Site Loader

Содержание

Применение мосфетов. Мосфет — что это такое? Конструктивно-технологические особенности

Полевой или FET (field-effect transistor) транзистор . Аналогичен биполярным транзисторам (BJT ). Транзисторы FET переключаются по напряжению, а не по току. Ниже приведена табличка обозначения электродов данных транзисторов, похожих по принципу работы.

К основным типам полевых транзисторов относятся:

— MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)

— JFET (Junction Field-Effect Transistor)

— MESFET

— HEMT

— MODFET

Наиболее распространенными являются MOSFET и JFET

Транзистор с полевым эффектом представляет собой трехполюсное однополярное полупроводниковое устройство, которое имеет очень схожие характеристики с биполярными , т.е. высокую эффективность, мгновенную работу, надежность и дешевизну и может использоваться в большинстве применений электронных схем для замены эквивалентных биполярных транзисторов (BJT).

Полевые транзисторы могут быть сделаны намного меньше, чем эквивалентный BJT-транзистор, а их низкое энергопотребление и рассеиваемая мощность делают их идеальными для использования в интегральных схемах, таких как CMOS-диапазон цифровых логических микросхем. Два основных типа конструкции биполярного транзистора, NPN и PNP , которые в основном описывают физическое расположение полупроводниковых материалов типа P и N-типа, из которых они изготовлены. Это относится и к полевым транзисторам, так как есть также две основные классификации полевого транзистора, называемого полевым транзистором N- канала и полевым транзистором Р-канала. Полевой сконструирован без PN-переходов в пределах основного пути прохождения тока между стоком и истоковыми оконечными устройствами, которые соответствуют функционально коллектору и эмиттеру биполярного транзистора. Путь тока между этими двумя выводами называется «каналом», который может быть выполнен из полупроводникового материала типа «P» или «N». Управление током, протекающим по этому каналу, достигается путем изменения напряжения, приложенного к затвору. Транзистор с полевым эффектом, является «однополярным» устройством, которое зависит только от проводимости электронов (N-канал) или дырок (P-канал).
И
меет одно главное преимущество перед BJT, так как их входной импеданс (Rin) очень высок (в тысячах Ом), в то время как у BJT сравнительно низок. Этот очень высокий входной импеданс делает их очень чувствительными к сигналам входного напряжения, но цена этой высокой чувствительности также означает, что они могут быть легко повреждены статическим электричеством.

Типичный полевик

Транзистор с полевым эффектом перехода (JFET)

Существует два основных типа полевого транзистора, полевого транзистора с полем перехода или JFET и транзистор с изолированным затвором IGFET , который более широко известен как MOSFET .

Биполярный транзистор соединен с использованием двух PN-переходов в основном канале переноса тока между эмиттером и коллектором. Транзистор с эффектом перехода

(JUGFET или JFET) не имеет PN-переходов, но вместо этого имеет узкий кусок полупроводникового материала с высоким удельным сопротивлением, образующий «Канал» либо из кремния типа N, либо из кремния Р-типа, для того чтобы основные носители могли протекать через два омических соединения на обоих концах, которые обычно называются Drain и Source соответственно. Существуют две базовые конфигурации полевого транзистора с полем перехода, N-канальный JFET и P-канал JFET. Канал N-канального JFET легирован донорными примесями, что означает, что течение тока через канал отрицательно (отсюда термин N-канал) в виде электронов. Аналогично, канал Р-канала JFET легирован акцепторными примесями, что означает, что поток тока через канал положителен (отсюда и термин Р-канал) в форме дырок. N-канальные JFET имеют большую проводимость канала (меньшее сопротивление), чем их эквивалентные типы Р-каналов, поскольку электроны обладают большей подвижностью через проводник по сравнению с дырками. Это делает N-канальный JFET более эффективным проводником по сравнению с их аналогами P-каналов. Мы уже говорили ранее, что есть два электрода на обоих концах канала, называются сток и исток. Но внутри этого канала имеется третье электрическое соединение, которое называется затвор, материал типа P или N, образующий PN-переход с основным каналом.

Базовая конструкция для обеих конфигураций JFET.

Полупроводниковый «канал»

представляет собой резистивный путь, через который напряжение V DS вызывает ток I D , и, таким образом, транзистор с эффектом переходного поля может проводить ток одинаково хорошо в любом направлении. Поскольку канал является резистивным по природе, градиент напряжения, таким образом, формируется по всей длине канала, причем это напряжение становится менее положительным, когда мы идем от клеммы Drain к клемме Source. В результате PN-соединение имеет высокое обратное смещение на клемме Drain и более низкое обратное смещение на клемме Source. Это смещение вызывает формирование «обедненного слоя» в канале и ширина которого увеличивается при смещении. Величина тока, протекающего по каналу между клеммой стоком и истоком, контролируется напряжением, подаваемым на вывод затвор, который является обратным смещением. В N-канальном JFET это напряжение затвора отрицательное, в то время как для JFET P-канала напряжение затвора положительное. Основное различие между JFET и BJT заключается в том, что когда соединение JFET обратно смещается, ток затвора практически равен нулю, тогда как базовый ток BJT всегда имеет некоторое значение, большее нуля.

Характеристические кривые выходного напряжения типичного транзистора FET.

Напряжение V GS, подаваемое на Gate, контролирует ток, протекающий между Drain и источниками. V GS относится к напряжению, приложенному между Gate и Source, в то время как V DS относится к напряжению, приложенному между Drain и Source.

Так как транзистор с эффектом «переходного поля» является устройством с управлением напряжением, «ток протекает в затвор» , то ток источника ( I S ), вытекающий из устройства, равен току стока, втекающему в него, и поэтому (I D = I S ) ,

Пример кривых характеристик, показанный выше, показывает четыре различные области работы JFET, и они приведены как:

  • Омическая область — Когда V GS = 0 истощающий слой канала очень мал и JFET действует как резистор, управляемый напряжением.
  • Область отсечки — это также известно как область пинч-офф — это напряжение затвора, V GS достаточно, чтобы заставить JFET действовать как разомкнутая цепь, поскольку сопротивление канала находится на максимуме.
  • Насыщенность или активная область — JFET становится хорошим проводником и управляется напряжением Gate — Source ( V GS ), в то время как напряжение источника стока (V DS ) оказывает незначительное влияние или не оказывает никакого эффекта.
  • Область пробоя — Напряжение между Drain и Source ( V DS ) достаточно высоко, чтобы вызвать разрушение резистивного канала JFET и прохождение неконтролируемого максимального тока.

Кривые характеристик для транзистора с полевым транзистором с P-каналом являются такими же, как и выше, за исключением того, что ток стока I D уменьшается с увеличением положительного напряжения на входе-выводе V GS .

Ток стока равен нулю, когда V GS = V P. Для нормальной работы V GS смещен, чтобы быть где-то между V P и 0. Тогда мы можем рассчитать ток стока, I D для любой заданной точки смещения в насыщающей или активной области следующим образом:

Режимы полевых транзисторов

Как и биполярный транзистор, полевой транзистор, являющийся трехконтактным устройством, может иметь три различных режима работы и, следовательно, может быть подключен в схеме в одной из следующих конфигураций.

Конфигурация с общим истоком (CS)

В конфигурации Common Source (аналогично общему эмиттеру), вход применяется к Gate, и его выход берется из Drain, как показано. Это наиболее распространенный режим работы полевого транзистора благодаря его высокому входному импедансу и хорошему усилению напряжения, и поэтому широко используются широко распространенные усилители с общим источником. Режим общего источника соединения FET обычно используется усилителями звуковой частоты, а также с высоким входным импедансом предусилителей и каскадов. Будучи усилительной схемой, выходной сигнал 180 ° «находится в фазе» с входом.

Конфигурация общий затвор (CG)

В конфигурации Common Gate (по аналогии с общей базой) вход применяется к источнику, и его выход берется из Drain с Gate, подключенным непосредственно к земле (0v), как показано. В этой конфигурации потеря сигнала высокой входной импеданс предыдущего соединения теряется, так как общий затвор имеет низкий входной импеданс, но высокий выходной импеданс. Этот тип конфигурации полевого транзистора может быть использован в высокочастотных цепях или в схемах согласования импеданса, поскольку низкий входной импеданс должен соответствовать высокому выходному импедансу. Выход «синфазный» с входом.

Конфигурация общего стока (CD)

В конфигурации Common Drain (аналогично общему коллектору) вход применяется к Gate, и его выход берется из Source. Конфигурация общего стока или «источник-последователь» имеет высокий входной импеданс, низкий выходной импеданс и почти единичное усиление напряжения, поэтому используется в буферных усилителях. Коэффициент усиления напряжения источника повторителя конфигурации меньше единицы, а выходной сигнал является «синфазным», 0 o с входным сигналом. Этот тип конфигурации называется «Common Drain», потому что на дренажном соединении нет сигнала, имеющееся напряжение + V DD просто обеспечивает смещение. Вывод синфазен со входом.

Усилитель JFET

Как и биполярный транзистор, JFET можно использовать для создания однокаскадных усилительных схем класса A с общим усилителем JFET и характеристиками, очень похожими на схему с общим эмиттером BJT. Основным преимуществом усилителей JFET перед усилителями BJT является их высокое входное сопротивление, которое контролируется резистивной сетью смещения затвора, сформированной R1 и R2, как показано.

Смещение на усилителе JFET

Эта схема усилителя общего источника (CS) смещается в режиме класса «A» с помощью сети делителя напряжения, образованной резисторами R1 и R2 . Напряжение на истоковом резисторе R S обычно устанавливается равным примерно четвертью V DD , (V DD / 4), но может быть любым разумным значением. Требуемое напряжение затвора может быть затем вычислено по этому значению R S. Так как ток затвора равен нулю, (I G = 0), мы можем установить требуемое напряжение покоя постоянного тока путем правильного выбора резисторов R1 и R2 . Управление током стока при отрицательном потенциале затвора делает транзистор с эффектом переходного поля полезным в качестве переключателя, и важно, чтобы напряжение затвора никогда не было положительным для N-канального JFET, поскольку ток канала будет протекать к Gate, а не в сток, приводящий к повреждению JFET. Принципы работы для J-канала P-канала такие же, как для N-канального JFET, за исключением того, что полярность напряжений должна быть изменена на противоположную.

Без всякого преувеличения можно сказать, что появившиеся не слишком давно транзисторы типа MOSFET и IGBT, составляют сегодня основу силовой преобразовательной техники. Более того, без использования этих типов транзисторов немыслима разработка сколько-нибудь надежного статического преобразователя, отвечающего современным требованиям. Поэтому данную главу, посвященную основной элементной базе силовой электроники, мы начнем с рассказа именно об этих электронных элементах.

Полевые транзисторы появились в силовой схемотехнике значительно позже своих старших собратьев — биполярных транзисторов. Тем не менее, сегодня они стремительно оттесняют «биполярники» на второй план, обоснованно стремясь занять лидирующее положение в классах силовой преобразовательной техники, работающих с напряжения мидо 300 В. Чем принципиально транзистор MOSFET отличается от биполярного транзистора? Полевой транзистор по принципу управления — не токовый, а потенциальный прибор. Для того, чтобы перевести полевой транзистор из открытого состояния в закрытое и наоборот, нужно приложить к затвору (относительно истока) определенное напряжение. При этом ток в цепи затвора протекает только в моменты коммутации, то есть очень незначительный промежуток времени: для поддержания открытого состояния этому транзистору ток не нужен — управление осуществляется электрическим полем.

