стр. 1 от …

MOS транзистори

Полупроводниковиелементи

стр. 2 от …

Какво означава MOSFET?

MOSFET е съкращение от Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor(метал – окис – полупроводник транзистор с полеви ефект). Той представлява електронна версия на ключ.

Предимства: високо входно съпротивление, ниска консумация на мощност, по-добра температурна стабилност, слаба чувствителност към радиация.

стр. 3 от …

MOS транзисторите се използват в силовата електроника, аудио техниката, медицинската електроника. Те са основни компоненти на съвременните интегрални схеми, които намират приложение в безжичките комуникации,компютърна, автомобилна, авиационна/космическа индустрии, домакински уреди и др.

Приложения

стр. 4 от …

Цели и предпоставки

Познавате

Разбирате

Анализирате

Предпоставки: свойства на полупроводниците, диод

Разглеждат се структурата, принципът на действие, характеристиките и параметрите на полеви транзистори с изолиран управляващ електрод.

След изучаване на материала вие би трябвало да:

Видовете MOS транзистори и тяхната структураРежимите на работа, характеристиките и параметрите

Принципът на действие на MOS транзистораПроцесите, протичащи в областите на транзистораКак се защитава структурата от пробив в тънкия окис

Режимите на работа на МОS транзистора и токовете,протичащи през него

Токовете и напреженията в схеми с MOS транзистори

стр. 5 от …

MOS структура

MOS структурата се състои от метал, разположен върху окис, който е създаден върху пластина от полупроводник (силиций).

MOSFET се среща и като IGFET (Insulated-Gate FET) – транзистор с изолиран управляващ електрод, поради факта, че гейтът е изолиран от подложката посредством SiO2 (изолатор).

стр. 6 от …

Конструкция на MOS транзистор

MOS транзисторът има четири области – сорс (source – S), гейт (gate – G), дрейн (drain – D) и подложка (body - B). Гейтът е изолиран от подложката стънък окис( SiO2 или Si3Ni4) с дебелина tox. Повърхността на транзистора е покрита с дебел SiO2.

Между сорса и дрейна се формира канал с дължина L и широчина W. За n-канален транзистор областите на сорса и дрейна са с n+-тип проводимост ( с висока концентрация на примесите), докато подложката е от р-тип.

Метален електродДебел SiO2

UGS UDS

Канал

Подложка

UBS

Тънък SiO2

стр. 7 от …

Изводи на MOS транзистора

MOS транзисторът има четири извода – сорс (source – S), гейт (gate – G), дрейн (drain – D) и подложка (body - B).

Големината на тока между сорса и дрейна зависи от напреженията, които са приложени на тези изводи. MOS транзисторът се управлява по напрежение.

стр. 8 от …

Типове MOS транзистори

MOSFET с индуциран каналMOSFET с вграден канал

Според начина на създаване на канала се различават два типа MOSтранзистори.

При транзисторите с вграден канал проводимият канал под гейта се формира по технологичен начин.

В MOS транзисторите с индуциран канал, проводящ канал се създава при прилагане на напрежение с определена полярност между гейта и подложката.

стр. 9 от …

MOS транзистор с N- и P-канал

MOSFET с индуциран каналMOSFET с вграден канал

Според проводимостта на канала двата типа MOS транзистори се срещат с n-канал или с p-канал.

MOS транзисторът е униполярен елемент. Действието му се определя само от един тип токоносители (основни) – електрони или дупки, но никога от двата едновременно.

стр. 10 от …

Условни графични означения

MOSFET с индуциран канал MOSFET с вграден канал

N-канал P-канал N-канал

Символите за MOS транзистори с индуциран канал имат прекъсната линия между сорса и дрейна (липсва технологично създаден канал), докато за транзисторите с вграден канал линията е непрекъсната.

Прекъсната линия Непрекъсната линия

стр. 11 от …

Условни графични означения

MOSFET с индуциран канал MOSFET с вграден канал

N-канал P-канал N-канал

За n-каналните транзистори стрелката към p- подложката сочи навътре, докато за p-каналните MOSFET стрелката е навън.

стр. 12 от …

Символи за дискретни MOSFET

MOSFET с индуциран канал MOSFET с вграден канал

N-канал P-каналN-канал P-канал

В някои приложения (в интегралните схеми) на подложката се подава напрежение, с което допълнително се контролира токът през канала.

В повечето приложения (за дискретни елементи) подложката се свързва към сорса и транзисторът фактически става с три извода.

