Транзистор мосфет как работает

Транзистор является полупроводниковым электронным компонентом. Мы относим его к активным элементам схемы, поскольку он позволяет преобразовывать электрические сигналы (нелинейно).

Полевой транзистор или MOSFET ( Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) — полевый транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник. Поэтому его часто еще называют просто МОП транзистор.

Производимые по этой технологий транзисторы состоят из трех слоев:

  • Первый слой — это пластина, вырезанная из однородного кристалла кремния или из кремния с примесью германия.
  • Второй по порядку слой — напыление очень тонкой прослойки диэлектрика (изолятора) из диоксида кремния или оксида металла (оксиды алюминия или циркония). Толщина этого слоя составляет, в зависимости от технологии исполнения, около 10 нм, а в лучшем варианте толщина этого слоя может иметь около 1,2 нм. Для сравнения: 5 атомов кремния, расположенных друг над другом вплотную как раз составляют толщину, близкую к 1,2 нм.
  • Третий слой – это слой состоит из хорошо проводящего металла. Чаще всего для этой цели используют золото.

Конструкция такого транзистора схематично представлена ниже:

Следует отметить, что полевые транзисторы бывают двух типов: N-типа и P-типа, почти так же, как и в случае с биполярными транзисторами, которые производятся в вариантах PNP и NPN.

Среди полевых транзисторов гораздо чаще встречается N-тип. Кроме того, существуют полевые транзисторы:

  • с обедненным каналом, то есть такие, которые пропускают через себя слабый ток при отсутствии напряжении на затворе, и чтобы полностью его запереть необходимо подать на затвор обратное смещение в пару вольт;
  • с обогащенным каналом – это такой вид полевых транзисторов, которые при отсутствии напряжения на затворе не проводят ток, а проводят его лишь тогда, когда напряжение, приложенное к затвору, превышает напряжение истока.

Большим преимуществом полевых транзисторов является то, что они управляются напряжением, в отличие от биполярных транзисторов, которые управляются током.

Легче понять принцип их действия полевого транзистора на примере гидравлического крана.

Чтобы управлять потоком жидкости под высоким давлением в большой трубе, требуется мало усилий, чтобы открыть или закрыть кран. Другими словами, при небольшом объеме работы, мы получаем большой эффект. Небольшая сила, которую мы прикладываем к ручке крана управляет намного большей силой воды, которая давит на клапан.

Благодаря этому свойству полевых транзисторов, мы можем управлять токами и напряжениями, которые намного выше, чем те, которые выдает нам, например, микроконтроллер.

Как уже было отмечено ранее, обычный MOSFET, как правило, не проводит ток на пути источник – сток. Чтобы перевести такой транзистор состояние проводимости необходимо подать напряжение между истоком и затвором так, как указано на рисунке ниже.

На следующем рисунке приведена вольт-амперная характеристика транзистора IRF540.

На графике видно, что транзистор начинает проводить тогда, когда напряжение между затвором и истоком приближается к 4В. Однако для полного открытия нужно почти 7 вольт. Это гораздо больше, чем может выдать микроконтроллер на выходе.

В некоторых случаях может быть достаточным ток на уровне 15 мА и напряжением 5В. Но что делать, если это слишком мало? Есть два выхода.

  1. Можно применить специальные МОП-транзисторы с пониженным напряжением затвор – исток, например, BUZ10L.
  2. Как вариант можно использовать дополнительный усилитель для повышения управляющего напряжения.
Читайте также:  Воздушный пистолет для откручивания болтов

Независимо от сферы применения, каждый полевой транзистор имеет несколько ключевых параметров, а именно:

  • Допустимое напряжение сток-исток: UDSmax
  • Максимальный ток стока: >

Во многих случаях ключевым параметром является RDSon, поскольку косвенно указывает нам на потерю мощности, которая крайне нежелательна.

Для примера возьмем транзистор в корпусе ТО-220 с сопротивлением RDSon = 0,05 Ом и протекающий через этот транзистор ток в 4А.

Давайте посчитаем потери мощности:

Мощность потерь, которую способен рассеивать транзистор в корпусе ТО-220 составляет чуть более 1 Вт, так что в этом случае можно обойтись без радиатора. Однако, уже для тока 10А потери составят 5Вт, так что без радиатора никак не обойтись.

Следовательно, чем меньше RDSon, тем лучше. Поэтому при выборе MOSFET транзистора для конкретного применения следует всегда принимать во внимание этот параметр.

На практике с увеличением допустимого напряжения UDSmax растет сопротивление исток-сток. По этой причине не следует выбирать транзисторы с большим, чем это требуется UDSmax.

