Что такое мосфет транзистор: MOSFET — полевой транзистор. Как работает и для чего используется. — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Когда и почему выходят из строя MOSFET?

Высокие температуры и другие параметры эксплуатационной среды, превышающие пределы безопасной работы, могут привести к выходу из строя полевых транзисторов, используемых в коммутационных цепях.

Современные полевые транзисторы MOSFET (полевой транзистор структуры металл-оксид-полупроводник) являются основными компонентами в преобразователях мощности, коммутаторах электрических цепей, в электроприводах и импульсных источниках питания (рис. 1). MOSFET отличаются высоким входным сопротивлением затвора, а ток, протекающий через канал между истоком и стоком, управляется напряжением на затворе. Однако при отсутствии надлежащей защиты высокие значения входного импеданса и коэффициента усиления могут привести к повреждению транзистора.

Рассмотрим несколько базовых принципов, позволяющих избежать повреждения MOSFET. Очевидно, напряжения между затвором и истоком, стоком и истоком не должны превышать предельные значения. То же касается и протекающего тока, I_D.

Существует также ограничение по мощности с учетом максимальной температуры перехода. Базовые значения для верхнего предела по этим параметрам приведены на графике в спецификации транзистора как области безопасной работы (ОБР — англ. SOA). Применяются и другие тепловые ограничения. Например, график ОБР предполагает температуру окружающей среды 25°C при определенной температуре перехода (как правило, ниже 150°С). Но есть различные условия, которые могут вызвать высокие перепады температур, способные привести к физическому разрушению кристалла MOSFET.

Рис.1. Новое поколение MOSFET ON Semiconductor

Новое поколение MOSFET обладает пониженным сопротивлением канала «сток-исток» R

DS (в открытом состоянии) для минимизации проводимости и оптимизации рабочего режима. Например, ON Semiconductor выпускает транзисторы NTMFS5C404NLT, NTMFS5C410NLT и NTMFS5C442NLT, имеющие максимальное значение R_DS (во включенном состоянии) 0,74, 0,9 и 2,8 мОм, соответственно. Они дополняются комплементарными приборами NTMFS5C604NL, NTMFS5C612N и NTMFS5C646NL с номинальными напряжениями пробоя 60 В. Для облегчения температурного режима конструкции транзисторы с предельным напряжением в 40 В и 60 В рассчитаны на работу при температуре перехода до 175°C.

В связи с этим следует обратить внимание, что тепловое сопротивление транзистора — среднее значение, применимое тогда, когда весь кристалл имеет одинаковую температуру. Но MOSFET, предназначенные для импульсных блоков питания, могут иметь широкий разброс по температуре в разных зонах кристалла. Транзисторы, оптимизированные для работы в режиме включения/ выключения, не так хорошо работают в линейной области рабочей характеристики.

Типичный режим «отказа» MOSFET связан с коротким замыканием между истоком и стоком. В этом случае только сопротивление источника питания ограничивает пиковый ток. Короткое замыкание является причиной оплавления кристалла и металла. Например, достаточно высокое напряжение между затвором и истоком (V

GS) может разрушить оксидный слой затвора MOSFET. Рассчитанные на 12 В затворы скорее всего разрушатся примерно при 15 В. Затворы, имеющие запас до 20 В, могут выйти из строя при напряжении около 25 В.

В конечном итоге превышение номинального напряжения транзистора в течение нескольких наносекунд может привести к разрушению MOSFET. Производители рекомендуют выбирать транзистор с запасом по ожидаемым уровням напряжения и при условии подавления любых скачков и импульсов напряжения.

Минимальная мощность управления затвором

MOSFET спроектированы с расчетом на то, что в открытом состоянии выделяется минимальная рассеиваемая мощность: для уменьшения рассеиваемой мощности транзистор должен быть полностью открыт. В противном случае повышенное сопротивление MOSFET приведет к выделению значительной мощности в виде тепла.

В сущности, MOSFET перегревается из-за действия высокого тока; плохой теплоотвод может быть причиной разрушения MOSFET от чрезмерной температуры. Одним из способов ограничения чрезмерного тока является параллельное соединение нескольких транзисторов, когда ток нагрузки разделяется между ними.

Рис.2. График зависимости рассеиваемой мощности MOSFET от температуры

Графики зависимости рассеиваемой мощности транзистора от температуры позволяют судить о требуемом теплоотводе и креплении – как в примере с представленным выше графиком ON Semiconductor для

CPh4348 (рис. 2).

Многие p- и n-канальные MOSFET используются в схемах с топологией Н и L мостов, включенных между шинами напряжения питания. В этом случае, если управляющие сигналы на затворах транзисторов частично перекрываются, оба транзистора будут кратковременно находиться в открытом состоянии, фактически накоротко замыкая источник питания. Когда это происходит, все конденсаторы цепей развязки по питанию быстро разряжаются через сквозной канал из двух транзисторов (во время их переходных состояний при переключении), вызывая короткие, но большие импульсы тока.

Чтобы предотвратить одновременное открытое состояние транзисторов, необходимо обеспечить короткую паузу между их переключениями из открытого состояния в закрытое и наоборот.

Рис.3. График типичной ОБР для MOSFET

На рис. 3 представлен типичный график ОБР для MOSFET CPh4348 компании ON Semiconductor. График ОБР предполагает температуру окружающей среды 25 °С при температуре перехода ниже 150 °С.

Превышение тока даже на короткое время может привести к прогрессирующему повреждению MOSFET, часто с малозаметным повышением температуры перед отказом транзистора. Многие транзисторы, имеющие высокие значения допустимого пикового тока, как правило, рассчитаны на пиковые токи длительностью примерно до 300 мкс. Это особенно важно в случае перегрузки MOSFET по пиковому току при переключении индуктивных нагрузок.

При коммутации индуктивных нагрузок должна быть предусмотрена цепь погашения обратной ЭДС во время выключения транзистора. При резком отключении напряжения питания на индуктивной нагрузке возникает всплеск обратного напряжения. На этот случай в некоторых MOSFET имеется защитный диод.

Катушки индуктивности и емкости в высокочастотных резонансных контурах способны накапливать значительное количество энергии. При определенных условиях эта высокопотенциальная энергия от всплесков обратного напряжения вызывает появление тока через встроенные диоды транзисторов MOSFET, когда один транзистор выключается, а другой включается. (Внутренний встроенный диод, подключенный между стоком и истоком, формируется в р-n переходе «корпус-сток». В n-канальных MOSFET анод встроенного диода подключается к стоку. Полярность включения становится обратной в p-канальных транзисторах.) Проблема может возникнуть из-за медленного выключения (обратного восстановления) встроенного диода, когда противоположный MOSFET пытается открыться.

Встроенные диоды MOSFET имеют длительное время восстановления запирающего слоя по сравнению с рабочими циклами самих транзисторов. Если во время работы комплементарного транзистора встроенный диод на одном MOSFET окажется в проводящем состоянии, то возникает сквозное замыкание источника питания. Эту проблему можно решить посредством диода Шоттки и диода с быстро восстанавливаемым обратным сопротивлением. Диод Шоттки подключается последовательно с истоком MOSFET и предотвращает протекание тока прямого смещения через встроенный диод MOSFET при всплесках напряжения на индуктивной нагрузке. Высокоскоростной (быстрое восстановление) диод подключается параллельно с парой MOSFET/диод Шоттки, что позволяет пропустить ток, возникающий при всплесках напряжения на индуктивной нагрузке, в обход MOSFET и диода Шоттки. Это гарантирует, что встроенный в MOSFET диод никогда не будет находиться в проводящем состоянии.

Рис. 4. Зависимость теплового сопротивления от длительности открытого состояния транзистора

На тепловое сопротивление MOSFET может существенно влиять длительность периода включенного состояния. На рис. 4 приведен конкретный пример графика для транзистора ON Semiconductor CPh4348.

Переходные состояния

Транзисторы MOSFET рассеивают незначительную энергию, когда находятся во включенном или выключенном состоянии, но во время переходного процесса между этими состояниями выделяемая энергия значительно возрастает. Таким образом, чтобы свести к минимуму рассеиваемую мощность, желательно переключаться как можно быстрее. Так как затвор MOSFET является емкостью, он требует значительных импульсов тока заряда и разряда в течение нескольких десятков наносекунд. Пиковые токи затвора могут достигать нескольких ампер.

Высокий входной импеданс MOSFET может быть причиной нестабильности. При определенных условиях высоковольтные транзисторы могут стать генераторами высоких частот из-за паразитных индуктивностей и емкостей в окружающих цепях (частоты обычно в нижней части мегагерцового диапазона). Производители рекомендуют использовать низкоомные цепи управления затворами MOSFET, чтобы предотвратить появление в них паразитных сигналов.

