Полевой транзистор в ключевом режиме: Работа MOSFET в ключевом режиме. Модуль 140C07.- Elektrolife

Работа MOSFET в ключевом режиме. Модуль 140C07.- Elektrolife

Эта статья поможет разобраться в свойствах полевых  транзисторов с изолированным затвором — MOSFET при работе в ключевом режиме. Разберем подробно процесс включения и выключения, возможные потери при работе транзистора.  Поближе посмотрим на MOSFET модуль 140C07, изучим его схему и возможности.

Сегодня на основе полевых транзисторов с изолированным затвором (MOSFET — Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) построено большинство схем электроники, входят в состав большого круга различных изделий от микропроцессоров до силовых модулей. Несмотря на то, что технология появилась еще до биполярных транзисторов, на практике их начали использоваться только в 70-х годах.

В цифровых и силовых устройствах использование полевых транзисторов более популярно, и это понятно. Во-первых, полевыми транзисторами легко управлять — их управляющий электрод изолирован от области тока нагрузки, и для поддержания его в открытом состоянии энергии не требуется вообще.

Когда полевой транзистор открывается, его управляющий ток практически равен нулю. Заряд, необходимый для переключения, значительно снижен и, соответственно, снижено время его переноса. Это в огромной степени снижает проблемы с излишним падением напряжения на приборе в режиме ожидания — и резко уменьшает время выключения транзистора. Использование полевых транзисторов оказывается значительно более энергоэффективным.

Важным свойством полевого транзистора для силовой электроники — является то, что канал полевого транзистора ведет себя как резистор, то есть падение напряжения между стоком и истоком изменяется линейно от протекающего через канал тока. Это линейное соотношение характеризуется сопротивлением канала в открытом состоянии RDS(on) (обычно указывается в даташите).

Это сопротивление является константой при заданном напряжении сток/исток и температуре кристалла. В отличии от биполярного транзистора, где сопротивление с ростом температуры падает, сопротивление открытого канала полевого транзистора имеет положительный температурный коэффициент.

С ростом температуры ток уменьшается. Сопротивление изменяется до 1% на градус по Цельсию. Другими словами, при параллельном включении силовых ключей ток, проходящий через каждый ключ, автоматически выравнивается. Транзистор, ток через который больше, нагревается больше, а поскольку напряжение на всех ключах одинаковое, то это приводит к уменьшению тока через его канал. В результате достигается равновесие, когда ток через все параллельно включенные транзисторы становится одинаковым.

Работа в ключевом режиме

В ключевом режиме работы полевого транзистора основной целью является его переключение между состояниями с наибольшим и наименьшим сопротивлением за минимально возможное время. Как и

биполярные транзисторы, MOSFET содержат в себе три паразитные емкости, включенные между выводами прибора. Возможности быстрого переключения полевого транзистора зависят от того, как быстро эти емкости могут перезаряжаться.

В устройствах с высокими скоростями переключения наиболее важными параметрами полевого транзистора являются характеристики этих паразитных конденсаторов.

В документации на транзистор, т.е. в даташите обычно значение этих емкостей не указываются. Зато указывают другие:

Input Capacitance – Ciss (Входная емкость)

Output Capacitance – Coss (Выходная емкость)

Reverse Transfer Capacitance – Crss (Емкость обратной передачи)

Из них можно получить:

Сзс = Crss

Сзи = Ciss – Crss

Сис = Coss – Crss

Немаловажным параметром также является внутреннее сопротивление вывода затвора Rзвн. Это паразитное сопротивление включено последовательно с входным сигналом и находится внутри корпуса, и при высоких скоростях переключения имеет влияние, поскольку расположено оно между внешним драйвером и входной емкостью транзистора и, следовательно, прямо влияет на скорость переключения. К сожалению, не указывается в документации на транзисторы.

 Еще одним важным параметром является порог открывания транзистора Vth (Gate Threshold Voltage). Его значения даются для тока исток/сток 250 мкА при температуре 25 градусов по Цельсию.

Поскольку силовые полевые транзисторы обычно работают при повышенных температурах, при разработке схем управления необходимо учитывать наименьшее значение Vth для гарантированного выключения транзистора и его способности оставаться в этом состоянии при резких изменениях напряжения.

Включение

Давайте рассмотрим, как происходит включение транзистора. Весь процесс состоит из четырёх этапов.

 На первом заряжается входная емкость транзистора от 0В до Vth. В течении этого времени большая часть затворного тока идет на заряд конденсатора Cзи, и небольшой ток течет через конденсатор Cзс (напряжение на затворе увеличивается и напряжение на Cзс слегка уменьшается). На этом этапе происходит задержка включения (turn-on delay), поскольку не изменяется ни ток исток/сток через транзистор, ни напряжение на нем. Как только напряжение на затворе достигает порогового уровня Vth, транзистор начинает проводить ток.

На втором этапе входное напряжение возрастает от Vth до уровня напряжения вызванного эффектом Миллера Vmiller.

Это напряжение можно рассчитать по формуле:

Vmiller = Vth + Id/gfs,

где gfs – крутизна, Id – максимальный ток через полевой транзистор в линейном режиме. Эти параметры обычно можно найти в даташите. Второй этап – это линейный режим работы транзистора — выходной ток прямо пропорционален входному напряжению. На стороне затвора, как и на первом этапе, ток течет через Cзи и Cзс. Через транзистор начинает протекать ток, но напряжение на стоке остается фактически  неизменным. Транзистор еще не способен пропустить ток, достаточный для снижения напряжения, напряжение на стоке зафиксировано на уровне входного напряжения.

Третий этап начинается, когда напряжение на затворе достигает величины Vmiller, достаточной для начала прохождения тока через транзистор. Напряжение на стоке начинает падать, напряжение на затворе остается постоянным. Весь ток, на который способен драйвер, идет на перезаряд емкости Cзс для обеспечения максимально быстрого изменения напряжения сток-исток.

Ток через транзистор теперь остается постоянным и ограничен величиной Id.

Последний этап процесса включения полевого транзистора — максимальное уменьшение сопротивления канала из-за дальнейшего увеличения напряжения на затворе. Напряжение на затворе увеличивается от Vmiller до своего максимального значения Vдрайв, и весь входной ток идет на дальнейший заряд Cзи и перезаряд Cзс. Выходной ток при этом остается неизменным, а напряжение сток-исток еще немного уменьшается, поскольку уменьшается сопротивление канала.

Выключение

Выключение полевого транзистора – это те же четыре этапа только наоборот. Перед выключением транзистор пропускает через себя весь ток нагрузки и напряжение на нем определяется падением от тока нагрузки на сопротивлении открытого канала RDS(on)

Первый этап, известный как задержка выключения (Turn-Off Delay Time), характеризуется разрядом входной емкости транзистора Ciss с начального уровня до уровня напряжения Vmiller.

