Pe lângă tranzistorul cu efect de câmp cu joncțiune (JFET), există un alt tip de FET, a cărui intrare (Gate) este izolată electric de canalul principal de transport al curentului și, prin urmare, este denumit tranzistor cu efect de câmp cu poartă izolată.

Cel mai obișnuit tip de FET cu poartă izolată, utilizat în multe tipuri diferite de circuite electronice se numește Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor sau MOSFET pe scurt.

IGFET sau MOSFET este un tranzistor cu efect de câmp controlat în tensiune, care diferă de la un JFET prin aceea că acesta are un electrod poartă „metal-oxid“ care este izolat electric de canalul principal semiconductor n sau p printr-un strat foarte subțire de material izolant de obicei dioxid de siliciu, cunoscut sub numele de sticlă.

Acest electrod de poartă din metal ultra-subțire izolat poate fi considerat ca o singură placă a unui condensator. Izolarea porții de control face rezistența de intrare a MOSFET extrem de mare, până în regiunea Megohmilor (MΩ), făcând-o aproape infinită.

Deoarece terminalul Gate este izolat electric de canalul de transport principal al curentului dintre Drenă și Sursă "Nici-un curent nu curge în poartă" și la fel ca JFET, MOSFET acționează ca un rezistor controlat de tensiune unde curentul care curge prin canalul principal între Drenă și Sursa este proporțional cu tensiunea de intrare. Ca și JFET, rezistența de intrare a MOSFET, foarte mare, poate cu ușurință să acumuleze cantități mari de sarcină statică, rezultând că MOSFET va deveni ușor de deteriorat dacă nu este manevrat cu grijă sau protejat.

Ca și tutorialul precedent JFET, MOSFET-urile sunt dispozitive cu trei terminale Gate, Drain și Source și sunt valabile ambele MOSFET-uri cu canal-P (PMOS) și canal-N (NMOS). Principala diferență de data aceasta este că MOSFET-urile sunt disponibile în două forme de bază:

• Tip epuizare (sărăcire) - tranzistorul necesită tensiunea Gate-Source (VGS) pentru a comuta dispozitivul "OFF". Modul de epuizare MOSFET este echivalent cu un comutator "normal închis".

• Tip îmbunătățire - tranzistorul necesită o tensiune Gate-Source (VGS) pentru a comuta dispozitivul "ON". Modul de îmbunătățire MOSFET este echivalent cu un comutator "normal deschis".

Simbolurile și construcția de bază pentru ambele configurații ale MOSFET-urilor sunt prezentate mai jos.

Cele patru simboluri MOSFET de mai sus prezintă un terminal suplimentar numit Substrat și nu este folosit în mod obișnuit ca o conexiune de intrare sau de ieșire, ci este utilizat pentru împământarea substratului. Se conectează la canalul semiconductor principal printr-o joncțiune diodă pe carcasa metalică sau pe capul metalic al MOSFET-ului.

De obicei, în MOSFET-uri de tip discret, acest cablu de substrat este conectat intern la terminalul Sursă. În acest caz, ca și în cazul tipurilor de îmbunătățire, este omis din simbol pentru clarificare.

Linia din simbolul MOSFET dintre conexiunile Drenă și Sursă reprezintă canalul semiconductor. Dacă aceasta este o linie solidă neîntreruptă, atunci aceasta reprezintă un MOSFET de tip "epuizare" (normal-ON) deoarece curentul de Drenă poate circula cu potențial zero de polarizare a Porții.

Dacă linia de canal este afișată punctată sau întreruptă, atunci este un MOSFET de tip "Enhancement" (normal-OFF) deoarece nu circulă curent de Drenă cu potențial zero de poartă. Direcția săgeții indică dacă canalul conductor este un dispozitiv semiconductor de tip-P sau de tip-N.

Structura și simbolul MOSFET-ului

Construcția MOSFET este foarte diferită de cea a Junction FET. Atât MOSFET-urile de tip Depletion (epuizare), cât și cele de tip Enhancement (îmbunătățire) utilizează un câmp electric produs de o tensiune a porții pentru a modifica fluxul purtătorilor de sarcină, electronii pentru canal-N sau golurile pentru canalul-P, prin canalul Drenă-Sursă semiconductor. Electrodul Poartă este plasat pe partea superioară a unui strat izolator foarte subțire și există o pereche de regiuni mici de tip-N chiar sub electrozii Drenă și Sursă.

Am văzut în tutorialul anterior că poarta unui tranzistor cu efect de câmp cu joncțiune JFET trebuie să fie polarizată în așa fel încât să polarizeze invers joncțiunea-PN. Cu un dispozitiv MOSFET cu poarta izolată nici o astfel de limitare nu se aplică astfel încât este posibil să se polarizeze poarta unui MOSFET fie în polaritate pozitivă (+ve) fie negativă (-ve).

