MOSFET: definicija, delovanje in uporaba v sodobni elektroniki

MOSFET je kratica za kovinsko-oksidno-polprevodniški polprevodniški tranzistor. Tranzistorji so majhne električne naprave, ki se med drugim uporabljajo v budilkah, kalkulatorjih in morda najbolj znanih računalnikih; so eden od osnovnih gradnikov sodobne elektronike. Nekaj tranzistorjev MOSFET ojačuje ali obdeluje analogne signale. Večina se jih uporablja v digitalni elektroniki.

MOSFET-i delujejo kot ventili za elektriko. Imajo en vhodni priključek ("gate"), ki se uporablja za nadzor pretoka električne energije med dvema drugima priključkoma ("source" in "drain"). Drugače povedano, vrata delujejo kot stikalo, ki upravlja dva izhoda. Predstavljajte si stikalo za zatemnitev luči: gumb sam izbere "ON", "OFF" ali nekje vmes, s čimer nadzoruje svetlost svetlobe. Namesto stikala za luč si zamislite MOSFET: stikalo samo je "vrata", "vir" je energija, ki prihaja v hišo, "odvod" pa je žarnica.

Ime MOSFET opisuje strukturo in funkcijo tranzistorja. MOS se nanaša na dejstvo, da je MOSFET zgrajen tako, da se kovina ("vrata") nanese na oksid (izolator, ki preprečuje pretok električne energije) in polprevodnik ("izvor" in "odvod"). FET opisuje delovanje vrat na polprevodnik. Na vrata se pošlje električni signal, ki ustvari električno polje, ki spremeni povezavo med "source" in "drain".

Skoraj vsi MOSFET-i se uporabljajo v integriranih vezjih. Od leta 2008 je mogoče na eno integrirano vezje namestiti 2 000 000 000 000 tranzistorjev. Leta 1970 je bilo to število približno 2.000.

Kratka razlaga delovanja

Ko na vrata (gate) MOSFET-a pripeljemo napetost, se pod oksidnim slojem v polprevodniku ustvari električno polje. To polje privlači nosilce naboja (elektrone ali luknje), zaradi česar se pod vrati tvori vodna kanalna regija, ki poveže source in drain. Če je napetost vrat nad pragovno napetostjo (Vth), kanal prevaja tok; če je pod pragom, je kanal zaprt in tok je zelo majhen. Ta lastnost omogoča uporabo MOSFET-ov kot hitrih stikal in ojačevalnikov.

Vrste MOSFET-ov

• N-kanalni (n-channel): prevajajo z elektroni kot nosilci naboja; običajno imajo nižjo notranjo upornost in so hitrejši pri enaki velikosti.
• P-kanalni (p-channel): prevajajo z luknjami kot nosilci naboja; pogosto se uporabljajo skupaj z n-kanalnimi v komplementarnih strukturah (CMOS).
• Enhancement-mode (povečevalni način): običajno izklopljeni pri Vgs = 0 in se vklopijo z ustrezno napetostjo na vratih.
• Depletion-mode (izpraznilni način): redkejši; v nekaterih napravah so ti MOSFET-i vključenih že pri Vgs = 0 in jih je treba izklopiti z ustrezno napetostjo.

Ključne karakteristike

• Vgs(th) – pragovna napetost, pri kateri se začne oblikovati prevodni kanal.
• Rds(on) – upornost med drain in source, ko je MOSFET v polnem vodnem stanju; pomembna za izgube moči v močovnih MOSFET-ih.
• Kapacitance (gate capacitance) – vpliva na hitrost preklopa; večja kapaciteta pomeni potrebo po močnejšem gonilniku vrat.
• Maksimalna napetost in tok – določata, kako veliki napetostni in tokovni obremenitvi lahko naprava prenese.
• Izolacijski sloj (oxide) – zagotavlja zelo visoko vhodno upornost; hkrati pa je ta plast občutljiva na poškodbe (ESD).

Uporaba v sodobni elektroniki

MOSFET-i so izjemno vsestranski:

• Digitalna logika: CMOS tehnologija (kombinacija n- in p-kanalnih MOSFET-ov) je osnova za procesorje, pomnilnike in digitalna vezja zaradi nizke porabe in velike integracije.
• Moč in upravljanje: Močnejši MOSFET-i (power MOSFET) se uporabljajo v napajalnikih, motornih krmilnikih, pretvornikih in drugih napravah, kjer se upravlja velik tok.
• Analogni sistemi: kot ojačevalniki, stikala v RF-krogih ali linearni regulatorji (čeprav za nekatere analogne naloge uporabljajo tudi druge vrste tranzistorjev).
• Integrirana vezja: milijarde MOSFET-ov so zgoščene na enega čipa, kar omogoča delovanje modernih mikroprocesorjev in SoC-jev.