Ток драйвера протекает через паразитные емкости Cзи и Cзс. Ток через транзистор остается неизменным, а напряжение сток-исток слегка увеличивается (увеличивается сопротивление открытого канала).

На втором этапе напряжение сток-исток транзистора увеличивается до максимального значения, т.е. до уровня напряжения на нагрузке, включенной через ключ полевого транзистора.  Весь ток драйвера идет на перезаряд конденсатора Cзс, поскольку напряжение на затворе остается постоянным, а напряжение на стоке возрастает.

Третий этап. Напряжение на затворе падает от Vmiller до Vth, и основной ток драйвера идет на разряд емкости Cзи, поскольку Cзс практически полностью перезарядился в течении предыдущего этапа. Транзистор находится в линейном режиме, и уменьшение напряжения на затворе приводит к уменьшению тока исток/сток, который падает практически до нуля в конце этого периода. Напряжение на стоке транзистора остается неизменным.

На последнем четвертом этапе напряжение и ток через транзистор неизменны.

Входная емкость транзистора (в основном образованная конденсатором Cзи) продолжает разряжаться до нуля.

Потери

Силовой ключ рассеивает значительную мощность в короткие периоды переключения, а именно когда транзистор находится в линейном режиме, как при включении, так и при выключении. Для уменьшения потерь необходимо сокращать время переключения. Линейный режим работы транзистора ограничен 2 и 3 этапами. Здесь наиболее важен выходной (как втекающий, так и вытекающий) ток при выходном напряжении в районе Vmiller.  Именно при этом значении выходного напряжения мы должны обеспечить максимальный выходной ток для минимизации времени нахождения устройства в линейном режиме и минимизации потерь.

Несмотря на то, что мы знаем какие процессы протекают при переключении, все же очень сложно рассчитать все потери при переключении. Все дело в том, что внутри полевого транзистора кроются не только паразитные емкости, но и индуктивности. Они значительно меняют формы токов и напряжений.

В цепи затвора паразитная индуктивность проявляется следующим образом.

В начале процесса переключения полевого транзистора ток затвора нарастает с очень высокой скоростью, но наличие на пути этого тока паразитной индуктивности замедляет этот процесс. Соответственно, увеличивается и время, необходимое для перезаряда входной емкости, т.е. увеличиваются задержки на включение/выключение транзистора. Контур, показанный на рисунке ниже, возбуждается крутым фронтом управляющего сигнала, и именно это является причиной возникновения высокочастотного дребезга, иногда наблюдающегося в схемах.

 Действие контура, образованного Ls и Ciss, может быть погашено небольшими сопротивлениями в цепи затвора — выходным сопротивление драйвера и резисторами в цепи затвора — внешним и внутренним (Rз и Rзвн).  (Значение Ls указано в даташите).

Использование слишком маленького резистора Rз приведет к наличию выброса на фронтах управляющего сигнала, но скорость переключения транзистора будет высокой.

Если резистор будет слишком большой, выброса не будет, но скорость переключения упадет без всякого улучшения качества работы схемы управления.

Можно попробовать рассчитать оптимальное значение резистора затвора:

Rз = 2*√ Ls/Ciss – (Rдрайв + Rзвн)

(Во многих расчетах фигурирует сопротивление внутреннего затворного резистора, но оно никогда не специфицируется в документации. Это сопротивление зависит от материала подводящего вывода и конструкции корпуса.)

Паразитная индуктивность проявляется также при быстром изменении тока затвора. Этот эффект проявляется на втором этапе при включении транзистора и на третьем этапе при его выключении. В течении этих периодов напряжение на затворе находится в диапазоне между Vth и Vmiller, а ток затвора определяется напряжения на полном сопротивлении затвора, Vдрайв-Vзи. Резко изменяющийся ток протекает через индуктивность цепи затвора, генерируя на ней напряжение. Это напряжение вычитается из напряжения на затворе, уменьшая ток затвора и, соответственно, скорость переключения транзистора.

Скорость изменения тока через транзистор уменьшается.

Паразитная индуктивность цепи стока — тоже образуется из нескольких компонентов.

Сюда входит внутренняя индуктивность вывода стока и индуктивность внешних элементов — подводящих проводников и индуктивность нагрузки. Все они могут рассматриваться совместно, поскольку включены последовательно. При открывании транзистора они ограничивают скорость нарастания тока и понижают напряжение на ключе на Ld·di/dt.

Фактически, паразитная индуктивность стока значительно понижает динамические потери при включении транзистора. Высокое значение Ld благоприятно при включении транзистора, при его выключении приводит к большим проблемам. Быстро спадающий ток генерирует на этой индуктивности скачки напряжения, которые, приводят к выбросу напряжения на стоке и существенно увеличивают динамические потери в ключе. (Значение Ld также указывается в даташите).

Несколько слов о резисторе между затвором и истоком. Есть ситуации, когда мы должны защищать полевой транзистор от триггерного включения при высоких скоростях изменения напряжения на нем. В этом случае обычно бывает достаточно включить резистор между истоком и затвором. Этот резистор может быть рассчитан для худшего случая по следующей формуле:

Итак Rзи ˂ Vth/Crss *(dV/dt)вкл

Нельзя ставить слишком большое сопротивление Rзи, потому как мощность наводок (в т.ч. и через электрические поля, и через магнитные поля) может стать сопоставимой с подводимой управляющей мощностью. И это может стать причиной самопроизвольного включения.

Характеристики от производителя

Напряжение управления: 3,3 В, 5 В

Выходное напряжение нагрузки: 0-24 В
Ток выходной нагрузки: <5A (Если больше нужно добавить теплоотвод)

В основе модуля находится n-канальный MOSFET IRF520. Согласно техническому описанию, это мощный полевой транзистор с изолированным затвором, обеспечивающий быстрое переключение, имеющий прочную конструкцию, низкое сопротивление и экономическую эффективность.

Рассеиваемая мощность примерно до 50 Вт.

Напряжение исток-сток ограничено 100 вольтами.

Максимальное напряжение Vз = 20 В

Сила тока Id при температуре 25 градусов по Цельсию и напряжении на затворе 10 вольт – 9.2 А

Значения паразитных емкостей при Vз= 0 вольт, Vси=25 вольт:

Ciss = 360 pF
Coss = 150 pF
Crss = 34 pF

MOSFET IRF520

Значение паразитных индуктивностей:

LS = 7.5 nH
LD = 4.5 nH

Напряжение Vth при Vис = Vзи, ID = 250 μA минимум 2 вольта, максимум – 4.

Крутизна gfs (при Vис = 50 V, ID = 5.5 A) = 2,7 S

На рисунке ниже показана схема соединения элементов модуля. Для удобства монтажа модуль содержит коннекторы под отвертку для присоединения нагрузки и источника питания нагрузки. Для подачи управляющего сигнала используется трехштыревой коннектор, средняя ножка VSS которого не используется.

