Mosfet транзистор что такое: MOSFET транзисторы. Устройство, принцип работы и разновидности.

MOSFET транзисторы. Устройство, принцип работы и разновидности.

Полевой транзистор с изолированным затвором

На сегодняшний день, среди достаточного количества разновидностей транзисторов выделяют два класса: p-n – переходные транзисторы (биполярные) и транзисторы с изолированным полупроводниковым затвором (полевые).

Другое название, которое можно встретить при описании полевых транзисторов – МОП (металл – окисел – полупроводник). Обусловлено это тем, что в качестве диэлектрического материала в основном используется окись кремния (SiO₂).

Еще одно, довольно распространенное название – МДП (металл – диэлектрик – полупроводник).

Немного пояснений. Очень часто можно услышать термины MOSFET, мосфет, MOS-транзистор. Данный термин порой вводит в заблуждение новичков в электронике.

Что же это такое MOSFET ?

MOSFET – это сокращение от двух английских словосочетаний: Metal-Oxide-Semiconductor (металл – окисел – полупроводник) и Field-Effect-Transistors (транзистор, управляемый электрическим полем).

Поэтому MOSFET – это не что иное, как обычный МОП-транзистор.

Думаю, теперь понятно, что термины мосфет, MOSFET, MOS, МДП, МОП обозначают одно и тоже, а именно полевой транзистор с изолированным затвором.

Внешний вид одного из широко распространённых мосфетов – IRFZ44N.

Стоит помнить, что наравне с аббревиатурой MOSFET применяется сокращение J-FET (Junction – переход). Транзистор J-FET также является полевым, но управление им осуществляется за счёт применения в нём управляющего p-n перехода. В отличие от MOSFET’а, J-FET имеет немного иную структуру.

Принцип работы полевого транзистора.

Суть работы полевого транзистора заключается в возможности управления протекающим через него током с помощью электрического поля (напряжения). Этим он выгодно отличается от транзисторов биполярного типа, где управление большим выходным током осуществляется с помощью малого входного тока.

Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором.

Взглянем на упрощённую модель полевого транзистора с изолированным затвором (см.

рис.). Поскольку мосфеты бывают с разным типом проводимости (n или p), то на рисунке изображён полевой транзистор с изолированным затвором и каналом n-типа.

Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором

Основу МДП-транзистора составляет:

• Подложка из кремния. Подложка может быть как из полупроводника p-типа, так и n-типа. Если подложка p-типа, то в полупроводнике в большей степени присутствуют положительно заряженные атомы в узлах кристаллической решётки кремния. Если подложка имеет тип n, то в полупроводнике в большей степени присутствуют отрицательно заряженные атомы и свободные электроны. В обоих случаях формирование полупроводника p или n типа достигается за счёт введения примесей.

• Области полупроводника n+

  . Данные области сильно обогащены свободными электронами (поэтому “+”), что достигается введением примеси в полупроводник. К данным областям подключаются электроды истока и стока.

• Диэлектрик. Он изолирует электрод затвора от кремниевой подложки. Сам диэлектрик выполняют из оксида кремния (SiO₂). К поверхности диэлектрика подключен электрод затвора – управляющего электрода.

Теперь в двух словах опишем, как это всё работает.

Если между затвором и истоком приложить напряжение плюсом (+) к выводу затвора, то между металлическим выводом затвора и подложкой образуется поперечное электрическое поле. Оно в свою очередь начинает притягивать к приповерхностному слою у диэлектрика отрицательно заряженные свободные электроны, которые в небольшом количестве рассредоточены в кремниевой подложке.

В результате в приповерхностном слое скапливается достаточно большое количество электронов и формируется так называемый канал –

область проводимости. На рисунке канал показан синим цветом. То, что канал типа n – это значит, что он состоит из электронов. Как видим между выводами истока и стока, и собственно, их областями n+ образуется своеобразный «мостик», который проводит электрический ток.

Между истоком и стоком начинает протекать ток. Таким образом, за счёт внешнего управляющего напряжения контролируется проводимость полевого транзистора. Если снять управляющее напряжение с затвора, то проводящий канал в приповерхностном слое исчезнет и транзистор закроется – перестанет пропускать ток. Следует отметить, что на рисунке упрощённой модели показан полевой транзистор с каналом n-типа. Также существуют полевые транзисторы с каналом p-типа.

Показанная модель является сильно упрощённой. В реальности устройство современного MOS-транзистора гораздо сложнее. Но, несмотря на это, упрощённая модель наглядно и просто показывает идею, которая была заложена в его устройство.

Кроме всего прочего полевые транзисторы с изолированным затвором бывают обеднённого и обогащённого типа. На рисунке показан как раз полевой транзистор обогащённого типа – в нём канал «обогащается» электронами. В мосфете обеднённого типа в области канала уже присутствуют электроны, поэтому он пропускает ток уже без управляющего напряжения на затворе. Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов обеднённого и обогащённого типа существенно различаются.

О различии MOSFET’ов обогащённого и обеднённого типа можно прочесть тут. Там же показано, как различные МОП-транзисторы обозначаются на принципиальных схемах.

Нетрудно заметить, что электрод затвора и подложка вместе с диэлектриком, который находится между ними, формирует своеобразный электрический конденсатор. Обкладками служат металлический вывод затвора и область подложки, а изолятором между этими электродами – диэлектрик из оксида кремния (SiO

2). Поэтому у полевого транзистора есть существенный параметр, который называется ёмкостью затвора.

Об остальных важных параметрах мосфетов я уже рассказывал на страницах сайта.

Полевые транзисторы в отличие от биполярных обладают меньшими собственными шумами на низких частотах. Поэтому их активно применяют в звукоусилительной технике. Так, например, современные микросхемы усилителей мощности низкой частоты для автомобильных CD/MP3-проигрывателей имеют в составе MOSFET’ы. На приборной панели автомобильного ресивера можно встретить надпись “Power MOSFET” или что-то похожее. Так производитель хвастается, давая понять, что он заботится не только о мощности, но и о качестве звука.

Полевой транзистор, в сравнении с транзисторами биполярного типа, обладает более высоким входным сопротивлением, которое может достигать 10 в 9-й степени Ом и более. Эта особенность позволяет рассматривать данные приборы как управляемые потенциалом или по-другому – напряжением. На сегодня это лучший вариант создания схем с достаточно низким потреблением электроэнергии в режиме статического покоя. Данное условие особенно актуально для статических схем памяти имеющих большое количество запоминающих ячеек.

Если говорить о ключевом режиме работы транзисторов, то в данном случае биполярные показывают лучшую производительность, так как падение напряжений на полевых вариантах очень значительно, что снижает общую эффективность работы всей схемы. Несмотря на это, в результате развития технологии изготовления полупроводниковых элементов, удалось избавиться и от этой проблемы. Современные образцы обладают малым сопротивлением канала и прекрасно работают на высоких частотах.

В результате поисков по улучшению характеристик мощных полевых транзисторов был изобретён гибридный электронный прибор – IGBT-транзистор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного. Подробнее о IGBT-транзисторе можно прочесть здесь.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

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 R_DS(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.

R_DS(on). Основные составляющие, которые входят в сопротивление открытого канала R_DS(on), включают сам канал, JFET (аккумулирующий слой), область дрейфа R_drift, паразитные сопротивления (металлизация, соединительные провода, выводы корпуса). При напряжениях приблизительно выше 150V в сопротивлении открытого канала доминирует область дрейфа. Эффект R_DS(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 R_DS(on) от тока через канал.

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

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

Положительный температурный коэффициент R_DS(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 R_DS(on) сопротивление канала растет при повышении температуры.

Для любого заданного размера кристалла R_DS(on) также увеличивается с увеличением допустимого напряжения V_(BR)DSS, как это показано на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость нормализированного R_DS(on) от V_(BR)DSS.

Кривая нормализированного R_DS(on) в зависимости от V_(BR)DSS для Power MOS V и Power MOS 7 MOSFET показывает, что R_DS(on) растет пропорционально квадрату V_(BR)DSS. Эта нелинейная зависимость между R_DS(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 R_DS(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 R_DS(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 R_DS(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.

V_DSS, 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 V_DSS. См. описание V_(BR)DSS в разделе “Статические электрические характеристики”.

V_GS, 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 V_GS, но он варьируется в зависимости от производственных процессов, так что если укладываться в предел V_GS, то это гарантирует надежную работу приложения.

I_D, непрерывный ток стока. I_D определяет максимальный уровень продолжающегося постоянного тока, когда транзистор выходит из строя при максимальной температуре перехода T_J(max), для случая 25°C, и иногда для более высокой температуры. Он основан на термосопротивлении между корпусом и переходом RӨJC, и для случая температуры T_C 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 I²_D X R_DS(on)@T_J(max), где R_DS(on)@T_{J (max)} сопротивление открытого канала при максимальной температуре перехода. Отсюда можно вывести I_D:

Обратите внимание, что в I_D 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 I_D @ TC = 25°C; обычно между 1/4 до 1/3.

Зависимость I_D от T_C. 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.

I_DM, 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 I_DM 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 I_DM, рост температуры зависит от длительности импульса тока, интервала времени между импульсами, интенсивности рассеивания тепла, сопротивления открытого канала R_DS(on), а также и от формы и амплитуды импульса тока. Если просто удержаться в пределах I_DM, 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.

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

Линейный коэффициент снижения мощности это просто инверсия R_ӨJC.

T_J, T_STG: 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.

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

Здесь L величина индуктивности, из которой поступает импульс тока i_D, 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.

E_AR, 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 E_AR 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.

I_AR, 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 BV_DSS) 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 V_DSS, указанное для температуры 25°C. В примере, показанном на рис. 8 при -50°C, напряжение V_(BR)DSS будет составлять 90% от максимально допустимого V_DSS, указанного для температуры 25°C. 

Рис. 8. Нормализованная зависимость напряжения пробоя от температуры. 

V_GS(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 V_GS(th) транзистор MOSFET начинает проводить ток через канал сток-исток. Для параметра V_GS(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 V_GS(th) указывается диапазон (минимум и максимум), в который должны попасть все устройства указанного типа. Как уже обсуждалось ранее в разделе “На что влияет температура”, V_GS(th) имеет отрицательный температурный коэффициент. Это значит, что с увеличением нагрева MOSFET откроется при более низком напряжении затвор-исток. 

