МОП-транзистор

МОП-структура — полупроводниковая структура, применяемая при производстве микросхем и дискретных полевых транзисторов. Полупроводниковые приборы на основе этой структуры называют МОП-транзисторами (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).

В отличие от биполярных транзисторов, которые управляются током, транзисторы с изолированным затвором управляются напряжением, так как, по причине изолированного управляющего электрода (затвора) такие транзисторы обладают очень высоким входным сопротивлением.

Базовая классификация

Тип канала

Встречаются МОП-транзисторы с собственным (или встроенным) (англ. depletion mode transistor) и индуцированным (или инверсным) каналом (англ. enhancement mode transistor). Встроенный канал означает, что при нулевом напряжении затвор-исток канал транзистора открыт (т.е. проводит ток); для закрытия канала нужно приложить к затвору напряжение определенной полярности. Канал приборов с индуцированным каналом закрыт (не проводит ток) при нулевом напряжении затвор-исток; для открытия канала нужно приложить к затвору напряжение определенной полярности.

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

Тип проводимости

Полупроводник канала может быть легирован примесями для получения электропроводности P или N типа. Подачей на затвор определенного потенциала можно менять тип проводимости участка канала под затвором. Если вытеснять из канала его основные носители заряда, обогащая канал неосновными носителями, то это т. н. режим обогащения. При этом проводимость канала растет. Подачей противоположного по знаку потенциала на затвор можно обеднить канал неосновными носителями и уменьшить его проводимость (этот режим называется обеднением и характерен только для транзисторов со встроенным каналом)..

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

Подавляющее большинство приборов по МОП технологии выполняется так что исток транзистора подключен к полупроводниковой «подложке» структуры (чаще всего это означает — к телу кристалла). При этом образуется так называемый паразитный диод между истоком и стоком. Избавление от этого диода сопряжено со значительными технологическими трудностями, поэтому с ним научились мириться и даже использовать в схемотехнических решениях. Для n-канальных полевых транзисторов паразитный диод подключен анодом к истоку, а для p-канальных анодом - к стоку.

Особые случаи

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 также получили некоторое распространение, например в схемах смесителей или регулировки усиления.

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

Условные графические обозначения

Условные графические обозначения полупроводниковых приборов регламентируются ГОСТ 2.730-73.

	Индуцированный канал	Встроенный канал
P-канал
N-канал
Условные обозначения: З — затвор (G — Gate), И — исток (S — Source), С — сток (D — Drain)

Особенности работы МОП транзисторов

Рис. 2 Схема включения транзистора

Файл:ВАХМОП.JPG

Рис. 3 Выходная (стоковая) характеристика полевого транзистора с каналом n-типа

Полевые транзисторы управляются напряжением, приложенным к затвору транзистора относительно его истока.

$I_{c}=I_{u}$

$I_{3}\to 0$

При изменении этого напряжения ($U_{3u}$) изменяется состояние транзистора и ток стока ($I_{c}$).

1. Для транзисторов с каналом n-типа при $U_{3u}<U_{nop}\,,I_{c}=0$ транзистор закрыт;
2. При $U_{3u}>U_{nop}$ транзистор открывается и рабочая точка находится на нелинейном участке управляющей (стокозатворной) характеристики полевого транзистора

   $I_{c}=K_{n}[(U_{3u}-U_{nop})U_{cu}-{\frac {U_{cu}^{2}}{2}}]$

   $K_{n}$ — удельная крутизна характеристики транзистора;

3. При дальнейшем увеличение управляющего напряжения ($U_{3u}$) рабочая точка переходит на линейный участок стокозатворной характеристики

   $I_{c}={\frac {K_{n}}{2}}[U_{3u}-U_{nop}]^{2}$ — Уравнение Ховстайна.

Особенности подключения

При подключении мощных MOSFET-транзисторов (особенно работающих на высоких частотах на пределе своих возможностей) используется стандартная обвязка транзистора:

1. RC-цепочка (снаббер), включённая параллельно истоку-стоку, для подавления высокочастотных колебаний и мощных импульсов тока, возникающих при переключении транзистора из-за индуктивности подводящих шин. Высокочастотные колебания и импульсные токи увеличивают нагрев транзистора и могут вывести его из строя (если транзистор работает на пределе своих тепловых возможностей). Снаббер также защищает от самооткрывания транзистора при превышении скорости нарастания напряжения на выводах Сток-Исток (Drain-Source).
2. Быстрый защитный диод, включённый параллельно истоку-стоку (обратное включение), для шунтирования импульса тока, образующегося при отключении индуктивной нагрузки.
3. Если транзисторы работают в мостовой или полумостовой схеме на высокой частоте (сварочные инверторы, индукционные нагреватели, импульсные источники питания), то помимо защитного диода в цепь стока 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 сброса заряда с затвора. Затвор удерживает электрический заряд как конденсатор, и после снятия управляющего сигнала MOSFET-транзистор может не закрыться (или закрыться частично, что приведёт к повышению его сопротивления, нагреву и выходу из строя). Величина резистора подбирается таким образом, чтобы не мешать управлению транзистором, но в то же время как можно быстрее сбрасывать электрический заряд с затвора.
5. Защитные диоды (супрессоры) 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 срезает опасные выбросы и спасает транзистор.
6. Резистор, включённый в цепь затвора, для уменьшения тока заряда затвора. Затвор мощного полевого транзистора обладает достаточно высокой ёмкостью, представляет из себя фактически конденсатор ёмкостью несколько десятков нФ, что приводит к значительным импульсным токам в момент зарядки затвора (единицы ампер). Большие импульсные токи могут повредить схему управления затвором транзистора.
7. Управление мощным MOSFET-транзистором, работающем 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 зарядки затвора транзистора. Это увеличивает скорость работы транзистора. Ёмкость затвора мощного силового транзистора может достигать тысяч пикофарад, для быстрой её зарядки 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 земли при управлении верхними мосфет-транзисторами в мостовых схемах. Совмещение драйвера с оптопарой в одном корпусе упрощает разработку и монтаж схемы, уменьшает габариты изделия, его стоимость и т. д.
9. В сильно зашумлённых или находящихся под большим током цепях к выходу микросхем, основанных на MOSFET-структурах, подключают два обратно включённых диода Шоттки, т. н. диодную вилку (один диод — с общего провода на вход, другой — со входа на шину питания) для предотвращения явления «защёлкивания» МОП-структуры.

Ссылки

• Принципы работы мощных MOSFET- и IGBT-транзисторов.
• Терещук Д. С. Логическое моделирование СБИС на переключательном уровне.
• Егоров А. Применение MOSFET-транзисторов NXP Semiconductors в электронике.