Что такое мосфет: MOSFET — полевой транзистор. Как работает и для чего используется.

Содержание

Как работают транзисторы MOSFET | hardware

Мощные транзисторы MOSFET хорошо известны своей исключительной скоростью переключения при весьма малой мощности управления, которую нужно прикладывать к затвору. Основная причина в том, что затвор изолирован, поэтому требуется мощность только на перезаряд емкости затвор-исток, и в статическом режиме цепь затвора практически не потребляет тока. В этом отношении мощные MOSFET по своим характеристикам приближаются к «идеальному переключателю». Основные недостатки, которые не дают MOSFET стать «идеальным», это сопротивление открытого канала RDS(on), и значительная величина положительного температурного коэффициента (чем выше температура, тем выше сопротивление открытого канала). В этом апноуте обсуждаются эти и другие основные особенности высоковольтных N-канальных мощных MOSFET, и предоставляется полезная информация по выбору транзисторов и их применению (перевод статьи [1]).

Для того, чтобы было проще понять работу полевого N-канального транзистора MOSFET, его стоит сравнить с широко распространенным биполярным кремниевым транзистором структуры NPN. Электроды у биполярного транзистора называются база, коллектор, эмиттер, а у полевого транзистора затвор, сток, исток.

База выполняет те же функции, что и затвор, коллектор соответствует стоку, а эмиттер соответствует истоку.

Давайте рассмотрим простейшую схему включения транзистора NPN:

Когда входной ключ разомкнут, то через эмиттерный переход транзистора T1 ток не течет, и канал коллектор-эмиттер имеет высокое сопротивление. Говорят, что транзистор закрыт, через его канал коллектор-эмиттер ток практически не течет. Когда замыкается входной ключ, то от батарейки B1 через резистор R1 и эмиттерный переход транзистора течет открывающий ток. Когда транзистор открыт, то его сопротивление канала коллектор-эмиттер уменьшается, и почти все напряжение батареи B2 оказывается приложенным к нагрузке R3. Т. е. когда во входной цепи течет ток (через R1), то в выходной цепи тоже течет ток (через R3), но в выходной цепи ток и напряжение (т. е. действующая мощность) в несколько раз больше. Здесь как раз и проявляются усиливающие свойства транзистора — маленькая мощность на входе позволяет управлять большой мощностью на выходе.

А так будет в этой схеме работать транзистор MOSFET:

На первый взгляд все то же самое — когда на входе есть управляющая мощность, она также появляется и на выходе (обычно усиленная во много раз). В этом смысле биполярный транзистор и MOSFET-транзистор очень похожи. Но есть два самых важных различия:

• Биполярный транзистор управляется током, а полевой транзистор напряжением.

Примечание: отсюда, кстати и пошло название полевого транзистора: его канал управляется не током, а электрическим полем затвор-исток.

Это означает, что входное сопротивление биполярного транзистора мало, а входное сопротивление MOSFET-транзистора очень велико. Обратите внимание на входной ток биполярного транзистора — 0.3 мА, этот ток в основном определяется сопротивлением резистора R1. Причина проста: на входе у биполярного транзистора имеется эмиттерный переход, который по сути обыкновенный диод, смещенный в прямом направлении. Если ток через этот диод есть, то транзистор открывается, если нет, то закрывается. Открытый диод имеет малое сопротивление, и максимальное падение напряжения на нем составляет около 0.7V. Поэтому практически все напряжение B1 (если быть точным, то 3.7 — 0.7 = 3V) оказывается приложенным к резистору R1. Этот резистор играет роль ограничителя входного тока биполярного транзистора.

У полевого транзистора MOSFET в этом отношении все по-другому. Входной ток определяется главным образом сопротивлением резистора R2, поэтому входной ток очень мал. Практически все входное напряжение оказывается приложенным к R2 и к переходу затвор — исток полевого транзистора. Причина проста: затвор и исток изолированы друг от друга слоем оксида кремния, по сути это конденсатор, поэтому ток через затвор практически не течет.

По этой причине на низких частотах, когда входная емкость не шунтирует источник сигнала, полевой транзистор имеет гораздо большее усиление по мощности в сравнении с биполярным транзистором. И действительно, в нашем примере входная мощность у биполярного транзистора составляет 0.3 мА * 3.7V = 1.11 мВт, а у полевого транзистора входная мощность составит всего лишь 0.00366 мА * 3.7V = 0.0135 мВт, т. е. в 82 раза меньше! Это соотношение могло бы быть еще больше не в пользу биполярного транзистора, если увеличить сопротивление резистора R2.

• Падение напряжения на выходном канале у полевого транзистора намного меньше, чем у биполярного.

Для данного примера падение напряжения коллектор-эмиттер биполярного транзистора составит примерно 0.3V, а у полевого 0.1V и даже меньше. Обычно выходное сопротивление у полевого транзистора намного меньше, чем у биполярного.

В исходном состоянии, когда на затворе относительно истока нулевое положительное напряжение, сопротивление канала определяется количеством неосновных носителей в полупроводнике, и очень велико. Когда к затвору прикладывается положительное напряжение относительно истока, то появляется проводящий ток канал сток-исток. Поэтому MOSFET иногда называют полевым транзистором с индуцированным каналом.

[Структура мощного транзистора MOSFET]

На рис. 1 показан срез структуры N-канального транзистора MOSFET компании Advanced Power Technology (APT). (Здесь рассматриваются MOSFET только N-структуры, как самые популярные.) Положительное напряжение, приложенное от вывода истока (source) к выводу затвора (gate), заставляет электроны притянуться ближе к выводу затвора в области подложки. Если напряжение исток-затвор равно или больше определенного порогового напряжения, достаточного для накапливания нужного количества электронов для достижения инверсии слоя n-типа, то сформируется проводящий канал через подложку (говорят, что канал MOSFET расширен). Электроны могут перетекать в любом направлении через канал между стоком и истоком. Положительный (или прямой) ток стока втекает в сток, в то время как электроны перемещаются от истока к стоку. Прямой ток стока будет заблокирован, как только канал будет выключен, и предоставленное напряжение сток-исток будет прикладываться в обратном направлении к p-n переходу подложка-сток. В N-канальных MOSFET только электроны формируют проводимость, здесь нет никаких не основных носителей заряда. Скорость переключения канала ограничена только длительностью перезаряда паразитных емкостей между электродами MOSFET. Поэтому переключение может быть очень быстрым, приводя к низким потерям при переключении. Этот фактор делает мощные MOSFET такими эффективными для работы на высокой частоте переключения.

Рис. 1. Срез рабочей структуры транзистора MOSFET.

RDS(on). Основные составляющие, которые входят в сопротивление открытого канала RDS(on), включают сам канал, JFET (аккумулирующий слой), область дрейфа Rdrift, паразитные сопротивления (металлизация, соединительные провода, выводы корпуса). При напряжениях приблизительно выше 150V в сопротивлении открытого канала доминирует область дрейфа. Эффект RDS(on) относительно невелик на высоковольтных транзисторах MOSFET. Если посмотреть на рис. 2, удвоение тока канала увеличивает R

DS(on) только на 6%.

Рис. 2. Зависимость RDS(on) от тока через канал.

Температура, с другой стороны, сильно влияет на RDS(on). Как можно увидеть на рис. 3, сопротивление приблизительно удваивается при возрастании температуры от 25°C до 125°C. Температурный коэффициент RDS(on) определяется наклоном кривой графика рис. 3, и он всегда положителен для большинства поставщиков транзисторов MOSFET. Большой положительный температурный коэффициент RDS(on) определяется потерями на соединении I2R, которые увеличиваются с ростом температуры.

Рис. 3. Зависимость RDS(on) от температуры.

Положительный температурный коэффициент RDS(on) очень полезен, когда нужно параллельно включать транзисторы MOSFET, поскольку это обеспечивает их температурную стабильность и равномерное распределение рассеиваемой мощности между транзисторами. Этим MOSFET выгодно отличаются от традиционных биполярных транзисторов. Но это не гарантирует, что параллельно соединенные транзисторы будут равномерно распределять между собой общий ток. Это широко распространенное заблуждение [2]. То, что действительно делает MOSFET простыми для параллельного включения — это их относительно малый разброс по параметрам между отдельными экземплярами в пределах серии, в частности по параметру R

DS(on), в комбинации с более безопасными свойствами канала в контексте перегрузки по току, когда благодаря положительному температурному коэффициенту RDS(on) сопротивление канала растет при повышении температуры.

Для любого заданного размера кристалла RDS(on) также увеличивается с увеличением допустимого напряжения V

(BR)DSS, как это показано на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость нормализированного RDS(on) от V(BR)DSS.

Кривая нормализированного RDS(on) в зависимости от V(BR)DSS для Power MOS V и Power MOS 7 MOSFET показывает, что RDS(on) растет пропорционально квадрату V(BR)DSS. Эта нелинейная зависимость между RDS(on) и V(BR)DSS является побудительным стимулом для исследования технологий с целью уменьшить потери проводимости мощных транзисторов [3].

[Внутренние и паразитные элементы]

JFET. В структуре MOSFET Вы можете представить себе встроенный JFET, как это показано на рис. 1. JFET оказывает значительное влияние на RDS(on), и является частью нормального функционирования MOSFET.

Внутренний диод на подложке (Intrinsic body diode)

. Переход p-n между подложкой и стоком формирует внутренний диод, так называемый body diode (см. рис. 1), или паразитный диод. Обратный ток стока не может быть блокирован, потому что подложка замкнута на исток, предоставляя мощный путь для тока через body diode. Расширение канала транзистора (при положительном напряжении на затворе относительно истока) уменьшает потери на прохождение обратного тока стока, потому что электроны проходят через канал в дополнение к электронам и неосновным носителям, проходящим через  body diode.

Наличие внутреннего диода на подложке удобно в схемах, для которых требуется путь для обратного тока стока (часто называемого как ток свободного хода), таких как схемах мостов. Для таких схем предлагаются транзисторы FREDFET, имеющие улучшенные восстановительные характеристики (FREDFET это просто торговое имя компании Advanced Power Technology, используемое для выделения серий MOSFET с дополнительными шагами в производстве, направленными на ускорение восстановления intrinsic body diode). В FREDFET нет отдельного диода; это тот же MOSFET intrinsic body diode. Для управления временем жизни неосновных носителей во внутреннем диоде применяется либо облучение электронами (наиболее часто используемый вариант) или легирование платиной, что значительно уменьшает заряд обратно смещенного перехода и время восстановления.

Побочный эффект от обработки FREDFET — повышенный ток утечки, особенно на высоких температурах. Однако, если учесть, что MOSFET имеет очень малый начальный ток утечки, то добавленный через FREDFET ток утечки остается допустимым до температур перехода ниже 150°C. В зависимости от дозы облучения FREDFET может иметь RDS(on) больше, чем у соответствующего MOSFET. Прямое напряжение для паразитного диода для FREDFET также немного больше. Заряд затвора и скорость переключения у MOSFET и FREDFET идентичны. Поэтому термин MOSFET здесь будет использоваться всегда для обоих типов MOSFET и FREDFET, если специально не оговорено что-то другое.

Скорость восстановления для паразитного диода у MOSFET или даже у FREDFET намного хуже в сравнении со скоростью быстрого дискретного диода. В приложениях, где жесткие рабочие условия с температурой порядка 125°C, потери на включение из-за восстановления из обратного смещения примерно в 5 раз выше, чем у быстрых дискретных диодов. НА это есть 2 причины:

1. Рабочая область паразитного диода совпадает с рабочей областью MOSFET или FREDFET, и рабочая область у дискретного диода для той же функции намного меньше, поэтому у дискретного диода намного меньше заряд восстановления.

2. Паразитный диод MOSFET или даже FREDFET не оптимизирован под обратное восстановление, как это сделано для дискретного диода.

Как и любой стандартный кремниевый диод, у паразитного диода заряд восстановления и время зависит от температуры, di/dt (скорости изменения тока), и величины тока. Прямое напряжение паразитного диода, VSD, уменьшается с ростом температуры по коэффициенту примерно 2.5 mV/°C.

Паразитный биполярный транзистор. Разделенная на слои структура MOSFET также формирует паразитный биполярный транзистор (BJT) структуры NPN, и его включение на является частью нормального функционирования. Если BJT откроется и войдет в насыщение, то это может вызвать самоблокировку, при которой MOSFET не может быть выключен кроме как через внешний разрыв цепи тока стока. Высокая мощность рассеивания (например, при возникновении сквозного тока в плече моста) при самоблокировке может вывести MOSFET из строя.

База паразитного BJT замкнута на исток, чтобы предотвратить самоблокировку, и потому что напряжение пробоя (breakdown voltage) было бы значительно уменьшено (для того же самого значения RDS(on)), если бы база была оставлена плавающей. Существует теоретическая возможность самоблокировки при очень большой скорости dv/dt в момент выключения. Однако для современных стандартных мощных транзисторов очень трудно создать схему, где будет достигнута такое высокое dv/dt.

Есть риск включения паразитного BJT, если внутренний диод проводит, и затем выключается с чрезмерно высоким изменением dv/dt. Мощная коммутация dv/dt вызывает высокую плотность неосновных носителей заряда (положительные носители, или дырки) в подложке, что может создать напряжение на подложке, достаточное для включения паразитного BJT. По этой причине в даташите указано ограничение пиковой коммутации (восстановление встроенного диода) dv/dt. Пиковая коммутация dv/dt для FREDFET выше в сравнении с MOSFET, потому что у FREDFET снижено время жизни неосновных носителей заряда.

[На что влияет температура]

Скорость переключения. Температура практически не влияет на скорость переключения и потери, потому что (паразитные) емкости мало зависят от температуры. Однако ток обратного восстановления в диоде увеличивается с температурой, так что температурные эффекты внешнего диода (это может быть дискретный диод, или внутренний диод в MOSFET или FREDFET) влияют на потери включения мощных схем.

Пороговое напряжение, или напряжение отсечки (Threshold voltage). Напряжение отсечки затвора, обозначаемое как VGS(th), является важным стандартным параметром. Оно говорит, насколько много миллиампер через сток будет течь при пороговом напряжении на затворе, когда транзистор в основном выключен, но находится на пороге включения. У напряжения отсечки есть отрицательный температурный коэффициент; это означает, что напряжение отсечки уменьшается с ростом температуры. Температурный коэффициент влияет на время задержки включения и выключения, и следовательно влияет на выбор «мертвого времени» в мостовых схемах.

Переходная характеристика (Transfer characteristic). На рис. 5 показана переходная характеристика MOSFET-транзистора APT50M75B2LL.

Рис. 5. Пример переходной характеристики MOSFET.

Переходная характеристика зависит как от температуры, так и от тока стока. На рис. 5 при токе ниже 100 A напряжение затвор-исток имеет отрицательный температурный коэффициент (при заданном токе стока уменьшается напряжение затвор-исток при повышении температуры). При токе выше 100 A температурный коэффициент становится положительным. Температурный коэффициент напряжения затвор-исток и ток стока в том месте, где коэффициент меняет знак, важен для проектирования работы схем в линейном режиме [4].

Напряжение пробоя (Breakdown voltage). Напряжение пробоя имеет положительный температурный коэффициент, этот будет обсуждаться в секции Walkthrough.

Устойчивость к перегрузке по току (Short circuit capability). Возможность противостояния коротким замыканиям не всегда встречается в даташите. Причина понятна — MOSFET стандартной мощности не подходят для устойчивой работы в режиме перегрузки по току в сравнению с IGBT или другими транзисторами, работающими с высокой плотностью тока. Само собой разумеется, что MOSFET и FREDFET (в некотором смысле) устойчивы к перегрузке по току.

[Обзор параметров даташита. Максимальные предельные значения]

Назначение даташитов, предоставляемых APT, состоит в предоставлении соответствующей информации, которая полезна и удобна для выбора подходящего устройства в конкретном приложении. Предоставляются графики, чтобы можно было экстраполировать от одного набора рабочих условий к другому. Следует отметить, что графики предоставляют типичную производительность, но не минимумы или максимумы. Производительность также зависит кое в чем от схемы; различные тестовые схемы приведут к отличающимся результатам.

VDSS, напряжение сток-исток. Это оценка максимального напряжения сток-исток не вызывая лавинного пробоя (avalanche breakdown) с затвором, замкнутым на исток при температуре 25°C. В зависимости от температуры напряжение лавинного пробоя могло бы быть фактически меньше, чем параметр VDSS. См. описание V(BR)DSS в разделе «Статические электрические характеристики».

VGS, напряжение затвор-исток. Это предельное напряжение между выводами затвора и истока. Назначение этого параметра — предотвратить повреждение изолирующего оксидного слоя затвора (например, от статического электричества). Фактическая устойчивость оксидной пленки затвора намного выше, чем заявленный параметр VGS, но он варьируется в зависимости от производственных процессов, так что если укладываться в предел VGS, то это гарантирует надежную работу приложения.

ID, непрерывный ток стока. ID определяет максимальный уровень продолжающегося постоянного тока, когда транзистор выходит из строя при максимальной температуре перехода TJ(max), для случая 25°C, и иногда для более высокой температуры. Он основан на термосопротивлении между корпусом и переходом RӨJC, и для случая температуры TC может быть вычислен по формуле:

Это выражение просто говорит о том, какая максимальная мощность может рассеиваться

при максимальной генерируемой теплоте из-за потерь в соединении I2D X RDS(on)@TJ(max), где RDS(on)@TJ (max) сопротивление открытого канала при максимальной температуре перехода. Отсюда можно вывести ID:

Обратите внимание, что в ID не входят никакие потери на переключение, и случай с температурой 25°C на практике встречается редко. По этой причине в приложениях, где MOSFET часто переключается, фактический коммутируемый ток обычно меньше половины ID @ TC = 25°C; обычно между 1/4 до 1/3.

Зависимость ID от TC. Этот график просто отражает формулу 2 для диапазона температур. Здесь также не учтены потери на переключение. На рис. 6 приведен пример такого графика. Обратите внимание, что в некоторых случаях выводы корпуса транзистора ограничивают максимально допустимый продолжительный ток (переключаемый ток может быть больше): 100 A для корпусов TO-247 и TO-264, 75 A для TO-220 и 220 A для SOT-227.

Рис. 6. Максимальный ток стока в зависимости от температуры.

IDM, импульсный ток стока. Этот параметр показывает, какой импульс тока может выдержать устройство. Этот ток может значительно превышать максимально допустимый постоянный ток. Назначение этого параметра IDM состоит в том, чтобы удержать рабочий омический регион в пределе выходных характеристик. Посмотрите на рис. 7:

Рис. 7. Выходная характеристика MOSFET.

На этом графике есть максимальный ток стока для соответствующего напряжения затвор-исток, когда транзистор MOSFET открыт. Если рабочая точка при данном напряжении затвор-исток переходит выше омического региона «колена» рис. 7, то любое дальнейшее увеличение тока через сток приведет к значительному увеличению напряжения сток-исток (транзистор переходит из режима насыщения в линейный режим) и последующей потере проводимости. Если мощность рассеивания станет слишком велика, и это будет продолжаться довольно долго, то устройство может выйти из строя. Параметр IDM нужен для того, чтобы установить рабочую точку ниже «колена» для типичных применений транзистора в ключевом режиме.

Нужно ограничить плотность тока, чтобы предотвратить опасный нагрев, что иначе может привести к необратимому перегоранию MOSFET.

Чтобы избежать проблем с превышением тока через соединительные провода иногда применяют плавкие предохранители. В случае перегрузки по току выгорят именно они вместо транзистора.

Относительно температурных ограничений на IDM, рост температуры зависит от длительности импульса тока, интервала времени между импульсами, интенсивности рассеивания тепла, сопротивления открытого канала RDS(on), а также и от формы и амплитуды импульса тока. Если просто удержаться в пределах IDM, то это еще не означает, что температура перехода не будет превышена. См. обсуждение переходного теплового сопротивления в разделе «Температурные и механические характеристики», чтобы узнать способ оценки температуры перехода во время импульса тока.

