Мосфет что это: Параметры MOSFET транзисторов.

Содержание

Mosfet транзисторы принцип работы

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

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

Что такое МОП-транзистор

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

В последние годы его открытие привело к доминирующему использованию этих устройств в цифровых интегральных схемах из-за его структуры. Слой диоксида кремния (SiO2) действует как изолятор и обеспечивает электрическую изоляцию между затвором и активным каналом между истоком и стоком, что обеспечивает высокий входной импеданс, который почти бесконечен, таким образом захватывая весь входной сигнал.

Принцип работы МОП-транзистора (MOSFET)

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

Типы МОП-транзистора (MOSFET)

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

  • Режим насыщения
  • Режим истощения

Режим насыщения

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

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

Классификация режима насыщения МОП- транзисторов

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

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

N-канальный тип насыщения MOSFET

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

P-канальный тип насыщения MOSFET

  • Слегка легированная подложка N-типа образует корпус устройства, а исток и сток сильно легированы примесями P-типа.
  • P-канал имеет отверстия в качестве основных носителей.
  • Он имеет более высокую внутреннюю емкость и малую подвижность отверстий, что делает его работающим при низкой скорости переключения по сравнению с N-типом.
  • Подаваемое напряжение затвора является отрицательным для включения устройства.
  • Водостойкость выше по сравнению с N-типом.

Режим истощения

В этом типе канал уже установлен, и очевидно, что проводимость происходит даже при нулевом напряжении, и он открыт или включен по умолчанию. В отличие от типа насыщения, здесь канал лишен носителей заряда, чтобы уменьшить ширину канала.

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

Классификация режима истощения МОП-транзисторов

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

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

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

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

Символ на схеме разных типов МОП-транзистора (MOSFET)

Символы различных типов МОП-транзисторов изображены ниже.

Применение МОП-транзистора

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

Преимущества МОП-транзистора

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

Базовая структура MOSFET транзистора

Конструкция MOSFET (что это, рассказано в статье подробно) очень отличается от полевых. Оба типа транзисторов используют электрическое поле, создаваемое напряжением на затворе. Чтобы изменить поток носителей заряда, электронов для п-канала или отверстия для р-канала, через полупроводящий канал сток-исток. Электрод затвора помещен на вершине очень тонким изолирующим слоем, и есть пара небольших областей п-типа только под сток и исток электродов.

При помощи изолированного устройства затвора для МОП-транзистора никаких ограничений не применяется. Поэтому можно соединять с затвором полевого МОП-транзистора источник сигнала в любой полярности (положительный или отрицательной). Стоит отметить, что чаще встречаются импортные транзисторы, нежели их отечественные аналоги.

Это делает MOSFET устройства особенно ценными в качестве электронных переключателей или логических приборов, потому что без воздействия извне они, как правило, не проводят ток. И причина этому высокое входное сопротивление затвора. Следовательно, очень маленький или несущественный контроль необходим для МОП-транзисторов. Ведь они представляют собой устройства, управляемые извне напряжением.

Режим истощения МОП-транзистора

Режим истощения встречается значительно реже, нежели режимы усиления без приложения напряжения смещения к затвору. То есть, канал проводит при нулевом напряжении на затворе, следовательно, прибор «нормально закрыт». На схемах используется сплошная линия для обозначения нормально замкнутого проводящего канала.

Для п-канального МОП-транзистора истощения, отрицательное напряжение затвор-исток отрицательное, будет истощать (отсюда название) проводящий канал своих свободных электронов транзистора. Аналогично для р-канального МОП-транзистора обеднение положительного напряжения затвор-исток, будет истощать канал своих свободных дырок, переведя устройство в непроводящее состояние. А вот прозвонка транзистора не зависит от того, какой режим работы.

Другими словами, для режима истощения п-канального МОП-транзистора:

  1. Положительное напряжение на стоке означает большее количество электронов и тока.
  2. Отрицательное напряжение означает меньше электронов и ток.

Обратные утверждения также верны и для транзисторов р-канала. Тогда режим истощения МОП-транзистора эквивалентно «нормально разомкнутому» переключателю.

N-канальный МОП-транзистор в режиме истощения

Режим истощения МОП-транзистора построен таким же образом, как и у полевых транзисторов. Причем канал сток-исток – это проводящий слой с электронами и дырками, который присутствует в п-типа или р-типа каналах. Такое легирование канала создает проводящий путь низкого сопротивления между стоком и источника с нулевым напряжением. Используя тестер транзисторов, можно провести замеры токов и напряжений на его выходе и входе.

Режим усиления МОП-транзистора

Более распространенным у транзисторов MOSFET является режим усиления, он обратный для режима истощения. Здесь проводящий канал слаболегированный или даже нелегированный, что делает его непроводящим. Это приводит к тому, что устройство в режиме покоя не проводит ток (когда напряжение смещения затвора равно нулю). На схемах для обозначения МОП-транзисторов такого типа используют ломаную линию, чтобы обозначить нормально открытый токоизолирующий канал.

Для повышения N-канального МОП-транзистора ток стока будет течь только тогда, когда напряжение на затворе прикладывается к затвору больше, чем пороговое напряжение. При подаче положительного напряжения на затвор к п-типа MOSFET (что это, режимы работы, схемы включения, описаны в статье) привлекает большее количество электронов в направлении оксидного слоя вокруг затвора, тем самым увеличивая усиление (отсюда название) толщины канала, позволяя свободнее протекать току.

Особенности режима усиления

Увеличение положительного напряжения затвора вызовет появление сопротивления в канале. Это не покажет тестер транзисторов, он может только проверить целостность переходов. Чтобы уменьшить дальнейший рост, нужно увеличить тока стока. Другими словами, для режима усиления п-канального МОП-транзистора:

  1. Положительный сигнал транзистор переводит в проводящий режим.
  2. Отсутствие сигнала или же его отрицательное значение переводит в непроводящий режим транзистор. Следовательно, в режиме усиления МОП-транзистор эквивалентен «нормально разомкнутому» переключателю.

Обратные утверждения справедливы для режимов усиления р-канальных МОП-транзисторов. При нулевом напряжении устройство в режиме «Выкл» и канал открыт. Применение напряжения отрицательного значения к затвору р-типа у MOSFET увеличивает проводимость каналов, переводя его режим «Вкл». Проверить можно, используя тестер (цифровой или стрелочный). Тогда для режима усиления р-канального МОП-транзистора:

  1. Положительный сигнал переводит транзистор «Выкл».
  2. Отрицательный включает транзистор в режим «Вкл».

Режим усиления N-канального МОП-транзистора

В режиме усиления МОП-транзисторы имеют низкое входное сопротивление в проводящем режиме и чрезвычайно высокое в непроводящем. Также их бесконечно высокое входное сопротивление из-за их изолированного затвора. Режима усиления транзисторов используется в интегральных схемах для получения типа КМОП логических вентилей и коммутации силовых цепей в форме, как PMOS (P-канал) и NMOS (N-канал) входов. CMOS – это комплементарный МОП в том смысле, что это логическое устройство имеет как PMOS, так и NMOS в своей конструкции.

Транзистор полевой

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

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

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

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

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

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

«Полевик» с изолированным затвором и индуцированным каналом

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

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

Обратный диод

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

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

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

Рис.2. Паразитные элементы в составе полевого транзистора. 

 Основные преимущества MOSFET 

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

Основные характеристики MOSFET

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

Что еще нужно знать про полевой транзистор?

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

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

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

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

Схема включения MOSFET

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

что это такое? Конструктивно-технологические особенности

В этой статье будет рассказано о таком элементе, как мосфет. Что это, какими свойствами обладает, для чего используется в современной электронике, будет рассказано ниже. Вы можете встретить два типа силовых транзисторов – MOSFET и IGBT. Они применяются в импульсных преобразователях высокой мощности – инверторах, блоках питания. Стоит рассмотреть все особенности этих элементов.

Основные сведения

Нужно отметить, что IGBT и мосфет транзисторы способны выдать очень большую мощность в нагрузку. При всем при этом устройство окажется очень маленьким по габаритам. Коэффициент полезного действия превышает у транзисторов значения в 95%. У мосфет и IGBT имеется одна общая черта – у них затворы изолированные, следствие этого – похожие параметры управления. Температурный коэффициент отрицательный у этих устройств, что позволяет делать такие транзисторы, которые будут устойчивы к воздействию короткого замыкания. На сегодняшний день мосфеты с нормированным значением времени перегрузки производятся почти всеми фирмами.