Транзисторы типа MOSFET по сравнению с биполярными транзисторами имеют множество неоспоримых преимуществ, среди которых основными являются следующие:

Поскольку MOSFET управляется не током, а электрическим полем, это обстоятельство позволяет значительно упростить схему управления и снизить затрачиваемую на управление мощность;

В полевых транзисторах отсутствует так называемая инжекция неосновных носителей в базовую область, поэтому они могут переключаться с гораздо более высокой скоростью;

Поскольку полевые транзисторы термоустойчивы, то есть с ростом температуры увеличивается сопротивление их канала, это позволяет реализовывать параллельное соединение MOSFET для увеличения нагрузочной способности;

В полевых транзисторах отсутствует вторичный пробой, поэтому область их безопасной работы шире, чем у биполярных транзисторов.

Впрочем, и у транзисторов MOSFET имеются некоторые недостатки. Вкратце назовем их:

В открытом состоянии канал транзистора MOSFET представляет собой активное сопротивление (Л Лоп), которое невелико только у транзисторов с допустимым напряжением «сток-исток» (U dsmatx) не более 250…300 В, а далее, с повышением этого допустимого напряжения, наблюдается его значительный рост, что заставляет соединять приборы параллельно, ограничивать ток, приходящийся на один транзистор, то есть «недогружать» прибор;

Некоторые разработчики ошибочно считают этот диод специально встраиваемым защитным элементом, называя его быстродействующим диодом Шоттки. Действительно, графическое начертание уж

В справочной документации по полевым транзисторам MOSFET в символическом обозначении транзистора часто встречается символ диода, включенного параллельно цепи «сток-исток», как показано на рис. 2.1.1.


На рисунке эти емкости условно показаны постоянными, но в реальном приборе каждая емкость состоит из нескольких более мелких, с разным характером поведения. Кроме того, величина этих емкостей сильно зависит от напряжения между их «обкладками»: она велика при малом напряжении «сток-исток», и быстро уменьшается с его ростом. На рис. 2.4.1 показан характер изменения межэлектродных емкостей с ростом напряжения «сток-исток» для маломощного тран-


Рис. 2.1.4. Зависимость величины межэлектродных емкостей от величины напряжения «сток-исток»: а — для IRF740; б — для FB180SA10

зистора типа IRF740, а на рис. 2.1.4, б — для мощного транзистора типа FB180SAi0.

Чтобы гарантированно открыть транзистор, необходимо зарядить его входную емкостьдо напряжения 12… 15 В. Сделать этот процесс достаточно быстрым — задача непростая, поскольку быстрому заряду емкости будет мешать так называемый эффект Миллера. Производители транзисторов затрачивают на борьбу с влиянием эффекта Миллера достаточно много интеллектуальных сил и финансовых средств, так как чем сильнее этот эффект будет подавлен, тем выше окажется скорость переключения транзистора. = 35 пФ, C gd =6 пФ, S= 250 мА/В, R H = 200 Ом. Тогда величина емкости С их, рассчитанная с учетом формул (2.1.1) и (2.1.2), составит 341 пФ. Другими словами, эффект Миллера способен свести к нулевым очевидные преимущества скорости переключения полевых транзисторов. Но, к счастью, сегодня этот эффект значительно минимизирован в серийно выпускаемых транзисторах и не вызывает серьезных опасений.

А теперь поговорим о режиме переключения силовых приборов как об основном режиме их работы в составе преобразовательной техники. Учитывая это, нам просто необходимо рассмотреть специфику процессов, происходящих в транзисторах MOSFET при их работе в силовых схемах.

На рис. 2.1.6 показан типовой полевой транзистор, работающий в ключевом режиме.

Рис. 2.1.6. К расчету времени переключения транзистора MOSFET

Напряжение U g , прикладываемое к затвору транзистора VT от импульсного генератора, имеет вид, изображенный на рис. 2.1.7, а. В цепь затвора включен резистор с небольшим сопротивлением R g , который мы в дальнейшем будем называть затворным резистором. При подаче прямоугольного импульса от источника U g сначала происходит заряд емкости C gc (участок «1» на рис. 2.1.7, б). Но транзистор в это время закрыт — он начнет открываться только при достижении напряжения U gc некоторого значения, называемого пороговым напряжением (что видно из рис. 2.1.7, в. Величина порогового напряжения в справочной документации обозначается как U gs (thy Типичное значение порогового напряжения для полевых транзисторов составляет


Рис. 2.1.7. Временные диаграммы коммутационных процессов в транзисторах

Легко заметить, что имеет место временная задержка включения транзистора. Время, затрачиваемое на этот процесс, носит название времени задержки включения (turn-on delay time) и обозначается в технической документации как t dion) .

При достижении U gs порогового уровня «срабатывает» эффект Миллера, входная емкость резко увеличивается, что иллюстрируется участком «2» на рис. 2.1.7, 6, а значит, скорость открытия транзистора замедляется. до порогового уровня, занимающее время t d (o (r) . Это время носит название времени задержки выключения (turn-off delay time). На участке «6» снова вступает в действие эффект Миллера, замедляющий процесс выключения, и напряжение «сток-исток» становится равным U n . Время, затрачиваемое на этот процесс, называется временем спада (fall time) и обозначается как t f .

Иногда в технической документации, особенно в отечественной, не приводятся отдельно время задержки включения, время нарастания, время спада и время задержки выключения, а даются суммарные параметры. Например, время включения t UKJl и время выключения / вык. В табл. 2.1.1 приводятся для сравнения временные параметры для некоторых распространенных типов транзисторов MOSFET.

Таблица 2. LI. Временные параметры некоторых транзисторов MOSFET


Итак, в результате процесса включения импульс тока стока задерживается относительно импульса управления на время / вкл, а выключение

транзистора растягивается на время / вык. Время коммутации напрямую связано с величиной тепловых потерь на полупроводниковом приборе: чем быстрее мы сможем переключать транзистор, тем меньше будет тепловых потерь на нем, тем лучшие показатели КПД схемы мы получим и тем меньшие габариты охлаждающих конструкций следует ожидать.

Заряд затвора определяется из следующей формулы:

где i g (t) — функция тока затвора.

Какой физический смысл выражения (2.1.3)? Интегрирование, как обычно, приводит к необходимости суммировать произведения тока затвора на протяжении коротких промежутков времени, в течение которых ток можно условно считать постоянным. В результате мы получаем так называемое «количество электричества», которое надо передать входной емкости транзистора, чтобы открыть (или закрыть) его. Мы можем сделать это быстро, тогда нам необходимо обеспечить большой зарядный ток, либо затянуть время открытия за счет уменьшения зарядного тока.

Зная величину заряда затвора (которую приличные фирмы-производители указывают в технической документации), легко вычислить время включения (выключения) транзистора MOSFET. Эти величины определяются так:

Но как определить величину заряда затвора для транзистора конкретного типа? Естественно, из технической документации, в которой обычно приводится значение, называемое «общим зарядом затвора» (total gate charge). Кроме этого, производители приводят также кривую заряда затвора (рис. 2.1.8).


Рис. 2.1.8. Типичные кривые заряда затвора транзисторов MOSFET: а — IRFP250; б IRL3103D1; в FBI80SA10

Рис. 2.1.9. Сравнительные характеристики заряда RC-цепочки и входной емкости затвора MOSFET

На рисунке 2.1.9 показаны характеристики, отражающие изменение тока затвора i g в процессе коммутации транзистора и сравнительное изменение тока заряда стандартной интегрирующей RC-цепочки.

В реальных схемах силовой преобразовательной техники затворами транзисторов управляют специальные устройства, называемые драйверами. Мы будем говорить о рекомендуемых для применения в составе силовой преобразовательной техники драйверах чуть позже, а сейчас обратим внимание читателя на то обстоятельство, что при разработке схемы управления транзисторами всегда важно определить мощность, которую нужно израсходовать на управление транзистором. Используя значение величины заряда затвора, нетрудно рассчитать среднюю величину мощности драйвера:

где / — частота коммутации.

Как показывает практика, обычно эта мощность составляет сотые доли процента от мощности силовой части схемы (при условии использования транзисторов MOSFET или IGBT, рассказ о которых — впереди).

Разработчику силовой преобразовательной техники очень часто приходится сталкиваться с так называемыми аварийными режимами работы, когда возникает короткое замыкание или нарушается электрический контакт (происходит разрыв цепи). В аварийных режимах, как правило, наблюдается резкое и неконтролируемое изменение токов и напряжений, в результате чего прибор может просто выйти из строя. Поэтому очень важно спроектировать узел управления преобразователем так, чтобы силовые элементы (которые, как правило, являются дорогостоящими изделиями) не были подвержены опасности выхода из строя в аварийном режиме. К одной из таких предпосылок потенциально-аварийных режимов можно отнести выбор слишком большого сопротивления затворного резистора.=50 В, что составляет значительно более высокую величину по сравнению с безопасной зоной порогового напряжения, и, мало того, выше предельно-безопасного уровня напряжения на затворе. Следовательно, транзистор может, во-первых, самостоятельно открыться наведенным напряжением в тот момент, когда мы даже и не пытались подавать на него открывающий импульс управления, а во-вторых, он может просто выйти из строя из-за пробоя затвора высоким напряжением.

В этой статье будет рассказано о таком элементе, как 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 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 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

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

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


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 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: 3 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

MOSFET — это… Что такое MOSFET?

  • MOSFET —  MOSFET  (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)  МОП транзистор (MOSFET)   Полевой транзистор со структурой металл оксид полупроводник. Современная цифровая техника построена, в основном, на полевых МОП транзисторах (МОПТ) как более… …   Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. — М.

  • MOSFET — son las siglas de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. Se trata de un dispositivo electrónico de control con aplicaciones en amplificadores de audio (etapa de potencia) aparecidos en la década de 1980. Como cualquier amplificador su …   Enciclopedia Universal

  • MOSFET — der; s, s Kurzw. aus engl. metal oxide semiconductor field effect transistor&GT; unipolarer Feldeffekttransistor in der Halbleitertechnik …   Das große Fremdwörterbuch

  • MOSFET — (metal oxide semiconductor field effect transistor) field effect transistor in which the gate is separated from the conducting channel by an insulation (Electronics) …   English contemporary dictionary

  • MOSFET — Two power MOSFETs in the surface mount package D2PAK. Operating as switches, each of these components can sustain a blocking voltage of 120 volts in the OFF state, and can conduct a continuous current of 30 amperes in the ON state, dissipating up …   Wikipedia

  • MOSFET — Der Metall Oxid Halbleiter Feldeffekttransistor (englisch: metal oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET auch MOS FET, selten MOST) ist eine Variante der Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate (IGFET), genauer der Metall Isolator… …   Deutsch Wikipedia

  • MOSFET — Transistor à effet de champ à grille métal oxyde Un transistor à effet de champ (à grille) métal oxyde est un type de transistor à effet de champ ; on utilise souvent le terme MOSFET, acronyme anglais de metal oxide semiconductor field… …   Wikipédia en Français

  • MOSFET — Este artículo o sección necesita referencias que aparezcan en una publicación acreditada, como revistas especializadas, monografías, prensa diaria o páginas de Internet fidedignas. Puedes añadirlas así o avisar …   Wikipedia Español

  • Mosfet — Die Abkürzung MOSFET steht für metal oxide semiconductor field effect transistor (englisch), dt. Metall Oxid Halbleiter Feldeffekttransistor Der Begriff Mosfet steht für: Mosfet (Band), eine oberösterreichische Metal Band …   Deutsch Wikipedia

  • MOSFET — I MOSFET   [Abk. für Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistor] der, Feldeffekttransistor (FET) in der …   Universal-Lexikon

  • MOSFET — /ˈmɒsfɛt/ (say mosfet) noun Electronics a field effect transistor etched or formed on a metal oxide layer. {from m(etal) o(xide) s(ilicon) f(ield) e(ffect) t(ransistor)} …   Australian-English dictionary

  • 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.