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

I_DSS, 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 I_DSS указывается для комнатной температуры и для нагретого состояния. Потери мощности из-за тока утечки I_DSS через канал сток-исток обычно незначительны. 

I_GSS, 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 C_gs и C_gd меняются в зависимости от приложенного к ним напряжений, потому что они затрагивают обедненные слои в устройстве [8]. Однако на C_gs намного меньше меняется напряжение в сравнении с C_gd, так что емкость C_gs изменяется меньше. Изменение C_gd 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 C_gd, тем будет меньше влияние на схему управления при перепаде напряжения при включении транзистора. Также емкости C_gs и C_gd формируют емкостный делитель напряжения, и при большом соотношении C_gs к C_gd 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. 

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

C_oss — 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 C_ds (емкость сток-исток) и C_gd (емкость затвор-сток):

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

C_rss, 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.

Q_gs, Q_gd и Q_g, 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 Q_gs заряжается от начала координат до первого перегиба и далее заряжается до второго перегиба кривой (этот заряд известен как заряд Миллера), и Q_g является зарядом от начала координат до точки, где V_GS равно указанному управляющему напряжению затвора. 

Рис. 12. V_GS 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 V_GS(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. 

t_d(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.

t_d(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.

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

t_f, 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. 

E_on, 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. 

E_off, 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. E_off 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]

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

Z_ƟJC, 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 R_ƟJC.

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 V_DSS. 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 R_DS(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 E_on будет около 300 μJ, и E_off 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 E_on 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 E_on = 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 Q_G. Q_G 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 V_GS поставляет заряд, также и напряжение сток-исток V_DS 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 I_D 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 Q_G.

[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 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.

Как проверить полевой МОП (Mosfet) – транзистор цифровым мультиметром – Интернет-журнал “Электрон” Выпуск №5

В этой статье я расскажу вам, как проверить полевой транзистор с изолированным затвором, то есть МОП-транзистор. Это вторая часть статьи по проверки полевых транзисторов. В первой части я рассказывал, как проверить транзистор с управляющим p-n переходом.

Да, полевые транзисторы с управляющим p-n переходом уходят в прошлое, а сейчас в современных схемах применяются более совершенные полевые транзисторы с изолированным затвором. Тогда предлагаю научиться их проверять.

Но для того, что бы понять, как проверить полевой транзистор, давайте я вам в двух словах расскажу, как он устроен.

Полевой транзистор с изолированным затвором мы знаем под более привычным названием МОП -транзистор (метал -окисел-полупроводник), МДП -транзистор(метал -диэлектрик-полупроводник), либо в английском варианте MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor)

Эти аббревиатуры вытекают из структуры построения транзистора. А именно.

Структура полевого MOSFET транзистора.

Для создания МОП-транзистора берется подложка, выполненная из p-полупроводника, где основными носителями заряда являются положительные заряды, так называемые дырки. На рисунке вы видите, что вокруг ядра атома кремния вращаются электроны, обозначенные белыми шариками.

Когда электрон покидает атом, в этом месте образуется «дырка» и атом приобретает положительный заряд, то есть становиться положительным ионом. Дырки на модели обозначены, как зеленые шарики.

На p-подложке создаются две высоколегированные n-области, то есть области с большим количеством свободных электронов. На рисунке эти свободные электроны обозначены красными шариками.

Свободные электроны свободно перемещаются по n-области. Именно они впоследствии и будут участвовать в создании тока через МДП-тназистор.

Пространство между двумя n-областями, называемое каналом покрывается диэлектриком, обычно это диоксид кремния.

Над диэлектрическим слоем располагают металлический слой. N-области и металлический слой соединяют с выводами будущего транзистора.

Выводы транзистора называются исток, затвор и сток.

Ток в МОП-транзисторе течет от истока через канал к стоку. Для управления этим током служит изолированный затвор.

Однако если подключить напряжение между истоком и стоком, при отсутствии напряжения на затворе ток через транзистор не потечет, потому что на его пути будет барьер из p-полупроводника.

Если подать на затвор положительное напряжение, относительно истока, то возникающее электрическое поле будет к области под затвором притягивать электроны и выталкивать дырки.

По достижению определенной концентрации электронов под затвором, между истоком и стоком создается тонкий n-канал, по которому потечет ток от истока к стоку.

Следует сказать, что ток через транзистор можно увеличить, если подать больший потенциал напряжения на затвор. При этом канал становиться шире, что приводит к увеличению тока между истоком и стоком.

МДП-транзистор с каналом p-типа имеет аналогичную структуру, однако подложка в таком транзисторе выполнена из полупроводника n-типа, а области истока и стока из высоколегированного полупроводника p-типа.

В таком полевом транзисторе основными носителями заряда являются положительные ионы (дырки). Для того, что бы открыть канал в полевом транзисторе с каналом p-типа необходимо на затвор подать отрицательный потенциал.

 

Проверка полевого MOSFET транзистора цифровым мультиметром

Для примера возьмем полевой МОП-транзистор с каналом n-типа IRF 640. Условно-графическое обозначение такого транзистора и его цоколевку вы видите на следующем рисунке.

Перед началом проверки транзистора замкните все его выводы между собой, что бы снять возможный заряд с транзистора.

Проверка встроенного диода

Для начал следует подготовить мультимер и перевести его в режим проверки диодов. Для этого переключатель режимов/пределов установите в положение с изображением диода.

В этом режиме мультиметр при подключении диода в прямом направлении (плюс прибора на анод, минус прибора на катод) показывает падение напряжения на p-n переходе диода. При включении диода в обратном направлении мультиметр показывает «1».

Итак, подключаем щупы мультиметра, как было сказано выше, в прямом включении диода. Таким образом, красный шум (+) подключаем на исток, а черный (-) на сток.

Мультиметр должен показать падение напряжение на переходе порядка 0,5-0,7.

Меняем полярность подключения встроенного диода, при этом мультиметр, при исправности диода покажет «1».

Проверка работы полевого МОП транзистора

Проверяемый нами МОП-транзистор имеет канал n-типа, поэтому, что бы канал стал электропроводен необходимо на затвор транзистора относительно истока либо стока подать положительный потенциал. При этом электроны из подложки переместятся в канал, а дырки будут вытолкнуты из канала. В результате канал между истоком и стоком станет электропроводен и через транзистор потечет ток.

Для открытия транзистора будет достаточно напряжения на щупах мультиметра в режиме прозвонки диодов.

Поэтому черный (отрицательный) щуп мультиметра подключаем на исток (или сток), а красным касаемся затвора.

Если транзистор исправен, то канал исток-сток станет электропроводным, то есть транзистор откроется.

Теперь если прозвонить канал исток-сток, то мультиметр покажет какое-то значение падение напряжения на канале, в виду того, что через транзистор потечет ток.

Таким образом черный щуп транзистора ставим на исток, а красный на сток и мультиметр покажет падение напряжение на канале.

 

Если поменять полярность щупов, то показания мультиметра будут примерно одинаковыми.

Что бы закрыть транзистор достаточно относительно истока на затвор подать отрицательный потенциал.

Следовательно, подключаем положительный (красный) щуп мультиметра на исток, а черным касаемся затвор.

При этом исправный транзистор закроется. И если после этого прозвонить канал исток-сток, то мультиметр покажет лишь падение напряжения на встроенном диоде.

Если транзистор управляется напряжением с мультиметра (то есть открывается и закрывается), значит можно сделать вывод, что транзистор исправен.

Проверка полевого МОП – транзистора с каналом p-типа осуществляется подобным образом. За тем исключением, что во всех пунктах проверки полярность подключения щупов меняется на противоположную.

Более подробно и просто всю методику проверки полевого транзистора я изложил в следующем видеоуроке:

IRFP260MPBF, Транзистор MOSFET N-канал Si 200В 50А [TO-247АC], Infineon

Максимальная рабочая температура	+175 °C
Максимальный непрерывный ток стока	50 A
Тип корпуса	TO-247AC
Максимальное рассеяние мощности	300 Вт
Тип монтажа	Монтаж на плату в отверстия
Ширина	5.2мм
Высота	21.1мм
Размеры	16.13 x 5.2 x 21.1мм
Материал транзистора	Кремний
Количество элементов на ИС	1
Длина	16.13мм
Transistor Configuration	Одинарный
Типичное время задержки включения	17 нс
Производитель	Infineon
Типичное время задержки выключения	55 нс
Серия	HEXFET
Минимальная рабочая температура	-55 °C
Maximum Gate Threshold Voltage	4V
Minimum Gate Threshold Voltage	2V
Максимальное сопротивление сток-исток	40 мΩ
Максимальное напряжение сток-исток	200 В
Число контактов	3
Категория	Мощный МОП-транзистор
Типичный заряд затвора при Vgs	234 нКл при 10 В
Номер канала	Поднятие
Типичная входная емкость при Vds	4057 пФ при 25 В
Тип канала	N
Максимальное напряжение затвор-исток	-20 В, +20 В
Вес, г	7.5

Mosfet транзисторы принцип работы

Что такое МОП-транзистор, принцип работы, типы, на схеме, преимущества недостатки

МОП-транзистор (полевой транзистор на основе оксидов металлов и полупроводников) является наиболее широко используемым типом полевых транзисторов с изолированным затвором. Они используются в различных приложениях благодаря простым рабочим явлениям и преимуществам по сравнению с другими полевыми транзисторами. 

Что такое МОП-транзистор

Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor (Металлооксидные полевые транзисторы) сокращается как МОП-транзистор. Это униполярный транзистор, используемый в качестве электронного переключателя и для усиления электронных сигналов. Устройство имеет три терминала, состоящих из истока, затвора и стока. Помимо этих клемм имеется подложка, обычно называемая корпусом, которая всегда подключается к клемме источника для практических применений.

В последние годы его открытие привело к доминирующему использованию 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 захватывая весь входной сигнал.