PD, общая мощность рассеивания. Этот параметр определяет максимальную мощность, которую может рассеивать устройство, и он основан на максимально допустимой температуре перехода и термосопротивлении RӨJC для случая температуры 25°C.

Линейный коэффициент снижения мощности это просто инверсия RӨJC.

TJ, TSTG: рабочий и складской диапазон температур перехода. Этот параметр ограничивает допустимую температуру кристалла устройства во время работы и во время хранения. Установленные пределы гарантируют, что будут соблюдены гарантийные эксплуатационные сроки устройства. Работа в пределах этого диапазона может значительно увеличить срок службы.

EAS, лавинная энергия одиночного импульса. Если импульс напряжения (возникающий обычно из-за утечки и случайной индуктивности) не превышает напряжение пробоя, то не будет лавинного пробоя устройства, так что нет необходимости рассеивать энергию пробоя. Параметр максимальной лавинной энергии оценивает устройство в плане рассеивания мощности режима лавинного пробоя при переходных процессах с повышенным напряжением.

Все устройства, которые оценены по лавинной энергии, имеют параметр EAS. Лавинная энергия связана с параметром разблокированного индуктивного переключения (unclamped inductive switching, UIS). EAS показывает, сколько лавинной энергии устройство может поглотить. Условия для схемы тестирования Вы можете найти в документации по ссылкам, и EAS вычисляется по формуле:

Здесь L величина индуктивности, из которой поступает импульс тока iD, случайно поступающий в на закрытый переход транзистора через сток при тесте. Индуцируемое напряжение превышает напряжение пробоя MOSFET, что вызывает лавинный пробой. Лавинный пробой позволяет импульсу тока от индуктивности течь через MOSFET, даже если он закрыт. Энергия, запасенная в индуктивности, аналогична энергии, сохраненной в утечке и/или случайной индуктивности, и она должна быть рассеяна в MOSFET.

Когда транзисторы MOSFET соединены параллельно, это совершенно не означает, что у них одинаковое напряжение пробоя. Обычно пробьется только один транзистор, и только на него поступит вся энергия тока лавинного пробоя.

EAR, повторная лавинная энергия. Этот параметр стал «промышленным стандартом», но он не имеет смысла без информации о частоте, других потерях и эффективности охлаждения. Рассеивание тепла (охлаждение) часто ограничивает значение повторной рассеиваемой энергии. Также трудно предсказать, сколько энергии находится в лавинном событии. То, о чем говорит EAR в действительности, означает, что устройство может выдерживать повторяющиеся лавинные пробои без какого-либо ограничения по частоте, если устройство не перегрето, что в принципе верно для любого устройства, которое может испытать лавинный пробой. Во время анализа проекта хорошей практикой является измерение температуры устройства или его радиатора во время работы — чтобы увидеть, что MOSFET не перегрет, особенно если возможны условия лавинного пробоя.

IAR, ток лавинного пробоя. Для некоторых устройств, которые могут выйти из строя во время лавинного пробоя, этот параметр дает лимит на максимальный ток пробоя. Так что это как бы «точный отпечаток» спецификаций лавинной энергии, показывающий реальные возможности устройства.

[Статические электрические характеристики]

V(BR)DSS, Drain-source breakdown voltage, напряжение пробоя сток-исток. Параметр V(BR)DSS (иногда его называют BVDSS) определяет максимальное напряжение сток-исток, при котором через канал сток-исток будет течь ток не больше допустимого при заданной температуре и нулевом напряжении между затвором и истоком. Фактически этот параметр соответствует напряжению лавинного пробоя канала сток-исток закрытого транзистора. 

Как показано на рис. 8, у параметра V(BR)DSS есть положительный температурный коэффициент. Таким образом, MOSFET может выдержать больше напряжение, если он нагрет, по сравнению с холодным состоянием. Фактически в охлажденном состоянии V(BR)DSS будет меньше, чем предельно допустимое напряжение сток-исток VDSS, указанное для температуры 25°C. В примере, показанном на рис. 8 при -50°C, напряжение V(BR)DSS будет составлять 90% от максимально допустимого VDSS, указанного для температуры 25°C. 

Рис. 8. Нормализованная зависимость напряжения пробоя от температуры. 

VGS(th), Gate threshold voltage, напряжение отсечки затвора. Это пороговое напряжение затвор-исток, при превышении которого транзистор начнет открываться. Т. е. при напряжении на затворе выше VGS(th) транзистор MOSFET начинает проводить ток через канал сток-исток. Для параметра VGS(th) также указываются условия проверки (ток стока, напряжение сток-исток и температура кристалла). Все транзисторы MOSFET допускают некоторый разброс порогового напряжения отсечки затвора от устройства к устройству, что вполне нормально. Таким образом, для VGS(th) указывается диапазон (минимум и максимум), в который должны попасть все устройства указанного типа. Как уже обсуждалось ранее в разделе «На что влияет температура», VGS(th) имеет отрицательный температурный коэффициент. Это значит, что с увеличением нагрева MOSFET откроется при более низком напряжении затвор-исток. 

RDS(on), ON resistance, сопротивление в открытом состоянии. Этот параметр определяет сопротивление открытого канала сток-исток при указанном токе (обычно половина от тока ID), напряжении затвор-исток (обычно 10V) и температуре 25°C, если не указано что-либо другое. 

IDSS, Zero gate voltage drain current, ток утечки канала. Это ток, который может течь через закрытый канал сток-исток, когда напряжение на затвор-исток равно нулю. Поскольку ток утечки увеличивается с температурой, то IDSS указывается для комнатной температуры и для нагретого состояния. Потери мощности из-за тока утечки IDSS через канал сток-исток обычно незначительны. 

IGSS, Gate-source leakage current, ток утечки затвора. Это ток, который может через затвор при указанном напряжении затвор-исток. 

[Динамические характеристики

Рис. 9 показывает месторасположения внутренних емкостей транзистора MOSFET. Величина этих емкостей определяется структурой MOSFET, используемыми материалами и приложенными напряжениями. Эти емкости не зависят от температуры, так что температура не влияет на скорость переключения MOSFET (за исключением незначительного эффекта, связанного с пороговым напряжением, которое зависит от температуры). 

Рис. 9. Паразитные емкости транзистора MOSFET в структуре кристалла. 

Емкости Cgs и Cgd меняются в зависимости от приложенного к ним напряжений, потому что они затрагивают обедненные слои в устройстве [8]. Однако на Cgs намного меньше меняется напряжение в сравнении с Cgd, так что емкость Cgs изменяется меньше. Изменение Cgd при изменении напряжения сток-затвор может быть больше, потому что напряжение может меняться в 100 раз или больше. 

На рис. 10 показаны внутренние емкости MOSFET с точки зрения схемотехники. Емкости затвор-сток и затвор-исток могут повлиять на схему управления, и вызвать нежелательные эффекты при быстрых переключениях в мостовых схемах. 

Рис. 10. Паразитные емкости транзистора MOSFET в рабочей схеме. 

Если кратко, то чем меньше Cgd, тем будет меньше влияние на схему управления при перепаде напряжения при включении транзистора. Также емкости Cgs и Cgd формируют емкостный делитель напряжения, и при большом соотношении Cgs к Cgd желательно защитить схему управления от паразитных помех от перепадов напряжения, возникающих при переключении. Это соотношение, умноженное на пороговое напряжение, определяет качество защиты схемы управления от переключений в выходной цепи, и силовые транзисторы MOSFET компании APT лидируют в индустрии по этому показателю. 

Ciss, Input capacitance, входная емкость. Это емкости, измеренная между выводами затвора истока, когда по переменному напряжению сток замкнут на исток. Ciss состоит из параллельно соединенных емкостей Cgd (емкость затвор-сток) и Cgs (емкость затвор-исток): 

Входная емкость должна быть заряжена до порогового напряжения перед тем, как транзистор начнет открываться, и разряжена до напряжения общего провода перед тем, как транзистор выключится. Таким образом, сопротивление управляющей схемы и емкость Ciss образуют интегрирующую цепь, которая напрямую влияет на задержки включения и выключения. 

Coss — Output capacitance, выходная емкость. Это емкость, измеренная между стоком и истоком, когда затвор замкнут по переменному току на сток. Coss состоит из параллельно соединенных емкостей Cds (емкость сток-исток) и Cgd (емкость затвор-сток):

Для приложений с мягким переключением параметр Coss важен, потому что влияет на резонанс схемы. 

Crss, Reverse transfer capacitance, обратная переходная емкость. Это емкость, измеренная между стоком и затвором, когда исток соединен с землей. Обратная переходная емкость эквивалентна емкости затвор-сток. 

Обратная переходная емкость часто упоминается как емкость Миллера. Это один из главных параметров, влияющих на время нарастания и спада напряжения во время переключения. Он также влияет на эффекты времени задержки выключения. 

На рис. 11 показан пример зависимости типичных значений емкости от напряжения сток-исток. 

Рис. 11. Зависимость емкости от напряжения. 

Емкости уменьшаются при увеличении напряжения сток-исток, особенно это влияет на выходную и обратную переходную емкости.

Qgs, Qgd и Qg, Gate charge, заряд затвора. Значения заряда отражают заряд, сохраненный на внутренних емкостях, описанных ранее. Заряд затвора используется для разработки схемы управления, поскольку нужно учитывать изменения емкости при изменении напряжения на переходах переключения [9, 10].

На рис. 12 показано, что Qgs заряжается от начала координат до первого перегиба и далее заряжается до второго перегиба кривой (этот заряд известен как заряд Миллера), и Qg является зарядом от начала координат до точки, где VGS равно указанному управляющему напряжению затвора. 

Рис. 12. VGS как функция заряда затвора. 

Заряд затвора незначительно изменяется с током стока и напряжением сток-исток, но не зависит от температуры. Для этого параметра указываются условия тестирования. График заряда затвора, обычно приведенный в даташите, показывает кривые заряда затвора для фиксированного тока стока и различных напряжений сток-исток. Напряжение горизонтального участка VGS(pl), «плато», показанное на рис. 12, незначительно увеличивается с ростом тока (и соответственно уменьшается при снижении тока). Напряжение  также имеет прямо пропорциональную зависимость от порогового напряжения, так что изменения порогового напряжения коррелирует и изменением напряжения плато. 

[Резистивные параметры времени переключения (данные resistive switching)]

Эти параметры имеются в даташите по чисто историческим причинам. 

td(on), Turn-on delay time, время задержки включения. Это время от момента, когда напряжение затвор-исток на 10% превысит напряжение отсечки затвора до момента времени, когда ток стока вырастет больше 10% от указанного выходного тока. Это показывает задержку начала поступления тока в нагрузку.

td(off), Turn-off delay Time, время задержки выключения. Это время от момента, когда напряжение затвор-исток упадет ниже 90% напряжения отсечки затвора до момента, когда ток стока упадет ниже 90% от указанного выходного тока. Это показывает задержку отключения тока в нагрузке.

tr, Rise time, время нарастания. Это время, за которое ток стока вырастет от 10% до 90% (значение тока указывается).

tf, Fall time, время спада. Это время, за которое ток стока спадет от 90% до 10% (значение тока указывается). 

[Энергии переключения в индуктивностях

Из-за того, что данные resistive switching трудно использовать для предсказания потерь на переключение в реальных рабочих условиях мощных преобразователей, компания Advanced Power Technology включает во многие даташиты транзисторов MOSFET и FREDFET данные энергии переключения в индуктивностях. Это предоставляет разработчику ключевых блоков питания удобный способ сравнения быстродействия транзисторов MOSFET или FREDFET с другими транзисторами, даже если они выполнены по другой технологии наподобие IGBT. Поэтому можно использовать для разработки самый подходящий по качеству мощный транзистор. 

На рис. 13 показана схема тестирования переключения транзистора с учетом потерь в индуктивностях. Это импульсный тест, где применяется очень короткий по длительности цикл открытого состояния транзистора, так что энергия, запасенная в индуктивности, успеет рассеяться намного раньше поступления последующих импульсов, и саморазогрев можно не учитывать. Температура транзистора и фиксирующего диода во время теста регулируется принудительно от внешнего термостата. 

Рис. 13. Схема тестирования потерь на индуктивности.

В таблице динамических характеристик указываются следующие условия тестирования: VDD на рис. 13, ток теста, напряжение управления для затвора, сопротивление затвора и температура кристалла. Обратите внимание, то сопротивление затвора может включать сопротивление выхода микросхемы драйвера. Поскольку время переключения и энергии меняются с температурой (главным образом из-за диода в тестовой схеме), то данные предоставляются как для комнатной температуры, так и для разогретого состояния диода и тестируемого транзистора. Также предоставляется график зависимости между временем переключения и энергиями тока стока, и сопротивлением затвора. Определения времени задержки (включения) и времени нарастания и спада тока совпадают с аналогичными временами для данных resistive switching. 

Фактические формы сигнала при переключениях используются в даташите для определения различных измеренных параметров. Рис. 14 показывает форму сигнала включения и определения, связанные с ним. Энергия переключения может быть масштабирована напрямую для изменений между напряжением в приложении и энергией при тестовом напряжении, указанном в даташите. Так что, к примеру, если тесты в даташите были проведены при напряжении 330V, и в приложении применяется напряжение 400, то для масштабирования нужно просто умножить энергию переключения из даташита на коэффициент 400/330. 

Рис. 14. Формы сигналов включения и соответствующие определения. 

Времена переключения и энергии очень зависят от других компонентов и случайных (паразитных) индуктивностей в схеме. Диод сильно влияет на энергию включения. Паразитная индуктивность, включенная последовательно с истоком, является частью пути возвратного управляющего тока, и поэтому значительно влияет на времена переключения и энергии. Таким образом, время переключения и значения энергии, представленные в даташите, могут отличаться от того, что наблюдается в реальном приложении силового узла блока питания или ключа управления мотором. 

Eon, Turn-on switching energy with diode, энергия включения с диодом. Это зафиксированная индуктивная энергия включения, которая включает индуктивный коммутирующий реверсивный ток восстановления диода в тестируемом транзисторе, и она учитывает потери при включении. Обратите внимание, что транзисторы FREDFET в схемах мостов получают жесткие условия переключения, где паразитный диод сложно коммутируется, и энергия включения примерно в 5 раз выше, чем если бы использовался дискретный диод с быстрым восстановлением, наподобие того как показано в схеме рис. 13. 

Энергия включения является интегралом результата от тока стока и напряжения сток-исток на интервале от момента, когда ток стока вырастет больше 5% или 10% от тестового тока, то момента, когда напряжение спадет ниже 5% от тестового напряжения, как это показано на рис. 14. 

Eoff, Turn-off switching energy, энергия выключения. Это параметр, характеризующий фиксацию потерь на индуктивности при выключении. На рис. 13 показана схема тестирования, и рис. 15 показывает форму сигнала и определения. Eoff является интегралом результата от тока стока и напряжением сток-исток на интервале времени от момента, когда напряжение затвор-исток упадет ниже 90% до момента, когда ток стока станет нулевым. Это соответствует измерениям энергии выключения по JEDEC-стандарту 24-1. 

Рис. 15. Формы сигналов выключения и соответствующие определения. 

[Температурные и механические характеристики]

RƟJC, Junction to case thermal resistance, тепловое сопротивления между подложкой и корпусом. Этот параметр характеризует эффективность передачи тепла от кристалла к внешнему корпусу транзистора. Выделяющееся тепло является результатом потерь мощности в самом транзисторе. Обратите внимание, что тесты компании APT показывают температуры пластмассы, совпадающую с металлической частью корпуса дискретного компонента. 

Максимальное значение RƟJC включает допуск, учитывающий погрешности изменения для обычного процесса производства. Из-за улучшений производственного процесса в индустрии есть тенденция сокращения разницы между максимальным значением RƟJC и его реальным значением. 

ZƟJC, Junction to case transient thermal impedance, переходной термический импеданс между подложкой и корпусом. Этот параметр учитывает теплоемкость устройства, так что он может использоваться для оценки мгновенных температур из-за потерь мощности. 

В условиях проведения теста на термоимпеданс на тестируемый транзистор прикладываются импульсы мощности различной длительности, и при этом ждут спада температуры между каждым импульсом. Это дает измерение переходного термосопротивления для «одиночного импульса». Из этого строится модель резистор-емкость (RC) по кривой изменения температуры. Рис. 16 показывает такую RC-модель переходного термосопротивления. Некоторые даташиты могут показывать конденсаторы и резисторы, включенные параллельно, но это будет ошибкой. Конденсаторы «заземлены», как это показано на рис 16, и значения компонента остаются такими же. Нет никакого физического значения для промежуточных узлов в модели. Разное количество пар резистор-конденсатор используется просто для того, чтобы создать хорошую подгонку к фактическим измененным данным термосопротивления. 

Рис. 16. RC-модель переходного термосопротивления. 

Чтобы симулировать возрастание температуры с помощью RC-модели, Вы прикладываете источник тока с магнитудой, соответствующей рассеиваемой мощности в MOSFET. Таким образом, Вы можете использовать систему PSPICE или другой программный симулятор электронных схем, чтобы применить ввод произвольных потерь мощности. Из этого Вы можете оценить повышение температуры участка подложка-корпус как напряжение на ступеньках лестницы, установив ZEXT в ноль, как это показано на рис. 16. Вы можете расширить модель, чтобы включить теплоотвод, добавив дополнительные конденсаторы и/или резисторы. 

Переходное термосопротивление в виде семейства кривых, опубликованное в даташите, это просто симуляция прямоугольного импульса, основанная на RC-модели термосопротивления. Рис. 17 показывает пример. Вы можете использовать семейство кривых для оценки пикового нарастания температуры для прямоугольных импульсов мощности, которые являются обычными в источниках питания. Однако из за того, что минимальная длительность импульса 10 мкс, график имеет значение только для частот ниже 100 кГц. На более высоких частотах Вы будете просто использовать термосопротивление RƟJC.

Рис. 17. Семейство кривых термосопротивления.

[Пример анализа даташита]

Предположим, что в реальном приложении ключевого блока питания Вы хотите применить жесткое переключение тока 15A на частоте 200 кГц при напряжении 400V, при средней скважности 35%. Напряжение управления затвора 15V, и сопротивление цепи управления затвора составляет 15Ω для включения и 5Ω для выключения. Также предположим, что Вы хотите позволить максимальную температуру перехода 112°C, с удержанием температуры корпуса транзистора 75°C. С транзистором, рассчитанным на 500V, есть запас только в 100V между напряжением в приложении и VDSS. С учетом скачков напряжения на шине питания 400V узкий запас по напряжению все равно достаточен, потому что у транзистора MOSFET есть эффект лавинного пробоя, который дает «безопасную цепь». Это конфигурация с продолжительной проводимостью, так что быстро восстанавливающийся диод FREDFET не нужен, MOSFET будет работать достаточно хорошо. Такой транзистор Вам следует выбрать? 

Поскольку это приложение с довольно высокой частотой переключения, то лучшим выбором будет серия Power MOS 7. Посмотрим на транзистор APT50M75B2LL. Его расчетный ток 57A, что больше чем в 3 раза переключаемого тока — хорошая стартовая точка, учитывая высокую частоту и жесткое переключение. Давайте оценим потери проводимости, потери переключения, и посмотрим, будет ли тепло рассеиваться достаточно быстро. Общая мощность, которую можно рассеять: 

При 112°C сопротивление RDS(on) примерно в 1.8 раз больше, чем при комнатной температуре (см. рис. 3). Так что потери на проводимость составят: 

Pconduction = (1.8*0.075Ω * 15A) * 15A = 30.4 Вт 

Для оценки потерь на включение мы можем посмотреть на график зависимости потерь переключения от тока при температуре 125°C, показанный на рис. 18. Даже при том, что наше приложение требует максимальную температуру перехода 112°C, этот график будет достаточно точен, потому что энергия переключения MOSFET не чувствительна к температуре, за исключением изменений температуры, связанных с диодом в схеме. Поэтому не будет больших изменений при переходе от 112°C к 125°C. В любом случае, наша оценка будет консервативной. 

