MOSFET

Transistor MOS , o Transistor de campo (unipolar) con una puerta aislada ( ing. transistor de efecto de campo semiconductor de óxido de metal, abreviado "MOSFET" ): un dispositivo semiconductor, un tipo de transistores de efecto de campo . La abreviatura MOS se deriva de las palabras " semiconductor de óxido de metal ", que denota una secuencia de tipos de materiales en el cuerpo principal del dispositivo.

El MOSFET tiene tres terminales: puerta, fuente, drenaje (ver figura). El contacto posterior (B) generalmente está conectado a la fuente. En la región cercana a la superficie del semiconductor, se crea un llamado canal durante la fabricación o se induce (aparece cuando se aplican voltajes). La cantidad de corriente en él (corriente de fuente-drenaje) depende de los voltajes de fuente-puerta y fuente-drenaje.

El material semiconductor suele ser silicio (Si), y la puerta de metal está separada del canal por una fina capa de aislante [1] : dióxido de silicio (SiO 2 ). Si el SiO 2 se reemplaza por un dieléctrico sin óxido (D), se usa el nombre de transistor MOS ( ing. MISFET , I = aislante).

A diferencia de los transistores bipolares , que funcionan con corriente, los IGBT funcionan con voltaje, ya que la puerta está aislada del drenaje y la fuente; tales transistores tienen una impedancia de entrada muy alta .

Los MOSFET son la columna vertebral de la electrónica moderna. Son el producto industrial más producido en masa, de 1960 a 2018 se produjeron alrededor de 13 sextillones (1,3 × 10 21 ) [2] . Dichos transistores se utilizan en los modernos microcircuitos digitales, siendo la base de la tecnología CMOS .

Clasificación

Por tipo de canal

Hay transistores MOS con su propio (o integrado) ( ing. transistor de modo de agotamiento ) y canal inducido (o inverso) ( ing. transistor de modo de mejora ). En los dispositivos con un canal incorporado, con un voltaje cero entre la puerta y la fuente, el canal del transistor está abierto (es decir, conduce la corriente entre el drenaje y la fuente); para bloquear el canal, debe aplicar un voltaje de cierta polaridad a la puerta. El canal de los dispositivos con un canal inducido está cerrado (no conduce corriente) con voltaje de fuente de puerta cero; para abrir el canal, debe aplicar un voltaje de cierta polaridad en relación con la fuente a la puerta.

En ingeniería digital y de energía, los transistores con un canal inducido generalmente se usan solo. En la tecnología analógica se utilizan ambos tipos de dispositivos [1] .

Tipo de conductividad

El material semiconductor del canal se puede dopar con impurezas para obtener conductividad eléctrica de tipo P o N. Al aplicar un cierto potencial a la puerta, es posible cambiar el estado de conducción de la sección del canal debajo de la puerta. Si, al mismo tiempo, sus portadores de carga principales se desplazan del canal, mientras se enriquece el canal con portadores minoritarios, entonces este modo se denomina modo de enriquecimiento . En este caso, la conductividad del canal aumenta. Cuando se aplica un potencial de signo opuesto a la puerta en relación con la fuente, el canal se agota de los portadores minoritarios y su conductividad disminuye (esto se denomina modo de agotamiento , que es típico solo para transistores con un canal integrado) [3] .

Para los transistores de efecto de campo de canal n, el disparador es un voltaje positivo (en relación con la fuente) aplicado a la puerta y al mismo tiempo excede el voltaje umbral para abrir este transistor. En consecuencia, para los transistores de efecto de campo de canal p, el voltaje de activación será negativo en relación con el voltaje de fuente aplicado a la puerta y excederá su voltaje de umbral.

La gran mayoría de los dispositivos MOS están fabricados de tal manera que la fuente del transistor está conectada eléctricamente al sustrato semiconductor de la estructura (la mayoría de las veces al propio cristal). Con esta conexión, se forma el llamado diodo parásito entre la fuente y el drenaje. Reducir el efecto nocivo de este diodo está asociado con importantes dificultades tecnológicas, por lo que aprendieron a superar este efecto e incluso a utilizarlo en algunas soluciones de circuitos. Para los FET de canal n, el diodo parásito está conectado con el ánodo a la fuente, y para los FET de canal p, el ánodo está conectado al drenaje.