    Как выбрать mosfet. » Хабстаб

    В этой статье мы рассмотрим на какие параметры необходимо обратить внимание при выборе mosfet, работающего в ключевом режиме. Транзистор, работающий в ключевом режиме, можно представить себе как переключатель, который имеет два положения: включено и выключено. Обычно этот режим применяется для управления реле, лампочкой, двигателем и прочей нагрузкой, потребляющей большой ток.

    1. Для начала надо узнать напряжение цепи в которой будет работать транзистор, это напряжение будет приложено к выводам Drain и Source.
    Далее, необходимо отобрать транзисторы параметр Vds(Drain to Source Voltage ) которых минимум в 1.5 — 2 раза выше.

    2. Другой не менее важный параметр — это ток, который мы хотим пропустить через транзистор. Максимальное значение тока, который можно пропустить через mosfet определяет параметр Id(Drain Current). Его значение также должно превышать реальный ток в 1.5 — 2 раза. Но это ещё не все, Id, в свою очередь, зависит от температуры.


    На графике видно, что с увеличением температуры корпуса ток, который может пропустить через себя транзистор уменьшается. Поэтому реальное значение Id надо выбирать исходя из того, при какой температуре mosfet будет работать.

    3.Так как мы собираемся управлять нагрузкой, у нас наверняка должна быть управляющая схема и нам необходимо узнать какое напряжение у неё на выходе. Это напряжение подаётся на вывод, именуемый затвором или gate.

    Напряжение на затворе транзистора ограничивают два параметра:

    • Vgs(th)(Gate to Source Threshold Voltage) – пороговое напряжение затвор-исток при котором начинает открываться переход сток-исток
    • Vgs(Gate to Source Threshold Voltage) — максимальное напряжение затвор-исток

    Управляющее напряжение должно быть где-то между ними.

    4.Также от величины управляющего напряжения зависит сопротивление канала, обозначаемое в даташите как Rds

    • Rds(on) — Drain to Source On Resistance — сопротивление перехода сток-исток в открытом состоянии

    От значения Rds зависит мощность(P = I²*Rds), которая будет выделяться на транзисторе. Также надо обратить внимание чтобы значение Rds было хотя бы на порядок меньше(в 10 раз) сопротивления нагрузки.

    Обычно в даташите производитель указывает напряжение Vgs, при котором он гарантирует значение Rds, в некоторых даташитах таких значений приводится несколько, например, для одного и того же транзистора

    • Rds(on) @ 10 V = 2.5 Ohms
    • Rds(on) @ 4.5 V = 3 Ohms

    Чем меньше значение Rds, тем меньше будет греться транзистор.

    Зная Rds можно найти ток, который потечёт через транзистор, для этого надо к сопротивлению нагрузки прибавить значение Rds и напряжение цепи поделить на получившееся сопротивление.

    I = U/(Rнагрузки + Rds)


    Отлично мы нашли ток который потечёт через транзистор, теперь надо убедиться, что транзистор сможет пропустить этот ток при данном напряжении на затворе. Для этого находим график зависимости тока стока(Id) от напряжения на затворе(Vgs).

    На этом графике представлена зависимость максимального Id от Vgs, если получившееся при расчётах значение меньше полученного из графика, идём дальше, если нет — ищем способ увеличить напряжение Vgs или другой транзистор.

    5.Осталось только разобраться какая мощность будет выделяться на кристалле и способен ли эту мощность рассеять транзистор. И здесь есть один нюанс, обычно в даташите указывают максимальную мощность кристалла при температуре корпуса 25°


    но не факт, что ту же мощность сможет рассеять корпус транзистора, по этой причине транзисторы часто устанавливают на радиатор.
    Как узнать нужен ли радиатор?
    Для начала надо рассчитать мощность которая выделяется на кристалле, считается она по следующей формуле

    P = I²*Rds


    Дальше открываем даташит и находим температурное сопротивление кристалл-окружающая среда RθJA

    RθJA показывает на сколько изменится температура кристалла относительно окружающей среды, при изменении мощности на один ватт.
    Теперь если умножить полученное количество ватт на этот параметр и прибавить температуру окружающей среды, можно вычислить температуру кристалла. А как известно она не должна превышать рабочую температуру кристалла (Operating Junction) равную 175°.

    Если получившееся при расчёте значение превышает рабочую температуру кристалла, то необходимо транзистор установить на радиатор. Размеры радиатора конечно же можно и нужно рассчитать, но так как изготавливать радиатор вряд ли кто-то будет, выбираем его из имеющихся.

    Как подобрать замену для MOSFET-транзистора || AllTransistors.com

     

    Для большинства MOSFET-транзисторов достаточно просто подобрать аналоги, схожие по параметрам. Если заменить неисправный MOSFET-транзистор на такой же невозможно, то для поиска аналога необходимо:

    1. Узнать полное наименование транзистора по его маркировке. Для MOSFET-транзистора в корпусе СМД название можно расшифровать по маркировке: СМД-коды 🔗.
    2. Изучить схему включения MOSFET-транзистора для определения режима его работы (ключ в цепях коммутации, импульсное устройство, линейный стабилизатор и т.д.).
    3. Найти даташит для неисправного MOSFET-транзистора и заполнить форму для подбора аналога на сайте.
    4. Выбрать наиболее подходящий аналог MOSFET-транзистора, учитывая режим его работы в устройстве.

    На что нужно обратить внимание

    Открыв PDF-даташит, в первую очередь надо выяснить: тип транзистора (MOSFET или JFET), полярность, тип корпуса, расположение выводов (цоколевку).

    Из числовых параметров это, прежде всего предельные характеристики, такие как Pd — максимальная рассеиваемая мощность, Vds — максимальное напряжение сток-исток, Vgs — максимальное напряжение затвор-исток, Id — максимальный ток стока. У подбираемого транзистора эти параметры должны быть не меньше чем у исходного транзистора.

    Для MOSFET-транзистора важным параметром является сопротивление сток-исток открытого транзистора (Rds). От значения Rds зависит мощность, выделяемая на транзисторе. Чем меньше значение Rds, тем меньше транзистор будет нагреваться.

    Однако необходимо помнить, что чем больше Id и меньше Rds, тем больше ёмкость затвора у MOSFET-транзистора. Это приводит к тому, что требуется большая мощность для управления этим затвором. А если схема не обеспечит нужную мощность, то возрастут динамические потери из-за замедленной скорости переключения транзистора и, как итог, MOSFET будет больше нагреваться. Поэтому необходимо проверить температурный режим (нагрев) транзистора после включения устройства. Если транзистор сильно нагревается, то дело может быть как в самом транзисторе, так и в элементах его обвязки.

     

    Расшифровка основных параметров MOSFET-транзисторов

    Тип транзистора – в реальных устройствах могут использоваться полевые транзисторы разных типов: транзистор с управляющим p-n – переходом (J-FET) или униполярные транзисторы МДП-типа (MOSFET).

    Полярность — полевые транзисторы могут быть прямой проводимости или обратной, то есть с P-каналом или N-каналом.

    Максимальная рассеиваемая мощность (Pd) — необходимо убедиться, что выбранный транзистор может рассеивать достаточную мощность. Этот параметр зависит от максимальной рабочей температуры транзистора — при повышении температуры максимальная рассеиваемая мощность уменьшается. Если рассеиваемая мощность недостаточна — ухудшаются некоторые характеристики транзистора. Например, сопротивление Rds может удвоиться при возрастании температуры от 25°C до 125°C.

    Предельно допустимое напряжение сток-исток (Vds) – это максимальное напряжение сток-исток не вызывающее лавинного пробоя при температуре 25°C. Оно имеет зависимость от температуры: напряжение уменьшаться при уменьшении температуры транзистора. Например, при -50°C, напряжение, не вызывающее лавинного пробоя, может составлять 90% от Vds при 25°C.

    Предельно допустимое напряжение затвор-исток (Vgs) – при подаче на затвор напряжения более допустимого, возможно повреждение изолирующего оксидного слоя затвора (это может быть и статическое электричество). Не стоит использовать транзисторы с большим запасом по напряжениям Vds и Vgs, т.к. обычно они имеют худшие скоростные характеристики.

    Пороговое напряжение включения Vgs(th) — если напряжение на затворе выше Vgs(th), MOSFET транзистор начинает проводить ток через канал сток-исток. Vgs(th) имеет отрицательный температурный коэффициент: с увеличением температуры MOSFET-транзистор начинает открываться при более низком напряжении затвор-исток.

    Максимально допустимый постоянный ток стока (Id) – следует иметь ввиду, что иногда выводы из корпуса транзистора ограничивают максимально допустимый постоянный ток стока (переключаемый ток может быть больше). С ростом температуры максимально допустимый ток уменьшается.

    Максимальная температура канала (Tj) — этот параметр ограничивает температуру канала транзистора во включенном состоянии. Если ее превысить, срок службы транзистора может сократиться.

    Общий заряд затвора (Qg) — заряд, который нужно сообщить затвору для открытия транзистора. Чем меньше этот параметр, тем меньшая мощность требуется для управления транзистором.

    Время нарастания (tr) — время, за которое ток стока увеличится с 10% до 90% от указанного.

    Сопротивление сток-исток открытого транзистора (Rds) — сопротивление открытого канала сток-исток при заданных параметрах: Id, Vgs и Tj.

    Выше описаны наиболее важные параметры MOSFET-транзисторов. В даташитах производитель указывает много дополнительных параметров: заряд затвора, ток утечки затвора, импульсный ток стока, входная емкость и др.

    Что важно учесть при монтаже MOSFET-транзистора

    При работе с MOSFET транзисторами нужно учесть, что они могут быть повреждены статическим электричеством на ваших руках или одежде. Перед монтажом на печатную плату необходимо соединить выводы транзистора между собой тонкой проволокой. Для пайки лучше используйте паяльную станцию, а не обычный электрический паяльник. Вместо отсоса для удаления припоя используйте медную ленту для удаления припоя. Это уменьшит вероятность пробоя затвора статическим электричеством. Или используйте антистатический браслет.

     

     

     

    Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) — твердотельная теория устройств

    Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET)

    Глава 2 — Теория твердотельных устройств

    Полевой транзистор с изолированным затвором (IGFET), также известный как транзистор с полевым эффектом на основе оксида металла (MOSFET), является производным полевого транзистора (FET). Сегодня большинство транзисторов имеют тип MOSFET в качестве компонентов цифровых интегральных схем. Хотя дискретные BJT более многочисленны, чем дискретные MOSFET. Количество транзисторов MOSFET в интегральной схеме может приблизиться к сотням миллионов. Размеры отдельных МОП-транзисторов находятся под микроном, уменьшающимся каждые 18 месяцев. Гораздо более крупные МОП-транзисторы способны переключать почти 100 ампер тока при низких напряжениях; некоторые обрабатывают почти 1000 В при более низких токах. Эти устройства занимают значительную долю квадратного сантиметра кремния. MOSFET находит гораздо более широкое применение, чем JFET. Однако силовые устройства MOSFET не так широко используются в качестве биполярных транзисторов в это время.