Мощные N-канальные полевые c изолированным затвором транзисторы (MOSFET)

Обозначение	Прототип	Функциональное назначение	Тип корпуса
IFP50N06*	WFP50N06	N – канальный транзистор 60 В; 0,022 Ом – 50 А	TO-220/3
IZ70N06**		N – канальный транзистор 60 В; 0,015 Ом – 70 А	б/к
IZ85N06**		N – канальный транзистор 60 В; 0,012 Ом – 85 А	б/к
IZ75N75**		N – канальный транзистор 75 В; 0,017 Ом – 75 А	б/к
IFP75N08	WFP75N08	N – канальный транзистор 80 В; 0,015 Ом – 75 А	TO-220/3
IZ630**		N – канальный транзистор 200 В; 0,400 Ом – 9 А	б/к
IZ640**		N – канальный транзистор 200 В; 0,180 Ом – 18 А	б/к
IZ634**		N – канальный транзистор 250 В; 0,450 Ом – 8 А	б/к
IFP730	WFP730	N – канальный транзистор 400 В; 0,950 Ом – 6 А	TO-220/3
IFP740	WFP740	N – канальный транзистор 400 В; 0,550 Ом – 10 А	TO-220/3
IFP830	WFP830	N – канальный транзистор 500 В; 1,400 Ом – 5 А	TO-220/3
IFP840	WFP840	N – канальный транзистор 500 В; 0,850 Ом – 8 А	TO-220/3
IZ13N50**		N – канальный транзистор 500 В; 0,490 Ом – 13 А	б/к
IZ20N50**		N – канальный транзистор 500 В; 0,260 Ом – 20 А	б/к
IZ50N50**		N – канальный транзистор 500 В; 0,120 Ом – 50 А	б/к
IFP1N60	WFP1N60	N – канальный транзистор 600 В; 12,000 Ом – 1 А	TO-220/3
IFU1N60	WFU1N60	N – канальный транзистор 600 В; 12,000 Ом – 1 А	I-PAK
IFD1N60	WFD1N60	N – канальный транзистор 600 В; 12,000 Ом – 1 А	D-PAK
IFU2N60	WFU2N60	N – канальный транзистор 600 В; 5,0 Ом –2 А	I-PAK
IFD2N60	WFD2N60	N – канальный транзистор 600 В; 5,0 Ом –2 А	D-PAK
IFP2N60	STP2NC60	N – канальный транзистор 600 В; 5,0 Ом – 2 А	TO-220/3
IFF2N60	WFF2N60	N – канальный транзистор 600 В; 5,0 Ом – 2 А	TO-220FP
IFP4N60	STP4NC60	N – канальный транзистор 600 В; 2,5 Ом – 4,0 А	TO-220/3
IFF4N60	WFF4N60	N – канальный транзистор 600 В; 2,5 Ом – 4,0 А	TO-220FP
IFP7N60	WFP7N60	N – канальный транзистор 600 В; 1,2 Ом – 7 А	TO-220/3
IZ10N60**		N – канальный транзистор 600 В; 0,8 Ом – 10 А	б/к
IZ12N60**		N – канальный транзистор 600 В; 0,7 Ом – 12 А	б/к
IZ20N60**		N – канальный транзистор 600 В; 0,32 Ом – 20 А	б/к
IZ24N60**		N – канальный транзистор 600 В; 0,26 Ом – 24 А	б/к
IZ28N60**		N – канальный транзистор 600 В; 0,24 Ом – 28 А	б/к
IZ40N60**		N – канальный транзистор 600 В; 0,16 Ом – 40 А	б/к
IZ1N65**		N – канальный транзистор 650 В; 13,0 Ом – 1 А	б/к
IZ2N65**		N – канальный транзистор 650 В; 5,5 Ом – 2 А	б/к
IZ4N65**		N – канальный транзистор 650 В; 2,7 Ом – 4 А	б/к
IZ7N65**		N – канальный транзистор 650 В; 1,3 Ом – 7 А	б/к
IZ10N65**		N – канальный транзистор 650 В; 0,85 Ом – 10 А	б/к
IZ12N65**		N – канальный транзистор 650 В; 0,8 Ом – 12 А	б/к
IFP1N80	WFP1N80	N – канальный транзистор 800 В; 18,0 Ом – 1 А	TO-220/3
IFU1N80	WFU1N80	N – канальный транзистор 800 В; 18,0 Ом – 1 А	I-PAK
IFD1N80	WFD1N80	N — канальный транзистор 800 В; 18,0 Ом — 1 А	D-PAK
IZ3N80**		N – канальный транзистор 800 В; 5,0 Ом – 3 А	б/к
IZ10N80**		N – канальный транзистор 800 В; 1,1 Ом – 10 А	б/к
IZ9N90**		N – канальный транзистор 900 В; 1,4 Ом – 9 А	б/к
IZ11N90**		N – канальный транзистор 900 В; 1,1 Ом – 11 А	б/к
IWP5NK80Z	STP5NK80Z	N – канальный транзистор 800 В; 2,4 Ом – 4,3 А	TO-220/3
IZ024N	IRFU024N	N – канальный транзистор 55 В; 0,075 Ом — 17 А	б/к

MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT

Когда дело доходит до импульсных преобразователей, оба типа транзисторов имеют свои преимущества и недостатки. Но какой из них лучше для данного устройства? В этой статье сравним MOSFET с модулями IGBT чтобы понять, что и где лучше ставить.

Предполагается что в схемах с низким напряжением, низким током, но высокой частотой переключения, предпочтительно использовать полевые транзисторы (MOSFET), а в схемах с высоким напряжением, высоким током, но с низкой частотой — лучше IGBT. Но достаточно ли такой общей классификации? У каждого есть свои дополнительные предпочтения в этом отношении и правда в том, что не существует общего, жесткого стандарта, который позволял бы оценивать параметры данного элемента с точки зрения его использования в импульсных преобразователях. Все зависит от конкретного применения и широкого спектра факторов, таких как частота переключения, размер, стоимость и т. д. Поэтому, вместо того чтобы пытаться решить какой элемент лучше, нужно внимательно изучить различия между этими деталями.

Кратко о MOSFET

MOSFET — это управляемый переключатель с тремя контактами (затвор, сток и исток). Сигнал затвора (управления) подается между затвором и истоком, а контактами переключения являются сток и исток. Сам затвор выполнен из металла и отделен от истока оксидом металла в качестве диэлектрика. Это позволяет снизить энергопотребление и делает этот транзистор отличным выбором для использования в качестве электронного переключателя или усилителя в схеме с общим истоком.

Для правильной работы МОП-транзисторы должны поддерживать положительный температурный коэффициент. Потери во включенном состоянии малы и теоретически сопротивление транзистора в этом состоянии не ограничено — может быть близко к нулю. Кроме того, поскольку МОП-транзисторы могут работать на высоких частотах, они могут работать в устройствах с быстрым переключением и с низкими потерями на переключение.

Существует много различных типов МОП-транзисторов, но наиболее сопоставимыми с IGBT являются мощные MOSFET. Они специально разработаны для работы со значительными уровнями мощности и используются чаще всего только во включенном или выключенном состояниях, что делает их наиболее используемым ключом для низковольтных схем. По сравнению с IGBT, мощные полевые МОП-транзисторы имеют преимущества — более высокую скорость коммутации и более высокую эффективность при работе при низких напряжениях. Более того, такая схема может выдерживать высокое напряжение блокировки и поддерживать высокий ток. Это связано с тем что большинство мощных МОП-структур являются вертикальными (а не плоскими). Номинальное напряжение является прямой функцией легирования и толщины эпитаксиального слоя с примесью N-типа, а ток зависит от ширины канала (чем шире канал, тем выше ток).

Кратко о IGBT

Модуль IGBT также является полностью управляемым коммутатором с тремя контактами (затвор, коллектор и эмиттер). Его управляющий сигнал подается между затвором и эмиттером и нагрузкой между коллектором и эмиттером.

IGBT сочетает в себе простые характеристики управления затвором, как в транзисторе MOSFET, с сильноточным характером биполярного транзистора с низким напряжением насыщения. Это достигается с помощью изолированного полевого транзистора для управляющего входа и биполярного силового транзистора в качестве сильноточного ключа.

Модуль IGBT специально разработан для быстрого включения и выключения. Фактически частота повторения импульсов достигает УЗ диапазона. Эта уникальная способность делает IGBT часто используемыми в усилителях класса D для синтеза сложных сигналов с широтно-импульсной модуляцией и фильтрами нижних частот. Они также используются для генерации импульсов большой мощности в таких областях, как физика элементарных частиц и плазма, а также играют важную роль в современных устройствах — электромобили, электровелосипеды, поезда, холодильники с регулируемой скоростью вращения компрессора, кондиционеры и многое другое.

Сравнение IGBT с MOSFET

Структуры обоих транзисторов очень похожи друг на друга. Что касается протекания тока, важным отличием является добавление слоя подложки P-типа под слой подложки N-типа в структуре модуля IGBT. В этом дополнительном слое дырки вводятся в слой с высоким сопротивлением N-типа, создавая избыток носителей. Это увеличение проводимости в N-слое помогает уменьшить общее напряжение во включенном состоянии в IGBT-модуле. К сожалению, это также блокирует поток электроэнергии в обратном направлении. Поэтому в схему добавлен специальный диод, который расположен параллельно с IGBT чтобы проводить ток в противоположном направлении.

MOSFET может переключаться на более высоких частотах, однако есть два ограничения: время переноса электронов в области дрейфа и время, необходимое для зарядки / разрядки входного затвора и его емкости. Тем не менее эти транзисторы, как правило, достигают более высокой частоты переключения, чем модули IGBT.

Подведем итог

Многие из вышеупомянутых фактов касаются исторической основы обоих устройств. Достижения и технологические прорывы в разработке нового оборудования, а также использование новых материалов, таких как карбид кремния (SiC), привели к значительному улучшению производительности этих радиодеталей за последние годы.

МОП-транзистор:

Высокая частота переключения.
Лучшие динамические параметры и более низкое энергопотребление драйвера.
Более низкая емкость затвора.
Более низкое термосопротивление, которое приводит к лучшему рассеиванию мощности.
Более короткое время нарастания и спада, что означает способность работать на более высоких частотах.

IGBT модуль:

Улучшенная технология производства, которая приводит к снижению затрат.
Лучшая устойчивость к перегрузкам.
Улучшенная способность распараллеливания схемы.
Более быстрое и плавное включение и выключение.
Снижение потерь при включении и при переключении.
Снижение входной мощности.

В любом случае модули MOSFET и IGBT быстро заменяют большинство старых полупроводниковых и механических устройств, используемых для управления током. Силовые устройства на основе SiC демонстрируют такие преимущества как меньшие потери, меньшие размеры и более высокая эффективность. Подобные инновации будут продолжать расширять пределы использования MOSFET и IGBT транзисторов для схем с более высоким напряжением и большей мощностью.