Принцип работы МОП-транзистора (MOSFET)

Он изготовлен путем окисления кремниевых подложек. Он работает путем изменения ширины канала, через который происходит движение носителей заряда (электронов для N-канала и дырок для P-канала) от источника к стоку. Терминал затвора изолирован, напряжение которого регулирует проводимость устройства.

Типы МОП-транзистора (MOSFET)

На основе режима эксплуатации МОП-транзисторы можно разделить на два типа.

• Режим насыщения
• Режим истощения

Режим насыщения

В этом режиме отсутствует проводимость при нулевом напряжении, что означает, что оно по умолчанию закрыто или «ВЫКЛ», так как канал отсутствует. Когда напряжение затвора увеличивается больше, чем напряжение источника, носители заряда (дырки) смещаются, оставляя позади электроны, и, таким образом, устанавливается более широкий канал.

Напряжение на затворе прямо пропорционально току, то есть с увеличением напряжения на затворе ток увеличивается и наоборот.

Классификация режима насыщения МОП- транзисторов

Усовершенствованные МОП-транзисторы можно классифицировать на два типа в зависимости от типа используемого легированного субстрата (n-типа или p-типа).

• N-канальный тип насыщения MOSFET
• P-канальный тип насыщения MOSFET

N-канальный тип насыщения MOSFET

• Слегка легированная субстрат P-типа образует корпус устройства, а исток и сток сильно легированы примесями N-типа.
• N-канал имеет электроны в качестве основных носителей.
• Подаваемое напряжение затвора положительно для включения устройства.
• Он имеет более низкую собственную емкость и меньшую площадь соединения из-за высокой подвижности электронов, что позволяет ему работать на высоких скоростях переключения.
• Он содержит положительно заряженные примеси, что делает преждевременным включение полевых МОП-транзисторов с N-каналом.
• Сопротивление дренажу низкое по сравнению с P-типом.

P-канальный тип насыщения MOSFET

• 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 малую подвижность отверстий, что делает его работающим при низкой скорости переключения по сравнению с N-типом.
• Подаваемое напряжение затвора является отрицательным для включения устройства.
• Водостойкость выше по сравнению с N-типом.

Режим истощения

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 насыщения, здесь канал лишен носителей заряда, чтобы уменьшить ширину канала.

Напряжение на затворе обратно пропорционально току, т. Е. С увеличением напряжения на затворе ток уменьшается.

Классификация режима истощения МОП-транзисторов

Истощающие МОП-транзисторы могут быть классифицированы на два типа в зависимости от типа используемого легированного субстрата (n-типа или p-типа).

• Тип истощения канала N МОП-транзистор
• Тип истощения канала P МОП-транзистор

Тип истощения канала N МОП-транзистор

• Полупроводник P-типа образует подложку, а исток и сток сильно легированы примесями N-типа.
• Применяемое напряжение на затворе отрицательное.
• Канал обеднен свободными электронами.

Тип канала истощения канала MOSFET

• Полупроводник N-типа образует подложку, а исток и сток сильно легированы примесями N-типа.
• Поданное напряжение затвора положительное.
• Канал обеднен свободными отверстиями.

Символ на схеме разных типов МОП-транзистора (MOSFET)

Символы различных типов МОП-транзисторов изображены ниже.

Применение МОП-транзистора

• Усилители MOSFET широко используются в радиочастотных приложениях.
• Он действует как пассивный элемент, такой как резистор, конденсатор и индуктор.
• Двигатели постоянного тока могут регулироваться силовыми полевыми МОП-транзисторами.
• Высокая скорость переключения MOSFET делает его идеальным выбором при проектировании цепей прерывателей.

Преимущества МОП-транзистора

• МОП-транзисторы обеспечивают большую эффективность при работе при более низких напряжениях.
• Отсутствие тока затвора приводит к высокому входному импедансу и высокой скорости переключения.
• Они работают при меньшей мощности и не потребляют ток.

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.

Транзистор полевой

В современной цифровой электронике, транзисторы работают, как правило — в ключевом (импульсном) режиме: открыт-закрыт. Для таких режимов оптимально подходят – полевые транзисторы. Название «полевой» происходит от “электрическое поле”. Это значит, что они управляются полем, которое образует напряжение, приложенное к управляющему электроду. Другое их название – униполярный транзистор. Так подчеркивается, что используются только одного типа носители заряда (электроны или дырки), в отличии от классического биполярного транзистора. “Полевики” по типу проводимости канала и типу носителей бывают двух видов: n-канальный – носители электроны и p-канальный – носители дырки. Транзистор имеет три вывода: исток, сток, затвор.

исток (source) — электрод, из которого в канал входят (истекают) носители заряда, источник носителей. В традиционной схеме включения, цепь истока n-канального транзистора подключается к минусу питания, p-канального — к плюсу питания.

сток (drain) — электрод, через который из канала выходят (стекают) носители заряда. В традиционной схеме включения, цепь стока n-канального транзистора подключается к плюсу питания, p-канального — к минусу питания.

затвор (gate) —  управляющий электрод, регулирует поперечное сечения канала и соответственно ток протекающий через канал. Управление происходит напряжением между затвором и истоком – Vgs.

Полевые транзисторы бывают двух основных видов: с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором. С изолированным затвором делятся на: с встроенным и индуцированным каналом. На рис.1  изображены типы полевых транзисторов и их обозначения на схемах.

Рис.1. Типы полевых транзисторов и их схематическое обозначение. 

“Полевик” с изолированным затвором и индуцированным каналом

Нас интересуют транзисторы Q5 и Q6. Именно они используются в цифровой и силовой электронике. Это полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом. Их называют МОП (метал-оксид-полупроводник) или МДП (метал-диэлектрик-полупроводник) транзисторами. Английское название MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor). Таким названием подчеркивается, что затвор отделен слоем диэлектрика от проводящего канала. Жаргонные названия: “полевик”, “мосфет”, “ключ”.

Индуцированный канал — означает, что проводимость в нем появляется, канал индуцируется носителями (открывается транзистор) только при подаче напряжения на затвор. В отличии от транзисторов Q3 и Q4 которые тоже МОП транзисторы, но со встроеным каналом, канал всегда открыт, даже при нулевом напряжении на затворе. Схематически, разница между этими двумя типами транзисторов на схемах обозначается сплошной (встроенный) или пунктирной (индуцированный) линией канала. Другое название индуцированного канала – обогащенный, встроенного – обеднённый.

Обратный диод

Технология изготовления МОП транзисторов такова, что образуются некоторые паразитные элементы, в частности биполярный транзистор, включенный параллельно силовым выводам. См. рис.2. Он оказывает негативное влияние на характеристики транзистора, поэтому технологической перемычкой замыкают вывод истока с подложкой (замыкают переход: база-эмиттер, паразитного транзистора), а оставшийся переход: коллектор-база, образует диод, включенный параллельно стоку-истоку, в направлении обратном протеканию тока (в классической схеме включения). Параметры этого диода производители уже могут контролировать, поэтому он не оказывает существенного влияния на работу транзистора. И даже наоборот, его наличие специально используется в некоторых схематических решениях.

Именно этот диод (стабилитрон) обозначается на схематическом изображении МОП транзистора, а технологическая перемычка показана стрелкой соединенной с истоком. Существуют и транзисторы без технологической перемычки, на их условном обозначения нет стрелкой.

В зависимости от модели транзистора, диод может быть, как и штатный – паразитный, низкочастотный, так и специально добавленный, с заданными характеристиками (высокочастотный или стабилитрон). Это указывается в документации к транзистору.

Рис.2. Паразитные элементы в составе полевого транзистора. 

 Основные преимущества MOSFET 

• меньшее потребление, высокий КПД. Транзисторы управляются напряжением, и в статике не потребляют ток управления.
• простая схема управления.  Схемы управления напряжением более просты, чем схемы управления током.
• высокая скорость переключения. Отсутствуют неосновные носители. Следовательно не тратится время на их рассасывание. Частота работы сотни и тысячи килогерц
• повышеная теплоустойчивость. С ростом температуры растет сопротивление канала, следовательно понижается ток, а это приводит к понижению температуры. Происходит саморегуляция.

Основные характеристики MOSFET

• Vds(max) – максимальное напряжение сток-исток в закрытом состоянии транзистора
• Rds(on) – активное сопротивление канала в открытом состоянии транзистора. Этот параметр указывают для определенных значений Vgs 10В или 4.5В  или 2.5 В при которых сопротивление становится минимальным.
• Vgs(th) –  пороговое напряжение при котором транзистор начнет открываться. 
• Ids – максимальный постоянный ток через транзистор.
• Ids(Imp) – импульсный (кратковременный) ток, который выдерживает транзистор.
• Ciss, Crss, Coss – емкость затвор-исток (input), затвор-сток (reverse), сток-исток(output).
• Qg – заряд который необходимо передать затвору для переключения.
• Vgs(max) – максимальное допустимое напряжение затвор-исток.
• t(on), t(of) – время переключения транзистора.
• характеристики обратного диода сток-исток ( максимальный ток, падение напряжения, время восстановление)

Что еще нужно знать про полевой транзистор?

P-канальные транзисторы имеют хуже характеристики чем N-канальные. Меньше рабочая частота, больше сопротивление, больше площадь кристалла. Они реже используются и выпускаются в меньшем ассортименте. 

МОП транзистор — потенциальный прибор и управляется напряжением (потенциалом), затвор отделен слоем диэлектрика , по сути это конденсатор и через него не протекает постоянный ток, поэтому он не потребляет ток управления в статике, но во время переключения требуется приличный ток для заряда-разряда емкости.

МОП транзистор имеет хоть и не большое, но активное сопротивление в открытом состоянии Rds. Это сопротивление уменьшается с ростом отпирающего напряжения и становится минимальным при определенном напряжении затвор-исток, 4.5В или 10В. По сути – это резистор, сопротивление которого управляется напряжением Vgs.

Vgs – управляющее напряжение, Vg-Vs. Если измерять относительно общего минуса, то: для n канального Vgs>0, для p канального Vgs<0 (красный провод вольтметра на затвор, черный на исток). У силовых транзисторов управляющее напряжение, при котором будет минимальное сопротивление – 10 вольт и больше. У низковольтных “полевиков”, которые управляются логическими уровнями микросхем, оно составляет 4.5 вольт или 2.5В , для разных транзисторов. Общее правило: чем выше напряжение – тем транзистор лучше откроется, но это напряжение не должно превышать масимально допустимого Vgs(max).