Рис. 18. Индуктивные потери переключения. 

По рис. 18 на токе 15A значение Eon будет около 300 μJ, и Eoff около 100 μJ. Значения были измерены при 330V, а в нашем приложении на шине питания 400V. Так что мы можем просто сделать масштабирование энергий переключения по напряжению:

Данные на рис. 18 были также измерены при сопротивлении затвора 5Ω, и мы будем использовать 15Ω при включении. Поэтому мы можем использовать график зависимости энергии переключения от данных сопротивления затвора, показанный на рис. 19, чтобы снова сделать масштабирование энергии. 

Рис. 19. Зависимость энергии переключения от сопротивления затвора. 

Даже при том, что тестовый ток на рис. 19 больше, чем в нашем приложении, разумно учесть соотношение в изменении энергии переключения между рис. 19 и нашим случаем. От 5Ω до 15Ω значение Eon поменяется с коэффициентом около 1.2 (1500μJ / 1250μJ, см. рис. 19). Применим это с данным, скорректированным по напряжению, которые мы видим на рис. 18, и получим Eon = 1.2*364μJ = 437μJ. 

Потери на переключение составят: 

Pswitch = fswitch — ( Eon + Eoff) = 200kHz — (437μJ +121μJ) = 112 Вт

Pconduction + Pswitch = 142.4 Вт, что дает возможность сохранить температуру перехода ниже 112°C в случае корпуса, охлажденного до 75°C. Так что APT50M70B2LL будет удовлетворять требованиям этого примера применения. Такая же техника может использоваться для менее мощных транзисторов MOSFET. На практике потери часто больше всего бывают на переключении. Чтобы поместить транзистор на радиатор и поддерживать температуру корпуса 75°C вероятно потребуется керамическая прокладка (для электрической изоляции) между корпусом и теплоемким радиатором. Преимущество MOSFET состоит в том, что могут применяться демпферы и/или техники резонанса для уменьшения потерь на переключение, причем с транзисторами MOSFET не нужно беспокоиться о влиянии на переключение эффектов зависимости от напряжения или температуры.

[UPD160207. Figure-of-merit]

Для оценки транзисторов FET применяют так называемый показатель качества, Figure of merit (FOM) [11]. Он учитывает одновременно потери на включенном транзисторе и потери на переключение. Обычно FOM вычисляется как произведение сопротивления канала сток-исток открытого транзистора R(DS)ON на заряд затвора QG. QG это заряд, который надо поместить на затвор транзистора MOSFET, чтобы он полностью открылся. С точки зрения рационального дизайна трудно одновременно снизить оба параметра, так что они хороши для оценки качества разработки ключа на полевом транзисторе.

Конечно, сравнение имеет смысл делать только в неком стандартном наборе условий. Это означает, что не только напряжение между затвором и истоком VGS поставляет заряд, также и напряжение сток-исток VDS влияет на сопротивление R(DS). (Это означает, что не просто канал полностью открыт, а то, что сопротивление R(DS) изменяется вверх и вниз.) Усложненный анализ учитывает, что R(DS)ON немного меняется с током стока, так что при сравнении переключающихся транзисторов рабочий ток стока ID также должен быть определен.

Иногда Вы увидите незначительно отличающийся показатель качества FOM: FOMSW, который будет произведением от which R(DS)ON и Q. Он характеризует заряд переключения, который немного меньше QG.

[Ссылки]

1. Power MOSFET tutorial site:eetimes.com.
2. R. Severns, E. Oxner; «Parallel Operation of Power MOSFETs», technical article TA 84-5, Siliconix Inc. 
3. J. Dodge; «Latest Technology PT IGBTs vs. Power MOSFETs», application note, Advanced Power Technology.
4. R. Frey, D. Grafham — APT, T. Mackewicz — TDIDynaload; «New 500V Linear MOSFETs for a 120 kW Active Load», application note APT0002, Advanced Power Technology.
5. Реле и транзисторы: как они работают в качестве электронных переключателей.
6. JFET site:wikipedia.org.
7. Bipolar junction transistor site:wikipedia.org.
8. N. Mohan, T. Undeland, W. Robbins; «Power Electronics » Converters Applications, and Design», text book published by Wiley.
9. K. Dierberger, «Gate Drive Design for Large Die MOSFETs», application note APT9302, Advanced Power Technology.
10. R. McArthur, «Making Use of Gate Charge Information in MOSFET and IGBT Datasheets», application note APT0103, Advanced Power Technology.
11. Оценка качества транзисторов MOSFET.

Шпаргалка в картинках по использованию MOSFET’ов

Не знаю, как вы, а я лично постоянно забываю, где у полевых МОП-транзисторов (a.k.a MOSFET) находится сток и исток, а также как их использовать в зависимости от того, имеет ли данный МОП-транзистор N-канал или P-канал. Поэтому я решил сделать себе небольшую шпаргалку, ну и заодно поделиться ею с вами. Я также подготовил упрощенную PDF-версию этого поста, которую можно распечатать на половине листа A4 и повесить на стену.

Итак, у МОП-транзисторов три ноги, называемые затвором (gate), истоком (source) и стоком (drain):

Такое расположение верно для большинства полевых МОП-транзисторов в корпуске TO-220, в частности IRF3205 и IRF4905. При использовании незнакомого полевика, естественно, следует свериться с его даташитом.

Типичное использование:

Транзистор с N-каналом подключается, что называется, в нижнем плече (low-side), а с P-каналом — в верхнем плече (high-side). По такой схеме полевые транзисторы используются для нагрева паяльника, управления двигателями, и так далее.

Fun fact! На самом деле, полевые транзисторы разделяют еще на две категории: enhancement mode и depletion mode. Последние встречаются существенно реже и обычно являются N-канальными. Поэтому в данном посте речь идет об enhancement mode MOSFET’ах. Для depletion mode справедливо все тоже самое, только на картинке нужно поменять ON и OFF местами. При работе с незнакомым полевым транзистором, стоит проверить, к какому типу он относится.

Также МОП-транзисторы могут быть использованы для защиты от переполюсовки:

В приведенной схеме падение напряжения практически нулевое, чего нельзя достичь при помощи обычных блокирующих диодов. Это может быть особенно важно в проектах, питающихся от аккумулятора. Заметьте, что сток и исток располагаются с точностью до наоборот по сравнению с тем, как их хочется расположить, исходя из предыдущей схемы.

Стоит также отметить еще одно интересное свойство MOSFET’ов. Допустим, вам нужно управлять большим током, чем тот, на который рассчитан имеющийся у вас MOSFET. В этом случае ничто не мешает взять несколько штук и соединить их параллельно. Тогда ток будет автоматически распределен между ними поровну.

Дополнительные материалы:

Такая вот получилась шпаргалка. Если вам есть, что к ней добавить, не стесняйтесь оставлять комментарии.

Дополнение: Еще вас могут заинтересовать следующие схемы на основе полевых МОП-транзисторов: автоматическая регулировка усиления (АРУ), ВЧ усилители на 5 Вт и 10 Вт, а также схема переключения RX/TX для трансивера.

Метки: Электроника.

Полевой транзистор МОП (MOSFET) | Принцип работы и параметры

Что такое полевой транзистор MOS, MOSFET, МОП транзистор?

Как часто вы слышали название полевой транзистор МОП, MOSFET, MOS, полевик, МДП-транзистор, транзистор с изолированным затвором? Это все слова синонимы и относятся к одному и тому же радиоэлементу: полевому МОП-транзистору.

Полное название такого радиоэлемента на английский манер звучит как Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFET), что в дословном переводе Металл Оксид Полупроводник Поле Влияние Транзистор. Если преобразовать на наш могучий русский язык, то получается как полевой транзистор со структурой Металл Оксид Полупроводник или просто МОП-транзистор. Почему МОП-транзистор также называют МДП-транзистором и транзистором с изолированным затвором.

Откуда пошло название “МОП”

Если “разрезать” МОП-транзистор, то можно увидеть вот такую картину.

С точки зрения еды на вашем столе, МОП-транзистор будет больше похож на бутерброд. Полупроводник P-типа – толстый кусок хлеба, диэлектрик – тонкий слой колбасы, слой металла – тонкая пластинку сыра. В результате у нас получается вот такой бутерброд.

А как  будет строение транзистора сверху-вниз? Сыр – металлическая пластинка, колбаса – диэлектрик, хлеб – полупроводник. Следовательно, получаем Металл-Диэлектрик-Полупроводник. А если взять первые буквы с каждого названия, то получается МДП – Металл-Диэлектрик-Полупроводник, не так ли? Значит, такой транзистор можно назвать по первым буквам МДП-транзистором. А так как в качестве диэлектрика используется очень тонкий слой оксида кремния (SiO2), можно сказать почти стекло, то и вместо названия “диэлектрик” взяли название “оксид, окисел”, и получилось Металл-Окисел-Полупроводник, сокращенно МОП. Ну вот, теперь все встало на свои места).

Далее по тексту МОП-транзистор условимся называть просто полевой транзистор. Так будет проще.

Строение полевого транзистора

Давайте еще раз рассмотрим структуру полевого транзистора.

Имеем “кирпич” полупроводникового материала P-проводимости. Как вы помните, основными носителями в полупроводнике P-типа являются дырки, поэтому, их концентрация намного больше, чем электронов. Но электроны также есть и в P-полупроводнике. Как вы помните, электроны в P-полупроводнике – это неосновные носители и их концентрация очень мала, по сравнению с дырками. “Кирпич” P-полупроводника носит название Подложки. От подложки выходит вывод с таким же названием: подложка.

[quads id=1]

Другие слои – это материал N+ типа, диэлектрик, металл. Почему N+, а не просто N? Дело в том, что этот материал сильно легирован, то есть концентрация электронов в этом полупроводнике очень большая. От  полупроводников N+ типа, которые располагаются по краям, отходят два вывода: Исток и Сток.

Между Истоком и Стоком через диэлектрик располагается металлическая пластинка, от который идет вывод. Называется этот вывод Затвором. Между Затвором и другими выводами нет никакой электрической связи. Затвор вообще изолирован от всех выводов транзистора, поэтому МОП-транзистор также называют транзистором с изолированным затвором.

Мы видим, что полевой транзистор на схеме имеет 4 вывода (Исток, Сток, Затвор и Подложка), а реальный транзистор имеет только 3 вывода.

В чем прикол? Дело все в том, что Подложку обычно соединяют с Истоком. Иногда это уже делается в самом транзисторе еще на этапе разработки. В результате того, что Исток соединен с Подложкой, у нас образуется диод между Стоком и Истоком, который иногда даже не указывается в схемах, но всегда присутствует:

Поэтому, следует соблюдать цоколевку при подключении МОП-транзистора в схему.

Виды полевых транзисторов

В семействе МОП полевых транзисторов в основном выделяют 4 вида:

1) N-канальный с индуцированным каналом

2) P-канальный с индуцированным каналом

3) N-канальный со встроенным каналом

4) P-канальный со встроенным каналом

Как вы могли заметить, разница только в обозначении самого канала. С индуцированным каналом он обозначается штриховой линией, а со встроенным каналом – сплошной.

В современном мире полевой транзистор со встроенным каналом используется все реже и реже, поэтому, в наших статьям мы их не будем рассматривать. Будем изучать только N и P – канальные полевые транзисторы с индуцированным каналом.

Принцип работы полевого транзистора

Принцип работы почти такой же, как и в полевом транзисторе с управляющим PN-переходом (JFET-транзисторе). Исток – это вывод, откуда начинают свой путь основные носители заряда, Сток – это вывод, куда они притекают, а Затвор – это вывод, с помощью которого мы контролируем поток основных носителей.

Пусть Затвор у нас пока что никуда не подключен. Для того, чтобы устроить движение электронов через Исток-Сток, нам потребуется источник питания Bat:

Если рассмотреть наш транзистор с точки зрения PN-переходов и диодов на их основе, то можно нарисовать эквивалентную схемку для нашего рисунка. Она будет выглядеть вот так:

где

И-Исток

П-Подложка

С-Сток

Как вы видите, диод VD2 включен в обратном направлении, так что электрический ток никуда не потечет.

Значит, в этой схеме

никакого движения электрического тока пока что не намечается.

Индуцирование канала в МОП-транзисторе

Если подать некоторое напряжение на Затвор, то в Подложке начнутся волшебные превращения. В ней будет индуцироваться канал. Индукция, индуцирование – это буквально означает “наведение”, “влияние”. Под этим термином понимают возбуждение в объекте какого-либо свойства или активности в присутствии возбуждающего субъекта (индуктора), но без непосредственного контакта (например, через магнитное или электрическое поле). Последнее выражение для нас имеет более глубокий смысл: “через электрическое поле”.

Также нам не помешает вспомнить, как ведут себя заряды различных знаков. Те, кто не играл на физике на последней парте в  морской бой и не плевал через корпус шариковой ручки бумажными шариками в одноклассниц, тот наверняка вспомнит, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются:

На основе этого принципа еще в начале ХХ века ученые сообразили, где все это можно применить, и создали гениальный радиоэлемент. Оказывается, достаточно подать на Затвор положительное напряжение относительно Истока, как сразу под Затвором возникает электрическое поле.

Так как у нас слой диэлектрика очень тонкий, следовательно, электрическое поле будет также влиять и на подложку, в которой дырок намного больше, чем электронов, так как в данный момент подложка P-типа. А раз и на Затворе положительный потенциал, а дырки обладают положительным зарядом, следовательно, одноименные заряды отталкиваются, а разноименные  – притягиваются.

Картина будет выглядеть следующим образом.

Дырки обращаются в бегство подальше от Затвора, так как одноименные заряды отталкиваются, а электроны наоборот пытаются пробиться к металлической пластинке затвора, но им мешает диэлектрик, который не дает им воссоединиться с Затвором и уравнять потенциал до нуля. Поэтому, электронам ничего другого не остается, как просто создать “вавилонское столпотворение” около слоя диэлектрика, что мы и видим на рисунке ниже.

Но смотрите, что произошло !? Исток и Сток соединились тонким каналом из электронов! Говорят, что такой канал индуцировался из-за электрического поля, которое создал Затвор транзистора.

Так как этот канал соединяет Исток и Сток, которые сделаны из N+ полупроводника, следовательно у нас получился N-канал. А такой транзистор уже будет называться N-канальным МОП-транзистором. Вы наверняка помните, что в проводнике очень много свободных электронов. Так как Сток и Исток соединились мостиком из большого количества электронов, следовательно, этот канал стал проводником для электрического тока. Проще говоря, между Истоком и Стоком образовался “проводок”, по которому может бежать электрический ток.

Значит, если сейчас подать напряжение между Стоком и Истоком при индуцированном канале, то мы можем увидеть вот такую картину.

Как вы видите, цепь стает замкнутой, и в цепи может спокойно течь электрический ток.

Но это еще не все! Чем сильнее электрическое поле, тем больше концентрация электронов, тем толще получается канал, следовательно, тем меньше сопротивление канала!  А как сделать поле сильнее? Достаточно подать побольше напряжения на Затвор! Подавая бОльшее напряжение на Затвор с помощью источника питания Bat2, мы увеличиваем толщину канала, а значит и его проводимость! Или простыми словами, мы можем менять сопротивление канала, “играя” напряжением на затворе. Ну гениальнее некуда!

Работа P-канального полевого транзистора


Выше мы разобрали N-канальный транзистор с индуцированным каналом. Также есть еще и P-канальный транзистор с индуцированным каналом. P-канальный работает точно также, как и N-канальный, но вся разница в том, что основными носителями будут являться дырки. В этом случае все напряжения в схеме меняем на инверсные, в отличие от N-канального транзистора. Честно говоря, P-канальные полевые транзисторы используются реже, чем N-канальные.

Принцип работы показан на рисунке ниже.

Режимы работы полевого транзистора

Работа полевого транзистора в режиме отсечки

Давайте познакомимся с нашим героем. У нас в гостях N-канальный полевой транзистор с индуцированным каналом. Судя по гравировке, звать его IRFZ44N. Выводы слева-направо: Затвор, Сток и Исток.

Как мы уже с вами разобрали, Затвор служит для управлением ширины канала между Стоком и Истоком. Для того, чтобы показать принцип работы, мы с вами соберем простейшую схему, которая будет управлять интенсивностью свечения лампы накаливания. Так как в данный момент нет никакого напряжения на Затворе полевого транзистора, следовательно, он будет находится в закрытом состоянии. То есть электрический ток через лампу накаливания течь не будет.

По идее, для того, чтобы управлять свечением лампы, нам достаточно менять напряжение на Затворе относительно Истока. Так как наш полевой транзистор является N-канальным, следовательно, на Затвор мы будем подавать положительное напряжение. Окончательная схема примет вот такой вид.

Вопрос в другом. Какое напряжение надо подать на Затвор, чтобы в цепи Сток-Исток побежал минимальный электрический ток?

Мой блок питания Bat2 выглядит следующим образом.

С помощью этого блока питания мы будем регулировать напряжение. Так как он стрелочный, более правильным будет измерение напряжения с помощью мультиметра.

Собираем все как по схеме и подаем на Затвор напряжение номиналом в 1 Вольт.

Лампочка не горит. На другом блоке питания (Bat1) есть встроенный амперметр, который показывает, что в цепи лампы накаливания электрический ток не течет, следовательно, транзистор не открылся. Ну ладно, будем добавлять напряжение.

 

И только уже при 3,5 Вольт амперметр на Bat1 показал, что в цепи лампы накаливания появился ток, хотя сама лампа при этом не горела.

Такого слабого тока ей просто недостаточно, чтобы накалить вольфрамовую нить. Режим, при котором в цепи Сток-Исток не протекает электрический ток, называется режимом отсечки.

Активный режим работы полевого транзистора

В нашем случае при напряжении около 3,5 Вольт наш транзистор начинает немного приоткрываться. Это значение у различных видов полевых транзисторов разное и колеблется в диапазоне от 0,5 и до 5 Вольт. В даташите этот параметр называется как Gate threshold voltage, в переводе с англ. яз.  –  пороговое напряжение Затвора. Указывается как VGS(th), а в некоторых даташитах как VGS(to) .

Как вы видите в таблице, на мой транзистор это напряжение варьируется от 2 и до 4 Вольт при каких-то условиях (conditions). В условиях прописано, что открытие транзистора считается при токе в 250 мкА и при условии, что напряжение на Стоке-Истоке будет такое же как и напряжение на Затворе-Стоке.

С этого момента мы можем плавно регулировать ширину канала нашего полевого транзистора, увеличивая напряжение на Затворе. Если чуть-чуть добавить напряжение, то мы можем увидеть, что нить лампы накаливания начинает накаляться. Меняя напряжение туда-сюда, мы можем добиваться нужного нам свечения лампочки накаливания. Такой режим работы полевого транзистора называется активным режимом.

В этом режиме полевой транзистор может менять сопротивление индуцируемого канала в зависимости от напряжения на Затворе. Для того, чтобы понять, как усиливает полевой транзистор, вам надо прочитать статью про принцип работы биполярного транзистора, где все это описано, иначе ничего не поймете. Читать по этой ссылке.

Активный режим работы транзистора чреват тем, что в этом режиме транзистор может очень сильно греться. Поэтому, всегда следует позаботиться об охлаждающем радиаторе, который бы рассеивал тепло от транзистора в окружающее пространство. Почему же греется транзистор? В чем дело? Да все оказывается до боли просто. Сопротивление Сток-Исток зависит от того, какое напряжение будет на Затворе. То есть схематически это можно показать вот так.

Если напряжения на Затворе нет или оно меньше, чем напряжение открытия транзистора, то сопротивление в этом случае будет бесконечно большое. Лампочка – это нагрузка, которая обладает каким-либо сопротивлением. Не спорю, что сопротивление нити горящей лампочки будет совсем другое, чем холодной, но пока пусть будет так, что лампочка – это какое-то постоянное сопротивление. Перерисуем нашу схему вот так.

