MOSFET – fém-oxid-félvezető terepi tranzisztor: működés és alkalmazás
MOSFET (fém-oxid-félvezető FET): részletes ismertető a működésről, felépítésről és gyakorlati alkalmazásokról az analóg és digitális elektronika tervezéséhez.
MOSFET a fém-oxid-félvezető terepi hatású tranzisztor rövidítése. A tranzisztorok kis elektromos eszközök, amelyeket többek között ébresztőórákban, számológépekben és - talán a leghíresebb - számítógépekben használnak; ezek a modern elektronika legalapvetőbb építőkövei. Néhány MOSFET erősíti vagy feldolgozza az analóg jeleket. A legtöbbet a digitális elektronikában használják.
A MOSFET-ek úgy működnek, mint az elektromos áram szelepei. Van egy bemeneti csatlakozásuk (a "kapu"), amely az áram áramlásának szabályozására szolgál két másik csatlakozás (a "forrás" és a "lefolyó") között. Másképpen fogalmazva, a kapu kapcsolóként működik, amely a két kimenetet vezérli. Gondoljon egy dimmelhető villanykapcsolóra: a gomb maga választja ki a "BE", "KI" vagy a kettő közötti értéket, és szabályozza a fényerősséget. Gondoljon egy MOSFET-re a villanykapcsoló helyett: maga a kapcsoló a "kapu", a "forrás" a házba érkező áram, a "lefolyó" pedig a villanykörte.
A MOSFET elnevezés a tranzisztor felépítését és működését írja le. A MOS arra utal, hogy a MOSFET úgy épül fel, hogy fémet (a "kapu") rétegeznek oxidra (az elektromosság áramlását megakadályozó szigetelő) és félvezetőre (a "source" és a "drain"). A FET a kapu félvezetőre gyakorolt hatását írja le. A kapuhoz elektromos jelet küldenek, amely elektromos mezőt hoz létre, amely megváltoztatja a "forrás" és a "lefolyó" közötti kapcsolatot.
Majdnem minden MOSFET-et integrált áramkörökben használnak. 2008 óta egyetlen integrált áramkörben 2 000 000 000 000 tranzisztort lehet elhelyezni. Ez a szám 1970-ben körülbelül 2 000 volt.
Felépítés és alapvető működés
A MOSFET alapvető részei: a kapu (gate), az oxidréteg (gate oxide), a félvezető alapon lévő csatorna, valamint a forrás (source) és lefolyó (drain) csatlakozások. A kapu fém vagy vezető réteg, amely az oxidon keresztül elektromos térrel hat a félvezetőre. Ha a kapu feszültsége elég nagy, a félvezető felületén kialakul egy vezető csatorna (inverziós réteg), mely összeköti a forrást és a lefolyót, így áram folyhat.
A csatorna kialakulásának küszöbfeszültsége a Vth (threshold voltage). Amikor a kapufeszültség ennél kisebb, a MOSFET zártnak (kikapcsolt) tekinthető; amikor a kapufeszültség meghaladja a Vth-t, a csatorna megjelenik és az eszköz vezet.
Típusok és működési tartományok
A MOSFET-ek két fő típusa a n-csatornás (NMOS) és a p-csatornás (PMOS). NMOS esetén pozitív kapufeszültség hozza létre a csatornát; PMOS esetén negatív kapufeszültség kell. A legtöbb modern logikai áramkörben mindkét típust együtt használják: ez a CMOS (komplementer MOS) technológia, amely alacsony statikus fogyasztásáról híres.
A működési tartományokat gyakran három részre bontják:
Gyorsváltás és teljesítmény
A MOSFET-eket nagyon gyakran kapcsolóként használják nagy sebességgel kapcsolódó digitális áramkörökben és teljesítmény‑elektronikában. A gyors kapcsoláshoz fontos paraméterek:
A teljesítmény‑MOSFETek gyakran vertikális felépítésűek, ami alacsony Rds(on)-t és jó hőelvezetést tesz lehetővé. Ezeket használják tápegységekben, motorvezérlőkben és kapcsolóüzemű tápegységekben.
Analóg alkalmazás: erősítés
Bár a MOSFET-ek tömegét a digitális áramkörökben találjuk, analóg erősítőként is működhetnek. Egy közös-forrás (common-source) kapcsolásban a MOSFET kis változásokra a kapun nagy változásokkal reagál a lefolyó áramában — ezt a mennyiséget transzkonduktancia (gm) jellemzi. Az analóg tervezésnél fontos a zaj, linearitás és a munkapont stabilitása.
Szimbolika és kiegészítő jelenségek
A MOSFET-ek szimbólumán általában jelzik a forrás, lefolyó, kapu és (szilíciumcsomagon belül) a test (body vagy substrate) kapcsolatát. Sok MOSFETnél jelenik meg egy beépített testdióda (body diode), amely különösen fontos a váltóáramú és kapcsoló alkalmazásoknál, mert visszafelé vezetési irányban is ad utat az áramnak bizonyos feltételek mellett.
Tervezési és megbízhatósági szempontok
A modern MOSFET-ek nagyon vékony kapuoxidot használnak a gyors és kis feszültségű működéshez. Ezzel együtt megjelennek megbízhatósági kihívások:
Integrálás és skálázás
A MOSFET technológia jól skálázható, ezért a tranzisztorsűrűség a múlt évtizedekben rendkívül megnőtt — ezért tudtak az integrált áramkörökbe milliárdnyi és később billió számú tranzisztort elhelyezni. A skálázás azonban új anyagokat és gyártástechnológiákat igényel (pl. finomabb oxidrétegek, high-k dielektrikumok, többcsatornás vagy FinFET szerkezetek), hogy kezelni lehessen a szivárgást, teljesítményt és megbízhatóságot.