Схема включения MOSFET

Традиционная, классическая схема включения “мосфет”, работающего в режиме ключа (открыт-закрыт), приведена на рис 3. Это схема, с общим истоком. Она наиболее распространена, легка в реализации и имеет самый простой способ управления транзистором. 

Нагрузку включают в цепь стока. Встроенный диод, оказывается включенным в обратном направлении и ток через него не протекает.  

Для n-канального: исток на землю, сток через нагрузку к плюсу. Тогда для его открытия, на  затвор нужно подать положительное напряжение, подтянуть к плюсу питания. При работе от ШИМ (широтно импульсный модулятор), открывать его будет положительный импульс. 

Для p-канального: исток на плюс питания, сток через нагрузку на землю. Тогда для его открытия, на затвор нужно подать отрицательное напряжение, подтянуть к минусу питания (земле). При управлении от ШИМ, открывающим будет – отрицательный импульс (отсутствие импульса).

Рис. 3. Классическая схема включения MOSFET в ключевом режиме.

МОП транзистор, в открытом состоянии, будет пропускать ток как от истока к стоку, так и от стока к истоку. Также и нагрузку можно включать как в цепь стока, так и истока. Но при «нестандартном» включении, усложняется управление транзистором, так для n-канального может потребоваться, напряжение выше питания, а для p-канального – отрицательное напряжение ниже земли (двухполярное питание).

МОП транзисторы, используемые в цифровой электронике, делятся на два типа. 

1. Мощные силовые – используются в импульсных преобразователях напряжения и в цепях питания. 
2. Транзисторы логического уровня – используются как ключи, коммутируют различные сигналы и управляются микросхемами.

Транзисторы бывают в разных корпусах, с разным количеством выводов, часто в одном корпусе объединяют два транзистора.

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 3 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

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 в котором 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.

Диоксид кремния образует затвор МОП-транзистора. Он используется для обеспечения изоляции путем предотвращения прямого попадания зарядов на затвор в проводящий канал.

Структура полевого МОП-транзистора

МОП-транзистор на сегодняшний день 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. Ниже приведены различные типы полевых МОП-транзисторов:

.

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

Структура устройства MOSFET

Это четырехконтактное устройство с выводами истока (S), стока (D), затвора (G) 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 создают силу 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 – это сильно легированная 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 течет 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.

В чем разница между MOSFET и BJT?

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

27.02.2020 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) – это 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 быть либо в режиме увеличения, либо в режиме 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, среди 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 сути 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. К ним относятся 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)

MOSFET – Встроенный Artistry

МОП-транзистор, показывающий клеммы затвора (G), корпуса (B), истока (S) и стока (D).Ворота отделены от корпуса изоляционным слоем (розового цвета).

Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник ( MOSFET , MOS-FET или MOS FET ), также известный как транзистор металл-оксид-кремний (MOS-транзистор или MOS ), представляет собой тип полевого транзистора, который изготавливается путем контролируемого окисления полупроводника, обычно кремния. Он имеет закрытый затвор, напряжение которого определяет проводимость устройства.Эта способность изменять проводимость в зависимости от приложенного напряжения может использоваться для усиления или переключения электронных сигналов. MOSFET был изобретен египетским инженером Мохамедом М. Аталлой и корейским инженером Давоном Кангом в Bell Labs в ноябре 1959 года. Это основной строительный блок современной электроники и наиболее широко производимое устройство в истории, общая стоимость которого оценивается в 13 секстиллионов ( 1,3 × 10 ²² ) МОП-транзисторы, произведенные в период с 1960 по 2018 год.

МОП-транзистор на сегодняшний день является наиболее распространенным полупроводниковым устройством в цифровых и аналоговых схемах.Это был первый по-настоящему компактный транзистор, который можно было миниатюризировать и массово производить для широкого круга применений, что произвело революцию в электронной промышленности и, в свою очередь, в мировой экономике, поскольку он сыграл центральную роль в компьютерной революции, цифровой революции, информационной революции, эпохе кремния и т. Д. информационный век. МОП-транзисторы позволяют использовать интегральные схемы (ИС) высокой плотности, такие как микросхемы памяти и микропроцессоры, и являются наиболее распространенными устройствами питания. МОП-транзисторы используются во многих приложениях, таких как компьютеры, мобильные устройства, силовая электроника, телекоммуникации, источники питания, радиочастотные усилители, усилители звука, музыкальные инструменты, дисплеи, телевидение, датчики, автомобили, Интернет, беспроводные мобильные сети, домашние развлечения, видео. игры, промышленное оборудование, часы, калькуляторы, рентгеновские лучи, космические аппараты и спутники, среди прочего.MOSFET считается, возможно, самым важным изобретением в электронике, и USPTO называет его «революционным изобретением, которое изменило жизнь и культуру во всем мире».

Ключевым преимуществом полевого МОП-транзистора является то, что он почти не требует входного тока для управления током нагрузки по сравнению с биполярными транзисторами (транзисторами с биполярным переходом или BJT). В режиме улучшения MOSFET напряжение, приложенное к выводу затвора, может увеличить проводимость из состояния «нормально выключено».В режиме истощения MOSFET напряжение, приложенное к затвору, может снизить проводимость от «нормально включенного» состояния. MOSFET-транзисторы также обладают высокой масштабируемостью (закон Мура и масштабирование Деннарда) с увеличением миниатюризации и могут быть легко масштабированы до меньших размеров. Они также потребляют гораздо меньше энергии и имеют более высокую плотность, чем биполярные транзисторы. MOSFET также дешевле и имеет относительно простые этапы обработки, что приводит к высокой производительности. Поскольку полевые МОП-транзисторы могут быть изготовлены с полупроводниками p-типа или n-типа (логика PMOS или NMOS соответственно), дополнительные пары МОП-транзисторов могут использоваться для создания схем переключения с очень низким энергопотреблением в форме КМОП (дополнительных МОП-транзисторов). ) логика.

Название «металл – оксид – полупроводник» (МОП) обычно относится к металлическому затвору, оксидной изоляции и полупроводнику (обычно кремнию). Однако «металл» в названии MOSFET иногда используется неправильно, потому что материал затвора также может быть слоем поликремния (поликристаллического кремния). Наряду с оксидом можно использовать различные диэлектрические материалы с целью получения прочных каналов с меньшими приложенными напряжениями. Конденсатор MOS также является частью структуры MOSFET.

Поперечное сечение полевого МОП-транзистора, когда напряжение затвора В, , _{, GS} , ниже порогового значения для создания проводящего канала; между выводами сток и исток мало или отсутствует проводимость; выключатель выключен.Когда затвор более положительный, он притягивает электроны, создавая проводящий канал типа n в подложке под оксидом, что позволяет электронам течь между выводами, легированными n ; переключатель включен. Моделирование формирования канала инверсии (электронной плотности) и достижения порогового напряжения (IV) в полевом МОП-транзисторе с нанопроволокой. Примечание: пороговое напряжение для этого устройства составляет около 0,45 В.

МОП-транзисторы – Espruino

МОП-транзистор (металл-оксидно-полупроводниковый полевой транзистор) представляет собой полупроводниковое устройство, которое можно использовать в качестве твердотельного переключателя.Они полезны для управления нагрузками, которые потребляют больше тока или требуют более высокого напряжения, чем может обеспечить вывод GPIO. В выключенном состоянии полевые МОП-транзисторы не проводят ток, в то время как во включенном состоянии они имеют чрезвычайно низкое сопротивление – часто измеряемое в миллиомах. МОП-транзисторы можно использовать только для переключения нагрузок постоянного тока.

Полевые МОП-транзисторы

имеют три контакта: исток, сток и затвор. Исток подключается к земле (или положительному напряжению в p-канальном MOSFET), сток подключается к нагрузке, а затвор подключается к выводу GPIO на Espruino.Напряжение на затворе определяет, может ли ток течь от стока к нагрузке – ток не течет к затвору или от затвора (в отличие от транзистора с биполярным переходом) – это означает, что если затвору разрешено плавать, полевой транзистор может повернуться включены или выключены в ответ на окружающие электрические поля или очень слабые токи. В качестве демонстрации, можно подключить полевой МОП-транзистор обычным образом, за исключением того, что ничего не подключить к контакту затвора, а затем коснуться затвора, удерживая либо землю, либо положительное напряжение – даже через сопротивление вашего тела вы можете включать и выключать полевой транзистор! Чтобы гарантировать, что полевой МОП-транзистор остается выключенным, даже если вывод не подключен (например, после сброса Espruino), между затвором и истоком можно разместить понижающий резистор.

MOSFET переключают только ток, протекающий в одном направлении; у них есть диод между истоком и стоком в другом направлении (другими словами, если сток (на N-канальном устройстве) падает ниже напряжения на истоке, ток будет течь от истока к стоку). Этот диод, «основной диод», является следствием производственного процесса. Его не следует путать с диодом, который иногда помещают между стоком и источником питания нагрузки – он отдельный и должен быть включен при возбуждении индуктивной нагрузки.

Если не указано иное, в этом разделе предполагается использование полевого МОП-транзистора с N-канальным расширением.

N-канал против P-канала

В N-канальном MOSFET исток соединен с землей, сток – с нагрузкой, и полевой транзистор включается, когда на затвор подается положительное напряжение. С N-канальными MOSFET проще работать, и они являются наиболее часто используемым типом. Их также проще производить, и, следовательно, они доступны по более низким ценам с более высокими характеристиками, чем полевые МОП-транзисторы с каналом p-типа.

В P-канальном MOSFET источник подключен к положительному напряжению, и полевой транзистор включается, когда напряжение на затворе ниже напряжения источника на определенную величину (Vgs <0). Это означает, что если вы хотите использовать МОП-транзистор с P-каналом для переключения напряжений выше 5 В, вам понадобится другой транзистор (какой-либо), чтобы включать и выключать его.