Форум по теории электроники

Форум по обсуждению материала MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT

Новые транзисторы SiC MOSFET с трехкратным снижением потерь на переключение

15 октября 2020

Эдгар Айербе, Адам Баркли, Джон Муккен (Wolfspeed)

Значение скорости переключения MOSFET в традиционных корпусах ограничено многими факторами. Компания Wolfspeed предлагает для своих MOSFET на базе карбида кремния два новых вида корпусов. Применение компонентов в этих корпусах позволяет уменьшить потери и упростить разработку двадцатикиловаттного активного выпрямителя для станций быстрой зарядки электромобилей.

Прогресс в области широкозонных полупроводниковых материалов позволил создать карбид-кремниевые полевые транзисторы (SiC MOSFET) с повышенной рабочей частотой, обеспечивающие меньшие потери на переключение. Усовершенствованные корпуса с малой паразитной индуктивностью, в которых выпускаются такие транзисторы, позволяют разработчикам в полной мере использовать возможности этих компонентов для увеличения КПД силовых преобразователей и, как следствие, для уменьшения расхода электроэнергии конечным потребителем. Простые и вместе с тем эффективные доработки серийно выпускаемых корпусов дискретных полупроводниковых приборов обеспечивают значительное улучшение эксплуатационных характеристик SiC MOSFET и, в то же время, позволяют отказаться от новых типов корпусов, применение которых непременно сказалось бы на стоимости и удобстве разработки готовых преобразователей.

С появлением новейших SiC MOSFET семейства C3M™ компании Wolfspeed ограничительными факторами для динамических характеристик изделий на базе этих транзисторов стали их корпусная паразитная индуктивность и топология печатной платы. MOSFET семейства C3M способны за десятки наносекунд коммутировать сотни вольт и десятки ампер. Но большое значение индуктивности истока в случае обычного корпуса TO-247-3 (обусловленное как индуктивностью соединительного проводника между кристаллом и выводом истока, так и индуктивностью самого вывода) приводит к возникновению отрицательной обратной связи, ограничивающей достижимое значение di/dt, а также увеличивающей потери на переключение. Как показано на рисунке 1 (верхний ключ), индуктивность истока Q1 (L_S₁) и, соответственно, падение на ней напряжения оказываются общими для контура управления затвором и силового контура. Во время резкого изменения тока через ключ при переключении это напряжение вычитается из напряжения, формируемого драйвером затвора (V_DRV₁). Как результат, снижается напряжение «затвор-исток» непосредственно на кристалле MOSFET, что значительно уменьшает скорость переключения, потери же на переключение при этом растут.

Один из путей решения данной проблемы – использование новых вариантов корпусов с дополнительным выводом истока KS (так называемый вывод по схеме Кельвина). Этот вывод соединяется с общим проводом драйвера затвора, как показано на рисунке 1 (нижний ключ Q2). В случае изолированного драйвера (V_DRV₂) падение напряжения на индуктивности истока не оказывает влияния на контур управления затвором. В результате петля отрицательной обратной связи разрывается, что дает возможность снизить потери на переключение и существенно увеличить его скорость.

Максимальное значение di/dt, обеспечиваемое транзистором в корпусе TO-247-3L, ограничено из-за падения напряжения на суммарной индуктивности истока LS1, которое вычитается из напряжения управления затвором VDRV1. Использование корпуса TO-247-4L с дополнительным кельвиновским выводом истока в сочетании с изолированным драйвером затвора VDRV2 снимает это ограничение и тем самым существенно снижает потери на переключение.

Рис. 1. Условная схема одного плеча моста на MOSFET с верхним ключом (Q1) в корпусе TO-247-3L и нижним ключом (Q2) в корпусе TO-247-4L

Wolfspeed разработала новые варианты корпуса SiC MOSFET с отдельным выводом истока по схеме Кельвина; в таблице 1 вы найдете базовые характеристики транзисторов, выпускаемых в этих корпусах. Первый вариант – это корпус TO-263-7 для поверхностного монтажа, специально разработанный для MOSFET, рабочее напряжение которых не превышает 1700 В. Место, занимаемое этим корпусом на плате, на 52% меньше, чем у корпуса D3PAK, в котором обычно выпускаются компоненты на напряжение 1200…1700 В. В новом корпусе предусмотрено пять выводов истока, соединенных параллельно – такое решение значительно снижает индуктивность истока в силовом контуре в сравнении с другими корпусами для поверхностного монтажа. Второй вариант – корпус TO-247-4L для монтажа в отверстия, длина пути утечки «сток – исток» у него составляет 8 мм.

Таблица 1. SiC MOSFET компании Wolfspeed в корпусах с выводом истока, выполненным по схеме Кельвина

Результаты измерений: оценка улучшения динамических характеристик

В ходе испытаний (коммутация шунтированной диодом индуктивной нагрузки) подтвердилось улучшение динамических характеристик транзисторов в корпусах новых типов, указанных в таблице 1. На рисунке 2 приведены графики напряжения «сток-исток» и тока стока для кристалла MOSFET (1000 В, 65 мОм) в корпусах TO-263-7L (с включенным по кельвиновской схеме выводом истока) и TO-247-3L (без добавленного вывода истока) в случае коммутации 600 В/40 А нагрузки. Даже для такого, сравнительно небольшого, кристалла MOSFET при наличии в цепи затвора десятиомного резистора время открытия уменьшилось с 72 нс до 27 нс, что соответствует росту скорости переключения в 2,6 раза.

Рис. 2. Изменение напряжения и тока при открытии одинаковых SiC MOSFET в разных корпусах

Поскольку этот эффект зависит от характеристики di/dt MOSFET, можно предположить, что наибольшее снижение потерь при переключении будет достигнуто для сильноточных MOSFET с большой площадью кристалла и достаточно малым сопротивлением в цепи затвора. Во втором испытании на коммутацию индуктивной нагрузки тестировался кристалл MOSFET с номинальным напряжением 900 В, сопротивлением открытого канала 10 мОм и с управляющим напряжением V_GS = -4/+15 В при R_G = 5 Ом и V_DD = 600 В. Рисунок 3 отражает взаимосвязь динамических потерь и тока стока для транзистора в корпусах – стандартном TO-247-3L (слева) и новом TO-247-4L, с отдельным выводом, включенным по схеме Кельвина (справа). В обоих случаях измеренные значения включают потери на внутреннем, шунтирующем диоде верхнего MOSFET. Графики показывают 3,5-кратное уменьшение потерь на переключение при коммутации тока, близкого к номинальному. SiC MOSFET могут работать и на более высоких частотах в схемах мягкой коммутации или в резонансных схемах, обычно использующихся в DC/DC-преобразователях внебортовых и бортовых быстрых зарядных устройств постоянного тока [2].

Рис. 3. Связь энергии динамических потерь и тока стока для корпусов TO-247-3L и TO-247-4L SiC MOSFET (10 мОм, 900 В)

Пример применения: экономичный активный выпрямитель (AFE) мощностью 20 кВт для станций быстрой зарядки электромобилей

Бурное развитие электротранспорта открыло новые возможности для внедрения SiC MOSFET как на автомобилях, так и в сопутствующей инфраструктуре. Полумостовые схемы с жесткой коммутацией используются в DC/DC-преобразователях, тяговых приводах и в активных выпрямителях с ККМ, применяемых в устройствах для заряда. Также SiC MOSFET могут работать на более высоких частотах в схемах с мягкой коммутацией или резонансных схемах, обычно применяющихся в DC/DC-преобразователях быстрых зарядных устройств постоянного тока, как бортовых, так и внебортовых.

Рис. 4. Упрощенная схема силового каскада и выполненный по ней типовой образец активного выпрямителя на 20 кВт на базе MOSFET C3M0065100K

Таким образом, применение новых типов корпусов с кельвиновской схемой вывода истока обеспечивает заметное уменьшение потерь на переключение при коммутации в жестком режиме. Динамические характеристики, обеспечиваемые конструкцией корпуса, а также такие параметры SiC MOSFET семейства C3M на напряжение 1000 В как малые потери проводимости в рабочем диапазоне температур, малое значение QRR паразитного диода и более высокая линейность изменения выходной емкости позволили разработчикам по новому подойти к некоторым известным простым схемам с двухуровневой топологией. Чтобы продемонстрировать эти достоинства на практике, специалисты Wolfspeed разработали и испытали двухуровневый активный выпрямитель мощностью 20 кВт на основе SiC MOSFET (рисунок 4). Он может использоваться в качестве входного каскада станции быстрой зарядки электромобилей.

В каждом ключе указанного выпрямителя находится по два MOSFET C3M0065100K. Дополнительные антипараллельные диоды отсутствуют. Частота коммутации 48 кГц призвана обеспечить баланс между стоимостью дросселей фаз, КНИ фазового тока и простотой конструкции ЭМИ-фильтра (частота третьей гармоники ниже 150 кГц). Дроссели фаз выполнены на сердечнике AMCC 50 Metglass 2605SA1, имеют индуктивность 400 мкГн и обмотку из медной фольги. Для управления ключами по методу векторной ШИМ используется микроконтроллер TMS320F28335. Длительность мертвого времени была уменьшена до ~100 нс, чтобы снизить искажения формы сигнала в окрестностях точки перехода фазного напряжения через ноль. Итоговые графики КПД и КНИ, построенные по результатам измерений, приведены на рисунке 5. Эти графики свидетельствуют о том, что разработчикам удалось достичь технических показателей, к которым они стремились.

Рис. 5. Зависимость КПД и КНИ двухуровневого активного выпрямителя на SiC MOSFET от выходной мощности (слева) и сравнение КПД и оценочных значений плотности мощности с характеристиками выпрямителей типа «Vienna» с кремниевыми диодами (справа)

По сравнению с популярной трехуровневой топологией выпрямителя типа «Vienna» на основе кремниевых диодов, предложенное решение позволяет уменьшить потери мощности более чем на 30% (экономия электроэнергии), имеет более простую схему и более простое управление, сокращает список комплектующих, а также обеспечивает передачу энергии в обоих направлениях (технология V2G). Более подробную информацию о рассмотренном прототипе выпрямителя и о его сравнении с выпрямителем типа «Vienna» можно найти в [1].

