Мосфеты что это: MOSFET-транзисторы

MOSFET транзисторы обеднённого типа от IXYS – особенности и способы применения

MOSFET транзисторы обеднённого типа от IXYS – особенности и способы применения

Статья описывает особенности строения MOSFET транзисторов обеднённого типа (с собственным каналом) и возможные применения подобных транзисторов.

Автор Дмитрий Козлов

Американский производитель компонентов для силовой электроники IXYS предлагает семейство транзисторов обедненного (открытого) типа. Технологически это реализуется путём внедрения канала между стоком и истоком области с соответствующей электропроводимостью. В зависимости от степени легирования канала получают MOSFET транзисторы обогащённого и обеднённого типа. В транзисторах обогащённого типа при напряжении затвор-исток равно нулю ток равен так же равен нулю, тогда как в транзисторах обеднённого типа протекает ток стока. [1]

Рисунок 1. Схема включения транзистора обеднённого типа.

Транзисторы обедненного типа с собственным каналом (depletion mode) номинально открыты и пропускают ток, для закрытия транзистора необходимо приложить определённое напряжение (рис. 1). Таким образом, избыточное напряжение, ликвидируется при помощи защитного диода.
Силовые транзисторы IXYS выполняются по технологии DMOSFET (транзисторы двойной диффузии) и имеют вертикальную структуру, что позволяет с одной стороны иметь адекватную стоимость на рынке, с другой стороны выдерживать более высокое напряжение.
Компания IXYS в лице своего официального дистрибьютора на территории России ЭЛТЕХа выпустила на рынок 2 направления обеднённых MOSFET транзисторов: маломощные (таблица 1) и высокомощные MOSFET-транзисторы (таблица 2)

Таблица 1. Маломощные варианты исполнения MOSFET транзисторов обеднённого типа от IXYS.

Таблица 2. Высокомощные MOSFET транзисторы обеднённого типа от IXYS.

• Примечание:
  Vdsx – напряжение сток-исток
  Rds(on) – сопротивление в открытом состоянии
  Vgs(off) – пороговое напряжение
  Idss – ток утечки затвора
  Id(on) – непрерывный ток стока

MOSFET транзисторы обеднённого типа получили довольно широкое применение в современной электронике. Рассмотрим некоторые схемы использования транзисторов IXYS.

Одной из таких областей является построение прецизионного источника тока путем установки транзистора в схему с источниками опорного напряжения [2]. В таком случае транзистор компенсирует колебания напряжения питания. Источник тока в итоге обеспечивает общий ток нагрузки, включающий в себя ток через резистор и ток покоя. Такая схема позволяет получить прецизионный ток и сверхвысокий выходной импеданс.

Рисунок 2. Использование MOSFET транзистора для источника прецизионного тока.

Другим применением может стать создание нормально замкнутого твердотельного реле с использованием специализированного оптически изолированного драйвера. В примере (рис. 3) используется оптический драйвер IXYS FDA217. Для реализации реле используются 2 внешних MOSFET транзистора обеднённого типа CPC3980, объединённые для создания AC/DC ключа. Т.к. FDA217 имеет внутреннюю схему выключения, отпадает необходимость в нагрузочных резисторах.

Рисунок 3. Схема нормально замкнутого реле с применением транзисторов IXYS.

Многие задачи требуют использование стабилизатора напряжения с низким выходным напряжением и высоким входным напряжением от 120 В до 240 В. В большинстве схем используется входное напряжение не больше 15 В и довольно низкий ток потребления. На рисунке 4 приведена схема стабилизатора с высоким входным напряжением и использованием LDO регулятора с MOSFET транзистором обедненного типа. Естественно при подборе транзистора в такую схему необходимо учитывать мощность, которая будет рассеиваться на транзисторе.

Рисунок 4. Схема регулятора напряжения с высоким входным напряжением.

Эта схема также может применяться для подавления высоковольтных выбросов в цепи питания. Высоковольтные переходные процессы в области телекоммуникаций обычно возникают из-за воздействия разрядов молнии и паразитного излучения. В автомобилестроении и авиастроении главной причиной подобных процессов обычно являются индуктивные нагрузки.
Ещё одно применение MOSFET транзисторов обедненного типа – защита измерительных входов от подачи на них высокого напряжения (рис. 5). В таком случае транзистор обеднённого типа работает как ограничитель тока, а избыточное напряжение уходит во входной защитный диод.

Рисунок 5. Защита измерительных цепей при помощи MOSFET транзистора.

Таким образом, при помощи MOSFET транзисторов обедненного типа от IXYS можно решить широкий спектр задач. При этом применение транзисторов IXYS позволяет также сократить расходы относительно более дорогих вариантов реализации схем. Информацию о самых новых компонентах IXYS вы можете найти на сайте компании ЭЛТЕХ.

