Voľné elektróny v kanále tvoria pohyblivý náboj o veľkosti

,(3.1)

kde C_ox= ε_ox /t_ox je kapacita oxidu na jednotku plochy (t_ox je hrúbka oxidu). Ak pridáme naľavo od štruktúry MOS kapacitora z obr.3.11 source N⁺ a napravo drain N⁺ , dostaneme tranzistor MOSFET s kanálom N podľa obr.3.12. Source a drain sú izolované od substrátu pomocou OPN diód(obr.3.13).
Z obr.3.12 je zrejmé, že pre U_GS < U_T bráni prechodu elektrónov zo source do drain energetická bariéra P-N prechodu substrát-source. Pre U_GS > U_T nastane v polovodiči pod hradlom rozloženie potenciálu, ktoré spôsobí ohyb pásma v smere osi y. Čím väčšie je napätie U_GS ,tým viac sa bariéra zníži a tým väčšia je koncentrácia elektrónov n, resp. pohyblivý náboj Q v kanáli.

Obr.3.12 MOSFET s kanálom N v nevodivom a zopnutom stave pri U_DS = 5V.

Ak narastá napätie U_DS, znižuje sa úbytok napätia na oxide v okolí draine a tým aj koncentrácia elektrónov v inverznej vrstve. Keďže potenciál pozdĺž kanála rastie od S k D, zužuje sa kanál v rovnakom smere (obr.3.13), ako narastá pôsobnosť napätia U_DS oproti U_GS. Vzorec kapacity pohyblivého náboja sa mení (3.1), pretože musíme rešpektovať skutočnosť, že U_DS pôsobí proti U_GS:

, (3.2)

Ak narastie U_DS na takú hodnotu, že napätie medzi hradlom a kanálom na hranici drainu je rovné prahovému U_T, bude indukovaná hustota náboja nulová – dôjde k zaškrteniu kanála (obr.3.13) a U_DS =U_DSsat.

Napätie v mieste zaškrtenia je

,(3.3)

a pri zanedbaní závislosti U_T na U_DS nezávisí U_DSsat na U_DS. Nad hodnotou U_DSsat sa zaškrtená oblasť pomaly zväčšuje, tz. bod zaškrtenia sa pohybuje smerom k oblasti source. Keďže elektróny prechádzajú zo zaškrteného kanála do drainu cez OPN s veľkým elektrickým poľom, je ich driftová rýchlosť oproti kanálu obrovská a nespôsobuje pokles prúdu I_D. Prúd I_D sa saturuje, pretože na kanáli máme konštantné napätie. Vzniká prechod pracovného bodu pri napätí U_DSsat z odporového režimu s lineárnou závislosťou I_D=f(U_DS) do režimu saturácie I_D. [3.4], [3.1], [3.2], [3.8]

Obr.3.13 Dochádza k zaškrteniu kanála v oblasti drainu a saturácii výstupnej charakteristiky.

3.3.3 Parametre a charakteristiky MOSFET

Pre rôzne napätia U_GS tvoria výstupné charakteristiky parametrickú sústavu kriviek a pre U_DS = konšt.z nich možno zostrojiť prevodové charakteristiky I_D = f(U_GS) (obr.3.14). Obyčajne sa hodnoty U_T pohybujú od 0,5V až do jednotiek V. Nižšie hodnoty U_T môžeme (pri použití rovnakého materiálu hradlového dielektrika) dosiahnuť znížením t_ox, ale za cenu zníženia prierazného napätia oxidu. Teplotný koeficient U_T závisí od intrinzickej koncentrácie- záporný v ráde jednotiek mV/K.

Obr.3.14 Výstupná a prevodová charakteristika MOSFET s indukovaným kanálom N pre oblasť saturácie.

Pre prevodovú charakteristiku ideálneho MOSFETu môžeme odvodiť vzorec pre odporový režim

,kde 0<U_DS<U_DSsat. (3.4)

Rovnica pre režim saturácie je

,kde U_DS≥ U_DSsat.(3.5)

Pohyblivosť elektrónov v kanále N je µ_n, w je šírka a L je dĺžka kanála. Deriváciou rovníc podľa U_GS dostaneme strmosť tranzistora v odporovom režime

. (3.6)

A v režime saturácie

.(3.7)

Rovnice potvrdzujú, že v odporovom režime, keď sa MOSFET chová ako odpor riadený napätím U_GS, závisí strmosť lineárne na napätí U_DS. V saturácii je v ideálmon prípade strmosť na napätí U_DS nezávislá a závisí len od U_GS. Strmosť MOSFETU je závislá na geometrii štruktúry.
Ak je MOSFET s kanálom N indukovaný pri dosiahnutí prahového napätia, potom ním tečie nenulový prúd I_D len v režime obohacovania kanála. Ak máme MOSFET s kanálom N, ktorý dosahuje prahové napätie v záporných hodnotách, tak potom tieto tranzistory nazývame MOSFET so zabudovaným kanálom a okrem režimu obohacovania kanála môžu pracovať aj v režime ochudobňovania kanála (obr.3.15).

Obr.3.15 Výstupné charakteristiky pre MOSFET s indukovaným a zabudovaným kanálom a ich prevodné charakteristiky. Rozloženie koncentrácie elektrónov v kanále pre rôzne napätia U_GS.

Analogickým spôsobom fungujú tranzistory MOSFET so zabudovaným a indukovaným kanálom P (obr.3.16).[3.4], [3.8], [3.7]

Obr.3.16 Výstupné a prevodová charakteristika MOSFET s kanálom P.

3.3.4 Hraničné parametre

Oblasť dovolenej činnosti je obmedzená prierazným napätím U_BRDS. To môže mať pôvod buď v nárazovej ionizácii na prechode drain – substrát vedúcim na lavínový prieraz, alebo v styku OPN prechodov drain- substrát a source- substrát rozšírených po celej dĺžke kanála. Maximálny povolený prúd I_D a stratový výkon P_Dmax majú rovnaké príčiny ako bipolárne tranzistory (obr.3.17).

Obr.3.17 Hraničné parametre vo výstupných charakteristikách MOSFET s kanálom N.

Vstup tvoriaci hradlo má kapacitný charakter, pretože do izolantu tvoreného SiO2 netečie prúd. Najväčším nebezpečím deštrukcie oxidu hrozí od statickej elektriny pri manipulácii s tranzistorom. [3.4]

---

Obsah>>>