Tranzistory MOSFET s indukovaným kanálem

Konstrukční uspořádání tranzistorů MOSFET je znázorněno na obrázku 1. Typická délka kanálu L je 1 až 10 μm, šířka je obvykle 2 až 500 μm.

Tyto tranzistory jsou často konstruovány jako souměrné prvky, u kterých je možné zaměnit kolektor a emitor (pokud není uvnitř pouzdra emitor spojen se substrátem).

Obr. 1: Strukutra tranzistrou MOSFET s indukovaným kanálem N

Činnost tranzistoru MOSFET s indukovaným kanálem N

Tranzistory s indukovaným kanálem pracují v tzv. režimu obohacení, kdy se zvětšením řídicího napětí U_GS dochází k obohacení kanálu o záporné náboje a ke zvětšení kolektorového proudu.

Kanál není vytvořen, dokud není na hradlo G přivedeno žádné napětí, U_GS = 0 existují mezi emitorem a kolektorem dvě antisériově zapojené diody NP⁺ (dva PN přechody):

• jedna je tvořena přechodem PN mezi oblastí P⁺ emitoru a substrátem typu N;

• druhá je tvořena substrátem typu N a oblastí P⁺ kolektoru.

Tyto diody brání průtoku proudu od kolektoru k emitoru, je-li mezi kolektor a emitor přivedeno napětí U_DS.

Oblast mezi emitorem a kolektorem má za těchto podmínek velký odpor, cca až10¹²Ω.

Vytvoření kanálu

K vytvoření kanálu je nutné vytvořit pod hradlem dostatečně velké elektrické pole, přitom:

• emitor je spojen s kolektorem a se substrátem a je uzemněn (U_DS = 0);

• na hradlo je přivedeno kladné napětí U_GS, které má větší hodnotu, než je velikost prahového napětí U_T.

V závislosti na velikosti napětí U_GS a U_DS mohou nastat následující případy:

• Při vhodné velikosti U_GS > U_T, kde U_T je prahové napětí, dojde vlivem záporného potenciálu na hradle k odpuzení záporných elektronů a k přitahování volných děr. Při dostatečně velké koncentraci děr pod hradlem u povrchu substrátu se zde vytvoří oblast s vodivostí typu P spojující emitor a kolektor. Dojde k zániku PN přechodů v uvedené oblasti.

• Je-li nyní mezi kolektor a emitor přivedeno napětí U_DS > 0, přičemž U_GS > U_T a zvětšujeme-li postupně napětí U_DS, začne touto indukovanou oblastí P prudce stoupat proud volných děr, neboť kanál je široký a jeho odpor je malý. Indukovaná oblast tvoří kanál pro elektrický proud.

Přechod do saturační oblasti

Při zvyšování napětí U_DS mezi kolektorem a emitorem dojde postupně ke změně tvaru kanálu, což způsobí zakřivení výstupní charakteristiky a zapřičiní, že od určité velikosti napětí U_DS se proud kanálem mění pouze málo, tranzistor přechází do saturační oblasti.

Prahové napětí U_T

Velikost napětí U_GS, při kterém se v kanálu akumuluje takové množství děr, že se vytvoří vodivý kanál, nazýváme prahové napětí U_T.

Tranzistor s kanálem typu N má jednotlivé části vyrobeny z polovodičů opačného typu. Prahové napětí tranzistoru MOSFET (s kanálem typu N) je kladné a pohybuje se v rozmezí od 1 do 3 V.

Výstupní charakteristiky

Jak je vidět ze soustavy výstupních charakteristik znázorněných na obrázku 2, dochází při zvětšení napětí U_GS mezi hradlem a emitorem ke zvýšení proudu ID tekoucího tranzistorem.

Na obrázku 2 jsou vyznačeny body zaškrcení kanálu pro různé hodnoty napětí na řídicí elektrodě U_GS. Výraz zaškrcení kanálu zde má stejný význam jako u tranzistorů JFET.

Dochází k němu při určité velikosti napětí U_DS mezi kolektorem a emitorem a napětí U_GS tranzistoru. I když elektrony přicházejí do kolektoru při zaškrcení přes ochuzenou oblast, způsobuje velké elektrické pole od napětí kolektoru velkou rychlost elektronů a to, že nedojde k poklesu kolektorového proudu I_D.

Obr. 2: Výstupní charakteristiky MOSFET s indukovaným N-kanálem

Příklad převodní charakteristiky tranzistoru MOSFET s indukovaným kanálem je na obrázku 3. Je třeba si všimnout toho, že převodní charakteristika má pro U_GS =U_T nulovou hodnotu I_D (I_D = 0). Teprve od tohoto bodu nabývá charakteristika sklon daný zesilovacími vlastnostmi tranzistoru.

Obr. 3: Převodní charakteristika tranzistoru MOSFET s indukovaným kanálem

Zdroje

• KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009

Obrázky

• Obr. 1: Autor neznámý. Strukutra tranzistrou MOSFET s indukovaným kanálem N. [online]. [cit. 2015-05-25]. Dostupné z: http://www.spsemoh.cz/vyuka/zel/tranzistory-unip.htm
• Obr. 2: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Výstupní charakteristiky MOSFET s indukovaným N-kanálem, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
• Obr. 3: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK.  Převodní charakteristika tranzistoru MOSFET s indukovaným kanálem, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009