Литература:

1. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. 12-е изд. Том I: Пер. с нем. – М.: ДМК. Пресс, 2008
2. IXYS Integrated Circuits Division Application Note AN-500 Depletion-Mode Power MOSFETs and Applications

Как разработчику заставить работать новые MOSFETs

21 декабря 2011

International Rectifierстатьядискретные полупроводникиMOSFET

MOSFET были разработаны более 40 лет назад и некоторые особенности этих устройств до сих пор не получили достойного внимания.

Приходилось ли вам наблюдать за переходом напряжения VDS в режим «ON», в то время как напряжение VGS находилось в состоянии «OFF»? Может быть, вы использовали MOSFET в линейном режиме и он не работал, несмотря на то, что находился в безопасной области работы (SOA)? Сталкивались ли с тем, что новые, более выгодные по цене приборы с похожими параметрами не работали, когда вы заменяли ими старые?

В этой статье хотелось бы углубиться в эти вопросы, исследуя нюансы механизмов динамического включения MOSFET, а также механизмы обратного восстановления диода, лавинного пробоя, особенности работы в линейном режиме.

Из статьи станет понятно, как выбрать правильное устройство и максимально избежать проблем.

Азбука устройства MOSFET

В общих чертах MOSFET позволяет с помощью низкого напряжения на затворе управлять током, протекающим по каналу «исток-сток». Благодаря этому свойству можно значительно упростить схему управления, а также снизить суммарную затрачиваемую на управление мощность.

На сегодняшний день широкое распространение получили две технологии производства MOSFET: планарная и Trench.

Первые MOSFET были созданы по планарной технологии. Транзисторы, изготавливаемые по этой технологии, изображены на рис. 1. Их структура состоит из металла и полупроводника, разделенных слоем оксида кремния SiO₂.

Рис. 1. Планарная технология – первые дискретные MOSFET

Trench-структура (рис. 2) имеет более высокую плотность ячеек, что выражается в более низком значении Rds(on). В Trench MOSFET на поверхности подложки создается V-образная канавка, на которую осаждается слой оксида, и затем происходит металлизация.

Рис. 2. Высокоплотные Trench MOSFET могут быть меньше, чем их планарные собратья, но обладать сравнимым значением Rds(on)

Поле затвора в Trench MOSFET оказывает влияние на гораздо большую область кремния. В результате этого для получения аналогичного Rds(on) требуются меньшие физические размеры, чем при изготовлении MOSFET по планарной технологии.

Наряду с явными достоинствами MOSFET имеют и отрицательные стороны. Так, между слоем n- стока и p+ истока формируется внутренний диод. Характеристики этого диода приводятся в технических данных на все MOSFET. Применяя MOSFET в импульсных схемах, всегда нужно принимать во внимание время обратного восстановления внутреннего диода. Также, в MOSFET формируется внутренний NPN-транзистор, коллектором которого является n-слой стока, базой – p-слой, а эмиттером – n-слой истока.

Необходимо учитывать, что металлизация истока (рис. 3) в некоторых местах имеет очень низкое сопротивление между переходом «база-эмиттер», этот момент осложняет включение транзистора.

Рис. 3. Внутренние диод и биполярный транзистор в структуре MOSFET

Емкостные механизмы ложного открывания

Несколько ложных механизмов включения могут создавать сложности при разработке импульсного источника питания. Открывают список два из них. Они связаны с паразитными емкостями транзистора и переходными процессами. Переходные процессы возникают из-за изменения напряжения на индуктивности. Происходит это во время переключения состояния MOSFET.

Первый механизм связан с емкостью Миллера C_DG и емкостью затвора C_GS. Если к выключенному MOSFET приложить напряжение V_DS, то фронт этого напряжения наводит ток, протекающий через емкость Миллера, емкость затвора, в итоге на сопротивлении цепи затвора (R_G) создается падение напряжения (рис. 4). Если образующийся потенциал превысит пороговое напряжение затвора, произойдет ложное открывание транзистора.

Рис. 4. Емкость Миллера с емкостью затвор-исток образуют делитель напряжения

С ростом температуры увеличивается вероятность ложного открывания транзистора из-за тока, наведенного фронтом напряжения V_DS.

Данная проблема актуальна, когда синхронный понижающий конвертер преобразует напряжение с 12 до 1,8 В или ниже, а выход продолжительное время нагружен на индуктивную нагрузку.

В этом случае ключ нижнего плеча проводит ток нагрузки большую часть времени. Когда ключ верхнего плеча запирается, индуктивность коммутируется вниз через внутренний диод транзистора нижнего плеча, затем транзистор нижнего плеча включается. Напряжение «сток-исток» верхнего ключа быстро поднимается от 0 В (включенное состояние) до примерно V_CC-V_F (выключенное состояние минус напряжение падения на диоде). В это время транзистор весьма восприимчив к ложному отпиранию. Вероятность этого настолько высока, что для качественной оценки используется соотношение Q_GS и Q_GD; выбирая MOSFET, мы должны руководствоваться этим соотношением. Чем выше Q_GD и ниже Q_GS, тем выше вероятность, что произойдет ложное открывание. Низкое значение R_G, низкий выходной импеданс драйвера затвора и низкий импеданс трассировки позволяют качественнее удерживать устройство в запертом состоянии.