стр. 13 от …

Принцип на действиеТънък SiO2

Р-подложка

n+n+

Дебел SiO2GS D

UGS = 0 + UDS

MOS транзистор с N-индуциран канал

Принипът на действие на MOS транзисторите се основава на полевия ефект – възможност за промяна на проводимостта на канала между сорса и дрейна чрез напрежение, приложено между гейт и подложка UGB = UGS.

Когато на гейта не е подадено напрежение (UGS = 0), във веригата дрейн-сорс не протича ток, защото тя е прекъсната поради липса на проводящ канал.

https://www.youtube.com/watch?v=stM8dgcY1CA

B

стр. 14 от …

Формиране на обеднен слойТънък SiO2

Р-подложка

n+n+

Дебел SiO2GS D

+UGS < UT + UDS

MOS транзистор с N-индуциран канал

Обеднен слой

При подаване на положително напрежение на гейта (UGS>0) дупките от подложката се отблъскват във вътрешността й. На повърхността се образува обеднен слой, който съдържа предимно некомпенсираните заряди на отрицателните акцепторни йони. Ток не тече.

стр. 15 от …

Прагово напрежениеТънък SiO2

Р-подложка

n+n+

Дебел SiO2GS D

+UGS ≥ UT + UDS

MOS транзистор с N-индуциран канал

Обеднен слойПровеждащ N канал

L

При увеличаване на положителното напрежение UGS към повърхността се привличат електрони, които създават слой с инверсна проводимост.

Напрежението UGS, при което се създава инверсен слой в подложката и протича минимален дрейнов ток се нарича прагово напрежение UT. Ако UGS>UT каналът се обогатява с токоносители и токът ID нараства.

стр. 16 от …

Изходни VA характеристики

На фиг. е показано семейството изходни статични характеристики ID = f(UDS) при UGS = const за MOS транзистор с N- индуциран канал.

В тях се различават две области –линейна (омична, триодна) и област на насищане (пентодна).

Парабола на насищане

MOS транзисторите с индуциран канал работят само в режим на обогатяване.

UDsat = UGS – UT

ID = f (UDS), UGS = const

UDS,V

UGS = 1V

UGS = 2V

UGS = 3V

UGS = 4V

Запушване

НасищанеЛинеен

,mA

стр. 17 от …

Линейна област

Парабола на насищане

UDsat = UGS – UT

ID = f (UDS), UGS = const

UGS = 1V

UGS = 2V

UGS = 3V

UGS = 4V

Запушване

НасищанеЛинеен

В линейната област с увеличаване напрежението на дрейна UDS токътID нараства линейно.

При по-голямо увеличение на UDS, съответно нараства и ID . Протичането на тока в канала предизвиква вътрешен пад на напрежението върху омичното съпротивление на канала, което довежда до отклонение от линейната зависимост между дрейновите ток и напрежение.

,mA

UDS,V

стр. 18 от …

Вътрешен пад в каналаТънък SiO2

Р-подложка

n+n+

Дебел SiO2GS D

+UGS ≥ UT

MOS транзистор с N-индуциран канал

Обеднен слойПровеждащ N канал

L

+ UDS< UDsat

Омичното съпротивление на канала нараства с увеличаване на дължината на канала от S към D, като нараства и падът върху него.

Напрежението, което индуцира канала, е разлика между постоянното UGS и вътрешния пад в канала и съответно намалява от S към D. Това довежда до изменение на сечението на канала. L

R channel

стр. 19 от …

Напрежение на насищане UDsatТънък SiO2

Р-подложка

n+n+

Дебел SiO2GS D

+UGS ≥ UT

Обеднен слойПровеждащ N канал

L

+ UDS=UDsat

UDsat = UGS UT

При достигане на напрежението на насищане UDsat каналът в областта до дрейна се “прищипва”, защото индуциращото го напрежение в тази точка става равно на праговото.

По-нататъшното увеличаване на UDS води до насищане на тока ID. Това е областта на насищане (пентодна).

стр. 20 от …

Режим на насищанеТънък SiO2

Р-подложка

n+n+

Дебел SiO2GS D

+UGS ≥ UT

Обеднен слой

+ UDS> UDsat

UDsat = UGS UT

ΔLUDsat

Ако UDS > UDsat каналът се скъсява, като напрежението върху него оставапостоявнно и равно на UDsat, което определя постоянния ток IDsat.

Разликата ΔUD = UDS – UDsat пада върху обеднената област с дължина ΔL. Протичането на ток се дължи на екстракцията на електроните от канала и дрейфовото им движение през обеднената област до дрейна.