Сигнал управления подается на выводы SIGN и GND. Для визуального контроля присутствия напряжения на затворе включен через ограничительный резистор красный SMD-светодиод. Также в цепь затвор/исток включен резистор на 1 кОм.

Он защитит транзистор от резкого нарастания напряжения на нем, а также уменьшит напряжения затвора до нуля, при отключении входного сигнала. Ну, и к тому же не даст транзистору самопроизвольно открыться при присутствии электромагнитных наводок. Правда, наличие этого резистора накладывает некоторые ограничения на величину сопротивления Rдрайв_on + Rз, особенно при подаче управляющего сигнала амплитудой 3,3 вольта.  Сопротивление Rдрайв_on + Rз совместно с Rзи образуют

делитель напряжения, который может существенно уменьшить напряжение управляющего сигнала.  В этом случае Rз лучше не использовать. А при амплитуде сигнала управления 5 вольт использовать рекомендуемые параметры указанные в даташите. (Rз = 18 Ом при максимальном токе нагрузки).   Иначе транзистор не будет открываться до конца, а это лишние потери, перегрев и, как следствие, возможный выход из строя. 

Зная пороговое значение Vth можно попытаться вычислить значение напряжения на затворе Vmiller, т.е. напряжение при котором ток стока перестает нарастать. Напоминаю Vmiller = Vth + Id/gfs. Отношение  Id/gfs будет равно 5,5/2,7=2,03. Если взять минимальное пороговое значение Vth=2 вольта, то  Vmiller будет равно 4,03 вольта. Отсюда следует сделать вывод, что управляющее напряжение должно быть более 4 вольт для исключения работы транзистора в линейном режиме. Особенно это важно при больших токах нагрузки и больших частотах переключения. Заверенное продавцом управляющее напряжение 3,3 вольта не откроет транзистор полностью и не рекомендуется.  

Заменой транзистору IRF520 может служить транзистор IRF1404, который имеет схожие значения Vth, но при этом гораздо более низкое сопротивление открытого канала, а именно 0.004Ω (у IRF520 — 0.27Ω). Для управления малыми токами подойдет 2n7000.

Коммутируемые токи до 350 мА, сопротивление открытого канала 5-6 Ом. Зато Vth минимальное — 0,8 вольта, максимальное — 3 вольта, т.е. для управления вполне подойдет напряжение 3,3 вольта.

Ниже приведены измеренные зависимости тока стока от амплитуды управляющего сигнала на затворе вышеперечисленных транзисторов. Температура 25 градусов по Цельсию. Нагрузкой выступили три светодиода с общим максимальным током 60 мА. Напряжение исток/сток 12 вольт. Ну, и разумеется, необходимо учитывать погрешности мультиметра.

IRF520
Vз, В	Ток, Id
1.1	0
1.2	0
1.3	0
1.4	3 мкА
1.5	7 мкА
1.6	35 мкА
1.7	108 мкА
1.8	276 мкА
1.9	640 мкА
2	2,3 мА
2.1	6,1 мА
2. 2	15 мА
2.3	47 мА
2.4	55 мА
2.5	более 60 мА

IRF1404
Vз, В	Ток, Id
1.1	1 мкА
1.2	24 мкА
1.3	84 мкА
1.4	0,8 мА
1.5	1,9 мА
1.6	7,4 мА
1.7	17 мА
1.8	20,1 мА
1.9	40,1 мА
2	54 мА
2.1	более 60 мА

2n7000
Vз, В	Ток, Id
1	0
1.1	1 мкА
1.2	16 мкА
1.3	35 мкА
1.4	95 мкА
1.5	378 мкА
1. 6	900 мкА
1.7	1,3 мА
1.8	2,2 мА
1.9	4 мА
2	5,5 мА
2.1	9 мА
2.2	11,6 мА
2.3	15,4 мА
2.4	21,2 мА
2.5	31,1 мА
2.6	38,8 мА
2.7	50 мА
2.8	более 60 мА

Ссылки на основные компоненты:

MOSFET-модуль 140C07

Транзистор IRF1404

Транзистор 2N7000

Транзистор IRF520 и др.

Полевой резистор в влючевом режиме. Ключ на биполярном транзисторе. Нагрузочная прямая.

Что такое электронный ключ?

Ключ – это, если упростить, обыкновенный выключатель. С его помощью замыкается и размыкается электрическая цепь. У биполярного транзистора имеется три вывода:

1. Коллектор.
2. Эмиттер.
3. База.

На биполярных полупроводниках строятся электронные ключи – конструкция простая, не требует наличия большого количества элементов. При помощи переключателя осуществляется замыкание и размыкание участка цепи. Происходит это с помощью сигнала управления (который вырабатывает микроконтроллер), подаваемого на базу транзистора.

Расчет ключа на биполярном транзисторе.

Добавим в схему полезную нагрузку в виде светодиода. Резистор R_к при этом остается на месте, он будет ограничивать ток через нагрузку и обеспечивать необходимый режим работы:

Пусть для включения светодиода нужно подать на него напряжение 3В (U_д). При этом диод будет потреблять ток равный 50 мА (I_д). Зададим параметры транзистора (в реальных схемах эти значения берутся из документации на используемый транзистор):

• Коэффициент усиления по току h_{21э} = 100…500 (всегда задан именно диапазон, а не конкретное значение)
• Падение напряжения на переходе база-эмиттер, необходимое для открытия этого перехода: U_{бэ} = 0. 6 medspace В.
• Напряжение насыщения: U_{кэ medspace нас} = 0.1 medspace В.

Мы берем конкретные значения для расчетов, но на практике все бывает несколько иначе. Как вы помните, параметры транзисторов зависят от многих факторов, в частности, от режима работы, а также от температуры. А температура окружающей среды, естественно, может меняться. Определить четкие значения из характеристик при этом бывает не так просто, поэтому нужно стараться обеспечить небольшой запас. К примеру, коэффициент усиления по току при расчете лучше принять равным минимальному из значений, приведенных в даташите. Ведь если коэффициент в реальности будет больше, то это не нарушит работоспособности схемы, конечно, при этом КПД будет ниже, но тем не менее схема будет работать. А если взять максимальное значение h_{21э}, то при определенных условиях может оказаться, что реальное значение оказалось меньше, и его уже недостаточно для обеспечения требуемого режима работы транзистора.

Итак, возвращаемся к примеру Входными данными для расчета кроме прочего являются напряжения источников. В данном случае:

• E_{вх} = 3.3medspace В. Я выбрал типичное значение, которое встречается на практике при разработке схем на микроконтроллерах. В этом примере подача и отключение этого напряжения осуществляется переключателем S_1.
• E_{вых} = 9medspace В.

