Мосфет что это: Как работают транзисторы MOSFET | hardware

Содержание

Как работают транзисторы MOSFET | hardware

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


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


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

Давайте рассмотрим простейшую схему включения транзистора NPN:

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

А так будет в этой схеме работать транзистор MOSFET:

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

• Биполярный транзистор управляется током, а полевой транзистор напряжением.

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

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

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

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

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

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

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

[Структура мощного транзистора MOSFET]

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

Рис. 1. Срез рабочей структуры транзистора MOSFET.

RDS(on). Основные составляющие, которые входят в сопротивление открытого канала RDS(on), включают сам канал, JFET (аккумулирующий слой), область дрейфа Rdrift, паразитные сопротивления (металлизация, соединительные провода, выводы корпуса). При напряжениях приблизительно выше 150V в сопротивлении открытого канала доминирует область дрейфа. Эффект RDS(on) относительно невелик на высоковольтных транзисторах MOSFET. Если посмотреть на рис. 2, удвоение тока канала увеличивает RDS(on) только на 6%.

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

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

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

Положительный температурный коэффициент RDS(on) очень полезен, когда нужно параллельно включать транзисторы MOSFET, поскольку это обеспечивает их температурную стабильность и равномерное распределение рассеиваемой мощности между транзисторами. Этим MOSFET выгодно отличаются от традиционных биполярных транзисторов. Но это не гарантирует, что параллельно соединенные транзисторы будут равномерно распределять между собой общий ток. Это широко распространенное заблуждение [2]. То, что действительно делает MOSFET простыми для параллельного включения — это их относительно малый разброс по параметрам между отдельными экземплярами в пределах серии, в частности по параметру RDS(on), в комбинации с более безопасными свойствами канала в контексте перегрузки по току, когда благодаря положительному температурному коэффициенту RDS(on) сопротивление канала растет при повышении температуры.

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

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

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

[Внутренние и паразитные элементы]

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

Полевой транзистор MOSFET | Уголок радиолюбителя

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.

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

  • Допустимое напряжение сток-исток: UDSmax
  • Максимальный ток стока: IDmax
  • Пороговое напряжение открытия: UGSth
  • Сопротивление канала в открытом состоянии: RDSon 

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:

  • UDS=0,05Ом х 4A=0,2В
  • P=0,2В х 4A=0,8Вт

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.

MOSFET — полевой транзистор. Как работает и для чего используется.

MOSFET (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor) – полевой транзистор с изолированным затвором (МДП – транзистор), затвор которого отделён от канала тонким слоем диэлектрика (обычно двуокись кремния SiO2).

На диэлектрике нанесён электрод (затвор). Сам транзистор состоит из диэлектрика, полупроводника и металла. Имеет 4 электрода: исток, сток, подложка и затвор. Под воздействием определённого тока (поля), полупроводник начинает проводить электричество (усиленный сигнал с истока к стоку). Регулирует этот процесс затвор, на который подаётся разный ток, для плавной регуляции усиленного сигнала. Определённый ток приходит на исток, затвор позволяет какому то количеству идти на сток.

MOSFET – служит в основном, как усилитель сигнала, либо как выпрямитель, для понижения напряжения до нужного значения.

Принимает источник сигнала и понимает его как электромагнитное колебание, за счёт подаваемой на него мощности (от источника питания — истока) — усиливает сигнал по напряжению и мощности. Подающийся на затвор исходный сигнал малой мощности, в данном случае служит как дирижёр затвора.

MOSFET или IGBT?

Сначала рассмотрим различия в целом. В настоящий момент все производители инверторов (ММА) выпускаются по двум полупроводниковым технологиям IGBT и MOSFET. Не буду вдаваться в подробности, скажу только то, что в схемотехнике этих аппаратов используются разные полупроводниковые транзисторы IGBT и MOSFET. Основое различие между этими транзисторами — различный ток коммутации. Большим током обладают транзисторы IGBT.

Для изготовления стандартного инвертора понадобится 2–4 IGBT транзистора (в зависимости от рабочего цикла), a MOSFET — 10–12, т. к. они не могут пропускать через себя большие токи, поэтому их приходится делить на такое большое количество транзисторов. Вот собственно в чем и отличие.

Тонкость в том, что транзисторы очень сильно греются и их необходимо установить на мощные алюминиевые радиаторы. Чем больше радиатор, тем больше съем тепла с него, а, следовательно, его охлаждающая способность. Чем больше транзисторов, тем больше радиаторов охлаждения необходимо установить, следовательно, увеличиваются габариты, вес и т. д. MOSFET здесь однозначно проигрывает.

На практике схемотехника MOSFET не позволяет создать аппарат на одной плате: т.е аппараты, которые сейчас есть в продаже, собраны в основном на трех платах. IGBT аппараты всегда идут на одной плате.

Основные недостатки MOSFET

  • соединение трех плат;
  • худший теплообмен;
  • каскадный выход транзисторов из строя при неисправности одного транзистора;
  • меньший КПД (относительно IGBT).

Проще говоря, IGBT более современная технология, чем MOSFET.

Недостатки MOSFET

Что лучше MOSFET или IGBT?