стр. 21 от …

Уравнения на дрейновия ток

20

20

,

]2

1)[(

V

mA

L

WCk

UUUUL

WCI

eff

DSDSTGSeff

D

Специфична стръмност

Линеен режим UDS < UDsat UDsat = UGS – UT

Режим на насищане UDS ≥ UDsat

]2

1)[( 2DSDSTGSD UUUUkI

2)(2 TGSD

UUk

I 22

1DsatD kUI

. Специфичен капацитет на окисa

Ефективна подвижност Отчита отклонението от линейната зависимост

стр. 22 от …

ПримериОпределяне на режима на работа на транзистора, ID и UDS

Алгоритъм за решаване

1. Определя се дали транзисторът е запушен или отпушен

а) Ако UGS < UT, транзисторът е запушен.

Тогава ID = 0, UDS = EDD – ID.RD = EDD

б) Ако UGS ≥ UT, транзисторът е отпушен. Тогава:

2. Определя се режимът на работа. Изчислява се UDsat = UGS – UT

a) Ако UDS < UDsat транзисторът работи в линеен режим. Тогава:

б) Ако UDS ≥ UDsat транзисторът работи в насищане. Тогава:

UDS = EDD – ID.RD

]2

1)[( 2DSDSTGSD UUUUkI UDS = EDD – ID.RD

2)(2 TGSD

UUk

I

стр. 23 от …

Примери

Режим на работа?

ID = ? UDS = ?

Транзисторът е запушен

= 5 – 1 = 4V

Режим на насищане

Режим на работа?

ID = 0, UDS = EDD – ID.RD = EDD

1 2

.

( )

. .

( )=0,25

UDS = ? k = ?

EDD EDD

2)(2 TGSD

UUk

I

стр. 24 от …

Примери

Режим на работа? ID = ? k = ?

= 5 – 3 = 2V

= 5 – 3 = 2V

UGS = 5V

EDD

3

Режим на насищане

.

( )

. .

( )= 1

4

ID = ? k = ?

Режим на насищане

Режим на работа?

UDsat = UGS – UT = 5 – 2 = 3V

UDS > UDsat

.= 2.10-3 А = 2 mA

EDD

.= 3 mA

.

( )

. .

( )

А

UGS

2)(2 TGSD

UUk

I

стр. 25 от …

Режим на работа? ID = ?, UDS = ?

ID = ? UDS = ?

UGS = 2.5V < UT

Запушен транзистор

ID = 0

UDS = EDD – ID.RD

UDS = 20 – 0 = 20V

k = 1mA/V2, UGS = 5V

Примери

Режим на работа?

UDsat = UGS – UT = 5 - 3 = 2V

Режим на насищанеUDS > UDsat

5

Приемаме, че режимът е насищане

.= 2.10-3A = 2 mA

UDS = EDD – ID.RD = 15 – 2.10-3.3.103 = 9V

6

EDD

UGS

EDD

𝑈 =5.100. 10

(100. 10 + 100. 10 )= 2.5𝑉

стр. 26 от …

Режим на работа?, UТ = ?

Примери

UDsat = UGS – UT = (5 – x)

9 > (5 – х) Режим на насищанеUDS > UDsat

𝐼 =𝑘

2(𝑈 − 𝑈 )

EDD = UDS + ID.RD

Да се определи режимът на работа и праговото напрежение UТ на MOS транзистора от фигурата, ако UDS = 9V и k = 1mA/V2

Закон на Кирхофф за изходната верига

.= 2.10-3 А = 2 mA

EDD

UGS = 5V

2. 10 =1. 10

2(5 − 𝑈𝑇) 2. 2 = (5 − 𝑈𝑇)

22 = (5 − 𝑈𝑇) След коренуване 2 = 5 – UТ UT = 3V

7

стр. 27 от …

Примери

8

k = 0,25 mA/V2 , UT = 2V

Режим на работа? ID = ?, UDS = ?

Под гейта има изолатор и в гейтовата верига не тече ток ( IG = 0). Затова:

UGS = UGG = 4V UGS > UT – транзисторът е отпушен

UDsat = UGS – UT = 4 – 2 = 2V Приемаме, че режимът е насищане

, .= 0,5.10-3A = 0,5 mA

UDD = UDS + ID.RD Закон на Кирхофф за изходната верига

UDS = UDD – ID.RD = 6 – 0,5.10-3.5.103 = 3,5V Режим на насищанеUDS > UDsat

5kΩ

4V

6V1MΩ

стр. 28 от …

ПримериРежим на работа?