Если в устройстве имеются подозрения на ложные открывания, понаблюдайте за напряжениями V_GS, V_DS и током I_D. Когда нижний ключ отпирается, мы наблюдаем короткий положительный импульс на V_GS и связанное с ним понижение V_DS. Для борьбы с этим эффектом можно выбрать MOSFET с низкой емкостью C_DG, высокой емкостью C_GS и более высоким порогом отпирания. Возможна установка дополнительного конденсатора между затвором и истоком. При установке C_GS увеличивается суммарный заряд затвора, необходимый для достижения порогового напряжения отпирания MOSFET. Емкость C_GS ослабляет влияние эффекта Миллера, заряжаясь создаваемым им током и препятствуя возникновению тока в цепи затвора. Однако этот способ очень редко используется на практике, поскольку увеличение емкости в цепи затвора приводит к росту потерь переключения MOSFET.

Второй емкостной механизм связан с внутренним NPN-транзистором, сформированным в структуре MOSFET. Переход «база-эмиттер» этого транзистора обладает низким, но не нулевым сопротивлением. Падение напряжения, вызванное протеканием тока по этому сопротивлению, заряжает емкость Миллера (рис.  5)

Рис. 5. Тип включения, при котором внутренний транзистор структуры MOSFET оказывает дополнительное влияние

Включение от индуктивности истока

Структуры большинства выводных MOSFET – SOIC, DPAK, TO-220 и т.д. – сходны между собой. Высокотемпературный припой соединяет основание устройства с выводной рамкой. Это соединение обладает минимальной проводимостью. Также жесткие проволочки соединяют исток прибора от наружного вывода к внутреннему слою. Иногда от вывода истока идет несколько жестких параллельных проволочек, для этого используется технология соединения die-to-leadframe (рис. 6).

Рис. 6. Конструкция большинства выводных MOSFET на примере корпуса D2PAK

Затвор соединен с внешним выводом одним миниатюрным жестким проводником. Проблемы возникают из-за наличия индуктивности выводов истока. Через вывод стока протекает мощный ток, а также обратный ток включения/выключения от драйвера затвора.

С практической точки зрения невозможно увидеть реальное напряжение на истоке выводного транзистора. Измерив напряжение, мы получим значение лишь на выводе истока, но фактически исток транзистора соединяется с источником напряжения через индуктивность вывода. В абсолютном выражении проводник, расположенный над заземленным проводником в свободном пространстве, обладает индуктивностью 0,8 нГн/мм; таким образом, между источником напряжения и истоком транзистора присутствует индуктивность порядка 3…5 нГн. Большие корпуса транзисторов, например, TO220, как правило, имеют большие значения индуктивности истока.

Индуктивность истока обладает свойством оказывать противодействие как при включении транзистора, так и при его выключении. Процессы, возникающие при выключении, гораздо заметнее из-за больших токов, протекающих через устройство, и большей энергии, запасенной в индуктивности истока.

В момент выключения транзистора индуктивность истока пытается сохранить ток в соответствии с выражением V = -Ldi/dt. Отсюда следует, что полярность напряжения на индуктивности изменяется мгновенно, как только MOSFET прерывает ток, протекающий через него. До выключения транзистора напряжение на индуктивности истока имело положительный потенциал на кристалле и отрицательный потенциал на выводной рамке транзистора. После выключения, в течение непродолжительного времени, потенциалы на концах индуктивности истока меняются местами. На конце индуктивности, присоединенной к выводной рамке, образуется положительный потенциал. В течение этого периода это напряжение добавляется к напряжению управления затвора.

Несмотря на то, что сигнал управления выключением транзистора выбирает путь наименьшего сопротивления, напряжение от индуктивности истока добавляется к низкому напряжению от драйвера, и тем самым создает паразитный сигнал управления состоянием затвора.

Если это паразитное напряжение достаточно высоко, то оно может включить устройство, противодействуя сигналу драйвера затвора (рис. 7)

Рис. 7. Включение транзистора паразитным напряжением, действующим против сигнала драйвера затвора

Для устранения проблем в высокоскоростных схемах применяются безвыводные корпуса, например, корпус PQFN с технологией медной клипсы от International Rectifier, а также корпус DirectFET.

MOSFET в этих корпусах обладают минимальными индуктивностями истока. В устройствах, которые требуют применения выводных компонентов, мы можем подавать на затвор отрицательное напряжение запирания. При наличии достаточного отрицательного напряжения на затворе паразитный импульс не способен сместить потенциал V_G до порогового значения.

В таблице 1 приведены параметры двух новых MOSFET компании IR – IRF6708S и IRF6728M, которые выполнены в корпусе DirectFET малого и среднего размера, соответственно. Их использование позволяет уменьшить размер печатной платы, а также снизить общую стоимость системы. Технология корпусирования DirectFET позволяет получить минимальные сопротивления контактов и паразитные индуктивности выводов, а также обладает высокой эффективностью отвода тепла от кристалла за счет двустороннего охлаждения и других конструктивных особенностей.

