Dr. Pap László jegyzete - BME Hálózati Rendszerek és ...

3.4. MOS FET-EK (N-CSATORNÁS) 51
hogy a gate-csatorna átmenetre pozitív feszültséget kapcsolunk. Az így előfeszített gate-csatorna kapacitás
két "lemezén" elektromos polarizáció miatt töltések halmozódnak fel. Ha a gate feszültsége
pozitív, akkor a fémlemezen pozitív, a csatorna oldalon pedig negatív töltések jelennek meg. A gate
feszültség növelésekor a csatorna oldali negatív töltések először úgy jönnek létre, hogy a fémlemezről
származó elektronok a gate-csatorna feszültséget biztosító külső feszültségforráson keresztül átjutnak
a csatornába, és a p szennyezésű réteg lyukaival rekombinálódnak, azaz a p rétegben negatív tértöltés
keletkezik. Ha a gate feszültséget tovább növeljük, akkor egy U P > 0 küszöbfeszültség felett
(u GS > U P és u GD > U P ) a p rétegben a tértöltés már nem tud tovább növekedni, és közvetlenül a
szigetelő réteg alatt egy szabad elektronokat tartalmazó úgynevezett inverziós réteg keletkezik, amely
szabad elektronokat tartalmazó vezetőképes csatornát hoz létre a drain és a source között. Ez azt jelenti,
hogy a vezetőképes, szabad elektronokat tartalmazó csatornában lévő töltéshordozók száma a
gate-re adott feszültséggel változtatható. Az n-csatornás növekményes MOS FET tehát egyszerűen
fogalmazva egy változtatható vezetőképességű félvezető tömbként viselkedik, amelynek a vezetőképessége
a gate és a csatorna közötti feszültséggel vezérelhető. Ha a gate és a csatorna közé kapcsolt
feszültség kisebb mint azU P küszöbfeszültség, akkor a csatorna vezetőképessége nullára csökken. Az
U P feszültséget elzáródási feszültségnek nevezzük.
Az n-csatornás növekményes MOS FET működését az alábbi fizikai hatások határozzák meg:
• Ha a csatorna két végére kapcsoltu DS feszültség kicsi, akkor az n-csatornás növekményes MOS
FET lineáris ellenállásként viselkedik, melynek az ellenállását az u GS ≃ u GD > U P > 0
feszültséggel lehet vezérelni. Ez azt jelenti, hogy kis u DS feszültségek esetén az i D = i S áram
az u DS feszültséggel arányosan változik. A csatornában a gate elektróda felületegységére jutó
szabad töltések nagysága a
[ ] As
Q i = C0 ∗ (u GS −U P )
m 2 (3.54)
kifejezéssel határozható meg, aholC0 ∗ a gate elektróda egységnyi felületéhez tartozó úgynevezett
négyzetes kapacitás, mely a
C0 ∗ = ε ox
(3.55)
d ox
összefüggésből számítható, ahol ε ox a szigetelő dielektromos állandója, d ox a szigetelő vastagsága.
Ha a gate elektróda szélességeW [m], akkor a csatorna egységnyi hosszúságára éppen
[ ]
Q ′ As
i = WC0 ∗ (u GS −U P )
(3.56)
m
töltés jut. A korábbiakból tudjuk, hogy a csatornán folyó áram az
i D = i S = WC0 ∗ (u GS −U P )v = µ n WC0 ∗ (u GS −U P )E = µ n C0
∗ W
L (u GS −U P )u DS
(3.57)
kifejezéssel adható meg, ahol µ n az elektronok mozgékonysága, v az elektronok sebessége, E
az elektromos térerő a csatornában ésLacsatorna hossza.
A vezérlés nem igényel statikus áramot, mivel a gate-en folyó egyenáram értéke nulla,
• Ha az u DS > 0 drain-source feszültséget növeljük, akkor a csatornán az áram nő. Ilyenkor
a vezetőképes, szabad elektronokat tartalmazó csatorna vezetőképességét a source oldalon az
u GS , a drain oldalon pedig az u GD feszültség határozza meg, és a csatorna egy közbenső helyén
a csatorna vezetőképessége a gate és a csatorna közötti aktuális feszültség értékétől függ.
A vezetőképes, szabad elektronokat tartalmazó csatorna "szélessége" a source oldalon a legnagyobb,
a drain oldalon pedig a legkisebb, mivel u DS > 0 esetén u GD = u GS − u DS < u GS .
Ez azt is jelenti, hogy az u DS feszültség növelésével az i D = i S áram nem lineárisan változik,