MOSFET транзистор. Полевой транзистор с изолированным затвором.

Пока свежи вспоминания о предыдущей статье, которая была посвящена полевым транзисторам, я решил опубликовать и еще один материал по этой теме. Разберем следующий из упомянутых типов полупроводниковых устройств, а именно полевой транзистор с изолированным затвором (MOSFET транзистор). И снова основной упор я сделаю на сути физических явлений, которые обеспечивают работу описываемого устройства.  Не затягиваю с вводным текстом, приступаем к основной деятельности.

Транзисторы с изолированным затвором также именуются МОП-транзисторами (Металл-Оксид-Полупроводник), либо МДП-транзисторами (Металл-Диэлектрик-Полупроводник). Собственно, это напрямую зависит от его физического устройства. Кроме того, прочно вошло в обиход и название MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor), оно также относится к рассматриваемым нами сегодня устройствам. Изолированность затвора от канала диэлектриком позволяет данным компонентам иметь очень высокое входное сопротивление.

Итак, разветвим сразу статью на две части, в соответствии с двумя подклассами полевых транзисторов с изолированным затвором:

• с встроенным каналом
• с индуцированным каналом

При этом, по-прежнему, каждый из этих подклассов делится еще на два в зависимости от типа проводимости канала - N-канал/P-канал:

Начинаем по традиции с подробного обзора того, как именно работает рассматриваемое устройство/компонент. И для этого погрузимся в его внутренне устройство. Снова сосредоточим внимание на MOSFET транзисторах с N-каналом, для P-канала суть и принципы те же, только полярность подключаемых напряжений противоположная.

Устройство и принцип работы MOSFET транзистора с встроенным каналом.

Устройство, в целом, схоже с JFET-транзисторами, вспомним основных действующих лиц:

• Область P-типа, в которой основными носителями заряда являются дырки.
• Область N+, в которой, напротив, основные носители – электроны. Пометка «+» символизирует повышенное легирование области, что означает повышенную же концентрацию электронов в ней.
• Электроды полевого транзистора – сток, исток и затвор. Вывод подложки может как присутствовать, так и отсутствовать (в таком случае он соединен с истоком внутри транзистора).
• И ко всему прочему, зоны типа N+ соединены между собой – эта область и образует встроенный канал, присутствующий в названии компонента.

Как адепт максимально четкой структуры, я пойду по такому же плану, как в статье про JFET. Стартовая точка такова:

Начнем с подключения следующим образом:

Канал (то есть область N-типа, соединяющая сток и исток) у нас присутствует конструктивно изначально, поэтому ничто и никто не препятствует движению электронов по этому самому каналу.

Движение электронов – это, в свою очередь, есть протекание тока. То есть при U_{ЗИ} = 0 в наличии имеется протекающий от стока к истоку ток. Фиксируем данный факт, и подаем положительное напряжение между затвором и истоком:

Возникающее электрическое поле будет притягивать дополнительные электроны как из областей стока и истока, так и из подложки, где концентрация электронов пусть и невелика, но они там есть.

И что получаем в итоге? Фактически увеличение, оно же расширение, канала, из которого логичным образом вытекает и увеличение тока, поскольку физически по нему сможет перемещаться большее количество электронов. Расширение канала ⇒ уменьшение его сопротивления ⇒ увеличение его проводимости ⇒ увеличение потока электронов ⇒ увеличение тока 👍

При таком включении MOSFET транзистор работает в режиме обогащения. Проведем сравнительный анализ со случаем, когда U_{ЗИ} = 0:

Все соответствует произведенным нами выводам. Но на этом не завершаем, второй случай: U_{ЗИ} < 0. Механизм тот же, эффект противоположный:

Теперь возникающее поперечное электрическое поле приводит, наоборот, к выталкиванию электронов из области канала, что ведет к диаметрально отличающимся последствиям. Сужение канала ⇒ увеличение его сопротивления ⇒ уменьшение его проводимости ⇒ уменьшение потока электронов ⇒ уменьшение тока. И по итогу имеем:

В данном случае транзистор с встроенным каналом пребывает в режиме обеднения. И для всех трех рассмотренных случаев:

Также рассмотрим зависимость тока сток-исток от напряжения между затвором и истоком. Очевидно, что увидим тут полное соответствие тому, что разобрали:

При U_{ЗИ} = 0 через транзистор (по пути сток-исток) течет некий ток. Увеличение U_{ЗИ} – увеличение тока, то же самое и при уменьшении, то есть отрицательном смещении затвора относительно истока. При определенном пороговом значении канал сужается настолько, что протекание тока прекращается полностью.