Первым делом нам необходимо рассчитать сопротивление резистора в цепи коллектора. Напряжения и ток выходной цепи во включенном состоянии связаны следующим образом:

U_{кэ medspace нас} + U_{R_к} + U_д = E_{вых}

При этом по закону Ома:

U_{R_к} = I_к R_к

А ток у нас задан, поскольку мы знаем, какой ток потребляет нагрузка (в данном случае диод) во включенном состоянии. Тогда:

U_{R_к} = I_д R_кU_{кэ medspace нас} + I_д R_к + U_д = E_{вых}

Итак, в этой формуле нам известно все, кроме сопротивления, которое и требуется определить:

R_к = frac{E_{вых} medspace — medspace U_д medspace — medspace U_{кэ medspace нас}}{I_д} enspace= frac{9 medspace В medspace — medspace 3 medspace В medspace — medspace 0. 1 medspace В}{0.05 medspace А} medspaceapprox 118 medspace Ом.

Выбираем доступное значение сопротивления из стандартного ряда номиналов и получаем R_{к} = 120medspace Ом. Причем важно выбирать именно бОльшее значение. Связано это с тем, что если мы берем значение чуть больше рассчитанного, то ток через нагрузку будет немного меньше. Это не приведет ни к каким сбоям в работе. Если же взять мЕньшее значение сопротивления, то это приведет к тому, что ток и напряжение на нагрузке будут превышать заданные, что уже хуже

Пересчитаем величину коллекторного тока для выбранного значения сопротивления:

I_к = frac{U_{R_к}}{R_к} medspace = frac{9 medspace В medspace — medspace 3 medspace В medspace — medspace 0.1 medspace В}{120 medspace Ом} medspaceapproxmedspace 49.17 medspace мА

Пришло время определить ток базы, для этого используем минимальное значение коэффициента усиления:

I_б = frac{I_к}{h_{21э}} = frac{49.17 medspace мА}{100} = 491.7 medspace мкА

А падение напряжения на резисторе R_б:

U_{R_б} = E_{вх} medspace — medspace 0. 6 medspace В = 3.3 medspace В medspace — medspace 0.6 medspace В = 2.7 medspace В

Теперь мы можем легко определить величину сопротивления:

R_б = frac{U_{R_б}}{I_б}medspace = frac{2.7 medspace В}{491.7 medspace мкА} approx 5.49 medspace КОм

Опять обращаемся к ряду допустимых номиналов. Но теперь нам нужно выбрать значение, мЕньшее рассчитанного. Если сопротивление резистора будет больше расчетного, то ток базы будет, напротив, меньше. А это может привести к тому, что транзистор откроется не до конца, и во включенном состоянии бОльшая часть напряжения упадет на транзисторе (U_{кэ}), что, конечно, нежелательно.

Поэтому выбираем для резистора базы значение 5.1 КОм. И этот этап расчета был последним! Давайте резюмируем, наши рассчитанные номиналы составили:

• R_{б} = 5.1medspace КОм
• R_{к} = 120medspace Ом

Кстати в схеме ключа на транзисторе обычно добавляют резистор между базой и эмиттером, номиналом, например, 10 КОм. Он нужен для подтяжки базы при отсутствии сигнала на входе. В нашем примере, когда S1 разомкнут, то вход просто висит в воздухе. И под воздействием наводок транзистор будет хаотично открываться и закрываться. Поэтому и добавляется резистор подтяжки, чтобы при отсутствии входного сигнала потенциал базы был равен потенциалу эмиттеру. В этом случае транзистор будет гарантированно закрыт.

Сегодня мы прошлись по классической схеме, которой я стараюсь придерживаться, то есть — от теории к практике Надеюсь, что материал будет полезен, а если возникнут какие-либо вопросы, пишите в комментарии, я буду рад помочь!

Как работает транзисторный ключ

В данной статье мы рассмотрим, как работает транзисторный ключ на биполярном транзисторе. Такие полупроводниковые элементы производятся двух типов – n-p-n и p-n-p структуры, которые различаются типом применяемого полупроводника (в p-полупроводнике преобладают положительные заряды – «дырки»; в n-полупроводнике – отрицательные заряды – электроны).

Выводы БТ называются база, коллектор и эмиттер, которые имеет графическое обозначение на чертежах электрических схем, как показано на рисунке.

С целью понимания принципа работы и отдельных процессов, протекающих в биполярных транзисторах, их изображают в виде двух последовательно и встречно соединенных диодов.

Наиболее распространенная схема БТ, работающего в ключевом режиме, приведена ниже.

Чтобы открыть транзисторный ключ нужно подвести потенциалы определенного знака к обеим pn-переходам. Переход коллектор-база должен быть смещен в обратном направлении, а переход база-эмиттер – в прямом. Для этого электроды источника питания UКЭ подсоединяют к выводам базы и коллектора через нагрузочный резистор RК. Обратите внимание, положительный потенциал UКЭ посредством RК подается на коллектор, а отрицательный потенциал – на эмиттер. Для полупроводника p-n-p структуры полярность подключения источника питания UКЭ изменяется на противоположную.

Резистор в цепи коллектора RК служит нагрузкой, которая одновременно защищает биполярный транзистор от короткого замыкания.

Команда на открытие БТ подается управляющим напряжением UБЭ, которое подается на выводы базы и эмиттера через токоограничивающий резистор RБ. Величина UБЭ должна быть не меньше 0,6 В, иначе эмиттерный переход полностью не откроется, что вызовет дополнительные потери энергии в полупроводниковом элементе.

Чтобы не спутать полярность подключения напряжения питания UКЭ и управляющего сигнала UБЭ БТ разной полупроводниковой структуры, обратите внимание на направление эмиттерной стрелки. Стрелка обращена в сторону протекания электрического тока. Ориентируясь на направление стрелки достаточно просто расположить правильным образом источники напряжения.

Электромагнитное реле

Реле – это электромагнит, которым производится управление группой контактов. Можно провести аналогию с обычным кнопочным выключателем. Только в случае с реле усилие берется не от руки, а от магнитного поля, которое находится вокруг катушки возбуждения. Контактами можно коммутировать очень большую нагрузку – все зависит от типа электромагнитного реле. Очень большое распространение эти устройства получили в автомобильной технике – с их помощью производится включение всех мощных потребителей электроэнергии.

Это позволяет разделить все электрооборудование автомобиля на силовую часть и управляющую. Ток потребления у обмотки возбуждения реле очень маленький. А силовые контакты имеют напыление из драгоценных или полудрагоценных металлов, что исключает вероятность появления дуги. Схемы транзисторных ключей на 12 вольт можно применять вместо реле. При этом улучшается функциональность устройства – включение бесшумное, контакты не щелкают.

Упрощенный расчет транзистора для работы в ключевом режиме на резистивную нагрузку.