Выводы

Ожидается, что в течение ближайших лет мировой рынок силовых полупроводниковых компонентов, используемых в автомобилестроении, вырастет более чем на 3 миллиарда долларов [3]. В связи с этим ключевым фактором, влияющим на повсеместное распространение электромобилей, становится наличие высокоэффективных быстрых зарядных устройств, как бортовых, так и внебортовых. Новые недорогие корпуса дискретных SiC MOSFET позволят разработчикам увеличить эффективность преобразования этих устройств, их удельную мощность, и, в конечном счете, снизить расход электроэнергии конечным потребителем. Разработанный типовой образец двухуровневого активного выпрямителя доказал, что обладающие превосходными характеристиками SiC MOSFET-транзисторы семейства C3M компании Wolfspeed даже при использовании простых топологии и метода управления обеспечивают 30-процентное снижение потерь мощности.

Литература

A. Barkley, M. Schupbach, B. Agrawal, S. Allen, New 1000V SiC MOSFETs Enable Improved Efficiency, Density, and Cost Tradeoff Space for PFCs, Proceedings of the 32nd Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC 2017), Tampa, FL, USA, March 26-30, 2017.
J. Mookken, Fast Charging EV with the Latest 1kV 3rd Generation SiC MOSFET. Proceedings of the 32nd Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC 2017), Tampa, FL, USA, March 26-30, 2017.
IHS 2017.

Перевел Андрей Евстифеев по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

Мосфет транзистор что это

Автор На чтение 15 мин. Опубликовано 12.12.2019

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

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

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

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

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

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

Для примера я собрал тестовую схему:

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

Вот таблица замеров:

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

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

DS — напряжение падения на транзисторе.

I — ток нагрузки — лампочки.

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

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

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

Полевой транзистор с изолированным затвором

На сегодняшний день, среди достаточного количества разновидностей транзисторов выделяют два класса: p-n – переходные транзисторы (биполярные) и транзисторы с изолированным полупроводниковым затвором (полевые).

Другое название, которое можно встретить при описании полевых транзисторов – МОП (металл – окисел – полупроводник). Обусловлено это тем, что в качестве диэлектрического материала в основном используется окись кремния (SiO₂).

Еще одно, довольно распространенное название – МДП (металл – диэлектрик – полупроводник).

Немного пояснений. Очень часто можно услышать термины MOSFET, мосфет, MOS-транзистор. Данный термин порой вводит в заблуждение новичков в электронике.

Что же это такое MOSFET ?

MOSFET – это сокращение от двух английских словосочетаний: Metal-Oxide-Semiconductor (металл – окисел – полупроводник) и Field-Effect-Transistors (транзистор, управляемый электрическим полем). Поэтому MOSFET – это не что иное, как обычный МОП-транзистор.

Думаю, теперь понятно, что термины мосфет, MOSFET, MOS, МДП, МОП обозначают одно и тоже, а именно полевой транзистор с изолированным затвором.

Внешний вид одного из широко распространённых мосфетов – IRFZ44N.

Стоит помнить, что наравне с аббревиатурой MOSFET применяется сокращение J-FET (Junction – переход). Транзистор J-FET также является полевым, но управление им осуществляется за счёт применения в нём управляющего p-n перехода. В отличие от MOSFET’а, J-FET имеет немного иную структуру.

Принцип работы полевого транзистора.

Суть работы полевого транзистора заключается в возможности управления протекающим через него током с помощью электрического поля (напряжения). Этим он выгодно отличается от транзисторов биполярного типа, где управление большим выходным током осуществляется с помощью малого входного тока.

Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором.

Взглянем на упрощённую модель полевого транзистора с изолированным затвором (см. рис.). Поскольку мосфеты бывают с разным типом проводимости (n или p), то на рисунке изображён полевой транзистор с изолированным затвором и каналом n-типа.

Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором

Основу МДП-транзистора составляет:

Подложка из кремния. Подложка может быть как из полупроводника p-типа, так и n-типа. Если подложка p-типа, то в полупроводнике в большей степени присутствуют положительно заряженные атомы в узлах кристаллической решётки кремния. Если подложка имеет тип n, то в полупроводнике в большей степени присутствуют отрицательно заряженные атомы и свободные электроны. В обоих случаях формирование полупроводника p или n типа достигается за счёт введения примесей.

Области полупроводника n+. Данные области сильно обогащены свободными электронами (поэтому «+»), что достигается введением примеси в полупроводник. К данным областям подключаются электроды истока и стока.

Диэлектрик. Он изолирует электрод затвора от кремниевой подложки. Сам диэлектрик выполняют из оксида кремния (SiO₂). К поверхности диэлектрика подключен электрод затвора – управляющего электрода.

Теперь в двух словах опишем, как это всё работает.

Если между затвором и истоком приложить напряжение плюсом ( +) к выводу затвора, то между металлическим выводом затвора и подложкой образуется поперечное электрическое поле. Оно в свою очередь начинает притягивать к приповерхностному слою у диэлектрика отрицательно заряженные свободные электроны, которые в небольшом количестве рассредоточены в кремниевой подложке.

В результате в приповерхностном слое скапливается достаточно большое количество электронов и формируется так называемый канал – область проводимости. На рисунке канал показан синим цветом. То, что канал типа n – это значит, что он состоит из электронов. Как видим между выводами истока и стока, и собственно, их областями n+ образуется своеобразный «мостик», который проводит электрический ток.

Между истоком и стоком начинает протекать ток. Таким образом, за счёт внешнего управляющего напряжения контролируется проводимость полевого транзистора. Если снять управляющее напряжение с затвора, то проводящий канал в приповерхностном слое исчезнет и транзистор закроется – перестанет пропускать ток. Следует отметить, что на рисунке упрощённой модели показан полевой транзистор с каналом n-типа. Также существуют полевые транзисторы с каналом p-типа.

Показанная модель является сильно упрощённой. В реальности устройство современного MOS-транзистора гораздо сложнее. Но, несмотря на это, упрощённая модель наглядно и просто показывает идею, которая была заложена в его устройство.

Кроме всего прочего полевые транзисторы с изолированным затвором бывают обеднённого и обогащённого типа. На рисунке показан как раз полевой транзистор обогащённого типа – в нём канал «обогащается» электронами. В мосфете обеднённого типа в области канала уже присутствуют электроны, поэтому он пропускает ток уже без управляющего напряжения на затворе. Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов обеднённого и обогащённого типа существенно различаются.

О различии MOSFET’ов обогащённого и обеднённого типа можно прочесть тут. Там же показано, как различные МОП-транзисторы обозначаются на принципиальных схемах.

Нетрудно заметить, что электрод затвора и подложка вместе с диэлектриком, который находится между ними, формирует своеобразный электрический конденсатор. Обкладками служат металлический вывод затвора и область подложки, а изолятором между этими электродами – диэлектрик из оксида кремния (SiO₂). Поэтому у полевого транзистора есть существенный параметр, который называется ёмкостью затвора.

Об остальных важных параметрах мосфетов я уже рассказывал на страницах сайта.

Полевые транзисторы в отличие от биполярных обладают меньшими собственными шумами на низких частотах. Поэтому их активно применяют в звукоусилительной технике. Так, например, современные микросхемы усилителей мощности низкой частоты для автомобильных CD/MP3-проигрывателей имеют в составе MOSFET’ы. На приборной панели автомобильного ресивера можно встретить надпись “Power MOSFET” или что-то похожее. Так производитель хвастается, давая понять, что он заботится не только о мощности, но и о качестве звука.

Полевой транзистор, в сравнении с транзисторами биполярного типа, обладает более высоким входным сопротивлением, которое может достигать 10 в 9-й степени Ом и более. Эта особенность позволяет рассматривать данные приборы как управляемые потенциалом или по-другому – напряжением. На сегодня это лучший вариант создания схем с достаточно низким потреблением электроэнергии в режиме статического покоя. Данное условие особенно актуально для статических схем памяти имеющих большое количество запоминающих ячеек.

Если говорить о ключевом режиме работы транзисторов, то в данном случае биполярные показывают лучшую производительность, так как падение напряжений на полевых вариантах очень значительно, что снижает общую эффективность работы всей схемы. Несмотря на это, в результате развития технологии изготовления полупроводниковых элементов, удалось избавиться и от этой проблемы. Современные образцы обладают малым сопротивлением канала и прекрасно работают на высоких частотах.

В результате поисков по улучшению характеристик мощных полевых транзисторов был изобретён гибридный электронный прибор – IGBT-транзистор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного. Подробнее о IGBT-транзисторе можно прочесть здесь.

Что такое MOS, MOSFET, МОП транзистор?

Как часто вы слышали название МОП, MOSFET, MOS, полевик, МДП-транзистор, транзистор с изолированным затвором? Да-да… это все слова синонимы и относятся они к одному и тому же радиоэлементу.

Полное название такого радиоэлемента на английский манер звучит как Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFET), что в дословном переводе звучит как Металл Оксид Полупроводник Поле Влияние Транзистор. Если преобразовать на наш могучий русский язык, то получается как полевой транзистор со структурой Металл Оксид Полупроводник или просто МОП-транзистор ;-). Почему МОП-транзистор также называют МДП-транзистором и транзистором с изолированным затвором? С чем это связано? Об этих и других вещах вы узнаете в нашей статье. Не переключайтесь на другую вкладку! 😉

Виды МОП-транзисторов

В семействе МОП-транзисторов в основном выделяют 4 вида:

1) N-канальный с индуцированным каналом

2) P-канальный с индуцированным каналом

3) N-канальный со встроенным каналом

4) P-канальный со встроенным каналом

Как вы могли заметить, разница только в обозначении самого канала. С индуцированным каналом он обозначается штриховой линией, а со встроенным каналом – сплошной.