Некоторые компании идут в ногу со временем и при производстве сварочных инверторов используют IGBT транзисторы американской фирмы «Fairchaild», частота переключения которых составляет 50 кГц, т. е. 50000 раз в секунду. IGBT технологию выбрали неспроста, ведь рабочий диапазон температур у них с сохранением параметров гораздо больше, чем у MOSFET, т. е. при нагреве у MOSFETa падают качественные характеристики.

В конструкции САИ (Ресанта) используется одна маленькая плата, котор

Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 3.

Search


Skip to content

  • Форум
  • Сообщество
  • Чат
  • Магазин
  • Ссылки
  • Справочная
    • Язык программирования С
      • 1.1.1. Используемые символы
      • 1.1.2. Константы
      • 1.1.3. Идентификатор
      • 1.1.4. Ключевые слова
      • 1.1.5. Использование комментариев в тексте программы
      • 1.2.1 Типы Данных
      • 1.2.2. Целый тип данных
      • 1.2.3. Данные плавающего типа
      • 1.2.4. Указатели
      • 1.2.5. Переменные перечислимого типа
      • 1.2.6. Массивы
      • 1.2.7. Структуры
      • 1.2.8. Объединения (смеси)
      • 1.2.9. Поля битов
      • 1.2.10. Переменные с изменяемой структурой
      • 1.2.11. Определение объектов и типов
      • 1.2.12. Инициализация данных
      • 1.3.1. Операнды и операции
      • 1.3.2. Преобразования при вычислении выражений
      • 1.3.3. Операции отрицания и дополнения
      • 1.3.4. Операции разадресации и адреса
      • 1.3.5. Операция sizeof
      • 1.3.6. Мультипликативные операции
      • 1.3.7. Аддитивные операции
      • 1.3.8. Операции сдвига
      • 1.3.9-1.3.11 Операции (поразрядные, логические, последовательного вычисления)
      • 1.3.12. Условная операция
      • 1.3.13. Операции увеличения и уменьшения
      • 1.3.14. Простое присваивание
      • 1.3.18. Преобразование типов
      • 1.4.1-1.4.4 Операторы (пустой, составной, if)
      • 1.4.5. Оператор switch
      • 1.4.7. Оператор for
      • 1.4.8. Оператор while
      • 1.4.9. Оператор do while
      • 1.4.10. Оператор continue
      • 1.4.11. Оператор return
      • 1.4.12. Оператор goto
      • 1.5.1. Определение и вызов функций
      • 1.5.2. Вызов функции с переменным числом параметров
      • 1.5.3. Передача параметров функции main
      • 1.6.1. Исходные файлы и объявление переменных
      • 1.6.2. Объявления функций
      • 1.6.3. Время жизни и область видимости программных объектов
      • 1.6.4. Инициализация глобальных и локальных переменных
      • 1.7.1. Методы доступа к элементам массивов
      • 1.7.2. Указатели на многомерные массивы
      • 1.7.3. Операции с указателями
      • 1.7.4. Массивы указателей
      • 1.7.5. Динамическое размещение массивов
  • О проекте

Блог о электронике


Найти:


схема, принцип работы,​ чем отличаются биполярные и полевые [Амперка / Вики]

Транзистор — повсеместный и важный компонент в современной микроэлектронике.
Его назначение простое: он позволяет с помощью слабого сигнала управлять гораздо
более сильным.

В частноти, его можно использовать как управляемую «заслонку»: отсутствием сигнала
на «воротах» блокировать течение тока, подачей — разрешать. Иными словами: это
кнопка, которая нажимается не пальцем, а подачей напряжения.
В цифровой электронике такое применение наиболее распространено.

Транзисторы выпускаются в различных корпусах: один и тот же транзистор может внешне выглядеть совершенно по разному. В прототипировании чаще остальных встречаются корпусы:

  • TO-92 — компактный, для небольших нагрузок

  • TO-220AB — массивный, хорошо рассеивающий тепло, для больших нагрузок

Обозначение на схемах также варьируется в зависимости от типа транзистора и стандарта обозначений, который использовался при составлении. Но вне зависимости от вариации, его символ остаётся узнаваемым.

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы (BJT, Bipolar Junction Transistors) имеют три контакта:

  • Коллектор (collector) — на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять

  • База (base) — через неё подаётся небольшой ток, чтобы разблокировать большой; база заземляется, чтобы заблокировать его

  • Эмиттер (emitter) — через него проходит ток с коллектора и базы, когда транзистор «открыт»

Основной характеристикой биполярного транзистора является показатель hfe
также известный, как gain. Он отражает во сколько раз больший ток по участку коллектор–эмиттер
способен пропустить транзистор по отношению к току база–эмиттер.

Например, если hfe = 100, и через базу проходит 0.1 мА, то транзистор пропустит
через себя как максимум 10 мА. Если в этом случае на участке с большим током находится компонент,
который потребляет, например 8 мА, ему будет предоставлено 8 мА, а у транзистора останется «запас».
Если же имеется компонент, который потребляет 20 мА, ему будут предоставлены только максимальные
10 мА.

Также в документации к каждому транзистору указаны максимально допустимые напряжения и токи на
контактах. Превышение этих величин ведёт к избыточному нагреву
и сокращению службы, а сильное превышение может привести к разрушению.