Prednosti in omejitve

• Prednosti: zelo visoka vhodna upornost, majhna velikost pri integraciji, visoka hitrost preklopa, dobra učinkovitost pri preklopnem delovanju.
• Omejitve: občutljivost na elektrostatni naboj (ESD), omejitve pri zelo visokih napetostih za standardne izvedbe, parazitske kapacitete, pri nekaterih aplikacijah vročiščne ali toplotne omejitve.

Izdelava in integracija

MOSFET-i se izdelujejo v procesu polprevodniške litografije na silicijevih rezinah. Z razvojem tehnologij so dimenzije tranzistorjev padle z mikrometrov na nanometre, kar omogoča vedno večjo integracijo (glej primer številk integracije v uvodu). Napredne tehnologije vključujejo okside visoke dielektrične konstante, večslojno litje in tridimenzionalne strukture (npr. FinFET) za nadaljnje izboljšanje lastnosti pri zelo majhnih razsežnostih.

Simboli in praktični nasveti

• Na shemah so MOSFET-i običajno označeni z ločenimi simboli za n- in p-kanalne različice; pri močnih napetostnih in močovnih aplikacijah preverite znamko, Rds(on) in maks. tok.
• Pri načrtovanju gonilnikov upoštevajte kapaciteto vrat in potrebni tok za hitro preklapljanje, da zmanjšate prehode v linearno območje in s tem izgube moči.
• Upoštevajte zaščito pred ESD in ustrezno ozemljitev pri rokovanju z MOSFET-i, zlasti z nizkimi pragovnimi napravami.

MOSFET-i so torej temelj sodobne elektronike – od najpreprostejših stikal do najzmogljivejših procesorjev in napajalnikov. Razumevanje njihovih osnovnih značilnosti in omejitev je ključno za uspešen dizajn elektronskih naprav.

Teorija

Na polprevodniku lahko MOSFET-je izdelate na več različnih načinov. Najenostavnejši način je prikazan na diagramu na desni strani tega besedila. Modri del predstavlja silicij tipa P, rdeči del pa silicij tipa N. Presečišče obeh tipov tvori diodo. V silicijevem polprevodniku obstaja posebnost, ki se imenuje "območje izčrpavanja". V dopiranem siliciju, kjer je en del dopiran s tipom N in en del s tipom P, se na presečišču med obema tipoma naravno ustvari območje izčrpavanja. Razlog za to so njuni akceptorji in donorji. Silicij tipa P ima akceptorje, znane tudi kot luknje, ki k sebi privlačijo elektrone. Silicij tipa N ima donorje ali elektrone, ki privlačijo luknje. Na meji med njima elektroni iz tipa N zapolnijo luknje v tipu P. Zaradi tega postanejo akceptorji ali atomi tipa P negativno nabiti, in ker negativni naboji privlačijo pozitivne, se akceptorji ali luknje stekajo proti "stičišču". Na strani tipa N je pozitivni naboj, zato se donorji ali elektroni stekajo proti "stičišču". Ko pridejo tja, jih bo negativni naboj na drugi strani stičišča odbijal, saj se podobni naboji odbijajo. Enako se bo zgodilo na strani tipa P. Donorje ali luknje bo odbijalo pozitivno območje na strani tipa N. Med njima ne more teči elektrika, saj se elektroni ne morejo premakniti na drugo stran.

MOSFET-i to izkoristijo v svojo korist. Telo" MOSFET-a se napaja negativno, kar razširi območje izčrpavanja, saj se luknje napolnijo z novimi elektroni, zato je nasprotna sila na elektrone na strani N veliko večja. Izvor" MOSFET-a se napaja negativno, kar v celoti skrči območje izčrpavanja v vrsti N, saj je dovolj elektronov za zapolnitev pozitivnega območja izčrpavanja. Drain" je napajan pozitivno. Ko se "Gate" napaja s pozitivno močjo, bo ustvaril majhno elektromagnetno polje, ki bo odstranilo območje izčrpavanja neposredno pod vrati, saj bo nastalo "pršenje" lukenj, kar bo ustvarilo nekaj, kar se imenuje "N-Channel". Kanal N je začasno območje na območju silicija tipa P, kjer ni izčrpavajočega območja. Pozitivno električno polje bo nevtraliziralo vse proste elektrone, ki sestavljajo deplecijsko območje. Elektroni v območju vira bodo tako imeli prosto pot, da se premaknejo na "Drain", kar bo omogočilo pretok električne energije od vira do drena.

Shema preprostega MOSFET-a

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je MOSFET?

V: Za kaj se uporabljajo tranzistorji?

V: Kako deluje tranzistor MOSFET?

V: Na kaj se nanaša ime "MOSFET"?

V: Kje se uporabljajo skoraj vsi MOSFET-i?

V: Koliko tranzistorjev je danes mogoče namestiti na integrirano vezje v primerjavi z letom 1970?

Išči po črki