В современном мире МОП-транзисторы со встроенным каналом используются все реже и реже, поэтому в наших статьям мы их затрагивать не будем, а будем рассматривать только N и P – канальные транзисторы с индуцированным каналом.

Откуда пошло название “МОП”

Начнем наш цикл статей про МОП-транзисторы именно с самого распространенного N-канального МОП-транзистора с индуцированным каналом. Go!

Если взять тонкий-тонкий нож и разрезать МОП-транзистор вдоль, то можно увидеть вот такую картину:

Если рассмотреть с точки зрения еды на вашем столе, то МОП-транзистор будет больше похож на бутерброд. Полупроводник P-типа – толстый кусок хлеба, диэлектрик – тонкий кусок колбасы, а сверху кладем еще слой металла – тонкую пластинку сыра. И у нас получается вот такой бутерброд:

А как будет строение транзистора сверху-вниз? Сыр – металл, колбаса – диэлектрик, хлеб – полупроводник. Следовательно получаем Металл-Диэлектрик-Полупроводник. А если взять первые буквы с каждого названия, то получается МДП – Металл-Диэлектрик-Полупроводник, не так ли? Значит, такой транзистор можно назвать по первым буквам МДП-транзистором ;-). А так как в качестве диэлектрика используется очень тонкий слой оксида кремния (SiO₂), можно сказать что почти стекло, то и вместо названия “диэлектрик” взяли название “оксид, окисел”, и получилось Металл-Окисел-Полупроводник, сокращенно МОП. Ну вот, теперь все встало на свои места 😉

Строение МОП-транзистора

Давайте еще раз рассмотрим структуру нашего МОП-транзистора:

Имеем “кирпич” полупроводникового материала P-проводимости. Как вы помните, основными носителями в полупроводнике P-типа являются дырки, поэтому их концентрация в данном материале намного больше, чем электронов. Но электроны тоже есть в P-полупроводнике. Как вы помните, электроны в P-полупроводнике – это неосновные носители и их концентрация очень мала, по сравнению с дырками. “Кирпич” P-полупроводника носит название Подложки. Она является основой МОП-транзистора, так как на ней создаются другие слои. От подложки выходит вывод с таким же названием.

Другие слои – это материал N+ типа, диэлектрик, металл. Почему N+, а не просто N? Дело в том, что этот материал сильно легирован, то есть концентрация электронов в этом полупроводнике очень большая. От полупроводников N+ типа, которые располагаются по краям, отходят два вывода: Исток и Сток.

Между Истоком и Стоком через диэлектрик располагается металлическая пластинка, от который идет вывод и называется Затвором. Между Затвором и другими выводами нет никакой электрической связи. Затвор вообще изолирован от всех выводов транзистора, поэтому МОП-транзистор также называют транзистором с изолированным затвором.

Подложка МОП-транзистора

Итак, смотря на рисунок выше, мы видим, что МОП-транзистор на схеме имеет 4 вывода (Исток, Сток, Затвор, Подложка), а в реальности только 3. В чем прикол? Дело все в том, что Подложку обычно соединяют с Истоком. Иногда это уже делается в самом транзисторе еще на этапе разработки. В результате того, что Исток соединен с Подложкой, у нас образуется диод между Стоком и Истоком, который иногда даже не указывается в схемах, но всегда присутствует:

Поэтому, требуется соблюдать цоколевку при подключении МОП-транзистора в схему.

Принцип работы МОП-транзистора

Тут все то же самое как и в полевом транзисторе с управляющим PN-переходом. Исток – это вывод, откуда начинают свой путь основные носители заряда, Сток – это вывод, куда они притекают, а Затвор – это вывод, с помощью которого мы контролируем поток основных носителей.

Пусть Затвор у нас пока что никуда не подключен. Для того, чтобы устроить движуху электронов через Исток-Сток, нам потребуется источник питания Bat:

Если рассмотреть наш транзистор с точки зрения P-N переходов и диодов на их основе, то можно нарисовать эквивалентную схемку для нашего рисунка. Она будет выглядеть вот так:

И-исток, П-Подложка, С-Сток.

Как вы видите, диод VD2 включен в обратном направлении, так что электрический ток никуда не потечет.

Значит, в этой схеме

никакой движухи электрического тока не намечается.

Индуцирование канала в МОП-транзисторе

Если подать определенное напряжение на Затвор, в подложке начинаются волшебные превращения. В ней начинает индуцироваться канал.

Индукция, индуцирование – это буквально означает “наведение”, “влияние”. Под этим термином понимают возбуждение в объекте какого-либо свойства или активности в присутствии возбуждающего субъекта (индуктора), но без непосредственного контакта (например, через электрическое поле). Последнее выражение для нас имеет более глубокий смысл: “через электрическое поле”.

Также нам не помешает вспомнить, как ведут себя заряды различных знаков. Те, кто не играл на физике на последней парте в морской бой и не плевал через корпус шариковой ручки бумажными шариками в одноклассниц, тот наверняка вспомнит, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются:

На основе этого принципа еще в начале ХХ века ученые сообразили, где все это можно применить и создали гениальный радиоэлемент. Оказывается, достаточно подать на Затвор положительное напряжение относительно Истока, как сразу под Затвором возникает электрическое поле. А раз подаем на Затвор положительное напряжение, значит он будет заряжаться положительно не так ли?

Так как у нас слой диэлектрика очень тонкий, следовательно, электрическое поле будет также влиять и на подложку, в которой дырок намного больше, чем электронов. А раз и на Затворе положительный потенциал и дырки обладают положительным зарядом, следовательно, одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются. Картина будет выглядеть следующим образом пока что без источника питания между Истоком и Стоком:

Дырки обращаются в бегство подальше от Затвора и поближе к выводу Подложки, так как одноименные заряды отталкиваются, а электроны наоборот пытаются пробиться к металлической пластинке затвора, но им мешает диэлектрик, который не дает им воссоединиться с Затвором и уравнять потенциал до нуля. Поэтому электронам ничего другого не остается, как просто создать вавилонское столпотворение около слоя диэлектрика.

В результате, картина будет выглядеть следующим образом:

Видели да? Исток и Сток соединились тонким каналом из электронов! Говорят, что такой канал индуцировался из-за электрического поля, которое создал Затвор транзистора.

Так как этот канал соединяет Исток и Сток, которые сделаны из N+ полупроводника, следовательно у нас получился N-канал. А такой транзистор уже будет называться N-канальным МОП-транзистором. Если вы читали статью проводники и диэлектрики, то наверняка помните, что в проводнике очень много свободных электронов. Так как Сток и Исток соединились мостиком из большого количества электронов, следовательно этот канал стал проводником для электрического тока. Проще говоря, между Истоком и Стоком образовался “проводок”, по которому может бежать электрический ток.

Получается, если подать напряжение между Стоком и Истоком при индуцированном канале, то мы можем увидеть вот такую картину:

Как вы видите, цепь стает замкнутой и в цепи начинает спокойно протекать электрический ток.

Но это еще не все! Чем сильнее электрическое поле, тем больше концентрация электронов, тем толще получается канал. А как сделать поле сильнее? Достаточно подать побольше напряжения на Затвор 😉 Подавая бОльшее напряжение на Затвор с помощью Bat2, мы увеличиваем толщину канала, а значит и его проводимость! Или простыми словами, мы можем менять сопротивление канала, “играя” напряжением на затворе 😉 Ну гениальнее некуда!

Работа P-канального МОП-транзистора

В нашей статье мы разобрали N-канальный МОП транзистор с индуцированным каналом. Также есть еще и P-канальный МОП-транзистор с индуцированным каналом. P-канальный работает точно также, как и N-канальный, но вся разница в том, что основными носителями будут являться уже дырки. В этом случае все напряжения в схеме меняем на инверсные, в отличие от N-канального транзистора:

На ютубе нашел очень неплохое видео, поясняющее работу полевого МОП-транзистора. Рекомендую к просмотру (не реклама):

Mosfet — что это? Проверка транзисторов

В статье вы узнаете про транзисторы MOSFET, что это, какие схемы включения бывают. Есть тип полевого транзистора, у которого вход электрически изолирован от основного тока несущего канала. И поэтому называется он полевой транзистор с изолированным затвором. Наиболее распространенным типом такого полевого транзистора, который используется во многих типах электронных схем, называется полевой транзистор металл-оксид-полупроводник на основе перехода или же МОП-транзистор (сокращенная аббревиатура этого элемента).

МОП-транзистор представляет собой управляемый напряжением полевой транзистор, который отличается от полевого тем, что он имеет «металл-оксид» электрод затвора, который электрически изолирован от основного полупроводника п-каналом или каналом р-типа с очень тонким слоем изолирующего материала. Как правило, это диоксид кремния (а если проще, то стекло).

полевые, МОП-транзисторы имеют очень высокое входное сопротивление. Может легко накапливать большое количество статического заряда, который приводит к повреждению, если тщательно не защищены цепи.

Отличия МОСФЕТ от полевых транзисторов

Основное отличие от полевых в том, что МОП-транзисторы выпускаются в двух основных формах:

Истощение – транзистор требует напряжения затвор-исток для переключения устройства в положение «Откл». Режим истощения МОП-транзистора эквивалентно «нормально закрытому» переключателю.
Насыщение – транзистор требует напряжения затвор-исток, чтобы включить устройство. Режим усиления МОП-транзистора эквивалентно коммутатору с «нормально замкнутыми» контактами.

Графические обозначения транзисторов на схемах

Линия между соединениями стока и истока представляет собой полупроводниковый канал. Если на схеме, на которой изображены MOSFET транзисторы, она представлена жирной сплошной линией, то элемент работает в режиме истощения. Так как ток из стока может протекать с нулевым потенциалом затвора. Если линия канала показана пунктиром или ломанной, то транзистор работает в режиме насыщения, так как течет ток с нулевым потенциалом затвора. Направление стрелки указывает на проводящий канал, р-типа или полупроводниковый прибор п-типа. Причем отечественные транзисторы обозначаются точно так же, как и зарубежные аналоги.