Драйверы для управления

Так как нет тока в цепи управления, в статическом режиме можно не использовать стандартные схемы. Разумнее применить специальный драйвер – интегральную схему. Многие фирмы выпускают устройства, которые позволяют управлять одиночными силовыми транзисторами, а также мостами и полумостами (трехфазными и двухфазными). Они могут выполнить различные вспомогательные функции – защитить от токовой перегрузки или КЗ, а также от большого падения напряжения в цепи управления мосфет. Что это за цепь, будет рассказано более детально ниже. Стоит заметить, что падение напряжения в цепи управления силовым транзистором – это очень опасное явление. Мощные мосфеты могут перейти в другой режим работы (линейный), вследствие чего выйдут из строя. Кристалл перегревается и транзистор сгорает.

Режим КЗ

Главная вспомогательная функция драйвера – это защита от токовых перегрузок. Необходимо внимательно посмотреть на работу силового транзистора в одном из режимов – короткого замыкания. Перегрузка по току может возникнуть по любой причине, но наиболее частые – замыкание в нагрузке либо же на корпус. Поэтому следует правильно осуществить управление мосфетами.

Перегрузка происходит из-за определенных особенностей схемы. Возможен переходный процесс либо возникновение тока обратного восстановления полупроводникового диода одного из плеч транзистора. Устранение таких перегрузок происходит схемотехническим методом. Используются цепи формирования траектории (снабберы), осуществляется подбор резистора в затворе, изолируется цепь управления от шины высокого тока и напряжения.

Как включается транзистор при КЗ в нагрузке

Когда в нагрузке происходит КЗ, в коллекторной цепи ток ограничивается определенным напряжением в затворе, а также крутизной характеристик самого транзистора. В цепи питания при этом имеется некоторая емкость, поэтому внутреннее сопротивление самого источника никак не может оказать свое влияние на ток короткого замыкания. Как только происходит включение, в транзисторе плавно начинает происходить наращивание тока благодаря тому, что имеется паразитная индуктивность в коллекторной цепи. Этот же факт является причиной того, что имеется некий провал напряжения.

Ложные срабатывания

После того как переходный процесс завершится, к силовому транзистору будет приложено напряжение питания полностью. А это приведет к тому, что большая мощность будет рассеиваться в полупроводниковом кристалле. Отсюда можно сделать вывод о том, что режим короткого замыкания обязательно необходимо прерывать спустя определенный промежуток времени. Его должно хватить, чтобы исключить ложное срабатывание. Как правило, значение времени лежит в интервале 1…10 мкс. Характеристики транзистора должны быть такими, чтобы он без труда выдерживал эту перегрузку.

КЗ нагрузки при включенном транзисторе

Аналогично со случаем, рассмотренным выше, ток ограничен характеристиками самого транзистора. Он нарастает со скоростью, которая определяется индуктивностью (паразитной). Перед тем как этот ток дойдет до постоянного установившегося значения, начнется возрастание напряжения коллектора. На затворе происходит увеличение напряжения благодаря эффекту Миллера.

Ток на коллекторе увеличивается, причем он может значительно превышать установившееся значение. Именно для этого режима предусмотрено не только то, что отключается канальный мосфет, но и заложена возможность ограничения напряжения.

От напряжения, приложенного к затвору транзистора, зависит напрямую установившийся ток короткого замыкания. Но при снижении напряжения на затворе полупроводникового элемента происходит довольно интересная картина. Напряжение насыщения увеличивается и, как следствие, увеличиваются потери проводимости. Устойчивость транзистора к короткому замыканию тесным образом связана с крутизной его характеристик.

Ток КЗ и коэффициент усиления

Чем выше КУ у мосфетов по току, тем ниже напряжение насыщения. Также они способны выдерживать перегрузки небольшое время. С другой же стороны, полупроводники, которые более устойчивы к воздействию короткого замыкания, обладают очень высоким напряжением насыщения. Потери у них тоже очень существенные.

Большее максимально допустимое значение тока короткого замыкания имеет пионер мосфет, нежели простой биполярный транзистор. Как правило, он в десять раз превышает номинальное значение тока (при условии, что на затворе допустимое напряжение). Большая часть производителей (европейских и азиатских) выпускает транзисторы, которые выдерживают такие нагрузки, причем не повреждаются.

Драйвер защиты от перегрузки верхнего плеча

Существуют различные методы отключения элементов при перегрузке. При помощи драйверов различных производителей можно реализовывать любые защитные функции, причем максимально эффективно. Если возникла перегрузка, необходимо снизить напряжение затвора. В этом случае распознавание аварийного режима увеличивается по времени.

Благодаря этому получается исключить ложные срабатывания схемы защиты. Вот как проверить мосфет: попробуйте изменить значение емкости конденсатора. Если изменится время реакции на КЗ, то вся схема работает правильно. В схеме используется несколько элементов, у которых определенные обязанности. Например, подключенный к выводу драйвера, “ERR”-конденсатор позволяет определить время анализа перегрузок.

Аварийный режим работы

На этот временной промежуток производится включение схемы стабилизации тока в цепи коллектора. Благодаря этому происходит снижение напряжения на затворе полупроводникового элемента. В том случае, если не происходит прекращение перегрузки, транзистор отключается спустя 10 мкс. Защита отключается после того, как будет снят со входа сигнал. Благодаря этому осуществляется триггерная схема защиты.

Когда она применяется, необходимо уделять свое внимание промежутку времени, через которое происходит повторное включение транзистора мосфет. Что это за включение и какие у него особенности? Обратите внимание на то, что это время должно быть больше, чем тепловая постоянная (временная) полупроводникового кристалла, на основе которого изготовлен транзистор.

Недостатки схемы включения

В схеме применяются резисторы, у которых высокая мощность, но у них очень высокая индуктивность (паразитная, за счет использования некоторых материалов и технологий). А для идеального функционирования схемы нужно, чтобы емкость была близка нулю. Резисторы, применяемые для измерений импульсного тока, должны соответствовать вышеизложенному условию. Ко всему прочему резисторы теряют огромную мощность. А это отражается на эффективности всей схемы драйвера верхнего плеча.

Но существуют схемы включения, которые снижают потери мощности. Напряжение насыщения в любом случае зависит от коллекторного тока. Мосфет (что это, рассмотрено в статье) данную зависимость демонстрирует, можно сказать, линейную по причине того, что от тока на стоке транзистора не зависит сопротивление канала (активного). Но у мощных IGBT транзисторов эта зависимость не линейна, но можно без труда выбрать напряжение, которое будет соответствовать необходимому току защиты.

Драйвер трехфазного моста

В таких схемах также применяется резистор для измерений значения тока. Ток защиты определяется при помощи делителя напряжения. Широкую популярность получили драйверы IR2130, которые обеспечивают стабильную работу схемы при напряжении до 600 Вольт. Схема включает в себя транзистор полевого типа, у которого открыт сток (он служит для индикации наличия неисправностей). Устанавливается мосфет на плате при помощи жестких перемычек в качественной изоляции по этим причинам. В нем имеется усилитель, который вырабатывает определенный контрольный и обратной связи сигналы. При помощи драйвера происходит формирование задержки по времени между включениями транзисторов нижнего и верхнего плеч, чтобы исключить появление сквозного тока.

Как правило, в зависимости от модификации, время составляет 0,2…2 мкс. В драйвере IR2130, который используется для реализации схемы защиты, отсутствует функция ограничения максимального значения напряжения на затворе в момент короткого замыкания. При разработке схемы трехфазного плеча необходимо помнить о том, что отключение моста происходит спустя 1 мкс после начала короткого замыкания. Следовательно, ток (в особенности при наличии активной нагрузки) превышает значение, которое было рассчитано. Чтобы сбросить режим защиты и вернуться к рабочему, следует произвести отключение питания драйвера либо же осуществить подачу на его входы запирающего напряжения.