Ключевой режим работы характеризуется тем, что транзистор
находится в одном из двух состояний: в полностью открытом (режим насыщения), или
полностью закрытом (состояние отсечки).

Рассмотрим пример, где в
качестве нагрузки выступает контактор типа КНЕ030 на напряжение 27В с катушкой
сопротивлением 150 Ом. Индуктивным характером катушки в данном примере
пренебрежем, считая, что реле будет включено раз и надолго.

Рассчитываем ток коллектора:

Ik=(Ucc-Uкэнас)/Rн    ,
где

Ik –ток коллектора

Ucc-
напряжение питания (27В)

Uкэнас-
напряжение насыщения биполярного транзистора (типично от 0. 2 до 0.8В, хотя и
может прилично различаться для разных транзисторов), в нашем случае примем 0.4В

Rн-
сопротивление нагрузки (150 Ом)

Итак,

Ik= (27-0.4)/150 =
0.18A = 180мА

На практике из соображений
надежности элементы всегда необходимо выбирать с запасом. Возьмем коэффициент
1.5

Таким образом, нужен транзистор
с допустимым током коллектора не менее 1.5*0.18=0.27А и максимальным напряжением
коллектор-эмиттер не менее 1.5*27=40В.

Открываем
справочник по биполярным транзисторам .По заданным параметрам подходит
КТ815А (Ikмакс=1.5А
Uкэ=40В)

Следующим этапом рассчитываем ток базы, который нужно создать, чтобы
обеспечить ток коллектора 0.18А.

Как известно, ток коллектора связан с током базы соотношением

Ik=Iб*h31э,

где
h31э – статический
коэффициент передачи тока.

При отсутствии дополнительных данных
можно взять табличное гарантированное минимальное значение для КТ815А (40). Но
для КТ815 есть график зависимости
h31э от тока
эмиттера. В нашем случае ток эмиттера 180мА, этому значению соответствует
h31э=60. Разница
невелика, но для чистоты эксперимента возьмем графические данные.

Итак,

Iб=180/60=3мА

Для
расчета базового резистора R1
смотрим второй график, где приведена зависимость напряжения насыщения
база-эмиттер (Uбэнас)
от тока коллектора. При токе коллектора 180мА напряжение насыщения базы будет
0.78В (При отсутствии такого графика можно использовать допущение, что ВАХ
перехода база-эмиттер подобна ВАХ диода и в диапазоне рабочих токов напряжение
база-эмиттер находится в пределах 0.6-0.8 В)

Следовательно, сопротивление резистора
R1 должно быть равно:

R1=(Uвх-Uбэнас)/Iб
= (5-0.78)/0.003 = 1407 Ом = 1.407 кОм.

Из
стандартного ряда сопротивлений выбираем ближайшее в меньшую сторону (1.3 кОм)

Если к
базе подключен шунтирующий резистор (вводится для более быстрого выключения
транзистора или для повышения помехоустойчивости) нужно учитывать, что часть входного тока уйдет в этот резистор, и
тогда формула примет вид:

R1= (Uвх-Uбэнас)/(Iб+IR2)
= (Uвх-Uбэнас)/(Iб+

Uбэнас/R2)

Так, если
R2=1 кОм, то

R1=
(5-0. 78)/(0.003+0.78/1000) = 1116 Ом = 1.1 кОм

Рассчитываем потери мощности на транзисторе:

P=Ik*Uкэнас

Uкэнас берем из
графика: при 180мА оно составляет 0.07В

P= 0.07*0.18=
0.013 Вт

Мощность
смешная, радиатора не потребуется.

Пример работы транзистора в режиме ключа

Коэффициент усиления – это одна из основных характеристик транзистора. Именно этот параметр показывает, во сколько раз ток, протекающий по каналу «эмиттер — коллектор», выше базового. Допустим, коэффициент равен 100 (обозначается этот параметр h31Э). Значит, если в цепь управления подается ток 1 мА (ток базы), то на переходе «коллектор — эмиттер» он будет 100 мА. Следовательно, произошло усиление входящего тока (сигнала).

При работе транзистор нагревается, поэтому он нуждается в пассивном или активном охлаждении – радиаторах и кулерах. Но нагрев происходит только в том случае, когда проход «коллектор — эмиттер» открывается не полностью. В этом случае большая мощность рассеивается – ее нужно куда-то девать, приходится «жертвовать» КПД и выпускать ее в виде тепла. Нагрев будет минимальным только в тех случаях, когда транзистор закрыт или открыт полностью.

Параметры и максимальные эксплуатационные условия транзистора

Проверим теперь напоследок, подойдет ли нам выбранный транзистор.

Максимальное напряжение коллектор — эмиттер должно быть выше коммутируемого напряжения, а для случая коммутирования индуктивной нагрузки, выше коммутируемого напряжения с учетом бросков напряжения при выбранной схеме демпфирования.

Максимальный ток базы должен быть выше, чем наш расчетный управляющий ток.

Максимальный ток коллектора должен быть выше, чем коммутируемый ток.

Допустимая пиковая рассеиваемая мощность должна быть выше, чем пиковая рассеиваемая мощность в момент коммутации. Дело в том, что даже при условии невысокой средней рассеиваемой мощности, большая тепловая энергия, выделяющаяся за очень короткое время при переключении, может погубить биполярный транзистор.

Допустимая средняя рассеиваемая мощность должна быть выше, чем суммарная средняя мощность, рассеиваемая ключом.

Частота, рекомендованная для транзистора, должна быть выше, частота переключений в схеме.

Система охлаждения транзистора (радиатор или другая система отвода тепла) должны быть в состоянии рассеять выделяемую мощность.

Для использования в качестве ключей лучше подбирать транзисторы с минимальными напряжением насыщения коллектор — эмиттер, база — эмиттер, это снизит потери мощности в открытом состоянии, минимальными временами включения и выключения (рассасывания), это снизит потери мощности при переключении, максимальным коэффициентом передачи тока, это снизит потери на управление.

Как устроен полевой транзистор: 6 типов — краткие сведения

Разобраться с конкретным полевиком и понять его структуру нам поможет классификация, приведенная на картинке ниже, где структурированы их виды.

JFET и MOSFET имеют разную структуру. У JFET затвор (Gate) непосредственно встроен в поперечное сечение канала, работает как управляющий p-n переход.

У мосфета:

1. имеется дополнительный четвертый вывод, соединенный внутренней связью с корпусом. При подключении к внешним цепям им не пользуются;
2. зона вывода затвора отделена слоем диоксида кремния (диэлектрика) от полупроводника канала. Он работает как пластина конденсатора с емкостной связью. За счет этой доработки его и называют «с изолированным затвором» или МДП, МОП транзистор.

МДП обозначает металл-диэлектрик-полупроводник, а МОП — металл-оксид-полупроводник. Разница между ними для начинающего электрика не существенна, практически отсутствует.

