МОП-транзистор![]() МОП-транзи́стор, или Полево́й (униполя́рный) транзи́стор с изоли́рованным затво́ром (англ. metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, сокращённо «MOSFET») — полупроводниковый прибор, разновидность полевых транзисторов. Аббревиатура МОП образована от слов «металл-оксид-полупроводник», обозначающих слои типов материалов в приборах основного типа. Поскольку МОП-транзистор является наиболее важным, где используются эти материалы, для него как синоним названия иногда используют название «МОП-структура», что не вполне корректно. МОП-транзистор имеет три вывода: затвор, исток, сток (см. рис.). Электрический вывод от подложки обычно соединяется с истоком. В области полупроводника вблизи поверхности под затвором или создаётся при изготовлении, или возникает при приложении напряжения на затвор так называемый канал. Если канал создается при изготовлении, то такие транзисторы называют транзисторами со встроенным каналом. Если канал возникает при приложении напряжения, то такие транзисторы называют транзисторами с индуцированным каналом. Через канал между стоком и истоком протекают носители заряда, создавая ток канала. Ток канала зависит и от напряжения исток—затвор и напряжения исток—сток. Полупроводником чаще всего является монокристаллический кремний (Si), а металлический затвор изолирован от канала очень тонким слоем диэлектрика[1] В качестве диэлектрика наиболее часто используется диоксида кремния (SiO2), слой которого формируется на поверхности кремния технологическим окислением при изготовлении. Если вместо диоксида кремния применяется иной диэлектриком (Д), то такие транзисторы называют МДП-транзисторы (англ. MISFET, I = insulator). В отличие от биполярных транзисторов, которые управляются током, транзисторы с изолированным затвором управляются напряжением на затворе — входным напряжением. Так как затвор изолирован от стока и истока, такие транзисторы обладают очень высоким входным сопротивлением. МОП-транзисторы — основа современной электроники. Они являются самым массово производимым промышленным изделием, эти транзисторы используются в современных цифровых микросхемах, являясь основой МОП-технологии. ИзобретениеВ 1959 году Мартин Аттала (Mohamed M. Atalla[англ.]) из Bell Labs предложил выращивать затворы полевых транзисторов из диоксида кремния. В том же году Аттала и его коллега Дион Канг создали первый работоспособный МОП-транзистор. Первые серийные МОП-транзисторы вышли на рынок в 1964 году, в 1970-е годы МОП-микросхемы завоевали рынки микросхем памяти и микропроцессоров, а в начале XXI века доля МОП-микросхем достигла 99 % от общего числа выпускаемых интегральных схем (ИС)[2]. КлассификацияПо типу каналаСуществуют МОП-транзисторы с собственным (или встроенным) (англ. depletion mode transistor) и индуцированным (или инверсным) каналом (англ. enhancement mode transistor). В приборах со встроенным каналом при нулевом напряжении затвор-исток канал транзистора открыт (то есть проводит ток между стоком и истоком); для запирания канала нужно приложить к затвору напряжение определённой полярности. Канал приборов с индуцированным каналом закрыт (не проводит ток) при нулевом напряжении затвор-исток; для открытия канала нужно приложить к затвору напряжение определённой полярности относительно истока. В цифровой и силовой технике обычно применяются транзисторы только с индуцированным каналом. В аналоговой технике используются приборы обоих типов[1]. Тип проводимостиПолупроводниковый материал канала может быть легирован примесями для получения электропроводимости p- или n-типа. Подачей на затвор определённого потенциала можно менять состояние проводимости участка канала под затвором. Если при этом из канала вытесняются его основные носители заряда, при этом обогащая канал неосновными носителями, то это режим называют режимом обогащения. При этом проводимость канала растёт. При подаче противоположного по знаку потенциала на затвор относительно истока канал обедняется от неосновных носителей и уменьшается его проводимость (это называется режимом обеднения, который характерен только для транзисторов со встроенным каналом)[3]. Для n-канальных полевых транзисторов отпирающим является положительное (относительно истока) напряжение, приложенное к затвору и при этом превышающее пороговое напряжение открывания этого транзистора. Соответственно, для p-канальных полевых транзисторов отпирающим будет являться отрицательное относительно истока напряжение, приложенное к затвору и превышающее его пороговое напряжение. Подавляющее большинство приборов по МОП-технологии выполняется так, что исток транзистора электрически соединён к полупроводниковой подложке структуры (чаще всего к самому кристаллу). При таком соединении образуется так называемый паразитный диод между истоком и стоком. Уменьшение вредного влияния этого диода сопряжено со значительными технологическими трудностями, поэтому это влияние научились преодолевать и даже использовать в некоторых схемотехнических решениях. Для n-канальных полевых транзисторов паразитный диод подключен анодом к истоку, а для p-канальных анодом — к стоку. Специальные транзисторыСуществуют транзисторы с несколькими затворами. Они используются в цифровой технике для реализации логических элементов или в качестве ячеек памяти в EEPROM. В аналоговой схемотехнике многозатворные транзисторы — аналоги многосеточных электровакуумных ламп — также получили некоторое распространение, например в схемах смесителей или устройств для регулировки усиления. Силовые МОП-транзисторы (Power MOSFET[англ.]): Если на разработку практически пригодных маломощных МОП-транзисторов, после их изобретения (1959) понадобилось лишь несколько лет, то до появления первых мощных МОП-транзисторов прошло ещё 16 лет. Первые в мире мощные МОП-транзисторы, выполненные по технологии MOSPOWER®, представила компания Siliconix[англ.] в 1976 году, а чуть позже, в 1979 году, компания International Rectifier предложила альтернативную МОП-структуру для построения мощных транзисторов, которая получила название HexFET®.
Некоторые мощные МОП-транзисторы, используемые в силовой технике в качестве электрических ключей, снабжаются дополнительным выводом от канала транзистора для контроля протекающего через него тока. Условные графические обозначенияУсловные графические обозначения полупроводниковых приборов регламентируются ГОСТ 2.730-73[4].
Особенности работы МОП-транзисторов![]() ![]() Полевые транзисторы управляются напряжением, приложенным к затвору транзистора относительно его истока, при этом: При изменении напряжения изменяется состояние транзистора и ток стока .
Особенности подключения
При подключении мощных МОП-транзисторов (особенно работающих на высоких частотах) используется стандартное схемное включение транзистора:
Применение![]()
МОП-транзисторы — основа современной электроники. Они являются самым массово производимым промышленным изделием, с 1960 года по 2018 год их было произведено около 13 секстиллионов (1.3×1022)[5]. Такие транзисторы используются в современных цифровых микросхемах, являясь основой КМОП-технологии.
Примечания
Ссылки
|
Portal di Ensiklopedia Dunia