Как работают МОП-транзисторы

Принцип работы MOSFET в основном основан на его уникальных структурных свойствах и эффектах электрического поля. Ниже приводится подробное объяснение того, как работают МОП-транзисторы:

I. Базовая структура МОП-транзистора.

МОП-транзистор состоит в основном из затвора (G), истока (S), стока (D) и подложки (B, иногда соединенной с истоком, образуя трехполюсное устройство). В N-канальных МОП-транзисторах подложка обычно представляет собой низколегированный кремниевый материал P-типа, на котором изготовлены две сильнолегированные области N-типа, которые служат истоком и стоком соответственно. Поверхность подложки P-типа покрыта очень тонкой оксидной пленкой (диоксидом кремния) в качестве изолирующего слоя, а в качестве затвора нарисован электрод. Эта структура делает затвор изолированным от полупроводниковой подложки P-типа, стока и истока, и поэтому ее также называют полевой трубкой с изолированным затвором.

II. Принцип работы

МОП-транзисторы работают, используя напряжение истока затвора (VGS) для управления током стока (ID). В частности, когда приложенное положительное напряжение истока затвора, VGS, больше нуля, на оксидном слое под затвором возникает верхнее положительное и нижнее отрицательное электрическое поле. Это электрическое поле притягивает свободные электроны в P-области, заставляя их накапливаться под оксидным слоем и отталкивая дырки в P-области. По мере увеличения VGS увеличивается напряженность электрического поля и увеличивается концентрация притянутых свободных электронов. Когда VGS достигает определенного порогового напряжения (VT), концентрация свободных электронов, собранных в этой области, становится достаточно большой, чтобы сформировать новую область N-типа (N-канал), которая действует как мост, соединяющий сток и исток. На этом этапе, если между стоком и истоком существует определенное напряжение возбуждения (VDS), начинает течь ID тока стока.

III. Формирование и смена проводящего канала

Формирование проводящего канала является ключом к работе МОП-транзистора. Когда VGS больше, чем VT, устанавливается проводящий канал, и на ток стока ID влияют как VGS, так и VDS. VGS влияет на ID, контролируя ширину и форму проводящего канала, тогда как VDS влияет на ID непосредственно как напряжение возбуждения. Важно отметить, что если проводящий канал не установлен (т. е. VGS меньше VT), то даже при наличии VDS идентификатор тока стока не появляется.

IV. Характеристики МОП-транзисторов

Высокое входное сопротивление:Входное сопротивление МОП-транзистора очень велико, близко к бесконечности, поскольку между затвором и областью исток-сток имеется изолирующий слой и лишь слабый ток затвора.

Низкое выходное сопротивление:МОП-транзисторы — это устройства, управляемые напряжением, в которых ток исток-сток может меняться в зависимости от входного напряжения, поэтому их выходное сопротивление невелико.

Постоянный поток:При работе в области насыщения ток МОП-транзистора практически не зависит от изменений напряжения исток-сток, обеспечивая превосходный постоянный ток.

Хорошая температурная стабильность:МОП-транзисторы имеют широкий диапазон рабочих температур от -55°C до +150°C.

V. Приложения и классификации

МОП-транзисторы широко используются в цифровых схемах, аналоговых схемах, силовых цепях и других областях. По типу работы МОП-транзисторы можно разделить на типы улучшения и истощения; по типу проводящего канала их можно разделить на N-канальные и P-канальные. Эти различные типы МОП-транзисторов имеют свои преимущества в разных сценариях применения.

Подводя итог, можно сказать, что принцип работы MOSFET заключается в управлении формированием и изменением проводящего канала посредством напряжения истока затвора, которое, в свою очередь, управляет потоком тока стока. Высокий входной импеданс, низкий выходной импеданс, постоянный ток и температурная стабильность делают МОП-транзисторы важным компонентом электронных схем.