Получился типичный делитель напряжения. Как я уже говорил, если нет напряжения на Затворе, то сопротивление Сток-Истока будет бесконечно большим.  Значит, мощность, рассеиваемая на транзисторе, будет равняться падению напряжения на Сток-Истоке помноженной на силу тока через Сток-Истока: P=Ic Uси . Если выразить эту формулу через сопротивление, то получаем

P= I2R 

где R – это сопротивление канала Сток-Исток, Ом

I– сила тока, проходящая через канал (ток Стока) , А

А что такое мощность, рассеиваемая на каком-либо радиоэлементе? Это и есть тепло.

Теперь представьте, что мы приоткрыли транзистор наполовину. Пусть в нашей цепи ток через лампу будет 1 Ампер, а сопротивление перехода Сток-Исток будет равно 10 Ом. Согласно формуле P= I2R  получим, что рассеиваемая мощность на транзисторе в этот момент будет 10 Ватт! Да это маленький, черт его возьми, нагреватель!

Режим насыщения полевого транзистора

Для того, чтобы полностью открыть полевой транзистор, нам достаточно подавать напряжение до тех пор, пока лампа не будет гореть во весь накал. В моем случае это напряжение более чем 4,2 Вольта.

 

В режиме насыщение сопротивление канала Сток-Исток минимально и почти не оказывает сопротивление электрическому току. Лампа ест свои честные 20,4 Ватта (12х1,7=20,4).

 

На самой лампе мы видим ее мощность 21 Ватт. Спишем небольшую погрешность на наши приборы.

Самое интересное то, что транзистор в этом случае остается холодным и ни капли не греется, хотя через него проходит 1,7 Ампер! Для того, чтобы понять этот феномен, нам опять надо рассмотреть формулу P= I2R . Если сопротивление Стока-Истока составляет какие-то сотые доли Ома в режиме насыщения, то с чего будет греться транзистор?

Поэтому, самые щадящие режимы для полевого МОП-транзистора – это когда канал полностью открыт или когда канал полностью закрыт. При закрытом транзисторе сопротивление канала будет бесконечно большое, а ток через это сопротивление будет бесконечно мал, так как в этой цепи будет работать закон Ома. Подставляя эти значение в формулу P= I2R, мы увидим, что мощность рассеивания на таком транзисторе будет равна практически нулю. В режиме насыщения у нас сопротивление будет достигать сотые доли Ома, а сила тока будет зависеть от нагрузку в цепи. Следовательно, в этом режиме транзистор также будет рассеивать какие-то сотые доли Ватта.

Ключевой режим работы полевого транзистора

В этом режиме полевой транзистор работает только в режиме отсечки и насыщения.

Давайте немного изменим схему и уберем из нее Bat2. Вместо него поставим переключатель, а напряжение на Затвор будем брать от Bat1.

Для наглядности вместо переключателя я использовал проводок от макетной платы. В данном случае лампочка не горит. А с чего ей гореть-то? На Затворе то у нас полный ноль, поэтому, канал закрыт.

Но стоит только перекинуть выключатель в другое положение, как у нас лампочка сразу же загорается на всю мощь.

Даже не надо ни о чем заморачиваться! Просто подаем на Затвор напряжение питания и все! Разумеется, если оно не превышает максимальное напряжение на Затворе, прописанное в даташите. Для нашего транзистора это +-20 Вольт. Не повредит ли напряжение питания Затвору? Так как Затвор у нас имеет очень большое входное сопротивление (он ведь отделен слоем диэлектрика от всех выводов), то и сила тока в цепи Затвора будет ну очень маленькая (микроамперы).

Как вы видите, лампочка горит на всю мощь. В этом случае можно сказать, что потенциал на Стоке стал такой же, как и на Истоке, то есть ноль, поэтому весь ток побежал от плюса питания к Стоку, “захватив” по пути лампочку накаливания, которая не прочь была покушать электрический ток, излучая кучу фотонов в пространство и на мой  рабочий стол.

Но наблюдается также и интересный феномен, в отличие от ключа на биполярном транзисторе. Даже если откинуть проводок от Затвора, все равно лампочка продолжает гореть как ни в чем не бывало!

Почему так происходит? Здесь надо вспомнить внутреннее строение самого полевого транзистора. Вот эта часть вам ничего не напоминает?

Так это же конденсатор! А раз мы его зарядили, то с чего он будет разряжаться? Разрядиться-то ему некуда, поэтому он и держит заряд электронов в канале, пока мы не разрядим вывод Затвора. Для того, чтобы убрать потенциал с Затвора и “заткнуть” канал, нам опять же надо уравнять его с нулем. Сделать это достаточно просто, замкнув Затвор на Исток. Лампочка сразу же потухнет.

Как вы видели в опыте выше, если мы отключаем напряжение на Затворе, то обязательно должны притянуть Затвор к минусу, иначе канал так и останется открытым. Поэтому обязательное условие в схемах – Затвор должен всегда чем-то управляться и с чем-то соединяться. Ему нельзя висеть в воздухе.

А почему бы Затвор автоматически не притягивать к нулю при отключении подачи напряжения на Затвор? Поэтому, эту схему можно доработать и сделать самый простейший ключ на МОП-транзисторе:

При включении выключателя S цепь стает замкнутой и лампочка загорается

Как только я убираю красный проводок от Затвора (разомкну выключатель),  лампочка сразу тухнет:

Красота! То есть как только я убрал напряжение от Затвора, Затвор притянуло к минусу через резистор и на нем стал нулевой потенциал. А раз на Затворе ноль, то и канал Сток-Исток закрыт. Если я снова подам напряжение на Затвор, то у нас на мегаомном резисторе упадет напряжение питания, которое будет все оседать на Затворе и транзистор снова откроется. На бОльшем сопротивлении падает бОльшее напряжение ;-). Не забываем золотое правило делителя напряжения. Резистор в основном берут от 100 КилоОм и до 1 МегаОма (можно и больше). Так как МОП-транзисторы с индуцированным каналом в основном используются в цифровой и импульсной технике, из них получаются отличные транзисторные ключи, в отличие от ключа на биполярном транзисторе.

Характеристики полевого МОП транзистора

Для того, чтобы узнать характеристики транзистора, нам надо открыть на него даташит и рассмотреть небольшую табличку на первой странице даташита. Будем рассматривать транзистор, который мы использовали в своих опытах: IRFZ44N.

Напряжение VGS   – это напряжение между Затвором и Истоком. Смотрим на даташит и видим, что максимальное напряжение, которое можно подать на Затвор это +-20 Вольт. Более 20 Вольт в обе стороны пробьет тончайший слой диэлектрика, и транзистор придет в негодное состояние.

Максимальная сила тока ID , которая может течь через канал Сток-Исток.

Как мы видим, транзистор в легкую может протащить через себя 49 Ампер!!!

Но это при температуре кристалла 25 градусов по Цельсию. А так номинальная сила тока 35 Ампер при температуре кристалла 100 градусов, что чаще всего и происходит на практике.

 

RDS(on) – сопротивление полностью открытого канала Стока-Истока. В режиме насыщения, сопротивление канала транзистора достигает ну очень малого значения. Как вы видите, у нашего подопечного сопротивление канала достигает 17,5 мОм (при условии, что напряжение на Затворе = 10 Вольт, а ток Стока  = 25 Ампер).

 

Максимальная рассеиваемая мощность PD  – это мощность, которую транзистор может рассеять на себе, превращая эту мощность в тепло. В нашем случае это 94 Ватта. Но здесь также должны быть соблюдены различные условия – это температура окружающей среды, а также есть ли у транзистора радиатор.

 

Также различные зависимости одних параметров от других можно увидеть в даташите на последних страницах.

Например, ниже на графике приводится зависимость тока Стока от напряжения Стока-Истока при каких-то фиксированных значениях напряжения на Затворе при температуре кристалла (подложки) 25 градусов Цельсия (комнатная температура). Верхняя линия графика приводится для напряжения 15 Вольт на Затворе. Другие линии в порядке очереди по табличке вверху слева:

Также есть интересная зависимость сопротивления канала  полностью открытого транзистора от температуры кристалла:

Если посмотреть на график, то можно увидеть, что при температуре кристалла в 140 градусов по Цельсию у нас сопротивление канала увеличивается вдвое. А при отрицательных температурах наоборот уменьшается.

Как проверить полевой транзистор

Для того, чтобы проверить полевой транзистор, мы должны определить, где какие у него выводы. У нас подопытным кроликом будет тот же самый транзистор: IRFZ44N.

Для этого вбиваем в любой поисковик название нашего транзистора и рядом прописываем слово “даташит”. Чаще всего на первой странице даташита мы можем увидеть цоколевку транзистора.

Хотя, интернет переполнен уже готовыми распиновками и иногда все-таки бывает проще набрать”распиновка (цоколевка) *название транзистора* “. Итак, я вбил ” IRFZ44N цоколевка”  в Яндекс и нажал на вкладку “картинки”.  Яндекс мне выдал  уйму картинок с распиновкой этого транзистора:

Ну а дальше дело за малым.
Устройство и принцип работы в видео:

Проверка полевого транзистора с помощью мультиметра

Теперь, зная цоколевку и принцип работы транзистора, мы можем проверить его на работоспособность. Первым делом мы без проблем можем проверить эквивалентный диод VD2 между Стоком и Истоком. В схемотехническом обозначении его тоже часто указывают.

Как проверить диод мультиметром, я писал еще в этой статье.

Но не спешите брать мультиметр в руки и прозванивать диод! Ведь первым делом надо снять с себя статическое напряжение. Это можно сделать, если задеть метализированный слой водонагревательных труб, либо коснуться заземляющего провода. При работе с радиоэлементами, чувствительными к статическому напряжению, желательно использовать антистатический браслет, один конец которого закрепляется к заземляющему проводнику, например, к батарее отопления, а другой конец в виде ремешка надевается на запястье.

Далее замыкаем все выводы транзистора  каким-нибудь металлическим предметом. В моем случае это металлический пинцет. Для чего мы это делаем? А вдруг кто-то зарядил Затвор до нас или он уже где-то успел “хапнуть” потенциал на Затворе? Поэтому, чтобы все было честно, мы уравняем потенциал на Затворе до нуля с помощью этой нехитрой манипуляции.

Ну а теперь со спокойной совестью можно проверить диод, который образуется в полевом транзисторе между Стоком и Истоком. Так как у нас транзистор N-канальный, следовательно, его схемотехническое обозначение будет выглядеть вот так:

Беремся положительным (красным) щупом мультиметра за Исток, так-как там находится анод диода, а отрицательным (черным)  – за Сток
(там у нас катод диода). На мультиметре должно высветиться падение напряжения на диоде 0,5-0,7 Вольт. В моем случае, как видите, 0,56 Вольт.

 

 

Далее меняем щупы местами. Мультиметр покажет единичку, что нам говорит о том, что диод в полевом транзисторе жив и здоров.

Проверяем сопротивление канала. Мы с вами уже знаем, что в N-канальном транзисторе ток у нас будет бежать от Стока к Истоку, следовательно, встаем красным положительным щупом на Сток, а отрицательным –  на Исток, и меряем сопротивление. Оно должно быть ну о-о-о-очень большое. В моем случае даже на Мегаомах показывает единичку, что говорит о том, что сопротивление даже больше, чем 200 Мегаом. Это очень хорошо.

 

Так как у нас транзистор N-канальный, следовательно, чтобы его приоткрыть, нам достаточно будет подать напряжение на Затвор, относительно Истока. Чаще всего в режиме прозвонки диодов на щупах мультиметра бывает напряжение в 3-4 Вольта. Все зависит от марки мультиметра. Этого напряжения будет вполне достаточно, чтобы подать его на Затвор и приоткрыть транзистор.

Так и сделаем. Ставим черный щуп на Исток, а красный на Затвор на доли секунды. На показания мультиметра не обращаем внимания, так как мы сейчас используем его в качестве источника питания, чтобы подать потенциал на Затвор. Этим простым действием мы приоткрыли наш транзистор.

Раз мы приоткрыли транзистор, значит, сопротивление Сток-Исток должно уменьшится. Проверяем, так ли это? Ставим мультиметр в режим измерения сопротивления и смотрим, уменьшилось ли сопротивление между Стоком-Истоком? Как видите, мультиметр показал значение в 2,45 КОм.

Это говорит о том, что наш полевой транзистор полностью работоспособен.

Конечно, бывает и такое, что малого напряжения на мультиметре не хватает, чтобы приоткрыть транзистор. Здесь можно прибегнуть к источникам питания, которые выдают более-менее нормальное напряжение, например, блок питания или батарейка Крона в 9 Вольт. Так как рядом не оказалось Кроны, то мы просто выставим напряжение в 10 Вольт. Напряжение на Затвор именно этого транзистора не должно превышать 20 Вольт, иначе произойдет пробой диэлектрика, и транзистор выйдет из строя.

Итак, выставляем 10 Вольт.

 

Подаем это напряжение на Затвор транзистора на доли секунды.

 

Теперь по идее сопротивление между Стоком и Истоком должно равняться нулю. Для чистоты эксперимента замеряем сопротивление щупов самого мультиметра. Эх, дешевые китайские щупы. 2,1 Ом).

 

А теперь и замеряем сопротивление самого перехода. Практически 0 Ом!

Хотя, если верить даташиту, должно быть 17,5 миллиОм. Теперь можно утверждать со 146% вероятностью, что наш транзистор полностью жив и здоров.

Как проверить полевой транзистор с помощью транзисторметра

На рабочем столе каждого электронщика должен быть этот замечательный китайский прибор, благо он стоит недорого. Про него я писал обзор здесь.

 

Здесь все просто, как дважды два. Вставляем транзистор в кроватку и нажимаем большую зеленую кнопку. В результате прибор сразу же определил, что это полевой МОП транзистор с каналом N-типа, определил расположение выводов транзистора, а также емкость затвора и пороговое напряжение открытия, о котором мы говорили выше в статье. Ну не прибор, а чудо!

Меры безопасности при работе с полевыми транзисторами

Все полевые транзисторы, будь это полевой транзистор с управляющим PN-переходом, либо МОП-транзистор, очень чувствительны к электрическим перегрузкам на Затворе. Особенно это касается электростатического заряда, который накапливается на теле человека и на измерительных приборах. Опасные значения электростатического заряда для МОП-транзисторов составляют 50-100 Вольт, а для транзисторов с управляющим PN переходом – 250 Вольт. Поэтому, самое важное правило при работе с такими транзисторами – это заземлить себя через антистатический браслет, или взяться за голую батарею ДО касания полевых транзисторов.

Также в некоторых экземплярах полевых транзисторов встраивают защитные стабилитроны между Истоком и Затвором, которые вроде бы спасают от электростатики, но лучше все-таки перестраховаться лишний раз и не испытывать судьбу транзистор на прочность. Также не помешало бы заземлить всю паяльную и измерительную аппаратуру. В настоящее время это все делается уже автоматически через евро розетки, у которых имеются в наличии заземляющий проводник.

Похожие статьи по теме “полевой транзистор”

Транзистор биполярный

Полевой транзистор с управляющим PN-переходом (JFET-транзистор)

Транзисторметр Mega328

Читаем электрические схемы с транзистором

Мультивибратор на транзисторах

Сторожевое устройство на одном транзисторе

Что такое MOSFET с P-каналом?

MOSFET с P-каналом обозначает класс транзистора, электронного устройства, которое функционирует в качестве ключа (переключателя) или усилителя электрического тока (сигнала). Само название MOSFET определяет, какая технология и какие материалы используются при производстве транзистора, а также принцип его действия. Этот класс транзисторов обладает высокой чувствительностью к уровню напряжения электрического сигнала и является более энергоэффективным, чем его «сородичи» – биполярные транзисторы. Из транзисторов класса MOSFET получаются отличные электрические ключи, что открыло им дорогу в цифровые технологии, включая компьютеры, мобильные устройства и прочие электронные товары массового потребления.

Описание

MOSFET является радиокомпонентом, который состоит из трех элементов – затвор, сток и исток. Физически полевые транзисторы выглядят также, как и другие классы транзисторов, имея стандартный корпус типа TO-3 или TO-92. Размер их бывает разный, но в основном колеблется в диапазоне от 3 до 12 мм. Сам корпус транзистора несет функцию защиты от грязи, влаги и механических повреждений полупроводниковых контактов, а также служит для отвода тепла от кристалла кремния. В состав компьютерных микросхем интегрированы миллионы микроскопических транзисторов MOSFET, которые объединены на одной кремниевой подложке.

Технология MOSFET

Название MOSFET является сокращением от словосочетания «metal oxide semiconductor field-effect transistor» или по-русски «металл-оксид полупроводниковый полевой транзистор» (МОПТ). Но в большинстве современных транзисторов класса MOSFET используется кремний, тогда как ранние примеры содержали металл-оксидные компоненты. В полевых транзисторах рабочий ток между стоком и истоком создается за счет перемещения носителей заряда одного знака (электронов или дыр), что предопределяет второе название полевых транзисторов – униполярный. Это их сильно отличает от биполярных транзисторов, в которых ток протекает через сэндвич из трех слоев кремния с двумя полупроводниковыми переходами. Несмотря на то, что оба типа транзисторов (биполярный и униполярный) могут работать как электронный ключ, полевой эффект (создаваемый носителями одного заряда) в униполярных MOSFET-транзисторах позволяет оперировать слабыми токами намного быстрее.

Отличия P-канал от N-канала

Транзисторы MOSFET делятся на два основных типа: с P-каналом и N-каналом. Они различаются полярностью подводимого к их контактам напряжения, также как различаются биполярные транзисторы с PNP и NPN полупроводниковыми переходами. В устройстве с N-каналом за распространение тока отвечают электроны, которые перемещаются от истока в сторону стока, в то время как в устройствах с P-каналом от истока к стоку перемещаются положительно заряженные частицы или так называемые дыры.

Область применения

Высокая скорость переключения и низкое энергопотребление делает MOSFET идеальным компонентом для создания логических цепей, элементов памяти и других элементов компьютера. Большие успехи высокотехнологичных устройств, начиная с 70-х годов прошлого века, связаны именно с миниатюризацией транзисторов MOSFET, что позволило создавать более сложные и производительные компьютеры.

Похожее

Mosfet — что это? Проверка транзисторов

В статье вы узнаете про транзисторы MOSFET, что это, какие схемы включения бывают. Есть тип полевого транзистора, у которого вход электрически изолирован от основного тока несущего канала. И поэтому называется он полевой транзистор с изолированным затвором. Наиболее распространенным типом такого полевого транзистора, который используется во многих типах электронных схем, называется полевой транзистор металл-оксид-полупроводник на основе перехода или же МОП-транзистор (сокращенная аббревиатура этого элемента).

МОП-транзистор представляет собой управляемый напряжением полевой транзистор, который отличается от полевого тем, что он имеет «металл-оксид» электрод затвора, который электрически изолирован от основного полупроводника п-каналом или каналом р-типа с очень тонким слоем изолирующего материала. Как правило, это диоксид кремния (а если проще, то стекло).


полевые, МОП-транзисторы имеют очень высокое входное сопротивление. Может легко накапливать большое количество статического заряда, который приводит к повреждению, если тщательно не защищены цепи.

Отличия МОСФЕТ от полевых транзисторов

Основное отличие от полевых в том, что МОП-транзисторы выпускаются в двух основных формах:

  1. Истощение – транзистор требует напряжения затвор-исток для переключения устройства в положение «Откл». Режим истощения МОП-транзистора эквивалентно «нормально закрытому» переключателю.
  2. Насыщение – транзистор требует напряжения затвор-исток, чтобы включить устройство. Режим усиления МОП-транзистора эквивалентно коммутатору с «нормально замкнутыми» контактами.

Графические обозначения транзисторов на схемах

Линия между соединениями стока и истока представляет собой полупроводниковый канал. Если на схеме, на которой изображены MOSFET транзисторы, она представлена жирной сплошной линией, то элемент работает в режиме истощения. Так как ток из стока может протекать с нулевым потенциалом затвора. Если линия канала показана пунктиром или ломанной, то транзистор работает в режиме насыщения, так как течет ток с нулевым потенциалом затвора. Направление стрелки указывает на проводящий канал, р-типа или полупроводниковый прибор п-типа. Причем отечественные транзисторы обозначаются точно так же, как и зарубежные аналоги.