На схемах мосфет и джифет обозначаются разными способами. MOSFET чертится с:

1. четвертым выводом, который никуда не подключается;
2. затвором, отделенным от основного канала.

Мосфеты производятся с разными подложками (каналами), которые могут быть обедненными или обогащенными основными носителями заряда.

Более подробно разрисовывать и описывать отличия каждого типа этих полупроводников для начинающего электрика я не буду: нет большого смысла.

Ниже просто привожу типовые графики их работы. Они дадут общее представление о поведении, а конкретные данные вам надо будет брать из даташита — технической документации.

Сила протекающего тока через сток зависит от приложенного напряжения между затвором и истоком, а также от окружающей температуры.

Выходные стоковые характеристики тока зависят от величины приложенного напряжения между стоком-истоком и затвором-истоком.

Так работает МДП-транзистор с встроенным каналом. Крутизна тока увеличивается при возрастании напряжения Uси, Uзи.

А здесь характеристики транзисторов с индуцированным каналом.

Перед любой проверкой каждого транзистора необходимо уточнять его технические возможности по заводской документации.

Такие графические изображения и зависимости процессов электротехники, благодаря наглядности, обладают лучшей информативностью.

6 особенностей работы электронных устройств с MOSFET

В последнее время у нас все чаще работают полевики типа мосфет с каналом любой проводимости.

Вкратце проанализируем подобную схему и ее свойства.

Нюанс №1: в какое плечо включать нагрузку

При полностью открытом полупроводниковом переходе между стоком и истоком создается очень маленькое сопротивление в десятки или сотни миллиОм (Rоткр), что образует низкое падение напряжения н

а этом участке (Iн·Rоткр), где Iн — величина тока нагрузки.

Потенциала напряжения, подаваемого на затвор, может не хватить для полного открытия полупроводника. Поэтому нагрузку включают выше со стороны стока в полевике n- типа, а истока — у p- типа при питании схемы от одного источника.

Если же в устройстве используются дополнительные источники напряжения, то это требование соблюдать не обязательно.

Нюанс №2: хитрости подключения полевика к микроконтроллерам

Для надежной работы MOSFET необходимо между его затвором и истоком (gate-source) подать пороговое значение напряжения, которое указывается в даташите. Обычно оно составляет около 10 вольт. Все же цифровые устройства работают до пяти: их питания недостаточно, потребуется добавить уровень.

Решить проблему можно одним из трех способов:

1. ключом с биполярными транзисторами подается необходимое питание на затвор;
2. подключить специальный драйвер (микросхему) для формирования управляющего сигнала. Они созданы как для верхнего, так и нижнего плеча с учетом нагрузки. Причем в драйвере верхнего плеча часто применяется схема увеличения выходного напряжения;
3. использовать специализированный полевик низкого уровня открытия (logic level). Однако приобрести его бывает проблематично.

Нюанс №3: как избежать влияния электрических помех

Появление любого потенциала помехи на выводе транзистора часто приводит к его несанкционированным переключениям и нарушению алгоритмов работы электроники.

Поэтому затвор всегда «притягивают» к питанию либо земле через определенное сопротивление даже при подключении через микроконтроллер. Его нельзя оставлять в свободном состоянии, доступном для проникновения посторонних помех.

Нюанс №4: борьба с броском тока при включении

Естественное наличие емкости на выводе gate приводит к «броску тока» при каждом открытии транзистора. Это чревато выводом из строя полупроводникового перехода.

Проблема решается введением в цепочку затвора резистора достаточного номинала. Однако подбирать его величину необходимо с учетом увеличения времени открытия ключа.

Нюанс №5: предохранение от броска тока при отключении индуктивных нагрузок

Защитный быстродействующий TVS-диод, параллельно включенный между истоком и стоком, надежно шунтирует импульсы, создаваемые отключением индуктивных нагрузок.

При работе на высоких частотах мостовых или полумостовых схем импульсных блоков питания либо индукционных нагревателей варочных панелей на вывод стока встречно подключают диод Шоттки, блокирующий паразитный диод, ибо он увеличивает время закрытия, что чревато повреждением полупроводника.

Нюанс №6: дополнительная защита MOSFET

Безопасная работа скоростного высокочастотного ключа в режиме переключения мощных индуктивнных нагрузок обеспечивается его подключением к снабберным цепям. Они:

1. замыкают на себя апериодические токи, создаваемые переходными процессами;
2. снижают нагрев полупроводников;
3. защищают полевик от несанкционированного открывания во время быстрого возрастания напряжения между стоком и истоком.

Как проверить полевой транзистор мультиметром и специальным тестером

Автор С Косенко из Воронежа в журнале Радио №1 за 2005 год показал свою разработку прибора проверки полевых транзисторов. Его имя: ППТ-01. Он объяснил принципы его работы, сборки, наладки, эксплуатации доступным языком.

Новичкам это все должно быть интересно, советую читать такие журналы и больше экспериментировать. Вам нужен практический опыт.

Сейчас подобные приборы выпускаются промышленным способом. Они позволяют проверять транзисторы, тиристоры, симисторы и другие электронные компоненты, точно узнать каждый параметр.

Доступная цена и широкие возможности этих тестеров обеспечивают их популярность. Ведь вся проверка сводится к установке выводов полупроводника в контактные гнезда и нажатию кнопки: результат автоматически отображается на дисплее.

Однако все эти операции вполне можно выполнить обычным цифровым мультиметром или аналоговым стрелочным тестером. Для этого нам потребуется посмотреть заводскую маркировку и найти по ней технические характеристики, определиться с конструкцией (JFET или MOSFET) и проводимостью канала.

Затем нужно вспомнить устройство своего мультиметра или тестера, перевести его в режим прозвонки либо измерения сопротивлений (для аналоговых приборов).

На моем карманном MESTEK MT-102 плюс присутствует на красном щупе, а минус — на черном. У вас скорее всего аналогично, но проверьте. Знак дисплея 0L (или 1 на других моделях) означает величину сопротивления (∞), которая превышает предназначенный диапазон измерения.

Проверку выполняем двумя этапами, последовательно соблюдая очередь:

1. оцениваем исправность цепи сток-исток или, более точно, встроенного диода;
2. анализируем открытие и закрытие выходной цепи при подаче управляющего сигнала.

Режим проверки №1

Перед началом работы кратковременно зашунтируйте все выводы полевика. Этим действием убирается возможный потенциал на его электродах, который может помешать замеру.

Результаты измерений на табло показываю для исправного мосфета. У поврежденного переходы будут отличаться: пробиты или оборваны.

На картинке показываю два измерения для n-канального транзистора. Схему его собрата с p-каналом привел для образца в правом нижнем углу. Действия для него аналогичны, а результат зависит от проводимости.