NPN и PNP

Описанный выше транзистор — это так называемый NPN-транзистор. Называется он так из-за того, что состоит
из трёх слоёв кремния, соединённых в порядке: Negative-Positive-Negative. Где negative — это сплав
кремния, обладающий избытком отрицательных переносчиков заряда (n-doped), а positive —
с избытком положительных (p-doped).

NPN более эффективны и распространены в промышленности.

PNP-транзисторы при обозначении отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает от P к N.
PNP-транзисторы отличаются «перевёрнутым» поведением: ток не блокируется, когда база заземлена и блокируется,
когда через неё идёт ток.

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы (FET, Field Effect Transistor) имеют то же назначение, но отличаются внутренним устройством.
Частным видом этих компонентов являются транзисторы MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor).
Они позволяют оперировать гораздо большими мощностями при тех же размерах. А управление самой «заслонкой»
осуществляется исключительно при помощи напряжения: ток через затвор, в отличие от биполярных транзисторов,
не идёт.

Полевые транзисторы обладают тремя контактами:

  • Сток (drain) — на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять

  • Затвор (gate) — на него подаётся напряжение, чтобы разрешить течение тока; затвор заземляется, чтобы заблокировать ток.

  • Исток (source) — через него проходит ток со стока, когда транзистор «открыт»

N-Channel и P-Channel

По аналогии с биполярными транзисторами, полевые различаются полярностью. Выше был описан N-Channel транзистор.
Они наиболее распространены.

P-Channel при обозначении отличается направлением стрелки
и, опять же, обладает «перевёрнутым» поведением.

Подключение транзисторов для управления мощными компонентами

Типичной задачей микроконтроллера является включение и выключение определённого компонента схемы. Сам микроконтроллер
обычно имеет скромные характеристики в отношении выдерживаемой мощности. Так Ардуино, при выдаваемых на контакт 5 В
выдерживает ток в 40 мА. Мощные моторы или сверхъяркие светодиоды могут потреблять сотни миллиампер. При подключении
таких нагрузок напрямую чип может быстро выйти из строя. Кроме того для работоспособности некоторых компонентов требуется
напряжение большее, чем 5 В, а Ардуино с выходного контакта (digital output pin) больше 5 В не может выдать впринципе.

Зато, его с лёгкостью хватит для управления транзистором, который в свою очередь будет управлять большим током. Допустим, нам нужно подключить длинную светодиодную ленту, которая требует 12 В и при этом потребляет 100 мА:

Теперь при установке выхода в логическую единицу (high), поступающие на базу 5 В откроют транзистор и через ленту потечёт ток — она будет светиться. При установке выхода в логический ноль (low), база будет заземлена через микроконтроллер, а течение тока заблокированно.

Обратите внимание на токоограничивающий резистор R. Он необходим, чтобы при подаче управляющего напряжения
не образовалось короткое замыкание по маршруту микроконтроллер — транзистор — земля. Главное — не превысить допустимый
ток через контакт Ардуино в 40 мА, поэтому нужно использовать резистор номиналом не менее:

здесь Ud — это падение напряжения на самом транзисторе. Оно зависит от материала из которого он изготовлен и обычно составляет 0.3 – 0.6 В.

Но совершенно не обязательно держать ток на пределе допустимого. Необходимо лишь, чтобы показатель gain транзистора позволил управлять необходимым током. В нашем случае — это 100 мА. Допустим для используемого транзистора
hfe = 100, тогда нам будет достаточно управляющего тока в 1 мА

Нам подойдёт резистор номиналом от 118 Ом до 4.7 кОм. Для устойчивой работы с одной стороны и небольшой нагрузки на чип с другой, 2.2 кОм — хороший выбор.

Если вместо биполярного транзистора использовать полевой, можно обойтись без резистора:

это связано с тем, что затвор в таких транзисторах управляется исключительно напряжением: ток на участке микроконтроллер — затвор — исток отсутствует. А благодаря своим высоким характеристикам схема с использованием MOSFET позволяет управлять очень мощными компонентами.

Оценка качества транзисторов MOSFET | hardware

Транзисторы MOSFET давно нашли широкое применение во многих приложениях радиоэлектронной аппаратуры. Базовое понимание принципа их работы состоит в том, что MOSFET работает как резистор, сопротивление которого управляется входным напряжением [2]. Идеальным считается транзистор, когда в открытом состоянии сопротивление этого резистора ноль, и в закрытом состоянии бесконечность. Кроме того, мощность сигнала управления этим резистором должна быть нулевой, потому что для управления требуется только напряжение — ток равен нулю. Для статических приложений, где MOSFET управляется медленно, например в схемах защиты наподобие системы, работающей на разрыв цепи – самым важным параметром является сопротивление в открытом состоянии, R(DS)ON. В идеале его значение должно быть 0, но на самом деле R(DS)ON зависит от рабочего диапазона напряжений, корпуса транзистора, технологии изготовления и этот параметр может находиться в диапазоне от нескольких mΩ до нескольких Ω.

