Charakterystyka I-V MOSFET: Przerwa, Tryb Tranzystora i Nasycenie

Zawór sterowany napięciem

MOSFET (tranzystor polowy na podłoziu osemiedrowym) to urządzenie czterodziałkowe – bramka, źródło, dren i korpus – które wykorzystuje napięcie na bramce do kontrolowania przepływu prądu między drenem a źródłem, przy czym niemal żaden prąd DC nie wpada do bramki, ponieważ jest ona izolowana od kanału przez cienką warstwę tlenku. To właśnie ta izolacja jest kluczowa: w przeciwieństwie do tranzystora bipolarnego, MOSFET jest sterowany polem elektrycznym, a nie prądem bazowym, dlatego nazywa się tranzystorem polowym na podłoziu osemiedrowym i może być napędzany z minimalnym poboru energii.

Próg: przełącznik wyłączony

Poniżej napięcia progowego V_th, nie zostało nałożone wystarczające napięcie bramkowe, aby przyciągnąć nośniki ładunku do powierzchni krzemu pod warstwą dielektryka, więc nie istnieje kanał przewodzący między źródłem a drenem – idealnie, prąd drenu powinien wynosić zero bez względu na napięcie drenu. W rzeczywistych urządzeniach przepływa niewielki prąd wyciekowy i kontrolowanie tego wycieku staje się jednym z głównych wyzwań w projektowaniu nowoczesnych układów scalonych, gdy urządzenia maleją, ale model idealny traktuje V_GS < V_th jako czysty stan wyłączony.

Tranzystor (regiona liniowa): rezystor sterowany napięciem

Po przekroczeniu napięcia progowego V_th, tworzony jest kanał, a dla małych napięć drenu (V_DS < V_GS - V_th) urządzenie zachowuje się prawie jak rezystor o rezystancji zdefiniowanej przez napięcie bramki – to obszar tranzystora lub liniowy, przydatny do budowy przełączników analogowych i rezystancji sterowanych napięciem.

cutoff:      V_GS < V_th               I_D = 0

triode:      V_GS > V_th, V_DS < (V_GS - V_th)
             I_D = k * [ (V_GS - V_th)*V_DS - V_DS^2/2 ]

saturation:  V_GS > V_th, V_DS >= (V_GS - V_th)
             I_D = k * (V_GS - V_th)^2 / 2

k = mu * C_ox * (W/L)     (transconductance parameter)
mu   = carrier mobility
C_ox = gate oxide capacitance per unit area
W/L  = channel width-to-length ratio

Nasycenie: prawykładowy model, który czyni go wzmacniaczem

Gdy V_{DS} przekroczy V_{GS} − V_{th} (napięcie odrealniające), kanał 'zakrzepie' w pobliżu końca drenu, a w idealnym modelu prąd drenu wygładza się, stając się — przybliżeniu — niezależny od V_{DS} i zależy wyłącznie od napięcia bramki: I_D = k(V_{GS} − V_{th})^2/2. Ten prawykładowy model jest powodem, dla którego MOSFET może wzmacniać: niewielka zmiana napięcia bramki generuje zmianę prądu proporcjonalną do napięcia odrealniającego, dając dobrze zdefiniowane transprzewodnictwo g_{m} = k(V_{GS} − V_{th}) – parametr, którego obiegowi projektownikom używa się do określania rozmiarów etapów wzmocnienia. Rzeczywiste tranzystory wykazują łagodny wzrostowy spadek w nasyceniu z powodu modulacji długości kanału (efektywny kanał nieco skracuje się wraz ze wzrostem V_{DS}), który jest uwzględniany przez współczynnik korekcyjny (1 + λV_{DS}), ale przybliżony prawykładowy model oddaje podstawowe zasady fizyki.

Czytanie rodziny krzywych

Narysuj I_D w funkcji V_DS dla kilku ustalonych wartości V_GS i otrzymasz klasyczną rodzinę krzywych MOSFET: każdy przebieg rośnie liniowo przez obszar trójkąta, odkształca się w punkcie kolana V_DS = V_GS − V_th i wygładza się w obszarze nasycenia, z wysokością określoną prawem kwadratu. Krzywe o wyższym V_GS znajdują się wyżej i bardziej odkształcają się w prawo, ponieważ napięcie przepełnienia – a zatem punkt odcięcia – rośnie wraz z nim. Czytanie tej rodziny mówi Ci wszystko o tym, jak urządzenie będzie zachowywać się w obwodzie: czy jest ono zafundowane w obszarze nasycenia, przypominającym źródło prądu, lub mocno sterowane do głębokiego trójkąta z V_GS ≫ V_th, aby działał jako niskooporność przełącznik zamknięty.

Frequently asked questions

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz MOSFET I-V Characteristics i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.