Металл-оксид-полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET, также MOS-FET или MOS FET) — это тип полевого транзистора с изолированным затвором, в котором проводимость канала управляется напряжением. MOSFET широко применяется для коммутации (включения/выключения) и усиления электрических сигналов. Его способность изменять проводимость в зависимости от приложенного напряжения делает его незаменимым элементом в современной электронике.
Почему MOSFET предпочтительнее BJT?
Одно из главных преимуществ MOSFET — чрезвычайно высокое входное сопротивление, близкое к бесконечности. Это позволяет усилителю практически полностью принимать входной сигнал без потерь. Кроме того, для управления током нагрузки MOSFET почти не требует входного тока, в отличие от BJT, что делает его более энергоэффективным и удобным в управлении.
Структура MOSFET
- Исток (Source, S)
- Сток (Drain, D)
- Затвор (Gate, G)
- Подложка (Body или Substrate, B)
На практике подложка часто соединяется с истоком внутри корпуса, поэтому в большинстве схем MOSFET изображается как трёхвыводный элемент.
Работа MOSFET основана на изменении ширины проводящего канала, по которому движутся носители заряда (электроны или дырки). Носители входят в канал через исток и выходят через сток. Ширина канала регулируется напряжением на затворе, который отделён от канала тонким слоем диэлектрика — обычно оксида кремния (SiO₂). Именно этот изолирующий слой обеспечивает высокое входное сопротивление.
Термины MISFET (металл-изолятор-полупроводник) и IGFET (полевой транзистор с изолированным затвором) часто используются как синонимы MOSFET.
Типы MOSFET
- Режим обогащения (Enhancement Mode):
- Транзистор выключен по умолчанию и включается при подаче управляющего напряжения на затвор. Аналог «нормально разомкнутого» переключателя.
- Режим обеднения (Depletion Mode):
- Транзистор включён по умолчанию и выключается при подаче определённого напряжения на затвор. Аналог «нормально замкнутого» переключателя.
В зависимости от типа проводимости канала и режима работы выделяют четыре основных типа:
- N-канальный MOSFET в режиме обогащения
- N-канальный MOSFET в режиме обеднения
- P-канальный MOSFET в режиме обогащения
- P-канальный MOSFET в режиме обеднения
P-канальный MOSFET
В P-канальных MOSFET области стока и истока сильно легированы p⁺-типом, а подложка выполнена из n-типа. Ток в канале создаётся за счёт движения положительно заряженных дырок.
При подаче отрицательного напряжения на затвор электроны в области под оксидом отталкиваются вглубь подложки, а дырки из областей истока и стока притягиваются к поверхности, формируя проводящий p-канал.
N-канальный MOSFET
При подаче положительного напряжения на затвор дырки под оксидным слоем отталкиваются вглубь подложки, а электроны из n⁺-областей истока и стока притягиваются к поверхности, образуя электронный канал между истоком и стоком.
Принцип работы MOSFET
- При положительном напряжении на затворе (для N-MOSFET) дырки отталкиваются, формируется обеднённая область, а затем — инверсионный n-канал из электронов.
- При подаче напряжения между стоком и истоком через этот канал начинает течь ток, величина которого регулируется напряжением на затворе.
- Аналогично, при отрицательном напряжении на затворе (для P-MOSFET) формируется p-канал из дырок.
Применение MOSFET
- Усилители сигналов
- Регулирование скорости двигателей постоянного тока
- Импульсные преобразователи (чопперы)
- Цифровая логика (в частности, КМОП-схемы — CMOS)
- Коммутация и усиление аналоговых сигналов
Особенно важна роль MOSFET в КМОП-технологии (CMOS), где пары комплементарных (P- и N-канальных) транзисторов обеспечивают крайне низкое энергопотребление в статическом режиме — ключевое преимущество для микросхем памяти, микроконтроллеров и процессоров.