Acest lucru face ca dispozitivul MOSFET să fie deosebit de valoros ca comutatoare electronice sau să facă porți logice, deoarece fără nici o polarizare acestea sunt în mod normal neconductoare și această rezistență ridicată la intrarea poartă înseamnă că este foarte puțin sau deloc curent de control, deoarece MOSFET-urile sunt dispozitive controlate de tensiune. Atât MOSFET-urile cu canal-P, cât și cu canal-N sunt disponibile în două forme de bază, tipul de îmbunătățire și tipul de epuizare.

MOSFET - mod epuizare (Depletion)

MOSFET mod-epuizare, care este mai puțin frecvent decât tipurile mod îmbunătățire este, în mod normal, pornit „ON“ (conducând) fără aplicarea unei tensiuni de polarizare pe poartă. Canalul conduce atunci când VGS = 0, făcând un dispozitiv "normal închis". Simbolul de circuit prezentat mai sus pentru un tranzistor MOS de epuizare utilizează o linie de canal solid pentru a semnala un canal conductor normal închis.

Pentru tranzistorul MOS cu epuizare canal-N, o tensiune negativă poartă-sursă -VGS va epuiza (de aici numele său) canalul conductor al electronilor liberi, comutând tranzistorul "OFF". De asemenea, pentru un tranzistor MOS cu epuizare canal-P, o tensiune pozitivă poartă-sursă +VGS va epuiza canalul golurilor sale libere, comutându-l "OFF".

Cu alte cuvinte, pentru un MOSFET mod de epuizare canal-N: +VGS înseamnă mai mulți electroni și mai mult curent. În timp ce -VGS înseamnă mai puțini electroni și mai puțin curent. Opusul este valabil și pentru tipurile de canal-P. Deci, MOSFET mod epuizare este echivalent cu un comutator "normal închis".

MOSFET mod epuizare cu canal-N și simboluri de circuit

MOSFET-ul mod epuizare este construit în mod similar cu omologii săi de tranzistor JFET, deoarece canalul Drenă-Sursă este în mod inerent conductiv cu electronii și golurile deja prezente în canalul de tip-N sau-P. Acest dopaj al canalului produce o cale de conducție cu rezistență scăzută între Drenă și Sursă cu polarizare zero a porții.

MOSFET mod îmbunătățit (Enhancement)

Cel mai obișnuit MOSFET mod îmbunătățit, sau eMOSFET, este invers tipului de mod epuizare. Aici canalul de conducție este ușor dopat sau chiar nedopat, făcându-l ne-conductiv. Dispozitivul este în mod normal "OFF" (neconductor) atunci când tensiunea de polarizare a porții VGS este egală cu zero. Simbolul de circuit prezentat mai sus pentru un tranzistor MOS îmbunătățit utilizează o linie de canal întreruptă pentru a indica un canal neconductor normal deschis.

Pentru tranzistorul MOS îmbunătățit cu canal-N, un curent de Drenă va curge numai când o tensiune de poartă (VGS) aplicată la terminalul porții este mai mare decât nivelul pragului de tensiune (VTH) în care are loc conductanța, făcându-l un dispozitiv de transconductanță.

Aplicarea unei tensiuni de poartă pozitive (+ve) la un eMOSFET de tip-N atrage mai mulți electroni spre stratul de oxid din jurul porții, mărind astfel sau îmbunătățind (de unde numele său) grosimea canalului, permițând curgerea unui curent mai mare. Acesta este motivul pentru care acest tip de tranzistor se numește un dispozitiv cu mod de îmbunătățire, deoarece aplicarea unei tensiuni de poarta îmbunătățește canalul.

Creșterea acestei tensiuni pozitive a porții va determina scăderea rezistenței canalului, determinând o creștere a curentului de Drenă ID prin canal. Cu alte cuvinte, pentru un MOSFET mod îmbunătățire canal-N: +VGS comută tranzistorul "ON", în timp ce un zero sau -VGS comută tranzistorul "OFF". Astfel, MOSFET cu mod îmbunătățire este echivalent cu un comutator "normal deschis".

Reversul este valabil pentru tranzistorul MOS mod îmbunătățire canal-P. Când VGS = 0 dispozitivul este "OFF" și canalul este deschis. Aplicarea unei tensiuni negative (-ve) pe poarta eMOSFET de tip-P îmbunătățește conductivitatea canalului comutându-l "ON". Deci, pentru un MOS mod îmbunătățire canal-P: + VGS comută tranzistorul "OFF", în timp ce -VGS comută tranzistorul "ON".

MOSFET mod îmbunătățire canal-N și simbolurile circuitului

MOSFET-urile mod îmbunătățit fac comutatoare electronice excelente datorită rezistenței lor scăzute la ON și rezistenței extrem de înalte "OFF", precum și rezistenței lor de intrare infinit de mari datorită porții izolate. MOSFET-urile mod îmbunătățit sunt utilizate în circuite integrate pentru a produce porți logice de tip CMOS și circuite de comutare a puterii sub formă de porți PMOS (canal-P) și NMOS (canal-N). CMOS vine de la MOS complementar, ceea ce înseamnă că dispozitivul logic are atât PMOS cât și NMOS în cadrul schemei sale.

