как затвор изолирован от стока и истока и такие транзисторы обладают очень высоким входным сопротивлением.

Классификация[править | править код]

По типу канала[править | править код]

Существуют МОП-транзисторы с собственным (или встроенным) (англ. depletion mode transistor) и индуцированным (или инверсным) каналом (англ. enhancement mode transistor). В приборах со встроенным каналом при нулевом напряжении затвор-исток канал транзистора открыт (то есть проводит ток между стоком и истоком); для запирания канала нужно приложить к затвору напряжение определённой полярности. Канал приборов с индуцированным каналом закрыт (не проводит ток) при нулевом напряжении затвор-исток; для открытия канала нужно приложить к затвору напряжение определённой полярности относительно истока.

В цифровой и силовой технике обычно применяются транзисторы только с индуцированным каналом. В аналоговой технике используются приборы обоих типов[1].

Тип проводимости[править | править код]

Полупроводниковый материал канала может быть легирован примесями для получения электропроводимости P- или N-типа. Подачей на затвор определённого потенциала можно менять состояние проводимости участка канала под затвором. Если при этом из канала вытесняются его основные носители заряда, при этом обогащая канал неосновными носителями, то это режим называют режимом обогащения. При этом проводимость канала растёт. При подаче противоположного по знаку потенциала на затвор относительно истока канал обедняется от неосновных носителей и уменьшается его проводимость (это называется режимом обеднения, который характерен только для транзисторов со встроенным каналом)[2].

Для n-канальных полевых транзисторов отпирающим является положительное (относительно истока) напряжение, приложенное к затвору и при этом превышающее пороговое напряжение открывания этого транзистора. Соответственно, для p-канальных полевых транзисторов отпирающим будет являться отрицательное относительно истока напряжение, приложенное к затвору и превышающее его пороговое напряжение.

Подавляющее большинство приборов по МОП-технологии выполняется так, что исток транзистора электрически соединён к полупроводниковой подложке структуры (чаще всего к самому кристаллу). При таком соединении образуется так называемый паразитный диод между истоком и стоком. Уменьшение вредного влияния этого диода сопряжено со значительными технологическими трудностями, поэтому это влияние научились преодолевать и даже использовать в некоторых схемотехнических решениях. Для n-канальных полевых транзисторов паразитный диод подключен анодом к истоку, а для p-канальных анодом — к стоку.

Специальные транзисторы[править | править код]

Существуют транзисторы с несколькими затворами. Они используются в цифровой технике для реализации логических элементов или в качестве ячеек памяти в EEPROM. В аналоговой схемотехнике многозатворные транзисторы — аналоги многосеточных электровакуумных ламп также получили некоторое распространение, например в схемах смесителей или устройств для регулировки усиления.

Некоторые мощные МОП-транзисторы, используемые в силовой технике в качестве электрических ключей, снабжаются дополнительным выводом от канала транзистора для контроля протекающего через него тока.

Условные графические обозначения[править | править код]

MOSFET Structure.png

Условные графические обозначения полупроводниковых приборов регламентируются ГОСТ 2.730-73[3].

Индуцированный
канал
Встроенный
канал
P-канал МОП-транзистор с индуцированным p-каналом.png МОП-транзистор с встроенным p-каналом.png
N-канал МОП-транзистор с индуцированным n-каналом.png МОП-транзистор с встроенным n-каналом.png
Условные обозначения: З — затвор (G — Gate), И — исток (S — Source), С — сток (D — Drain)

Особенности работы МОП-транзисторов[править | править код]

Схема включения транзистора
Выходная (стоковая) характеристика полевого транзистора с каналом n-типа

Полевые транзисторы управляются напряжением, приложенным к затвору транзистора относительно его истока, при этом:

При изменении этого напряжения () изменяется состояние транзистора и ток стока ().

  1. Для транзисторов с каналом n-типа при транзистор закрыт;
  2. При транзистор открывается и рабочая точка находится на нелинейном участке управляющей (стокзатворной) характеристики полевого транзистора:
     — удельная крутизна характеристики транзистора;
  3. При дальнейшем увеличении управляющего напряжения () рабочая точка переходит на линейный участок стокозатворной характеристики;
     — уравнение Ховстайна.