Таблица 1. Параметры новых MOSFET компании International Rectifier 

Наименование	VDS, В	RDS(ON) тип. @10 В, мОм	RDS(ON) тип.@4,5 В, мОм	VGS, В	QG тип. @ 4,5 В, нКл	QG тип. @10 В, нКл
IRF6728M	30	1,8	2,8	± 20	20	8,7
IRF6708S2	30	7,5	12	± 20	6,6	2,2

Ранее мы упоминали диод, который образуется в p-n-переходе MOSFET между n- областью стока и p-каналом истока. Как и любой другой диод, он обладает временем обратного восстановления (рис. 8).

Рис. 8. Типовой график времени обратного восстановления внутреннего диода

Основными параметрами этого диода являются t_RR и Q_RR, и условия, при которых они были измерены.

Когда транзистор верхнего плеча в синхронном понижающем преобразователе выключается, индуктивность начинает разряжаться через внутренний диод транзистора нижнего плеча. Это режим потерь, который минимизируют за счет быстрого включения транзистора нижнего плеча. Канал транзистора нижнего плеча открывается и отбирает весь ток на себя, диод закрывается.

Ток обратного восстановления MOSFET течет через канал наряду с током выброса от индуктивности. Суммарный ток может негативно повлиять на область безопасной работы прибора.

Может показаться, что единственным вариантом является выбор MOSFET с наиболее низкими Q_RR и/или t_RR. Это не так.

Параллельно внутреннему диоду можно подключить внешний диод с более низким напряжением V_F: таким образом, ток потечет в обход внутреннего диода. MOSFET со встроенным диодом Шоттки, называемые FETky, предполагают наличие внутреннего диода Шоттки, включенного параллельно с внутренним диодом, он выполняет ту же самую роль. Прямое напряжение V_F диода Шоттки гораздо меньше, чем у обычного p-n-перехода. Таким образом, Шоттки шунтирует ток выброса. Поэтому быстрый диод Шоттки необходим для уменьшения Q_RR. В высоковольтных приложениях, для которых FETkeys не производятся, можно включить внешний диод Шоттки необходимого или большего напряжения параллельно с внутренним диодом с минимальной индуктивностью.

Лавинный пробой

Самый простой способ объяснить лавинный пробой – использовать flyback-конвертер (рис. 9).

Рис. 9. Схема flyback-преобразователя для демонстрации лавинного процесса

Предположим, что структура цепочки RCD, используемая, чтобы минимизировать выбросы напряжения через переключающийся MOSFET, не является внутрисхемной. Кроме того, узел между стоком MOSFET и индуктивностью первичной обмотки разблокирован.

Когда MOSFET включается, в первичной обмотке начинает нарастать ток в соответствии с выражением V = -Ldi/dt. Когда транзистор выключается, полярность напряжения на катушке мгновенно изменяется, добавляясь к напряжению B+. Катушка перекачивает напряжение обратно, чтобы поддержать ток и разрядить первичную индуктивность.

С разблокированным стоком напряжение VDS близко или немного выше напряжения B+, в этом случае мы наблюдаем лавинный пробой (рис. 10).

Рис. 10. Ограниченный лавинный процесс во Flyback-преобразователе

Лавинный пробой – когда напряжение на MOSFET повышается быстро и затем отсекается на некотором уровне выше напряжения V_DS (обычно 110…115% от V_DS). Отсечка происходит, когда напряжение пробоя внутреннего диода MOSFET ограничивает увеличение напряжения. Подтверждением является плоская вершина формы всплеска напряжения.

Лавинный пробой происходит из-за наличия индуктивности. Например, соленоид или двигатель испытывают аналогичный скачок напряжения при открытии ключа с разблокированной нагрузкой.

Существует немало статей на тему лавинного пробоя, в которых подробно описаны методики проектирования и расчета подобных цепей.

Важное отступление по сравнению транзисторов по параметрам лавинного пробоя. Раньше для оценки и тестирования старых транзисторов использовали в качестве нагрузки большие значения индуктивности, для тестирования новых транзисторов используют значительно меньшие величины. Данные различия нужно учитывать, когда производится сравнение транзисторов по параметрам лавинного пробоя, так как новые полевые транзисторы на первый взгляд будут выглядеть значительно хуже по характеристикам, чем более старые.

Линейный режим работы

Рассмотрим работу MOSFET в линейном режиме.

На рис. 11 в логарифмическом масштабе на горизонтальной оси отложены значения напряжения «сток-исток» V_DS, на вертикальной оси – значения тока стока I_D. Кривая области безопасной работы описывает прямо-смещенную характеристику MOSFET-транзистора.

Рис. 11. Область безопасных режимов MOSFET

Положительный наклон в первой декаде I_D/V_DS отражает постоянное сопротивление R_DS(ON), отрицательный – постоянную мощность. При низком напряжении MOSFET не может провести номинальный ток из-за сопротивления канала R_DS(ON) и низкого значения V_DS. Постоянное сопротивление R_DS(ON) показано линейно в первой части кривых (линия зеленого цвета) области безопасной работы.