Разобрали суть протекающих процессов и явлений, переходим ко второму типу – MOSFET  с индуцированным каналом.

Устройство и принцип работы MOSFET транзистора с индуцированным каналом.

Действуем по уже четко отработанному плану, начинаем с устройства и структуры:

Сразу же ключевое отличие – область N-типа, соединяющая зоны стока и истока (канал) отсутствует. Из чего вытекает тот факт, что при U_{ЗИ} равном 0, ток не течет, в отличие от рассмотренного выше случая.

Начинаем повышать напряжение между затвором и истоком. Для N-канального транзистора, который мы рассматриваем, ситуация такова:

Для P-канального все описанное остается в силе, просто полярность противоположная.

Продолжаем с N-каналом. Возникающее электрическое поле вполне естественно начинает притягивать электроны к области затвора. При определенном значении U_{ЗИ} концентрация электронов станет достаточной для образования тонкой области N-типа, через которую начнет протекать ток:

Эта область и является индуцированным каналом, которого конструктивно изначально нет, но в связи с воздействием электрического поля он материализуется ) Соответственно, увеличиваем дальше U_{ЗИ} – получаем расширение этого канала, которое приводит к увеличению тока сток-исток:

Транзистор с индуцированным каналом в данном случае работает в режиме обогащения:

А зависимость тока I_{СИ} от напряжения U_{ЗИ} теперь имеет следующий вид:

И опять же все логично, при U_{ЗИ} < U_{ЗИ \medspace порог} ток не течет, при U_{ЗИ} > U_{ЗИ \medspace порог} ток увеличивается с увеличением напряжения.

В целом, на этом можно считать, что с механизмами, обеспечивающими функционирование полевых транзисторов с изолированным затвором, мы разобрались, закрепим на примере.

Полевой транзистор с изолированным затвором. Практический пример.

Начинаем, конечно, с обозначения MOSFET транзисторов на принципиальных схемах. Наличие разных типов диктует, в свою очередь, необходимость в их отличающихся вариантах обозначения:

Что тут можно отметить отдельно, во-первых, само собой полевые транзисторы с индуцированным и встроенным каналом выглядят на схемах по-разному. Кроме того, вывод подложки может быть как замкнут внутри транзистора с истоком, так и выходить в мир в виде отдельного вывода. В результате этого внутреннего соединения между стоком и истоком образуется паразитный диод, который может и не обозначаться на схемах, но его присутствие всегда надо учитывать.

Не исключено, что этому я посвящу отдельный пост, а пока возвращаемся к базовому примеру, который призван подтвердить теоретические аспекты, рассмотренные нами ранее. В качестве экспериментального образца возьмем 2N7002. Такой выбор связан с тем, что 2N7002 - это бесспорный топ, если говорить о популярности и распространенности.

Из документации можно почерпнуть все необходимые данные - предельные значения напряжений и токов, характеристики и т. д., дублировать не буду. Эта статья именно про физические процессы внутри транзистора с изолированным затвором, в ближайшее время разберем пример, где подробнее углубимся в характеристики, расчеты, сопротивления, паразитные диоды и далее по списку.

В контексте данной статьи сразу отметим, что он относится к типу MOSFET с индуцированным каналом. Собираем схему из статьи, без изменений, для случая, когда U_{ЗИ} = 0, U_{СИ} поставим равным 3 В:

Какой ток мы ожидали увидеть? Именно такой, какой и увидели - нулевой, в точности так, как и должно было быть для полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом.

Добавим источник напряжения между затвором и истоком и будем задавать разные значения. Что планируем получить? Четко по графику:

Начиная с некоторого значения U_{ЗИ} (из даташита - в районе 2 В) ток начнет увеличиваться. Проверяем:

Четко, надежно, стабильно ✅ Оставим U_{ЗИ} равным 2.1 В и увеличим U_{СИ}:

Очевидно, что транзистор находится в режиме насыщения, что также соответствует принципу его работы:

На этом на сегодня остановимся. Данный простенький пример подтвердил теорию, что и неудивительно. В следующей части уже рассмотрим расчеты для реальных задач и случаев, не пропустите 🤝