Выбор полевых МОП-транзисторов

Напряжение затвор-исток (Vgs) Одной из наиболее важных характеристик является напряжение, необходимое для полного включения полевого транзистора.Это не пороговое напряжение – это напряжение, при котором он впервые начинает включаться. Поскольку Espruino может выводить только 3,3 В, для простейшего подключения нам нужна деталь, обеспечивающая хорошую производительность с приводом затвора 3,3 В. К сожалению, не так много полевых МОП-транзисторов в удобных сквозных корпусах, которые будут работать с приводом с затвором 3,3 В. IRF3708PBF – хороший выбор в большом корпусе TO-220 – его текущая пропускная способность достаточна практически для любых целей, даже на 3.3в на воротах. Для более низкого тока возможен вариант 5LN01SP-AC от On Semiconductor; он поставляется в корпусе TO-92 и может выдерживать ток до 100 мА.

В таблицу данных для полевого МОП-транзистора обычно включается график, показывающий свойства в открытом состоянии при различных напряжениях затвора. Ключевая спецификация здесь обычно представлена ​​в виде графика зависимости тока стока (Id) от напряжения сток-исток (Vds – это падение напряжения на полевом МОП-транзисторе) с несколькими линиями для разных напряжений затвора. Для примера IRF3708PBF этот график представлен на Рисунке 1.Обратите внимание, что при Id 10 ампер падение напряжения (Vds) едва превышает 0,1 В с приводом затвора 3,3 В, и едва ли можно различить линии для напряжений 3,3 В и выше.

Существует множество низковольтных полевых МОП-транзисторов, доступных в корпусах для поверхностного монтажа с отличными характеристиками, часто по очень низким ценам. Популярный корпус SOT-23 можно припаять к области прототипирования SMD Espruino, как показано на рисунках ниже, или использовать с одной из многих недорогих коммутационных плат, доступных на eBay и у многих поставщиков электроники.

Непрерывный ток Убедитесь, что номинальный постоянный ток детали достаточен для нагрузки – многие детали имеют как пиковый, так и длительный ток, и, естественно, первое часто является основной спецификацией.

Напряжение сток-исток (Vds) Это максимальное напряжение, которое может переключать полевой МОП-транзистор.

Максимальное напряжение затвор-исток (Vgs) Это максимальное напряжение, которое может быть приложено к затвору. Это особенно актуально в случае, когда полевой МОП-транзистор с p-каналом переключает довольно высокое напряжение, когда вы понижаете напряжение с помощью другого транзистора или полевого транзистора, чтобы включить его.

Распиновка

На них показана распиновка типичных МОП-транзисторов TO-220 и SOT-23. Однако ВСЕГДА сверяйтесь с таблицей данных перед тем, как что-либо подключать, на случай, если вы обнаружите, что используете нестандартную деталь.

Подключение

N-канал:

Espruino используется для переключения нагрузки 100 Вт с помощью IRF3708. Обратите внимание на резистор 10 кОм между затвором и истоком. Нагрузка представляет собой светодиодную матрицу мощностью 100 Вт 660 нм, которая потребляет ~ 3,8 А (согласно спецификации) при напряжении 22 В (больше похоже на 85 Вт) – это за гранью изображения (довольно яркое).

Здесь показаны два N-канальных полевых МОП-транзистора в области прототипирования для поверхностного монтажа на Espruino, один в SOT-23 (справа), а другой в SOIC-8 (слева). Обратите внимание, что дорожки между контактными площадками SMD и контактами на Espruino довольно тонкие, поэтому их не следует использовать для токов, намного превышающих ампер.

P-канал:

Здесь показан N-канальный MOSFET, используемый для включения P-канального MOSFET – эта конфигурация полезна, когда вам нужно переключить верхнюю сторону цепи, питаемой чем-то выше 5 вольт – в этом примере предполагается, что VBat Espruino является источником питания. источник.

Схема

На этих схемах показано несколько общих конфигураций полевых МОП-транзисторов, которые будут использоваться с Espruino. Точные значения резисторов не важны; резистор с более высоким номиналом будет работать нормально (и может быть желательным, когда потребление энергии вызывает особую озабоченность). Как видно ниже, использование полевого МОП-транзистора с P-каналом для переключения напряжений выше 5 В требует более сложной схемы. Это не тот случай, когда используется N-канальный MOSFET для переключения высокого напряжения; поскольку источник заземлен, затвор не должен подниматься до переключаемого напряжения, как это происходит в P-канальном MOSFET, где источником является положительное напряжение.

МОП-транзисторы и реле

• МОП-транзисторы практически не потребляют мощность, в то время как реле потребляют значительную мощность при включении.
МОП-транзисторы
• могут работать с ШИМ. Реле не могут.
Для полевых МОП-транзисторов
• требуется общая земля (или питание для p-канала), в то время как реле полностью изолируют приводимую цепь.
МОП-транзисторы
• могут переключать только нагрузки постоянного тока, в то время как реле, будучи изолированными, могут также переключать переменный ток.

МОП-транзисторы и биполярные переходные транзисторы

• МОП-транзисторы управляются напряжением, а не током.Ток затвора пренебрежимо мал, тогда как базовый ток BJT не пренебрежимо мал.
МОП-транзисторы
• часто имеют меньшее падение напряжения во включенном состоянии.
МОП-транзисторы
• включатся сами собой, если затвору разрешено плавать, транзисторам BJT требуется ток, поэтому они не будут.
МОП-транзисторы
• часто бывают более дорогими и исторически более уязвимы к статическим повреждениям.

Режим улучшения против режима истощения

Большинство используемых полевых МОП-транзисторов являются так называемыми устройствами расширенного режима, и вышеупомянутая запись предполагает использование полевого МОП-транзистора в расширенном режиме.Опять же, в режиме улучшения MOSFET, когда затвор находится под тем же напряжением, что и источник (Vgs = 0), MOSFET не проводит.

В режиме истощения MOSFET, когда Vgs = 0, MOSFET включен, и на затвор должно быть подано напряжение, чтобы остановить проводимость. Подаваемое напряжение противоположно тому, которое включило бы MOSFET в режиме улучшения, поэтому для N-канального MOSFET в режиме улучшения необходимо приложить отрицательное напряжение, чтобы выключить его.

Покупка

Эта страница автоматически создается на GitHub.Если вы заметите ошибки или у вас есть предложения, сообщите нам об этом.

Введение в MOSFET | Режим истощения и улучшения, приложения

В этом руководстве мы кратко познакомимся с MOSFET, то есть с полевым транзистором на основе оксида металла и полупроводника. Мы узнаем о различных типах полевых МОП-транзисторов (улучшение и истощение), его внутренней структуре, примере схемы, использующей полевой МОП-транзистор в качестве переключателя, и нескольких общих приложениях.

Введение

Транзисторы – изобретение, изменившее мир.Это полупроводниковые устройства, которые действуют как электрически управляемый переключатель или как усилитель сигнала. Транзисторы бывают разных форм, размеров и конструкций, но, по сути, все транзисторы относятся к двум основным семействам. Это:

• Биполярные переходные транзисторы или BJT
• Полевые транзисторы или полевые транзисторы

Чтобы узнать больше об основах транзисторов и их истории, прочтите руководство «Введение в транзисторы».

Есть два основных различия между BJT и FET.Первое отличие состоит в том, что в BJT за проводимость тока отвечают как основные, так и неосновные носители заряда, тогда как в полевых транзисторах задействованы только основные носители заряда.

Другое и очень важное отличие состоит в том, что BJT по сути является устройством, управляемым током, что означает, что ток на базе транзистора определяет величину тока, протекающего между коллектором и эмиттером. В случае полевого транзистора напряжение на затворе (терминал в полевом транзисторе, эквивалентный базовому в BJT) определяет ток, протекающий между двумя другими терминалами.

полевые транзисторы снова делятся на два типа:

• полевой транзистор или полевой транзистор
• металл-оксид-полупроводниковый полевой транзистор или полевой МОП-транзистор

Давайте сосредоточимся на полевых МОП-транзисторах в этом руководстве.

Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор

Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET) – это один из типов полевых транзисторов. В этих транзисторах вывод затвора электрически изолирован от токоведущего канала, поэтому его также называют полевым транзистором с изолированным затвором (IG-FET).Из-за изоляции между выводами затвора и истока входное сопротивление полевого МОП-транзистора может быть очень высоким (обычно порядка 1014 Ом.

) Как и полевой транзистор, полевой МОП-транзистор также действует как резистор, управляемый напряжением, когда в затвор не течет ток. Вывод. Небольшое напряжение на выводе затвора управляет током, протекающим через канал между выводами истока и стока. В настоящее время в электронных схемах в основном используются полевые МОП-транзисторы вместо полевых транзисторов.

Полевые МОП-транзисторы

также имеют три терминала, а именно сток (D), источник (S) и затвор (G), а также еще один (дополнительный) терминал, называемый подложкой или корпусом (B). MOSFET также доступны в обоих типах: N-канальный (NMOS) и P-канальный (PMOS). МОП-транзисторы в основном делятся на две формы. Это:

• Тип истощения
• Тип расширения

Структура канала MOSFET

Тип истощения

MOSFET-транзистор истощенного типа эквивалентен «нормально замкнутому» переключателю.Для транзисторов обедненного типа требуется напряжение затвор-исток (В _GS ) для выключения устройства.

Символы для режима истощения полевых МОП-транзисторов как в N-канальном, так и в P-канальном типах показаны выше. В приведенных выше символах мы можем видеть, что четвертый вывод (подложка) подключен к земле, но в дискретных полевых МОП-транзисторах он подключен к выводу истока. Сплошная толстая линия, соединяющая выводы стока и истока, представляет тип истощения.Символ стрелки указывает тип канала, например N-канал или P-канал.

В этом типе полевых МОП-транзисторов тонкий слой кремния нанесен под выводом затвора. MOSFET-транзисторы в режиме истощения обычно включены при нулевом напряжении затвор-исток (VGS). Проводимость канала в полевых МОП-транзисторах с обеднением ниже по сравнению с полевыми МОП-транзисторами расширенного типа.