Драйверы нижнего плеча

Чтобы произвести управление транзисторами мосфет нижнего плеча, существуют качественные микросхемы фирмы Motorola, например, МС33153. Этот драйвер особенный, так как его можно с успехом использовать для двух типов защиты (по напряжению и току). Также имеется функция, которая разделяет два режима – перегрузки и короткого замыкания. Имеется возможность подачи некоторого напряжения (отрицательного для управления). Это полезно для случаев, когда необходимо производить управление модулями с высокой мощностью и достаточно большим значением заряда затвора. Отключается режим защиты IGBT (это ближайшие аналоги мосфетов) после того, как напряжение питания падает ниже отметки в 11 Вольт.

MOSFET-транзистор. Применение MOSFET-транзисторов в электронике

Транзисторы MOSFET часто используются в производстве микросхем. Указанные элементы предназначены для управления напряжением цепи. Работают устройства по принципу изменения полярности. На сегодняшний день выпущено множество модификаций, которые отличаются по параметру выходного сопротивления, чувствительности и проводимости. По конструкции они являются схожими.

Модели с малой проводимостью состоят из двух ячеек. Проводники установлены в нижней части корпуса. Внутри элемента располагаются каналы с диодами. Область применения транзисторов очень обширная. Наиболее часто они встречаются в блоках питания.

Транзисторы серии IRG4BC10K

Это обозначение транзисторов говорит о том, что они подходят для коммутаторов. Устанавливаются они на микросхемах с высокой проводимостью тока. Режимы работы транзистора можно регулировать за счет изменения частоты в цепи. В данном случае показатель предельной чувствительности равняется 5 мВ. Выходное напряжение подводники способны выдерживать в 12 В. Если рассматривать модификации с коннекторами, то там транзисторы подсоединяются через модулятор. Конденсаторы для улучшения проводимости используются только импульсного типа.

Для решения проблем с отрицательной полярностью необходимы варикапы. Также важно отметить, что указанные транзисторы подходят для видеосендеров. В данном случае элементы способны работать только с полевыми конденсаторами. В этом случае проводимость тока не будет превышать 10 мк. В блоках питания применение транзисторов ограничено моделями до 15 В.

Параметры транзистора серии IRG4BC8K

Представленной серии MOSFET N-канальный транзистор пользуется большим спросом. В первую очередь важно отметить, что он относится к классу высокочастотных элементов. Параметр чувствительности у моделей равняется 6 мВ. Проводимость тока в среднем составляет 12 мк. Для коммутаторов модели подходят плохо. Также они быстро перегреваются в боках питания.

Работать устройства могут только с поглощающими фильтрами. Наиболее часто модификации встречаются в контроллерах и регуляторах. Микросхемы для них подбираются серии РР20. Если рассматривать стандартный контроллер с указанным транзистором, то конденсаторы используются проходного типа. Фильтры в данном случае берутся с обкладкой. Если рассматривать схему регулятора, то транзистор устанавливается за открытыми конденсаторами. Показатель проводимости должен составлять не более 15 мк. Максимальная допустимая перегрузка тока — 3 А.

Применение моделей IRG4BC17K

Это обозначение транзисторов говорит о том, что они применяются для коммутаторов и ресиверов. В данном случае проводимость тока колеблется в районе 5,5 мк. Чувствительность модификации зависит от типа выбранных конденсаторов. Если рассматривать схему стандартного ресивера, то они используются полевого типа. В этом случае чувствительность элемента колеблется в районе 16 мВ. Также важно отметить, что фильтры разрешается использовать только поглощающего типа.

Допустимый уровень перегрузки в такой ситуации не будет превышать 3,5 А. Выходное напряжение указанные транзисторы в ресиверах выдерживают в 14 В. Если рассматривать схему с коммутатором, то конденсаторы применяются импульсного типа. Всего для устройства потребуется два фильтра. Непосредственно транзистор устанавливается за обмоткой. Показатель проводимости тока обязан составлять не более 8 мк.

Если рассматривать модификацию с оперативными конденсаторами, то вышеуказанный параметр не превысит 10 мк. Как проверить MOSFET-транзистор? Сделать это можно при помощи обычного тестера. Указанный прибор сразу покажет нарушение целостности проводников.

Особенности модели IRG4BC15K

Мощные транзисторы представленной серии подходят для микросхем РР20. Используются они в различных регуляторах для управления двигателями. Режимы работы транзистора легко регулировать благодаря изменению частоты в цепи. Если рассматривать схему обычной модели, то выходное напряжение на проводниках равняется 15 В. В среднем показатель проводимости тока составляет 4,5 мк.

Чувствительность элемента зависит от конденсаторов, а также адаптера. Еще важно учитывать показатель выходного сопротивления в цепи. Если рассматривать модификацию с сеточным адаптером, то чувствительность элемента равняется не более 20 мВ. Использовать триоды в цепи запрещается. Для того чтобы увеличить проводимость транзистора, используются выпрямители.

Если рассматривать регулятор на широкополосном адаптере, то показатель чувствительности составляет не более 15 мВ. Также важно отметить, что выходное напряжение колеблется в районе 10 В. В данном случае пороговое сопротивление составляет около 20 Ом. В силовых блоках применение транзисторов ограничено устройствами до 15 В.

Область применения транзистора IRG4BC3K

Транзисторы представленной серии подходят для коммутаторов различной мощности. Также устройства активно используются в ресиверах. Пропускная способность модификаций колеблется в районе 7 мк. В данном случае чувствительность зависит от конденсаторов. Если рассматривать стандартный коммутатор, то они в нем используются однопереходного типа. В данном случае показатель чувствительности не превысит 3 мВ. Если рассматривать устройства с двухпереходными конденсаторами, то в этом случае вышеуказанный параметр может достигать 6 мВ.

Также важно отметить, что работать транзистор способен лишь с переходными адаптерами. В некоторых случаях для повышения стабильности напряжения устанавливаются изоляторы. Фильтры чаще всего используются проводникового типа. Если рассматривать схему ресивера с указанными транзисторами, то выходное напряжение не должно превышать 12 В. В данном случае конденсаторы целесообразнее подбирать операционного типа. В среднем чувствительность будет составлять 12 мВ.

Установка транзистора в электропривод

MOSFET-транзистор в электроприводы небольшой мощности разрешается устанавливать через переходники. В данном случае конденсаторы используются с фильтрами. Преобразователь для нормальной работы системы подбирается без выпрямителя. В некоторых случаях устанавливается динистор.

Если рассматривать привод на 10 кВт, то транзистор должен находиться с кенотроном. Показатель выходного напряжения максимум будет достигать 15 В. Однако следует также учитывать сопротивление в цепи. В среднем указанный параметр не превышает 50 Ом.

Транзистор в блоке питания на 5 В

В блоках питания на 5 В MOSFET-транзистор разрешается устанавливать без фильтров. Непосредственно адаптеры подбираются контрольного типа. У некоторых модификаций используется демпфер. В таком случае параметр проводимости не превысит 5,5 мк. Чувствительность, в свою очередь, зависит от типа конденсаторов. У блоков на 5 В они часто используются интегрального типа. Также существуют модификации с импульсными элементами. Чем заменить транзистор в блоке питания на 5 В? При необходимости это всегда можно сделать, установив расширитель.

Транзисторы у блоков на 10 В

В блоки питания на 10 В MOSFET-транзистор устанавливается с поглощающими фильтрами. Конденсаторы чаще всего используются импульсного типа. Параметр выходного сопротивления в цепи не должен превышать 50 Ом. Также важно отметить, что открытые адаптеры использовать запрещается. В данном случае их можно заменить компаратором. Показатель отрицательного сопротивления при этом не превысит 40 Ом.

Устройства в блоке на 15 В

В блок питания на 15 В MOSFET-транзистор разрешается устанавливать с высокой пропускной способностью. Если рассматривать модификации без усилителей, то они подбираются с переходником. Конденсаторы для цепи многие эксперты рекомендуют брать дуплексного типа. В этом случае чувствительность элемента составит 35 мВ. В свою очередь, показатель перегрузки будет не более 2,5 А.

Для того чтобы увеличить проводимость тока, используются импульсные конденсаторы. Однако важно отметить, что они потребляют много электроэнергии. Также конденсаторы импульсного типа оказывают дополнительную нагрузку на преобразователь. Чтобы решить представленную проблему, рядом с транзистором устанавливается триод. Целесообразнее использовать триод сеточного типа. Также на рынке представлены модификации с инвертором.