Мосфеты — разновидность полевых транзисторов, очень полезная штука, если правильно его подобрать, подключить и использовать. Я их люблю применять в поделках. Маломощные в основном для экономичности потребления тока, мощные для коммутации амперных нагрузок и для силовых ключей в ШИМ- схемах и генераторах.

В отличие от простых биполярных транзисторов управляются они не током а напряжением. Управляющий электрод — затвор по сути является одним контактом простого неполярного конденсатора малой емкости.

В логических пятивольтовых схемах очень хорошо применять "логические" мосфеты — транзисторы, которые управляются напрямик с ножек микроконтроллера.

При подборе и выборе мощного мосфета нужно учитывать его основные параметры, это максимальное напряжение на его ножках, сопротивление между входом и выходом в открытом состоянии и напряжение на затворе, достаточное полностью открыть мосфет. Для логических мосфетов это напряжение в основном чуть ниже пяти вольт.

При подключении мощных нагрузок на первый план выступает проходное сопротивление сток — исток в открытом состоянии. Чем больше коммутируемый ток — тем важнее этот праметр. В даташитах этот параметр всегда на первой странице отдельной строкой.

Чем меньше этот параметр, тем меньше тепла будет выделяться мосфетом при работе. Даже небольшое изменение этого параметра приводит к большим разностям в выделении тепла.

Для примера я собрал тестовую схему:

Для замеров я использовал два мультиметра. Напряжение на затвор от нуля до максимума я подавал через проволочный многооборотный резистор СП5-3. Подопытным транзистором был 2SK3918.

Вот таблица замеров:

Данные конечно получились не совсем точные, но для общего сведения пойдет.
Пояснения:

GS — напряжение между затвором и минусом схемы, которое поступает с подстроечного резистора

DS — напряжение падения на транзисторе.

I — ток нагрузки — лампочки.

Далее применив Закон Ома вычислилась мощность W и сопротивление R. Вот это сопротивление и указывается в даташитах. Красным отмечена слишком большая мощность нагрева транзистора — мосфет полностью не открыт.

При использовании в качестве мощных ШИМ-ключей для регулировки яркости светодиодов и ламп нельзя задирать частоту импульсов высоко. Достаточно держать её чуть выше 50 Герц. Например така частота у штатных панелей приборов оптитрон и у штатных ДХО из ламп дальнего света " в пол накала" в тойотах. Если использовать более высокие частоты (килогерцы и выше) затвор мосфета начинает хорошо проводить ток и для раскачки его необходимо усложнять схему или использовать специальные драйверы.

Читайте также:  Передаточное отношение зубчатых колес

Как показала практика мосфет 2SK3918 спокойно без радиатора в воздухе выдерживает 60-ти ватовую лампочку, оставаясь слегка теплым при напряжении на затворе в пять вольт. При подключении ШИМ генератора со скважностью 30-50% вообще холодный.

Полевой транзистор с изолированным затвором (IGFET, insulated-gate field-effect transistor), также известный, как полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET), является разновидностью полевого транзистора. В настоящее время большинство транзисторов MOSFET типа служат в качестве компонентов цифровых интегральных микросхем. Но когда речь идет о дискретных элементах, биполярные транзисторы более многочисленны по сравнению с MOSFET транзисторами. Количество MOSFET транзисторов в интегральной схеме может приближаться к сотням миллионов. Размеры отдельных MOSFET устройств составляют порядка микрона и уменьшаются каждые 18 месяцев. Гораздо более крупные MOSFET транзисторы способны коммутировать токи до 100 ампер при низких напряжениях; а некоторые работают с напряжениями почти 1000 вольт при низких токах. Эти устройства могут занимать до 1 квадратного сантиметра кремния. MOSFET транзисторы нашли более широкое применение по сравнению с обычными полевыми транзисторами. Тем не менее, мощные MOSFET устройства не так широко используются по сравнению с биполярными транзисторами.

MOSFET транзистор обладает выводами истока, затвора и стока, как и простой полевой транзистор. Тем не менее, вывод затвора не подключается напрямую к кремнию, по сравнению с затвором в полевом транзисторе. Затвор в MOSFET транзисторе представляет собой металлический слой или слой поликристаллического кремния поверх изолятора из диоксида кремния. Затвор похож на конденсатор со структурой металл-оксид-полупроводник (MOS, МОП), показанный на рисунке ниже. При заряде пластины конденсатора принимают полярность соответствующих выводов батареи. Нижняя пластина – это кремний P-типа, электроны из которой выталкиваются отрицательным (-) выводом батареи в сторону оксида и притягиваются положительной (+) верхней пластиной. Этот избыток электронов вблизи оксида создает инверсный канал под слоем оксида (инверсный означает, что проводимость в этой области определяется концентрацией неосновных носителей заряда полупроводника). Этот канал также сопровождается обедненной областью, изолирующей канал от остальной подложки кремния.

