MOSFET – Tranzistor řízený polem

MOSFET je typ tranzistoru, který využívá elektrické pole k ovládání vodivosti kanálu mezi dvěma polovodičovými oblastmi. V digitální technice funguje jako mikroskopický přepínač, který tvoří binární stavy 0 a 1.

MOSFET se skládá ze tří (resp. čtyř) hlavních částí:

• Source (S) – Zdroj: Svorka, kudy nosiče náboje (elektrony nebo díry) vstupují do tranzistoru.
• Drain (D) – Odvod: Svorka, kudy nosiče náboje vystupují.
• Gate (G) – Brána: Ovládací elektroda. Je oddělena od zbytku tranzistoru extrémně tenkou vrstvou izolantu (oxid křemičitý).
• Substrát (Body/Bulk): Základní vrstva polovodiče, na které je tranzistor vytvořen (často propojena se Source).

Klíčovým prvkem je izolovaná brána (Gate). Protože je Gate izolovaná, neprotéká do ní žádný stejnosměrný proud. Tranzistor je ovládán pouze elektrickým polem, které vznikne po přivedení napětí na Gate.

• Vypnutý stav: Mezi Source a Drain není žádný volný kanál pro nosiče náboje. Obvodem neprotéká proud.
• Zapnutý stav: Přivedením napětí na Gate se pod izolantem vytvoří tzv. inverzní vrstva (kanál). Tento kanál propojí Source a Drain a umožní průtok proudu.

Podle polarity nosičů náboje a způsobu fungování dělíme MOSFETy do dvou hlavních skupin:

• Kanál je tvořen elektrony.
• Zapne se, když je na Gate kladné napětí vůči Source.
• Je rychlejší a častější než PMOS (elektrony se pohybují rychleji než „díry“).

• Kanál je tvořen děrami.
• Zapne se, když je na Gate záporné napětí (nebo 0 V vůči kladnému napájení).

Technologie CMOS (Complementary MOS), která kombinuje NMOS a PMOS tranzistory, přinesla revoluci v IT díky těmto vlastnostem:

• Nulový klidový odběr: V ustáleném stavu (když se nepřepíná) protéká obvodem jen zanedbatelný proud.
• Vysoká hustota integrace: MOSFETy lze vyrobit neuvěřitelně malé (dnes v řádech nanometrů).
• Vysoká rychlost: Dokážou spínat miliardykrát za sekundu (GHz frekvence).

• Logická hradla: Základ procesorů CPU a GPU.
• Spínané zdroje: Efektivní regulace napětí v noteboocích a mobilech.
• Výkonová elektronika: Řízení motorů v elektromobilech (Tesla, ID.3) využívá obří pole výkonových MOSFETů.

Související články:

• Tranzistor jako spínač
• Polovodiče a P-N přechod
• Výroba procesorů

Tagy: hw electronics mosfet transistor component physics