Транзисторы в регуляторах освещения

В регуляторах освещения часто используются транзисторы с низкой чувствительностью. Все это необходимо для того, чтобы решить проблемы с резкими перепадами температуры. В данном случае показатель отрицательного сопротивления не должен превышать 50 Ом. Конденсаторы для систем подбираются двоичного типа. Многие эксперты не советуют использовать дуплексные адаптеры.

Что такое мосфеты | Te4h

Мосфет (MOSFET) — это полупроводниковый полевой транзистор с оксидом металла (metal oxide semiconductor field effect transistor). В мире ПК эти электрические компоненты находятся на материнской плате настольного компьютера или ноутбука, а также на блоке питания.

В этой небольшой статье мы попытаемся разобраться что такое мосфеты (mosfet), а также выясним где они используются.

Содержание статьи:

Мосфеты на материнской плате

На ПК мосфеты образуют VRM (модуль регулятора напряжения), который контролирует, сколько напряжения получают комплектующие на материнской плате, такие как процессор или видеокарта.

Процессоры и видеокарты, имеют строгое рабочее напряжение, и VRM не допускает его превышения. Мосфеты важны для работы VRM и влияют на количество тепла, выделяемого VRM во время работы. Мосфеты могут довольно сильно нагреется, если вы используете мощную видеокарту. Радиатор материнской платы охлаждает мосфеты и, следовательно, VRM. Помимо обеспечения стабильности и безопасности всей системы в целом, охлаждение мосфетов важно для любого разгона.

Как они работают

Мосфеты напоминают выключатели, которые включаются и выключаются по сигналу интегральной микросхемы (ИС), называемой ШИМ-чипом/контроллером. Мосфеты быстро включаются и выключаются, что позволяет пропускать большой ток короткими очередями. Это, наряду с другими частями VRM, управляет напряжением, посылаемым на другие комплектующие.

Для охлаждения мосфетов во время экстремальных разгонов, энтузиасты часто используют водяное охлаждение.

Мосфеты и блоки питания

Мосфеты делают то же самое и в блоках питания. Они используются в преобразователях и цепях регуляторов для коммутации в импульсных источниках питания (SMPS).

В SMPS энергия извлекается из розетки перед ее разбиением на небольшие пакеты, а мосфеты работают переключателями. Затем эти пакеты передаются через конденсаторы, индукторы и другие электрические компоненты, способные накапливать энергию. В конце концов, пакеты сливаются в один для получения стабильного электропитания.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Транзистор полевой

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

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

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

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

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

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

«Полевик» с изолированным затвором и индуцированным каналом

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

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

Обратный диод

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

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

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

Рис.2. Паразитные элементы в составе полевого транзистора. 

 Основные преимущества MOSFET 

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

Основные характеристики MOSFET

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

Что еще нужно знать про полевой транзистор?

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

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

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

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

Схема включения MOSFET

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

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

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

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

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

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

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

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

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

MOSFET — проверка и прозвонка » PRO-диод

MOSFET — проверка и прозвонка

24.10.2013 | Рубрика: Статьи

Проверка и определение цоколевки MOSFET

Как показывает опыт, новички, сталкивающиеся с проверкой элементной базы подручными средствами, без каких-либо проблем справляются с проверкой диодов и биполярных транзисторов, но затрудняются при необходимости проверить столь распространенные сейчас MOSFET-транзисторы (разновидность полевых транзисторов). Я надеюсь, что данный материал поможет освоить этот нехитрый способ проверки полевых транзисторов.

Очень кратко о полевых транзисторах

На данный момент понаделано очень много всяких полевых транзисторов. На рисунке показаны  графические обозначения некоторых разновидностей полевых транзисторов.

Типы MOSFET

G-затвор, S-исток, D-сток. Сравнивая полевой транзистор с биполярным, можно сказать, что затвор соответствует базе, исток – эмиттеру, сток полевого транзистора – коллектору биполярного транзистора.

Наиболее распространены n-канальные MOSFET – они используются в цепях питания материнских млат, видеокарт и т.п. У MOSFET имеется встроенный диод:

MOSFET n-канальный (слева) и p-канальный (справа).

Транзисторы лучше рисовать с диодом — чтобы потом было проще в схеме ориентироваться. Этот диод является паразитным и от него не удается избавиться на этапе изготовления транзистора. Вообще при изготовлении MOSFET возникает паразитный биполярный транзистор, а диод – один из его переходов. Правда нужно признать, что по схемотехнике этот диод все равно частенько приходится ставить, поэтому производители транзисторов этот диод шунтируют диодом с лучшими показателями как по быстродействию, так и по падению напряжения. В низковольтные MOSFET обычно встраивают диоды Шоттки. А вообще в идеале этого диода не должно было бы быть.

Типовое включение полевого (MOSFET) транзистора:

MOSFET типовое включение

Напряжение на затворе!

У подавляющего большинства полевых транзисторов нельзя на затвор (G) подавать напряжение больше 20В относительно истока (S), а некоторые образцы могут убиться при напряжении выше пяти вольт!

Проверка полевых транзисторов (MOSFET)

И вот, иногда наступает момент, когда необходимо полевой транзистор проверить, прозвонить или определить его цоколевку. Сразу оговоримся, что проверить таким образом можно «logic-level» полевые транзисторы, которые можно встретить в цепях питания на материнских платах и видеокартах. «logic-level» в данном случае означает, что речь идет о приборах, которые управляются, т.е. способны полностью открывать переход D-S, при приложении к затвору относительно небольшого, до 5 вольт, напряжения. На самом деле очень многие MOSFET способны открыться, пусть даже и не полностью, напряжением на затворе до 5В.

В качестве примера возьмем N-канальный MOSFET IRF1010N для его проверки (прозвонки). Известно, что у него такая цоколевка: 1 – затвор (G), 2 – сток (D), 3 – исток (S). Выводы считаются как показано на рисунке ниже.

Распиновка корпуса TO-220

1. Мультиметр выставляем в режим проверки диодов, этот режим очень часто совмещен с прозвонкой. У цифрового мультиметра красный щуп «+», а черный «–», проверить это можно другим мультиметром.
На любом уважающем себя мультиметре есть такая штуковина

Прозвонка диодов, да и вообще полупроводниковых переходов на мультиметре.

2. Щуп «+» на вывод 3, щуп «–» на вывод 2. Получаем на дисплее мультиметра значения 400…700 – это падение напряжения на внутреннем диоде.

3. Щуп «+» на вывод 2, щуп «–» на вывод 3. Получаем на дисплее мультиметра бесконечность. У мультиметров обычно обозначается как 1 в самом старшем разряде. У мультиметров подороже, с индикацией не 1999 а 4000 будет показано значение примерно 2,800 (2,8 вольта).

4. Теперь удерживая щуп «–» на выводе 3 коснуться щупом «+» вывода 1, потом вывода 2. Видим, что теперь щупы стоят так же, как и в п.3, но теперь мультиметр показывает 0…800мВ – у MOSFET открыт канал D-S. Если продолжать удерживать щупы достаточно долго, то станет заметно, что падение напряжения D-S увеличивается, что означает, что канал постепенно закрывается.

5. Удерживая щуп «+» на выводе 2, щупом «–» коснуться вывода 1, затем вернуть его на вывод 3. Как видим, канал опять закрылся и мультиметр показывает бесконечность.

Поясним, что же происходит. С прозвонкой внутреннего диода все понятно. Непонятно почему канал остается либо закрытым, либо открытым? На самом деле все просто. Дело в том, что у мощных MOSFET емкость между затвором и истоком достаточно большая, например у взятого мной транзистора IRF1010N измеренная емкость S-G составляла 3700пФ (3,7нФ). При этом сопротивление S-G составляет сотни ГОм (гигаом) и более. Не забыли – полевые транзисторы управляются электрическим полем, а не током в отличие от биболярных. Поэтому в п.4 касаясь “+” затвора (G) мы его заряжаем относительно истока (S) как обычный конденсатор и управляющее напряжение на затворе может держаться еще достаточно долго.

Помой транзистор!

