MOSFET viết tắt của từ Metal Oxide Semiconductor Field Efects Transistor, là một transitor trường mà có cực cửa cách ly hoàn toàn với kênh dẫn (IGFET) khác với FET có cực cửa so với kênh dẫn là tiếp xúc P-N. Điều này làm cho không tồn tại dòng cực cửa trong tất cả các trường hợp. Khác với JFET mặc dù tiếp xúc PN của cực cửa với nền được phân cực ngược vẫn có dòng rỉ (dòng ngược) chảy qua cực cửa. Điều này làm cho MOSFET có tổng trở ngõ vào lớn hơn nhiều so với JFET.
MOSFET có hai loại chính: kênh có sẵn và kênh cảm ứng.
MOSFET có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực điện tử công suất (van bán dẫn) do chuyển mạch nhanh và ít tiêu thụ công suất các bộ kích nên thường dùng trong biến tần, trong tầng khuếch đại công suất của các thiết bị viễn thông… Trong lĩnh vực mạch tích hợp (IC), MOSFET là thành phần chính cho NMOS, PMOS và CMOS.
Xem thêm bài viết: Transistor hiệu ứng trường – Phần 1
MOSFET kênh cảm ứng
Cấu tạo
Hình 1-1(a) trình bày cấu trúc của một FET cực cửa được cách ly hoặc FET bán dẫn oxide kim loại (MOSFET). Bắt đầu với một miếng nền loại p trở kháng cao, hai khối vật liệu loại n mật độ tạp chất cao được khuếch tán vào nền, và rồi bề mặt được phủ với một lớp dioxide silicon. Các lỗ được cắt xuyên qua lớp dioxide silicon để các tiếp xúc với các khối loại n. Kim loại được đặt vào qua các lỗ để tạo thành các cực máng (D – Drain) và cực nguồn (S – Source), trên diện tích bề mặt giữa máng và nguồn, một miếng kim loại được đặt vào. Miếng phẳng này, như sẽ được thấy, có chức năng như một cực cửa (G – Gate).
Nguyên lý hoạt động
Khảo sát trường hợp khi cực máng được làm cho dương so với cực nguồn (VDS > 0) và không có điện áp nào được nối vào cực cửa. Hai khối n và nền loại p tạo thành các tiếp xúc pn được nối bởi trở kháng của vật liệu loại p [hình 1-1(b)]. Cả hai tiếp xúc này không thể được phân cực ngược cùng một lúc, vì vậy chỉ một dòng máng cực kỳ nhỏ chảy qua (một dòng rỉ ngươc). Nếu nền loại p bây giờ được nối đến cực nguồn, sẽ có điện áp zero giữa tiếp xúc nguồn-nền, và tiếp xúc máng-nền vẫn duy trì được phân cực ngược. Khi cực cửa được làm cho dương so với cực nguồn và nền (VGS > 0), các hạt mang điện tích âm (thiểu số) của nền bị hút vào cực cửa (dương). Những hạt mang điện này (các electron) tích lũy kín ở bề mặt của nền, như minh hoạ trong hình 1-1(c). Khi điện thế cửa tăng lên, càng nhiều nữa các electron tích lũy bên dưới cực cửa. Những electron này không thể chạy xuyên qua lớp dioxide silicon đến cực cửa, vì thế nó tích lũy tại bề mặt của nền ngay bên dưới cực cửa. Các hạt mang điện thiểu số xây dựng một kênh dẫn loại n nối dài từ máng đến nguồn (nên còn gọi là MOSFET kênh dẫn không lắp sẵn hay kênh dẫn cảm ứng). Như vậy, một dòng máng chạy qua và độ lớn của nó phụ thuộc vào trở kháng kênh dẫn, mà trở kháng kênh dẫn ngược lại phụ thuộc vào số lượng các hạt mang điện bị hút vào cực cửa dương. Điện áp cửa điều khiển dòng máng. Vì độ dẫn của kênh được tăng lên bởi sự phân cực dương ở cực cửa, linh kiện được biết như một MOSFET chế độ tăng hạt dẫn.
Một MOSFET chế độ tăng hạt dẫn kênh p được xây dựng bắt đầu với một nền loại-n và khuếch tán các khối nguồn và máng loại-p. Tất cả các cực tính dòng và áp thì ngược lại với trường hợp của linh kiện kênh n, và chiều của mũi tên trong ký hiệu mạch thì ngược lại.
MOSFET kênh có sẵn
Cấu tạo
MOSFEET kênh có sẵn có cấu tạo giống như loại kênh cảm ứng. Tuy nhiên, nối giữa máng và nguồn có một lớp bán dẫn cùng loại với máng và nguồn, nhưng nghèo hạt dẫn hơn nối hai vùng này với nhau, gọi là kênh dẫn (hình 1-3). MOSFEET kênh có sẵn cũng có hai loại kênh dẫn loại n và kênh dẫn loại p. Hình 1-4 là ký hiệu của MOSFET loại rút cạn hạt dẫn kênh n.
Nguyên lý hoạt động
Khảo sát linh kiện được minh hoạ trong hình 1-3(a). Cấu trúc giống như cấu trúc của MOSFET loại làm tăng hạt dẫn, ngoại trừ một kênh dẫn loại p tạp chất thấp đã được tạo ra giữa các khối nguồn và máng. Khi cực máng được làm cho dương so với cực nguồn (VDS > 0), một dòng máng sẽ chảy qua, ngay cả khi với điện áp cực cửa là zero. Nếu cực cửa được tạo ra âm so với nền, vài các hạt mang điện tích âm được đẩy từ cực cửa và đưa ra khỏi kênh dẫn loại n. Điều này tạo ra một vùng cạn kiệt hạt dẫn trong kênh dẫn và gây ra trở kháng kênh dẫn tăng. Dòng máng bị giảm, và hiệu ứng tương tự như trong JFET kênh dẫn n. Vì hành động của điện áp âm trên cực cửa là làm rút cạn các hạt dẫn tự do của kênh dẫn, nên linh kiện được xem là một MOSFET loại rút cạn hạt dẫn.
