Podręcznik

Na rysunku 14 zamieszczono poglądowe rysunki tranzystorów polowych: złączowego (ang. junction field effect transistor, J-FET) i z metalową bramką (metal oxide semiconductor, MOS), które bardzo dobrze obrazują zasadę działania obu tych przyrządów.

Tranzystor polowy J-FET typu N ma kontakty drenu i źródła dołączone do tego samego obszaru półprzewodnika typu N. Oznacza to, że po wytworzeniu różnicy potencjałów między obszarami drenu i źródła, i pominięciu polaryzacji bramki, jest możliwy przepływ nośników (elektronów). Zatem ten typ tranzystora jest „normalnie włączony”. Element ten nie wymaga przyłożenia na elektrodę sterującą (bramkę) napięcia większego niż potencjał pozostałych elektrod. Zatem koncepcja ustalania punktu pracy jest w nim zgoła inna niż we wtórniku z tranzystorem bipolarnym. Aby wyłączyć ten tranzystor należy podać na jego bramkę napięcie ujemne o takiej wartości, aby utworzona warstwa zaporowa obszaru P-N odcięła przepływ nośników. Napięcie to nazywamy progowym (U_T).

Ponadto przez bramkę tranzystora JFET nie płynie prąd[1] tylko wtedy, gdy potencjał elektrod drenu i źródła jest większy niż 0,7 V względem potencjału bramki. Te właściwości tranzystora unipolarnego złączowego w istotny sposób wpływają na sposoby polaryzacji tranzystora J-FET typu N.

Tranzystor MOS, którego koncepcję budowy również przedstawiono na rys. 14, ma odmienną zasadę działania. W tranzystorze tym dodatni potencjał przyłożony do metalowego kontaktu bramki (dodatni względem potencjału podłoża i/lub wysp źródła oraz drenu) powoduje wytworzenie warstwy inwersyjnej w podłożu typu P. Oznacza to, że w polu elektrycznym przyciągane są mniejszościowe elektrony, których koncentracja wzrasta tak bardzo przy bramce, że między źródłem i bramką tworzy się „most” (kanał) łączący obie wyspy N – drenu i źródła. W ten sposób możliwy staje się ruch nośników, jeśli do drenu i źródła przyłożymy różnicę potencjałów. Wynikają z tego następujące ważne właściwości tranzystora MOS typu N:

- o przepływie (bądź jego braku) nośników między drenem i źródłem decyduje pole elektryczne wywołane dodatnim napięciem bramki, zatem tranzystor MOS jest elementem sterowanym napięciem,

- bramka tranzystora MOS nie jest w żaden sposób dołączona elektrycznie do innych elektrod, stanowi zatem rozwarcie dla stałego prądu,

- obszar między bramką a innymi obszarami tranzystora MOS można traktować jako pojemności elektryczne, w końcu mamy metalową okładkę, doskonały izolator (zwykle w postaci tlenku krzemu) a pod nim dren, źródło (połączone kanałem lub nie) i podłoże, 

tranzystor MOS jest elementem czterozaciskowym (!), o czym kilka słów poniżej:

Należy zwrócić uwagę, że oprócz „standardowych” elektrod, tj. bramki, źródła i drenu jest jeszcze podłoże (ang. bulk, lub substrate). Dlaczego jest ono istotną i pełnoprawną elektrodą tranzystora MOS i skąd ono się wzięło? Po pierwsze tranzystor MOS typu N musi mieć obszar między drenem a źródłem typu P (tylko wtedy może dojść do inwersji w obszar typu N i zamknięcie połączenia między wyspami N źródła i drenu). Zatem tranzystor MOS typu N na początku produkcji jest „kawałkiem” półprzewodnika typu P. Ale dlaczego musimy przejmować się polaryzacją tego „kawałka” tranzystora? Przecież moglibyśmy go (kawałek podłoża typu P) zostawić niepodłączony. Niestety, w tym momencie musimy sobie przypomnieć dlaczego tranzystor MOS w ogóle działa. Otóż pole elektryczne w obszarze „przykanałowym” (poniżej bramki) decyduje o zjawisku inwersji. Oznacza to, że gdyby z innego powodu niż potencjał bramki pojawiłoby się pole elektryczne w obszarze „przykanałowym” tranzystora, to pole to w identyczny (co do mechanizmu sposób) wpływałoby na pracę tranzystora MOS. Podsumowując, potencjałem podłoża tranzystora MOS możemy sterować prawie tak samo jak przeznaczoną do tego celu bramką!

 

Reasumując:

Tranzystorem MOS można teoretycznie sterować zarówno zaciskiem bramki (ang. 'gate'), jak i podłoża, (ang. 'substrate'). Bramka jest jednak elektrycznie odizolowana (tzw. tlenkiem bramkowym) od reszty struktury, w przeciwieństwie do podłoża, które stanowi jedną strukturę razem ze źródłem, drenem i ewentualnym kanałem w przypadku inwersji. Takie połączenie podłoża czyni je nieprzydatnym do zastosowania jako elektroda sterująca, stąd zwykle podłoże nie uczestniczy w procesie sterowania tranzystorem MOS. Jednak w celu zapewnienia stałej i pewnej polaryzacji tej elektrody dołącza się ją zwykle do jednego z dwóch punktów:

- źródła (ang. source) tranzystora (w przypadku elementów dyskretnych)

- najniższego potencjału w układzie scalonym (w przypadku gdy na podłożu „wyhodowano” więcej niż jeden tranzystor MOS), czyli np. masy.