Если хвататься за выводы транзистора руками, особенно жирными и влажными, емкость транзистора будет разряжаться значительно быстрее, т.к. сопротивление будет определяться не диэлектриком у затвора транзистора, а поверхностным сопротивлением. Не смытый флюс также сильно снижает сопротивление. Поэтому рекомендую помыть транзистор, перед проверкой, например, в спирто-бензиновой смеси.

P.S. Спирто-бензиновая смесь при испарении может генерировать статическое электричество, которое, как известно, негативно действует на полевые транзисторы.

Небольшие пояснения о мультиметрах

1. У цифровых мультиметров режим проверки диодов проводится измерением падения напряжения на щупах, при этом по щупам прибор пропускает стабильный ток 1мА. Именно поэтому в данном режиме прибор показывает не сопротивление, а падение напряжения. Для германиевых диодов оно равно 0,3…0,4В, для кремниевых 0,6…0,8В. Но что бы там не измерялось напряжение на щупах прибора редко превышает 3В – это ограничение накладывается схемотехникой мультиметров.
2. В п.4 при измерении падения напряжения открытого канала величина, отображаемая мультиметром может сильно меняться от различных факторов: напряжения на щупах, температуры, тока стабилизации, характеристик самого полевого транзистора.

Тренировка =)

Теперь можно потренироваться в определении цоколевки мощного транзистора. Перед нами транзистор IRF5210 и его цоколевка мне неизвестна.

1. Начну с поиска диода. Попробую все варианты подключения к мультиметру. После каждого измерения корочу ножки транзистора фольгой чтобы обеспечить разряд емкостей транзистора. Возможные варианты показаны в таблице:

Т.е. диод находится между выводами 2 и 3, соответственно затвор (G) находится на выводе 1.

2. Осталось определить, где находятся сток (D) и исток (S) и полярность (n-канал или p-канал) полевого транзистора.

2.1. Если это n-канальный транзистор, то сток (D) – 3 вывод, исток (S) – 2 вывод. Проверяем. Прикладываем «–» щуп мультиметра к выводу 2, «+» к выводу 3 – канал закрыт, так и должно быть – мы же его еще не пытались открыть. Теперь не отнимая щупа «–» от вывода 2 щупом «+» касаемся вывода 1, затем «+» опять прикладываем к выводу 3. Канал не открылся – значит, наше предположение о том, что IRF5210 n-канальный транзистор оказалось неверным.

2.2. Если это p-канальный транзистор, то сток (D) – 2 вывод, исток (S) – 3. Проверяем. Прикладываем «+» щуп мультиметра к выводу 3, «–» к выводу 2 – канал закрыт, так и должно быть – мы же его еще не пытались открыть. Теперь не отнимая щупа «+» от вывода 3 щупом «–» касаемся вывода 1, затем «–» опять прикладываем к выводу 2. Канал открылся – значит, что IRF5210 p-канальный транзистор, вывод 1 – затвор, вывод 2 – сток, вывод 3 – исток.

На самом деле все не так сложно. Буквально пол часа тренировки – и вы сможете без каких-либо проблем проверять MOSFETы и определять их цоколевку!

Метки:: MOSFET, Цоколевка

Symbol, Рабочие, Типы и Различные Пакеты

Компоненты силовой электронной коммутации, такие как BJT, MOSFET, IGBT, SCR, TRIAC и т. Д., Являются важными устройствами, используемыми при разработке многих схем, начиная от простой схемы драйвера до сложных выпрямителей мощности и инверторов . Самый простой из них — это БЮТ, и мы уже узнали, как работают БЮТ-транзисторы. Рядом с BJT широко используются переключатели питания MOSFET. По сравнению с BJT, MOSFET может обрабатывать высокое напряжение и большой ток, поэтому он популярен среди приложений с высокой мощностью.В этой статье мы изучим основы MOSFET , его внутреннюю конструкцию, принцип работы и способы их использования в схемах. Если вы хотите пропустить теорию, вы можете прочитать статью о популярных полевых МОП-транзисторах и о том, где их использовать, чтобы ускорить процесс выбора и проектирования деталей.

Что такое полевой МОП-транзистор?

MOSFET — это полевой транзистор на основе оксида металла. MOSFET был изобретен для преодоления недостатков, присущих полевым транзисторам, таких как высокое сопротивление стока, умеренное входное сопротивление и более медленная работа.Таким образом, полевой МОП-транзистор можно назвать усовершенствованной формой полевого транзистора. В некоторых случаях полевые МОП-транзисторы также называются IGFET (полевой транзистор с изолированным затвором). Фактически, MOSFET — это устройство, управляемое напряжением, что означает, что при подаче номинального напряжения на вывод затвора MOSFET начинает проводить через выводы Drain и Source. Подробности мы рассмотрим позже в этой статье.

Основное различие между полевым транзистором и полевым МОП-транзистором состоит в том, что у полевого МОП-транзистора имеется металлооксидный электрод затвора, электрически изолированный от основного полупроводникового n-канала или p-канала тонким слоем диоксида кремния или стекла.Изоляция управляющего затвора увеличивает входное сопротивление полевого МОП-транзистора до чрезвычайно высокого значения в мегаом (МОм).

Символ полевого МОП-транзистора

В общем, полевой МОП-транзистор представляет собой четырехконтактное устройство с выводами сток (D), исток (S), затвор (G) и корпус (B) / подложка. Вывод на корпусе всегда будет подключен к выводу источника, следовательно, полевой МОП-транзистор будет работать как трехконтактное устройство.На изображении ниже слева показан символ N-канального MOSFET , а справа — символ P-канального MOSFET .

Наиболее часто используемым корпусом для полевого МОП-транзистора является To-220, для лучшего понимания давайте взглянем на распиновку знаменитого полевого МОП-транзистора IRF540N (показано ниже). Как вы можете видеть, контакты Gate, Drain и Source перечислены ниже, помните, что порядок этих контактов будет меняться в зависимости от производителя.Другими популярными полевыми МОП-транзисторами являются IRFZ44N, BS170, IRF520, 2N7000 и т. Д.

.

MOSFET в качестве переключателя

Наиболее распространенное применение MOSFET использует его в качестве переключателя. На приведенной ниже схеме показан полевой МОП-транзистор, работающий как переключающее устройство для включения и выключения лампы. Входное напряжение затвора V GS прикладывается с помощью источника входного напряжения. Когда приложенное напряжение положительное, двигатель будет во включенном состоянии, а если приложенное напряжение равно нулю или отрицательно, лампа будет в выключенном состоянии.

Когда вы включаете МОП-транзистор, подавая необходимое напряжение на штырь затвора, он останется включенным, если вы не подадите 0В на затвор. Чтобы избежать этой проблемы, мы всегда должны использовать понижающий резистор (R1), здесь я использовал значение 10 кОм. В таких приложениях, как управление скоростью двигателя или регулирование яркости света, мы будем использовать сигнал ШИМ для быстрого переключения, во время этого сценария емкость затвора полевого МОП-транзистора будет создавать обратный ток из-за паразитного эффекта.Чтобы решить эту проблему, мы должны использовать токоограничивающий конденсатор, я использовал здесь значение 470.

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

Классификация полевых МОП-транзисторов

MOSFET классифицируется на два типа в зависимости от типа операций, а именно MOSFET в режиме улучшения (E-MOSFET) и MOSFET в режиме истощения (D-MOSFET), эти полевые МОП-транзисторы дополнительно классифицируются в зависимости от материала, используемого для конструкции. как n-канальный и p-канальный. Итак, в целом существует 4 различных типа полевых МОП-транзисторов

.

  • MOSFET с N-канальным режимом истощения
  • МОП-транзистор в режиме истощения P-канала
  • MOSFET в режиме расширения с N-каналом
  • MOSFET режим расширения P-канала

N-канальные полевые МОП-транзисторы называются NMOS и представлены следующими символами.

В соответствии с внутренней конструкцией полевого МОП-транзистора, выводы затвора (G), стока (D) и истока (S) физически соединены в полевом МОП-транзисторе в режиме истощения, в то время как в режиме улучшения они физически разделены, по этой причине для полевого МОП-транзистора режима улучшения символ выглядит сломанным. МОП-транзисторы с P-каналом называются PMOS и представлены следующими символами.