Во многих случаях MOSFET используется как быстродействующий, часто переключающийся ключ — например, в приложениях мощных источников питания, преобразователях напряжения (Switched Mode Power Supplies, SMPS). В этих приложениях эффективность работы MOSFET также зависит от некоторых других параметров. Частоты коммутации в SMPS обычно бывают от 100 кГц до 1 МГц и выше. На этих частотах уже нельзя пренебречь энергией, которую нужно тратить на перезаряд емкости затвора MOSFET, чтобы можно было переводить его из закрытого состояния в открытое и наоборот. Заряд и разряд емкости затвора должны быть сделаны очень быстро, чтобы уменьшить потери на переключение транзистора. Обычно можно переключить транзистор быстрее, если заряд на переключение MOSFET меньше. По этой причине параметр заряда затвора QG является очень важным параметром для приложений SMPS.

Для заданной технологии производства MOSFET параметры R(DS)ON и QG противостоят друг другу. MOSFET с низким сопротивлением включенного состояния имеет больше заряд затвора, и наоборот. Поэтому результат произведения этих параметров очень хорошо характеризует транзистор MOSFET, и для него придумали специальное название — Figure Of Merit (FOM), метрика качества:

FOM = R(DS)ON * QG               (1)

Однако приведенная формула не используется просто так. Этот документ должен помочь сравнить MOSFET и вычислить FOM (здесь приведен перевод даташита [1]).


[Как вычислить FOM]

R(DS)ON и QG являются параметрами, которые зависят от других условий. Оба зависят от управляющего напряжения между затвором и истоком. R(DS)ON также очень сильно зависит от температуры кристалла. Будем считать, что для наших условий температура кристалла 25°C. Эта температура обычно указана в даташите как температура, при которой были измерены параметры транзистора. Для примера давайте заглянем в даташит транзистора IPD04N03LA (компания Infineon, технология MOSFET OptiMOS®).

Рис. 1. Первая страница даташита с общим описанием транзистора IPD04N03LA.

На первой странице даташита сразу бросается в глаза приведенное значение R(DS)ON. Но условия, при которых это сопротивление истинно, здесь не указаны. Таким образом, это значение носит чисто неформальный характер, на него можно обратить внимание при первом взгляде на транзистор MOSFET. Его нельзя брать для сравнения FOM, потому что условия, в котором работает транзистор, не учитываются.

На следующих скриншотах показаны страницы, где имеются параметры R(DS)ON, QG и условия их измерения.



Рис. 2. Температурные и статические параметры транзистора IPD04N03LA. Рис. 3. Динамические параметры транзистора IPD04N03LA.

Выборка важных параметров транзисторов показана в таблице ниже.











Параметр
Условия измерения
Значения
Ед.
min typ max
R(DS)on Drain-source on-state resistance (статическое сопротивление сток-исток) VGS=4.5V, ID=50A 4.6 5.7
Qgs Gate to source charge (заряд затвор-исток) VDD=15V, ID=25A, VGS=0..5V 12 16 nC
Qg(th) Gate charge at threshold (пороговый заряд затвора) 6.3 8.3
Qgd Gate to drain charge (заряд затвор-сток) 8.1 12
Qsw Switching charge (заряд переключения) 14 19
Qg Gate charge total (общий заряд затвора) 31 41
Vplateau Gate plateau voltage (напряжение плато затвора) 3.0 V
Qg(sync) Gate charge total, sync. FET VDS=0.1V, VGS=0..5V 28 38 nC

На рис. 4 показаны различия в параметрах заряда затвора.

Рис. 4. Зависимость напряжения на затворе от заряда затвора.

Параметр QSW на рисунке также называется заряд переключения. Он прикладывается для VGS между пороговым напряжением и первым нарастанием напряжения после плато. Во время этой фазы MOSFET меняет свое состояние от выключенного до включенного. Меньшее время включения получается, когда при этом переходе будут меньше потери. Другими словами — чем меньше заряд QSW, тем меньше потери на переключение. Сопротивление R(DS)ON зависит от напряжения затвор-исток, и следовательно от общего заряда затвора, приложенного через VGS. Общий заряд затвора и заряд переключения также зависит от напряжения сток-исток.

Можно взять самое маленькое указанное в даташите значение R(DS)ON и умножить на самое маленькое указанное значение заряда затвора и получить приятно малое значение FOM. Однако оно мало скажет о реальном транзисторе MOSFET.

Реальное сравнение значений FOM можно делать только для одинаковых условий. Первое, что нужно выбрать — определиться с эксплуатационными напряжениями (затвор-исток VGS, сток-исток VDS), для которых вычисляется FOM. Эти напряжения зависят от параметров проектируемой схемы. Также нужно определиться, какую имененно характеристику FOM следует вычислить, Qsw * R(DS)ON или QG * R(DS)ON. Другой важный аспект — выбор в правой колонке данных даташита – сравнивать типичные параметры или их максимальные значения? Поскольку политика определения максимальных значений у разных компаний-производителей различается, то лучший выбор — взять типовые (номинальные) значения, чтобы оценить эффективность применяемого транзистора.