Базовая структура MOSFET транзистора

Конструкция MOSFET (что это, рассказано в статье подробно) очень отличается от полевых. Оба типа транзисторов используют электрическое поле, создаваемое напряжением на затворе. Чтобы изменить поток носителей заряда, электронов для п-канала или отверстия для р-канала, через полупроводящий канал сток-исток. Электрод затвора помещен на вершине очень тонким изолирующим слоем, и есть пара небольших областей п-типа только под сток и исток электродов.

При помощи изолированного устройства затвора для МОП-транзистора никаких ограничений не применяется. Поэтому можно соединять с затвором полевого МОП-транзистора источник сигнала в любой полярности (положительный или отрицательной). Стоит отметить, что чаще встречаются импортные транзисторы, нежели их отечественные аналоги.

Это делает MOSFET устройства особенно ценными в качестве электронных переключателей или логических приборов, потому что без воздействия извне они, как правило, не проводят ток. И причина этому высокое входное сопротивление затвора. Следовательно, очень маленький или несущественный контроль необходим для МОП-транзисторов. Ведь они представляют собой устройства, управляемые извне напряжением.

Режим истощения МОП-транзистора

Режим истощения встречается значительно реже, нежели режимы усиления без приложения напряжения смещения к затвору. То есть, канал проводит при нулевом напряжении на затворе, следовательно, прибор «нормально закрыт». На схемах используется сплошная линия для обозначения нормально замкнутого проводящего канала.

Для п-канального МОП-транзистора истощения, отрицательное напряжение затвор-исток отрицательное, будет истощать (отсюда название) проводящий канал своих свободных электронов транзистора. Аналогично для р-канального МОП-транзистора обеднение положительного напряжения затвор-исток, будет истощать канал своих свободных дырок, переведя устройство в непроводящее состояние. А вот прозвонка транзистора не зависит от того, какой режим работы.

Другими словами, для режима истощения п-канального МОП-транзистора:

  1. Положительное напряжение на стоке означает большее количество электронов и тока.
  2. Отрицательное напряжение означает меньше электронов и ток.

Обратные утверждения также верны и для транзисторов р-канала. Тогда режим истощения МОП-транзистора эквивалентно «нормально разомкнутому» переключателю.

N-канальный МОП-транзистор в режиме истощения

Режим истощения МОП-транзистора построен таким же образом, как и у полевых транзисторов. Причем канал сток-исток – это проводящий слой с электронами и дырками, который присутствует в п-типа или р-типа каналах. Такое легирование канала создает проводящий путь низкого сопротивления между стоком и источника с нулевым напряжением. Используя тестер транзисторов, можно провести замеры токов и напряжений на его выходе и входе.

Режим усиления МОП-транзистора

Более распространенным у транзисторов MOSFET является режим усиления, он обратный для режима истощения. Здесь проводящий канал слаболегированный или даже нелегированный, что делает его непроводящим. Это приводит к тому, что устройство в режиме покоя не проводит ток (когда напряжение смещения затвора равно нулю). На схемах для обозначения МОП-транзисторов такого типа используют ломаную линию, чтобы обозначить нормально открытый токоизолирующий канал.

Для повышения N-канального МОП-транзистора ток стока будет течь только тогда, когда напряжение на затворе прикладывается к затвору больше, чем пороговое напряжение. При подаче положительного напряжения на затвор к п-типа MOSFET (что это, режимы работы, схемы включения, описаны в статье) привлекает большее количество электронов в направлении оксидного слоя вокруг затвора, тем самым увеличивая усиление (отсюда название) толщины канала, позволяя свободнее протекать току.

Особенности режима усиления

Увеличение положительного напряжения затвора вызовет появление сопротивления в канале. Это не покажет тестер транзисторов, он может только проверить целостность переходов. Чтобы уменьшить дальнейший рост, нужно увеличить тока стока. Другими словами, для режима усиления п-канального МОП-транзистора:

  1. Положительный сигнал транзистор переводит в проводящий режим.
  2. Отсутствие сигнала или же его отрицательное значение переводит в непроводящий режим транзистор. Следовательно, в режиме усиления МОП-транзистор эквивалентен «нормально разомкнутому» переключателю.

Обратные утверждения справедливы для режимов усиления р-канальных МОП-транзисторов. При нулевом напряжении устройство в режиме «Выкл» и канал открыт. Применение напряжения отрицательного значения к затвору р-типа у MOSFET увеличивает проводимость каналов, переводя его режим «Вкл». Проверить можно, используя тестер (цифровой или стрелочный). Тогда для режима усиления р-канального МОП-транзистора:

  1. Положительный сигнал переводит транзистор «Выкл».
  2. Отрицательный включает транзистор в режим «Вкл».

Режим усиления N-канального МОП-транзистора

В режиме усиления МОП-транзисторы имеют низкое входное сопротивление в проводящем режиме и чрезвычайно высокое в непроводящем. Также их бесконечно высокое входное сопротивление из-за их изолированного затвора. Режима усиления транзисторов используется в интегральных схемах для получения типа КМОП логических вентилей и коммутации силовых цепей в форме, как PMOS (P-канал) и NMOS (N-канал) входов. CMOS – это комплементарный МОП в том смысле, что это логическое устройство имеет как PMOS, так и NMOS в своей конструкции.

Усилитель на MOSFET

Так же, как и полевые, транзисторы MOSFET могут быть использованы для изготовления усилителей класса «А». Схемы усилителей с N-канальным МОП-транзистором общего исходного режима усиления, является наиболее популярной. На МОП-транзисторах усилители в режиме обеднения очень похожи на схемы с использованием полевых приборов, за исключением того, что MOSFET (что это, и какие типы бывают, рассмотрено выше) имеет более высокий входной импеданс.

Этот импеданс управляется по входу смещающей резистивной цепью, образованной резисторами R1 и R2. Кроме того, выходной сигнал для общего источника усилителя на транзисторах MOSFET в режиме усиления инвертируется, потому что, когда входное напряжение низкое, то переход транзистора разомкнут. Это можно проверить, имея в арсенале только лишь тестер (цифровой или даже стрелочный). При высоком входном напряжении транзистор во включенном режиме, на выходе напряжение крайне низкое.

Полевой МОП транзистор – устройство и принцип работы

Содержание статьи

Устройство и основные характеристики МОП-транзисторов

МОП-транзистор (MOSFET, «металл-оксид-полупроводник») – полевой транзистор с изолированным затвором (канал разделен с затвором тонким диэлектрическим слоем). Другое название МОП-транзистора – униполярный. Основные области применения таких приборов – выполнение функций электронного переключателя и усилителя электронных сигналов в старой и современной системотехнике.

Практически все типы MOSFET имеют три вывода:

Исток – источник носителей зарядов. Является аналогом эмиттера в биполярном приборе.

Сток. Служит для приема носителей заряда от истока. Аналог коллектора биполярного транзистора.

Затвор. Выполняет функции управляющего электрода. Аналог в биполярном устройстве – база.

Особая категория – транзисторы с несколькими затворами. Они применяются в цифровой технике для организации логических элементов или в качестве ячеек памяти EEPROM.

 

Основные характеристики униполярных транзисторов, учитываемые при выборе нужного прибора:

управляющее напряжение;

в открытом состоянии – внутреннее сопротивление и наибольшее значение допустимого постоянного тока;

в закрытом состоянии – максимально допустимое напряжение прямого типа.

Отличие униполярных транзисторов от биполярных

МОП-транзистор управляется электрополем, которое создается напряжением, приложенным к затвору относительно истока. Полярность прилагаемого напряжения определяется видом канала транзистора (p или n). В отличие униполярных биполярные транзисторы управляются электрическим током. Ток во всех типах этих полупроводников формируется двумя типами зарядов – электронами и дырками.

Полевые (униполярные) транзисторы в отличие от биполярных обладают меньшими собственными шумами в низкочастотном диапазоне. Это свойство обеспечивает их эффективную работу в звукоусилительных устройствах. MOSFET применяют в микросхемах низкочастотных усилителей в автомобильных проигрывателях.

Типы МОП-транзисторов

Униполярные транзисторы делятся на p-канальные или n-канальные. Они могут иметь:

Собственный (встроенный) канал. Без напряжения канал открыт. Для закрытия канала необходимо подать ток определенной полярности.

Индуцированный (инверсный) канал. При отсутствии приложенного электротока он закрыт. Для его открытия прикладывают напряжение нужной полярности. Для n-канальных транзисторов отпирающим является напряжение, положительное относительно истока. Его величина должна быть больше порогового значения, установленного для данного транзистора. Для p-канальных моделей отпирающим будет отрицательное относительно истока напряжение, приложенное к затвору.

Принцип работы МОП-транзисторов на примере прибора с n-проводимостью

В схему униполярного транзистора с изолированным затвором и n-проводимостью входят:

Кремниевая подложка. В подложке n-типа в узлах кристаллической решетки кремния присутствуют отрицательно заряженные атомы и свободные электроны, что достигается введением специальных примесей.

Диэлектрик. Служит для изоляции кремниевой подложки от электрода затвора. В качестве диэлектрика используется оксид кремния.

В большинстве MOSFET исток транзистора подключается к полупроводниковой подложке. Между стоком и истоком формируется «паразитный» диод. Ликвидировать отрицательные последствия появления такого диода и даже использовать в положительных целях позволяет его подключение анодом к истоку в n-канальных полевых транзисторах, анодом к стоку – в p-канальных приборах.

Принцип работы:

  1. Между затвором и истоком прикладывается плюсовое напряжение к затвору.
  2. Между металлическим выводом затвора и подложкой появляется электрическое поле.
  3. Электрическое поле притягивает к приповерхностному слою диэлектрика свободные электроны, ранее распределенные в кремниевой подложке.
  4. В приповерхностном слое появляется область проводимости (канал) n-типа, состоящая из свободных электронов.
  5. Между выводами стока и истока появляется «мост», проводящий электрический ток.
  6. Проводимость полевого транзистора регулируется величиной внешнего управляющего напряжения. При его снятии проводящий «мостик» исчезнет и прибор закроется.

Аналогично работает МОП-транзистор p-типа. Показанный выше принцип работы является упрощенным. Приборы, используемые на практике в схемотехнике, имеют более сложное устройство и, следовательно, более сложный принцип работы.

Преимущества и недостатки МОП-транзисторов

Униполярные транзисторы имеют довольно широкое распространение в современной системотехнике благодаря ряду преимуществ, среди которых:

  • возможность мгновенного переключения;
  • отсутствие вторичного пробоя;
  • хорошая эффективность работы при низких напряжениях;
  • стабильность при температурных колебаниях;
  • низкий уровень шума при работе;
  • большой коэффициент усиления сигнала;
  • экономичность в плане энергопотребления;
  • меньшее количество технологических операций при построении схем с использованием МОП-транзисторов по сравнению с применением биполярных приборов.

Применение этих приборов ограничивают следующие недостатки:

Важнейший минус – повышенная чувствительность к статическому электричеству. Тонкий слой оксида кремния легко повреждается электростатическими зарядами, поэтому МОП-приборы могут выйти из строя даже при прикосновении к прибору наэлектризованными руками. Современные устройства практически лишены этого недостатка благодаря корпусам, способным минимизировать воздействие статики. Также в них могут интегрироваться защитные устройства по типу стабилитронов.

Появление нестабильности работы при напряжении перегрузки.

Разрушение структуры, начиная от температуры +150 °C. У биполярных приборов критической является температура +200 °C.

Постоянный поиск по получению хороших эксплуатационных свойств высокомощных униполярных транзисторов привел к изобретению гибридного IGBT-транзистора. Эти устройства объединили лучшие качества биполярного и полевых транзисторов.


Была ли статья полезна?

Да

Нет

Оцените статью

Что вам не понравилось?


Анатолий Мельник

Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.


MOSFET

Автор: admin

23 Авг

Новые MOSFET-транзисторы компании Vishay Siliconix, выполненные по технологии ThunderFET® обладают наименьшим в отрасли сопротивлением открытого канала среди устройств с напряжением сток-исток до 200 В и минимальным напряжением затвора 4.5 В.

Кроме того, показатель качества (FOM) транзисторов SiR610DP при использовании в схемах DC/DC преобразователей является лучшим в своем классе устройств. Низкое сопротивление открытого канала RDS(ON) приводит к уменьшению потерь проводимости и потребляемой мощности, что позволяет использовать транзисторы в экологичных энергосберегающих приложениях.


Читать далее »

  • Комментарии отключены
  • Рубрика: Vishay
Автор: admin

19 Июн

Новые MOSFET-транзисторы TK3R1P04PL (40 В), TK4R4P06PL (60 В) и TK6R7P06PL (60 В) выпускаются в компактном корпусе DPAK и идеально подходят для высокоэффективных схем преобразования мощности, таких как AC/DC и DC/DC преобразователи, импульсные источники питания и системы управления электроприводами.

Неизменной популярностью в промышленных приложениях пользуются корпуса DPAK, монтируемые на поверхность печатной платы. Компания Toshiba производит новые транзисторы именно в таких корпусах с изготовлением кристалла по новейшему высокочастотному низковольтному техпроцессу UMOS IX-H. Элемент этого процесса UMOS9 обладает превосходным компромиссным соотношением сопротивления открытого канала и выходного заряда: RDS(ON) * QOSS.


Читать далее »

  • Комментарии отключены
  • Рубрика: Toshiba
Автор: admin

6 Май

Компания Infineon расширяет линейку 600-вольтовых MOSFET-транзисторов семейства CoolMOS™ P7, предлагая максимально широкий выбор, тщательно подобранных по уровню сопротивления открытого канала RDS(ON), силовых ключей, выполненных по технологии супер-перехода (SJ).

Полевые транзисторы CoolMOS™ P7 компании Infineon предлагают наиболее сбалансированное решение, оптимально сочетая легкость применения и наивысшую в отрасли энергоэффективность.


Читать далее »

  • Комментарии отключены
  • Рубрика: Infineon
Автор: admin

22 Мар

Технология для устройств с аккумуляторным питанием

Новые MOSFET-транзисторы семейства StrongIRFET™ с напряжением сток-исток 40 В в 7-выводном корпусе D2PAK отличаются чрезвычайно низким сопротивлением открытого канала и наибольшим в отрасли током стока.

IRL40SC209, IRL40SC228 расширяют номенклатуру уже доступных корпусов, предлагая разработчикам большую гибкость при выборе наиболее подходящего устройства для своего приложения. По сравнению со стандартным 7-выводным корпусом D2PAK, новый корпус D2PAK 7pin+ позволяет на 20% увеличить размер кристалла транзистора, что приводит к снижению сопротивления открытого канала RDS(ON) на 15%, а теплового сопротивления между печатной платой и переходом на 39%.


Читать далее »

  • Комментарии отключены
  • Рубрика: Infineon
Автор: admin

25 Фев

Обладая наилучшим в отрасли показателем качества (произведение заряда затвора на остаточное сопротивление) — ключевым параметром для силовых MOSFET-транзисторов с напряжением сток-исток 600 В, N-канальный транзистор SiHP065N60E обеспечивает высокий КПД источников питания, применяемых в промышленном и телекоммуникационном оборудовании, системах освещения и вычислительной технике.

Новый транзистор выполнен по передовой, высокоэффективной технологии суперперехода. Компания Vishay следует своему принципу предлагать клиентам широкий ассортимент MOSFET-технологий и поставляет решения для всех стадий процесса преобразования энергии — от высоковольтного входа до низковольтного выхода, необходимых современным электронным системам.


Читать далее »

  • Комментарии отключены
  • Рубрика: Vishay
Автор: admin

10 Янв

Силовые MOSFET-транзисторы с оптимальным балансом легкости применения и высочайшей энергоэффективности.

Являясь дальнейшим развитием линейки 600-вольтовых транзисторов серии CoolMOS™ P6, новое поколение устройств серии CoolMOS™ P7 ориентировано на широкий спектр приложений — от маломощных импульсных источников питания до силовых каскадов наивысшей мощности, работающих в режиме жесткой или плавной коммутации. Серия транзисторов с рабочим напряжением 600 В CoolMOS™ P7 считается наиболее сбалансированной среди всех представителей семейства CoolMOS™ компании Infineon по таким показателям, как легкость применения (например, благодаря минимальному уровню «звона»), превосходный КПД переключения и конкурентоспособная цена.


Читать далее »

  • Комментарии отключены
  • Рубрика: Infineon
Автор: admin

2 Ноя

Корпус LFPAK33 обладает улучшенными тепловыми параметрами и характеризуется полным отсутствием потерь, что гарантирует высокую надежность и КПД автомобильных подсистем следующего поколения.

Компания Nexperia, бывшее подразделение стандартных продуктов NXP, представила силовые MOSFET-транзисторы автомобильного назначения в новом корпусе LFPAK33, который имеет улучшенные тепловые параметры, характеризуется полным отсутствием потерь и обладает на 80% меньшими размерами по сравнению с существующими компонентами промышленного исполнения. Корпус LFPAK33 также обеспечивает значительное снижение теплового сопротивления, что отвечает современным требованиям автомобильной индустрии к снижению размеров модулей при их высокой энергоэффективности и надежности. Транзисторы в корпусе LFPAK33 могут служить основой для построения надежной и эффективной инфраструктуры питания автомобильных подсистем следующего поколения, таких как радары и передовые системы помощи водителю (ADAS).


Читать далее »

  • Комментарии отключены
  • Рубрика: Nexperia
Автор: admin

13 Окт

Прибор повышает эффективность и производительность схем коммутации за счет повышенной плотности мощности и выходного тока при минимальном количестве вносимых изменении. SiR626DP идеально подходит для приложений высокой выходной мощности: синхронных выпрямителей, систем с напряжением питания 24 В, схем управления двигателями, преобразователей постоянного напряжения и солнечных микроинверторов.


Читать далее »

  • Комментарии отключены
  • Рубрика: Vishay
Автор: admin

21 Сен

Новые ключи снабжены рядом интеллектуальных возможностей, включающих различные защитные и диагностические функции. Устройства семейства PROFET™ способны управлять нагрузками различных типов – резистивными, индуктивными и емкостными и поэтому отлично подходят для применения в самом широком спектре промышленных приложений.

ITS4200S-SJ-D — это защищенные, одноканальные, интеллектуальные ключи на основе силового NMOS-транзистора с сопротивлением открытого канала 200 мОм, выполненные в 8-выводном корпусе PG-DSO-8 и снабженные схемой накачки заряда, CMOS-совместимым входом и цепью обратной связи для задач диагностики.


Читать далее »

  • Комментарии отключены
  • Рубрика: Infineon
Автор: admin

16 Янв

Компания Infineon объявила о выпуске новых силовых MOSFET-транзисторов семейства CoolMOS™ P7 с напряжением сток-исток 800 В. Благодаря низкому значению сопротивления открытого канала, транзисторы обеспечивают минимальные потери проводимости и высокий КПД.

Полевые транзисторы новейшего семейства CoolMOS™ P7 с рабочим напряжением до 800 В объединяют в себе превосходную производительность и простоту использования, что является результатом 18-летних инновационных разработок технологии суперперехода компании Infineon. Устройства отличаются увеличенным на 0.1%…0.6% коэффициентом полезного действия и уменьшенной на 2°C…8°C рабочей температурой перехода, по сравнению с семейством CoolMOS™ C3, что подтверждено тестами в базовых обратноходовых топологиях. Такие высокие характеристики транзисторов получены за счет сочетания различных параметров: уменьшенными в два раза энергией сток-исток EOSS и величиной заряда затвора QG, а также сниженной входной CISS и выходной COSS емкости.