    МОП-транзистор имеет источники, ворота и дренажные терминалы, такие как полевые транзисторы. Однако провод затвора не обеспечивает прямого подключения к кремнию по сравнению с корпусом для полевого транзистора. Затвор MOSFET представляет собой слой металла или поликремния поверх изолятора диоксида кремния. Ворота имеют сходство с металлическим оксидным полупроводниковым (МОП) конденсатором в рисунке ниже. При зарядке пластины конденсатора берут зарядную полярность соответствующих клемм аккумулятора. Нижняя пластина представляет собой кремний типа P, из которого электроны отталкиваются отрицательной (-) клеммой батареи к оксиду и притягиваются положительной (+) верхней пластиной. Этот избыток электронов вблизи оксида создает перевернутый (избыток электронов) канал под оксидом. Этот канал также сопровождается областью обеднения, изолирующей канал от объемной кремниевой подложки.

    N-канальный МОП-конденсатор: (a) нет заряда, (б) заряжен.

    На рисунке ниже (a) МОП-конденсатор помещается между парой диффузий N-типа в подложке типа P. Без заряда на конденсаторе, никакого смещения на воротах, диффузии N-типа, источник и дренаж, остаются электрически изолированными.

    N-канальный MOSFET (тип усиления): (a) смещение затвора 0 V, (b) положительное смещение затвора.

    Положительное смещение, применяемое к затвору, заряжает конденсатор (затвор). Затвор на оксиде берет положительный заряд от батареи смещения затвора. Подложка P-типа под воротами принимает отрицательный заряд. Область инверсии с избытком электронов образуется ниже оксида затвора. Эта область теперь соединяет источник и сбрасывает области N-типа, образуя непрерывную N-область от источника до стока. Таким образом, MOSFET, подобно FET, является однополярным устройством. Один проводник заряда ответственен за проводимость. Этот пример — N-канальный MOSFET. Проведение большого тока от источника к дренажу возможно при приложении напряжения между этими соединениями. Практическая схема будет иметь нагрузку последовательно со сливной батареей в Figabove (b).

    MOSFET, описанный выше в Figureabove, известен как MOSFET с улучшенным режимом . Непроводящий, выключенный канал включается путем усиления канала ниже затвора путем применения смещения. Это самый распространенный вид устройства. Другой вид MOSFET не будет описан здесь. См. Раздел «Полевой транзистор» с изолированным затвором для устройства режима истощения .

    МОП-транзистор, как и полевой транзистор, является устройством, управляемым напряжением. Вход напряжения на затвор управляет потоком тока от источника к стоку. Затвор не проводит непрерывный ток. Хотя, ворота затягивают ток, чтобы зарядить емкость затвора.

    Сечение N-канального дискретного МОП-транзистора показано на рисунке ниже (а). Дискретные устройства обычно оптимизированы для переключения высокой мощности. N + указывает, что источник и слив сильно легированы N-типом. Это минимизирует резистивные потери в высокоточном пути от источника к стоку. N указывает на легкое легирование. P-область под воротами, между источником и дренажем, может быть инвертирована путем приложения положительного напряжения смещения. Допинговый профиль представляет собой поперечное сечение, которое может быть нанесено в виде серпентина на кремниевой матрице. Это значительно увеличивает площадь и, следовательно, текущую управляемость.

    N-канальный MOSFET (тип усиления): (a) поперечное сечение, (b) схематический символ.

    Схематический символ MOSFET в рисунке (b) показывает «плавающий» затвор, что указывает на отсутствие прямого соединения с кремниевой подложкой. Ломаная линия от источника к дренажу указывает на то, что это устройство выключено, а не проводно, с нулевым смещением на воротах. Обычно «выключенный» МОП-транзистор является устройством режима улучшения. Канал должен быть усилен применением смещения к затвору для проводимости. «Указательный» конец стрелки субстрата соответствует материалу типа P, который указывает на канал N-типа, «не указывающий» конец. Это символ для N-канального MOSFET. Стрелка указывает в противоположном направлении для P-канального устройства (не показано). MOSFET — это четыре терминальных устройства: источник, затвор, дренаж и подложка. Подложка подключается к источнику в дискретных МОП-транзисторах, делая упакованную часть тремя терминальными устройствами. MOSFET, входящие в состав интегральной схемы, имеют подложку, общую для всех устройств, если специально не изолированы. Это общее соединение может быть соединено с матрицей для подключения к напряжению смещения заземления или напряжения питания.

    N-канальный транзистор «V-MOS»: (a) поперечный разрез, (b) схематический символ.

    Устройство V-MOS в (Figureabove) представляет собой улучшенный силовой МОП-транзистор с допинговым профилем, установленным для более низкого источника в состоянии утечки. VMOS берет свое название из V-образной области затвора, что увеличивает площадь поперечного сечения пути исток-дренаж. Это минимизирует потери и позволяет переключать более высокие уровни мощности. UMOS, вариация с использованием U-образной канавки, более воспроизводима в производстве.

    • ОБЗОР:
    • МОП-транзисторы являются однополюсными проводящими устройствами, проводимыми с одним типом носителей заряда, как полевые транзисторы, но в отличие от BJT.
    • МОП-транзистор — это устройство, управляемое напряжением, такое как полевой транзистор. Вход напряжения затвора управляет источником для истощения тока.
    • Затвор MOSFET не обеспечивает непрерывного тока, кроме утечки. Однако для зарядки емкости затвора требуется значительный первоначальный импульс тока.

    Что такое MOSFET — работа, типы, применение, преимущества и недостатки

    MOSFET (Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор) является наиболее широко используемым типом полевых транзисторов с изолированным затвором. Они используются в различных приложениях из-за простоты работы и преимуществ перед другими полевыми транзисторами. В этом посте подробно рассказывается, что такое MOSFET, принцип его работы, типы MOSFET, символы, различные приложения, преимущества и недостатки.

    Что такое MOSFET

    M etal O xide S ilicon F ield E ffect T Rnsistor сокращенно обозначается как MOSFET.Это просто униполярный транзистор, который используется в качестве электронного переключателя и для усиления электронных сигналов. Устройство имеет три вывода, состоящие из истока, затвора и стока. Помимо этих клемм есть подложка, обычно называемая корпусом, которая всегда подключается к клемме источника для практических применений.

    В последние годы его открытие привело к преобладанию использования 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 улавливая весь входной сигнал.

    Принцип работы полевого МОП-транзистора

    Рис.1 — Структурный и физический вид полевого МОП-транзистора

    Изготовлен путем окисления кремниевых подложек. Его работа заключается в изменении ширины канала, по которому происходит движение носителей заряда (электроны для N-канала и дырки для P-канала) от истока к стоку. Изолирован вывод затвора, напряжение которого регулирует проводимость устройства.

    Типы полевых МОП-транзисторов

    По рабочему режиму полевые МОП-транзисторы можно разделить на два типа.

    • МОП-транзисторы расширенного типа
    • МОП-транзисторы истощенного типа

    Рис.2 — Типы полевых МОП-транзисторов

    Тип расширения MOSFET

    В этом режиме нет проводимости при нулевом напряжении, что означает, что он закрыт или «ВЫКЛ» по умолчанию, поскольку нет существующего канала. Когда напряжение затвора увеличивается больше, чем напряжение источника, носители заряда (дырки) смещаются, оставляя электроны позади, и, таким образом, устанавливается более широкий канал.

    Напряжение затвора прямо пропорционально току, т. Е. По мере увеличения напряжения затвора ток увеличивается, и наоборот.

    Типы полевых МОП-транзисторов расширения

    Расширяющие полевые МОП-транзисторы можно разделить на два типа в зависимости от типа используемой легированной подложки (n-типа или p-типа).

    • МОП-транзисторы типа расширения N
    • МОП-транзисторы типа расширения P
    МОП-транзисторы типа расширения N

    Фиг.3-канальный тип расширения MOSFET

    • Слегка легированная подложка P-типа образует корпус устройства, а исток и сток сильно легированы примесями N-типа.
    • N-канал имеет электроны в качестве основных носителей.
    • Приложенное напряжение затвора положительное для включения устройства.
    • Он имеет более низкую внутреннюю емкость и меньшие площади перехода из-за высокой подвижности электронов, что позволяет ему работать с высокими скоростями переключения.
    • Он содержит положительно заряженные примеси, из-за которых N-канальные МОП-транзисторы включаются преждевременно.
    • Устойчивость к дренажу ниже, чем у P-типа.
    МОП-транзисторы типа расширения P

    Рис.4 — МОП-транзистор типа расширения P-канала

    • Слегка легированная подложка N-типа образует корпус устройства, а исток и сток сильно легированы примесями P-типа.
    • P-образный канал в качестве основного носителя имеет отверстия.
    • Он имеет более высокую внутреннюю емкость и низкую подвижность отверстий, что позволяет ему работать с низкой скоростью переключения по сравнению с N-типом.
    • Приложенное напряжение затвора отрицательное для включения устройства.
    • Сопротивление сливу выше, чем у N-типа.

    MOSFET истощенного типа

    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 Enhancement, здесь канал обеднен носителями заряда, чтобы уменьшить ширину канала.

    Рис.5 — Напряжение затвора в зависимости от характеристик стока полевого МОП-транзистора

    Напряжение затвора обратно пропорционально току i.е. по мере увеличения напряжения затвора ток уменьшается.

    Типы истощаемых полевых МОП-транзисторов

    Истощающие МОП-транзисторы можно разделить на два типа в зависимости от типа используемой легированной подложки (n-типа или p-типа).

    • МОП-транзистор типа N с истощением канала
    • МОП-транзистор типа P с истощением канала
    МОП-транзисторы N с истощением канала

    Рис.6 — МОП-транзисторы с обедненным каналом N

    • Полупроводник P-типа образует подложку, а исток и сток сильно легированы примесями N-типа.
    • Приложенное напряжение затвора отрицательное.
    • Канал лишен свободных электронов.
    МОП-транзисторы типа P с истощением канала

    Рис.7 — МОП-транзисторы с истощенным каналом P

    • Полупроводник N-типа образует подложку, а исток и сток сильно легированы примесями N-типа.
    • Приложенное напряжение затвора положительное.
    • В канале отсутствуют свободные отверстия.

    Символы различных типов полевого МОП-транзистора

    Символы различных типов полевых МОП-транзисторов показаны ниже.

    Рис.8 — Символы полевого МОП-транзистора с усилением и истощением (P, N)

    Применение полевого МОП-транзистора

    • Усилители MOSFET широко используются в радиочастотных приложениях.
    • Он действует как пассивный элемент, такой как резистор, конденсатор и катушка индуктивности.
    • Двигатели постоянного тока
    • могут регулироваться силовыми полевыми МОП-транзисторами.
    • Высокая скорость переключения полевых МОП-транзисторов делает их идеальным выбором при разработке схем прерывателей.

    Преимущества MOSFET

      МОП-транзисторы
    • обеспечивают большую эффективность при работе при более низких напряжениях.
    • Отсутствие тока затвора приводит к высокому входному сопротивлению, обеспечивающему высокую скорость переключения.
    • Они работают с меньшей мощностью и не потребляют ток.