Тип расширения

MOSFET в режиме расширения эквивалентен «нормально разомкнутому» переключателю, и для этих типов транзисторов требуется напряжение затвор-исток для включения устройства.Символы полевых МОП-транзисторов с N-каналом и P-каналом в расширенном режиме показаны ниже.

Здесь мы можем заметить, что между истоком и стоком соединена пунктирная линия, которая представляет тип режима улучшения. В полевых МОП-транзисторах в режиме улучшения проводимость увеличивается за счет увеличения оксидного слоя, который добавляет носители в канал.

Обычно этот оксидный слой называется «инверсионным слоем». Канал формируется между стоком и истоком в типе, противоположном подложке, например, N-канал выполнен с подложкой P-типа, а P-канал выполнен с подложкой N-типа.Проводимость канала за счет электронов или дырок зависит от канала N-типа или P-типа соответственно.

Структура полевого МОП-транзистора

Базовая структура полевого МОП-транзистора показана на рисунке выше. Конструкция полевого МОП-транзистора сильно отличается от конструкции полевого транзистора JFET. Как в режиме увеличения, так и в режиме истощения полевых МОП-транзисторов электрическое поле создается напряжением затвора, которое изменяет носители заряда потока, такие как электроны для N-канала и дырки для P-канала.

Здесь мы можем заметить, что вывод затвора расположен поверх тонкого изолированного слоя оксида металла, а две области N-типа используются под выводами стока и истока.

В вышеупомянутой структуре полевого МОП-транзистора канал между стоком и истоком является каналом N-типа, который сформирован напротив подложки P-типа. Вывод затвора полевого МОП-транзистора легко смещается в зависимости от полярности положительной (+ ve) или отрицательной (-ve).

Если на выводе затвора нет смещения, то полевой МОП-транзистор обычно находится в непроводящем состоянии, поэтому эти полевые МОП-транзисторы используются для переключения и логических вентилей.Доступны режимы истощения и улучшения полевых МОП-транзисторов в N-канальном и P-канальном типах.

Режим истощения

Полевые МОП-транзисторы, работающие в режиме истощения, обычно известны как устройства с «включенным включением», поскольку эти транзисторы обычно закрываются, когда на выводе затвора нет напряжения смещения. Если напряжение затвора увеличивается положительно, ширина канала увеличивается в режиме обеднения.

В результате ток стока I _D через канал увеличивается. Если приложенное напряжение затвора более отрицательное, ширина канала будет намного меньше, и полевой МОП-транзистор может попасть в область отсечки.MOSFET в режиме истощения – это редко используемый тип транзистора в электронных схемах.

На следующем графике показана характеристическая кривая полевого МОП-транзистора в режиме истощения.

Вольт-амперные характеристики полевого МОП-транзистора, работающего в режиме обеднения, приведены выше. Эта характеристика в основном дает соотношение между напряжением сток-исток (V _DS ) и током стока (I _D ). Небольшое напряжение на затворе регулирует ток, протекающий через канал.

Канал между стоком и истоком действует как хороший проводник с нулевым напряжением смещения на выводе затвора. Ширина канала и ток стока увеличиваются, если напряжение затвора положительное, и эти два значения (ширина канала и ток стока) уменьшаются, если напряжение затвора отрицательное.

Режим расширения

МОП-транзистор в режиме расширения – это обычно используемый тип транзистора. Этот тип полевого МОП-транзистора эквивалентен нормально разомкнутому переключателю, поскольку он не проводит ток, когда напряжение затвора равно нулю.Если положительное напряжение (+ V _GS ) приложено к клемме затвора N-канала, то канал проводит, и ток стока течет через канал.

Если это напряжение смещения увеличивается до более положительного значения, то ширина канала и ток стока через канал увеличиваются до некоторой степени. Но если напряжение смещения равно нулю или отрицательно (-V _GS ), тогда транзистор может выключиться и канал находится в непроводящем состоянии. Итак, теперь мы можем сказать, что напряжение затвора MOSFET режима улучшения улучшает канал.

Обозначения схем полевого МОП-транзистора в режиме расширения

Полевые МОП-транзисторы в режиме расширения в основном используются в качестве переключателей в электронных схемах из-за их низкого сопротивления при включении и высокого сопротивления при выключении, а также из-за высокого сопротивления затвора. Эти транзисторы используются для создания логических вентилей и в схемах переключения мощности, таких как вентили CMOS, которые имеют как NMOS-, так и PMOS-транзисторы.

Вольт-амперные характеристики полевого МОП-транзистора в режиме расширения показаны выше, что дает соотношение между током стока (ID) и напряжением сток-исток (VDS).На приведенном выше рисунке мы наблюдали поведение полевого МОП-транзистора с усилением в различных областях, таких как омическая область, область насыщения и область отсечки.

MOSFET-транзисторы изготавливаются из различных полупроводниковых материалов. Эти полевые МОП-транзисторы могут работать как в проводящем, так и в непроводящем режимах в зависимости от напряжения смещения на входе. Эта способность MOSFET позволяет использовать его для переключения и усиления.

N-канальный усилитель MOSFET

По сравнению с BJT, MOSFET имеют очень низкую крутизну, а это означает, что усиление по напряжению не будет большим.Следовательно, полевые МОП-транзисторы (если на то пошло, все полевые транзисторы) обычно не используются в схемах усилителя.

Но, тем не менее, давайте посмотрим на одноступенчатую схему усилителя «класса А», использующую N-канальный MOSFET-транзистор. N-канальный полевой МОП-транзистор в режиме улучшения с общей конфигурацией источника является наиболее часто используемым типом схемы усилителя, чем другие. Усилители на полевых МОП-транзисторах в режиме обеднения очень похожи на усилители на полевых транзисторах.

Входное сопротивление полевого МОП-транзистора контролируется сопротивлением смещения затвора, которое создается входными резисторами.Выходной сигнал этой схемы усилителя инвертируется, потому что, когда напряжение затвора (V _G ) высокое, транзистор включается, а когда напряжение (V _G ) низкое, транзистор выключается.

Общий усилитель MOSFET с общей конфигурацией источника показан выше. Это усилитель режима класса А. Здесь цепь делителя напряжения образована входными резисторами R1 и R2, а входное сопротивление для сигнала переменного тока задается как Rin = RG = 1 МОм.

Уравнения для расчета напряжения затвора и тока стока для вышеуказанной схемы усилителя приведены ниже.

V _G = (R ₂ / (R ₁ + R ₂ )) * VDD

I _D = V _S / R _S

Где,

V _G = напряжение затвора

В _S = входное напряжение источника

В _DD = напряжение питания на стоке

R _S = сопротивление истока

R ₁ & R ₂ = входные резисторы

Различные регионы, в которых работает полевой МОП-транзистор, описаны ниже.

Область отсечки: Если напряжение затвор-исток меньше порогового напряжения, мы говорим, что транзистор работает в области отсечки (т. Е. Полностью выключен). В этой области ток стока равен нулю, и транзистор работает как разомкнутая цепь.

В _GS TH => I _DS = 0

Омическая (линейная) область: Если напряжение затвора больше порогового напряжения, а напряжение сток-исток находится между VTH и (VGS – VTH), то мы говорим, что транзистор находится в линейной области и в этом состоянии транзистор действует как переменный резистор.

В _GS > V _TH и V _TH DS <(V _GS VGS – V _TH ) => MOSFET действует как переменный резистор

Область насыщения: В В этой области напряжение затвора намного превышает пороговое напряжение, а ток стока имеет максимальное значение, а транзистор находится в полностью открытом состоянии. В этой области транзистор действует как замкнутая цепь.

V _GS >> V _TH и (V _GS – V _TH ) DS <2 (V _GS – V _TH ) => I _DS = максимум

Напряжение затвора, при котором транзистор включается и начинает протекать ток через канал, называется пороговым напряжением.Диапазон значений порогового напряжения для N-канальных устройств составляет от 0,5 В до 0,7 В, а для устройств с P-каналом – от -0,5 В до -0,8 В.

Поведение полевого МОП-транзистора в режимах истощения и расширения в зависимости от напряжения затвора кратко описывается следующим образом.

N-Channel Deletion N-Channel Deletion ВКЛ Расширение

MOSFET Тип	V GS = + ve	V GS = 0	V GS = -ve
	ВЫКЛ
Расширение N-канала	ВКЛ	ВЫКЛ	ВЫКЛ
Истощение P-канала	ВЫКЛ	ВКЛ	ВКЛ	P-Channel
	ВЫКЛ.	ВКЛ.

Приложения

• МОП-транзисторы используются в цифровых интегральных схемах, таких как микропроцессоры.
• Используется в калькуляторах.
• Используется в памяти и в логических элементах CMOS.
• Используются как аналоговые переключатели.
• Используется как усилители.
• Используется в приложениях силовой электроники и импульсных источников питания.
• МОП-транзисторы используются в качестве генераторов в радиосистемах.
• Используется в автомобильных звуковых системах и системах звукоусиления.

Заключение

Полное руководство для начинающих по внедрению MOSFET. Вы узнали структуру полевого МОП-транзистора, различные типы полевого МОП-транзистора, их схемные символы, пример схемы, использующей полевой МОП-транзистор для управления светодиодом, а также несколько областей применения.

Факты о MOSFET для детей

Индивидуально упакованные МОП-транзисторы

МОП-транзистор – это электронный компонент, который действует как переключатель с электрическим управлением.

MOSFET обозначает полевой транзистор металл-оксид-полупроводник . Транзисторы – это небольшие электрические устройства, которые используются, помимо прочего, в будильниках, калькуляторах и, что, возможно, наиболее известно, в компьютерах; они являются одними из самых основных строительных блоков современной электроники.Несколько полевых МОП-транзисторов усиливают или обрабатывают аналоговые сигналы. Большинство из них используются в цифровой электронике.

Полевые МОП-транзисторы

действуют как электрические клапаны. У них есть одно входное соединение («ворота»), которое используется для управления потоком электричества между двумя другими соединениями («источником» и «стоком»). Другими словами, вентиль действует как переключатель, который управляет двумя выходами. Представьте себе переключатель с регулируемой яркостью: ручка сама выбирает «ВКЛ», «ВЫКЛ» или что-то среднее между ними, регулируя яркость света.Представьте себе полевой МОП-транзистор вместо переключателя света: сам переключатель – это «ворота», «источник» – это энергия, поступающая в дом, а «сток» – это лампочка.