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:

Положительное напряжение на стоке означает большее количество электронов и тока.
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:

Положительный сигнал транзистор переводит в проводящий режим.
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:

Положительный сигнал переводит транзистор «Выкл».
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.

Усилитель на MOSFET

Так же, как и полевые, транзисторы MOSFET могут быть использованы для изготовления усилителей класса «А». Схемы усилителей с N-канальным МОП-транзистором общего исходного режима усиления, является наиболее популярной. На МОП-транзисторах усилители в режиме обеднения очень похожи на схемы с использованием полевых приборов, за исключением того, что MOSFET (что это, и какие типы бывают, рассмотрено выше) имеет более высокий входной импеданс.

Этот импеданс управляется по входу смещающей резистивной цепью, образованной резисторами R1 и R2. Кроме того, выходной сигнал для общего источника усилителя на транзисторах MOSFET в режиме усиления инвертируется, потому что, когда входное напряжение низкое, то переход транзистора разомкнут. Это можно проверить, имея в арсенале только лишь тестер (цифровой или даже стрелочный). При высоком входном напряжении транзистор во включенном режиме, на выходе напряжение крайне низкое.

Mosfet транзисторы принцип работы — Electrik-Ufa.ru

MOSFET транзисторы

Полевой транзистор с изолированным затвором

Еще одно, довольно распространенное название – МДП (металл – диэлектрик – полупроводник).

Что же это такое MOSFET ?

Внешний вид одного из широко распространённых мосфетов – IRFZ44N.

Принцип работы полевого транзистора.

Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором.

Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором

Основу МДП-транзистора составляет:

Области полупроводника n+. Данные области сильно обогащены свободными электронами (поэтому “+”), что достигается введением примеси в полупроводник. К данным областям подключаются электроды истока и стока.

Теперь в двух словах опишем, как это всё работает.

Об остальных важных параметрах мосфетов я уже рассказывал на страницах сайта.

MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT

Предполагается что в схемах с низким напряжением, низким током, но высокой частотой переключения, предпочтительно использовать полевые транзисторы (MOSFET), а в схемах с высоким напряжением, высоким током, но с низкой частотой – лучше IGBT. Но достаточно ли такой общей классификации? У каждого есть свои дополнительные предпочтения в этом отношении и правда в том, что не существует общего, жесткого стандарта, который позволял бы оценивать параметры данного элемента с точки зрения его использования в импульсных преобразователях. Все зависит от конкретного применения и широкого спектра факторов, таких как частота переключения, размер, стоимость и т. д. Поэтому, вместо того чтобы пытаться решить какой элемент лучше, нужно внимательно изучить различия между этими деталями.

Кратко о MOSFET

MOSFET – это управляемый переключатель с тремя контактами (затвор, сток и исток). Сигнал затвора (управления) подается между затвором и истоком, а контактами переключения являются сток и исток. Сам затвор выполнен из металла и отделен от истока оксидом металла в качестве диэлектрика. Это позволяет снизить энергопотребление и делает этот транзистор отличным выбором для использования в качестве электронного переключателя или усилителя в схеме с общим истоком.

Для правильной работы МОП-транзисторы должны поддерживать положительный температурный коэффициент. Потери во включенном состоянии малы и теоретически сопротивление транзистора в этом состоянии не ограничено – может быть близко к нулю. Кроме того, поскольку МОП-транзисторы могут работать на высоких частотах, они могут работать в устройствах с быстрым переключением и с низкими потерями на переключение.

Существует много различных типов МОП-транзисторов, но наиболее сопоставимыми с IGBT являются мощные MOSFET. Они специально разработаны для работы со значительными уровнями мощности и используются чаще всего только во включенном или выключенном состояниях, что делает их наиболее используемым ключом для низковольтных схем. По сравнению с IGBT, мощные полевые МОП-транзисторы имеют преимущества – более высокую скорость коммутации и более высокую эффективность при работе при низких напряжениях. Более того, такая схема может выдерживать высокое напряжение блокировки и поддерживать высокий ток. Это связано с тем что большинство мощных МОП-структур являются вертикальными (а не плоскими). Номинальное напряжение является прямой функцией легирования и толщины эпитаксиального слоя с примесью N-типа, а ток зависит от ширины канала (чем шире канал, тем выше ток).

Кратко о IGBT

IGBT сочетает в себе простые характеристики управления затвором, как в транзисторе MOSFET, с сильноточным характером биполярного транзистора с низким напряжением насыщения. Это достигается с помощью изолированного полевого транзистора для управляющего входа и биполярного силового транзистора в качестве сильноточного ключа.

Модуль IGBT специально разработан для быстрого включения и выключения. Фактически частота повторения импульсов достигает УЗ диапазона. Эта уникальная способность делает IGBT часто используемыми в усилителях класса D для синтеза сложных сигналов с широтно-импульсной модуляцией и фильтрами нижних частот. Они также используются для генерации импульсов большой мощности в таких областях, как физика элементарных частиц и плазма, а также играют важную роль в современных устройствах – электромобили, электровелосипеды, поезда, холодильники с регулируемой скоростью вращения компрессора, кондиционеры и многое другое.

Сравнение IGBT с MOSFET

MOSFET может переключаться на более высоких частотах, однако есть два ограничения: время переноса электронов в области дрейфа и время, необходимое для зарядки / разрядки входного затвора и его емкости. Тем не менее эти транзисторы, как правило, достигают более высокой частоты переключения, чем модули IGBT.

Подведем итог

МОП-транзистор:

Высокая частота переключения.
Лучшие динамические параметры и более низкое энергопотребление драйвера.
Более низкая емкость затвора.
Более низкое термосопротивление, которое приводит к лучшему рассеиванию мощности.
Более короткое время нарастания и спада, что означает способность работать на более высоких частотах.

IGBT модуль:

Улучшенная технология производства, которая приводит к снижению затрат.
Лучшая устойчивость к перегрузкам.
Улучшенная способность распараллеливания схемы.
Более быстрое и плавное включение и выключение.
Снижение потерь при включении и при переключении.
Снижение входной мощности.

Обсудить статью MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT

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

В статье расскажем что такое МОП-транзистор (MOSFET),
его принцип работы, типы, символ на схеме, различные применения, преимущества и 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 просто 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.

Недостатки МОП-транзистора

Тонкий оксидный слой делает МОП-транзисторы уязвимыми для постоянного повреждения, вызванного электростатическими зарядами.
Напряжение перегрузки делает его нестабильным.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Транзисторы: схема, принцип работы, чем отличаются биполярные и полевые

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

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

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

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

Биполярные транзисторы

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

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

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

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

NPN и PNP

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

NPN более эффективны и распространены в промышленности.

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

Полевые транзисторы

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

Полевые транзисторы обладают тремя контактами:

N-Channel и P-Channel

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

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

Подключение транзисторов для управления мощными компонентами

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Полевой транзистор

Часть 2. Полевой транзистор с изолированным затвором MOSFET

Полевой транзистор с изолированным затвором – это транзистор, затвор которого электрически изолирован от проводящего канала полупроводника слоем диэлектрика. Благодаря этому, у транзистора очень высокое входное сопротивление (у некоторых моделей оно достигает 10 17 Ом).

Принцип работы этого типа полевого транзистора, как и полевого транзистора с управляющим PN-переходом, основан на влиянии внешнего электрического поля на проводимость прибора.

В соответствии со своей физической структурой, полевой транзистор с изолированным затвором носит название МОП-транзистор (Металл-Оксид-Полупроводник), или МДП-транзистор (Металл-Диэлектрик-Полупроводник). Международное название прибора – MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor).

МДП-транзисторы делятся на два типа – со встроенным каналом и с индуцированным каналом. В каждом из типов есть транзисторы с N–каналом и P-каналом.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом.

На основании (подложке) полупроводника с электропроводностью P-типа (для транзистора с N-каналом) созданы две зоны с повышенной электропроводностью N + -типа. Все это покрывается тонким слоем диэлектрика, обычно диоксида кремния SiO₂. Сквозь диэлектрический слой проходят металлические выводы от областей N + -типа, называемые стоком и истоком. Над диэлектриком находится металлический слой затвора. Иногда от подложки также идет вывод, который закорачивают с истоком

Работа МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом N-типа.

Подключим напряжение любой полярности между стоком и истоком. В этом случае электрический ток не пойдет, поскольку между зонами N + находиться область P, не пропускающая электроны. Далее, если подать на затвор положительное напряжение относительно истока U_зи, возникнет электрическое поле. Оно будет выталкивать положительные ионы (дырки) из зоны P в сторону подложки. В результате под затвором концентрация дырок начнет уменьшаться, и их место займут электроны, притягиваемые положительным напряжением на затворе.

Когда U_зи достигнет своего порогового значения, концентрация электронов в области затвора превысит концентрацию дырок. Между стоком и истоком сформируется тонкий канал с электропроводностью N-типа, по которому пойдет ток I_си. Чем выше напряжение на затворе транзистора U_зи, тем шире канал и, следовательно, больше сила тока. Такой режим работы полевого транзистора называется режимом обогащения.

Принцип работы МДП-транзистора с каналом P–типа такой же, только на затвор нужно подавать отрицательное напряжение относительно истока.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора с индуцированным каналом.

ВАХ полевого транзистора с изолированным затвором похожи на ВАХ полевого транзистора с управляющим PN-переходом. Как видно на графике а), вначале ток I_си растет прямопропорционально росту напряжения U_си. Этот участок называют омическая область (действует закон Ома), или область насыщения (канал транзистора насыщается носителями заряда ). Потом, когда канал расширяется почти до максимума, ток I_си практически не растет. Этот участок называют активная область.