Gyakorlati alkalmazások
A MOSFET-ek számos területen megtalálhatók:
Összefoglalva: a MOSFET egy rendkívül sokoldalú félvezető eszköz, amely a modern elektronika alapját képezi — a logikai áramköröktől a nagy teljesítményű kapcsolóágakig. Megértése és a jellemzőinek helyes kezelése kulcsfontosságú mind a digitális, mind az analóg és a teljesítményelektronikai tervezésben.
Egyenként csomagolt MOSFET-ek
Elmélet
A MOSFET-eket sokféleképpen lehet a félvezetőn elkészíteni. A legegyszerűbb módszert a szöveg jobb oldalán található ábra mutatja. A kék rész a P-típusú szilíciumot, míg a piros rész az N-típusú szilíciumot jelöli. A két típus metszéspontja diódát eredményez. A szilícium félvezetőben van egy furcsaság, amelyet "Depletion Region"-nek neveznek. Adalékolt szilíciumban, amelynek egyik része N-típusú, másik része pedig P-típusú, a kettő metszéspontjában természetes módon kialakul egy kimerülési régió. Ez az akceptorok és donorok miatt van. A P-típusú szilíciumnak vannak akceptorai, más néven lyukai, amelyek magukhoz vonzzák az elektronokat. Az N-típusú szilíciumnak donorjai, vagyis elektronjai vannak, amelyek a lyukakat vonzzák. A kettő közötti határon az N-típusú elektronok töltik ki a P-típusú lyukakat. Ennek eredményeképpen az akceptorok, vagyis a P-típusú atomok negatív töltésűvé válnak, és mivel a negatív töltések vonzzák a pozitív töltéseket, az akceptorok, vagyis a lyukak a "csomópont" felé áramlanak. Az N-típusú oldalon pozitív töltés van, ami azt eredményezi, hogy a donorok, vagyis az elektronok a "csomópont" felé áramlanak. Amikor odaérnek, a "csomópont" másik oldalán lévő negatív töltés taszítja őket, mivel az azonos töltések taszítják egymást. Ugyanez fog történni a P-típusú oldalon is, a donorokat, vagyis a lyukakat az N-típusú oldalon lévő pozitív terület taszítja. A kettő között nem áramolhat áram, mivel az elektronok nem tudnak átmenni a másik oldalra.
A MOSFET-ek ezt kihasználják. A MOSFET "teste" negatív áramot kap, ami kiszélesíti a kimerülési tartományt, mivel a lyukak feltöltődnek az új elektronokkal, így az N oldalon lévő elektronokkal ellentétes erő sokkal nagyobb lesz. A MOSFET "Forrása" negatívan van táplálva, ami teljesen összezsugorítja az N-típusban a kimerülési zónát, mivel elegendő elektron van a pozitív kimerülési zóna kitöltéséhez. A "Drain" pozitív tápfeszültséggel rendelkezik. Amikor a "Kapu" pozitív teljesítményt kap, akkor egy kis elektromágneses mezőt hoz létre, amely eltávolítja a közvetlenül a kapu alatt lévő kimerülési zónát, mivel lyukak "permetezése" lesz, ami egy "N-csatornának" nevezett valamit hoz létre. Az N-csatorna a P-típusú szilícium területének egy átmeneti régiója, ahol nincs kiürítési zóna. A pozitív elektromos tér semlegesíti az összes tartalék elektront, amely a kimerülési zónát alkotja. A forrás területén lévő elektronoknak ezután szabad útjuk lesz a "Drain" felé, ami az elektromosság áramlását a forrásból a drain felé teszi.
Egy egyszerű MOSFET diagramja
Kérdések és válaszok
K: Mi az a MOSFET?
V: A MOSFET egy fém-oxid-félvezető terepi hatású tranzisztor, amely egy olyan elektronikus alkatrész, amely elektromosan vezérelt kapcsolóként működik.
K: Mire használják a tranzisztorokat?
V: A tranzisztorok kis elektromos eszközök, amelyeket rádiókban, számológépekben és számítógépekben használnak; ezek a modern elektronikus rendszerek legalapvetőbb építőelemei.
K: Hogyan működik egy MOSFET?
V: A MOSFET úgy működik, mint egy szelep az elektromosság számára. Van egy bemeneti csatlakozója (a "kapu"), amely az elektromosság áramlásának szabályozására szolgál két másik csatlakozó (a "forrás" és a "lefolyó") között. A kapu kapcsolóként működik, amely a két kimenetet vezérli.
K: Mire utal a "MOSFET" elnevezés?
V: A MOSFET elnevezés a tranzisztor felépítését és működését írja le. A "MOS" arra utal, hogy a félvezetőre (a "source" és a "drain") fémet (a "kapu") és oxidot (az áramáramlást megakadályozó szigetelőt) rétegezve épül fel. A "FET" a kapu félvezetőre gyakorolt hatását írja le.
K: Hol használják szinte az összes MOSFET-et?
V: Majdnem minden MOSFETS-t integrált áramkörökben használnak.
K: Hány tranzisztor fér el ma egy integrált áramkörön 1970-hez képest?
V: 2008-ban már 2 000 000 000 000 tranzisztor fér el egyetlen integrált áramkörön, míg 1970-ben körülbelül 2 000 000 tranzisztor fért el egy IC-n.
Keres