ID = ?, UDS = ?9

k = 0,25 mA/V2, UT = 2VUGG

UDD

𝑈 =𝑈 𝑅

(𝑅 + 𝑅 )=

8.100. 10

(100. 10 + 100. 10 )= 4𝑉 UGS > UT – транзисторът е отпушен

UDsat = UGS – UT = 4 – 2 = 2V Приемаме, че режимът е насищане

, .= 0,5.10-3A = 0,5 mA

UDD = UDS + ID.RD Закон на Кирхофф за изходната верига

UDS = UDD – ID.RD = 6 – 0,5.10-3.5.103 = 3,5V Режим на насищанеUDS > UDsat

8V

6V

5kΩ

100kΩ

100kΩ

стр. 29 от …

UGG = 10V, UDD= 7V, RD= 5Ω, RG=1MΩ. UT = 2 V

ID [A] 0.95

UDS [V] 2.4

Режим на работа

Линеен

Обосновка за режима:

От характеристиката: UDS = 2.4V

UDsat = UGS – UT = 10 – 2 = 8V

UDS < UDsat Транзисторът работи в линеен режим

Построява се товарна права с отрези UDD = 7V и UDD/RD = 7V/5Ω = 1.4A. Определя се рабoтната точка и от характеристиката се отчитат ID и UDS.за UGS = 10V.

NMOS

Изчисления от VA характеристика

ID = ?, UDS = ?

стр. 30 от …

UGG = –6V UDD= –8V, RD=400mΩ, RG=1MΩ. UТ = – 4V

Id [A] 10.5

Uds [V] –3.8

Режим на работа

Насищане

Обосновка за режима:

От характеристиката: UDS = –3.8V

UDsat = UGS – UT = –6 – (– 4) = –2V

|UDS| > |UDsat| Транзисторът работи в насищане

Построява се товарна права с отрези UDD = –8V и UDD/RD = – 8V/0.400Ω = –20 A. Определя се раб. Точка за UGS = – 6V.

PMOS

Изчисления от VA характеристика

ID = ?, UDS = ?

стр. 31 от …

Предавателна характеристика

ID = f (UGS), UDS = const

Стръмност на предавателната характеристика gm , (S)

constUU

I

dU

dISg DS

GS

D

GS

Dm

,

DSm kUg

)( TGSm UUkg

за линеен режим

за насищане

MOS транзистор с N индуциран канал

ΔID

ΔUGS

Линеен

Насищане

Запушване UGS,V

UT

,mA

стр. 32 от …

NMOSPMOS

Предавателни характеристики

UT

UGS, V

ID, mA 5V15V 10V

UDS=const

UT

UGS, V

ID, mA-5V -10V -15V

UGS = const

UDS=const

Ако предположим, че UGS=const (т.е. каналът е един и същ), то с увеличаване на UDS, токът ID ще нараства (повече токоносители за единица време в единица сечение) и следователно характеристиките за по-голямо UDS ще се изместват, както е показано.

стр. 33 от …

Влияние на температуратаID = f (UGS)

При повишаване на температурата се:

UGS,V

UT1MOS транзистор с N индуциран канал

ID, mA

UT2

T1

T2

Намалява праговото напрежение UT, което предизвиква увеличаване на ID

Намалява подвижността на токо-носителите n, което предизвиква намаляване на тока ID.

В резултат MOS транзисторите имат термостабилна точка.

При MOS транзисторите с повишаване на температурата има област от характеристиката, където токът намалява. Поради това при мощните MOSтранзистори не възникват проблеми, характерни за мощните биполярни.

стр. 34 от …

MOS транзистор с вграден канал

MOS транзисторът с вграден канал е отпушен при UGS = 0 V защото каналът е създаден при производството му.

Количеството на токоносители в канала (проводимостта му) зависи от поляритета на приложеното напрежение на гейта.

MOS транзистор с N вграден канал

ОбогатяванеОбедняване

стр. 35 от …

Принцип на действиеMOS транзистор с N вграден канал

ОбогатяванеОбедняване

При положително напрежение UGS > 0 се привличат електрони, каналът се обогатява с токоносители и проводимостта му, респективно токът расте.

Ако напрежението е отрицателно UGS < 0 електроните се отблъскват от повърхността, каналът обеднява на токоносители и токът намалява.

стр. 36 от …

Прагово напрежениеMOS транзистор с N вграден канал

Обедняване

MOS транзисторът с вграден канал е отпушен при UGS = 0 V защото каналът е създаден при производството му.