Из доступных типов полевой МОП-транзистор с N-каналом расширения является наиболее часто используемым.Но ради познания попробуем вникнуть в разницу. Основное различие между N-канальным MOSFET и P-канальным MOSFET заключается в том, что в N-канале переключатель MOSFET остается открытым до тех пор, пока не будет подано напряжение затвора. Когда на вывод затвора поступает напряжение, переключатель (между стоком и истоком) замыкается, и в P-канальном MOSFET переключатель остается закрытым до тех пор, пока не появится напряжение затвора.

Аналогичным образом, основное различие между MOSFET в режиме улучшения и в режиме истощения состоит в том, что напряжение затвора, подаваемое на E-MOSFET, всегда должно быть положительным, и он имеет пороговое напряжение, выше которого он полностью включается.Для D-MOSFET напряжение на затворе может быть как положительным, так и отрицательным, и он никогда не включается полностью. Также обратите внимание, что D-MOSFET может работать в режиме улучшения и истощения, тогда как E-MOSFET может работать только в режиме улучшения.

Конструкция полевого МОП-транзистора

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

Если вы посмотрите на структуру, вы можете увидеть, что вывод затвора закреплен на тонком металлическом слое, который изолирован от полупроводника слоем диоксида кремния (SiO2), и вы увидите два полупроводника N-типа. фиксируется в области канала, где размещены выводы стока и истока. Канал между стоком и истоком полевого МОП-транзистора — N-типа, в противоположность этому подложка выполнена как P-тип. Это помогает смещать полевой МОП-транзистор с обеих полярностей, положительной или отрицательной.Если вывод затвора полевого МОП-транзистора не смещен, он останется в непроводящем состоянии, поэтому полевой МОП-транзистор в основном используется при разработке переключателей и логических вентилей.

Принцип работы полевого МОП-транзистора

В общем, полевой МОП-транзистор работает как переключатель, а МОП-транзистор регулирует напряжение и ток между истоком и стоком. Работа полевого МОП-транзистора зависит от МОП-конденсатора , который представляет собой поверхность полупроводника под слоями оксида между выводами истока и стока.Его можно инвертировать из p-типа в n-тип, просто приложив соответственно положительное или отрицательное напряжение затвора. На изображении ниже показана блок-схема полевого МОП-транзистора.

Когда напряжение сток-исток (V DS ) подключено между стоком и истоком, положительное напряжение подается на сток, а отрицательное напряжение — на исток. Здесь PN-переход на стоке имеет обратное смещение, а PN-переход на истоке — прямое смещение.На этом этапе между стоком и истоком не будет тока.

Если мы подадим положительное напряжение (В GG ) на вывод затвора, из-за электростатического притяжения неосновные носители заряда (электроны) в P-подложке начнут накапливаться на контакте затвора, который образует проводящий мост между двумя n + регионы. Количество свободных электронов, накопленных на контакте затвора, зависит от силы приложенного положительного напряжения.Чем выше приложенное напряжение, тем больше ширина n-канала, образованного из-за накопления электронов, это в конечном итоге увеличивает проводимость, и ток стока (I D ) начнет течь между Источником и Стоком.

Когда на вывод затвора не подается напряжение, не будет протекать какой-либо ток, кроме небольшого количества тока из-за неосновных носителей заряда. Минимальное напряжение, при котором МОП-транзистор начинает проводить, называется пороговым напряжением .

Работа полевого МОП-транзистора в режиме истощения:

MOSFET в режиме истощения обычно называют «включенными» устройствами, поскольку они обычно находятся в закрытом состоянии, когда на выводе затвора нет напряжения смещения. Когда мы увеличиваем приложенное к затвору напряжение в положительную сторону, ширина канала будет увеличиваться в режиме истощения. Это увеличит ток стока I D через канал. Если приложенное напряжение затвора сильно отрицательное, ширина канала будет меньше, и полевой МОП-транзистор может попасть в область отсечки.

VI характеристики:

Вольт-амперная характеристика транзистора MOSFET , работающего в режиме истощения, находится между напряжением сток-исток (V DS ) и током стока (I D ). Небольшое напряжение на выводе затвора будет управлять током, протекающим через канал. Канал, образованный между стоком и истоком, будет действовать как хороший проводник с нулевым напряжением смещения на выводе затвора. Ширина канала и ток стока увеличиваются, если на затвор подается положительное напряжение, тогда как они уменьшаются, когда мы прикладываем отрицательное напряжение к затвору.

Работа MOSFET в режиме расширения:

Работа полевого МОП-транзистора в режиме улучшения аналогична работе открытого переключателя, он начнет работать, только если положительное напряжение (+ V GS ) будет приложено к клемме затвора и ток стока начнет течь через устройство. Ширина канала и ток стока увеличиваются при увеличении напряжения смещения. Но если приложенное напряжение смещения равно нулю или отрицательно, транзистор сам останется в выключенном состоянии.

VI Характеристики:

ВИ-характеристики полевого МОП-транзистора в расширенном режиме отображаются между током стока (I D ) и напряжением сток-исток (V DS ). Характеристики VI разделены на три различных области: омическую область, область насыщения и область отсечки. Область отсечки — это область, в которой полевой МОП-транзистор будет находиться в выключенном состоянии, когда приложенное напряжение смещения равно нулю. Когда прикладывается напряжение смещения, полевой МОП-транзистор медленно перемещается в сторону режима проводимости, и медленное увеличение проводимости происходит в омической области.Наконец, область насыщения — это то место, где положительное напряжение прикладывается постоянно, и полевой МОП-транзистор будет оставаться в состоянии проводимости.

Пакеты MOSFET

Полевые МОП-транзисторы

доступны в различных корпусах, размерах и названиях для использования в различных приложениях. Как правило, полевые МОП-транзисторы поставляются в 4 различных корпусах, а именно: поверхностный монтаж, сквозное отверстие, PQFN и DirectFET

.

Полевые МОП-транзисторы доступны под разными именами в каждом типе пакетов, а именно:

Поверхностный монтаж: ТО-263, ТО-252, МО-187, СО-8, СОТ-223, СОТ-23, ЦОП-6 и т. Д.

Сквозное отверстие: TO-262, TO-251, TO-274, TO-220, TO-247 и т. Д.

PQFN: PQFN 2×2, PQFN 3×3, PQFN 3.3×3.3, PQFN 5×4, PQFN 5×6 и т. Д.

DirectFET: DirectFET M4, DirectFET MA, DirectFET MD, DirectFET ME, DirectFET S1, DirectFET SH и т. Д.

Что такое основы Mosfet, принцип работы и приложения

Полупроводниковый полевой транзистор MOSFET «Металлохимическое соединение Полупроводник» может быть полупроводниковым блоком, который широко используется для переключения и усиления электронных сигналов в электронных устройствах.Основное преимущество полевого МОП-транзистора состоит в том, что ему почти не требуется входной ток для регулирования тока нагрузки по сравнению с биполярными транзисторами. В ассоциированном МОП-транзисторе «режима улучшения» напряжение, приложенное к выводу затвора, увеличивает физическое явление устройства.

Поперечное сечение полевого МОП-транзистора , когда напряжение затвора Vgs ниже грани для создания полупроводникового канала; между выводами сток и исток очень малая проводимость или отсутствует; выключатель выключен.Единица площади источника стока и питания сильно легирована p + -областью и, следовательно, подложкой является N-типа .

Это происходит из-за потока заряженных дырок, дополнительно называемого p-каналом MOSFET . как только мы прикладываем отрицательное напряжение затвора, электроны дают в более низком месте силу экспертизы слоя химического соединения и что их единица площади толкается вниз в подложку, область истощения населена уверенными положительными зарядами, эта единица площади связана с донорными атомами.

Когда на затворе много положительных контактов, он притягивает электроны, причинно-следственная связь связана с полупроводниковым каналом n-типа в подложке под составом, который позволяет электронам проходить между легированными выводами, переключатель включен. Сток и питание представляют собой сильно легированную область n +, поэтому подложка является p-типом.

Настоящие потоки из-за потока заряженных электронов, дополнительно называемого n-канальным MOSFET.после того, как мы прикладываем положительное напряжение затвора, отверстия передают в более низкое место рабочую силу сложного слоя, и поэтому отверстия выталкиваются вниз в определенные отрицательные заряды, которые связаны с атомами акцептора.