Transistores especiales

Hay transistores con múltiples puertas. Se utilizan en tecnología digital para implementar elementos lógicos o como celdas de memoria en EEPROM . En los circuitos analógicos, los transistores de puertas múltiples, análogos de los tubos de vacío de rejilla múltiple, también se han generalizado un poco, por ejemplo, en circuitos mezcladores o dispositivos de control de ganancia.

Algunos transistores MOS de alta potencia, utilizados en ingeniería energética como interruptores eléctricos , cuentan con una salida adicional del canal del transistor para controlar la corriente que fluye a través de él.

Símbolos gráficos convencionales

Las designaciones gráficas convencionales de dispositivos semiconductores están reguladas por GOST 2.730-73 [4] .

	canal inducido	Canal incorporado
canal P
canal N
Leyenda: Z - puerta (G - Puerta), I - fuente (S - Fuente), C - drenaje (D - Drenaje)

Características del funcionamiento de los MOSFET

Los transistores de efecto de campo están controlados por un voltaje aplicado a la puerta del transistor en relación con su fuente, mientras que:

I_{c}=I_{u};

{\ estilo de visualización I_ {3} \ a 0.}

Cuando cambia el voltaje , el estado del transistor y la corriente de drenaje cambian . $tu_{3u}$ $yo_{c}$

Para transistores con canal n, cuando el transistor está cerrado; $U_{3u}<U_{nop}\,,I_{c}=0$
Cuando el transistor se abre y el punto de operación está en la sección no lineal de la característica de control (stock-gate) del transistor de efecto de campo: $U_{3u}>U_{nop}$ $I_{c}=K_{n}\left[\left(U_{3u}-U_{nop}\right)\cdot U_{cu}-{\frac {U_{cu}^{2)) {2}}\derecho];$ $K_n$ - inclinación específica de las características del transistor;
Con un aumento adicional en el voltaje de control, el punto de operación pasa a la sección lineal de la característica de compuerta de drenaje; $tu_{3u}$ $I_{c}={\frac {K_{n}}{2}}\left[U_{3u}-U_{nop}\right]^{2}$ es la ecuación de Hovstein.

Funciones de conexión

Cuando se conectan MOSFET potentes (especialmente los que funcionan a altas frecuencias), se utiliza un circuito de transistor estándar:

Circuito RC (amortiguador), conectado en paralelo a la fuente-drenador, para suprimir las oscilaciones de alta frecuencia y los grandes pulsos de corriente que se producen al conmutar el transistor debido a la inductancia parásita y la capacitancia de los buses de alimentación. Las oscilaciones de alta frecuencia y las corrientes pulsadas aumentan la generación de calor en el transistor y pueden dañarlo si el transistor funciona en el régimen térmico máximo permisible). El amortiguador también reduce la tasa de aumento de voltaje en los terminales de fuente de drenaje, lo que protege al transistor de la apertura automática a través de la capacitancia.
Un diodo de protección rápido, conectado en paralelo a la fuente-drenador en conexión inversa con respecto a la fuente de alimentación, desvía los pulsos de corriente generados cuando se apaga el transistor que opera con una carga inductiva.
Si los transistores funcionan en un circuito de puente o medio puente a alta frecuencia (por ejemplo, en inversores de soldadura , calentadores de inducción , fuentes de alimentación conmutadas ), además del diodo protector, a veces se incluye un diodo Schottky en el circuito opuesto en el circuito de drenaje para bloquear el diodo parásito. Un diodo parásito tiene un tiempo de apagado prolongado, lo que puede provocar corrientes de paso y fallas en el transistor.
Una resistencia conectada entre la fuente y la puerta para drenar la carga de la puerta. La compuerta almacena carga eléctrica como un capacitor, y después de que se elimina la señal de control, es posible que el MOSFET no se cierre (o se cierre parcialmente, lo que provocará un aumento de su resistencia, calentamiento y falla). El valor de la resistencia se selecciona de tal manera que tenga poco efecto en el control del transistor, pero al mismo tiempo descargue rápidamente la carga eléctrica de la puerta.
Diodos de protección ( supresores ) conectados en paralelo con el transistor y su puerta. Cuando el voltaje de suministro en el transistor (o cuando la señal de control en la puerta del transistor) excede el valor permitido, por ejemplo, durante el ruido de impulso, el supresor limita las peligrosas sobretensiones y protege el dieléctrico de la puerta contra rupturas.
Una resistencia conectada en serie con el circuito de la puerta para reducir la corriente de recarga de la puerta. La puerta de un potente transistor de efecto de campo tiene una alta capacitancia y es eléctricamente equivalente a un capacitor con una capacidad de varias decenas de nanofaradios, lo que provoca corrientes de pulso significativas durante la recarga de la puerta por frentes cortos de la tensión de control (hasta un unidad de amperios). Grandes corrientes de sobretensión pueden dañar el controlador de la puerta del transistor.
Un potente transistor MOS que funciona en el modo clave a altas frecuencias se controla mediante un controlador : un circuito especial o un microcircuito listo para usar que amplifica la señal de control y proporciona una gran corriente de pulso para recargar rápidamente la puerta del transistor. Esto aumenta la velocidad de conmutación del transistor. La capacitancia de puerta de un potente transistor de potencia puede alcanzar decenas de nanofaradios. Para recargarlo rápidamente se requiere una corriente de unidades de amperios.
También se utilizan optocontroladores, controladores combinados con optoacopladores . Los optodrivers proporcionan aislamiento galvánico del circuito de alimentación del circuito de control, protegiéndolo en caso de accidente, y también proporcionan aislamiento galvánico de tierra cuando se controlan los MOSFET superiores en circuitos de puente y medio puente. La combinación de un controlador con un optoacoplador en una carcasa simplifica el desarrollo y la instalación del circuito, reduce las dimensiones del producto, su costo, etc.
En dispositivos de alta corriente con un alto nivel de ruido y electricidad, un par de diodos Schottky conectados en la dirección opuesta, los llamados, están conectados a las entradas de microcircuitos hechos en estructuras MOS. un enchufe de diodo (un diodo está entre la entrada y el bus común, el otro está entre la entrada y el bus de alimentación) para evitar el fenómeno del llamado "chasquido" de la estructura MOS. Sin embargo, en algunos casos, el uso de un enchufe de diodo puede provocar un efecto no deseado de "energía perdida" (cuando se apaga el voltaje de suministro, el enchufe de diodo puede funcionar como un rectificador y continuar alimentando el circuito).

Invención

En 1959, Martin Attala propuso hacer crecer las puertas de los transistores de efecto de campo a partir de dióxido de silicio. Ese mismo año, Attala y Dion Kang crearon el primer MOSFET funcional. Los primeros transistores MOS producidos en masa ingresaron al mercado en 1964, en la década de 1970, los microcircuitos MOS conquistaron los mercados de chips de memoria y microprocesadores , y a principios del siglo XXI, la participación de los microcircuitos MOS alcanzó el 99% del número total de circuitos integrados (CI) producidos [5 ] .

Notas

↑ 1 2 Zherebtsov IP Fundamentos de la electrónica. ed. 5º, - L.: 1989. - S. 120-121.
↑ 13 Sextillones y contando: el largo y sinuoso camino hacia el artefacto humano fabricado con mayor frecuencia en la historia . Museo de Historia de la Computación (2 de abril de 2018). Consultado el 28 de julio de 2019. Archivado desde el original el 28 de julio de 2019. (indefinido)
↑ Moskatov E. A. Equipo electronico. Comienzo. - Taganrog, 2010. - S. 76.
↑ GOST 2.730-73 ESKD. Designaciones gráficas condicionales en esquemas. Dispositivos semiconductores Archivado el 12 de abril de 2013 en Wayback Machine .
↑ 1960 - Demostración del transistor semiconductor de óxido de metal (MOS) . Museo de Historia de la Computación (2007). Consultado el 29 de marzo de 2012. Archivado desde el original el 5 de agosto de 2012. (indefinido)

Enlaces

Principios de funcionamiento de los MOSFET e IGBT de alta potencia .
Tereshchuk D.S. Modelado lógico de VLSI a nivel de conmutación .
Egorov A. Aplicación de transistores MOSFET de NXP Semiconductors en electrónica .

diccionarios y enciclopedias	Gran danés Gran catalán Britannica (en línea)
En catálogos bibliográficos	BNF : 12423223g TIERRA : 4207266-9 J9U : 987007565647505171 LCCN : sh85084065 NDL : 01142304