При первом замере ставим красный щуп с потенциалом плюса на сток, а черный на исток. Если диод исправен, то показания на приборе будут порядка 400-600. Это величина падения напряжения в милливольтах. Таким способом мультиметр в режиме прозвонки оценивает состояние полупроводникового перехода p-n полярности.

Для второго замера меняем щупы местами. Диод закрыт, его огромное сопротивление показывается как 0L.

Очередность этих замеров можно произвольно изменять.

Проверка мосфета положительной проводимости проводится аналогично, а индикацию на табло вам подскажет направление встроенного диода на рисунке.

Режим проверки №2

Оставляем черный щуп на истоке, а красный переставляем на затвор. Этим действием мы подаем ему положительный потенциал с мультиметра. На табло будет отображаться 0L, но транзистор должен открыться.

Проверяем открытие перестановкой красного щупа на сток. Изменение показаний на табло (единицы или десятки) станет достоверной информацией об его открытии. В этом можно убедиться, поменяв щупы между стоком и истоком. Показания останутся примерно в тех же пределах.

Теперь потребуется закрыть мосфет. Смотрим на замер №3: красный щуп ставим на исток, черный — затвор. Показание 0L.

Логика проверки p-канального типа полевика аналогична. Только надо помнить, что он открывается подачей отрицательного напряжения на затвор относительно истока, то есть «прижимается к земле».

Убедившись в исправности встроенного диода, открытии и закрытии силового перехода сток-исток, можно сделать вывод об исправности МДП транзистора.

Однако описанный метод не во всех случаях может обеспечить достоверные результаты. И дело здесь кроется в конструкции вашего мультиметра. Его выходного напряжения может просто не хватить для подачи отпирающего или запирающего потенциала на затвор.

Поэтому более достоверную проверку выполняют двумя мультиметрами:

• одним контролируют состояние перехода сток-исток;
• вторым управляют потенциалом на затворе.

Естественно, что заменить один из мультиметров можно самодельным источником напряжения, например, двумя батарейками АА (3 вольта) или омметром с предварительно оцененными характеристиками.

Тема эта большая и сложная. Одной статьей сайта проблемно рассмотреть все про полевой транзистор: принципы работы для новичка, дать точный ответ. Поэтому задавайте вопросы в комментариях. Будем приходить к общему мнению.

Источники

• https://www.syl.ru/article/348974/tranzistornyie-klyuchi-shema-printsip-rabotyi-i-osobennosti
• https://microtechnics.ru/klyuch-na-bipolyarnom-tranzistore-nagruzochnaya-pryamaya/
• https://diodov. net/tranzistornyj-klyuch/
• https://vmeste-masterim.ru/vkljuchenie-rele-cherez-tranzistornyj-kljuch.html
• https://elquanta.ru/novoe/tranzistornyj-kluc.html
• https://gyrator.ru/circuitry-bipolar-transistor-switch
• https://ElectrikBlog.ru/kak-rabotayut-polevye-tranzistory-i-kak-proverit-polevoj-tranzistor-multimetrom/

 

 

Как вам статья?

Павел

Бакалавр “210400 Радиотехника” – ТУСУР. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Написать

Пишите свои рекомендации и задавайте вопросы

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы

Обычный транзистор называется переходным транзистором, и это ключевое устройство, которое привело к революции в твердотельной электронике. При применении переходной транзистор имеет недостаток, заключающийся в низком входном импедансе, поскольку база транзистора является входным сигналом, а диод база-эмиттер смещен в прямом направлении. В другом устройстве реализовано транзисторное действие с обратным смещением входного диодного перехода, и это устройство называется «полевым транзистором» или «полевым транзистором с переходом», JFET. Входной переход с обратным смещением имеет очень высокий входной импеданс. Наличие высокого входного импеданса сводит к минимуму помехи или «нагрузку» источника сигнала при выполнении измерения. Для n-канального полевого транзистора устройство изготовлено из стержня из материала n-типа с заштрихованными областями, состоящими из материала p-типа в качестве затвора. Между истоком и стоком материал n-типа действует как резистор. Поток тока состоит из основных носителей (электронов для материала n-типа). Характеристические кривые Усилитель с общим источником Поскольку переход затвора смещен в обратном направлении, а вклад неосновных носителей в поток через устройство отсутствует, входное сопротивление чрезвычайно велико. Элемент управления для JFET возникает из-за истощения носителей заряда из n-канала. Когда ворота становятся более отрицательными, они истощают большинство носителей из большей зоны истощения вокруг ворот. Это уменьшает протекание тока при заданном значении напряжения исток-сток. Модуляция напряжения затвора модулирует ток, протекающий через устройство.	Индекс Концепции электроники Транзисторные сорта Справочник Diefenderfer & Holton Sec 8-7
Hyperphysics ***** Электрический	Назад

Полевой транзистор с изолированным затвором (IGFET) отличается от JFET добавлением слоя диоксида кремния поверх JFET, а затем слоя нитрида кремния. В результате получается устройство с еще более высоким входным сопротивлением. Цель чрезвычайно высокого входного импеданса позволяет усилителю производить выборку некоторого сигнала с минимальной «нагрузкой» или помехами источнику сигнала. Обычные устройства, использующие эту стратегию, называются полевыми МОП-транзисторами для полевых транзисторов на основе оксида металла. Они достигли входного сопротивления порядка 10 15 Ом.

Index Концепции электроники Разновидности транзисторов Ссылка Diefenderfer & Holton p170ff

4 HyperPhysics and******E0068 R Ступица

Назад

Характеристические кривые для JFET показаны слева. Вы можете видеть, что для заданного значения напряжения затвора ток практически не меняется в широком диапазоне напряжений исток-сток. Элемент управления для JFET исходит из истощения носителей заряда из n-канала. Когда ворота становятся более отрицательными, они истощают большинство носителей из большей зоны истощения вокруг ворот. Это уменьшает протекание тока при заданном значении напряжения исток-сток. Модуляция напряжения затвора модулирует ток, протекающий через устройство. Передаточная характеристика для JTET полезна для визуализации коэффициента усиления устройства и определения области линейности. Усиление пропорционально наклону кривой передачи. Текущее значение I DSS представляет значение, когда затвор закорочен на землю, максимальный ток для устройства. Это значение будет частью данных, предоставляемых производителем. Напряжение затвора, при котором ток достигает нуля, называется «напряжением защемления», В Р . Обратите внимание, что пунктирная линия, представляющая коэффициент усиления в линейной области работы, пересекает линию нулевого тока примерно при половине напряжения пинча. Обсуждение JFET Усилитель с общим истоком

Индекс Концепции электроники Разновидности транзисторов Артикул Diefenderfer & Holton p170ff

Гиперфизика*****Электричество и магнетизм R Ступица

Назад

Наиболее часто встречающаяся конфигурация усилителя на полевых транзисторах с общим истоком. Источник является общим для входа и выхода, как показано на схеме. Обсуждение JFET Характеристические кривые	Индекс Концепции электроники Транзисторные сорта Справочник Diefenderfer & Holton Sec 8-8
40004 Hyperphysics ***** ЭЛЕКТРИЧЕСКИ	Вернуться

MESFET по сравнению с MOSFET: характеристики и преимущества | Блог Advanced PCB Design

Ключевые выводы

• Основные классификации полевых транзисторов включают JFET, MOSFET и IGFET.