Особенности подключения[править | править код]

При подключении мощных МОП-транзисторов (особенно работающих на высоких частотах) используется стандартное схемное включение транзистора:

  1. RC-цепочка (снаббер), включённая параллельно истоку-стоку, для подавления высокочастотных колебаний и больших импульсов тока, возникающих при переключении транзистора из-за паразитных индуктивности и ёмкости подводящих шин. Высокочастотные колебания и импульсные токи увеличивают выделение тепла в транзисторе и могут вывести его из строя, если транзистор работает в предельно-допустимом тепловом режиме). Снаббер также уменьшает скорость нарастания напряжения на выводах сток-исток, чем защищает транзистор от самооткрывания через проходную емкость.
  2. Быстрый защитный диод, включённый параллельно истоку-стоку в обратном относительно источника питания включении, шунтирует импульсы тока, образующегося при запирании транзистора, работающего на индуктивную нагрузку.
  3. Если транзисторы работают в мостовой или полумостовой схеме на высокой частоте (например, в сварочных инверторах, индукционных нагревателях, импульсных источниках питания), то помимо защитного диода в цепь стока иногда встречно включается диод Шоттки для блокирования паразитного диода. Паразитный диод имеет большое время запирания, что может привести к сквозным токам и выходу транзисторов из строя.
  4. Резистор, включённый между истоком и затвором, для утечки заряда с затвора. Затвор сохраняет электрический заряд как конденсатор, и после снятия управляющего сигнала МОП-транзистор может не закрыться (или закрыться частично, что приведёт к повышению его сопротивления, нагреву и выходу из строя). Величина резистора подбирается таким образом, чтобы мало влиять на управление транзистора, но, в то же время, быстро сбрасывать электрический заряд с затвора.
  5. Защитные диоды (супрессоры), подключаемые параллельно транзистору и его затвору. При превышении напряжения питания на транзисторе (или при превышении управляющего сигнала на затворе транзистора) выше допустимого, например при импульсных помехах, супрессор ограничивает опасные выбросы напряжения и предохраняет затворный диэлектрик от пробоя.
  6. Резистор, включённый последовательно в цепь затвора, для уменьшения тока перезаряда затвора. Затвор мощного полевого транзистора имеет высокую ёмкость, и электрически эквивалентно представляет собой конденсатор ёмкостью в несколько десятков нанофарад, что вызывает значительным импульсные токи во время перезарядки затвора короткими фронтами напряжения управления (до единицы ампер). Большие импульсные токи могут повредить устройство управления затвором транзистора.
  7. Управление мощным МОП-транзистором, работающим в ключевом режиме на высоких частотах, осуществляют с помощью драйвера — специальной схемы или готовой микросхемы, усиливающей управляющий сигнал и обеспечивающей большой импульсный ток для быстрой перезарядки затвора транзистора. Это увеличивает скорость переключения транзистора. Ёмкость затвора мощного силового транзистора может достигать десятков нанофарад. Для быстрой её перезарядки требуется ток в единицы ампер.
  8. Также используются оптодрайверы — драйверы, совмещённые с оптопарами. Оптодрайверы обеспечивают гальваническую развязку силовой схемы от управляющей, защищая её в случае аварии, а также обеспечивают гальваническую развязку относительно земли при управлении верхними МОП-транзисторами в мостовых и полумостовых схемах. Совмещение драйвера с оптопарой в одном корпусе упрощает разработку и монтаж схемы, уменьшает габариты изделия, его стоимость и т. д.
  9. В сильноточных устройствах с большим уровнем помех и электрических ко входам микросхем, выполненных на МОП-структурах, подключают по паре диодов Шоттки, включённых в обратном направлении, т. н. диодную вилку (один диод — между входом и общей шиной, другой — между входом и шиной питания) для предотвращения явления так называемого «защёлкивания» МОП-структуры. Однако, в некоторых случаях, применение диодной вилки может привести к нежелательному эффекту «паразитного питания» (при отключении питающего напряжения диодная вилка может работать как выпрямитель и продолжать питать схему).

Примечания[править | править код]

  1. 1 2 Жеребцов И. П. Основы электроники. Изд. 5-е, — Л.: 1989. — С. 120—121.
  2. Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. — Таганрог, 2010. — С. 76.
  3. ГОСТ 2.730-73 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые.

Ссылки[править | править код]