Amplificator MOSFET

La fel ca și precedentul JFET, MOSFET-urile pot fi folosite pentru a realiza circuite amplificatoare de clasă "A" cu un singur etaj, cel mai popular circuit fiind amplificatorul MOSFET cu sursă comună, mod îmbunătățit, canal-N. Amplificatoarele MOSFET mod epuizare sunt foarte similare cu amplificatoarele JFET, cu excepția faptului că MOSFET are o impedanță de intrare mult mai mare.

Impedanța mare de intrare este controlată de rețeaua rezistivă de polarizare a porții, formate de R1 și R2. Semnalul de ieșire pentru amplificatorul MOSFET sursă-comună, mod îmbunătățire este inversat, deoarece atunci când VG este Low tranzistorul este comutat "OFF" și VD (Vout) este High. Când VG este High, tranzistorul este comutat "ON" și VD (Vout) este Low, așa cum este arătat.

Amplificator MOSFET mod îmbunătățire, canal-N

Polarizarea DC a acestui circuit amplificator MOSFET cu sursă comună (CS) este practic identică cu cea a amplificatorului JFET. Circuitul MOSFET este polarizat în modul de clasă A de rețeaua divizoare de tensiune formată din rezistoarele R1 și R2. Rezistența de intrare AC este dată de RIN = RG = 1MΩ.

MOSFET este un dispozitiv activ cu trei terminale, fabricat din materiale semiconductoare diferite, care poate acționa ca un izolator sau ca un conductor prin aplicarea unei tensiuni mici de semnal.

Abilitatea MOSFET-ului de a schimba între aceste două stări îi permite să aibă două funcții de bază: "comutare" (electronică digitală) sau "amplificare" (electronică analogică). Deci, MOSFET-urile au capacitatea de a opera în trei regiuni diferite:

1. Regiunea Cut-off - cu VGS < Vprag, tensiunea poartă-sursă este mult mai mică decât tensiunea de prag a tranzistorului, astfel încât tranzistorul MOSFET este comutat "complet OFF", deci ID = 0, tranzistorul acționând ca un comutator deschis.

2. Regiunea liniară (Ohmică) - cu VGS > Vprag și VDS < VGS, tranzistorul se află în regiunea de rezistență constantă și se comportă ca o rezistență controlată de tensiune a cărei valoare rezistivă este determinată de tensiunea de poartă, nivelul VGS.

3. Regiunea de saturație - cu VGS > Vprag, tranzistorul se află în regiunea sa de curent constant și, deci, este "complet ON". Curentul de drenă ID = maxim, cu tranzistorul acționând ca un comutator închis.

Rezumat MOSFET

MOSFET are o rezistență extrem de mare la poarta de intrare, curentul care curge prin canal între sursă și drenă fiind controlat de tensiunea porții. Datorită acestei impedanțe ridicate de intrare și a câștigului, MOSFET-urile pot fi ușor deteriorate de electricitatea statică dacă nu sunt protejate sau manevrate cu grijă.

MOSFET-urile sunt ideale pentru utilizarea ca switch-uri electronice sau ca amplificatoare cu sursă-comună deoarece consumul lor de putere este foarte mic. Aplicațiile tipice pentru MOSFET sunt în microprocesoare, memorii, calculatoare și porți logice CMOS etc.

De asemenea, observați că o linie punctată sau întreruptă în cadrul simbolului indică un tip de îmbunătățire în mod normal "OFF", care arată că curentul "NU" poate curge prin canal atunci când este aplicată tensiune poartă-sursă VGS zero.

O linie continuă neîntreruptă în cadrul simbolului indică un tip de epuizare în mod normal "ON", care arată că "POATE" curge curent prin canal cu tensiune zero a porții. Pentru tipurile de canal P, simbolurile sunt exact la fel pentru ambele tipuri, cu excepția faptului că săgeata indică spre exterior. Acest lucru poate fi rezumat în următorul tabel de comutare.

Deci, pentru MOSFET-uri de tip îmbunătățire canal-N, o tensiune pozitivă a porții comută tranzistorul "ON" și cu tensiune zero de poartă, tranzistorul va fi "OFF". Pentru MOSFET tip îmbunătățire cu canal-P, o tensiune negativă a porții va comuta "ON" tranzistorul și cu zero tensiune de poartă, tranzistorul va fi "OFF". Punctul de tensiune la care MOSFET începe să treacă curentul prin canal este determinat de tensiunea de prag VTH a dispozitivului.

În următorul tutorial despre FET, în loc să folosim tranzistorul ca dispozitiv de amplificare, vom analiza operarea tranzistorului în regiunile de saturație și tăiere atunci când este utilizat ca un comutator solid-state. Comutatoarele FET sunt utilizate în multe aplicații pentru a comuta un curent continuu "ON" sau "OFF" cum ar fi LED-urile care necesită numai câțiva miliamperi la tensiuni joase DC sau motoare care necesită curenți mai mari la tensiuni mai mari.