Предположим, что значения даташита были даны для разных условий. В этом случае нужную информацию по выборке типичных значений следует взять из диаграмм, характеризующих изменение параметра. На рис. 5 дан пример получения QG из диаграммы зависимости напряжения на затворе и заряда затвора. Исходный параметр VDS. Но на графике не указаны все значения VDS. Для отстутствующих кривых делается оценочная прикидка по имеющимся значениям. На рис. 6 показаны графики зависимости R(DS)ON (он напряжения на затворе VGS и тока стока ID).

Рис. 5. Типичный заряд затвора. VGS=f(Qgate), пульсирующий ток ID=25A, параметр VDD.

Рис. 6. Типичное сопротивление открытого состояния сток-исток. R(DS)on=f(ID), Tj=25°C, параметр VGS.

Здесь также нужно будет сделать оценку нужного значения сопротивления канала для не указанных на графике условий. Также следует учесть тот факт, что на сопротивление канала влияет его ток, поэтому R(DS)ON должен быть выбран для одного и того же тока стока ID.

Итак, сравнение транзисторов MOSFET разных типов и от разных производителей можно делать по FOM, исходя из одинаковых предположительных условий эксплуатации. Формулы 2 и 3 описывают, как вычислять значения FOM.

FOM (VGS, VDS, ID) = R(DS)ON (VGS, ID) * QG (VGS, VDS)                     (2)

FOMsw (VGS, VDS, ID) = R(DS)ON (VGS, ID) * Qsw (VDS)                       (3)

В скобках указаны условия, которые нужно учитывать для выборки сопротивления открытого состояния канала сток-исток R(DS)ON и заряда затвора QG или заряда переключения QSW:

VGS напряжение затвор-исток (gate-source)
VDS напряжение сток-исток (drain-sorce)
ID ток стока (drain)

Важное замечание: для вычисления одного и того же вида параметров можно брать либо максимальные, либо номинальные значения для R(DS)ON и QG.

[Ссылки]

1. How to Compare the Figure Of Merit (FOM) of MOSFETs, Infineon technologies, автор Jens Ejury.
2. Как работают транзисторы MOSFET.

Основы, принцип работы и применение

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

Что такое полевой МОП-транзистор?

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

MOSFET MOSFET MOSFET

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

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

MOSFET With Terminals MOSFET With Terminals МОП-транзистор с клеммами

МОП-транзистор может работать двумя способами.

  • Режим истощения
  • Режим расширения

Режим истощения

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

PCBWay PCBWay

Например,

Deflection mode Deflection mode Режим расширения

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

Enhancement Mode Enhancement Mode Режим расширения

Принцип работы полевого МОП-транзистора

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

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

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

MOSFET Block Diagram MOSFET Block Diagram Блок-схема полевого МОП-транзистора

МОП-транзистор с Р-каналом

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

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

Depletion Mode P Channel Depletion Mode P Channel Режим истощения P-канал P Channel Enhanced Mode P Channel Enhanced Mode P-канал расширенный режим

MOSFET с N-каналом

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

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

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

Enhancement Mode N Channel Enhancement Mode N Channel Режим улучшения N Канал

MOSFET Области работы

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

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

Давайте теперь рассмотрим коммутационные характеристики MOSFET

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

Характеристики идеального переключателя

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

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

Практические характеристики переключателя

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

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

Пример полевого МОП-транзистора в качестве переключателя

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

MOSFET As Switch MOSFET As Switch МОП-транзистор в качестве переключателя

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

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

Описание видео

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

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

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

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

Несколько понятий, которые следует изучить:

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

При выборе полевого МОП-транзистора в качестве переключателя необходимо соблюдать следующие условия:

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

2). Что такое КПД переключателя MOSFET?

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

3).Почему переключатель MOSFET используется в повышающем преобразователе?

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

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

  • MOSFET в качестве переключателя для светодиода
  • remove_circle_outline
  • MOSFET в качестве переключателя для Arduino
  • MOSFET переключатель для нагрузки переменного тока
  • MOSFET переключатель для двигателя постоянного тока
  • MOSFET переключатель для отрицательного напряжения
  • MOSFET в качестве переключателя с Arduino
  • MOSFET

  • в качестве переключателя с микроконтроллером
  • MOSFET переключатель с гистерезисом
  • MOSFET в качестве переключающего диода и активный резистор
  • MOSFET в качестве переключателя
  • MOSFET переключатель для страйкбола
  • MOSFET в качестве резистора затвора переключения
  • MOSFET переключающий соленоид
  • Переключатель MOSFET с использованием оптопары
  • Переключатель MOSFET с гистерезисом

Применение MOSFET в качестве переключателя

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

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

MOSFET Application as Switch MOSFET Application as Switch Применение полевого МОП-транзистора в качестве переключателя

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

Преимущества

Некоторые из преимуществ:

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

Недостатки

К недостаткам относятся следующие:

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

Приложения

Области применения MOSFET:

  • Усилители, изготовленные из MOSFET, широко используются в широких частотных приложениях.
  • Регулирование для двигателей постоянного тока обеспечивают эти устройства 900 27
  • Поскольку они имеют повышенную скорость переключения, они идеально подходят для создания усилителей-прерывателей.
  • Функционирует как пассивный компонент для различных электронных элементов.