Вторая часть кривой (серая линия) отражает максимальный ток через транзистор. Третья часть (синяя линия) — постоянная мощность MOSFET.

Четвертая часть (линии розового и фиолетового цветов) никогда не описывались, исключение составляют лишь самые новые технические описания у компании IR. Этот сегмент имеет отрицательный наклон свыше постоянной мощности. По сути это выглядит как вторичный пробой в биполярном транзисторе, но это не так. Здесь показана область стабильной работы транзистора в стабильном состоянии – напряжение V_DS выше, а ток I_D ниже максимально допустимого. Большинство импульсных устройств не работают в этом состоянии. В импульсном источнике питания транзистор находится либо во включенном состоянии, с низким V_DS и высоким током (левая верхняя линия области безопасной работы), либо выключен.

Вторая точка перелома на кривой области безопасной работы показывает границу Спирито. Эта точка перегиба возникает из-за микроскопических особенностей транзистора. MOSFET состоит из множества тысяч параллельных ячеек, каждая ячейка обладает примерно одинаковыми значениями V_DS и V_GS. Единственный параметр, который отличает ячейку от ячейки – усиление. Когда MOSFET находится в режиме насыщения, то разность в усилении не существенна. Но это заметно в линейном режиме. Ячейка с большим усилением пропускает больший ток, что вызывает локальный перегрев. Решением является перевод транзистора в насыщение, тогда ячейки оптимально распределяют ток, не вызывая перегревов. Наиболее оптимально работают в линейном режиме ранние планарные MOSFET. Обладая низкой плотностью ячейки и низким коэффициентом усиления, они лучше распределяют поток тепла на большой площади, что меньше сказывается на параметрах MOSFET в линейном режиме. Ранние планарные транзисторы (рис. 12) лучше подходят для линейных режимов работы, чем Trench-приборы.

Рис. 12. Сравнение технологий при работе в линейном режиме

Лучше всего это иллюстрируется в сравнении трех различных технологических процессов – ранняя планарная технология, обновленная планарная технология, и Trench-технология.

Для MOSFET, работающих в линейном режиме с постоянным напряжением «затвор-исток» V_GS, током стока I_D и температурой, повышение температуры (с сохранением постоянного значения V_GS) и увеличение тока приводит к тепловому уходу и нестабильности. И наоборот, уменьшение тока с ростом температуры приводит к повышению стабильности работы транзисторов в линейном режиме.

На графике ранних планарных MOSFET четко видна точка пересечения, после которой нагрев вызывает тот же или меньший ток для данного значения напряжения V_GS. Этого эффекта не наблюдается у MOSFET с обновленной планарной технологией и у Trench.

Обновленные планарные и Trench-MOSFET не подходят для технологий hot-swap и линейного регулирования, так как они тут же выйдут из линейного режима. Эти приложения требуют MOSFET ранней планарной технологии.

Инженеры по применению КОМПЭЛ могут дать вам ответ о технологии производства конкретного MOSFET и о возможности его применения в той или иной схеме.

Данный обзор должен помочь в решении множества проблем при создании прототипов устройств. И хотя не было затронуто большое количество параметров и основных направлений, была предпринята попытка объяснить основные механизмы, взаимодействия, и возможные пути решения возникающих проблем. Независимо от того проектируется ли DC/DC-преобразователь или схема hot-swap, этот материал будет полезен на всех уровнях, от миниатюрных до многоваттных устройств.

Инженеры компании International Rectifier разработали удобный online-инструмент (он находится на сайте http://www. irf.com/: Design Support ® SyncBuck MOSFET Tool) по выбору оптимальной пары MOSFET для понижающих синхронных преобразователей. Введя все необходимые для расчета данные, вы получите список рекомендуемых транзисторов с кратким перечнем их параметров, типа корпуса и ориентировочной стоимостью.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка – e-mail: [email protected]

•••

Руководство по покупке

MOSFET – Что такое MOSFET?

PMOS Logic

Как упоминалось ранее, интеграция MOSFET обеспечивает более высокий уровень эффективности схемы по сравнению с BJT. P-канальные МОП-транзисторы могут использоваться с логикой PMOS для реализации цифровых схем и логических элементов.

Логика NMOS

Логика NMOS аналогична логике PMOS за исключением того, что N-канальные полевые МОП-транзисторы применяются к логическим элементам и соответствующим цифровым схемам. Как правило, N-канальные МОП-транзисторы могут быть меньше, чем P-канальные МОП-транзисторы, что делает их более привлекательными в определенных ситуациях. Однако логика NMOS постоянно потребляет энергию, а логика PMOS — нет.

КМОП-логика

Комплементарная логика металл-оксид-полупроводник (КМОП) — это технология, используемая для производства интегральных схем. Такие схемы присутствуют в ряде электрических компонентов и, как известно, генерируют электроэнергию. Как P-, так и N-канальные МОП-транзисторы используются в сочетании с подключенными затворами и стоками для снижения энергопотребления и избыточного тепловыделения.