    Недостатки MOSFET
    • Тонкий оксидный слой делает полевые МОП-транзисторы уязвимыми для необратимых повреждений, вызванных электростатическими зарядами.
    • Напряжение перегрузки делает его нестабильным.
      Также читают:
     Усилитель  класса C - принцип работы, применение, преимущества и недостатки
    Большие данные - категории, атрибуты, приложения и Hadoop 
    Типы

    в работе и их приложения

    MOSFET

    MOSFET — важный элемент в конструкции встроенных систем, который используется для управления нагрузками в соответствии с требованиями. Многие электронные проекты, разработанные с использованием полевых МОП-транзисторов, такие как управление интенсивностью света, управление двигателем и максимальные генераторы.MOSFET — это устройство управления высоким напряжением, которое предоставляет разработчикам схем некоторые ключевые функции с точки зрения их общей производительности. В этой статье содержится информация о различных типах приложений MOSFET.

    MOSFET и его применение

    MOSFET (Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор) представляет собой полупроводниковое устройство, которое широко используется для переключения и усиления электронных сигналов в электронных устройствах. MOSFET представляет собой трехполюсное устройство, такое как источник, затвор , и слить.MOSFET — это наиболее распространенный транзистор, который может использоваться как в аналоговом, так и в цифровом цепях.

    MOSFET работает, изменяя ширину канала, по которому текут носители заряда (дырки и электроны). Носители заряда входят в канал из истока и выходят через сток. Ширина канала регулируется напряжением на электроде, называемом затвором, который расположен между истоком и стоком. Он изолирован от канала очень тонким слоем оксида металла.Существует другой тип приложений MOSFET, который используется в соответствии с требованиями.

    Типы устройств MOSFET

    MOSFET подразделяются на два типа:

    • Режим истощения MOSFET
    • Режим расширения MOSFET

    Режим истощения: При нулевом напряжении на выводе затвора канал показывает максимальную проводимость. Поскольку напряжение на затворе отрицательное или положительное, тогда уменьшается проводимость канала.

    MOSFET в режиме истощения

    Enhancement Mode

    Когда на клемме затвора нет напряжения, устройство не проводит ток.На вывод затвора подается большее напряжение, устройство имеет хорошую проводимость.

    Расширенный режим MOSFET

    MOSFET Принцип работы

    Работа MOSFET зависит от металлооксидного конденсатора (MOS), который является основной частью MOSFET. Оксидный слой присутствует между выводами истока и стока. Его можно установить с p-типа на n-тип, применяя соответственно положительное или отрицательное напряжение затвора. При приложении положительного напряжения затвора отверстия, присутствующие под оксидным слоем, с силой отталкивания, и отверстия проталкиваются вниз через подложку.Область отклонения заполнена связанными отрицательными зарядами, которые связаны с атомами акцептора.

    Блок-схема полевого МОП-транзистора

    МОП-транзистор с P-каналом

    МОП-транзистор с P-каналом состоит из отрицательных ионов, поэтому он работает с отрицательными напряжениями. Когда мы прикладываем отрицательное напряжение к затвору, электроны, находящиеся под слоем оксида, проталкиваются вниз в подложку с силой отталкивания. Область отклонения заполняется связанными положительными зарядами, которые связаны с атомами донора.Отрицательное напряжение также притягивает дырки из области p + истока и стока в область канала.

    МОП-транзистор с P-каналом

    МОП-транзистор с N-каналом

    Когда мы прикладываем положительное напряжение затвора, дырки, находящиеся под оксидным слоем, проталкиваются вниз в подложку с силой отталкивания. Область отклонения заполнена связанными отрицательными зарядами, которые связаны с атомами акцептора. 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 подать отрицательное напряжение (дырка), под слоем оксида образуется канал.

    N-канальный MOSFET

    MOSFET Приложения

    Приложения MOSFET, используемые в различных электрических и электронных проектах, которые разработаны с использованием различных электрических и электронных компонентов.Для лучшего понимания этой концепции здесь мы объяснили некоторые проекты.

    МОП-транзистор, используемый в качестве переключателя

    В этой схеме, использующей расширенный режим, N-канальный МОП-транзистор используется для включения и выключения лампы. Положительное напряжение подается на затвор полевого МОП-транзистора и лампа горит (VGS = + v) или при нулевом уровне напряжения устройство выключается (VGS = 0). Если резистивная нагрузка лампы должна была быть заменена индуктивной нагрузкой и подключена к реле или диоду для защиты нагрузки.В приведенной выше схеме это очень простая схема для переключения резистивной нагрузки, такой как светодиоды или лампы. Но при использовании MOSFET для переключения индуктивной или емкостной нагрузки требуется защита для приложений MOSFET. Если мы не дадим защиту, то МОП-транзистор будет поврежден. Чтобы полевой МОП-транзистор работал как аналоговое переключающее устройство, его необходимо переключать между его областью отсечки, где VGS = 0, и областью насыщения, где VGS = + v.

    MOSFET в качестве переключателя

    Автоматическое регулирование яркости уличных фонарей с помощью MOSFET

    В настоящее время большинство огней, размещаемых на автомагистралях, осуществляется с помощью разрядных ламп высокой интенсивности (HID), энергопотребление которых велико.Его интенсивность не может регулироваться согласно требованиям, поэтому необходимо перейти на альтернативный метод освещения, то есть использовать светодиоды. Эта система создана, чтобы преодолеть недостатки современных ламп HID.

    Автоматическое управление яркостью уличных фонарей с помощью MOSFET

    Этот проект предназначен для автоматического управления освещением на шоссе с помощью микропроцессора по вариантам тактовых импульсов. В этом проекте главную роль играет MOSFET, который используется для переключения ламп в соответствии с требованиями.Предлагаемая система, использующая плату Raspberry Pi, которая является новой платой разработки, содержит процессор для управления ею. Здесь мы можем заменить светодиоды вместо HID-ламп, которые подключены к процессору с помощью MOSFET. Микроконтроллер освобождает соответствующие рабочие циклы, затем переключает полевой МОП-транзистор для освещения ярким светом.

    Генератор Маркса, высокое напряжение с использованием полевых МОП-транзисторов

    . входное напряжение по принципу генератора Маркса.Он предназначен для генерации импульсов высокого напряжения с использованием ряда конденсаторов, подключенных параллельно для зарядки во время включения, а затем соединенных последовательно для выработки более высокого напряжения во время периода отключения. Если приложенное входное напряжение составляет около 12 В постоянного тока, то выходное напряжение составляет около 36 вольт постоянного тока.

    Генератор Маркса на основе высокого напряжения с использованием полевых МОП-транзисторов

    В этой системе используется таймер 555 в нестабильном режиме, который подает тактовые импульсы для зарядки параллельных конденсаторов во время работы, а конденсаторы подключаются последовательно во время отключения через переключатели MOSFET; и, таким образом, развивает напряжение примерно в три раза по сравнению с входным напряжением, но немного меньше, вместо точных 36 В из-за падения напряжения в цепи.Выходное напряжение можно измерить с помощью мультиметра.

    Управление заданной скоростью двигателя BLDC на основе EEPROM

    Управление скоростью двигателя BLDC очень важно в промышленности, так как оно важно для многих приложений, таких как сверлильные, прядильные и лифтовые системы. Этот проект усовершенствован для управления скоростью двигателя BLDC путем изменения рабочего цикла.

    Управление предустановленной скоростью двигателя BLDC на основе EEPROM

    Основная цель этого проекта — управлять двигателем BLDC на определенной скорости с заранее определенным напряжением.Следовательно, двигатель остается в рабочем состоянии или перезапускается для работы с той же скоростью, что и раньше, с использованием сохраненных данных из EEPROM.

    Управление скоростью двигателя постоянного тока достигается путем изменения рабочих циклов (импульсов ШИМ) от микроконтроллера в соответствии с программой. Микроконтроллер получает процент рабочих циклов, хранящийся в EEPROM, от встроенных команд переключателя и выдает желаемый выходной сигнал для переключения микросхемы драйвера для управления скоростью двигателя постоянного тока. Если источник питания прерывается, EEPROM сохраняет эту информацию, чтобы двигатель работал с той же скоростью, что и раньше, пока источник питания был доступен.

    Устройство энергосбережения на основе LDR для уличного освещения с регулируемой яркостью

    В нынешней системе в основном освещение магистралей осуществляется с помощью разрядных ламп высокой интенсивности (HID), потребление энергии которых велико и нет специального механизма для включения Свет на шоссе вечером и выключение утром.

    Энергосбережение на основе LDR для уличного освещения с регулируемой интенсивностью

    Его интенсивность не может контролироваться в соответствии с требованиями, поэтому необходимо переключиться на альтернативный метод системы освещения, т.е.е., с помощью светодиодов. Эта система создана, чтобы преодолеть нынешний недостаток ламп HID.

    Эта система демонстрирует использование светодиодов (светоизлучающих диодов) в качестве источника света и его регулируемую регулировку интенсивности в соответствии с требованиями. Светодиоды потребляют меньше энергии и имеют больший срок службы по сравнению с обычными HID лампами.

    Самая важная и интересная особенность — ее интенсивность, которую можно регулировать в соответствии с требованиями в непиковые часы, что невозможно в лампах HID.Светочувствительное устройство LDR (Light Dependent Resistance) используется для определения света. Его сопротивление резко уменьшается в зависимости от дневного света, который формирует входной сигнал для контроллера.
    Группа светодиодов используется для формирования уличного фонаря. Микроконтроллер содержит программируемые инструкции, которые контролируют интенсивность света на основе генерируемых сигналов ШИМ (широтно-импульсной модуляции).

    Интенсивность света поддерживается на высоком уровне в часы пик, и поскольку движение на дорогах имеет тенденцию к снижению поздней ночью; интенсивность также постепенно уменьшается до утра.Наконец, свет полностью выключается в 6 часов утра и снова включается в 18 часов вечера. Таким образом, процесс повторяется.

    SVPWM (пространственно-векторная широтно-импульсная модуляция)

    Пространственно-векторная широтно-импульсная модуляция — это сложный метод управления двигателями переменного тока путем генерации основной синусоидальной волны, которая подает на двигатель чистое напряжение с более низким общим гармоническим искажением. Этот метод преодолевает старую технику SPWM для управления двигателем переменного тока, который имеет высокие гармонические искажения из-за асимметричной природы характеристик переключения PWM.

    SVPWM (пространственно-векторная широтно-импульсная модуляция)

    В этой системе питание постоянного тока производится из однофазного переменного тока после выпрямления, а затем подается на 3-фазный инвертор с 6 полевыми МОП-транзисторами. Для каждой фазы используется пара полевых МОП-транзисторов, и, следовательно, три пары полевых МОП-транзисторов переключаются через определенные интервалы времени для создания трехфазного питания для управления скоростью двигателя. Эта схема также дает световую индикацию любой неисправности, которая возникает в схеме управления

    Таким образом, это все о типах приложений MOSFET. Наконец, мы сделаем вывод, что MOSFET требует высокого напряжения, тогда как транзистор требует низкого напряжения и тока.По сравнению с BJT требования к движению для MOSFET намного лучше. Кроме того, любые вопросы по этой статье вы можете прокомментировать, оставив комментарий в разделе комментариев ниже.

