Isolatie-gate Field-Effect Transistoren (MOSFETs) – ontwerp, werking en vermogenvarianten

De Isolatie-gate Field-Effect Transistor (IGFET), algemeen een Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET) genoemd, is een toonaangevende variant van de field-effect transistor familie. In hedendaagse elektronica domineren MOSFETs digitale geïntegreerde schakelingen, waarbij elke chip vaak honderden miljoenen individuele apparaten bevat. Hun afmetingen vallen routinematig onder één micron, krimpend ongeveer elke 18 maanden naarmate de wet van Moore voortduurt. Hoewel discrete bipolaire knooppunttransistoren (BJTs) nog steeds veelvoorkomender zijn in standalone behuizingen, kunnen grootoppervlakte MOSFETs schakelen tot bijna 100 A bij lage spanningen, en gespecialiseerde apparaten kunnen tot 1 kV bij lagere stromen hanteren. Deze transistoren innemen een aanzienlijke fractie van een vierkante centimeter silicium, wat hun betekenis in vermogensbeperkte systemen benadrukt.

MOSFET werking

Een MOSFET deelt de source, gate en drain terminalen van een conventionele FET, maar de gate is geïsoleerd van het silicium door een dunne oxidadelaag. De gate-structuur lijkt op een Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) condensator—wanneer geladen, induceert de gate een inversielaag die geleidt tussen source en drain. Voor een n-kanaal apparaat trekt een positieve gatebias elektronen in het P-type substraat, vormend een geïnverteerd n-type kanaal dat de zwaar gedopte source en drain overbrugt. Het resultaat is een unipolair apparaat waar een enkel ladragertype—elektronen in dit geval—geleiding voorziet.

N-kanaal MOS condensator: (a) geen lading, (b) geladen.

N-kanaal MOSFET (enhancement type): (a) 0 V gatebias, (b) positieve gatebias. Een positieve gatebias laadt de condensator op, wat een inversieregio induceert die de source en drain verbindt, wat een aanzienlijke stroom toestaat wanneer een drain-bron spanning wordt toegepast. In een praktische schakeling zou de last in serie met de drainvoeding worden aangesloten.

E-MOSFET (Enhancement Mode)

De bovenstaande configuratie is een Enhancement-Mode MOSFET, het meest omnipresente type. Het apparaat is normaal uit; een gate spanning boven de drempel zet het aan door het inversiekanaal te versterken. In tegenstelling tot BJTs, trekt de MOSFET's gate geen continue stroom, alleen een korte golf om zijn capaciteit op te laden.

Discrete MOSFET doorsnede

De doorsnede van een typische n-kanaal discrete MOSFET wordt hieronder getoond. Zware n-type doping (N+) aan de source en drain verlaagt de serieweerstand, terwijl lichtere doping (N−) in het kanaalgebied lekkage minimaliseert. De P-type gate regio kan geïnverteerd worden door een positieve bias, wat een lage-weerstand pad van source naar drain creëert. Veel hoogvermogen apparaten gebruiken een slangenvormige layout om het effectieve kanaaloppervlak en stroomcapaciteit te vergroten.

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

V-MOS (V-vormige MOSFET)

V-MOS apparaten hebben een V-vormige gate die het bron-drain kanaaloppervlak uitbreidt, wat de aan-stand weerstand verlaagt en hogere vermogensafhandeling mogelijk maakt. Een U-vormige variant (UMOS) biedt verbeterde fabricagebaarheid terwijl de prestaties behouden blijven.

Kernpunten

• MOSFETs geleiden met een enkel ladragertype, wat ze unipolair maakt zoals FETs, maar verschillend van BJTs.
• Gatesspanning controleert bron-naar-drain stroom; de gate trekt praktisch geen DC stroom.
• Initiële gatopladering vereist een korte golf, maar lekkage is verwaarloosbaar.

Gerelateerde werkbladen

• Conventionele Transistor Overzicht en Speciale Transistoren Werkblad