Читать далее »

  • Комментарии отключены
  • Рубрика: Infineon

Что такое полевой МОП-транзистор? | Основы, принцип работы и применение

Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET, MOS-FET или MOS FET) — это полевой транзистор (полевой транзистор с изолированным затвором), напряжение которого определяет проводимость устройства. Он используется для переключения или усиления сигналов. Способность изменять проводимость в зависимости от приложенного напряжения может использоваться для усиления или переключения электронных сигналов. MOSFET теперь даже более распространены, чем BJT (биполярные переходные транзисторы) в цифровых и аналоговых схемах.

Структура полевого МОП-транзистора

МОП-транзистор является наиболее распространенным транзистором в цифровых схемах, поскольку сотни тысяч или миллионы из них могут быть включены в микросхему памяти или микропроцессор. Поскольку они могут быть изготовлены из полупроводников p-типа или n-типа, дополнительные пары МОП-транзисторов могут использоваться для создания схем переключения с очень низким энергопотреблением в форме логики КМОП.

Почему MOSFET?

Полевые МОП-транзисторы

особенно полезны в усилителях из-за того, что их входной импеданс почти бесконечен, что позволяет усилителю улавливать почти весь входящий сигнал.Основное преимущество заключается в том, что он почти не требует входного тока для управления током нагрузки по сравнению с биполярными транзисторами. МОП-транзисторы доступны в двух основных формах:

  • Depletion Тип: Транзистору требуется напряжение затвор-исток (V GS ), чтобы выключить устройство. MOSFET в режиме истощения эквивалентен «нормально замкнутому» переключателю.
  • Тип расширения: Транзистору требуется напряжение затвор-исток (В GS ) для включения устройства.MOSFET режима улучшения эквивалентен «нормально разомкнутому» переключателю.

Структура полевого МОП-транзистора

Это четырехконтактное устройство с выводами истока (S), затвора (G), стока (D) и корпуса (B). Корпус часто подключается к клемме источника, что сокращает количество клемм до трех. Он работает, изменяя ширину канала, по которому текут носители заряда (электроны или дырки).

Носители заряда входят в канал у истока и выходят через сток. Ширина канала регулируется напряжением на электроде, называемом затвором, который расположен между истоком и стоком.Он изолирован от канала очень тонким слоем оксида металла. Полевой транзистор металл-изолятор-полупроводник или MISFET — это термин, почти синонимичный MOSFET. Другой синоним — IGFET для полевого транзистора с изолированным затвором.

Работа полевого МОП-транзистора

Работа полевого МОП-транзистора зависит от МОП-конденсатора. Конденсатор MOS является основной частью MOSFET. Поверхность полупроводника в нижнем оксидном слое, который расположен между выводами истока и стока.Его можно инвертировать из p-типа в n-тип, подав положительное или отрицательное напряжение затвора.

Когда мы прикладываем положительное напряжение затвора, дырки под оксидным слоем обладают силой отталкивания, а дырки толкаются вниз вместе с подложкой. Область обеднения заселена связанными отрицательными зарядами, которые связаны с атомами акцептора. Электроны достигают сформированного канала. Положительное напряжение также притягивает электроны из n + областей истока и стока в канал.Теперь, если между стоком и истоком приложено напряжение, ток свободно течет между истоком и стоком, а напряжение затвора управляет электронами в канале. Если приложить отрицательное напряжение, под слоем оксида образуется дырочный канал.

МОП-транзистор с P-каналом

Сток и исток представляют собой сильно легированную p + -область, а подложка — n-типа. Ток течет из-за потока положительно заряженных дырок, также известных как MOSFET с p-каналом. Когда мы прикладываем отрицательное напряжение затвора, электроны, находящиеся под оксидным слоем, испытывают силу отталкивания, и они толкаются вниз к подложке, область обеднения заполняется связанными положительными зарядами, которые связаны с донорными атомами.Отрицательное напряжение затвора также притягивает дырки из области p + истока и стока в область канала.

N-канальный полевой МОП-транзистор

N-канальный полевой МОП-транзистор

Сток и исток имеют сильно легированную область n +, а подложка — p-типа. Ток протекает из-за потока отрицательно заряженных электронов, также известного как n-канальный MOSFET. Когда мы прикладываем положительное напряжение затвора, дырки, находящиеся под оксидным слоем, испытывают силу отталкивания, и дырки толкаются вниз к связанным отрицательным зарядам, которые связаны с атомами акцептора.Положительное напряжение затвора также притягивает электроны из n + области истока и стока в канал, таким образом, образуется канал доступа электронов.


Дополнительные основные статьи доступны в учебном уголке.

Статья была впервые опубликована 19 июля 2017 г. и обновлена ​​4 апреля 2019 г.

Основы, принцип работы и применение

MOSFET (Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор) представляет собой полупроводниковое устройство, которое широко используется для коммутации и усиления электронных сигналов в электронных устройствах.МОП-транзистор — это либо сердечник, либо интегральная схема, где он спроектирован и изготовлен в виде единого кристалла, поскольку устройство доступно в очень малых размерах. Введение устройства MOSFET внесло изменения в область коммутации в электронике . Давайте подробно объясним эту концепцию.

Что такое полевой МОП-транзистор?

МОП-транзистор — это четырехконтактное устройство, имеющее выводы истока (S), затвора (G), стока (D) и корпуса (B). Как правило, корпус полевого МОП-транзистора соединен с выводом истока, образуя трехконтактное устройство, такое как полевой транзистор.MOSFET обычно рассматривается как транзистор и используется как в аналоговых, так и в цифровых схемах. Это основное введение в MOSFET . И общая структура этого устройства следующая:


MOSFET

Из вышеупомянутой структуры MOSFET , функциональность MOSFET зависит от электрических изменений, происходящих в ширине канала вместе с потоком носителей (дырок или электронов). Носители заряда входят в канал через вывод истока и выходят через сток.

Ширина канала контролируется напряжением на электроде, который называется затвором и расположен между истоком и стоком. Он изолирован от канала очень тонким слоем оксида металла. Емкость MOS, которая существует в устройстве, является важной частью, в которой вся операция осуществляется через нее. Полевой МОП-транзистор

с клеммами

МОП-транзистор может работать двумя способами.

  • Режим истощения
  • Режим улучшения

Режим истощения

Когда на клемме затвора нет напряжения, канал показывает максимальную проводимость.В то время как, когда напряжение на выводе затвора является положительным или отрицательным, проводимость канала уменьшается.

Например,

Режим расширения

Когда нет напряжения на выводе затвора, устройство не проводит ток. Когда на выводе затвора имеется максимальное напряжение, устройство показывает повышенную проводимость.

Режим расширения

Принцип работы полевого МОП-транзистора

Основным принципом устройства полевого МОП-транзистора является возможность управления потоком напряжения и тока между выводами истока и стока.Он работает почти как переключатель, а функциональность устройства основана на МОП-конденсаторе. Конденсатор MOS является основной частью MOSFET.

Поверхность полупроводника в нижнем оксидном слое, который расположен между выводами истока и стока, может быть инвертирован с p-типа на n-тип путем приложения положительного или отрицательного напряжения затвора соответственно. Когда мы прикладываем силу отталкивания к положительному напряжению затвора, то дыры под оксидным слоем смещаются вниз вместе с подложкой.

Область обеднения, заполненная связанными отрицательными зарядами, которые связаны с атомами акцептора. Когда достигаются электроны, развивается канал. Положительное напряжение также притягивает электроны из n + областей истока и стока в канал. Теперь, если между стоком и истоком приложено напряжение, ток свободно течет между истоком и стоком, а напряжение затвора управляет электронами в канале. Если вместо положительного напряжения приложить отрицательное напряжение, под слоем оксида образуется дырочный канал.Блок-схема полевого МОП-транзистора

МОП-транзистор с Р-каналом

МОП-транзистор с Р-каналом имеет область Р-канала, расположенную между выводами истока и стока. Это четырехконтактное устройство, имеющее выводы в качестве затвора, стока, истока и корпуса. Сток и исток представляют собой сильно легированную p + -область, а тело или подложка — n-типа. Ток идет в направлении положительно заряженных дырок.

Когда мы прикладываем отрицательное напряжение с силой отталкивания к выводу затвора, электроны, находящиеся под оксидным слоем, проталкиваются вниз в подложку.Область обеднения заселена связанными положительными зарядами, которые связаны с донорными атомами. Отрицательное напряжение затвора также притягивает дырки из области p + истока и стока в область канала.

Режим истощения P Channel Расширенный режим P-канала
N-канальный MOSFET

N-канальный MOSFET имеет N-канальную область, расположенную между выводами истока и стока. Это четырехконтактное устройство, имеющее выводы как затвор, сток, исток и корпус. В этом типе полевого транзистора сток и исток представляют собой сильно легированную область n +, а подложка или тело относятся к P-типу.

В этом типе полевых МОП-транзисторов ток протекает из-за отрицательно заряженных электронов. Когда мы прикладываем положительное напряжение с силой отталкивания к выводу затвора, отверстия, имеющиеся под оксидным слоем, проталкиваются вниз в подложку. Область обеднения населена связанными отрицательными зарядами, которые связаны с атомами акцептора.

При достижении электронами формируется канал. Положительное напряжение также притягивает электроны из n + областей истока и стока в канал.Теперь, если между стоком и истоком приложено напряжение, ток свободно течет между истоком и стоком, а напряжение затвора управляет электронами в канале. Вместо положительного напряжения, если мы подадим отрицательное напряжение, то под оксидным слоем образуется дырочный канал.

Режим расширения N Канал

MOSFET Области работы

В наиболее общем сценарии работа этого устройства происходит в основном в трех регионах, а именно:

  • Cut-off Region — Это регион, где устройство будет в состоянии ВЫКЛЮЧЕНО, и через него будет протекать нулевой ток.Здесь устройство функционирует как базовый переключатель и используется в тех случаях, когда они необходимы для работы в качестве электрических переключателей.
  • Область насыщения — В этой области устройства будут иметь постоянное значение тока от стока к истоку без учета увеличения напряжения между стоком и истоком. Это происходит только один раз, когда напряжение между стоком и истоком увеличивается больше, чем значение напряжения отсечки. В этом сценарии устройство функционирует как замкнутый переключатель, в котором протекает ток насыщения через сток к клеммам истока.Благодаря этому выбирается область насыщения, когда предполагается, что устройства должны выполнять переключение.
  • Линейная / омическая область — Это область, в которой ток через сток к выводу истока увеличивается с увеличением напряжения на пути от стока к истоку. Когда полевые МОП-транзисторы работают в этой линейной области, они выполняют функции усилителя.

Давайте теперь рассмотрим характеристики переключения MOSFET

Полупроводник, такой как MOSFET или Bipolar Junction Transistor, в основном функционирует как переключатели в двух сценариях: один находится в состоянии ВКЛ, а другой — в состоянии ВЫКЛ.Чтобы рассмотреть эту функциональность, давайте взглянем на идеальные и практические характеристики устройства MOSFET.

Характеристики идеального переключателя

Когда MOSFET должен функционировать как идеальный переключатель, он должен поддерживать следующие свойства, а именно:

  • В состоянии ВКЛ должно быть ограничение тока, которое он несет. Состояние ВЫКЛ, уровни напряжения блокировки не должны иметь каких-либо ограничений
  • Когда устройство работает в состоянии ВКЛ, значение падения напряжения должно быть нулевым
  • Сопротивление в состоянии ВЫКЛ должно быть бесконечным
  • Не должно быть ограничений по скорости работы

Практические характеристики переключателя

Поскольку мир не ограничивается идеальными приложениями, функционирование полевого МОП-транзистора применимо даже для практических целей.В практическом сценарии устройство должно иметь следующие свойства.

  • В состоянии ВКЛ возможности управления мощностью должны быть ограничены, что означает, что необходимо ограничить протекание тока проводимости.
  • В выключенном состоянии уровни напряжения блокировки не должны ограничиваться
  • Включение и выключение на конечное время ограничивает ограничивающую скорость устройства и даже ограничивает функциональную частоту
  • В состоянии ВКЛ устройства MOSFET будет минимальные значения сопротивления, при которых это приводит к падению напряжения при прямом смещении.Кроме того, существует конечное сопротивление в выключенном состоянии, которое обеспечивает обратный ток утечки.
  • Когда устройство работает с практическими характеристиками, оно теряет питание при включении и выключении. Это происходит даже в переходных состояниях.

Пример полевого МОП-транзистора в качестве переключателя

В приведенной ниже схеме схемы расширенный режим и N-канальный полевой МОП-транзистор используются для переключения пробной лампы в условиях ВКЛ и ВЫКЛ. Положительное напряжение на выводе затвора подается на базу транзистора, и лампа переходит в состояние ВКЛ, и здесь V GS = + v или при нулевом уровне напряжения устройство переключается в состояние ВЫКЛ, где V GS = 0 .

МОП-транзистор в качестве переключателя

Если резистивная нагрузка лампы должна была быть заменена индуктивной нагрузкой и подключена к реле или диоду, который защищен от нагрузки. В приведенной выше схеме это очень простая схема для переключения резистивной нагрузки, такой как лампа или светодиод. Но при использовании MOSFET в качестве переключателя с индуктивной или емкостной нагрузкой для устройства MOSFET требуется защита.

Если в случае, когда MOSFET не защищен, это может привести к повреждению устройства.Чтобы полевой МОП-транзистор работал как аналоговое переключающее устройство, он должен переключаться между его областью отсечки, где V GS = 0, и областью насыщения, где V GS = + v.

Описание видео

МОП-транзистор может также работать как транзистор, и его сокращенно называют полевым транзистором на основе оксида кремния и металла. Здесь само название указывало на то, что устройство может работать как транзистор. Он будет иметь P-канал и N-канал. Устройство подключается таким образом с помощью четырех клемм истока, затвора и стока, резистивная нагрузка 24 Ом подключается последовательно с амперметром, а измеритель напряжения подключается к полевому МОП-транзистору.

В транзисторе ток в затворе протекает в положительном направлении, а вывод истока соединен с землей. В то время как в устройствах с биполярным соединением транзисторов ток протекает по пути от базы к эмиттеру. Но в этом устройстве нет тока, потому что в начале затвора есть конденсатор, ему просто требуется только напряжение.

Это может быть достигнуто путем продолжения процесса моделирования и включения / выключения. Когда переключатель находится в положении ON, ток в цепи не протекает, когда сопротивление 24 Ом и 0.29 амперметра, то мы находим пренебрежимо малое падение напряжения на источнике, потому что на этом устройстве есть + 0,21 В.

Сопротивление между стоком и истоком обозначается как RDS. Из-за этого RDS при протекании тока в цепи появляется падение напряжения. RDS различается в зависимости от типа устройства (он может варьироваться в пределах от 0,001, 0,005 до 0,05 в зависимости от типа напряжения.

Несколько понятий для изучения:

1). Как выбрать полевой МОП-транзистор в качестве коммутатора ?

При выборе полевого МОП-транзистора в качестве переключателя необходимо соблюдать несколько условий, а именно:

  • Использование полярности канала P или N
  • Максимальные номинальные значения рабочего напряжения и тока
  • Повышенное значение Rds ON, которое означает, что сопротивление на выводе от стока к источнику при полностью открытом канале
  • Повышенная рабочая частота
  • Тип упаковки — To-220, DPAck и многие другие.

2). Что такое эффективность переключателя MOSFET?

Основным ограничением при использовании MOSFET в качестве переключающего устройства является повышенное значение тока стока, на которое может быть способно это устройство. Это означает, что RDS в состоянии ON является решающим параметром, определяющим коммутационную способность полевого МОП-транзистора. Он представлен как отношение напряжения сток-исток к току стока. Его следует рассчитывать только в состоянии ВКЛ транзистора.

3).Почему переключатель MOSFET используется в повышающем преобразователе?

Как правило, повышающему преобразователю необходим переключающий транзистор для работы устройства. Итак, в качестве переключающих транзисторов используются полевые МОП-транзисторы. Эти устройства используются для определения текущего значения и значений напряжения. Кроме того, учитывая скорость переключения и стоимость, они широко используются.

Таким же образом MOSFET можно использовать по-разному. и это

  • MOSFET в качестве переключателя для светодиода
  • remove_circle_outline
  • MOSFET в качестве переключателя для Arduino
  • MOSFET-переключатель для нагрузки переменного тока
  • MOSFET-переключатель для двигателя постоянного тока
  • MOSFET-переключатель для отрицательного напряжения
  • MOSFET в качестве переключателя с Arduino
  • MOSFET
  • в качестве переключателя с микроконтроллером
  • MOSFET переключатель с гистерезисом
  • MOSFET в качестве переключающего диода и активного резистора
  • MOSFET в качестве уравнения переключения
  • MOSFET переключатель для страйкбола
  • MOSFET как резистор переключающего затвора переключающий соленоид
  • Переключатель MOSFET с использованием оптрона
  • Переключатель MOSFET с гистерезисом

Применение MOSFET в качестве переключателя

Одним из наиболее ярких примеров этого устройства является его использование в качестве переключателя для автоматической регулировки яркости уличного освещения.В наши дни многие огни, которые мы наблюдаем на автомагистралях, состоят из газоразрядных ламп высокой интенсивности. Но использование HID-ламп потребляет повышенный уровень энергии.

Яркость не может быть ограничена в зависимости от требований, поэтому должен быть переключатель для альтернативного метода освещения, и это светодиод. Использование светодиодной системы позволит преодолеть недостатки высокоинтенсивных ламп. Основная идея, лежащая в основе конструкции, заключалась в том, чтобы управлять освещением непосредственно на шоссе с помощью микропроцессора.Применение полевого МОП-транзистора

в качестве коммутатора

Этого можно достичь, просто изменив тактовые импульсы. По необходимости это устройство используется для включения ламп. Он состоит из платы raspberry pi, в которую включен процессор для управления. Здесь светодиоды могут быть заменены на HID, и они связаны с процессором через MOSFET. Микроконтроллер выполняет соответствующие рабочие циклы, а затем переключается на MOSFET, чтобы обеспечить высокий уровень интенсивности.

Преимущества

Некоторые из преимуществ:

  • Он обеспечивает повышенную эффективность даже при работе при минимальных уровнях напряжения
  • Отсутствует ток затвора, что создает больший входной импеданс, который дополнительно обеспечивает повышенную скорость переключения для устройства
  • Эти устройства могут работать при минимальных уровнях мощности и потребляют минимальный ток

Недостатки

К недостаткам относятся следующие:

  • Когда эти устройства работают при уровнях напряжения перегрузки, это создает нестабильность устройства. тонкий оксидный слой, это может привести к повреждению устройства при воздействии электростатических зарядов.

Приложения

Области применения MOSFET:

  • Усилители, изготовленные из MOSFET, широко используются в широком диапазоне частот
  • Регулировка для двигателей постоянного тока обеспечиваются этими устройствами 900 16
  • Поскольку они имеют повышенную скорость переключения, они идеально подходят для создания усилителей с прерывателями.
  • Функционирует как пассивный компонент для различных электронных элементов.

В конце концов, можно сделать вывод, что транзистору требуется ток, тогда как MOSFET требует напряжения. Требования к управлению MOSFET намного лучше, намного проще по сравнению с BJT. А также знаю Как подключить Mosfet к переключателю?

Авторские фото

Символ, рабочие, типы и различные упаковки

Компоненты силовой электронной коммутации

, такие как BJT, MOSFET, IGBT, SCR, TRIAC и т. Д., Являются важными устройствами, используемыми при разработке многих схем, от простой схемы драйвера до сложных выпрямителей мощности и инверторов.Самый простой из них — это БЮТ, и мы уже узнали, как работают БЮТ-транзисторы. Наряду с BJT широко используемыми переключателями питания являются полевые МОП-транзисторы. По сравнению с BJT, MOSFET может работать с высоким напряжением и током, поэтому он популярен среди приложений с высокой мощностью. В этой статье мы изучим основы MOSFET , его внутреннюю конструкцию, принципы работы и способы их использования в схемах. Если вы хотите пропустить теорию, вы можете ознакомиться со статьей о популярных полевых МОП-транзисторах и о том, где их использовать, чтобы ускорить процесс выбора и проектирования деталей.

