Unipolární tranzistor MOS s izolovanou řídící elektrodou
Ideální struktura MOS

Tranzistor IGFET využívá pro svou funkci elektrické pole, které ovládá přes tenkou vrstvu izolantu vodivost polovodiče pod touto vrstvou. Tranzistor existuje ve čtyřech variantách, které můžeme vidět na dalším zobrazení.

Vodivý kanál může být vodivosti N nebo P a buď existuje:
a) již při nulovém napětí na hradle (tranzistor s trvalým kanálem, s automatickým otevřením, ochuzovací modifikace tranzistoru [depletion type]) nebo
b) vznikne až při určité velikosti kladného nebo záporného napětí na hradle, napětí označujeme UGS (tranzistor s indukovaným kanálem, s automatickým uzavřením, obohacovací modifikace tranzistoru [enhancement type]), které nazýváme prahovým napětím a značíme UP (nebo UP, T=treshold=práh).

Příčné elektrické pole které vzniká připojením napětím na řidící elektrodu zvanou hradlo a označovanou G (GATE) zužuje, rozšiřuje nebo vytváří vodivou dráhu v polovodiči (zvanou kanál) mezi hlavními elektrodami nazvanými emitor E (S, SOURCE - zdroj) a kolektor C (D, DRAIN - odtok). B (BASE - základ) je většinou spojována s emitorem.

Základní struktury tranzistoru MOS
tranzistor s indukovaným kanálem tranzistor s trvalým kanálem
NMOS PMOS NMOS PMOS
Schématické značky



Základní struktura a kanály NMOS, PMOS

Na dalších obrázcích je zobrazena duální struktura unipolárního tranzistoru s vyznačením polovodičové struktury a jejich vodivých kanálů obou typů tranzistorů. Vodivým kanálem unipolárního tranzistoru se rozumí místo, které slouží pro pohyb nosičů.


NMOS
PMOS
...kovové kontakty
...SiO2, izolační vrstva
...polodovič typu P
...polovodič typu N
...kanál typu N
...kanál typu P


Energetické hladiny, pásové diagramy

Ideální struktura MOS je vytvořena z kovové elektrody, z ideálního izolantu, který nemůže protékat žádný proud a který neobsahuje volné nosiče náboje, a z homogenně dotovaného polovodiče, opatřeného na spodní straně ohmickým kontaktem. V oxidu a na rozhraní oxid-polovodič nejsou žádná nabitá centra (povrchové stavy apod.).

Energetický pásový diagram ideální MOS struktury se substrátem typu N v rovnovážném stavu vidíme na obrázku.

Pro zobrazení jednotlivých stavů struktury MOS vyberte z nabídky.
Rovnovážný stav UG=0

1. obrázek - průřez strukturou
V rovnovážném stavu (UG=0) není na strukturu přivedeno žádné napětí

2. obrázek - zobrazení energetických hladin
Fermiho energie v kovu i v polovodiči leži ve stejné úrovni. Výstupní práce elektronu z kovu i z polovodiče jsou si rovny a proto v rovnovážném stavu nedochází k zakřivení energetických pásů v polovodiči [flat band].
Ve skutečnosti vlivem rozdílných výstupních prací z kovu a z polovodiče dojde pod povrchem polovodiče k vytvoření akumulované, depletiční nebo dokonce inverzní vrstvy a k tomu odpovídajícímu zakřivení energetických pásů.

3. obrázek - rozložení náboje odpovídajícího napětí

...elektrony, ...díry

Podobně můžeme popsat vznik akumulované (UG<0), depletiční (UG>0) a inverzní (UG>UP>0)) vrstvy v případě ideální MOS struktury se substrátem typu P.
Princip činnosti tranzistoru v obohacovacím režimu (aktivní režim)

Napětí hradlo-emitor UGE, při kterém začíná v povrchové oblasti polovodiče stav silné inverze, se označuje jako prahové napětí UP. Napětí na hradle řídí hloubku kanálu typu N a koncentraci elektronů ve vodivé oblasti mezi emitorem a kolektorem.

1. Výchozí stav při UGE=0 - Proud mezi kolektorem (C) a emitorem (E) je velmi malý (stovky nA), jeho velikost je dána pouze měrným odporem základního materiálu - substrátu. Po přiložení kladného napětí UGE se vytvoří depletiční vrstva (viz Energetické hladiny) pod rozhraním dielektrikum-polovodič. Při UGE>UP se vytvoří inverzní vrstva s vodivostí typu N. Při UCE <> 0 začne kanálem protékat proud IC.

2. Přiložení napětí UCE < UGS-UP Při zvyšování UCE klesá rozdíl potenciálu C a G a zužuje se kanál (jak je zobrazeno na obrázku).

3. Zvýšení napětí UCE = UCESAT Při nulovém rozdílu potenciálu dojde na straně kolektoru k uzavření kanálu a k saturaci proudu. Procházející proud způsobí úbytek napětí "podél" kanálu od C k E, proto C je kladnější vůči S. Tento kladný úbytek způsobí zúžení kanálu od E k C a při dostatečně velkém IC (UCE) se v kolektoru uzavře ("zaškrtí").

4. Napětí UCE > UCESAT Při dalším nárůstu napětí UCE proud nezaniká a zůstává konstantní (viz Charakteristiky tranzistoru - Výstupní charakteristika).

změny ve struktuře odvození charakteristiky IC=f(UCE, UGE)

Náhradní obvod tranzistoru (kapacitní vlastnosti)

Pro bližší vysvětlení tranzistoru můžeme jednotlivé prvky tranzistoru zakreslit do náhradního obvodu tranzistoru. Dále budeme popisovat význam jednotlivých symbolů pro tranzistor v zapojení se společným emitorem. Velmi důležitou vlastností je kapacita struktury MOS, která je tvořena sériovou kombinací kapacity polovodičové vrstvy pod rozhraním izolant-polovodič CjE a kapacitou izolační vrstvy CjC.
Tranzistory mohou teoreticky pracovat ve velmi širokém kmitočtovém pásmu dosahující až několik stovek GHz. Avšak vlivem přítomnosti parazitních kapacit je skutečný kmitočtový rozsah menší.

obr.1 - náhradní obvod obr.2 - význam jednotlivých symbolů
kapacita přechodu: 

Legenda k obrázku:
gm(omega)...strmost tranzistoru - často nazývaná též přenosová vodivost [transconductance], závisí na poloze pracovního bodu a vzrůstá při UGS-->0, je definována jako
gd...kolektorová (výstupní) vodivost
CGE...kapacita přechodu hradlo-emitor
CGC...kapacita přechodu hradlo-kolektor
CCE...kapacita přechodu kolektor-emitor (kapacita polovodičové vrstvy pod rozhraním izolant-polovodič CjE + kapacita izolační vrstvy CjC)


 úvod  |  obsah  ||  teorie |  charakteristiky |  pracovní bod |  struktury