Праговото напрежение UT е това напрежение UGS, приложено между гейта и сорса, при което каналът изчезва и транзисторът се запушва.

Обогатяване

стр. 37 от …

VA характеристики

При UGS = 0 V протича ток. При UGS > 0 транзисторът работи в режим на обогатяване и токът ID расте с нарастване на UGS .

При UGS < 0 транзисторът работи в режим на обедняване и ID намалява.

При определена стойност на напрежението UGS, наречено прагово напрежение или напрежение на запушване, каналът изчезва и транзисторът се запушва.

MOS транзистор с N вграден канал

Режим на обогатяване

Режим на обедняване

+1V

- 1V

-2V

UGS = 0 V

UGS = -1 V

UGS = -2 V

UGS < UT

UGS = +1 V

UDS,V

НасищанеЛинеен

Линеен

Насищане

ЗапушванеЗапушванеUTUGS,V

,mA

стр. 38 от …

PMOS вграден канал NMOS вграден канал

Предавателни характеристики

UGS, V

ID, mA 5V15V 10V

UDS=const

0UT

- UGS, V

ID, mA-5V -15V-10V

UDS=const

0 UT

стр. 39 от …

Пример

Област на работа?

UDS = ?

При UGS = 0 от предавателната характеристика се отчита ID = 10 mA

= 0 – (– 5) = 5V

Транзисторът е NMOS с вграден канал

Транзисторът работи в насищане

EDD

UGS = 0. Под гейта има SiO2(изолатор), в гейта не тече ток и няма пад върху RG.

UGS

стр. 40 от …

Пробив в окиса

Ако стойносттна на напрегнатостта на полето, създадено от UGS стане прекалено голяма, тогава настъпва пробив в изолатора под гейта. Този пробив е разрушителен и транзисторът престава да функционира.

Пробив в окиса настъпва, когато транзисторът не е свързан в схема. Поради много високото входно съпротивление, статичните заряди, натрупани върху гейта, могат да предизвикат напрегнатост на полето, достатъчна, за да настъпи пробив в тънкия окис.

стр. 41 от …

Защита на MOS транзисторПробив в окиса настъпва, когато транзисторът не е свързан в схема. Поради много високото входно съпротивление, статичните заряди, натрупани върху гейта, могат да предизвикат напрегнатост на полето, достатъчна, за да настъпи пробив в тънкия окис.

За да се предпазят транзисторите от натрупване на статични заряди, те се съхраняват, обвити във фолио като изводите им се свързват накъсо. Това свързване не трябва да се премахва до включване на MOS транзистора в схемата.

При работа с MOS транзистори се заземява не само поялникът, но и човекът, работещ с транзисторите.

стр. 42 от …

Защита на MOS транзистор

Някои транзистори имат фабрична защита с Ценеров диод, чието пробивно напрежение е по-малко от напрежението на пробив на окиса. Диодът сработва само, ако се превиши пробивното напрежение, защитавайки транзистора.

стр. 43 от …

Основни параметри

Прагово напрежение UT -- определя се от конструктивно-технологични параметри на структурата.

Стръмност на предавателната характеристика gm (S) – характерен параметър, който изразява усилвателните свойства на MOS транзистора.

Динамично изходно съпротивление – определя се от изходните характеристики.

Входен ток (10-13 – 10-8 А) – дължи се на утечки през диелектрика и по повърхността.

Входно съпротивление по постоянен ток – (109 – 1016 Ω)

Капацитети CGB , CGS, CGD, CDB, CSB и капацитети на припокриване CRS, CRD

стр. 44 от …

Еквивалентна схема

S D

G

B

RS RD

RSB RGB RDB

DSB DDBCSB CDB

CRS CGS CGB CGD CRD

CRS, CRD - капацитети на припокриване

CGS, CGD - разпределен капацитет гейт-канал

CGB - капацитет гейт-подложка

ID

стр. 45 от …

CMOS структура

CMOS (Complementary MOS) структурата се състои от два MOS транзистора –един с N-канал и един с P- канал, в обща подложка. Гейтовете и дрейновете на двата транзистора са свързани заедно, формирайки съответно вход и изход.

N-каналният транзистор е разположен в Р-джоб, който играе роля на подложка за този транзитор.

стр. 46 от …

CMOS ключ

CMOS е съвременна технология за производство на интегралните схеми. Основно нейно предимство е ниската консумация (нано ватове). Това я прави популярна в космическата електроника, микропроцесорите, памети, устройства, работещи с батерийно захранване като калкулатори, цифрови фотоапарати, камери, мобилни телефони и др.