Что такое полевой МОП-транзистор?

MOSFET — это полевой транзистор на основе оксида металла. MOSFET был изобретен для преодоления недостатков, присущих полевым транзисторам, таких как высокое сопротивление стока, умеренный входной импеданс и более медленная работа. Таким образом, полевой МОП-транзистор можно назвать усовершенствованной формой полевого транзистора. В некоторых случаях полевые МОП-транзисторы также называются IGFET (полевой транзистор с изолированным затвором). Фактически, MOSFET — это устройство, управляемое напряжением, что означает, что при подаче номинального напряжения на вывод затвора MOSFET начинает проводить через выводы Drain и Source.Подробности мы рассмотрим позже в этой статье.

Основное различие между полевым транзистором и полевым МОП-транзистором заключается в том, что полевой МОП-транзистор имеет металлооксидный электрод затвора, электрически изолированный от основного полупроводникового n-канала или p-канала тонким слоем диоксида кремния или стекла. Изоляция управляющего затвора увеличивает входное сопротивление полевого МОП-транзистора до чрезвычайно высокого значения в мегаом (МОм).

Символ полевого МОП-транзистора

В общем, полевой МОП-транзистор представляет собой четырехконтактное устройство с выводами Drain (D), Source (S), Gate (G) и Body (B) / Substrate.Вывод на корпусе всегда будет подключен к выводу источника, следовательно, полевой МОП-транзистор будет работать как трехконтактное устройство. На изображении ниже, символ N-канального MOSFET показан слева, а символ P-канального MOSFET показан справа.

Наиболее часто используемый корпус для полевого МОП-транзистора — это To-220, для лучшего понимания давайте взглянем на распиновку знаменитого полевого МОП-транзистора IRF540N (показано ниже). Как вы можете видеть, контакты Gate, Drain и Source перечислены ниже, помните, что порядок этих контактов будет меняться в зависимости от производителя.Другими популярными полевыми МОП-транзисторами являются IRFZ44N, BS170, IRF520, 2N7000 и т. Д.

.

MOSFET как переключатель

Наиболее распространенное применение для полевого МОП-транзистора — его использование в качестве переключателя. На приведенной ниже схеме показан полевой МОП-транзистор, работающий как переключающее устройство для включения и выключения лампы. Входное напряжение затвора V GS прикладывается с помощью источника входного напряжения.Когда приложенное напряжение положительное, двигатель будет во включенном состоянии, а если приложенное напряжение равно нулю или отрицательно, лампа будет в выключенном состоянии.

Когда вы включаете МОП-транзистор, подавая необходимое напряжение на вывод затвора, он останется включенным, если вы не подадите 0В на затвор. Чтобы избежать этой проблемы, мы всегда должны использовать понижающий резистор (R1), здесь я использовал значение 10 кОм. В таких приложениях, как управление скоростью двигателя или затемнение света, мы будем использовать сигнал ШИМ для быстрого переключения, во время этого сценария емкость затвора полевого МОП-транзистора будет создавать обратный ток из-за паразитного эффекта.Чтобы решить эту проблему, мы должны использовать токоограничивающий конденсатор, я использовал здесь значение 470.

Вышеуказанная нагрузка рассматривается как резистивная нагрузка, поэтому схема очень проста, и в случае, если нам нужно использовать индуктивную или емкостную нагрузку, нам нужно использовать какую-то защиту, чтобы предотвратить повреждение полевого МОП-транзистора. Например, если мы используем емкостную нагрузку без электрического заряда, это рассматривается как короткое замыкание, это приведет к высокому «пуску» тока , а когда приложенное напряжение снимается с индуктивной нагрузки, будет Большое количество обратного напряжения, нарастающего в цепи при схлопывании магнитного поля, приведет к наведенной обратной ЭДС в обмотке катушки индуктивности.

Классификация полевых МОП-транзисторов

MOSFET классифицируется на два типа в зависимости от типа операций, а именно MOSFET в режиме расширения (E-MOSFET) и MOSFET в режиме истощения (D-MOSFET), эти полевые МОП-транзисторы дополнительно классифицируются в зависимости от материала, используемого для конструкции. как n-канальный и p-канальный. Итак, в общем, существует 4 различных типа полевых МОП-транзисторов

.
  • MOSFET с N-канальным режимом истощения
  • МОП-транзистор в режиме истощения P-канала
  • N-канальный режим расширения MOSFET
  • MOSFET режим расширения P-канала

N-канальные полевые МОП-транзисторы называются NMOS и представлены следующими символами.

В соответствии с внутренней конструкцией полевого МОП-транзистора, выводы затвора (G), стока (D) и истока (S) физически соединены в полевом МОП-транзисторе в режиме истощения, в то время как в режиме улучшения они физически разделены, по этой причине для полевого МОП-транзистора режима улучшения символ выглядит сломанным. Полевые МОП-транзисторы с P-каналом называются PMOS и представлены следующими символами.

Из доступных типов полевой МОП-транзистор с N-каналом расширения является наиболее часто используемым.Но ради познания попробуем вникнуть в разницу. Основное различие между N-канальным MOSFET и P-канальным MOSFET заключается в том, что в N-канале переключатель MOSFET будет оставаться открытым до тех пор, пока не будет подано напряжение затвора. Когда на вывод затвора поступает напряжение, переключатель (между стоком и источником) замыкается, а в P-канальном MOSFET переключатель остается закрытым до тех пор, пока не появится напряжение затвора.

Аналогичным образом, основное различие между MOSFET в режиме расширения и режиме истощения состоит в том, что напряжение затвора, приложенное к E-MOSFET, всегда должно быть положительным, и он имеет пороговое напряжение, выше которого он полностью включается.Для D-MOSFET напряжение на затворе может быть как положительным, так и отрицательным, и он никогда не включается полностью. Также обратите внимание, что D-MOSFET может работать в режиме улучшения и истощения, в то время как E-MOSFET может работать только в режиме улучшения.

Конструкция полевого МОП-транзистора

На изображении ниже показана типичная внутренняя структура полевого МОП-транзистора . Хотя полевой МОП-транзистор является усовершенствованной формой полевого транзистора и работает с теми же тремя выводами, что и полевой транзистор, внутренняя структура полевого транзистора действительно отличается от общего полевого транзистора.

Если вы посмотрите на структуру, вы увидите, что вывод затвора закреплен на тонком металлическом слое, который изолирован слоем диоксида кремния (SiO2) от полупроводника, и вы сможете увидеть два полупроводника N-типа. фиксируется в области канала, где размещены выводы стока и истока. Канал между стоком и истоком полевого МОП-транзистора — N-типа, в противоположность этому подложка выполнена как P-тип. Это помогает смещать полевой МОП-транзистор с обеих полярностей, положительной или отрицательной.Если вывод затвора полевого МОП-транзистора не смещен, он останется в непроводящем состоянии, поэтому полевой МОП-транзистор в основном используется при проектировании переключателей и логических вентилей.

Принцип работы полевого МОП-транзистора

В общем, полевой МОП-транзистор работает как переключатель, а МОП-транзистор управляет потоком напряжения и тока между истоком и стоком. Работа полевого МОП-транзистора зависит от МОП-конденсатора , который представляет собой поверхность полупроводника под оксидными слоями между выводами истока и стока.Его можно инвертировать из p-типа в n-тип, просто приложив положительное или отрицательное напряжение затвора соответственно. На изображении ниже показана блок-схема полевого МОП-транзистора.

Когда напряжение сток-исток (V DS ) подключено между стоком и истоком, положительное напряжение прикладывается к стоку, а отрицательное напряжение прикладывается к истоку. Здесь PN-переход на стоке смещен в обратном направлении, а PN-переход на истоке смещен в прямом направлении.На этом этапе между стоком и истоком не будет протекания тока.

Если мы подадим положительное напряжение (V GG ) на вывод затвора, из-за электростатического притяжения неосновные носители заряда (электроны) в P-подложке начнут накапливаться на контакте затвора, который образует проводящий мост между двумя n + регионы. Количество свободных электронов, накопленных на контакте затвора, зависит от силы приложенного положительного напряжения.Чем выше приложенное напряжение, тем больше ширина n-канала, образованного из-за накопления электронов, это в конечном итоге увеличивает проводимость, и ток стока (I D ) начнет течь между Источником и Стоком.

Когда на вывод затвора не подается напряжение, не будет протекать ток, за исключением небольшого количества тока из-за неосновных носителей заряда. Минимальное напряжение, при котором MOSFET начинает проводить, называется пороговым напряжением .

Работа полевого МОП-транзистора в режиме истощения:

MOSFET в режиме истощения обычно называют «включенными» устройствами, поскольку они обычно находятся в закрытом состоянии, когда на выводе затвора нет напряжения смещения. Когда мы увеличиваем приложенное к затвору напряжение в положительную сторону, ширина канала будет увеличиваться в режиме истощения. Это увеличит ток стока I D через канал. Если приложенное напряжение затвора сильно отрицательное, ширина канала будет меньше, и полевой МОП-транзистор может попасть в область отсечки.

VI характеристики:

Вольт-амперная характеристика полевого МОП-транзистора в режиме истощения находится между напряжением сток-исток (V DS ) и током стока (I D ). Небольшое напряжение на выводе затвора будет управлять током, протекающим через канал. Канал, образованный между стоком и истоком, будет действовать как хороший проводник с нулевым напряжением смещения на выводе затвора. Ширина канала и ток стока увеличиваются, если на затвор подается положительное напряжение, тогда как они уменьшаются, когда мы прикладываем отрицательное напряжение к затвору.

Работа полевого МОП-транзистора в режиме расширения:

Работа полевого МОП-транзистора в режиме расширения аналогична работе открытого переключателя, он начнет проводить, только если положительное напряжение (+ V GS ) будет приложено к клемме затвора и ток стока начнет течь через устройство. Ширина канала и ток стока увеличиваются при увеличении напряжения смещения. Но если приложенное напряжение смещения равно нулю или отрицательно, транзистор сам останется в выключенном состоянии.

VI Характеристики:

ВИ-характеристики полевого МОП-транзистора в расширенном режиме отображаются между током стока (I D ) и напряжением сток-исток (V DS ). Характеристики VI разделены на три различные области: омическую область, область насыщения и область отсечки. Область отсечки — это область, в которой полевой МОП-транзистор будет находиться в выключенном состоянии, когда приложенное напряжение смещения равно нулю. Когда прикладывается напряжение смещения, полевой МОП-транзистор медленно движется в сторону режима проводимости, и медленное увеличение проводимости происходит в омической области.Наконец, область насыщения — это место, где положительное напряжение подается постоянно, и полевой МОП-транзистор будет оставаться в состоянии проводимости.

Пакеты MOSFET Полевые МОП-транзисторы

доступны в различных корпусах, размерах и названиях для использования в различных приложениях. В целом, полевые МОП-транзисторы поставляются в 4 различных корпусах, а именно: поверхностный монтаж, сквозное отверстие, PQFN и DirectFET

.

Полевые МОП-транзисторы доступны под разными именами в каждом типе пакетов, а именно:

Поверхностный монтаж: ТО-263, ТО-252, МО-187, СО-8, СОТ-223, СОТ-23, ЦОП-6 и т. Д.

Сквозное отверстие: TO-262, TO-251, TO-274, TO-220, TO-247 и т. Д.

PQFN: PQFN 2×2, PQFN 3×3, PQFN 3.3×3.3, PQFN 5×4, PQFN 5×6 и т. Д.

DirectFET: DirectFET M4, DirectFET MA, DirectFET MD, DirectFET ME, DirectFET S1, DirectFET SH и т. Д.

В чем разница между MOSFET и BJT?

ОСНОВНЫЕ ЗНАНИЯ — MOSFET VS. BJT В чем разница между MOSFET и BJT?

Автор / Редактор: Люк Джеймс / Erika Granath

Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) и биполярный переходный транзистор (BJT) — это два типа транзисторов, которые поставляются в различных корпусах, и тем, кто не знаком с электроникой, часто сложно решить, какой из них следует использовать в своих проектах.

Связанные компании

Хотя и MOSFET, и BJT являются транзисторами, они работают по-разному и ведут себя по-разному.

(Источник: Юрий Захачевский)

Хотя и MOSFET, и BJT являются транзисторами, они работают по-разному и ведут себя по-разному, поэтому используются по-разному.

Что такое полевой МОП-транзистор?

Рисунок 1: Структура полевого МОП-транзистора.

(Источник: Electronic Tutorials)

Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) представляет собой разновидность полевого транзистора (FET) , который состоит из трех выводов — затвора, истока и стока. В полевом МОП-транзисторе сток управляется напряжением на выводе затвора, поэтому полевой МОП-транзистор является устройством, управляемым напряжением. Напряжение, приложенное к затвору, определяет, сколько тока течет в сток. MOSFET доступны двух типов: « p-channel » и « n-channel ».Оба эти типа могут находиться в режиме увеличения или истощения (см. Рисунок 1). Это означает, что всего существует четыре различных типа полевых МОП-транзисторов.

В полевых МОП-транзисторах с каналом p-типа выводы истока и стока выполнены из полупроводника p-типа. Аналогичным образом, в n-канальных полевых МОП-транзисторах выводы истока и стока сделаны из полупроводника n-типа. Сам вывод затвора сделан из металла и отделяется от выводов истока и стока с помощью оксида металла. Такой уровень изоляции обеспечивает низкое энергопотребление и является основным преимуществом транзисторов этого типа.Часто полевые МОП-транзисторы используются в маломощных устройствах или в качестве строительных блоков для снижения энергопотребления.

Режим истощения: Когда напряжение на клемме затвора низкое, канал демонстрирует максимальную проводимость. Поскольку напряжение на зажимах затвора является положительным или отрицательным, проводимость канала снижается.

Режим улучшения: , когда напряжение на клемме затвора низкое, устройство не проводит ток, если на клемму затвора не подается большее напряжение.

Что такое BJT?

Биполярный переходной транзистор (BJT) — это устройство, управляемое током (в отличие от MOSFET, управляемое напряжением), которое, помимо прочего, широко используется в качестве усилителя, генератора или переключателя.Биполярный транзистор имеет три контакта — базу, коллектор и эмиттер — и два перехода: p-переход и n-переход.

Существует два типа BJT — PNP и NPN . Каждый тип имеет большой коллекторный элемент и большой эмиттерный элемент, которые легированы одинаковым образом. Между этими структурами находится небольшой слой другого легирующего агента, называемого «основой». Ток течет в коллекторе PNP и выходит из эмиттера. В NPN полярность противоположная, и ток течет в эмиттере и выходит из коллектора.В любом случае направление тока в базе такое же, как и на коллекторе.

Рисунок 2: Принцип работы BJT.

(Источник: Electronic Tutorials)

По сути, работа BJT-транзистора определяется током на его базовом выводе. Например, небольшой базовый ток равен небольшому току коллектора. Выходной ток BJT всегда равен входному току, умноженному на коэффициент, известный как «усиление», обычно в 10-20 раз превышающий базовый ток.

MOSFET vs BJT: в чем разница?

Рисунок 3: Разница между BJT и MOSFET.

(Источник: Electronic Tutorials)

Между MOSFET и BJT есть много различий.

  • MOSFET (управляемый напряжением) представляет собой металлооксидный полупроводник, тогда как BJT (управляемый током) представляет собой транзистор с биполярным переходом.
  • Хотя у обоих по три клеммы, они отличаются.MOSFET имеет исток, сток и затвор, тогда как BJT имеет базу, эмиттер и коллектор.
  • MOSFET идеально подходят для приложений большой мощности, тогда как BJT чаще используются в приложениях с низким током.
  • BJT зависит от тока на его базовом выводе, тогда как MOSFET зависит от напряжения на электроде затвора с оксидной изоляцией.
  • Структура MOSFET по своей природе более сложна, чем структура BJT.

Что лучше?

И MOSFET, и BJT имеют уникальные характеристики, а также свои плюсы и минусы.К сожалению, мы не можем сказать, что «лучше», потому что вопрос очень субъективен. На этот вопрос нет однозначного и однозначного ответа.

При выборе того, что использовать в проекте, необходимо учитывать множество различных факторов, чтобы прийти к решению. Сюда входят уровень мощности , напряжение привода, эффективность, стоимость и скорость переключения, среди прочего — вот где действительно полезно знать ваш проект!

Как правило, полевые МОП-транзисторы более эффективны в источниках питания.В устройстве с батарейным питанием, где нагрузка переменная, а источник питания ограничен, например, использование BJT было бы плохой идеей. Однако, если BJT используется для питания чего-то с предсказуемым потреблением тока (например, светодиодов), тогда это будет хорошо, потому что ток база-эмиттер может быть установлен на долю тока светодиода для повышения эффективности.

(ID: 46385462)

Что такое MOSFET — работа, типы, применение, преимущества и недостатки

MOSFET (Полевой транзистор с металлическим оксидом и полупроводником) является наиболее широко используемым типом полевых транзисторов с изолированным затвором.Они используются в различных приложениях из-за простоты работы и преимуществ перед другими полевыми транзисторами. В этом посте подробно рассказывается, что такое MOSFET, принцип его работы, типы MOSFET, символы, различные приложения, преимущества и недостатки.

Что такое MOSFET

M etal O xide S ilicon F ield E ffect T Rnsistor сокращенно обозначается как MOSFET. Это просто униполярный транзистор, который используется в качестве электронного переключателя и для усиления электронных сигналов.Устройство имеет три вывода, состоящие из истока, затвора и стока. Помимо этих клемм есть подложка, обычно называемая корпусом, которая всегда подключается к клемме источника для практических приложений.

В последние годы его открытие привело к преобладанию использования этих устройств в цифровых интегральных схемах из-за его структуры. Слой диоксида кремния (SiO2) действует как изолятор и обеспечивает электрическую изоляцию между затвором и активным каналом между истоком и стоком, что обеспечивает высокий входной импеданс, который почти бесконечен, таким образом улавливая весь входной сигнал.

Принцип работы полевого МОП-транзистора

Рис.1 — Структурный и физический вид полевого МОП-транзистора

Изготовлен путем окисления кремниевых подложек. Он работает путем изменения ширины канала, по которому происходит движение носителей заряда (электроны для N-канала и дырки для P-канала) от истока к стоку. Изолирован вывод затвора, напряжение которого регулирует проводимость устройства.

Типы полевых МОП-транзисторов

По рабочему режиму полевые МОП-транзисторы можно разделить на два типа.

  • МОП-транзисторы расширенного типа
  • МОП-транзисторы истощенного типа

Рис.2 — Типы полевых МОП-транзисторов

Тип расширения MOSFET

В этом режиме нет проводимости при нулевом напряжении, что означает, что он закрыт или «ВЫКЛ» по умолчанию, поскольку нет существующего канала. Когда напряжение затвора увеличивается больше, чем напряжение источника, носители заряда (дырки) смещаются, оставляя электроны позади, и, таким образом, устанавливается более широкий канал.

Напряжение затвора прямо пропорционально току, т. Е. По мере увеличения напряжения затвора ток увеличивается, и наоборот.

Типы полевых МОП-транзисторов расширения

Расширяющие полевые МОП-транзисторы можно разделить на два типа в зависимости от типа используемой легированной подложки (n-типа или p-типа).

  • МОП-транзисторы N типа расширения канала
  • МОП-транзисторы типа расширения P-канала
МОП-транзисторы типа расширения N

Фиг.3-канальный MOSFET типа расширения N

  • Слегка легированная подложка P-типа образует корпус устройства, а исток и сток сильно легированы примесями N-типа.
  • N-канал
  • имеет электроны в качестве основных носителей.
  • Приложенное напряжение затвора положительное, чтобы включить устройство.
  • Он имеет более низкую внутреннюю емкость и меньшие площади перехода из-за высокой подвижности электронов, что позволяет ему работать с высокими скоростями переключения.
  • Он содержит положительно заряженные загрязнения, из-за которых N-канальные МОП-транзисторы включаются преждевременно.
  • Устойчивость к сливу ниже, чем у P-типа.
МОП-транзисторы типа расширения P

Рис.4 — МОП-транзистор типа расширения P-канала

  • Слегка легированная подложка N-типа образует корпус устройства, а исток и сток сильно легированы примесями P-типа.
  • P-канал имеет отверстия в качестве основных носителей.
  • Он имеет более высокую внутреннюю емкость и низкую подвижность отверстий, что позволяет ему работать с низкой скоростью переключения по сравнению с N-типом.
  • Приложенное напряжение затвора отрицательное, чтобы включить устройство.
  • Сопротивление сливу выше, чем у N-типа.