    MOSFET ЧТО ТАКОЕ МОП-транзистор и как он работает


    Привет, ребята! Надеюсь, ты поправишься. Спасибо, что нажали на это чтение. Сегодня в этом посте я расскажу вам, что такое Mosfet и как он работает. MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) транзистор — это полупроводниковое устройство, широко используемое для переключения и усиления электронных сигналов.МОП-транзистор является ядром интегральной схемы и может быть спроектирован и изготовлен в виде единого кристалла, поскольку он имеет небольшие размеры. МОП-транзистор имеет четыре контакта, которые называются: исток (S), затвор (G), сток (D) и корпус. (B) клеммы. Корпус полевого МОП-транзистора соединен с выводом истока, что делает его трехконтактным устройством, похожим на полевой транзистор. MOSFET — это обычный транзистор, который используется как в аналоговых, так и в цифровых схемах. MOSFET работает путем электронного изменения ширины канала, который содержит носители заряда i.е. электроны или дырки. Носители заряда входят в канал на выводе истока и выходят через вывод стока. Ширина канала регулируется напряжением на выводе затвора, который расположен между истоком и стоком. Он изолирован очень тонким слоем оксида металла.

    MOSFET может работать двумя способами
    • Depletion Mode
    • Режим улучшения

    Режим истощения: Когда на затворе нет напряжения, канал показывает максимальную проводимость.Поскольку напряжение на затворе либо положительное, либо отрицательное, проводимость канала уменьшается.

    Режим улучшения: При отсутствии напряжения на затворе устройство не проводит. Чем больше напряжение на затворе, тем лучше устройство может проводить.

    Принцип работы полевого МОП-транзистора
    • МОП-транзистор контролирует напряжение и ток между истоком и стоком. Работает почти как выключатель. Работа MOSFET зависит от конденсатора MOS. Конденсатор MOS является важной частью MOSFET.
    • Поверхность полупроводника в нижнем оксидном слое расположена между выводами истока и стока. Его можно инвертировать с p-типа на n-тип, применяя соответственно положительное или отрицательное напряжение затвора.
    • Когда мы прикладываем положительное напряжение затвора, отверстия под оксидным слоем смещаются вниз вместе с подложкой. Область обеднения населена связанными отрицательными зарядами, которые связаны с атомами акцептора, таким образом формируя канал доступа электронов.
    • Положительное напряжение также притягивает электроны из областей n + 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, под слоем оксида образуется дырочный канал.
    • МОП-транзистор с P-каналом:
    • P-канальный MOSFET имеет область P-канала между истоком и стоком.Это четырехконтактное устройство, такое как затвор, сток, исток, корпус.
    • Сток и исток представляют собой сильно легированную p + область, а тело или подложка — n-типа. Течение тока происходит из-за положительно заряженных дырок.
    • Когда мы прикладываем отрицательное напряжение затвора, электроны, находящиеся под оксидным слоем, проталкиваются вниз в подложку с силой отталкивания.
    • Область обеднения заполнена связанными положительными зарядами, которые связаны с донорными атомами.Отрицательное напряжение затвора также притягивает дырки из областей p + истока и стока в область канала.
    • МОП-транзистор с N-каналом:
    • N-канальный полевой МОП-транзистор имеет N-канальную область между истоком и стоком. Это четырехконтактное устройство, такое как затвор, сток, исток, корпус.
    • В этом типе полевого МОП-транзистора выводы стока и истока имеют сильно легированную область n +, а подложка или корпус являются P-типом. Ток течет из-за отрицательно заряженных электронов.Когда мы прикладываем положительное напряжение затвора, отверстия под оксидным слоем проталкиваются вниз в подложку с силой отталкивания.
    • Область истощения населена связанными отрицательными зарядами, которые связаны с акцепторными атомами, тем самым образуя канал доступа электронов.
    • Положительное напряжение также притягивает электроны из областей n + 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.
    • А если приложить отрицательное напряжение, под оксидным слоем образуется дырочный канал.

    ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ МОП-транзистора
    • В этой схеме используется расширенный режим и N-канальный МОП-транзистор для включения и выключения пробной лампы. Положительное напряжение затвора прикладывается к базе транзистора и лампа горит (VGS = + v) или при нулевом уровне напряжения устройство выключается (VGS = 0).
    • В приведенной выше схеме это очень простая схема для переключения резистивной нагрузки, такой как лампа или светодиод.Но при использовании MOSFET для переключения индуктивной или емкостной нагрузки требуется защита, содержащая устройство MOSFET.
    • Для того, чтобы полевой МОП-транзистор работал как аналоговое переключающее устройство, он должен переключаться между его областью отсечки, где VGS = 0, и областью насыщения, где VGS = + v.
    • MOSFET также является транзистором. Мы сокращенно называем его металлооксидно-кремниевым полевым транзистором. Он будет иметь P-канал и N-канал. Он состоит из истока, затвора и стока. Здесь мы подключили резистивную нагрузку 24 Ом последовательно с амперметром и измерителем напряжения, подключенным к полевому МОП-транзистору.
    • В транзисторе ток в затворе имеет положительное направление, а исток идет на землю. В BJT ток протекает по цепи база-эмиттер. Но в MOSFET нет тока, потому что в начале затвора есть конденсатор, ему просто требуется напряжение.
    • Мы узнаем это, выполнив процесс моделирования путем включения / выключения. Когда переключатель находится в положении ON, в цепи нет тока, если мы приняли сопротивление 24 Ом и 0.29 амперметра, то мы находим пренебрежимо малое падение напряжения на источнике, потому что на полевом МОП-транзисторе + 0,21 В.
    • Сопротивление между стоком и истоком называется RDS. Из-за RDS при протекании тока в цепи появляется падение напряжения. RDS варьируется в зависимости от типа MOSFET (это может быть 0,001, 0,005 и 0,05 в зависимости от типа напряжения).
    • Наконец, мы сделаем вывод, что транзистору требуется ток, тогда как MOSFET требует напряжения. Требования к управлению MOSFET намного лучше и проще по сравнению с BJT.

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

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

    МОП-транзисторы

    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, управляемыми током, полевые МОП-транзисторы представляют собой силовые устройства, управляемые напряжением. Если между затвором и истоком не приложено 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 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 тестирования диодов.
    Подключите минус измерителя к источнику полевого МОП-транзистора.
    Держите полевой МОП-транзистор за корпус или за 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 счетчика к воротам.
    Теперь переместите положительный зонд измерителя в слив. У вас должно быть 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, не имеет значения). Затвор будет выпущен через ваш палец, и показания счетчика должны стать высокими, указывая на непроводящее устройство.

    7.1 MOSFET — Введение

    7.1 MOSFET — Введение
    Содержание — Глоссарий — Учебные пособия —
    В этой секции:
    1. Основная конструкция и принцип работы
    2. Краткая история
    3. Как полевой МОП-транзистор усиливает электрические сигналы?

    Далее 7.2 модели MOSFET


    Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник n-типа (MOSFET) состоит из источника и сток , две высокопроводящие полупроводниковые области n-типа, которые изолированы от Подложка p-типа на p-n диодах с обратным смещением. Металлический (или поликристаллический) вентиль покрывает область между истоком и стоком, но отделен от полупроводника оксид затвора .Базовая структура полевого МОП-транзистора n-типа и соответствующий символ цепи показаны на рисунке 7.1.1.
    mosfet2.gif
      Рис.7.1.1 Обозначение поперечного сечения и схемы n-типа Металл-оксид-полупроводник-полевой транзистор (MOSFET)

    Как видно на рисунке, области истока и стока идентичны. 1 . это приложенные напряжения, которые определяют, какая область n-типа обеспечивает электроны и становится источником, в то время как другая область n-типа собирает электроны и становится стоком.Напряжения, приложенные к электроду стока и затвора, а также к подложке посредством заднего контакта относятся к потенциалу источника, как также указано на рисунке.

    Вид сверху того же полевого МОП-транзистора показан на рис. 7.1.2, где длина затвора Идентифицируются L и ширина ворот W . Обратите внимание, что длина ворот не равна физическому размеру ворот, а скорее расстояние между областями истока и стока под затвором.Перекрытие между затвором и областью истока и стока требуется для обеспечения того, чтобы инверсионный слой образовывал непрерывный проводящий путь между областью истока и стока. Обычно это перекрытие делается как минимум насколько это возможно, чтобы минимизировать его паразитную емкость.


    mosfet1.gif
      Рис.7.1.2 Вид сверху на металл-оксид-полупроводник n-типа. Полевой транзистор (MOSFET)

    Поток электронов от истока к стоку контролируется напряжением применяется к воротам.Положительное напряжение, приложенное к затвору, притягивает электронов к границе между диэлектриком затвора и полупроводник. Эти электроны образуют проводящий канал между источником и сток, называемый инверсионным слоем . Нет ток затвора необходим для поддержания инверсионного слоя на интерфейс, поскольку оксид затвора блокирует любой несущий поток. Чистый результат что ток между стоком и истоком контролируется напряжением, приложенным к затвору.

    Типичные характеристики тока в зависимости от напряжения (I-V) полевого МОП-транзистора показаны на рисунке ниже. Реализована квадратичная модель для полевого МОП-транзистора.


    mosfetiv.xls — mosfetiv.gif
      Рис.7.1.3 ВАХ полевого МОП-транзистора n-типа с VG = 5 В (верхняя кривая), 4 В, 3 В и 2 В (нижняя кривая)

    ПРИМЕЧАНИЕ : Мы в первую очередь обсудим n-тип или n-канал МОП-транзистор. Этот тип MOSFET изготовлен на полупроводнике p-типа. субстрат.Дополнительным полевым МОП-транзистором является полевой МОП-транзистор p-типа или p-канальный полевой МОП-транзистор. Он содержит области истока и стока p-типа в подложке n-типа. Инверсионный слой образуется, когда дырки притягиваются к интерфейс отрицательным напряжением затвора. Пока дыры все еще текут от истока к стоку они приводят к отрицательному току стока. CMOS схемы требуют устройств как n-типа, так и p-типа.


    Концептуально подобная конструкция была впервые предложена и запатентована. Лилиенфельд и Хайль 2 в 1930 году, но не был успешно продемонстрирован до 1960 года.Основной технологической проблемой был контроль и уменьшение поверхностных состояний на границе раздела между оксидом и полупроводником.

    Изначально это было возможно только истощить существующий канал n-типа, применив отрицательное напряжение на затворе. Такие устройства имеют токопроводящий канал между истоком и стоком даже когда нет напряжения затвора применены и называются устройствами «режим истощения» .

    Уменьшение поверхностных состояний позволило изготавливать устройства. которые не имеют проводящий канал, если не приложено положительное напряжение.Такие устройства упоминаются как «режим улучшения» устройств. Электроны в оксидно-полупроводниковом интерфейсы сосредоточены в тонкий (толщиной ~ 10 нм) «инверсионный» слой. К настоящему времени большинство полевых МОП-транзисторов являются устройствами «улучшенного режима».


    В то время как минимальное требование для усиления электрических сигналов составляет усиление мощности , обнаруживается, что Устройство с усилением как по напряжению, так и по току — очень желательная схема элемент.MOSFET обеспечивает коэффициент усиления по току и напряжению, обеспечивающий выходной ток внешней нагрузки, превышающий входной ток и выходное напряжение на этой внешней нагрузке, превышающее входное напряжение.

    коэффициент усиления по току возможность полевого транзистора (FET) легко объясняется тем, что ток затвора не требуется для поддерживать инверсионный слой и результирующий ток между стоком и источник. Таким образом, устройство имеет бесконечный коэффициент усиления по постоянному току.Текущий прирост обратно пропорциональна частота сигнала, достигающая единичного коэффициента усиления по току на транзитной частоте.

    Коэффициент усиления по напряжению полевого МОП-транзистора вызван тем, что ток насыщается при более высоком уровне сток-исток напряжения, так что небольшое изменение тока стока может вызвать большой изменение напряжения стока.


    7. 7.2
    1 Индивидуальные полевые МОП-транзисторы, которые имеются в продаже. часто выпускается в металлической банке или литой пластиковой упаковке содержат связь между источником и обратным контактом так что контакты истока и стока нельзя легко поменять местами.

    2 J.E. Lilienfeld, Патент США 1,745,175 (1930) и O. Heil, патент Великобритании 439 457 (1935)


    Барт Дж. Ван Зегбрук, 1996, 1997

    Введение в MOSFET | Режим истощения и улучшения, приложения

    В этом руководстве мы кратко познакомимся с MOSFET, то есть с полевым транзистором на основе оксида металла и полупроводника. Мы узнаем о различных типах полевых МОП-транзисторов (улучшение и истощение), его внутренней структуре, примере схемы, использующей полевой МОП-транзистор в качестве переключателя, и нескольких распространенных приложениях.

    Введение

    Транзисторы — изобретение, изменившее мир. Это полупроводниковые устройства, которые действуют как электрически управляемый переключатель или как усилитель сигнала. Транзисторы бывают разных форм, размеров и конструкций, но, по сути, все транзисторы относятся к двум основным семействам. Это:

    • Биполярные переходные транзисторы или BJT
    • Полевые транзисторы или полевые транзисторы

    Чтобы узнать больше об основах транзисторов и их истории, прочтите руководство «Введение в транзисторы».

    Есть два основных различия между BJT и FET. Первое отличие состоит в том, что в BJT как основные, так и неосновные носители заряда отвечают за токопроводимость, тогда как в полевых транзисторах задействованы только основные носители заряда.

    Другое и очень важное отличие состоит в том, что BJT — это, по сути, устройство, управляемое током, что означает, что ток на базе транзистора определяет величину тока, протекающего между коллектором и эмиттером. В случае полевого транзистора напряжение на затворе (терминал в полевом транзисторе, эквивалентный базовому в BJT) определяет ток, протекающий между двумя другими терминалами.

    Полевые транзисторы

    снова делятся на два типа: полевой транзистор

    • или JFET
    • Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор или полевой МОП-транзистор

    Давайте сосредоточимся на полевых МОП-транзисторах в этом руководстве.

    Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор

    Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET) — это один из типов полевых транзисторов. В этих транзисторах вывод затвора электрически изолирован от токоведущего канала, поэтому его также называют полевым транзистором с изолированным затвором (IG-FET).Из-за изоляции между выводами затвора и истока входное сопротивление полевого МОП-транзистора может быть очень высоким (обычно порядка 1014 Ом.

    Как и полевой транзистор, полевой МОП-транзистор также действует как резистор, управляемый напряжением, когда в затвор не течет ток Вывод. Небольшое напряжение на выводе затвора управляет током, протекающим через канал между выводами истока и стока. В настоящее время в электронных схемах в основном используются полевые МОП-транзисторы вместо полевого.

    Полевые МОП-транзисторы

    также имеют три терминала, а именно сток (D), источник (S) и затвор (G), а также еще один (дополнительный) терминал, называемый подложкой или корпусом (B). Также доступны полевые МОП-транзисторы обоих типов: N-канальный (NMOS) и P-канальный (PMOS). МОП-транзисторы в основном делятся на две формы. Это:

    • Тип истощения
    • Тип расширения
    Структура канала полевого МОП-транзистора

    Тип истощения

    МОП-транзистор истощенного типа эквивалентен «нормально замкнутому» переключателю.Для транзисторов обедненного типа требуется напряжение затвор-исток (В GS ) для выключения устройства.

    Символы для режима истощения полевых МОП-транзисторов как в N-канальном, так и в P-канальном типах показаны выше. В приведенных выше символах мы можем видеть, что четвертый вывод (подложка) подключен к земле, но в дискретных полевых МОП-транзисторах он подключен к выводу истока. Сплошная толстая линия, соединяющая выводы стока и истока, представляет тип истощения.Символ стрелки указывает тип канала, например N-канал или P-канал.

    В этом типе полевых МОП-транзисторов тонкий слой кремния нанесен под выводом затвора. MOSFET-транзисторы в режиме истощения обычно включены при нулевом напряжении затвор-исток (VGS). Проводимость канала в полевых МОП-транзисторах с обеднением ниже по сравнению с полевыми МОП-транзисторами расширенного типа.

    Тип расширения

    МОП-транзистор в режиме расширения эквивалентен «нормально разомкнутому» переключателю, и для этих типов транзисторов требуется напряжение затвор-исток для включения устройства.Символы полевых МОП-транзисторов с N-каналом и P-каналом в расширенном режиме показаны ниже.

    Здесь мы можем заметить, что между истоком и стоком соединена пунктирная линия, которая представляет тип режима улучшения. В полевых МОП-транзисторах в режиме улучшения проводимость увеличивается за счет увеличения оксидного слоя, который добавляет носители в канал.

    Обычно этот оксидный слой называется «инверсионным слоем». Канал сформирован между стоком и истоком в типе, противоположном подложке, например, N-канал выполнен с подложкой P-типа, а P-канал выполнен с подложкой N-типа.Проводимость канала за счет электронов или дырок зависит от канала N-типа или P-типа соответственно.

    Структура полевого МОП-транзистора

    Базовая структура полевого МОП-транзистора показана на рисунке выше. Конструкция полевого МОП-транзистора сильно отличается от конструкции полевого транзистора. Как в режиме увеличения, так и в режиме истощения полевых МОП-транзисторов электрическое поле создается напряжением на затворе, которое изменяет носители заряда потока, такие как электроны для N-канала и дырки для P-канала.

    Здесь мы можем заметить, что вывод затвора расположен поверх тонкого изолированного слоя оксида металла, а две области N-типа используются под выводами стока и истока.

    В вышеупомянутой структуре полевого МОП-транзистора канал между стоком и истоком является каналом N-типа, который сформирован напротив подложки P-типа. Вывод затвора полевого МОП-транзистора легко смещается в зависимости от полярности положительной (+ ve) или отрицательной (-ve).

    Если на выводе затвора нет смещения, то полевой МОП-транзистор обычно находится в непроводящем состоянии, поэтому эти полевые МОП-транзисторы используются для переключения и логических вентилей.Доступны режимы истощения и улучшения полевых МОП-транзисторов в N-канальном и P-канальном типах.

    Режим истощения

    Полевые МОП-транзисторы, работающие в режиме истощения, обычно известны как устройства с «включенным включением», поскольку эти транзисторы обычно закрываются, когда на выводе затвора нет напряжения смещения. Если напряжение затвора увеличивается положительно, ширина канала увеличивается в режиме обеднения.

    В результате ток стока I D через канал увеличивается. Если приложенное напряжение затвора более отрицательное, ширина канала будет намного меньше, и полевой МОП-транзистор может попасть в область отсечки.MOSFET в режиме истощения — это редко используемый тип транзистора в электронных схемах.

    На следующем графике показана характеристическая кривая полевого МОП-транзистора в режиме истощения.

    Вольт-амперные характеристики полевого МОП-транзистора, работающего в режиме обеднения, приведены выше. Эта характеристика в основном дает соотношение между напряжением сток-исток (V DS ) и током стока (I D ). Небольшое напряжение на затворе регулирует ток, протекающий через канал.

    Канал между стоком и истоком действует как хороший проводник с нулевым напряжением смещения на выводе затвора. Ширина канала и ток стока увеличиваются, если напряжение затвора положительное, и эти два значения (ширина канала и ток стока) уменьшаются, если напряжение затвора отрицательное.

    Режим улучшения

    МОП-транзистор в режиме улучшения — это обычно используемый тип транзистора. Этот тип полевого МОП-транзистора эквивалентен нормально разомкнутому переключателю, поскольку он не проводит ток, когда напряжение затвора равно нулю.Если положительное напряжение (+ V GS ) приложено к клемме затвора N-канала, то канал проводит, и ток стока течет через канал.

    Если это напряжение смещения увеличивается до более положительного значения, то ширина канала и ток стока через канал увеличиваются до некоторой степени. Но если напряжение смещения равно нулю или отрицательно (-V GS ), тогда транзистор может выключиться и канал находится в непроводящем состоянии. Итак, теперь мы можем сказать, что напряжение затвора MOSFET режима улучшения улучшает канал.

    Обозначения схемы MOSFET режима расширения

    MOSFET-транзисторы в режиме расширения в основном используются в качестве переключателей в электронных схемах из-за их низкого сопротивления при включении и высокого сопротивления при выключении, а также из-за их высокого сопротивления затвора. Эти транзисторы используются для создания логических вентилей и в схемах переключения мощности, таких как вентили CMOS, которые имеют как NMOS-, так и PMOS-транзисторы.

    Вольт-амперные характеристики полевого МОП-транзистора в режиме улучшения показаны выше, что дает соотношение между током стока (ID) и напряжением сток-исток (VDS).На приведенном выше рисунке мы наблюдали поведение полевого МОП-транзистора в различных областях, таких как омическая область, область насыщения и область отсечки.

    MOSFET-транзисторы изготавливаются из различных полупроводниковых материалов. Эти полевые МОП-транзисторы могут работать как в проводящем, так и в непроводящем режимах в зависимости от напряжения смещения на входе. Эта способность MOSFET позволяет использовать его для переключения и усиления.

    N-канальный усилитель MOSFET

    По сравнению с BJT, MOSFET имеют очень низкую крутизну, что означает небольшое усиление напряжения.Следовательно, полевые МОП-транзисторы (если на то пошло, все полевые транзисторы) обычно не используются в схемах усилителя.

    Но, тем не менее, давайте посмотрим на одноступенчатую схему усилителя «класса А», использующую N-канальный MOSFET. N-канальный полевой МОП-транзистор в режиме улучшения с общей конфигурацией источника является наиболее часто используемым типом схемы усилителя, чем другие. Усилители на полевых МОП-транзисторах в режиме обеднения очень похожи на усилители на полевых транзисторах.

    Входное сопротивление полевого МОП-транзистора контролируется сопротивлением смещения затвора, которое создается входными резисторами.Выходной сигнал этой схемы усилителя инвертируется, потому что, когда напряжение затвора (V G ) высокое, транзистор включается, а когда напряжение (V G ) низкое, транзистор выключается.

    Общий усилитель MOSFET с общей конфигурацией источника показан выше. Это усилитель режима класса А. Здесь цепь делителя напряжения образована входными резисторами R1 и R2, а входное сопротивление для сигнала переменного тока задается как Rin = RG = 1 МОм.

    Уравнения для расчета напряжения затвора и тока стока для вышеуказанной схемы усилителя приведены ниже.

    V G = (R 2 / (R 1 + R 2 )) * VDD

    I D = V S / R S

    Где,

    V G = напряжение затвора

    В S = входное напряжение источника

    В DD = напряжение питания на стоке

    R S = сопротивление истока

    R 1 & R 2 = входные резисторы

    Различные регионы, в которых работает полевой МОП-транзистор, описаны ниже.