Название MOSFET описывает структуру и функцию транзистора. МОП относится к тому факту, что полевой МОП-транзистор состоит из наслоения металла («затвор») на оксиде (изолятор, который предотвращает протекание электричества) на полупроводнике («исток» и «сток»). FET описывает действие затвора на полупроводник. Электрический сигнал посылается на затвор, который создает электрическое поле, изменяющее соединение между «истоком» и «стоком».

Почти все полевые МОП-транзисторы используются в интегральных схемах. По состоянию на 2008 год на одной интегральной схеме можно разместить 2 000 000 000 транзисторов. В 1970 году их было около 2000.

Операция

Существует четыре распространенных типа полевых МОП-транзисторов:

Режим расширения N-канальный полевой МОП-транзистор

Переключение между «истоком» и «стоком» обычно выключено . Вы можете повернуть переключатель на , подав положительное напряжение на «затвор», так что оно на выше напряжения , чем «исток».

Режим расширения P-Channel MOSFET

Переключение между «истоком» и «стоком» обычно выключено . Вы можете включить переключатель на , подав отрицательное напряжение на «затвор», так что оно будет на ниже напряжения , чем «исток».

Режим истощения N-канальный полевой МОП-транзистор

Переключение между «истоком» и «стоком» обычно на . Вы можете выключить переключатель , подав отрицательное напряжение на «затвор», так что оно будет на ниже напряжения , чем «исток».

Режим истощения P-канальный полевой МОП-транзистор

Переключение между «истоком» и «стоком» обычно на . Вы можете выключить переключатель , подав положительное напряжение на «затвор», так что оно на выше напряжения , чем «исток».

МОП-транзисторы с P-каналом в режиме истощения обычно недоступны.

Сводка

МОП-транзистор Тип	Обычно	Для изменения подать ____ напряжение на «затвор»
Режим расширения N-канал	Выкл.	Положительно
Режим расширения P-Channel	Выкл.	Отрицательный
Режим истощения N-канал	на	Отрицательный
Режим истощения P-Channel	на	Положительно

Различия между полевыми МОП-транзисторами

Микросхемы

На небольшом куске кремния можно создать миллионы полевых МОП-транзисторов.Это делает интегральную схему. Подробнее см. Статью об интегральных схемах.

Остальная часть этого раздела посвящена одиночным полевым МОП-транзисторам с тремя подключениями.

Тепло

Если полевой МОП-транзистор частично включен, это снизит мощность, проходящую через него. Это достигается путем преобразования некоторой энергии в тепло. Даже если он включен, он все равно будет преобразовывать часть энергии в тепло.

МОП-транзистор имеет сопротивление. Когда ток течет от стока полевого МОП-транзистора к его истоку, произойдет падение напряжения.Умножьте этот ток и напряжение, чтобы получить потерю мощности. Эта потерянная сила становится теплом.

МОП-транзистор должен избавляться от этого тепла, обычно передавая его в воздух.

MOSFET меньшего размера нагревают и нагревают окружающий воздух. Некоторые полевые МОП-транзисторы должны быть на печатной плате, имеющей большую площадь для нагрева большего количества воздуха. МОП-транзисторы наивысшей мощности должны быть на радиаторе. Радиатор представляет собой большой кусок металла с ребрами для передачи тепла воздуху на большой площади. Им также может понадобиться вентилятор, чтобы нагнетать воздух через радиатор.

Другие различия между полевыми МОП-транзисторами

Доступно множество различных полевых МОП-транзисторов. Выбирая полевой МОП-транзистор, после того, как вы определились с четырьмя основными типами, есть много других вещей, о которых стоит подумать. Различия между полевыми МОП-транзисторами включают:

• В _GSS – Допустимое напряжение между затвором и истоком. Если вы приложите слишком большое напряжение, MOSFET сломается.
• В _DSS – Допустимое напряжение между стоком и истоком. Если вы приложите слишком большое напряжение, MOSFET сломается.
• I _D – Допустимый ток между стоком и истоком. Если вы пытаетесь запитать большую нагрузку, например двигатель, вам понадобится полевой МОП-транзистор, рассчитанный на большие токи.
• V _{GS (TH)} («Пороговое напряжение») – примерное значение напряжения, которое необходимо приложить к «затвору», чтобы он переключился. Насколько активен полевой МОП-транзистор, зависит от точного напряжения на «затворе», температуры и напряжения на «стоке». В таблице данных для полевого МОП-транзистора будут подробности.
• R _{DS (ON)} – Когда полевой МОП-транзистор полностью включен, он будет действовать как резистор с этим значением. Более высокое значение означает, что когда полевой МОП-транзистор полностью “включен”, будет больше потери мощности и больше тепла. Чем меньше, тем лучше.
• P _D – Наибольшее количество тепла, которое полевой МОП-транзистор может выделять каждую секунду, не ломаясь. («Рассеивание мощности»). Если вы заставите MOSFET выделять тепло быстрее, чем это, то MOSFET будет перегреваться и сломаться.
• R _θJA – Насколько плохо полевой МОП-транзистор передает это тепло воздуху.Чем меньше число, тем лучше. Для полевых МОП-транзисторов, в которых используется радиатор, они сообщают, насколько плохо они передают тепло радиатору.
• T _J – Рабочая температура части полевого МОП-транзистора, выделяющего тепло. Если вы заставите его превысить предел, MOSFET сломается.
• t _{D (ON)} и t _{D (OFF)} – время, необходимое для включения и выключения MOSFET. Меньшие по размеру, низковольтные и слаботочные полевые МОП-транзисторы могут быть достаточно быстрыми для использования в самых быстрых компьютерах.MOSFET-транзисторы большего размера и большей мощности обычно работают медленнее.
• Статическое электричество может вывести из строя полевой МОП-транзистор. Некоторые полевые МОП-транзисторы включают защиту от статического электричества.
• Некоторые детали включают в себя несколько полевых МОП-транзисторов в одном устройстве. Это может быть меньше, чем наличие отдельных полевых МОП-транзисторов. Также может быть дешевле изготовить электронную плату с меньшим количеством деталей.

Теория

Схема простого полевого МОП-транзистора

Есть много разных способов изготовления полевых МОП-транзисторов на полупроводнике. Самый простой способ показан на схеме справа от этого текста.Синяя часть представляет кремний P-типа, а красная часть представляет кремний N-типа. Пересечение двух типов образует диод. В кремниевых полупроводниках есть особенность, называемая «областью истощения». В легированном кремнии, где одна часть легирована N-типом, а одна часть легирована P-типом, обедненная область естественным образом образуется на пересечении между ними. Это из-за их акцепторов и доноров. Кремний P-типа имеет акцепторы, также известные как дырки, которые притягивают к себе электроны.Кремний N-типа имеет доноры или электроны, которые притягиваются к дыркам. На границе между ними электроны N-типа заполняют дыры в P-типе. Это приводит к тому, что акцептор или атомы P-типа становятся отрицательно заряженными, и поскольку отрицательные заряды притягивают положительные заряды, акцепторы или дырки будут течь к «стыку». На стороне N-типа имеется положительный заряд, в результате чего доноры, или электроны, движутся к «стыку». Когда они попадут туда, их оттолкнет отрицательный заряд на другой стороне перехода, поскольку отталкиваются одинаковые заряды.То же самое произойдет на стороне P-типа, доноры или отверстия будут отталкиваться положительной областью на стороне N-типа. Между ними не может протекать электричество, поскольку электроны не могут перемещаться на другую сторону.

Полевые МОП-транзисторы

используют это в своих интересах. “Тело” полевого МОП-транзистора получает питание отрицательно, что расширяет область истощения, поскольку дырки заполняются новыми электронами, поэтому сила, противоположная электронам на стороне N, становится намного больше. «Источник» полевого МОП-транзистора питается отрицательно, что полностью сжимает зону истощения в типе N, поскольку электронов достаточно для заполнения зоны положительного истощения.«Слив» обладает положительной силой. Когда на «Ворота» подается положительная мощность, они создают небольшое электромагнитное поле, которое удаляет зону истощения непосредственно под воротами, поскольку будет «брызги» отверстий, которые создадут нечто, называемое «N- Канал”. N-канал – это временная область кремниевой области P-типа, где нет зоны истощения. Положительное электрическое поле нейтрализует все запасные электроны, составляющие зону истощения. Электроны в области источника тогда получат четкий путь к «сливу», что заставит электричество течь от источника к стоку.

Картинки для детей

• Микрофотография двух полевых МОП-транзисторов с металлическим затвором в тестовой таблице. Промаркированы контактные площадки для двух затворов и трех узлов истока / стока.

• Формирование канала в полевом МОП-транзисторе nMOS показано как диаграмма полос. : Верхние панели: приложенное напряжение затвора искривляет полосы, истощая отверстия на поверхности (слева). Заряд, вызывающий изгиб, уравновешивается слоем отрицательного заряда акцепторного иона (справа). Нижняя панель: большее приложенное напряжение еще больше истощает отверстия, но зона проводимости понижает энергию, достаточную для заполнения проводящего канала

• Полосная диаграмма, показывающая эффект тела. V SB разделяет уровни Ферми Fn для электронов и Fp для дырок, требуя большего размера V GB для заполнения зоны проводимости в nMOS MOSFET

• FinFET (плавниковый полевой транзистор), тип полевого МОП-транзистора с несколькими затворами.

• МОП-транзистор с неглубокими расширениями спая, приподнятым истоком и стоком и имплантатом ореола Поднятые исток и сток, отделенные от затвора оксидными прокладками

• Тенденция длины затвора транзистора процессора Intel

Полевой транзистор

»Примечания по электронике

Полевой транзистор, полевой транзистор, представляет собой трехконтактное активное устройство, которое использует электрическое поле для управления током и имеет высокий входной импеданс, который полезен во многих схемах.

---

FET, Полевой транзистор, Учебное пособие включает:
Основы полевых транзисторов Характеристики полевого транзистора JFET МОП-транзистор МОП-транзистор с двойным затвором Силовой МОП-транзистор MESFET / GaAs полевой транзистор HEMT & PHEMT Технология FinFET

---

Полевой транзистор FET – ключевой электронный компонент, используемый во многих областях электронной промышленности.

