Co to jest tranzystor MOS?

Tranzystor półprzewodnikowy z tlenkiem metalu (MOS) jest elementem składowym większości współczesnych cyfrowych pamięci, procesorów i układów logicznych. Jest to również wspólny element wielu analogowych i mieszanych układów scalonych. Tranzystory te znajdują się w dowolnej liczbie urządzeń elektronicznych, od telefonów komórkowych i komputerów po sterowane cyfrowo lodówki i elektroniczny sprzęt medyczny. Tranzystor MOS jest dość wszechstronny i może działać jako przełącznik, wzmacniacz lub rezystor. Znany jest również jako szczególny typ tranzystora polowego (FET), zwany bramką izolowaną (IGFET) lub MOS (MOSFET). Efekt polowy odnosi się do pola elektrycznego od ładunku na bramce tranzystora.

Tranzystor MOS jest wytwarzany na półprzewodnikowym krystalicznym podłożu, zwykle wykonanym z krzemu. Podłoże jest zwieńczone cienką warstwą izolacyjną, często wykonaną z dwutlenku krzemu. Powyżej tej warstwy znajduje się bramka, zwykle wykonana z metalu lub polikrystalicznego krzemu. Obszar kryształu po jednej stronie bramy nazywa się źródłem, a drugą jest drenem. Źródło i dren są zazwyczaj „domieszkowane” tym samym rodzajem krzemu; kanał pod bramą jest „domieszkowany” przeciwnego typu. Tworzy to strukturę podobną do standardowego tranzystora NPN lub PNP.

Tranzystor MOS jest generalnie wytwarzany jako tranzystor PMOS lub NMOS. Tranzystor PMOS ma źródło i dren wykonane z krzemu typu p; kanał pod bramą jest typu n. Po przyłożeniu ujemnego napięcia do bramki tranzystor włącza się. Umożliwia to przepływ prądu między źródłem a odpływem. Gdy do bramy przyłożone zostanie dodatnie napięcie, wyłącza się.

Tranzystor NMOS jest odwrotny: kanał typu p ze źródłem typu n i drenem. Gdy do bramki tranzystora NMOS zostanie przyłożone napięcie ujemne, wyłącza się; dodatnie napięcie włącza go. Zaletą NMOS w porównaniu z PMOS jest szybkość przełączania - NMOS jest na ogół szybszy.

Wiele układów scalonych wykorzystuje komplementarne bramki logiczne MOS (CMOS). Bramka CMOS składa się z dwóch rodzajów tranzystorów połączonych razem: jednego NMOS i jednego PMOS. Bramy te są często preferowane tam, gdzie zużycie energii ma kluczowe znaczenie. Zazwyczaj nie zużywają energii, dopóki tranzystory nie przejdą z jednego stanu do drugiego.

MOSFET z trybem wyczerpywania jest specjalnym typem tranzystora MOS, który można wykorzystać jako rezystor. Obszar bramy jest wykonany z dodatkowej warstwy między izolatorem dwutlenku krzemu a podłożem. Warstwa jest „domieszkowana” tym samym rodzajem krzemu, co obszary drenażu i źródła. Gdy na bramie nie ma ładunku, warstwa ta przewodzi prąd. Rezystancja zależy od wielkości tranzystora podczas jego tworzenia. Obecność ładunku bramki powoduje wyłączenie tego typu tranzystora MOS.

Podobnie jak większość innych tranzystorów, tranzystor MOS może wzmacniać sygnał. Ilość prądu przepływającego między źródłem a drenem zmienia się w zależności od sygnału bramki. Niektóre tranzystory MOS są skonstruowane i pakowane osobno w celu obsługi dużych prądów. Mogą być stosowane w zasilaczach impulsowych, wzmacniaczach dużej mocy, przetwornikach cewek i innych aplikacjach analogowych lub mieszanych. Większość tranzystorów MOS jest wykorzystywana w obwodach cyfrowych o niskiej mocy i niskim prądzie. Zazwyczaj są one zawarte w chipach z innymi częściami, a nie stoją same.