    Область отсечки: Если напряжение затвор-исток меньше порогового напряжения, мы говорим, что транзистор работает в области отсечки (т.е. полностью выключен). В этой области ток стока равен нулю, и транзистор работает как разомкнутая цепь.

    В GS TH => I DS = 0

    Омическая (линейная) область: Если напряжение затвора больше порогового напряжения и напряжение сток-исток находится между VTH и (VGS — VTH), то мы говорим, что транзистор находится в линейной области и в этом состоянии транзистор действует как переменный резистор.

    V GS > V TH и V TH DS <(V GS VGS — V TH ) => MOSFET действует как переменный резистор

    Область насыщения: In В этой области напряжение затвора намного превышает пороговое напряжение, а ток стока имеет максимальное значение, а транзистор находится в полностью открытом состоянии. В этой области транзистор действует как замкнутая цепь.

    V GS >> V TH и (V GS — V TH ) DS <2 (V GS — V TH ) => I DS = максимум

    Напряжение затвора, при котором транзистор включается и начинает протекать ток через канал, называется пороговым напряжением.Диапазон значений порогового напряжения для N-канальных устройств составляет от 0,5 В до 0,7 В, а для устройств с P-каналом — от -0,5 В до -0,8 В.

    Поведение полевого МОП-транзистора в режимах истощения и расширения в зависимости от напряжения затвора кратко описывается следующим образом.

    ВКЛ Канал Расширение
    MOSFET Тип V GS = + ve V GS = 0 V GS = -ve
    N-Channel ВЫКЛ
    Расширение N-канала ВКЛ ВЫКЛ ВЫКЛ
    Истощение P-канала ВЫКЛ ВКЛ ВКЛ 37
    ВЫКЛ. ВКЛ.

    Приложения

    • МОП-транзисторы используются в цифровых интегральных схемах, таких как микропроцессоры.
    • Используется в калькуляторах.
    • Используется в памяти и в логических элементах CMOS.
    • Используются как аналоговые переключатели.
    • Используются как усилители.
    • Используется в приложениях силовой электроники и импульсных источников питания.
    • МОП-транзисторы используются в качестве генераторов в радиосистемах.
    • Используется в автомобильных звуковых системах и в системах звукоусиления.

    Заключение

    Полное руководство для начинающих по внедрению MOSFET. Вы узнали структуру полевого МОП-транзистора, различные типы полевого МОП-транзистора, их схемные символы, пример схемы, использующей полевой МОП-транзистор для управления светодиодом, а также несколько областей применения.

    МОП-транзисторы — Espruino

    МОП-транзистор (металл-оксидно-полупроводниковый полевой транзистор) — это полупроводниковое устройство, которое можно использовать в качестве твердотельного переключателя. Они полезны для управления нагрузками, которые потребляют больше тока или требуют более высокого напряжения, чем может обеспечить вывод GPIO. В выключенном состоянии полевые МОП-транзисторы не проводят ток, в то время как во включенном состоянии они имеют чрезвычайно низкое сопротивление — часто измеряемое в миллиомах. МОП-транзисторы можно использовать только для переключения нагрузок постоянного тока.

    Полевые МОП-транзисторы

    имеют три контакта: исток, сток и затвор.Исток подключается к земле (или положительному напряжению в p-канальном MOSFET), сток подключается к нагрузке, а затвор подключается к выводу GPIO на Espruino. Напряжение на затворе определяет, может ли ток течь от стока к нагрузке — ток не течет к затвору или от затвора (в отличие от транзистора с биполярным переходом) — это означает, что если затвору разрешено плавать, полевой транзистор может повернуться включены или выключены в ответ на окружающие электрические поля или очень слабые токи.В качестве демонстрации можно подключить полевой МОП-транзистор обычным образом, за исключением того, что ничего не подключить к контакту затвора, а затем коснуться затвора, удерживая либо землю, либо положительное напряжение — даже через сопротивление вашего тела вы можете включать и выключать полевой транзистор! Чтобы гарантировать, что полевой МОП-транзистор остается выключенным, даже если вывод не подключен (например, после сброса Espruino), между затвором и истоком можно разместить понижающий резистор.

    MOSFET переключают только ток, протекающий в одном направлении; у них есть диод между истоком и стоком в другом направлении (другими словами, если сток (на N-канальном устройстве) падает ниже напряжения на истоке, ток будет течь от истока к стоку).Этот диод, «основной диод», является следствием производственного процесса. Его не следует путать с диодом, который иногда помещают между стоком и источником питания нагрузки — он отдельный и должен быть включен при возбуждении индуктивной нагрузки.

    Если не указано иное, в этом разделе предполагается использование полевого МОП-транзистора с N-канальным расширением.

    N-канал против P-канала

    В N-канальном MOSFET исток соединен с землей, сток — с нагрузкой, и полевой транзистор включается, когда на затвор подается положительное напряжение.С N-канальными MOSFET проще работать, и они являются наиболее часто используемым типом. Их также проще производить и, следовательно, они доступны по более низкой цене и с более высокими характеристиками, чем полевые МОП-транзисторы с каналом p-типа.

    В P-канальном МОП-транзисторе источник подключен к положительному напряжению, и полевой транзистор включается, когда напряжение на затворе ниже напряжения источника на определенную величину (Vgs <0). Это означает, что если вы хотите использовать МОП-транзистор с P-каналом для переключения напряжений выше 5 В, вам понадобится другой транзистор (какой-либо), чтобы включать и выключать его.

    Выбор полевых МОП-транзисторов

    Напряжение затвор-исток (Vgs) Одной из наиболее важных характеристик является напряжение, необходимое для полного включения полевого транзистора. Это не пороговое напряжение — это напряжение, при котором он впервые начинает включаться. Поскольку Espruino может выводить только 3,3 В, для простейшего подключения нам нужна деталь, которая обеспечивает хорошую производительность с приводом затвора 3,3 В. К сожалению, не так много полевых МОП-транзисторов в удобных сквозных корпусах, которые будут работать с 3.Привод ворот 3в. IRF3708PBF — хороший выбор в большом корпусе TO-220 — его пропускная способность по току достаточна практически для любых целей, даже при 3,3 В на затворе. Для более низкого тока возможен вариант 5LN01SP-AC от On Semiconductor; он поставляется в корпусе TO-92 и может выдерживать ток до 100 мА.

    В таблицу данных для полевого МОП-транзистора обычно включается график, показывающий свойства в открытом состоянии при различных напряжениях затвора. Ключевая спецификация здесь обычно будет представлена ​​в виде графика зависимости тока стока (Id) от напряжения сток-исток (Vds — это падение напряжения на полевом МОП-транзисторе) с несколькими линиями для разных напряжений затвора.Для примера IRF3708PBF этот график представлен на рисунке 1. Обратите внимание, как при Id 10 ампер падение напряжения (Vds) едва превышает 0,1 В с приводом затвора 3,3 В, а линии для 3,3 В едва различимы. и более высокие напряжения.

    Существует множество низковольтных полевых МОП-транзисторов, доступных в корпусах для поверхностного монтажа с отличными характеристиками, часто по очень низким ценам. Популярный корпус SOT-23 можно припаять к области прототипирования SMD Espruino, как показано на рисунках ниже, или использовать с одной из многих недорогих коммутационных плат, доступных на eBay и у многих поставщиков электроники.

    Непрерывный ток Убедитесь, что номинальный постоянный ток детали достаточен для нагрузки — многие детали имеют как пиковый, так и длительный ток, и, естественно, первое часто является основной спецификацией.

    Напряжение сток-исток (Vds) Это максимальное напряжение, которое может переключать полевой МОП-транзистор.

    Максимальное напряжение затвор-исток (Vgs) Это максимальное напряжение, которое может быть приложено к затвору. Это особенно актуально в случае, когда полевой МОП-транзистор с p-каналом переключает довольно высокое напряжение, когда вы понижаете напряжение с помощью другого транзистора или полевого транзистора, чтобы включить его.

    Распиновка

    На них показана распиновка типичных МОП-транзисторов TO-220 и SOT-23. Однако ВСЕГДА сверяйтесь с таблицей данных перед тем, как что-либо подключать, на случай, если вы обнаружите, что используете нестандартную деталь.

    Подключение

    N-канал:

    Espruino используется для переключения нагрузки 100 Вт с помощью IRF3708. Обратите внимание на резистор 10 кОм между затвором и истоком. Нагрузка представляет собой светодиодную матрицу мощностью 100 Вт, 660 нм, которая потребляет ~ 3,8 А (согласно спецификации) при напряжении 22 В (больше похоже на 85 Вт) — это за гранью изображения (довольно яркое).

    Здесь показаны два N-канальных полевых МОП-транзистора в области прототипирования для поверхностного монтажа на Espruino, один в SOT-23 (справа), а другой в SOIC-8 (слева). Обратите внимание, что дорожки между контактными площадками SMD и контактами на Espruino довольно тонкие, поэтому их не следует использовать для токов, намного превышающих ампер.

    P-канал:

    Здесь показан N-канальный MOSFET, используемый для включения P-канального MOSFET — эта конфигурация полезна, когда вам нужно переключить верхнюю сторону цепи, питаемой чем-то выше 5 вольт — в этом примере предполагается, что VBat Espruino является источником питания. источник.

    Схема

    На этих схемах показано несколько общих конфигураций полевых МОП-транзисторов, которые будут использоваться с Espruino. Точные значения резисторов не важны; резистор с более высоким номиналом будет работать нормально (и может быть желательным, когда потребление энергии вызывает особую озабоченность). Как видно ниже, использование полевого МОП-транзистора с P-каналом для переключения напряжений выше 5 В требует более сложной схемы. Это не тот случай, когда используется N-канальный MOSFET для переключения высокого напряжения; поскольку источник заземлен, затвор не должен подниматься до переключаемого напряжения, как это происходит в P-канальном MOSFET, где источником является положительное напряжение.

    МОП-транзисторы и реле

      МОП-транзисторы
    • практически не потребляют энергии, в то время как реле потребляют значительную мощность при включении.
    • МОП-транзисторы
    • могут работать с ШИМ. Реле не могут.
    • Для полевых МОП-транзисторов
    • требуется общая земля (или питание для p-канала), в то время как реле полностью изолируют приводимую цепь.
    • МОП-транзисторы
    • могут переключать только нагрузки постоянного тока, в то время как реле, будучи изолированными, могут также переключать переменный ток.

    МОП-транзисторы и биполярные переходные транзисторы

    • МОП-транзисторы управляются напряжением, а не током.Ток затвора пренебрежимо мал, тогда как базовый ток BJT не пренебрежимо мал.
    • МОП-транзисторы
    • часто имеют меньшее падение напряжения во включенном состоянии.
    • МОП-транзисторы
    • включатся сами по себе, если затвору разрешено плавать, транзисторам BJT требуется ток, поэтому они не будут.
    • МОП-транзисторы
    • часто бывают более дорогими и исторически более уязвимы к статическим повреждениям.

    Режим улучшения против режима истощения

    Большинство используемых полевых МОП-транзисторов являются так называемыми устройствами расширенного режима, и вышеупомянутая запись предполагает использование полевого МОП-транзистора в расширенном режиме.Опять же, в режиме улучшения MOSFET, когда затвор находится под тем же напряжением, что и источник (Vgs = 0), MOSFET не проводит.

    В режиме истощения МОП-транзистор, когда Vgs = 0, МОП-транзистор включен, и на затвор должно быть подано напряжение, чтобы остановить проводимость.

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.