Полевой транзистор, используемый во многих схемах, состоящих из дискретных электронных компонентов, в областях от ВЧ-технологий до управления мощностью и электронного переключения до общего усиления.

Однако в основном полевые транзисторы используются в интегральных схемах. В этом приложении схемы на полевых транзисторах потребляют гораздо меньше энергии, чем микросхемы, использующие технологию биполярных транзисторов. Это позволяет работать очень крупным интегральным схемам. Если бы использовалась биполярная технология, потребляемая мощность была бы на несколько порядков больше, а генерируемая мощность была бы слишком большой, чтобы рассеиваться на интегральной схеме.

Помимо использования в интегральных схемах, дискретные версии полевых транзисторов доступны как в виде выводных электронных компонентов, так и в качестве устройств для поверхностного монтажа.

Типичные полевые транзисторы

Полевой транзистор, история полевых транзисторов

До того, как первые полевые транзисторы были представлены на рынке электронных компонентов, эта концепция была известна в течение ряда лет. Было много трудностей в реализации этого типа устройства и в том, чтобы заставить его работать.

Некоторые из первых концепций полевого транзистора были изложены в статье Лилиенфилда в 1926 году и в другой статье Хайля в 1935 году.

Следующие основы были заложены в 1940-х годах в Bell Laboratories, где была создана группа по исследованию полупроводников.Эта группа исследовала ряд областей, относящихся к полупроводникам и полупроводниковой технологии, одним из которых было устройство, которое могло бы модулировать ток, протекающий в полупроводниковом канале, путем размещения электрического поля рядом с ним.

В ходе этих ранних экспериментов исследователи не смогли воплотить эту идею в жизнь, превратив свои идеи в другую идею и в конечном итоге изобрели другую форму компонента полупроводниковой электроники: биполярный транзистор.

После этого большая часть исследований в области полупроводников была сосредоточена на улучшении биполярного транзистора, и идея полевого транзистора некоторое время не была полностью исследована.Сейчас полевые транзисторы очень широко используются, являясь основным активным элементом во многих интегральных схемах. Без этих электронных компонентов технология электроники была бы совсем другой, чем сейчас.

Заметка об изобретении и истории полевого транзистора:

На разработку полевого транзистора ушло много лет. Первые идеи концепции появились в 1928 году, но только в 1960-х годах они стали широко доступны.

Подробнее об изобретении и истории полевого транзистора

Полевой транзистор – основы

Концепция полевого транзистора основана на концепции, согласно которой заряд на соседнем объекте может притягивать заряды в полупроводниковом канале.По сути, он работает с использованием эффекта электрического поля – отсюда и название.

Полевой транзистор состоит из полупроводникового канала с электродами на обоих концах, называемых стоком и истоком.

Управляющий электрод, называемый затвором, помещается в непосредственной близости от канала, так что его электрический заряд может влиять на канал.

Таким образом, затвор полевого транзистора контролирует поток носителей (электронов или дырок), текущий от истока к стоку. Он делает это, контролируя размер и форму проводящего канала.

Полупроводниковый канал, по которому протекает ток, может быть P-типа или N-типа. Это дает начало двум типам или категориям полевых транзисторов, известных как полевые транзисторы с каналом P и N с каналом.

Кроме этого, есть еще две категории. Увеличение напряжения на затворе может либо истощить, либо увеличить количество носителей заряда, доступных в канале. В результате есть полевые транзисторы в режиме улучшения и полевые транзисторы в режиме истощения.

Обозначение цепи на переходном полевом транзисторе

Поскольку только электрическое поле управляет током, протекающим в канале, говорят, что устройство работает от напряжения и имеет высокое входное сопротивление, обычно много МОм.Это может быть явным преимуществом перед биполярным транзистором, работающим от тока и имеющим гораздо более низкий входной импеданс.

Переходный полевой транзистор, JFET работает ниже насыщения

Цепи на полевых транзисторах

Полевые транзисторы широко используются во всех схемах, от схем с дискретными электронными компонентами до интегральных схем.

Примечание по конструкции схемы полевого транзистора:

Полевые транзисторы могут использоваться во многих типах схем, хотя три основные конфигурации – это общий исток, общий сток (истоковый повторитель) и общий затвор.Сама схема довольно проста и может быть взята на вооружение довольно легко.

Подробнее о Схема схем полевого транзистора

Поскольку полевой транзистор представляет собой устройство, работающее от напряжения, а не токовое устройство, такое как биполярный транзистор, это означает, что некоторые аспекты схемы сильно отличаются: в частности, устройства смещения. Однако проектировать электронную схему с полевыми транзисторами относительно просто – она ​​немного отличается от схемы с биполярными транзисторами.

Используя полевые транзисторы, можно спроектировать такие схемы, как усилители напряжения, буферы или повторители тока, генераторы, фильтры и многое другое, а схемы очень похожи на схемы для биполярных транзисторов и даже термоэмиссионных клапанов / вакуумных ламп. Интересно, что клапаны / лампы также являются устройствами, работающими от напряжения, и поэтому их схемы очень похожи, даже с точки зрения устройства смещения.

Типы полевых транзисторов

Есть много способов определить различные типы доступных полевых транзисторов.Различные типы означают, что при проектировании электронной схемы необходимо выбрать правильный электронный компонент для схемы. Правильно подобрав устройство, можно получить наилучшие характеристики для данной схемы.

полевых транзисторов можно разделить на несколько категорий, но некоторые из основных типов полевых транзисторов можно увидеть на древовидной диаграмме ниже.

Типы полевых транзисторов

На рынке существует множество различных типов полевых транзисторов, которые имеют разные названия.Некоторые из основных категорий отложены ниже.

• Junction FET, JFET: Junction FET, или JFET, использует диодный переход с обратным смещением для обеспечения соединения затвора. Структура состоит из полупроводникового канала, который может быть N-типа или P-типа. Затем на канале изготавливается полупроводниковый диод таким образом, чтобы напряжение на диоде влияло на канал полевого транзистора.

  При работе он имеет обратное смещение, а это означает, что он эффективно изолирован от канала – только обратный ток диода может течь между ними.JFET – это самый базовый тип полевого транзистора, который был разработан впервые. Однако он по-прежнему обеспечивает отличный сервис во многих областях электроники.

  
  

• Полевой транзистор с изолированным затвором / полевой транзистор на основе оксида металла и кремния МОП-транзистор: В МОП-транзисторе используется изолированный слой между затвором и каналом. Обычно он формируется из слоя оксида полупроводника.

  Название IGFET относится к любому типу полевого транзистора с изолированным затвором.Наиболее распространенной формой IGFET является кремниевый MOSFET – металлооксидный кремниевый полевой транзистор. Здесь затвор сделан из слоя металла, нанесенного на оксид кремния, который, в свою очередь, находится на канале кремния. МОП-транзисторы широко используются во многих областях электроники, особенно в интегральных схемах.

  Ключевым фактором IGFET / MOSFET является чрезвычайно высокий импеданс затвора, который могут обеспечить эти полевые транзисторы. Тем не менее, будет соответствующая емкость, и это уменьшит входное сопротивление при повышении частоты.

  
  

• МОП-транзистор с двойным затвором: Это специализированный МОП-транзистор с двумя затворами, последовательно расположенными вдоль канала. Это позволяет значительно улучшить производительность, особенно на ВЧ, по сравнению с устройствами с одним затвором.

  Второй затвор полевого МОП-транзистора обеспечивает дополнительную изоляцию между входом и выходом, и в дополнение к этому его можно использовать в таких приложениях, как смешивание / умножение.

  
  

• MESFET: Кремниевый полевой транзистор MEtal обычно изготавливается из арсенида галлия и часто называется полевым транзистором на основе GaAs. Часто GaAsFET используются в ВЧ-приложениях, где они могут обеспечить низкий уровень шума с высоким коэффициентом усиления. Одним из недостатков технологии GaAsFET является очень маленькая структура затвора, что делает ее очень чувствительной к повреждению статическим электричеством. При обращении с этими устройствами необходимо соблюдать особую осторожность.

  
  

• HEMT / PHEMT: Транзистор с высокой подвижностью электронов и псевдоморфный транзистор с высокой подвижностью электронов являются развитием базовой концепции полевого транзистора, но разработаны для обеспечения работы на очень высоких частотах. Несмотря на то, что они дороги, они позволяют достичь очень высоких частот и высокого уровня производительности.

  
  

• FinFET: Технология FinFET теперь используется в интегральных схемах, чтобы обеспечить более высокий уровень интеграции за счет меньших размеров элементов.Поскольку требуются более высокие уровни плотности и становится все труднее реализовать все более мелкие размеры элементов, технология FinFET используется все более широко.

  
  

• VMOS: Стандарт VMOS для вертикальной MOS. Это тип полевого транзистора, в котором используется вертикальный ток для улучшения коммутационных и токонесущих характеристик. Полевые транзисторы VMOS широко используются в энергетических приложениях.

Хотя в литературе можно встретить и другие типы полевых транзисторов, часто эти типы являются торговыми наименованиями для конкретной технологии и являются вариантами некоторых типов полевых транзисторов, перечисленных выше.

Характеристики полевого транзистора

Помимо выбора конкретного типа полевого транзистора для данной схемы, также необходимо понимать различные спецификации. Таким образом можно гарантировать, что полевой транзистор будет работать с требуемыми рабочими параметрами.

Спецификации полевого транзистора

включают все: от максимально допустимых напряжений и токов до уровней емкости и крутизны. Все они играют роль в определении того, подходит ли какой-либо конкретный полевой транзистор для данной схемы или приложения.

Технология полевых транзисторов может использоваться в ряде областей, где биполярные транзисторы не так подходят: каждое из этих полупроводниковых устройств имеет свои преимущества и недостатки и может использоваться с большим эффектом во многих схемах. Полевой транзистор имеет очень высокий входной импеданс и является устройством, управляемым напряжением, что позволяет использовать его во многих областях.

Другие электронные компоненты: Резисторы
Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».