Podręcznik

Tranzystor MOS jest podstawowym elementem współczesnych układów scalonych. Nieco uproszczoną strukturę tego tranzystora w przekroju pionowym (w głąb płytki półprzewodnikowej) pokazują rysunki poniżej. 

Rysunek 3‑9. Tranzystor MOS, do którego nie przyłożono żadnych napięć

Rysunek 3-9 pokazuje przekrój przez tranzystor MOS, do którego obszarów nie są przyłożone żadne napięcia. Podłożem tranzystora jest monokrystaliczna płytka krzemowa typu p. Do tej płytki wprowadzone zostały domieszki donorowe w taki sposób, że powstały dwa obszary typu n zwane źródłem i drenem. Na powierzchni płytki pomiędzy źródłem i drenem wytworzona została bardzo cienka warstwa dielektryka (dwutlenku krzemu SiO₂). Jest to dielektryk bramkowy. Na nim znajduje się bramka, jest to warstwa krzemu polikrystalicznego (krzem polikrystaliczny odpowiednio domieszkowany jest materiałem przewodzącym). Bramka jest izolowana od płytki podłożowej, źródła i drenu obszarami dielektrycznymi. Widoczne są też kontakty do źródła, drenu i bramki wykonane z metalu. Pomiędzy źródłem oraz drenem, a podłożem mamy złącza p-n. Jeżeli do drenu przyłożone zostanie dodatnie względem źródła napięcie, to żaden prąd ze źródła do drenu nie popłynie, bo między źródłem, a drenem jest obszar typu p, w którym swobodnych elektronów jest pomijalnie mało. Mówimy, że tranzystor jest wyłączony.

Rysunek 3‑10. Tranzystor MOS, w którym pod wpływem dodatniego napięcia bramki VGS powstał kanał przewodzący

Aby prąd mógł popłynąć, trzeba przyłożyć dodatnie napięcie $V_{GS}$ do bramki (rysunek 3-10). Dodatni ładunek bramki odepchnie dziury, a przyciągnie elektrony, które utworzą pod bramką kanał przewodzący typu n. Dodatnie napięcie $V_{DS}$ między drenem, a źródłem spowoduje przepływ prądu: elektrony będą dopływać ze źródła i przez kanał płynąć do drenu. Mówimy, że tranzystor jest teraz włączony.

 Zarówno kanał, jak też źródło i dren są elektrycznie izolowane od podłoża, bowiem jest ono typu p, podczas gdy źródło, dren i kanał są obszarami o przewodnictwie typu n, a – jak już wiemy – między obszarami o przeciwnym typie przewodnictwa nie spolaryzowanymi lub spolaryzowanymi zaporowo istnieje obszar zubożony, przez który prąd praktycznie nie płynie. Rysunki 3-9 i 3-10 pokazują tranzystor MOS n-kanałowy (w skrócie: tranzystor nMOS). Napięcie progowe tranzystora n-kanałowego jest dodatnie, a – aby płynął prąd - dren polaryzuje się napięciem dodatnim względem źródła. Istnieją też i są równie ważne tranzystory p-kanałowe (w skrócie: tranzystory pMOS). W przekroju wyglądają one tak samo, z tym, że podłoże jest typu n, dren i źródło są typu p, a kanał powstaje pod wpływem ujemnego względem źródła napięcia bramki. W kanale tranzystora pMOS mamy do czynienia z przewodnictwem dziurowym, napięcie progowe takiego tranzystora jest ujemne, i ujemnym napięciem polaryzuje się dren względem źródła.

Zauważmy, że obszary źródła i drenu fizycznie niczym się nie różnią. O tym, który obszar jest drenem, a który źródłem, decyduje napięcie polaryzujące. W tranzystorze nMOS jako dren służy obszar spolaryzowany dodatnio względem źródła, w tranzystorze pMOS drenem jest obszar spolaryzowany ujemnie względem źródła.
 

Rysunek 3‑11. Przykładowa rodzina charakterystyk tranzystora MOS ID=f(VDS,VGS)	Rysunek 3‑12. Przykładowa charakterystyka ID=f(VGS) dla ustalonej wartości VDS

Zależności prądu drenu od napięć bramki i drenu względem źródła są nieliniowe. Rysunek 3-11 pokazuje przykładową zależność prądu drenu $I_D$ od napięcia dren-źródło $V_{DS}$ dla różnych wartości napięcia bramka-źródło $V_{GS}$. Rysunek 3-12 pokazuje przykładową zależność prądu drenu $I_D$ od napięcia bramka-źródło $V_{GS}$ dla ustalonej, różnej od zera wartości napięcia dren-źródło $V_{DS}$. Z tej charakterystyki można oszacować wartość napięcia progowego tranzystora: około 1,5 V (tranzystory używane w dzisiejszych układach scalonych mają znacznie niższe napięcia progowe). Opis matematyczny tych zależności poznasz w punkcie 3.1.5. 

Rysunek 3‑13. Symbole tranzystorów MOS

Rysunek 3-12 pokazuje symbole tranzystorów MOS używane w schematach elektrycznych układów elektronicznych. Litery S, D i G pochodzą od angielskich terminów: S – source, D – drain, G – gate.