• МОП-транзисторы

  представляют собой устройства, управляемые напряжением, в отличие от биполярных транзисторов с управлением по току (BJT).

• Удаление оксидного слоя в MOSFET приводит к образованию MESFET.

Транзисторы являются строительными блоками нескольких полупроводниковых устройств. С использованием технологии полевых транзисторов (FET) были разработаны различные устройства для силовой электроники.

Энтузиасты силовой электроники, вероятно, знакомы с полевыми транзисторами на основе оксидов металлов и полупроводников, также известными как МОП-транзисторы. МОП-транзисторы — это широко используемые твердотельные устройства в схемах переключения, схемах усиления и системах преобразования энергии. Точно так же есть еще одно устройство, называемое полевым транзистором металл-полупроводник (MESFET), которое является производным от полевого транзистора. Отсутствие оксидного слоя — это то, что отличает MESFET от MOSFET, но есть также различия в конструкции, характеристиках устройства, частоте работы и применении.

Общая классификация полевых транзисторов

Технология FET часто используется в нескольких полупроводниковых устройствах. Существует два основных типа классификации полевых транзисторов:

1. Полевые транзисторы (JFET)

2. Металл-оксид-полупроводниковые полевые транзисторы (MOSFET), также называемые полевыми транзисторами с изолированным затвором (IGFET).

Как JFET, так и MOSFET работают по одному и тому же принципу, где электрическое поле берет на себя управление током, протекающим через устройство. Однако способы установления управления в устройствах различаются. Изменение управляющего элемента вносит различия в характеристики устройства, а также вносятся изменения в схемотехнику.

При использовании устройств на основе полевых транзисторов важно понимать их характеристики. В следующих разделах мы сравним характеристики MOSFET и MESFET.

МОП-транзисторы

Использование полевых транзисторов (ПТ) ограничено такими недостатками, как высокое сопротивление стока, медленная работа и умеренное входное сопротивление. МОП-транзисторы были разработаны как твердотельное решение для преодоления этих недостатков. С тех пор полевые МОП-транзисторы доминируют в полупроводниковой промышленности.

МОП-транзисторы используются в любой электронной схеме, где мы переключаем, преобразуем или усиливаем напряжение. МОП-транзистор — это устройство, управляемое напряжением, в отличие от биполярных транзисторов с управляемым током (BJT). Однако, как и транзисторы, МОП-транзистор также является трехвыводным устройством.

Клеммы MOSFET

Клеммы MOSFET:

1. Затвор – Вывод затвора выведен из тонкой металлической пластины, помещенной поверх слоя диоксида кремния, нанесенного на базовую подложку из полупроводников p-типа.

2. Источник – На базовой подложке полупроводника p-типа две области сильно легированы примесью n-типа (n+). Исходный терминал происходит из одной из n+ областей.

3. Сток – В MOSFET ток течет от стока к истоку. Терминал, взятый из другой области n+, образует сток.

Типы МОП-транзисторов

В зависимости от конструкции МОП-транзисторы можно разделить на:

1. МОП-транзисторы с режимом истощения – В МОП-транзисторах с режимом истощения максимальная проводимость канала проявляется при отсутствии напряжения на выводе затвора. Происходит снижение проводимости канала, так как клемма затвора смещена.

2. Полевые МОП-транзисторы в режиме расширения – В полевых МОП-транзисторах в режиме расширения проводимость устройства отсутствует, когда вывод затвора не смещен.

   Проводимость увеличивается, когда напряжение на клемме затвора максимально.

В полевых МОП-транзисторах как в режиме истощения, так и в расширенном режиме могут быть n-канальные и p-канальные типы, что составляет в общей сложности 4 типа МОП-транзисторов.

MESFET

Поверхность структуры MOSFET изолирована тонким слоем диоксида кремния. Несмотря на то, что цель оксидного слоя состоит в том, чтобы изолировать канал от затвора и сформировать защитное покрытие на поверхности устройства, он исследует некоторые нестабильности в устройстве. Загрязнение оксидного слоя ионами натрия из окружающей атмосферы приводит к длительной нестабильности и изменению характеристик устройства. В полевых МОП-транзисторах нитридный слой используется для устранения проблем с загрязнением.

Если полностью удалить оксидный слой со структуры MOSFET, может произойти формирование другого полупроводникового устройства, называемого полевым транзистором металл-полупроводник (MESFET). В MESFET нет оксидного слоя, разделяющего затвор и подложку, а переход Шоттки заменяет оксидный слой, который отвечает за управление потоком электронов от истока к стоку.

Аналогично MOSFET доступны p-канальные и N-канальные типы MESFET. Внутри двух типов каналов MESFET могут находиться либо в режиме истощения, либо в режиме расширения.

Давайте сравним MESFET и MOSFET.

MESFET против MOSFET

СИ №	MESFET	МОП-транзисторы
1	Отсутствие оксидного слоя во внутренней структуре	Оксидный слой присутствует во внутренней конструкции
2	Используется полуизолирующая подложка, обычно арсенид галлия, фосфид или карбид кремния	Используется кремниевая подложка, которая является полупроводниковой
3	Рабочая частота до 300 ГГц	Рабочая частота в диапазоне от сотен кГц до ГГц
4	Обычно используется в микроволновой связи	Приложения включают в себя SMPS, производные двигатели, автомобильные приложения и средства управления освещением
5	Стоимость MESFET выше, чем MOSFET	МОП-транзисторы дешевле .
6	Менее энергоэффективный	Более энергоэффективный
7	Обычно на устройстве	Нормально выключенное устройство
8	Обычно возможно использование N-канальных MESFET	Возможны как p-, так и a-канальные МОП-транзисторы

MESFET и MOSFET различаются по потерям мощности, уровням нагрузки устройства и возможностям интеграции. Сравнивая эти транзисторы, инженеры могут выбрать подходящий для данного приложения.

Набор инструментов Cadence для проектирования и анализа может помочь вам в проектировании силовых электронных схем с использованием полевых МОП-транзисторов, МОП-транзисторов, БТИЗ или любых других полупроводниковых устройств. Ведущие поставщики электроники полагаются на продукты Cadence для оптимизации потребностей в мощности, пространстве и энергии для широкого спектра рыночных приложений.