Что такое МОП-транзистор?

Что такое MOSFET?

MOSFET — один из полупроводниковых приборов и тип транзистора, который незаменим в электронных устройствах.

MOS означает «Metal Oxide Semiconductor», а FET означает «Field-Effect Transistor».

MOSFET выполняет операции включения/выключения и усиления сигнала. Одним из преимуществ является то, что они очень быстры в работе и подходят для точного управления.

Раньше в полупроводниковых приборах доминировали высокополярные транзисторы. Однако с ростом потребности в более мелких, легких и эффективных приборах в последние годы основным полупроводниковым прибором становится MOSFET.

Применение MOSFET

MOSFET используются в качестве транзисторов в конфигурациях электронных схем для различных ИС и БИС.

Дискретные приложения включают силовую электронику, датчики и другие отрасли, а также системы электропитания и инверторы. Различные БИС используются в широком спектре приложений, включая микроконтроллеры для автомобилей и информационных приборов, портативные терминалы, такие как смартфоны и планшеты, память ПК и процессоры для различных компьютеров.

MOSFET стали незаменимыми в последних продуктах, поскольку их можно сделать меньше, легче и более интегрированными.

Принцип MOSFET

MOSFET имеют три вывода (электрода), называемые «сток», «затвор» и «исток» соответственно. При подаче напряжения на электрод затвора MOSFET выполняет операции включения/выключения и усиления как транзистор.

Существует два типа MOSFET: N-канальный (N-Ch) тип и P-канальный (P-Ch) тип.

• Тип N-канала (N-Ch)
  Ток течет, если подать на затвор напряжение, которое более положительно, чем потенциал источника.
• Тип P-канала (P-Ch)
  Часто используется тип N-канала (N-Ch), поскольку он более удобен с точки зрения производительности и схемотехники.

CMOS (комплементарный металл-оксид-полупроводник), который широко используется в цифровых схемах, ИС памяти и датчиках, состоит из пары МОП-транзисторов p-типа и n-типа. МОП-транзистор имеет высокую рабочую скорость и может переключаться на высоких скоростях.

Они также подходят для высокочастотной работы из-за их низкой мощности привода. Хотя МОП-транзисторы не подходят для больших токов, в последние годы они стали основным устройством из-за простоты интеграции и обращения.

Типы МОП-транзисторов

МОП-транзисторы бывают p-типа и n-типа и далее классифицируются на «тип улучшения» и «тип истощения» на основе различий в рабочих характеристиках.

1. Тип Enhancement

Нормально-выключенный тип, т. е. ток не течет между истоком и стоком, когда на затвор не подано напряжение.

2. Тип Depletion

Нормально-включенный тип, т. е. ток не течет между истоком и стоком, даже когда на затвор не подано напряжение.

Существует два типа MOSFET, но тип Enhancement чаще всего используется для коммутационных приложений. Первый разработанный MOSFET был типа Depletion, но сегодня он используется в очень ограниченном количестве приложений.

Например, предположим случай, когда в схеме должен присутствовать отрицательный источник питания. Когда генерируется -5 В, затвор типа истощения подключается здесь с резистором около 10 кОм.

Обычно, если отрицательное напряжение -5 В выводится правильно, ток между истоком и стоком типа истощения не течет. Однако, если отрицательный источник питания выводится неправильно из-за какой-то аномалии, ток течет между истоком и стоком, позволяя вывести сигнал тревоги.

Как выбрать MOSFET

Самым важным фактором при выборе MOSFET является абсолютный максимальный номинал выдерживаемого напряжения исток-сток VDSS. Это связано с тем, что чем больше выдерживаемое напряжение MOSFET, тем выше его сопротивление в открытом состоянии. Если оптимальное выдерживаемое напряжение не выбрано с запасом с учетом применения системы, сопротивление в открытом состоянии будет неоправданно высоким, что приведет к увеличению энергопотребления системы.

Если напряжение, приложенное между источником и стоком, почти постоянно, выбор можно сделать без проблем, но проблема в том, как учесть случай скачка напряжения. Если включен скачок напряжения, необходимо учитывать запас в несколько раз относительно номинала установившегося состояния.

Даже MOSFET с одинаковым выдерживаемым напряжением могут иметь разную выдерживаемую способность для лавинных токов и энергий лавин. Если вы рассматриваете возможность включения энергии импульса, выберите MOSFET с высокой энергией лавинного пробоя, чтобы получить MOSFET с более низким напряжением пробоя и более низким сопротивлением открытого канала.

Другая информация о MOSFET

1. Чем Si-MOSFET отличаются от IGBT

Si-MOSFET не подходят для сильноточных приложений. Для приложений с силовыми устройствами, таких как работа со смещением выше 2 В или инверторные схемы для сильного тока, больше подходят IGBT, которые интегрируют MOSFET на затворе и биполярный транзистор на выходе.

IGBT — это сложные устройства, которым для работы обычно требуется схема драйвера затвора, и с ними сложнее обращаться, чем с MOSFET, из-за их SOA (зоны безопасной работы) и их тенденции к выходу из строя при превышении их абсолютных максимальных значений, что требует схемы защиты.

В последнее время SiC-MOSFET, которые используют SiC, полупроводниковый состав, вместо Si в качестве подложки MOSFET и имеют большую ширину запрещенной зоны, стали популярными из-за их более высоких характеристик пробивного напряжения. Поскольку эти устройства имеют преимущества и недостатки, включая стоимость, на данный момент они будут разделены в соответствии с их применением на рынке.

2. Информация о SOI-CMOS

MOSFET были улучшены с точки зрения сопротивления в открытом состоянии и других характеристик посредством миниатюризации процесса для поддержки более высоких частот. В прошлом структуры CMOS со слоями ям обычно формировались на подложках Si p-типа (или n-типа), называемых объемными подложками.

Однако из-за потребности в высокочастотных устройствах, особенно для мобильных радиочастотных приложений, появились КМОП-устройства с улучшенными высокочастотными характеристиками, в которых путь утечки, уникальный для МОП-транзисторов, подавляется введением изолирующего слоя BOX, называемого SOI (кремний на изоляторе), вместо объемной кремниевой подложки для повышения изолирующих свойств подложки. В настоящее время доступны КМОП-устройства с улучшенными высокочастотными характеристиками.

Эти устройства называются SOI-CMOS и привлекают внимание как устройства с высокой скоростью работы и низкими потерями.

3. Миниатюризация процесса МОП-транзистора

Самая важная особенность MOSFET заключается в том, что они являются полупроводниковыми приборами с низким энергопотреблением и подходят для крупномасштабной интеграции. Однако, делая размеры процесса более мелкими, можно эксплуатировать транзисторы на более высоких скоростях и более низких напряжениях и значительно повысить уровень интеграции схемы.

В случае вышеупомянутых крупномасштабных цифровых процессоров на основе КМОП, где интеграция чрезвычайно важна, размер процесса, как говорят, составит 3 нм по состоянию на 2022 год по сравнению со 100 нм в начале 2000-х годов. Структура FinFET основана на передовом процессе, который включает в себя гениальную структуру поперечного сечения транзистора.

Хотя трудно предсказать дальнейшую миниатюризацию в будущем, одной из активно рассматриваемых технологических тенденций является внедрение технологии трехмерного монтажа чипов, называемой чиплетом с многочиповой структурой, в основном научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими организациями по всему миру.