Когда U_си превышает определенное пороговое значение (напряжение пробоя PN-перехода), структура полупроводника разрушается, и транзистор превращается в обычный проводник. Данный процесс не восстановим, и прибор приходит в негодность.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом.

Физическое устройство МДП-транзистора со встроенным каналом отличается от типа с индуцированным каналом наличием между стоком и истоком проводящего канала.

Работа МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом N-типа.

Подключим к транзистору напряжение между стоком и истоком Uси любой полярности. Оставим затвор отключенным (U_зи = 0). В результате через канал пойдет ток I_си, представляющий собой поток электронов.

Далее, подключим к затвору отрицательное напряжение относительно истока. В канале возникнет поперечное электрическое поле, которое начнет выталкивать электроны из зоны канала в сторону подложки. Количество электронов в канале уменьшиться, его сопротивление увеличится, и ток I_си уменьшиться. При повышении отрицательного напряжения на затворе, уменьшается сила тока. Такое состояние работы транзистора называется режимом обеднения.

Если подключить к затвору положительное напряжение, возникшее электрическое поле будет притягивать электроны из областей стока, истока и подложки. Канал расшириться, его проводимость повыситься, и ток I_си увеличиться. Транзистор войдет в режим обогащения.

Как мы видим, МДП-транзистор со встроенным каналом способен работать в двух режимах — в режиме обеднения и в режиме обогащения.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора со встроенным каналом.

Преимущества и недостатки полевых транзисторов перед биполярными.

Полевые транзисторы практически вытеснили биполярные в ряде применений. Самое широкое распространение они получили в интегральных схемах в качестве ключей (электронных переключателей)

Главные преимущества полевых транзисторов

Благодаря очень высокому входному сопротивлению, цепь полевых транзисторов расходует крайне мало энергии, так как практически не потребляет входного тока.
Усиление по току у полевых транзисторов намного выше, чем у биполярных.
Значительно выше помехоустойчивость и надежность работы, поскольку из-за отсутствия тока через затвор транзистора, управляющая цепь со стороны затвора изолирована от выходной цепи со стороны стока и истока.
У полевых транзисторов на порядок выше скорость перехода между состояниями проводимости и непроводимости тока. Поэтому они могут работать на более высоких частотах, чем биполярные.

Главные недостатки полевых транзисторов

У полевых транзисторов большее падение напряжения из-за высокого сопротивления между стоком и истоком, когда прибор находится в открытом состоянии.
Структура полевых транзисторов начинает разрушаться при меньшей температуре (150С), чем структура биполярных транзисторов (200С).
Несмотря на то, что полевые транзисторы потребляют намного меньше энергии, по сравнению с биполярными транзисторами, при работе на высоких частотах ситуация кардинально меняется. На частотах выше, примерно, чем 1.5 GHz, потребление энергии у МОП-транзисторов начинает возрастать по экспоненте. Поэтому скорость процессоров перестала так стремительно расти, и их производители перешли на стратегию «многоядерности».

При изготовлении мощных МОП-транзисторов, в их структуре возникает «паразитный» биполярный транзистор. Для того, чтобы нейтрализовать его влияние, подложку закорачивают с истоком. Это эквивалентно закорачиванию базы и эмиттера паразитного транзистора. В результате напряжение между базой и эмиттером биполярного транзистора никогда на достигнет необходимого, чтобы он открылся (около 0.6В необходимо, чтобы PN-переход внутри прибора начал проводить).

Однако, при быстром скачке напряжения между стоком и истоком полевого транзистора, паразитный транзистор может случайно открыться, в результате чего, вся схема может выйти из строя.

Важнейшим недостатком полевых транзисторов является их чувствительность к статическому электричеству. Поскольку изоляционный слой диэлектрика на затворе чрезвычайно тонкий, иногда даже относительно невысокого напряжения бывает достаточно, чтоб его разрушить. А разряды статического электричества, присутствующего практически в каждой среде, могут достигать несколько тысяч вольт.

Поэтому внешние корпуса полевых транзисторов стараются создавать таким образом, чтоб минимизировать возможность возникновения нежелательного напряжения между электродами прибора. Одним из таких методов является закорачивание истока с подложкой и их заземление. Также в некоторых моделях используют специально встроенный диод между стоком и истоком. При работе с интегральными схемами (чипами), состоящими преимущественно из полевых транзисторов, желательно использовать заземленные антистатические браслеты. При транспортировке интегральных схем используют вакуумные антистатические упаковки

В чем разница между MOSFET и BJT?

ОСНОВНЫЕ ЗНАНИЯ — MOSFET VS. BJT В чем разница между MOSFET и BJT?

27.02.2020 Автор / Редактор: Люк Джеймс / Erika Granath

Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) и биполярный переходный транзистор (BJT) — это два типа транзисторов, которые выпускаются в различных корпусах, и тем, кто не знаком с электроникой, часто сложно решить, какой из них следует использовать. в своих проектах.

Связанные компании

Хотя и MOSFET, и BJT являются транзисторами, они работают по-разному и ведут себя по-разному.

(Источник: Юрий Захачевский)

Хотя и полевой МОП-транзистор, и биполярный транзистор являются транзисторами, они работают по-разному и ведут себя по-разному, поэтому используются по-разному.

Что такое полевой МОП-транзистор?

Рисунок 1: Структура полевого МОП-транзистора.

(Источник: Electronic Tutorials)

Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) — это разновидность полевого транзистора (FET) , который состоит из трех выводов — затвора, истока и стока. В полевом МОП-транзисторе сток управляется напряжением на выводе затвора, поэтому полевой МОП-транзистор является устройством, управляемым напряжением. Напряжение, приложенное к затвору, определяет, сколько тока течет в сток. MOSFET доступны двух типов: « p-channel » и « n-channel ».Оба эти типа могут быть либо в режиме увеличения, либо в режиме истощения (см. Рисунок 1). Это означает, что всего существует четыре различных типа полевых МОП-транзисторов.

В полевых МОП-транзисторах с каналом p-типа выводы истока и стока выполнены из полупроводника p-типа. Аналогичным образом, в n-канальных полевых МОП-транзисторах выводы истока и стока сделаны из полупроводника n-типа. Сам вывод затвора сделан из металла и отделяется от выводов истока и стока с помощью оксида металла. Такой уровень изоляции обеспечивает низкое энергопотребление и является основным преимуществом транзисторов этого типа.Часто полевые МОП-транзисторы используются в маломощных устройствах или в качестве строительных блоков для снижения энергопотребления.

Режим истощения: Когда напряжение на клемме затвора низкое, канал демонстрирует максимальную проводимость. Поскольку напряжение на зажимах затвора является положительным или отрицательным, проводимость канала снижается.

Режим улучшения: , когда напряжение на выводе затвора низкое, устройство не проводит ток, если на вывод затвора не подается большее напряжение.

Что такое BJT?

Биполярный переходной транзистор (BJT) — это устройство, управляемое током (в отличие от MOSFET, управляемое напряжением), которое, среди прочего, широко используется в качестве усилителя, генератора или переключателя.Биполярный транзистор имеет три контакта — базу, коллектор и эмиттер — и два перехода: p-переход и n-переход.

Существует два типа BJT — PNP и NPN . Каждый тип имеет большой коллекторный элемент и большой эмиттерный элемент, которые легированы одинаковым образом. Между этими структурами находится небольшой слой другого легирующего агента, называемого «основой». Ток течет в коллекторе PNP и выходит из эмиттера. В NPN полярность противоположная, и ток течет в эмиттере и выходит из коллектора.В любом случае направление тока в базе такое же, как и на коллекторе.

Рисунок 2: Принцип работы BJT.

(Источник: Electronic Tutorials)

По сути, работа BJT-транзистора определяется током на его базовом выводе. Например, небольшой базовый ток равен небольшому току коллектора. Выходной ток BJT всегда равен входному току, умноженному на коэффициент, известный как «усиление», обычно в 10-20 раз превышающий базовый ток.

MOSFET vs BJT: в чем разница?

Рисунок 3: Разница между BJT и MOSFET.

(Источник: Electronic Tutorials)

Между MOSFET и BJT есть много различий.

MOSFET (управляемый напряжением) представляет собой металлооксидный полупроводник, тогда как BJT (управляемый током) представляет собой транзистор с биполярным переходом.

Хотя оба терминала имеют по три терминала, они отличаются.MOSFET имеет исток, сток и затвор, тогда как BJT имеет базу, эмиттер и коллектор.

МОП-транзисторы идеально подходят для приложений с высокой мощностью, тогда как BJT чаще используются в приложениях с низким током.

BJT зависит от тока на его базовом выводе, тогда как MOSFET зависит от напряжения на электроде затвора с оксидной изоляцией.

Структура MOSFET по своей природе более сложна, чем структура BJT.

Что лучше?

И MOSFET, и BJT имеют уникальные характеристики, а также свои плюсы и минусы.К сожалению, мы не можем сказать, что «лучше», потому что вопрос очень субъективен. На этот вопрос нет однозначного и однозначного ответа.

При выборе того, что использовать в проекте, необходимо учитывать множество различных факторов, чтобы прийти к решению. Сюда входят уровень мощности , напряжение привода, эффективность, стоимость и скорость переключения, среди прочего — вот где действительно полезно знать ваш проект!

Как правило, полевые МОП-транзисторы более эффективны в источниках питания.В устройстве с батарейным питанием, где нагрузка переменная, а источник питания ограничен, например, использование BJT было бы плохой идеей. Однако, если BJT используется для питания чего-то с предсказуемым потреблением тока (например, светодиодов), тогда это будет хорошо, потому что ток база-эмиттер может быть установлен на долю тока светодиода для повышения эффективности.