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

Фото

.Основы, типы, работа и применение

Схема

MOSFET — это в основном транзистор, использующий эффект поля. MOSFET расшифровывается как Metal Oxide Field Effect Transistor , который имеет затвор. Напряжение затвора определяет проводимость устройства. В зависимости от этого напряжения на затворе мы можем изменить проводимость и, таким образом, использовать его как переключатель или как усилитель, как мы используем транзистор как переключатель или как усилитель.

Биполярный транзистор

или BJT имеет базу, эмиттер и коллектор, тогда как MOSFET имеет затвор, сток и исток.Помимо конфигурации контактов, BJT нуждается в токе для работы, а MOSFET — в напряжении.

MOSFET обеспечивает очень высокое входное сопротивление и его очень легко смещать. Итак, для небольшого линейного усилителя MOSFET — отличный выбор. Линейное усиление происходит, когда мы смещаем полевой МОП-транзистор в области насыщения, которая является центральной фиксированной точкой Q.

На изображении ниже показана внутренняя конструкция базового N-канального полевого МОП-транзистора . Полевой МОП-транзистор имеет три подключения: сток, затвор и источник.Между воротами и каналом нет прямой связи. Электрод затвора электрически изолирован, и по этой причине его иногда называют IGFET или полевым транзистором с изолированным затвором .

N-channel MOSFETs Internal Construction

Вот изображение широко популярного полевого МОП-транзистора IRF530N .

IRF530N MOSFET

Типы полевых МОП-транзисторов

В зависимости от режимов работы доступны два различных типа полевых МОП-транзисторов .Эти два типа также имеют два подтипа

  1. MOSFET или MOSFET с истощением с режимом истощения
  • N-канальный MOSFET или NMOS
  • МОП-транзистор с P-каналом или PMOS
  1. MOSFET типа расширения или MOSFET с режимом расширения
  • N-канальный MOSFET или NMOS
  • МОП-транзистор с P-каналом или PMOS

Тип истощения MOSFET

Тип истощения MOSFET обычно включен при нулевом напряжении между затвором и источником.Если полевой МОП-транзистор является МОП-транзистором с N-канальным истощением, тогда будет некоторое пороговое напряжение, которое необходимо для отключения устройства. Например, N-канальный MOSFET с истощением с пороговым напряжением -3 В или -5 В, затвор полевого МОП-транзистора необходимо подтянуть к отрицательному значению -3 В или -5 В, чтобы выключить устройство. Это пороговое напряжение будет отрицательным для канала N и положительным для канала P. Этот тип MOSFET обычно используется в логических схемах.

Тип расширения MOSFET

В расширенных полевых МОП-транзисторах устройство остается выключенным при нулевом напряжении затвора.Чтобы включить полевой МОП-транзистор, мы должны обеспечить минимальное напряжение затвор-источник (пороговое напряжение Vgs). Но ток стока сильно зависит от этого напряжения затвор-исток, если Vgs увеличивается, ток стока также увеличивается таким же образом. Полевые МОП-транзисторы улучшенного типа идеально подходят для построения схемы усилителя. Также, как и истощающий MOSFET, он также имеет подтипы NMOS и PMOS.

Характеристики и кривые полевого МОП-транзистора

Обеспечивая стабильное напряжение между стоком и истоком, мы можем понять кривую ВАХ полевого МОП-транзистора.Как указано выше, ток стока сильно зависит от напряжения затвор-исток Vgs. Если мы изменим Vgs, ток стока также будет изменяться.

Давайте посмотрим на ВАХ полевого МОП-транзистора.

Characteristics and Curves of MOSFET

На изображении выше мы можем видеть наклон I-V N-канального MOSFET , ток стока равен 0, когда напряжение Vgs ниже порогового напряжения, в это время MOSFET находится в режиме отсечки. После этого, когда напряжение затвор-исток начинает увеличиваться, ток стока также увеличивается.

Давайте посмотрим на практический пример I-V кривой МОП-транзистора IRF530 ,

.

IRF530 MOSFET I-V Curve

Кривая, показывающая, что когда Vgs составляет 4,5 В, максимальный ток стока IRF530 составляет 1 А при 25 градусах C. Но когда мы увеличиваем Vgs до 5 В, ток стока составляет почти 2 А, и, наконец, при напряжении питания 6 В он может обеспечить 10А тока утечки.

Смещение постоянного тока полевого МОП-транзистора и усиления с общим истоком

Что ж, пришло время использовать полевой МОП-транзистор в качестве линейного усилителя .Это не сложная работа, если мы определим, как смещать полевой МОП-транзистор и использовать его в идеальной рабочей области.

MOSFET

работает в трех режимах работы : омический, насыщение и точка отсечки. Область насыщения также называется линейной областью. Здесь мы используем полевой МОП-транзистор в области насыщения, он обеспечивает идеальную точку Q.

Если мы подаем слабый сигнал (изменяющийся во времени) и прикладываем смещение постоянного тока на затворе или входе, то в правильной ситуации полевой МОП-транзистор обеспечивает линейное усиление.

MOSFET work in three Operation Modes

MOSFET Amplifier Circuit

На приведенном выше изображении небольшой синусоидальный сигнал (V gs ) подается на затвор полевого МОП-транзистора, что приводит к флуктуации тока стока, синхронной с приложенным синусоидальным входом. Для слабого сигнала V gs , мы можем провести прямую линию от точки Q, которая имеет наклон g m = dI d / dVgs.