N-канальный МОП конденсатор: (a) незаряженный, (b) заряженный

На рисунке ниже (a) МОП конденсатор помещается между парой диффузионных областей N-типа в подложке P-типа. При отсутствии заряда в конденсаторе, т.е. без смещения на затворе, диффузионные области N-типа, исток и сток остаются изолированными друг от друга.

N-канальный MOSFET транзистор (работающий в режиме обогащения): (a) смещение на затворе 0 вольт, (b) положительное смещение на затворе

Положительное смещение, приложенное к затвору, заряжает конденсатор (затвор). Затвор над слоем оксида приобретает положительный заряд от батареи смещения затвора. Подложка P-типа под затвором приобретает отрицательный заряд. Под слоем оксида затвора формируется инверсная область с избытком электронов. Эта область теперь соединяет области N-типа истока и стока, образуя непрерывную N-область от истока к стоку. Таким образом, MOSFET, как и обычный полевой транзистор, является однополярным устройством. За проводимость отвечает один тип носителей заряда. Это пример N-канального MOSFET транзистора. При прикладывании напряжения между истоком и стоком возможно проведение большого тока между этими выводами. Практическая схема будет содержать нагрузку, включенную последовательно с батареей стока, показанной на рисунке выше (b).

Читайте также:  Самодельный сварочный инвертор из доступных деталей

MOSFET транзистор, показанный на рисунке выше, известен как MOSFET транзистор, работающий в режиме обогащения. Непроводящий, выключенный канал включается путем обогащения канала под затвором при прикладывании смещения. Это наиболее распространенный тип устройств. Другой тип MOSFET транзисторов здесь не описывается. Для подробной информации об устройстве, работающем в режиме обеднения, смотрите главу 6 о полевых транзисторах с изолированным затвором.

MOSFET, как и простой полевой транзистор, является устройством, управляемым напряжением. Входное напряжение на затворе управляет протеканием тока от истока к стоку. Затвор не проводит непрерывный ток. Хотя затвор и проводит кратковременно ток при зарядке емкости затвора.

Поперечное сечение N-канального дискретного MOSFET транзистора показано на рисунке ниже (a). Дискретные устройства обычно оптимизированы для коммутации больших мощностей. N + показывает, что исток и сток сильно являются сильно легированными областями N-типа. Это сводит к минимуму резистивные потери в пути протекания большого тока от истока к стоку. N – показывает слабое легирование. Область P-типа под затвором, между истоком и стоком, может быть инвертирована с помощью прикладывания положительного напряжения смещения. Профиль распределения легирующей примеси может представлять собой змеевидный контур на поперечном сечении кремниевого кристалла. Это значительно увеличивает площадь и, соответственно, величину тока, с которым может работать прибор.

N-канальный MOSFET транзистор (работающий в режиме обогащения): (a) поперечное сечение, (b) условное графическое обозначение

Условное графическое обозначение MOSFET транзистора на рисунке выше (b) показывает «плавающий» затвор, указывая на отсутствие прямого подключения к кремниевой подложке. Пунктирная линия от истока к стоку показывает, что это устройство выключено, не проводит ток, с нулевым смещением на затворе. Нормально «выключенный» MOSFET транзистор является устройством, работающим в режиме обогащения. «Указывающая» (Pointing) стрелка подложки соответствует P-типу материала, которая указывает на канал N-типа, «не указывающий» (Non-pointing) конец. Это обозначение N-канального MOSFET транзистора. Для P-канального устройства стрелка указывает в противоположном направлении (не показано). MOSFET транзисторы – это четырехвыводные устройства: исток, затвор, сток и подложка. В дискретном MOSFET транзисторе подложка подключена к истоку, что делает корпус устройства трехвыводным. У MOSFET транзисторов, которые являются частью интегральной схемы, подложка общая для всех устройств, если только они намеренно не изолированы. Это общее соединение может быть выведено из кристалла для соединения с землей или источником напряжения смещения.

N-канальный «V-MOS» транзистор: (a) поперечное сечение, (b) условное графическое обозначение

V-MOS устройство (на рисунке выше) представляет собой усовершенствованный мощный MOSFET транзистор с профилем легирования, способствующим получению более низкого сопротивления между истоком и стоком во включенном состоянии. VMOS транзистор получил свое название из-за V-образной области затвора, которая увеличивает площадь поперечного сечения канала исток-сток. Это сводит к минимуму потери и позволяет коммутировать более высокие мощности. Разновидность UMOS данного типа транзисторов, использующая U-образную канавку, является более повторяемой, что предпочтительнее для производства.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector