Το εξάρτημα: τρανζίστορ MOSFET

MOSFET

To MOSFET (Metal – Oxide Semiconductor FET) είναι και αυτή μια διάταξη η οποία έχει πηγή, πύλη και απαγωγό. Σε αντίθεση όμως με το JFET, η πύλη είναι ηλεκτρικά μονωμένη ως προς το κανάλι, με αποτέλεσμα το ρεύμα πύλης να είναι πάρα πού μικρό, ανεξάρτητα από τη φορά της τάσης που εφαρμόζεται μεταξύ πύλης και πηγής. Ως μονωτικό, χρησιμοποιείται ένα πολύ λεπτό στρώμα διοξειδίου του πυριτίου, το οποίο παρεμβάλλεται μεταξύ της μεταλλικής πύλης και του ημιαγωγού.

Το MOSFET καλείται και IGFET (Insulated Gate FET), επειδή η πύλη είναι μονωμένη. Σ' ένα MOSFET ο τύπος του καναλιού καθορίζεται από το είδος των φορτίων, ηλεκτρόνια ή οπές, τα οποία μεταφέρουν το ρεύμα από την πηγή στον απαγωγό. Επιπλέον τα MOSFET χωρίζονται σε δυο κατηγορίες: τα MOSFET τύπου αραίωσης και τα MOSFET τύπου πύκνωσης, ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας τους.

MOSFET τύπου αραίωσης

Το MOSFET αραίωσης αποτελείται από ένα τμήμα ημιαγωγού τύπου Ν. Στα άκρα αυτού του τμήματος συνδέονται οι ακροδέκτες πηγής και απαγωγού. Η εφαρμογή μιας τάσης μεταξύ πηγής και απαγωγού, όπου ο απαγωγός συνδέεται στο θετικό πόλο της πηγής, εξαναγκάζει τα ηλεκτρόνια σε ροή από την πηγή προς τον απαγωγό. Το MOSFET, αντίθετα με τα JFET, έχει μια μόνο περιοχή Ρ, η οποία ονομάζεται υπόστρωμα. Η περιοχή αυτή περιορίζει τη διατομή του καναλιού με αποτέλεσμα να παραμείνει ένα πολύ λεπτό στρώμα το οποίο επιτρέπει στα ελεύθερα ηλεκτρόνια να κινούνται από την πηγή στον απαγωγό. Ένα πολύ λεπτό υμένιο διοξειδίου του πυριτίου αποτίθεται στην αντίθετη πλευρά του καναλιού και πάνω σε αυτό τοποθετείται η μεταλλική πύλη.

Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται ένα MOSFET τύπου αραίωσης στο οποίο έχει εφαρμοστεί μια αρνητική τάση στην πύλη. Η πηγή τάσης V_DD υποχρεώνει τα ηλεκτρόνια να μετακινούνται από την πηγή στον απαγωγό μέσα από το λεπτό κανάλι, το οποίο βρίσκεται μεταξύ της περιοχής Ρ και της πύλης. Η αρνητική τάση που εφαρμόζεται στη πύλη απωθεί τα ηλεκτρόνια του καναλιού, με αποτέλεσμα την ελάττωση της πυκνότητας τους και συνεπώς την ελάττωση του ρεύματος απαγωγού. Αυτή η λειτουργία ονομάζεται λειτουργία αραίωσης. Όταν η τάση της πύλης γίνεται περισσότερο αρνητική ελαττώνεται το ρεύμα του απαγωγού και όταν γίνει αρκετά αρνητική το ρεύμα αυτό αποκόπτεται. Επειδή η πύλη είναι ηλεκτρικά μονωμένη ως προς το κανάλι, είναι δυνατή η εφαρμογή θετικής τάσης.

Μια θετική τάση στην πύλη έχει ως αποτέλεσμα να προσελκύονται ηλεκτρόνια προς την πλευρά της πύλης και συνεπώς να αυξάνεται η πυκνότητα τους μέσα στο κανάλι. Αυτή η λειτουργία ονομάζεται λειτουργία πύκνωσης. Έτσι, το κανάλι, αν και πρακτικά δεν αλλάζει διαστάσεις, γίνεται περισσότερο αγώγιμο με αποτέλεσμα να αυξηθεί το ρεύμα απαγωγού.

Το ρεύμα της πύλης είναι αμελητέο και στους δυο τρόπους λειτουργίας. Έτσι, και στις δυο περιπτώσεις, η αντίσταση εισόδου της πύλης είναι πολύ μεγάλη, από 10¹⁰ μέχρι 10¹⁴ Ωμ. Συμπληρωματικό στοιχείο ενός MOSFET N-καναλιού είναι το MOSFET Ρ-καναλιού.

Στο σχήμα δίδεται το κυκλωματικό σύμβολο ενός MOSFET τύπου αραίωσης. Η πύλη έχει τη μορφή οπλισμού ενός πυκνωτή. Δεξιά από την πύλη υπάρχει μια λεπτή γραμμή, η οποία παριστάνει το κανάλι. Το βέλος του υποστρώματος δείχνει προς το Ν-τύπου ημιαγωγό, οπότε η διάταξη αυτή είναι ένα MOSFET N-καναλιού. Στις περισσότερες περιπτώσεις ο κατασκευαστής συνδέει εσωτερικά το υπόστρωμα με την πηγή, οπότε έχουμε μια διάταξη τριών ακροδεκτών όπως στο σχήμα.

Οι χαρακτηριστικές απαγωγού ενός MOSFET N-καναλιού παρουσιάζονται στο σχήμα. Θα πρέπει να παρατηρήσει κανείς ότι οι καμπύλες που βρίσκονται στο άνω τμήμα των χαρακτηριστικών αντιστοιχούν σε θετικές τιμές τάσης πύλης, όπου έχουμε λειτουργία πύκνωσης (V_GS > 0V). Η χαμηλότερη καμπύλη για την οποία το ρεύμα απαγωγού είναι σχεδόν μηδέν αντιστοιχεί σε τάση πύλης ίση με την τάση αποκοπής (V_GS = V_GS(off)). Οι καμπύλες για τις οποίες η τάση πύλης βρίσκεται μεταξύ της V_GS(off) και του μηδέν αντιστοιχούν σε λειτουργία αραίωσης (V_GS< 0V).

Έχοντας όλα αυτά υπόψη, μπορούμε να πούμε ότι κάθε MOSFET το οποίο μπορεί να λειτουργήσει είτε με αραίωση είτε με πύκνωση ονομάζεται MOSFET τύπου αραίωσης.

MOSFET τύπου πύκνωσης

Ένας άλλος τύπος MOSFET, ο οποίος εφαρμόζεται κατά κύριο λόγο στα ψηφιακά κυκλώματα, είναι το MOSFET τύπου πύκνωσης. Αυτό το MOSFET λειτουργεί αποκλειστικά με πύκνωση και επιτρέπει την ταυτόχρονη ολοκλήρωση στο ίδιο τσιπ διατάξεων Ν-καναλιού και Ρ-καναλιού με αποτέλεσμα τη δημιουργία συστημάτων συμπληρωματικών στοιχείων και συνεπώς των κυκλωμάτων CMOS (Complementary MOS). Πρέπει να επισημανθεί ότι η ανάπτυξη της μικροηλεκτρονικής στον τομέα των ψηφιακών κυκλωμάτων και ειδικότερα των μικροεπεξεργαστών, οι οποίοι περιέχουν περισσότερο από ένα εκατομμύριο MOSFET σε κάθε ψηφίδα, οφείλεται στα MOSFET τύπου πύκνωσης. Επιπλέον, MOSFET τύπου πύκνωσης χρησιμοποιούνται και σε εφαρμογές ισχύος με διάφορες ονομασίες όπως V-MOSFET(Siliconix, Temic), T-MOSFET (Motorola), HEXFET (IRF) κλπ, ανάλογα με τη βελτιστοποιημένη δομή, την οποία έχουν επιτύχει διάφοροι κατασκευαστές τους.

Η δομή των MOSFET τύπου πύκνωσης διαφέρει από αυτή των MOSFET τύπου αραίωσης. Σε αυτά το υπόστρωμα εκτείνεται μέχρι την επίστρωση του οξειδίου, με αποτέλεσμα να μην υπάρχει κανάλι μεταξύ πηγής και απαγωγού αλλά μόνο μια δομή η οποία μοιάζει με δυο διόδους συνδεδεμένες αντίθετα μεταξύ τους.

Για να γίνει κατανοητή η λειτουργία ενός MOSFET τύπου πύκνωσης θα πρέπει κατ' αρχήν να εφαρμοστούν οι κανονικής πολικότητας πολώσεις της πύλης και του απαγωγού. Αρχικά θεωρούμε ότι η τάση της πύλης είναι μηδέν, δηλαδή ότι έχουμε κατάσταση βραχυκυκλωμένης πύλης. Σ' αυτή την περίπτωση το ρεύμα δεν μπορεί να διέλθει από την πηγή στον απαγωγό διότι αφενός το Ρ-τύπου υπόστρωμα έχει πάρα πολύ λίγα ελεύθερα ηλεκτρόνια και αφετέρου η δίοδος υποστρώματος – απαγωγού είναι ανάστροφα πολωμένη. Έτσι στην κατάσταση βραχυκυκλωμένης πύλης το ρεύμα του απαγωγού είναι αμελητέο.

Για να υπάρξει ρεύμα απαγωγού πρέπει να υπάρξουν ηλεκτρόνια στο υπόστρωμα, δηλαδή το υπόστρωμα να μετατραπεί – έστω τοπικά – σε Ν – τύπου ώστε να μην υπάρχουν οι δίοδοι υποστρώματος – απαγωγού. Αυτό επιτυγχάνεται χάρις στο γεγονός ότι η πύλη σχηματίζει ένα πυκνωτή με το υπόστρωμα. Έτσι, αν εφαρμοστεί μια αρκετά «υψηλή» θετική τάση στην πύλη τότε ο οπλισμός της πύλης του πυκνωτή πύλης-υποστρώματος, φορτίζεται θετικά. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να συσσωρευτεί αρνητικό φορτίο, δηλαδή ηλεκτρόνια στο υπόστρωμα. Το φορτίο αυτό συσσωρεύεται στην περιοχή του υποστρώματος, η οποία βρίσκεται ακριβώς κάτω από το λεπτό στρώμα του οξειδίου της πύλης καλύπτοντας όλη τη διαδρομή από την πηγή μέχρι τον απαγωγό. Έτσι δημιουργείται, τοπικά, ένα πολύ λεπτό στρώμα στο οποίο η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων είναι μεγαλύτερη από εκείνη των οπών. Το στρώμα αυτό συμπεριφέρεται ως τύπου-Ν και η παρουσία του αποκαθιστά την αγωγιμότητα και συνεπώς το ηλεκτρικό ρεύμα, μεταξύ πηγής και απαγωγού. Αν, στη συνέχεια, αυξηθεί η θετική τάση της πύλης, θα αυξηθεί και η πυκνότητα των ηλεκτρονίων στο υπόστρωμα. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του ρεύματος απαγωγού. Επειδή το κανάλι είναι Ν-τύπου, η διάταξη θα είναι MOSFET πύκνωσης Ν-καναλιού.

Το υπόστρωμα είναι Ρ-τύπου και με την παρουσία του ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου ένα λεπτό στρώμα αυτού, το οποίο εφάπτεται του στρώματος διοξειδίου του πυριτίου, μετατρέπεται σε Ν-τύπου. Αυτό το λεπτό στρώμα, το οποίο αλλάζει τύπο αγωγιμότητας, ονομάζεται στρώμα αναστροφής Ν-τύπου.

Η ελάχιστη τάση πύλης-πηγής, η οποία προκαλεί την εμφάνιση του στρώματος αναστροφής Ν-τύπου ονομάζεται τάση κατωφλίου και σημειώνεται με V_GS(th). Έτσι, όταν η τάση της πύλης είναι μικρότερη από την τάση κατωφλίου το MOSFET είναι ανοικτό. Αντίθετα, όταν η τάση της πύλης είναι μεγαλύτερη από την τάση κατωφλίου, το MOSFET άγει.