Наклон можно увидеть на изображении выше. Это крутизна крутизны .Это важный параметр для коэффициента усиления. В этот момент амплитуда тока стока составляет

  ߡ Id = gm x ߡ Vgs  

Теперь, если мы посмотрим на схему, приведенную выше, резистор стока R d может управлять током стока, а также напряжением стока, используя уравнение

  Vds = Vdd - I  d  x Rd (как V = I x R)  

Выходной сигнал переменного тока будет ߡ Vds = -ߡ Id x Rd = -g m x ߡ Vgs x Rd

Теперь по уравнениям усиление будет

  Коэффициент усиления усиленного напряжения = -g  м  x Rd  

Таким образом, общее усиление усилителя MOSFET в значительной степени зависит от крутизны и резистора стока.

Базовая конструкция усилителя с общим источником и одним полевым МОП-транзистором

Basic Common Source Amplifier Construction with Single MOSFET

От

до можно сделать простой усилитель с общим источником, используя одиночный МОП-транзистор с N каналом , важно обеспечить условие смещения постоянного тока. Для этой цели общий делитель напряжения построен с использованием двух простых резисторов: R1 и R2. Также требуются еще два резистора в качестве резистора стока и резистора истока.

Для определения стоимости нам потребуется пошаговый расчет.

МОП-транзистор имеет высокий входной импеданс, поэтому в рабочем состоянии ток на выводе затвора отсутствует.

Теперь, если мы посмотрим на устройство, мы обнаружим, что есть три резистора, связанных с VDD (без резисторов смещения). Три резистора — это Rd, внутреннее сопротивление MOSFET и Rs. Итак, если мы применим закон Кирхгофа о напряжении, то напряжения на этих трех резисторах будут равны VDD.

Теперь, согласно закону Ома, если мы умножим ток на резистор, мы получим напряжение как V = I x R.Итак, здесь ток равен Drain current или I D . Таким образом, напряжение на Rd равно V = I D x Rd, то же самое относится и к Rs, так как ток такой же I D , поэтому напряжение на Rs равно Vs = I D x Rs. Для полевого МОП-транзистора напряжение составляет В DS или напряжение сток-исток.

Теперь по КВЛ,

  VDD = I  D  x Rd + V  DS  + I  D  x Rs 
  VDD = I  D  (Rd + Rs) + V  DS  
  (Rd + Rs) = V  DD  - V  DS  / I  D   

Далее мы можем оценить его как

  Rd = (V  DD  - V  DS  / I  D ) - R  S  
  Rs can   рассчитано   как Rs = V  S  / I  D   

Значения двух других резисторов могут быть определены по формуле V G = V DD (R2 / R1 + R2)

Если у вас нет значения, вы можете получить его по формуле V G = V GS + V S

К счастью, максимальные значения можно найти в таблице данных MOSFET.Исходя из спецификации, мы можем построить схему.

Два разделительных конденсатора используются для компенсации частот среза и блокировки постоянного тока, поступающего со входа или поступающего на конечный выход. Мы можем просто получить значения, определив эквивалентное сопротивление делителя смещения постоянного тока, а затем выбрав желаемую частоту среза. Формула будет

  C = 1 / 2πf Требование  

Для конструкции усилителя высокой мощности мы ранее создали усилитель мощности на 50 Вт с использованием двух полевых МОП-транзисторов в двухтактной конфигурации, перейдите по ссылке для практического применения.

.

Что такое полевой МОП-транзистор, как он выглядит и как работает?

Произносится MAWS-feht. Акроним от металлооксидного полупроводникового полевого транзистора. Они используются во многих сценариях, в которых вы хотите преобразовать напряжения. На материнской плате, например, для генерации напряжения процессора, напряжения памяти, напряжения AGP и т. Д.
Мосфеты обычно используются парами. Если вы видите шесть МОП-транзисторов вокруг разъема процессора, у вас трехфазное питание.

Техническая информация

MOSFET бывают четырех различных типов.Они могут быть в режиме улучшения или истощения, и они могут быть n-канальными или p-канальными. Для этого приложения нас интересуют только полевые МОП-транзисторы с n-канальным режимом расширения, и с этого момента мы будем говорить только о них. Существуют также полевые МОП-транзисторы логического уровня и обычные полевые МОП-транзисторы. Единственная разница между ними — это требуемый уровень напряжения на затворе.

В отличие от биполярных транзисторов, которые в основном являются устройствами с током, полевые МОП-транзисторы представляют собой силовые устройства с управлением напряжением. Если между затвором и истоком не подается положительное напряжение, МОП-транзистор всегда непроводящий.Если мы подадим на затвор положительное напряжение UGS, мы создадим электростатическое поле между ним и остальной частью транзистора. Положительное напряжение затвора отталкивает «дырки» внутри подложки p-типа и притягивает подвижные электроны в областях n-типа под электродами истока и стока. Это создает слой прямо под изолятором затвора, через который электроны могут проникать и перемещаться от истока к стоку. Таким образом, положительное напряжение затвора «создает» канал в верхнем слое материала между оксидом и p-Si.Увеличение значения положительного напряжения затвора отодвигает отверстия p-типа еще дальше и увеличивает толщину созданного канала. В результате мы обнаруживаем, что размер канала, который мы сделали, увеличивается с размером напряжения затвора и увеличивает или увеличивает количество тока, который может идти от истока к стоку — вот почему этот тип транзистора называется улучшенным. режим устройства.