Nếu đặc tuyến máng được vẽ với các mức khác nhau của điện áp âm cửa-nguồn (VGS < 0), thì đường cong đạt được rất giống với các đường cong đặc tuyến của JFET kênh n. Bây giờ hãy xem xét điều gì xảy ra nếu cực cửa được làm dương so với nền. Sự tăng thêm các hạt dẫn loại n được hút vào từ nền loại p vào kênh dẫn, làm cho trở kháng kênh dẫn giảm. Do đó, MOSFET loại rút cạn hạt dẫn cũng có khả năng hoạt động ở chế độ tăng hạt dẫn. Đặc tuyến kết quả được trình bày trong hình 1-5. Ký hiệu của MOSFET loại rút cạn hạt dẫn (hình 1-4) tương tự ký hiệu của loại tăng hạt dẫn, trừ đường thẳng biểu diễn cho kênh dẫn bây giờ thì liên tục không đứt đoạn.
MOSFET công suất
Transistor trường công suất thường được xây dựng theo cấu trúc –V như hình dưới. Bởi vì thế nên linh kiện có tên là V–MOSFET hoặc V–FET. Từ hình 1-6, ta thấy một hình cắt V xuyên từ bề mặt của linh kiện qua các lớp n+, p, và n– đến nền n+. Lớp n+ nhiều tạp chất, vật liệu trở kháng thấp, trong khi lớp n- là lớp ít tạp chất, vùng điện trở cao. Lớp SiO2 phủ cả mặt ngang và cả bề mặt của lớp cắt – V. Cực cửa (cách ly) là một màng kim loại mỏng được phủ trên SiO2 trong mặt cắt –V. Cực nguồn tạo ra kết nối (xuyên qua SiO2) đến các lớp n+ và p bên trên. Nền n+ là cực máng của linh kiện.
V–MOSFET là một mosfet loại giàu; không có kênh dẫn giữa vùng máng và nguồn cho đến khi cực cửa được làm cho dương hơn so với cực nguồn. Một kênh dẫn loại n được tạo thành. Trong trường hợp V–FET, kênh dẫn n này cung cấp một đường dẫn dọc cho các hạt dẫn chảy giữa nền n+, cực máng, và kết thúc ở cực nguồn n+. Khi điện áp cửa – nguồn là 0 hoặc âm, sẽ không hình thành kênh dẫn và không có dòng chạy.
Thông số cực cửa và thông số truyền của V–FET kênh n tương tự như thông số của MOSFET loại giàu. Khi cực cửa được làm cho càng dương hơn so với cực nguồn, trở kháng kênh dẫn sẽ giảm đi và dòng máng sẽ chảy nhiều hơn. Điện áp cực cửa điều khiển dòng máng sao cho, với một mức điện áp cho trước của VGS, ID vẫn duy trì không đổi trên một tầm rộng của mức điện áp VDS .
V–MOSFET kênh p cũng có tác dụng tương tự. Như JFET kênh p và MOSFET kênh p, các tham số cũng tương tự loại kênh n. Trừ một điều là chiều dòng điện và cực tính của điện áp thì ngược lại. Bởi vì cực máng của V–FET ở đáy của linh kiện, thay vì ở trên đầu bề mặt, cực máng có một vùng rộng đáng kể cho bất cứ kích cỡ nào của linh kiện. Điều này cho phép công suất tiêu tán của nó lớn hơn khả năng của MOSFET, mà có cực máng và cực nguồn cùng bề mặt.
Trong V–FET chiều dài kênh dẫn được xác định bởi quá trình khuếch tán, trong khi ở các MOSFET khác, có kênh dẫn song song với bề mặt của bán dẫn, chiều dài kênh dẫn phụ thuộc trên kích thước của mặt nạ phim hình, được sử dụng trong quá trình khuếch tán. Bằng cách điều khiển mật độ tạp chất và thời gian khuếch tán trong V–FET, các kênh dẫn được tạo ra có thể ngắn hơn rất nhiều, so với khả năng sử dụng cách chiều dài mặt nạ điều khiển. Những kênh dẫn ngắn hơn này cho phép cường độ dòng điện lớn hơn, điều này một lần nữa làm cho công suất tiêu tán rộng hơn. Chiều dài kênh dẫn ngắn hơn cũng cho phép V–FET đạt được độ hổ dẫn lớn hơn, cải thiện rất đáng kể đáp tuyến tần số và thời gian chuyển mạch của linh kiện.
Một hệ số khác rất quan trọng khác trong hình dạng V–FET là sự có mặt của lớp ghép n- ít tạp chất nối với lớp nền n+. Khi điện áp cực cửa là 0 hoặc âm và cực máng dương so với cực nguồn, tiếp xúc giữa lớp p và lớp n- được phân cực ngược. Vùng nghèo hạt dẫn của tiếp xúc này sẽ lấn sâu vào lớp n- và như vậy cho phép nối sâu từ máng đến nguồn. Bởi vì lý do này, các điện áp cao giữa máng–nguồn có thể được nối vào mà không có nguy hiểm đánh thủng nào cho linh kiện.
V–MOSFET có thể được mô tả là một transistor công suất điện thế cao, tần số cao, hoạt động chuyển mạch nhanh và có giá trị hổ dẫn lớn.