MOSFET мог бы быть ядром микросхемы, и он разработан и популярен в виде исключительно одного кристалла из-за столь крошечных размеров. IGFET или MOSFET может быть полевым полупроводниковым устройством с управляемым напряжением, которое отличается от JFET тем, что представляет собой проводник затвора с металлическим оксидом, который электрически изолирован от большинства полупроводниковых n-каналов или p-каналов ужасно тонкий слой изоляции, иногда кремнезема, обычно называемый стеклянным рисунком.

A MOSFET — безусловно, самый распространенный полупроводник в цифровых схемах, так как многие тысячи или несколько их также заключены в превосходный кремниевый чип или микрочип. В транзисторах в «режиме истощения» напряжение, приложенное к затвору, уменьшает физическое явление. Поскольку они будут созданы из полупроводников p-типа, или n-типа, комплементарные пары МОП-транзисторов часто используются для создания схем изменения с ужасно низким потребляемая мощность в пределах разнообразия логики CMOS.

Размер канала контролируется напряжением на соответствующем проводнике, называемом затвором, который находится между питанием и стоком. он изолирован от канала рядом с особенно тонким слоем металлического компаунда. Этот ультратонкий изолированный металлический проводник затвора можно рассматривать как соединительную пластину электрического конденсатора. Изоляция доминирующего затвора делает входное сопротивление полевого МОП-транзистора чрезвычайно высоким в области мегомов (МО), тем самым создавая его практически бесконечным.MOSFET работает путем электронного изменения размера канала в потоке носителей заряда. Носители заряда попадают в канал при питании и выходят через сток.

Носители заряда входят в канал на входе и выходят через сток. Размер канала контролируется напряжением на помощнике в медсестре. Проводник называется затвором, который находится между питанием и стоком.он изолирован от канала очень тонким слоем химического соединения металла. Работа MOSFET зависит от конденсатора MOS. Конденсатор МОП — это основная часть МОП-транзистора. Поверхность полупроводника в нижнем слое химического соединения, который находится между выводами питания и стока. Его можно инвертировать из p-типа в n-тип, применяя положительное или отрицательное напряжение затвора.

MOSFET — это самый распространенный полупроводниковый прибор в цифровых схемах, так как многие тысячи или бесчисленное множество их также могут быть заключены в сверхмощный микрочип или микрочип.Поскольку полевые МОП-транзисторы будут созданы с полупроводниками p-типа или n-типа, дополнительные пары МОП-транзисторов будут привыкать строить схемы переключателей с ужасно низким энергопотреблением в стиле логики CMOS . Положительное напряжение одновременно притягивает электроны из областей питания и стока n + в канал. Теперь, если между стоком и питанием приложено напряжение, оно свободно протекает между питанием и стоком, а также напряжение затвора управляет электронами в канале.Если мы склонны прикладывать отрицательное напряжение, под составным слоем формируется полный канал.

Что такое полевой МОП-транзистор? (с изображением)

MOSFET-транзистор — это полупроводниковое устройство, которое переключает или усиливает сигналы в электронных устройствах. MOSFET — это аббревиатура от полевого транзистора металл – оксид – полупроводник. Имя может быть записано по-разному: MOSFET, MOS FET или MOS-FET; Термин MOSFET-транзистор широко используется, несмотря на его избыточность.Назначение MOSFET-транзистора — влиять на поток электрических зарядов через устройство, используя небольшое количество электричества, чтобы влиять на поток гораздо больших количеств. МОП-транзисторы — наиболее часто используемые транзисторы в современной электронике.

MOSFET-транзисторы бывают разных форм, размеров и расположений.

MOSFET-транзистор широко используется в современной жизни, потому что это тип транзистора, наиболее часто используемый в интегральных схемах, являющихся основой почти всех современных компьютеров и электронных устройств. MOSFET-транзистор хорошо подходит для этой роли благодаря низкому энергопотреблению и рассеиванию, низкому отходящему теплу и низкой стоимости массового производства. Современная интегральная схема может содержать миллиарды полевых МОП-транзисторов. MOSFET-транзисторы используются в различных устройствах, от сотовых телефонов и цифровых часов до огромных суперкомпьютеров, используемых для сложных научных расчетов в таких областях, как климатология, астрономия и физика элементарных частиц.

МОП-транзистор имеет четыре полупроводниковых вывода, которые называются истоком, затвором, стоком и корпусом. Исток и сток расположены в корпусе транзистора, а затвор находится над этими тремя выводами, между истоком и стоком. Затвор отделен от других выводов тонким слоем изоляции.

МОП-транзистор может быть разработан для использования либо отрицательно заряженных электронов, либо положительно заряженных электронных дырок в качестве носителей электрического заряда. Клеммы истока, затвора и стока спроектированы так, чтобы иметь избыток электронов или электронных дырок, что придает каждой из них отрицательную или положительную полярность.Исток и сток всегда имеют одинаковую полярность, а затвор всегда имеет противоположную полярность истока и стока.

Когда напряжение между корпусом и затвором увеличивается и затвор получает электрический заряд, носители электрического заряда с таким же зарядом отталкиваются от области затвора, создавая так называемую область истощения.Если эта область станет достаточно большой, она создаст так называемый инверсионный слой на границе раздела изолирующего и полупроводникового слоев, обеспечивая канал, по которому могут легко протекать носители заряда противоположной полярности затвора. Это позволяет большому количеству электричества течь от источника к канализации. Как и все полевые транзисторы, каждый отдельный МОП-транзистор использует исключительно положительные или отрицательные носители заряда.

MOSFET-транзисторы

изготавливаются в основном из кремния или сплава кремний-германий.Свойства полупроводниковых выводов можно изменить, добавив небольшие примеси таких веществ, как бор, фосфор или мышьяк. Этот процесс называется легированием. Затвор обычно изготавливается из поликристаллического кремния, хотя некоторые МОП-транзисторы имеют затвор из поликремния, легированного металлами, такими как титан, вольфрам или никель. В сверхмалых транзисторах используются затворы из металлов, таких как вольфрам, тантал или нитрид титана. Изолирующий слой чаще всего изготавливается из диоксида кремния (SO 2 ), хотя также используются другие оксидные соединения.

Усилитель MOSFET

— Electronics-Lab.com

Введение в MOSFET

Мы уже подробно видели, что усилитель сигнала может быть изготовлен с помощью биполярного переходного транзистора (BJT). Однако существуют и другие типы транзисторов, которые можно использовать для построения архитектуры усилителя, и в этом руководстве мы сосредоточимся на одном из них: MOSFET (полевой транзистор с металлическим оксидом и полупроводником).В BJT база действует как командный сигнал для управления током между эмиттером и коллектором. В полевом МОП-транзисторе командная ветвь называется Gate , и она управляет потоком тока между Source и Drain .

На первом рисунке ниже представлена ​​структура полевого МОП-транзистора:

Рис.1: Структура NMOS истощения

Прежде всего, давайте определим значение терминов «истощение» и терминов NMOS. Термин «истощение» здесь относится к тому факту, что физический канал связывает ветвь стока с ветвью истока.Это означает, что ток может проходить через полевой МОП-транзистор без напряжения на затворе. Ток можно заблокировать, приложив к затвору отрицательное напряжение, которое под действием поля будет выталкивать электроны и притягивать дырки. Термин «NMOS» относится к тому факту, что канал построен на основе области кремния, легированной азотом (избыток электронов), поверх подложки, легированной фтором (избыток дырок). Таким образом, ток в полевом МОП-транзисторе положительный. Канальные транзисторы, легированные P на поверхностях подложек, легированных азотом, называются PMOS, и ток через этот тип MOSFET отрицательный.

Одним из интересных аспектов полевого МОП-транзистора является слой оксида кремния, который обеспечивает полную изоляцию между затвором и каналом, поэтому ток в затворе считается нулевым. На самом деле существует небольшой ток утечки в несколько пА (10 -12 А) . На рис. 2 мы представляем структуру, которая будет рассматриваться в оставшейся части этого руководства:

Рис. 2: Расширенная структура NMOS

В этой структуре NMOS нет физического встроенного n-канала между ветвями стока и истока.Эта другая структура упоминается как «улучшенная». Канал электрически индуцируется приложением положительного напряжения к затвору, который под действием поля притягивает электроны и выталкивает дырки на границе раздела p-подложка / оксид.