MOSFET истощенного типа

В этом типе канал уже установлен, и очевидно, что проводимость происходит даже при нулевом напряжении, и он открыт или включен по умолчанию. В отличие от типа Enhancement, здесь канал обеднен носителями заряда, чтобы уменьшить ширину канала.

Рис.5 — Напряжение затвора в зависимости от характеристик стока полевого МОП-транзистора

Напряжение затвора обратно пропорционально току i.е. по мере увеличения напряжения затвора ток уменьшается.

Типы истощаемых полевых МОП-транзисторов

Истощающие МОП-транзисторы можно разделить на два типа в зависимости от типа используемой легированной подложки (n-типа или p-типа).

  • МОП-транзистор типа N с истощением канала
  • МОП-транзистор типа P с истощением канала
МОП-транзисторы с истощением канала N

Рис.6 — МОП-транзисторы с обедненным каналом N

  • Полупроводник P-типа образует подложку, а исток и сток сильно легированы примесями N-типа.
  • Приложенное напряжение затвора отрицательное.
  • Канал лишен свободных электронов.
МОП-транзисторы типа P с истощением канала

Рис.7 — МОП-транзисторы с истощенным каналом P

  • Полупроводник N-типа образует подложку, а исток и сток сильно легированы примесями N-типа.
  • Приложенное напряжение затвора положительное.
  • В канале отсутствуют свободные отверстия.

Символы различных типов полевого МОП-транзистора

Символы различных типов полевых МОП-транзисторов показаны ниже.

Рис.8 — Символы полевого МОП-транзистора с усилением и истощением (P, N)

Применение полевого МОП-транзистора

  • Усилители MOSFET широко используются в радиочастотных приложениях.
  • Он действует как пассивный элемент, такой как резистор, конденсатор и катушка индуктивности.
  • Двигатели постоянного тока
  • могут регулироваться силовыми полевыми МОП-транзисторами.
  • Высокая скорость переключения полевых МОП-транзисторов делает его идеальным выбором при разработке схем прерывателя.

Преимущества MOSFET

МОП-транзисторы
  • обеспечивают большую эффективность при работе при более низких напряжениях.
  • Отсутствие тока затвора приводит к высокому входному сопротивлению, обеспечивающему высокую скорость переключения.
  • Они работают с меньшей мощностью и не потребляют ток.

Недостатки MOSFET
  • Тонкий оксидный слой делает полевые МОП-транзисторы уязвимыми для необратимых повреждений, вызванных электростатическими зарядами.
  • Напряжение перегрузки делает его нестабильным.
  Также читают:
 Усилитель  класса C - принцип работы, применение, преимущества и недостатки
Большие данные - категории, атрибуты, приложения и Hadoop 

Лакшми имеет степень бакалавра в области электроники и связи и имеет опыт работы в RelQ Software в качестве инженера-испытателя и HP в качестве руководителя службы технической поддержки. Она — автор, редактор и партнер Electricalfundablog.

Типы работающих полевых МОП-транзисторов и их применения

МОП-транзисторы

МОП-транзисторы — важный элемент в конструкции встроенных систем, который используется для управления нагрузками в соответствии с требованиями.Многие электронные проекты, разработанные с использованием полевых МОП-транзисторов, такие как управление интенсивностью света, управление двигателем и макс. MOSFET — это устройство управления высоким напряжением, которое предоставляет разработчикам схем некоторые ключевые функции с точки зрения их общей производительности. В этой статье содержится информация о различных типах приложений MOSFET.

MOSFET и его приложения

MOSFET (Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор) представляет собой полупроводниковое устройство, которое широко используется для переключения и усиления электронных сигналов в электронных устройствах.МОП-транзистор представляет собой трехполюсное устройство: исток, затвор и сток. MOSFET — это наиболее распространенный транзистор, который может использоваться как в аналоговом, так и в цифровом цепях.

MOSFET работает, изменяя ширину канала, по которому текут носители заряда (дырки и электроны). Носители заряда входят в канал из истока и выходят через сток. Ширина канала регулируется напряжением на электроде, называемом затвором, который расположен между истоком и стоком. Он изолирован от канала очень тонким слоем оксида металла.Существует другой тип приложений MOSFET, который используется в соответствии с требованиями.

Типы устройств MOSFET

MOSFET подразделяются на два типа:

  • Режим истощения MOSFET
  • Режим расширения MOSFET

Режим истощения: При нулевом напряжении на выводе затвора канал показывает свою максимальную проводимость. Поскольку напряжение на затворе отрицательное или положительное, тогда уменьшается проводимость канала.

MOSFET в режиме истощения

Enhancement Mode

Когда на клемме затвора нет напряжения, устройство не проводит ток.На вывод затвора подается большее напряжение, устройство имеет хорошую проводимость.

Расширенный режим MOSFET

MOSFET Принцип работы

Работа MOSFET зависит от металлооксидного конденсатора (MOS), который является основной частью MOSFET. Оксидный слой присутствует между выводами истока и стока. Его можно установить с p-типа на n-тип, применяя положительное или отрицательное напряжение затвора соответственно. При приложении положительного напряжения затвора отверстия, присутствующие под оксидным слоем, с силой отталкивания, и отверстия проталкиваются вниз через подложку.Область отклонения заполнена связанными отрицательными зарядами, которые связаны с атомами акцептора.

Блок-схема полевого МОП-транзистора

МОП-транзистор с P-каналом

МОП-транзистор с P-каналом состоит из отрицательных ионов, поэтому он работает с отрицательными напряжениями. Когда мы прикладываем отрицательное напряжение к затвору, электроны, находящиеся под слоем оксида, проталкиваются вниз в подложку с силой отталкивания. Область отклонения заполняется связанными положительными зарядами, которые связаны с атомами донора.Отрицательное напряжение также притягивает дырки из области p + истока и стока в область канала.

МОП-транзистор с P-каналом

МОП-транзистор с N-каналом

Когда мы прикладываем положительное напряжение затвора, дырки, находящиеся под оксидным слоем, проталкиваются вниз в подложку с силой отталкивания. Область отклонения заполнена связанными отрицательными зарядами, которые связаны с атомами акцептора. Положительное напряжение также притягивает электроны из n + областей истока и стока в канал.Теперь, если напряжение приложено между стоком и истоком, ток свободно течет между истоком и стоком, а напряжение затвора управляет электронами в канале. Вместо положительного напряжения, если подать отрицательное напряжение (дырка), под слоем оксида образуется канал.

N-Channel MOSFET

Приложения MOSFET

Приложения MOSFET, используемые в различных электрических и электронных проектах, которые разработаны с использованием различных электрических и электронных компонентов.Для лучшего понимания этой концепции здесь мы объяснили некоторые проекты.

МОП-транзистор, используемый в качестве переключателя

В этой схеме, использующей расширенный режим, N-канальный МОП-транзистор используется для включения и выключения лампы. Положительное напряжение подается на затвор полевого МОП-транзистора и лампа горит (VGS = + v) или при нулевом уровне напряжения устройство выключается (VGS = 0). Если резистивная нагрузка лампы должна была быть заменена индуктивной нагрузкой и подключена к реле или диоду для защиты нагрузки.В приведенной выше схеме это очень простая схема для переключения резистивной нагрузки, такой как светодиоды или лампы. Но при использовании MOSFET для переключения индуктивной или емкостной нагрузки требуется защита для приложений MOSFET. Если мы не дадим защиту, то МОП-транзистор будет поврежден. Чтобы полевой МОП-транзистор работал как аналоговое переключающее устройство, его необходимо переключать между его областью отсечки, где VGS = 0, и областью насыщения, где VGS = + v.

MOSFET в качестве переключателя

Автоматическое управление яркостью уличных фонарей с помощью MOSFET

В настоящее время большинство огней, размещаемых на автомагистралях, осуществляется с помощью разрядных ламп высокой интенсивности (HID), потребление энергии которых велико.Его интенсивность не может регулироваться согласно требованиям, поэтому необходимо перейти на альтернативный метод освещения, то есть использовать светодиоды. Эта система создана, чтобы преодолеть недостатки современных ламп HID.

Автоматическое управление яркостью уличных фонарей с помощью MOSFET

Этот проект предназначен для автоматического управления освещением на шоссе с помощью микропроцессора по вариантам тактовых импульсов. В этом проекте главную роль играет MOSFET, который используется для переключения ламп в соответствии с требованиями.Предлагаемая система, использующая плату Raspberry Pi, которая является новой платой разработки, содержит процессор для управления ею. Здесь мы можем заменить светодиоды вместо HID-ламп, которые подключены к процессору с помощью MOSFET. Микроконтроллер освобождает соответствующие рабочие циклы, затем переключает полевой МОП-транзистор для освещения ярким светом

Высокое напряжение на основе генератора Маркса с использованием полевых МОП-транзисторов

Основная концепция этого проекта заключается в разработке схемы, которая обеспечивает выходную мощность примерно в три раза выше, чем у входное напряжение по принципу генератора Маркса.Он предназначен для генерации импульсов высокого напряжения с использованием ряда конденсаторов, подключенных параллельно для зарядки во время включения, а затем соединенных последовательно для выработки более высокого напряжения во время периода отключения. Если приложенное входное напряжение составляет около 12 В постоянного тока, то выходное напряжение составляет около 36 вольт постоянного тока.

Генератор Маркса на основе высокого напряжения с использованием полевых МОП-транзисторов

В этой системе используется таймер 555 в нестабильном режиме, который подает тактовые импульсы для зарядки параллельных конденсаторов во время работы, а конденсаторы подключаются последовательно во время отключения через переключатели MOSFET; и, таким образом, развивает напряжение примерно в три раза по сравнению с входным напряжением, но немного меньше, вместо точных 36 В из-за падения напряжения в цепи.Выходное напряжение можно измерить с помощью мультиметра.

Управление предустановленной скоростью двигателя BLDC на основе EEPROM

Управление скоростью двигателя BLDC очень важно в промышленности, так как это важно для многих приложений, таких как буровые, прядильные и лифтовые системы. Этот проект усовершенствован для управления скоростью двигателя BLDC путем изменения рабочего цикла.

Управление заданной скоростью двигателя BLDC на основе EEPROM

Основная цель этого проекта состоит в том, чтобы управлять двигателем BLDC на определенной скорости с заданным напряжением.Следовательно, двигатель остается в рабочем состоянии или перезапускается для работы с той же скоростью, что и раньше, с использованием сохраненных данных из EEPROM.

Управление скоростью двигателя постоянного тока достигается путем изменения рабочих циклов (импульсов ШИМ) от микроконтроллера в соответствии с программой. Микроконтроллер получает процент рабочих циклов, хранящихся в EEPROM, от встроенных команд переключателя и выдает желаемый выходной сигнал для переключения микросхемы драйвера для управления скоростью двигателя постоянного тока. Если источник питания прерывается, EEPROM сохраняет эту информацию, чтобы двигатель работал с той же скоростью, что и раньше, пока источник питания был доступен.

Энергосбережение на основе LDR для уличного освещения с регулируемой интенсивностью света

В нынешней системе в основном освещение магистралей осуществляется с помощью разрядных ламп высокой интенсивности (HID), потребление энергии которых велико и нет специального механизма для включения Свет на шоссе вечером и выключение утром.

Энергосбережение на основе LDR для уличного освещения с регулируемой интенсивностью

Его интенсивность не может контролироваться в соответствии с требованиями, поэтому необходимо переключиться на альтернативный метод освещения, т.е.е., используя светодиоды. Эта система создана, чтобы преодолеть нынешний недостаток ламп HID.

Эта система демонстрирует использование светодиодов (светоизлучающих диодов) в качестве источника света и его регулируемую регулировку интенсивности в соответствии с требованиями. Светодиоды потребляют меньше энергии и имеют больший срок службы по сравнению с обычными HID лампами.

Самая важная и интересная особенность — ее интенсивность, которую можно регулировать в соответствии с требованиями в непиковые часы, что невозможно в лампах HID.Светочувствительное устройство LDR (Light Dependent Resistance) используется для определения света. Его сопротивление резко уменьшается в зависимости от дневного света, который формирует входной сигнал для контроллера.
Группа светодиодов используется для формирования уличного фонаря. Микроконтроллер содержит программируемые инструкции, которые контролируют интенсивность света на основе генерируемых сигналов ШИМ (широтно-импульсной модуляции).

Интенсивность света поддерживается на высоком уровне в часы пик, а в поздние ночи интенсивность движения на дорогах снижается; интенсивность также постепенно уменьшается до утра.Наконец, свет полностью выключается в 6 часов утра и снова включается в 18 часов вечера. Таким образом, процесс повторяется.

SVPWM (широтно-импульсная модуляция с пространственным вектором)

ШИМ с пространственным вектором — это сложный метод управления двигателями переменного тока путем генерации основной синусоидальной волны, которая подает на двигатель чистое напряжение с более низким общим гармоническим искажением. Этот метод преодолевает старую технику SPWM для управления двигателем переменного тока, который имеет высокие гармонические искажения из-за асимметричной природы характеристик переключения PWM.

SVPWM (пространственно-векторная широтно-импульсная модуляция)

В этой системе питание постоянного тока производится из однофазного переменного тока после выпрямления, а затем подается на трехфазный инвертор с 6 полевыми МОП-транзисторами. Для каждой фазы используется пара полевых МОП-транзисторов, и, следовательно, три пары полевых МОП-транзисторов переключаются через определенные интервалы времени для создания трехфазного питания для управления скоростью двигателя. Эта схема также дает световую индикацию любой неисправности, которая возникает в схеме управления

Таким образом, это все о типах приложений MOSFET. Наконец, мы сделаем вывод, что MOSFET требует высокого напряжения, тогда как транзистор требует низкого напряжения и тока.По сравнению с BJT требования к движению для MOSFET намного лучше. Более того, любые вопросы по этой статье вы можете прокомментировать, оставив комментарий в разделе комментариев ниже.

7.1 MOSFET — Введение

7.1 MOSFET — Введение
Содержание — Глоссарий — Учебные пособия —
В этой секции:
  1. Базовая конструкция и принцип работы
  2. Краткая история
  3. Как полевой МОП-транзистор усиливает электрические сигналы?

Далее 7.2 модели MOSFET


Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник n-типа (MOSFET) состоит из источника и сток , две высокопроводящие полупроводниковые области n-типа, которые изолированы от Подложка p-типа
на p-n диодах с обратным смещением. Металлический (или поликристаллический) затвор покрывает область между истоком и стоком, но отделен от полупроводника ворота оксид .Базовая структура полевого МОП-транзистора n-типа и соответствующий символ цепи показаны на рисунке 7.1.1.
mosfet2.gif
    Рис.7.1.1 Обозначение поперечного сечения и схемы n-типа Металл-оксид-полупроводник-полевой транзистор (MOSFET)

Как видно на рисунке, области истока и стока идентичны. 1 . это приложенные напряжения, которые определяют, какая область n-типа обеспечивает электроны и становится источником, в то время как другая область n-типа собирает электроны и становится стоком.Напряжения, приложенные к электроду стока и затвора, а также к подложке с помощью заднего контакта относятся к потенциалу источника, как также указано на рисунке.

Вид сверху того же полевого МОП-транзистора показан на рис. 7.1.2, где длина затвора Идентифицируются L и ширина ворот W . Обратите внимание, что длина ворот не равна физическим размерам ворот, а скорее расстояние между областями истока и стока под затвором.Перекрытие между затвором и областью истока и стока требуется для обеспечения того, чтобы инверсионный слой образовывал непрерывный проводящий путь между областью истока и стока. Обычно это перекрытие делается как минимум насколько это возможно, чтобы минимизировать его паразитную емкость.


mosfet1.gif
    Рис.7.1.2 Вид сверху на металл-оксид-полупроводник n-типа. Полевой транзистор (MOSFET)

Поток электронов от истока к стоку контролируется напряжением применяется к воротам.Положительное напряжение, приложенное к затвору, притягивает электронов к границе между диэлектриком затвора и полупроводник. Эти электроны образуют проводящий канал между источником и сток, называемый инверсионным слоем . Нет ток затвора необходим для поддержания инверсионного слоя на интерфейс, поскольку оксид затвора блокирует любой несущий поток. Чистый результат что ток между стоком и истоком контролируется напряжением, приложенным к затвору.

Типичные характеристики тока в зависимости от напряжения (I-V) полевого МОП-транзистора показаны на рисунке ниже. Реализована квадратичная модель для полевого МОП-транзистора.


mosfetiv.xls — mosfetiv.gif
    Рис.7.1.3 ВАХ полевого МОП-транзистора n-типа с VG = 5 В (верхняя кривая), 4 В, 3 В и 2 В (нижняя кривая)

ПРИМЕЧАНИЕ : Мы в первую очередь обсудим n-тип или n-канал МОП-транзистор. Этот тип MOSFET изготовлен на полупроводнике p-типа. субстрат.Дополнительным полевым МОП-транзистором является полевой МОП-транзистор p-типа или p-канальный МОП-транзистор. Он содержит области истока и стока p-типа в подложке n-типа. Инверсионный слой образуется, когда дырки притягиваются к интерфейс отрицательным напряжением затвора. Пока дыры все еще текут от истока к стоку они приводят к отрицательному току стока. CMOS схемы требуют устройств как n-типа, так и p-типа.


Концептуально подобная конструкция была впервые предложена и запатентована. Лилиенфельд и Хайль 2 в 1930 году, но не был успешно продемонстрирован до 1960 года.Основная технологическая проблема заключалась в контроле и уменьшение поверхностных состояний на границе раздела между оксидом и полупроводником.

Изначально это было возможно только истощить существующий канал n-типа, применив отрицательное напряжение на затворе. Такие устройства имеют токопроводящий канал между истоком и стоком даже когда нет напряжения затвора применяются и называются устройствами «режима истощения».

Уменьшение поверхностных состояний позволило изготавливать устройства. которые не имеют проводящий канал, если не приложено положительное напряжение.Такие устройства упоминаются как «режим улучшения» устройств. Электроны в оксидно-полупроводниковом интерфейсы сосредоточены в тонкий (толщиной ~ 10 нм) «инверсионный» слой. К настоящему времени большинство полевых МОП-транзисторов являются устройствами «улучшенного режима».


В то время как минимальное требование для усиления электрических сигналов составляет усиление мощности , обнаруживается, что Устройство с усилением как по напряжению, так и по току — очень желательная схема элемент.MOSFET обеспечивает коэффициент усиления по току и напряжению, обеспечивающий выходной ток внешней нагрузки, превышающий входной ток и выходное напряжение на этой внешней нагрузке, превышающее входное напряжение.

Коэффициент усиления по току Возможность полевого транзистора (FET) легко объясняется тем, что ток затвора не требуется для поддерживать инверсионный слой и результирующий ток между стоком и источник. Таким образом, устройство имеет бесконечный коэффициент усиления по постоянному току.Текущий прирост обратно пропорциональна частота сигнала, достигающая единичного коэффициента усиления по току на транзитной частоте.

Коэффициент усиления по напряжению полевого МОП-транзистора вызван тем, что ток насыщается при более высоком уровне сток-исток напряжения, так что небольшое изменение тока стока может вызвать большой изменение напряжения стока.


7. 7.2
1 Индивидуальные полевые МОП-транзисторы, которые имеются в продаже. часто выпускается в металлической банке или литой пластиковой упаковке содержат связь между источником и обратным контактом так что контакты истока и стока нельзя легко поменять местами.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *