MOSFET

Szigetelt vezérlőelektródájú térvezérlésű tranzisztor (MOSFET)

Kiürítéses MOSFET

Az 1. ábra a FET kialakításának a JFET-től eltérő lehetőségét mutatja. A „p” típusú hordozóban (szubsztrát) a gyártás során két erősen szennyezett „n” típusú szilíciumüreget alakítanak ki, melyeket közvetlenül a szilícium felületén létrehozott oxidréteg alatt gyengén szennyezett és vékony „n” típusú csatornával kötnek össze. A csatorna fölött az szilíciumoxid rétegre fémréteget csapatnak, ez képezi a tranzisztor vezérlő elektródáját. (A szubsztrátot általános gyakorlat szerint a source-el kötik össze).

1. ábra: Kiürítéses üzemmódú MOS FET

Az eszköz nevét a Metal Oxide Semiconductor (fém-oxid félvezető) elrendezés adta. Mivel a gate egy oxidréteggel a félvezetőtől el van választva, sokszor szigetelt vezérlőelektródájú (Insulated Gate), azaz IG-FET elnevezést is használnak.

Az 1. ábrán „n” csatornás MOS FET-et látunk, de teljesen hasonló módon a komplementer „p” csatornás MOS FET is előállítható.

Ha a gate-re a source-hoz képest nem kapcsolunk vezérlő feszültséget, a drain és a source között a felületi szilíciumoxid réteg alatt kialakított csatornában jelen lévő szabad elektronok vezetik az áramot, a FET kis ellenállást tanúsít.

A gate-re negatív feszültséget kapcsolva, a létrejövő elektromos tér a vékony „n” típusú csatorna negatív töltésű töltéshordozóit, az elektronokat taszítja, és mintegy kikényszeríti azokat a csatornából. Minél negatívabb a gate, annál több elektront kényszerít a csatorna elhagyására, így „kiüríti” a csatornát, melynek ellenállása a szabad töltéshordozók számának csökkenése miatt növekszik.

Ha a gate-ra kapcsolt negatív feszültség egy, az adott tranzisztorra jellemző UP lezárófeszültséget elér, a csatorna teljesen kiürül, lezáródik és rajta nem folyik áram.

Egyebekben a MOS-FET a JFET-el azonos módon működik: a csatorna mentén feszültség esik, mely a drain oldalán a pozitívabb. Ez azt eredményezi, hogy a drain felől a kiürített réteg éppen úgy kiterjed, mint a JFET-nél, és a csatorna elzáródik, az áram nem nő tovább.

Az n csatornás kiürítéses MOS FET karakterisztikáit a 2. ábra mutatja. Ez a karakterisztika hasonló az n csatornás JFET-éhez, azzal az eltéréssel, hogy mivel a vezérlő elektróda el van szigetelve, pozitív vezérlő feszültség esetén is működőképes marad a tranzisztor, ilyenkor ui. a pozitív feszültség által a csatornában létrehozott elektromos tér oda vonzza az elektronokat, ezáltal növelve a töltéshordozók számát és így az áramot.

2. ábra: Kiürítéses MOS FET karakterisztikái

Növekményes MOS FET

A 3. ábra szerinti kialakításban a „p” típusú szubsztráton csak a két erősen szennyezett „n” típusú üreget alakítják ki, de a felületi oxidréteg alatti „n” típusú csatornát nem. Ez a csatorna akkor alakul csak ki, ha a felületi oxidrétegen a két üreg közötti szakaszon kialakított gate-ra pozitív feszültséget kapcsolnak. A pozitív vezérlőfeszültség olyan elektrosztatikus teret alakít ki, amely taszítja a lyukakat, és vonzza az elektronokat. Ezért kis pozitív gatefeszültség esetén először a p típusú szubsztrát gate alatti részéből távoznak a lyukak, és kiürített réteg alakul ki, illetve a pozitív gatefeszültség növelésével a kialakuló elektromos tér a source üregből elektronokat vonz erre a területre, és létrehozza a csatornát. Azt a feszültséget, ahol a csatorna létrejön, UK küszöbfeszültségnek nevezik (jellegzetes értéke 2...4 V). Ha a gate feszültségét UK fölé növelik, a csatornában az elektronok száma növekszik, ezért vezetőképessége nő.

3. ábra: n csatornás növekményes MOS FET kialakítása

A növekményes MOS FET karakterisztikái a 4. ábrán láthatók.

4. ábra: Növekményes MOS FET karakterisztikái

A MOS-FET-ek előnyös tulajdonsága a JFET-hez képest, hogy míg utóbbi gate-jén folyik valamennyi záróáram, a MOS FET gate-je el van szigetelve, tehát az tökéletes szakadásként viselkedik. E miatt azonban a source-hoz képest egy kis kapacitású kondenzátort képez, amely a környezetéből kapott igen kis töltés hatására is olyan nagy feszültségre töltődhet fel, amely miatt az oxidréteg átüt, és az eszköz tönkremegy. Ezért a MOS eszközök kezelése különös gondosságot igényel. A gyárból a MOS tranzisztorokat úgy bocsátják ki, hogy kivezetései - a feltöltődés megakadályozása céljából - egy elektromosan vezető gumigyűrűvel össze vannak kötve. Ezt a gyűrűt csak az áramkörbe való beforrasztás után szabad eltávolítani!

A MOS-FET áramköri rajzjeleit az 5. ábra mutatja.

n csatornás MOS FET_____________________p csatornás MOS FET

5. ábra: MOS-FET áramköri rajzjelei