Insulated-gate Field-effect Transistors (MOSFET)

De Insulated-Gate Field-Effect Transistor (IGFET), ook bekend als de Metal Oxide Field Effect Transistor (MOSFET), is een afgeleide van de veldeffecttransistor (FET). Tegenwoordig zijn de meeste transistors van het MOSFET-type als componenten van digitale geïntegreerde schakelingen. Hoewel discrete BJT's talrijker zijn dan discrete MOSFET's. Het aantal MOSFET-transistors in een geïntegreerde schakeling kan honderden miljoenen benaderen. De afmetingen van individuele MOSFET-apparaten zijn minder dan een micron en nemen elke 18 maanden af. Veel grotere MOSFET's kunnen bijna 100 ampère stroom schakelen bij lage spanningen; sommige verwerken bijna 1000 V bij lagere stromen. Deze apparaten nemen een goede fractie van een vierkante centimeter silicium in beslag. MOSFET's vinden een veel bredere toepassing dan JFET's. MOSFET-voedingsapparaten worden op dit moment echter niet zo veel gebruikt als bipolaire junctietransistoren.

MOSFET-bewerking

De MOSFET heeft source-, gate- en drain-terminals zoals de FET. De gate-lead maakt echter geen directe verbinding met het silicium in vergelijking met het geval voor de FET. De MOSFET-poort is een metallische of polysiliciumlaag bovenop een siliciumdioxide-isolator. De poort lijkt op een Metal Oxide Semiconductor (MOS) condensator in onderstaande afbeelding. Wanneer opgeladen, nemen de platen van de condensator de ladingspolariteit van de respectieve batterijpolen aan. De onderste plaat is van P-type silicium waaruit elektronen worden afgestoten door de negatieve (-) batterijpool naar het oxide en aangetrokken door de positieve (+) bovenplaat. Deze overmaat aan elektronen nabij het oxide creëert een omgekeerd (overtollig elektronen) kanaal onder het oxide. Dit kanaal gaat ook gepaard met een uitputtingsgebied dat het kanaal isoleert van het bulksiliciumsubstraat.

N-kanaals MOS-condensator:(a) geen lading, (b) opgeladen.

In onderstaande afbeelding (a) is de MOS-condensator geplaatst tussen een paar N-type diffusies in een P-type substraat. Zonder lading op de condensator, zonder bias op de gate, blijven de N-type diffusies, de source en drain, elektrisch geïsoleerd.

N-kanaals MOSFET (verbeteringstype):(a) 0 V gate-bias, (b) positieve gate-bias.

Een positieve voorspanning die op de poort wordt toegepast, laadt de condensator (de poort) op. De poort bovenop het oxide krijgt een positieve lading van de poortvoorspanningsbatterij. Het P-type substraat onder de poort wordt negatief geladen. Onder het poortoxide vormt zich een inversiegebied met een overmaat aan elektronen. Dit gebied verbindt nu de source en drain N-type gebieden en vormt een continu N-gebied van source tot drain. De MOSFET is dus, net als de FET, een unipolair apparaat. Eén type ladingsdrager is verantwoordelijk voor geleiding. Dit voorbeeld is een N-kanaal MOSFET. Geleiding van een grote stroom van source naar drain is mogelijk met een spanning tussen deze aansluitingen. Een praktisch circuit zou een belasting in serie hebben met de afvoerbatterij in bovenstaande afbeelding (b).

E-MOSFET

De MOSFET die hierboven in de bovenstaande afbeelding wordt beschreven, staat bekend als een Enhancement Mode MOSFET. Het niet-geleidende, uit-kanaal wordt aangezet door het kanaal onder de poort te versterken door een voorspanning toe te passen. Dit is het meest voorkomende type apparaat. De andere soort MOSFET wordt hier niet beschreven. Zie het hoofdstuk Veldeffecttransistor met geïsoleerde poort voor de uitputtingsmodus apparaat.

De MOSFET is, net als de FET, een spanningsgestuurd apparaat. Een spanningsingang naar de poort regelt de stroom van de bron naar de afvoer. De poort trekt geen continue stroom. De poort trekt echter een stroomstoot om de poortcapaciteit op te laden.

De doorsnede van een N-kanaal discrete MOSFET wordt getoond in onderstaande afbeelding (a). Discrete apparaten zijn meestal geoptimaliseerd voor schakelen met hoog vermogen. De N+ geeft aan dat de source en drain zwaar N-type gedoteerd zijn. Dit minimaliseert weerstandsverliezen in het hoge stroompad van bron naar afvoer. De N- duidt op lichte doping. Het P-gebied onder de poort, tussen source en drain, kan worden omgekeerd door een positieve voorspanning aan te leggen. Het doteringsprofiel is een dwarsdoorsnede, die in een serpentinepatroon op de siliciummatrijs kan worden gelegd. Dit vergroot de oppervlakte en daarmee de huidige handling enorm.

N-kanaal MOSFET (verbeteringstype):(a) doorsnede, (b) schematisch symbool.

Het schematische MOSFET-symbool in afbeelding hierboven (b) toont een "zwevende" poort, wat aangeeft dat er geen directe verbinding met het siliciumsubstraat is. De onderbroken lijn van bron naar afvoer geeft aan dat dit apparaat uit is, niet geleidt, zonder voorspanning op de poort. Een normaal "uit" MOSFET is een apparaat in de verbeteringsmodus. Het kanaal moet worden verbeterd door toepassing van een voorspanning op de poort voor geleiding. Het "wijzende" uiteinde van de substraatpijl komt overeen met P-type materiaal, dat wijst naar een N-type kanaal, het "niet-wijzende" uiteinde. Dit is het symbool voor een N-kanaal MOSFET. De pijl wijst in de tegenovergestelde richting voor een P-kanaalapparaat (niet getoond). MOSFET's zijn vier eindapparaten:source, gate, drain en substraat. Het substraat is verbonden met de bron in discrete MOSFET's, waardoor het verpakte deel een apparaat met drie terminals is. MOSFET's, die deel uitmaken van een geïntegreerde schakeling, hebben een gemeenschappelijk substraat voor alle apparaten, tenzij ze opzettelijk zijn geïsoleerd. Deze gemeenschappelijke verbinding kan uit de matrijs worden verbonden voor verbinding met een aardings- of voedingsvoorspanning.

V-MOS

N-kanaal “V-MOS” transistor:(a) doorsnede, (b) schematisch symbool.

De V-MOS apparaat in (Figuur hierboven) is een verbeterde vermogens-MOSFET met het dopingprofiel dat is gerangschikt voor een lagere on-state source-to-drain-weerstand. VMOS ontleent zijn naam aan het V-vormige poortgebied, dat de dwarsdoorsnede van het source-drain-pad vergroot. Dit minimaliseert verliezen en maakt het schakelen van hogere vermogensniveaus mogelijk. UMOS, een variant met een U-vormige groef, is beter reproduceerbaar bij de fabricage.

BEOORDELING:

• MOSFET's zijn unipolaire geleidingsapparaten, geleiding met één type ladingsdrager, zoals een FET, maar in tegenstelling tot een BJT.
• Een MOSFET is een spanningsgestuurd apparaat zoals een FET. Een poortspanningsingang regelt de bron om stroom af te voeren.
• De MOSFET-poort trekt geen continue stroom, behalve lekkage. Er is echter een aanzienlijke initiële stroomstoot nodig om de poortcapaciteit op te laden.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Overzicht conventionele transistor en werkblad speciale transistoren