МОП-транзисторы с режимом истощения

МОП-транзисторы с режимом истощения относятся к менее распространенным типам МОП-транзисторов. Они имеют низкое сопротивление канала, при этом канал считается включенным. При установке в состояние отсутствия питания эти переключатели будут работать в соответствии со своей конструкцией. Сопротивление канала будет линейным, с малыми искажениями во всем диапазоне амплитуд сигнала.

МДПТ

Все МОП-транзисторы являются МДПТ (полевыми транзисторами с металлическим изолятором и полупроводником), но не все МОП-транзисторы являются МОП-транзисторами. Диалектический изолятор затвора, используемый в этом типе компонента, представляет собой диоксид кремния в полевом МОП-транзисторе, однако можно использовать и альтернативные материалы. Диалектика затвора расположена под электродом затвора и над каналом MISFET.

МОП-транзисторы с плавающим затвором (FGMOS)

МОП-транзистор с плавающим затвором имеет затвор с электронной изоляцией. Это приводит к созданию плавающего узла в постоянном токе вместе с рядом вторичных входов затвора, расположенных над плавающим затвором. Среди различных других применений FGMOS обычно используется в качестве ячейки памяти с плавающим затвором.

Мощные полевые МОП-транзисторы

Силовые полевые МОП-транзисторы имеют вертикальную, а не плоскую структуру. Это позволяет транзистору одновременно поддерживать высокое запирающее напряжение и большой ток. Номинальное напряжение транзистора напрямую соответствует легированию и толщине N-эпитаксиального слоя, а номинальный ток зависит от ширины канала. Существует также прямая связь между площадью компонента и уровнем тока, который может поддерживать этот тип устройства. Мощный полевой МОП-транзистор обеспечивает низкую функциональность привода затвора, высокую скорость переключения и расширенные возможности параллельного подключения.

DMOS

Эти полупроводники на основе оксидов металлов с двойной диффузией бывают поперечными и вертикальными. Большинство мощных полевых МОП-транзисторов построено с использованием этой технологии.

МОП-конденсаторы

Конденсатор этого типа имеет структуру МОП-транзистора, при этом МОП-конденсатор окружен двойным P-N переходом. Обычно он используется в качестве конденсатора для хранения чипа памяти и поддержки устройства с зарядовой связью (ПЗС) в технологии датчика изображения.

TFT

Тонкопленочный транзистор (TFT) — это уникальный тип MOSFET. Создание этой разновидности предполагает нанесение тонких полупроводниковых пленок в сочетании с диалектическим слоем и металлическими контактами на несущую подложку. Можно использовать ряд полупроводниковых материалов, наиболее распространенным из которых является силикон. Их можно сделать полностью прозрачными, и они используются в производстве видеопанелей.

Биполярные МОП-транзисторы

BiCMOS — это интегральная схема, состоящая из транзисторов BJT и CMOS на одном кристалле. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) имеет те же функции, что и MOSFET и биполярный переходной транзистор (BJT).

МОП-датчики

Ряд МОП-датчиков был разработан для точного измерения физических, химических, биологических параметров и параметров окружающей среды. Примеры включают полевой транзистор с открытым затвором (OGFET), ионно-чувствительный полевой транзистор (ISFET), полевой транзистор с газовым датчиком, транзистор потока заряда (CFT) и полевой транзистор с модифицированным ферментом. Обычно используемые датчики, используемые для цифровых изображений, включают устройство с парой зарядов (CCD) и датчик с активными пикселями (датчик CMOS).

Полевые транзисторы с несколькими затворами

Двухзатворный полевой МОП-транзистор имеет тетродную конфигурацию, при этом уровень тока контролируется двумя затворами. Обычно он используется для устройств со слабым сигналом в радиочастотных приложениях, которые требуют снижения потерь усиления, связанных с эффектом Миллера. Этот эффект возникает при замене отдельных транзисторов в каскодной конфигурации.

RHBD

Транзистор закрытой компоновки (ELT) довольно часто используется для создания устройства с радиационной стойкостью (RHBD). Затвор MOSFET обычно окружает сток, расположенный близко к центру ELT. В этом случае исток MOSFET окружает затвор. H-затвор — это еще один тип полевого МОП-транзистора, который обеспечивает минимальную утечку излучения.

Обозначение, работа, типы и различные упаковки

Силовая электроника Компоненты переключения, такие как BJT, MOSFET, IGBT, SCR, TRIAC и т. д., являются важными устройствами, используемыми при разработке многих схем, начиная от простой схемы драйвера и заканчивая сложными силовыми выпрямителями и инверторы. Самым основным из них является BJT, и мы уже изучили работу транзисторов BJT. Помимо BJT, широко используемыми силовыми ключами являются полевые МОП-транзисторы. По сравнению с BJT, MOSFET может работать с высоким напряжением и большим током, поэтому он популярен среди приложений с высокой мощностью. В этой статье мы узнаем Основы MOSFET, его внутренняя конструкция, как он работает и как использовать их в ваших схемах. Если вы хотите пропустить теорию, вы можете прочитать статью о популярных полевых МОП-транзисторах и о том, как их использовать, чтобы ускорить процесс выбора деталей и проектирования.