Электрическая схема

На рис. 3 ниже представлена ​​простая электрическая схема полевого МОП-транзистора. На этой диаграмме мы определяем ток стока I D , напряжение стока V D , напряжение затвор-исток V GS и расположение затвора, стока и истока, обозначенные буквами «G», «D». »И« S ».

рис 3: электрическая схема полевого МОП-транзистора

Напряжения затвора и стока V GS и V DS указаны с индексом «S», поскольку исток заземлен. Обратите внимание, что обычно затвор является источником напряжения, а напряжение стока просто измеряется, а не накладывается.

Электрическое поведение

Характеристика I D = f (V GS )

В этом разделе мы опишем, как ведет себя ток стока, когда:

  • Накладывается напряжение стока и изменяется напряжение затвора: I D = f (В GS )
  • Напряжение затвора накладывается, а напряжение стока изменяется: I D = f (V DS )

Давайте прежде всего сосредоточимся на характеристике I D = f (V GS ), представленной на Рис. 4 :

Рис 4: Характеристика I D = f (V GS )

Интересно отметить, что создание проводящего канала не запускается мгновенно положительным напряжением, поскольку ток стока не наблюдается, когда V GS th , где V th означает «пороговое напряжение».Эта первая область называется областью «отсечки» или «подпороговой». В этом режиме полевой МОП-транзистор действует как разомкнутый переключатель, не позволяя индуцировать выходной ток.

Когда напряжение затвора выше порогового значения V GS > V th , ток стока резко возрастает. Эта вторая область называется «Область насыщенности», и мы объясним почему далее в этом руководстве. В области насыщения или «активной» области сток тока удовлетворяет соотношению параболы:

уравнение 1: Выражение стока тока в области насыщения

Коэффициент k, известный как коэффициент проводимости, зависит только от физических параметров полевого МОП-транзистора: отношения Ширина ( Вт ) / Длина ( L ) проводящего канала между стоком и истоком, от подвижности электронов μ и значения емкости, образованной структурой металл-оксид-полупроводник затвора C ox :

eq 2: Выражение коэффициента проводимости

Интересно быстро проанализировать эту формулу, чтобы понять физику, лежащую в основе MOSFET.Положение в числителе μ, C ox и W указывает, что, если их значение увеличивается, коэффициент проводимости и, следовательно, увеличивается ток. Действительно, когда W увеличивается, путь для электронов становится шире, и, следовательно, увеличивается ток. Если подвижность электронов увеличивается, электроны движутся быстрее, что, в свою очередь, увеличивает ток стока. Если емкость увеличивается, это увеличивает ток стока из-за более высокой концентрации электронов на границе раздела полупроводник / оксид.Наконец, если длина проводящего канала увеличивается, ток будет уменьшаться, поскольку он выходит на более длинный путь, следовательно, с более высоким сопротивлением.

Важный параметр может быть получен из уравнения 1 и уравнения 2 , которое называется крутизной (g м ) полевого МОП-транзистора и выражается в амперах / вольтах или в Сименсах (S). :

уравнение 3: Определение крутизны

Уравнение 3 можно изменить, выразив разницу (V GS -V th ) как квадратный корень из Уравнение 1 , и после нескольких шагов мы получим:

уравнение 4: Выражение крутизны

Для данного МОП-транзистора, то есть фиксированного усиления проводимости, крутизна зависит только от управляющего напряжения V GS и стока тока I D , которые задаются характеристика I D = f (V GS ) в Рисунок 4 .Крутизна дает не только усиление конфигурации MOSFET, но и полосу пропускания, шумовые характеристики и ее линейность.

Характеристика I D = f (V DS )

Чтобы построить вторую характеристику, рассмотрим набор напряжений затвора, удовлетворяющих V GS , 1 GS , 2 GS , 3 GS , 4 . Характеристика I D = f (V DS ) частично построена на основе первой характеристики I D = f (V GS ).Действительно, красная пунктирная граница на Рис. 5 дана по форме кривой на Рис. 4 :

Рис. 5: Характеристика I D = f (V DS )

Мы можем понять из Рис. 5 , почему область насыщения, впервые упомянутая на Рис. 4 , называется такой как. Действительно, в этой области ток стока I D остается постоянным для фиксированного напряжения смещения V GS независимо от значения напряжения стока V DS .Это утверждение можно проверить с помощью Уравнение 1 , где V DS не фигурирует в формуле I D . Следовательно, NMOS работает как замкнутый переключатель в области насыщения.

До появления эффекта насыщения полевой МОП-транзистор ведет себя по-другому в области, называемой «омической», «триодной» или «линейной». В этой области выражение I D квазилинейно, на него влияет убывающая парабола, когда V DS увеличивается:

уравнение 5: Выражение стока тока в омической области

Граница между линейной областью и областью насыщения задается напряжением отсечки В P = В GS -V th .

A Усилитель MOSFET

Реальная архитектура усилителя на полевых МОП-транзисторах создается путем добавления в схему , рис. 3, цепи смещения, стока, истока и нагрузочного резистора, а также соединительной способности:

Рис. 5: Полная конфигурация полевого МОП-транзистора

Схема смещения состоит из делителя напряжения сети, его роль и функционирование уже неоднократно рассматривались в учебной серии по усилителям BJT, она реализована с помощью двух параллельных резисторов R 1 и R 2 .Конденсаторы связи C 1 и C 2 изолируют напряжение смещения постоянного тока от сигнала переменного тока, который необходимо усилить. Наконец, выходной сигнал подается на нагрузку, моделируемую сопротивлением R L . Напряжение затвора или смещения определяется по формуле:

уравнение 5: Выражение напряжения затвора

Значения R 1 и R 2 обычно велики, чтобы увеличить входное сопротивление усилителя и уменьшить омические потери мощности.

Входные и выходные напряжения

Для упрощения будем считать, что никакая нагрузка не размещается параллельно сливному патрубку.Входное напряжение задается напряжением затвор-исток V GS , а падение напряжения на сопротивлении R S определяется как R S × I D . Поскольку по определению крутизны I D = g m × V GS , входное напряжение V в может быть разложено на коэффициент V GS , например:

уравнение 6: Выражение входного напряжения

Выходное напряжение просто определяется падением напряжения на сопротивлении стока:

уравнение 7: Выражение выходного напряжения

Коэффициент усиления по напряжению

Коэффициент усиления по напряжению A В определяется соотношением по уравнению 7 и по уравнению 6 , после упрощения оно становится:

уравнение 8: Выражение коэффициента усиления по напряжению

Знак «-» связан с тем, что по аналогии с усилителем с общим эмиттером BJT, усилитель MOSFET инвертирует выходной сигнал: фаза сдвинута на 180 ° или π рад .

Заключение

В этом руководстве основное внимание уделяется усилителям с полевыми транзисторами на основе металлооксидных полупроводников (MOSFET). MOSFET — это активный компонент, который состоит из проводящего канала, заключенного между полупроводниковой подложкой и структурой металл / оксид. Мы специально описали расширенных структур NMOS , которые позволяют току проходить, когда командное или затворное напряжение положительно и превышает определенное пороговое значение. Мы видели, что для того, чтобы понять электрическое поведение этого транзистора, необходимо проанализировать две характеристики.Первый, I D = f (V GS ) , дает важный параметр, известный как крутизна g м , который помогает определить усиление усилителя MOSFET, которое мы даем в последнем разделе руководства. . Он также дает форму границы между линейной областью и областью насыщения транзистора, которая может быть представлена ​​во второй характеристике I D = f (V DS ) . На основе этого анализа были выделены три региона:

  • Область отсечки или подпороговая область, где V GS th и в канале не циркулирует ток.
  • Омическая, линейная или триодная область, где В GS > V th и V DS GS -V th , а ток стока изменяется линейно с напряжением стока.
  • Насыщение или активная область, где В GS > V th и V DS > V GS -V th , а ток стока остается постоянным для фиксированного напряжения затвора, несмотря на напряжение стока вариации.

Наконец, мы увидели, как можно реализовать полную конфигурацию MOSFET с помощью схемы смещения, и описали входное и выходное напряжения схемы и ее коэффициент усиления по напряжению. Усилитель MOSFET инвертирует сигнал напряжения и обеспечивает максимальное абсолютное усиление, определяемое соотношением R D / R S .