Spis treści:
Hasło „MOSFET” zajmuje szczególne miejsce w słowniku współczesnej elektroniki, dlatego koniecznie należy znać zasadę działania i parametry tych przydatnych tranzystorów.
Z pewnością spotkałeś się już z określeniami, że dany rodzaj procesora komputera czy też koprocesora graficznego (GPU) składa się z określonej (zwykle w miliardach) liczby tranzystorów. Na co dzień rzadko jednak zastanawiamy się, jak działają te fundamentalne cegiełki współczesnej techniki cyfrowej i dlaczego akurat one stały się budulcem wydajnych jednostek obliczeniowych, obecnych w każdym komputerze, smartfonie, a nawet smartwatchu. Dziś przedstawimy Ci element, który stoi za całą tą cyfrową rewolucją – omówimy tranzystory MOSFET.
Tranzystor MOSFET – budowa i zasada działania
Budowę struktury krzemowej tranzystora MOSFET omówimy na przykładzie tranzystora typu N-MOSFET (o elementach wykonanych w przeciwnej polaryzacji napiszemy za chwilę).
Całość jest oparta na podłożu, wykonanym w postaci cienkiej płytki kryształu krzemu o tzw. słabym domieszkowaniu typu P. W płytce tworzone są dwa obszary półprzewodnika silnie domieszkowanego, ale o przeciwnym typie przewodnictwa – czyli w tym przypadku tworzony jest półprzewodnik typu N. Obszary te nazywane są mianem źródła (i oznaczane jako „S”, od ang. wyrazu Source) oraz drenu („D”, ang. Drain).
Na powierzchni pomiędzy obydwoma tymi polami napylana jest cienka warstwa izolatora, w którego roli występuje zwykle krzemionka (SiO2) lub tlenek krzemu (stąd nazwa – Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, czyli MOSFET).
Od zewnętrznej strony dielektryka nakładana jest cienka warstwa metalu, pełniąca rolę podłączenia trzeciej elektrody – określanej jako bramka („G”, od ang. Gate).
Jeżeli bramka tranzystora nie jest zasilana napięciem, to prąd pomiędzy drenem, a źródłem, praktycznie nie może przepływać – rezystancja obwodu D-S jest bardzo wysoka. Podanie niewielkiego napięcia na bramkę (przeważnie w zakresie od kilku do kilkunastu woltów) powoduje, że w obszarze położonym pod elektrodą bramki powstaje pole elektryczne, prowadzące to utworzenia tzw. warstwy inwersyjnej. Oznacza to, że typ przewodnictwa w tym miejscu zmienia się na przeciwny, więc (w przypadku omawianej struktury) – z P na N, czyli… taki sam, jak w przypadku drenu i źródła. A to wystarczy, by przez obwód D-S mógł płynąć prąd – w podłożu tworzy się niejako „kanał” N, stąd też nazwa naszego dzisiejszego bohatera – N-MOSFET.
N-MOSFET vs. P-MOSFET
Aby tranzystor N-MOSFET mógł przewodzić prąd w obwodzie dren-źródło, konieczne jest przyłożenie napięcia dodatniego do bramki – warto dodać, że zarówno napięcie zasilające obciążenie (włączone zwykle między dren, a dodatni biegun zasilania, np. +12V), jak i napięcie bramki, odnoszone są do potencjału źródła – ta końcówka jest w większości przypadków podłączona do masy układu (choć rzecz jasna nie zawsze, gdyż zależy to od rodzaju obwodu i jego przeznaczenia).
W przypadku tranzystorów P-MOSFET, zarówno budowa struktury półprzewodnikowej, jak i kierunki napięć oraz prądów, są dokładnie przeciwne. Podłoże jest wykonane z półprzewodnika typu N, zaś obszary źródła i drenu są typu P. Odwrotnie są także „ustawione” napięcia – źródło tranzystora P-MOSFET znajduje się na potencjale wyższym, zaś bramkę należy „sprowadzić w dół” (podać na nią napięcie niższe od potencjału źródła o kilka..kilkanaście woltów), aby prąd mógł płynąć od zasilania, przez źródło i wypływać do obciążenia z drenu.
Porównanie MOSFETów i tranzystorów bipolarnych
Jeżeli znasz zasadę działania tranzystorów bipolarnych (BJT) typu NPN i PNP, to z pewnością widzisz sporo podobieństw.
Podstawową różnicą jest sposób sterowania bramki – o ile baza tranzystorów BJT wymaga przepływu pewnego prądu (który – przemnożony przez współczynnik β – daje wynikową wartość prądu kolektora, oczywiście tylko w liniowym zakresie pracy), o tyle przez bramkę prąd praktycznie nie płynie. Ściślej rzecz ujmując – prawie nie płynie, gdyż bramka przypomina swoim zachowaniem niewielki kondensator – jest w stanie przepuścić niewielki impuls prądowy, ale tylko podczas gwałtownej zmiany napięcia sterującego; w stanie statycznym prąd bramki przestaje płynąć.
Kolejna, istotna różnica pomiędzy tranzystorami BJT i MOSFET, leży w zachowaniu obwodu sterowanego (odpowiednio – kolektor-emiter bądź dren-źródło). Okazuje się bowiem, że o ile w przypadku tranzystorów bipolarnych obwód ten zachowuje się jak źródło prądowe (sterowane prądem bazy), to w MOSFETach pełni on rolę swego rodzaju „potencjometru przestrajanego napięciem” – w typowych warunkach obwód D-S można traktować jako czystą rezystancję.
Po co komu kolejne rodzaje tranzystorów?
Istotną zaletą MOSFETów jest właśnie brak przepływu prądu sterującego elektrodą „wejściową” (bramką). Ta cecha sprawiła, że tranzystory polowe wyparły BJT z układów cyfrowych (TTL), zastępując je całkowicie technologią CMOS (w której poszczególne „cegiełki” bramek, liczników czy rejestrów, są wykonane z komplementarnych par tranzystorów MOSFET). Nieprzypadkowo zwróciliśmy wcześniej uwagę, że bramka tranzystora MOSFET pobiera prąd tylko w trakcie zmiany napięcia – to właśnie powoduje, że układy CMOS pobierają niebywale mały prąd z układu zasilania, choć wartość natężenia tego prądu rośnie wraz ze zwiększaniem częstotliwości przełączania. I rzeczywiście, w przypadku bardzo wydajnych procesorów komputerowych, zawierających miliony (i więcej) tranzystorów, te sumaryczne, maleńkie prądy, dają w efekcie dość spore natężenie, które – przemnożone przez napięcie zasilania – daje całkiem sporą moc, zdolną do znacznego podniesienia temperatury procesora. Ale to już opowieść na osobny artykuł.
Zapamiętaj, że tranzystory MOSFET są podstawowym budulcem układów cyfrowych (i nie tylko), często można je też spotkać w roli elementów sterujących obciążeniami (np. cewkami przekaźników czy uzwojeniami silników) – co ważne, dzięki znikomemu poborowi prądu, tranzystory N-MOSFET bezproblemowo współpracują z mikrokontrolerami.