 

Что такое МОП-транзистор?

MOSFET расшифровывается как Metal Oxide Field Effect Transistor , MOSFET был изобретен для преодоления недостатков полевых транзисторов, таких как высокое сопротивление стока, умеренное входное сопротивление и медленная работа. Таким образом, MOSFET можно назвать усовершенствованной формой FET. В некоторых случаях МОП-транзисторы также называют 9.0003 IGFET (полевой транзистор с изолированным затвором). С практической точки зрения, МОП-транзистор — это устройство, управляемое напряжением, то есть при подаче номинального напряжения на вывод затвора МОП-транзистор начинает проводить ток через выводы стока и истока. Подробности мы узнаем позже в этой статье.

 

Основное различие между полевыми транзисторами и полевыми МОП-транзисторами заключается в том, что полевой МОП-транзистор имеет электрод затвора из оксида металла, электрически изолированный от основного полупроводника n- или p-канала тонким слоем диоксида кремния или стекла. Изоляция контролирующих ворот увеличивает входное сопротивление МОП-транзистора до чрезвычайно высокого значения в мегаомах (МОм).

 

Обозначение МОП-транзистора

Как правило, МОП-транзистор представляет собой четырехконтактное устройство со стоком (D), истоком (S), затвором (G) и корпусом (B)/подложкой. терминалы. Клемма корпуса всегда будет подключена к клемме источника, поэтому полевой МОП-транзистор будет работать как трехконтактное устройство. На изображении ниже символ N-Channel MOSFET показан слева, а символ P-Channel MOSFET показан справа.

 

Наиболее часто используемым корпусом для MOSFET является корпус To-220, для лучшего понимания давайте взглянем на распиновку знаменитого MOSFET IRF540N (показан ниже). Как видите, выводы Gate, Drain и Source перечислены ниже, помните, что порядок этих выводов будет меняться в зависимости от производителя. Другими популярными МОП-транзисторами являются IRFZ44N, BS170, IRF520, 2N7000 и т. д.

   

MOSFET в качестве переключателя

Наиболее распространенное применение MOSFET в качестве переключателя. На приведенной ниже схеме показан МОП-транзистор, работающий как переключающее устройство для включения и выключения лампы. Входное напряжение затвора V _GS подается с помощью источника входного напряжения. Когда приложенное напряжение положительное, двигатель будет включен, а если приложенное напряжение равно нулю или отрицательное, лампа будет выключена.

 

Когда вы включаете полевой МОП-транзистор, подавая требуемое напряжение на контакт затвора, он останется включенным, пока вы не подадите 0 В на затвор. Чтобы избежать этой проблемы, мы всегда должны использовать подтягивающий резистор (R1), здесь я использовал значение 10 кОм. В таких приложениях, как управление скоростью двигателя или диммирование света, мы будем использовать сигнал ШИМ для быстрого переключения, в этом случае емкость затвора MOSFET создаст обратный ток из-за паразитного эффекта. Чтобы решить эту проблему, мы должны использовать токоограничивающий конденсатор, здесь я использовал значение 470.

 

Вышеупомянутая нагрузка считается резистивной нагрузкой, поэтому схема очень проста, и в случае, если нам нужно использовать индуктивную или емкостную нагрузку, нам нужно использовать какую-то защиту, чтобы предотвратить повреждение МОП-транзистора. Например, если мы используем емкостную нагрузку без электрического заряда, это рассматривается как короткое замыкание, это приведет к высокому «броску» тока, а когда приложенное напряжение снимается с индуктивной нагрузки, будет большое количество обратного напряжения в цепи, когда магнитное поле рушится, это приведет к наведенной обратной ЭДС в обмотке индуктора.

 

Классификация МОП-транзисторов

МОП-транзисторы делятся на два типа в зависимости от типа операций, а именно: Режим расширения MOSFET (E-MOSFET) и Режим истощения 000004 MOSFET MOSFET (MOSFET) эти полевые МОП-транзисторы далее классифицируются на основе материала, из которого они изготовлены, как n-канальные и p-канальные. Итак, в целом существует 4 различных типа МОП-транзисторов

• N-канальный режим истощения МОП-транзисторов
• Режим истощения P-канала MOSFET
• Режим расширения N-канального МОП-транзистора
• Режим расширения P-канала MOSFET

 

N-канальные МОП-транзисторы называются NMOS и обозначаются следующими символами.

Согласно внутренней конструкции полевого МОП-транзистора, выводы затвора (G), стока (D) и истока (S) физически соединены в МОП-транзисторе с режимом истощения, в то время как в режиме расширения они физически разделены. причина, по которой символ отображается сломанным для полевого МОП-транзистора с режимом улучшения. МОП-транзисторы с P-каналом называются 9.0003 PMOS и представлены следующими символами.