Στο σχήμα παρουσιάζονται οι χαρακτηριστικές ρεύματος απαγωγού συναρτήσει της τάσης απαγωγού-πηγής για διάφορες τιμές της τάσης πύλης. Η χαμηλότερα ευρισκόμενη καμπύλη αντιστοιχεί σε τάση πύλης ίση με την τάση κατωφλίου V_GS(th). Έτσι όταν η τάση πύλης είναι μικρότερη της τάσης κατωφλίου το ρεύμα απαγωγού είναι σχεδόν μηδέν. Αντίθετα, όταν η τάση πύλης είναι μεγαλύτερη από την τάση κατωφλίου το MOSFET άγει και το ρεύμα απαγωγού καθορίζεται από την τάση πύλης. Στις χαρακτηριστικές του σχήματος παρατηρούμε μια συμπεριφορά αντίστοιχη με αυτή των MOSFET αραίωσης, δηλαδή μια περιοχή όπου το ρεύμα παραμένει σχεδόν σταθερό (ενεργός περιοχή ή περιοχή πηγής ρεύματος). Στο σχήμα παρουσιάζεται η χαρακτηριστική διαγωγιμότητας, η οποία και στην περίπτωση των MOSFET πύκνωσης αποτελεί μέρος μιας παραβολής. Η παραβολή αρχίζει, όπως αναμένεται από τα παραπάνω, από το σημείο V_GS(th). 

Στην κατάσταση βραχυκυκλωμένης πύλης το MOSFET τύπου πύκνωσης βρίσκεται σε κατάσταση off, επειδή δεν υπάρχει κανάλι μεταξύ πηγής και απαγωγού. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα στο κυκλωματικό σύμβολο το κανάλι να δηλώνεται με μια διακεκομμένη γραμμή και κατά αυτό τον τρόπο, να διαφέρει από εκείνο του MOSFET αραίωσης. Στο παρακάτω σχήμα δίδεται και το κυκλωματικό σύμβολο ενός MOSFET πύκνωσης.

Σε κάθε τύπο MOSFET, αραίωσης ή πύκνωσης, παρεμβάλλεται μεταξύ της πύλης και του καναλιού ένα λεπτό στρώμα διοξειδίου του πυριτίου. Αυτό το πάχος του στρώματος του διοξειδίου του πυριτίου και η διηλεκτρική αντοχή του υλικού (10⁷ V/cm) συνεπάγεται ότι η τάση που εφαρμόζεται στην πύλη μπορεί να κυμαίνεται σε κάποια όρια, τα οποία αν ξεπεραστούν το MOSFET καταστρέφεται. Τα όρια τάσης πύλης καθορίζονται με το V_GS(max) και στην περίπτωση του VN10 είναι V_GS(max) = +-40V

Το μονωτικό στρώμα του διοξειδίου του πυριτίου της πύλης μπορεί να καταστραφεί και από άλλους λιγότερο προφανείς λόγους, εκτός από την επιβολή υψηλής τάσης. Η τοποθέτηση ή η απομάκρυνση του MOSFET από ένα κύκλωμα, το οποίο ήδη τροφοδοτείται, μπορεί να οδηγήσει στην ανάπτυξη μεταβατικών τάσεων υψηλότερων από τη V_GS(max). Επίσης τα ηλεκτροστατικά φορτία που εναποτίθενται στην πύλη ενός MOSFET όταν το πιάνουμε, μπορούν να αναπτύξουν τάσεις που υπερβαίνουν τη V_GS(max). Γι' αυτό το λόγο τα MOSFET προστατεύονται με αγώγιμο δακτυλίδι, το οποίο απομακρύνεται μετά την τοποθέτηση τους ή μεταφέρονται σε αγώγιμο σάκο και τοποθετούνται από τεχνικούς, οι οποίοι πατούν σε γειωμένο αγώγιμο δάπεδο ή φέρουν αγώγιμο βραχιόλι το οποίο είναι επίσης γειωμένο.