Tohle je statická kopie kapitoly pro vyhledávače. Interaktivní verze má animované obrázky, kontrolní otázky a tlačítka, která příklad načtou do kalkulačky.
10. MOSFET
Bipolární tranzistor je řízený proudem. MOSFET je řízený napětím, a to je rozdíl,
kvůli kterému dnes v každém procesoru i každém měniči sedí MOSFETy a ne bipoláry.
Jak funguje
Tři vývody: gate (hradlo), drain a source. Hradlo je kovová (dnes
polykřemíková) deska položená na izolantu — vrstvě oxidu křemičitého, tedy skla. Odtud
jméno: Metal-Oxide-Semiconductor.
Mezi drainem a sourcem je normálně bariéra a nic neteče. Přiloží-li se na hradlo dost kladné
napětí, jeho pole přitáhne elektrony k povrchu pod oxidem a vytvoří tam vodivý
kanál. Napětí, při kterém se to stane, je prahové napětí Vth.
Klíčový důsledek: hradlem neteče žádný trvalý proud. Je oddělené
sklem. Statická spotřeba řízení je nula — což je přesně to, co bipolár neumí, a co dělá
CMOS logiku možnou. Neteče trvale; při změně se ale musí nabít kapacita
hradla, a to je celý příběh kapitoly 11.
Kvadratický zákon
Proud kanálem není exponenciální jako u diody, ale kvadratický:
ID = ½ · β · (UGS − Vth)² · (1 + λ·UDS)saturační oblast
ID = β · [ (UGS − Vth)·UDS − UDS²/2 ]triodová (odporová) oblast
Rozdílu UGS − Vth se říká přebuzení (overdrive, Vov)
a je to nejužitečnější veličina na celém MOSFETu. Tři oblasti:
oblast
podmínka
chová se jako
závěr
UGS < Vth
rozpojený spínač
triodová
UDS < Vov
odpor RDS(on)
saturace
UDS > Vov
zdroj proudu řízený napětím
Pozor na terminologii — je přesně obráceně než u bipoláru!
U bipolárního tranzistoru je nasycení ten sepnutý, odporový stav. U MOSFETu je
saturace ten stav, kdy se chová jako zdroj proudu, tedy pro zesilovače. Sepnutý
spínač je u MOSFETu triodová oblast. Tohle plete i lidi, kteří s tím dělají léta.
přebuzení 1 V dá 290 mA, dvojnásobné přebuzení 1,16 A — přesně čtyřnásobek, protože je to kvadratický zákon, ne lineární
Rodina charakteristik MOSFETu. Čárkovaná parabola je mez zaškrcení — hranice
mezi odporovou a proudovou oblastí. Všimni si rozestupů křivek: nejsou stejné, každá další je
dál. To je ta druhá mocnina, viditelná pouhým okem. Posuň prahovým napětím:
celá rodina se posune, a při V_th vyšším než řídicí napětí zmizí úplně.
Odpor v sepnutí
V hluboké triodové oblasti (malé UDS) se ze závorky ztratí kvadratický člen a
zbude prostá úměra — tedy odpor:
RDS(on) = 1β · (UGS − Vth)odpor sepnutého kanálu
Z toho plyne pravidlo, které stojí za zapamatování: čím víc napětí na hradle, tím nižší
odpor. Proto se logic-level MOSFET, který katalog udává při UGS = 10 V, při
buzení z 3,3V mikrokontroléru chová podstatně hůř — a proto existují budiče hradel.
CMOS: dva MOSFETy a nic víc
Spoj N-kanál dolů a P-kanál nahoru, hradla spolu. Když je vstup dole, vede horní; když nahoře,
vede spodní. Nikdy nevedou oba, takže v ustáleném stavu neteče žádný proud.
poměr P/N 1,00× posouvá práh: silnější P táhne výstup nahoru a překlápí se dřív. Mimo překlopení neteče nic — proto má procesor v klidu skoro nulovou spotřebu a topí až podle taktu.
Převodní charakteristika CMOS invertoru, čárkovaně proud ze zdroje. Vidíš, že
proud teče jen během překlopení — na obou koncích je přesně nula. Odtud plyne, že
spotřeba CMOS logiky je úměrná taktu, ne počtu hradel. Posuň poměrem P/N: silnější
P táhne práh doprava.