Из доступных типов N-Channel Enhancement MOSFET является наиболее часто используемым MOSFET. Но ради познания попробуем разобраться в разнице. Основное различие между N-Channel MOSFET и P-Channel MOSFET заключается в том, что в N-канале переключатель MOSFET остается открытым до тех пор, пока не будет подано напряжение затвора. Когда на вывод затвора подается напряжение, переключатель (между стоком и истоком) замыкается, а в P-Channel MOSFET переключатель остается закрытым до тех пор, пока не будет подано напряжение затвора.

 

Аналогично, основное различие между Enhancement Mode и Depletion Mode MOSFET заключается в том, что напряжение затвора, подаваемое на E-MOSFET, всегда должно быть положительным, и он имеет пороговое напряжение, выше которого он полностью открывается. Для D-MOSFET напряжение на затворе может быть как положительным, так и отрицательным, и он никогда не открывается полностью. Также обратите внимание, что D-MOSFET может работать в режиме расширения и истощения, а E-MOSFET может работать только в режиме расширения.

 

Конструкция MOSFET

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

 

Если вы посмотрите на структуру, вы увидите, что клемма затвора закреплена на тонком металлическом слое, который изолирован слоем диоксида кремния (SiO2) от полупроводника, и вы сможете увидеть два полупроводника N-типа закреплены в области канала, где расположены выводы стока и истока. Канал между стоком и истоком полевого МОП-транзистора является N-типом, в противоположность этому подложка выполнена как P-типа. Это помогает смещать МОП-транзистор в обеих полярностях, как положительной, так и отрицательной. Если вывод затвора MOSFET не смещен, он останется в непроводящем состоянии, поэтому MOSFET в основном используется при разработке переключателей и логических элементов.

 

Принцип работы MOSFET

В общем, MOSFET работает как переключатель, MOSFET управляет напряжением и током между истоком и стоком. Работа МОП-транзистора зависит от МОП-конденсатора , который представляет собой поверхность полупроводника под оксидными слоями между выводами истока и стока. Его можно преобразовать из p-типа в n-тип, просто подав положительное или отрицательное напряжение затвора соответственно. На изображении ниже показана блок-схема MOSFET.

 

 

Когда напряжение сток-исток (V _DS ) подключено между стоком и истоком, на сток подается положительное напряжение, а на исток подается отрицательное напряжение. Здесь PN-переход на стоке смещен в обратном направлении, а PN-переход на истоке смещен в прямом направлении. На этом этапе между стоком и истоком не будет никакого тока.

 

Если подать положительное напряжение (В _GG ) к клемме затвора, из-за электростатического притяжения неосновные носители заряда (электроны) в подложке P начнут накапливаться на контакте затвора, который образует проводящий мостик между двумя n+ областями. Количество свободных электронов, накопленных на затворном контакте, зависит от силы приложенного положительного напряжения. Чем выше приложенное напряжение, тем больше ширина n-канала, образующегося за счет накопления электронов, это в конечном итоге увеличивает проводимость и ток стока (I _D ) начнет течь между истоком и стоком.

 

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

  

Работа МОП-транзистора в режиме истощения: 

МОП-транзисторы, работающие в режиме истощения, обычно называют «включенными», поскольку они обычно находятся в закрытом состоянии, когда на клемме затвора отсутствует напряжение смещения. Когда мы увеличиваем приложенное напряжение к затвору в положительном направлении, ширина канала будет увеличиваться в режиме истощения. Это увеличит ток стока I _D через канал. Если приложенное напряжение затвора сильно отрицательное, то ширина канала будет меньше, и полевой МОП-транзистор может войти в зону отсечки.

 

ВАХ:

ВАХ полевого МОП-транзистора , работающего в режиме обеднения, показаны между напряжением сток-исток (V _DS ) и током стока (I _D ). Небольшое напряжение на клемме затвора будет контролировать ток, протекающий через канал. Канал, образованный между стоком и истоком, будет работать как хороший проводник с нулевым напряжением смещения на выводе затвора. Ширина канала и ток стока увеличиваются, если на затвор подается положительное напряжение, тогда как они уменьшаются, когда на затвор подается отрицательное напряжение.

 

Работа полевого МОП-транзистора в расширенном режиме:

Работа полевого МОП-транзистора в расширенном режиме аналогична работе разомкнутого переключателя, он начнет проводить только при положительном напряжении (+В _GS ) подается на вывод затвора, и через устройство начинает протекать ток стока. Ширина канала и ток стока увеличиваются при увеличении напряжения смещения. Но если приложенное напряжение смещения равно нулю или отрицательно, транзистор сам останется в выключенном состоянии.

 

Характеристики VI:

Характеристики VI полевого МОП-транзистора в расширенном режиме показаны между током стока (I _D ) и напряжением сток-исток (V _DS ). Характеристики VI разделены на три различных области, а именно омические области, области насыщения и области отсечки.