Подробнее здесь: http://homepages.which.net/~paul.hills/SpeedControl/Mosfets.html

Тестирование MOSFET

Приобретите мультиметр с диапазоном измерения диодов.
Подключите минус измерителя к источнику полевого МОП-транзистора.
Держите полевой МОП-транзистор за корпус или язычок, если хотите, не имеет значения, касаетесь ли вы металлического корпуса, но будьте осторожны, не касайтесь выводов, пока вам это не понадобится. НЕ допускайте контакта полевого МОП-транзистора с вашей одеждой, пластиковыми или пластиковыми изделиями и т. Д. Из-за высокого статического напряжения, которое он может генерировать.
Сначала прикоснитесь плюсом к воротам.
Теперь переместите положительный датчик измерителя в слив. Вы должны получить низкое чтение.Емкость затвора полевого МОП-транзистора была заряжена измерителем, и устройство было включено.
Когда положительный полюс измерителя все еще подключен к сливу, коснитесь пальцем между истоком и затвором (и сливом, если хотите, это не имеет значения). Затвор будет выпущен через ваш палец, и показания счетчика должны стать высокими, указывая на непроводящее устройство.
.

MOSFET < Общие сведения о характеристиках MOSFET > | Основы электроники

Паразитная емкость и температурные характеристики полевого МОП-транзистора

Паразитная емкость

В силовых полевых МОП-транзисторах существует паразитная емкость, как показано на рисунке 1.

Иногда известная как паразитная емкость, паразитная емкость неизбежна и обычно нежелательна, поскольку существует между частями электронного компонента или схемы просто из-за того, насколько они близки друг к другу.Емкость — это способность системы накапливать электрический заряд.

Вывод затвора в полевом МОП-транзисторе изолирован от других выводов оксидной пленкой. Кремний под затвором имеет полярность, противоположную стоку и истоку, что приводит к образованию PN-переходов (диодов) между областями затвора, стока и истока. Cgs и Cgd — емкости оксидных слоев, а Cds определяется емкостью перехода внутреннего диода.

Как правило, все 3 емкости (C iss , C oss , C rss ), перечисленные в таблице 1, включены в спецификации MOSFET.

Как показано на рисунке 2, характеристики емкости могут зависеть от V DS (напряжение сток-исток). По мере увеличения V DS емкость уменьшается.

Температурные характеристики

Отличий емкостных характеристик при разных температурах практически нет. Примеры измерения температуры показаны на Рисунке 3 (1) — (3).

Характеристики переключения и температуры полевого МОП-транзистора

Что такое время переключения MOSFET?

МОП-транзистор будет включаться или выключаться после включения / выключения напряжения затвора.Время между включением и выключением называется временем переключения. Различные времена переключения перечислены в таблице 1 ниже. Обычно указываются t d (вкл.) , t F , t d (выкл.) и t r . ROHM определяет типичные значения, используя схему измерения, подобную показанной на Рисунке 2.

Температурные характеристики

Время переключения незначительно зависит от повышения температуры — порядка 10% при 100 ° C. Другими словами, характеристики переключения в значительной степени не зависят от температуры.Примеры измерений показаны на Рисунке 3 (1) — (4).

V GS порог: V GS (th)

В GS (th) — это напряжение, необходимое между затвором и истоком для включения полевого МОП-транзистора. Другими словами, подача напряжения выше, чем В GS (th) включит полевой МОП-транзистор.
Чтобы определить величину тока, протекающего через полевой МОП-транзистор во включенном состоянии, необходимо обратиться к техническим характеристикам и электрическим характеристикам каждого элемента.

В таблице 1 перечислены соответствующие электрические характеристики. В случае V DS = 10 В пороговое напряжение от 1,0 В до 2,5 В требуется для I D 1 мА.

Таблица 1: Электрические характеристики

I D -V GS и температурные характеристики

I D -V GS и примеры характеристик пороговой температуры показаны на рисунках 1 и 2 выше. Как видно на рисунке 1, для большого тока требуется большое напряжение затвора.

Хотя модели, перечисленные в Таблице 1, имеют пороговое значение менее 2,5 В, рекомендуется использовать привод на 4 В. Всегда проверяйте наличие достаточного напряжения затвора для включения полевого МОП-транзистора.

Возвращаясь к Рисунку 2, мы видим, что пороговое значение уменьшается пропорционально температуре. Следовательно, температуру канала элемента можно рассчитать, отслеживая изменение порогового напряжения.

Страница продукта MOSFET
МОП-транзисторы

на страницу продукта

MOSFET

ROHM имеет широкие типы приводов и поддерживает от слабого сигнала до высокой мощности.Кроме того, он превосходит высокоскоростное переключение и низкое сопротивление в открытом состоянии, а MOSFET ROHM доступен для широкого применения.

.