(ID: 46385462)

Физические свойства полевого МОП-транзистора

В 1949 году любому компьютеру требовалось более 70 часов, чтобы вычислить значение PI до 2037 цифр, теперь ваш смартфон может сделать то же самое менее чем за полсекунды.Это достижение приписывают транзистору, или, точнее, транзистору MOSFET. Но как это работает? [https://www.patreon.com/LearnEngineering].

МОП-транзистор

Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) — это переключатель с электронным управлением, который позволяет и предотвращает прохождение тока без каких-либо механических движущихся частей. Он имеет три терминала: исток, сток и затвор.

Источник

Как и другие транзисторы, такие как BJT, MOSFET изготовлен из полупроводникового материала, чаще всего из кремния.Полупроводник имеет очень низкую электропроводность (в чистом виде), но когда вы вводите примесь, проводимость резко возрастает. Добавление примеси называется легированием . Чтобы понять, почему необходимо легирование, нам нужно взглянуть на структуру решетки кремния.

Источник

Чистый кремний не имеет свободных электронов, поэтому он имеет очень низкую проводимость. Вводя легирующую добавку n-типа или p-типа, мы вводим материал, в котором либо несколько электронов слишком много, либо несколько электронов отсутствует — это называется дырками .При легировании n-типа ток течет из-за потока электронов, в то время как при легировании p-типа ток течет из-за потока положительно заряженных дырок. Когда мы говорим о легировании n-типа и p-типа, мы на самом деле имеем в виду n-тип или p-тип , канал , что мы немного объясним. В заключение, легирование кремниевой подложки приводит к потоку электронов (или дырок) в решетке, поэтому вы получаете более высокую проводимость. [https://www.computerhistory.org/siliconengine/metal-oxide-semiconductor-mos-transistor-demonstrated/]] [https://en.wikipedia.org/wiki/MOSFET]

Источник

Итак, как именно сделать полевой МОП-транзистор, как на картинке ниже, и как он работает?

Источник

Создание полевого МОП-транзистора

Перво-наперво. MOSFET состоит из кремниевой пластины и осаждения пленки диоксида кремния, а затем пленки нитрида кремния. После этого поверх пленок наносится покрытие из фоторезиста, и ультрафиолетовый свет попадает на фоторезист в виде определенного рисунка.

Затем покрытие проявляется путем равномерного нанесения жидкого проявителя на фоторезист.Облученные УФ-светом участки становятся растворимыми в случае фоторезиста p-типа, а неэкспонированные участки становятся растворимыми в случае фоторезиста n-типа. Растворимые области, подвергшиеся воздействию УФ-излучения, затем вытравливаются, а затем фоторезист очищается.

Затем на подложку наносится диэлектрическая пленка. Затем неровная поверхность осажденной пленки полируется и выравнивается. Затем пришло время создать затвор , путем нанесения оксидной пленки с последующей обработкой азотированием поверхности.Наконец, затем наносится слой электрода затвора.

Затем шаблон реализуется на слое электрода затвора для создания области истока и стока. Легированные примеси равномерно распределяются в области истока и стока. Наконец, осаждается оксидная пленка с образованием интерметаллической диэлектрической пленки, а поверхность полируется и выравнивается.

Наконец, сделаны контактные отверстия и заполнены металлом. Далее выполняется нанесение рисунка и травление для создания контактов истока, стока и затвора в подключенной части вашей схемы.

Все изображения взяты с https://www.tel.com/museum/exhibition/process/process2.html.

Как это работает

Как упоминалось в начале этого поста, основная цель полевого МОП-транзистора — управлять током от истока к стоку. Если на затворе нет потенциала напряжения, не будет тока, потому что между двумя областями n-типа нет проводников тока. Но если на затворе есть положительный потенциал напряжения, то создается положительное электрическое поле, которое притягивает электроны в верхнем p-слое и отталкивает дырки.Эти электроны образуют n-канал , который может переносить электроны от истока к стоку. Повышая потенциал напряжения на затворе, будет более сильное электрическое поле и, следовательно, больший n-канал. это приводит к увеличению тока между истоком и стоком.

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=tz62t-q_KEc

Сводка

Итак, вот и все, чудеса теории полупроводников принесли нам одно из самых важных устройств в истории электротехники.Ни один другой человеческий артефакт не был изготовлен в большем количестве, чем MOSFET [https://studylib.net/doc/9569267/history-of-the-mosfet]. Это краеугольный камень наших электрических устройств.

М. Фишетти, 2 октября 2009 г.

MOSFETS — МОП полевые транзисторы

В Разделе 10-3 мы рассматриваем полевые МОП-транзисторы. MOSFET — это аббревиатура от Metallic-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor. Разве это не полный рот? MOSFET изготавливается иначе и работает иначе, чем JFET, но имеет некоторые сходства.Есть два класса полевых МОП-транзисторов. Есть режим истощения и есть режим улучшения. Каждый класс доступен как n- или p-канал, что дает в общей сложности четыре типа полевых МОП-транзисторов. Режим истощения обозначается буквой N или P, а режим улучшения — буквой N или P. У нас есть четыре разных типа полевых МОП-транзисторов.

МОП полевые транзисторы: режим истощения

В первую очередь мы рассмотрим MOSFET в режиме истощения. Обратите внимание, непрерывный канал из материала n-типа между истоком и стоком.Вы заметите, что здесь источник, вот сток, и у нас есть непрерывный канал из материала n-типа. Напряжение, приложенное к истоку и стоку, вызовет ток. Мы прикладываем напряжение между истоком и стоком, у нас будет протекать ток. Канал действует как резистор. Это очень похоже на то, что мы видели в JFET. Отрицательное напряжение снизит ток. Мы ставим здесь отрицательное напряжение, оно будет увеличивать сопротивление канала n-типа и уменьшать ток.Более положительное напряжение приведет к уменьшению сопротивления канала и пропусканию большого тока.

Затвор соединен с алюминием, который изолирован от канала тонким слоем диоксида кремния. Вот и наши ворота. В этом мы сильно отличаемся от полевого транзистора тем, что здесь действительно металл. Это алюминий. Алюминий изолирован от канала куском диоксида кремния. Что это будет делать, так это отсутствие электрического соединения между затвором и материалом n-типа, потому что у нас есть изолятор между ними, но мы сможем индуцировать электронное поле через материал.Нет связи между затвором и истоком и стоком.

Три слоя привели к названию устройства, следовательно, у нас есть металл, металл, оксид, оксид, полупроводники, полупроводники. Эти три слоя привели к названию устройства. Здесь у нас есть собственно схематический символ. У нас есть вентиль, сток и исток, и их обычно соединяют по три. Однако есть вариант для четвертого подключения, и это будет здесь. Это добавляет дополнительный контроль. Наша главная забота будет связана с тремя связями.

Это р-тип. Это то же самое, что и N, за исключением разворота материала. Линия со стрелкой также указывает на соединение между истоком и стоком прямо здесь. Опять же, то же самое, за исключением того, что материалы были перевернуты.

МОП-транзистор в режиме истощения, в МОП-транзисторе в режиме истощения между выводами истока и стока имеется непрерывный канал или материал n-типа. При подаче напряжения ток может легко течь между клеммами. Металлический затвор полевого МОП-транзистора изолирован от подложки слоем диоксида кремния.

МОП-транзистор с расширенным режимом работы

МОП-транзисторы с расширенным режимом, выводы истока и стока подключаются к сильно легированному кремнию n-типа в n-канальном МОП-транзисторе с расширенным режимом. Вот и источник. Вот и сток. Они связаны с сильно легированным материалом n-типа. Область между истоком и стоком состоит из слаболегированного материала p-типа. Между истоком и стоком нет непрерывного канала, как у полевых транзисторов JFET и в режиме истощения.Помните, что это режим улучшения, в этом и заключается основная разница.

Для протекания тока необходимо подать напряжение затвора правильной полярности. Нам понадобится напряжение затвора для протекания тока, и мы рассмотрим это на нескольких слайдах. Пунктирная линия в условном обозначении указывает на отсутствие непрерывного пути от истока к сливу. Когда вы посмотрите на схематический символ полевого МОП-транзистора электронного режима, вы заметите, что обычно у вас здесь будет непрерывная линия, как мы это делали с полевыми транзисторами и режимом истощения.Здесь он нарушен и нарушен, потому что это не непрерывный канал.

Смещение и работа полевого МОП-транзистора

Сопротивление канала в полевом транзисторе зависит от легирования и физических размеров материала. В полевом МОП-транзисторе эффективный уровень легирования изменяется смещением. Мы собираемся рассмотреть смещение в режимах истощения и улучшения. Начнем с режима истощения.

Если внешний источник постоянного тока подключен между истоком и стоком полевого МОП-транзистора в режиме истощения, измеряемый ток будет течь, обратите внимание на это, в зависимости от значения сопротивления канала.Что мы говорим? Здесь исток, здесь сток, а здесь через резистор подается напряжение. У нас будет ток через канал. Теперь величина протекающего тока будет зависеть от сопротивления канала. Мы обнаружим, что это будет по-разному.

Если сделать затвор более положительным, чем у истока, произойдет увеличение тока стока. Сделав ворота более позитивными, чем источник, хорошо. Вот и наш источник напряжения.В MOSFET происходит кое-что интересное. Обратите внимание, что здесь находится металлический материал. Он отделен от материала n-типа изолирующим диоксидом кремния. Затем у нас есть материал n-типа. Ну, это действует как емкость. По сути, диоксид кремния представляет собой диэлектрический материал, причем металл здесь является одной стороной конденсатора, а материал n-типа — другой стороной. Когда мы подаем здесь положительное напряжение, на этой стороне будет положительный заряд.У нас будет негатив с этой стороны. Отрицательный здесь будет представлять свободные электроны, и для этого потребуется материал n-типа, добавляющий гораздо больше свободных электронов. Это будет сильно легированный материал n-типа, он будет легко проводить ток и будет иметь очень небольшое сопротивление току.

Во втором сценарии, если затвор сделан более отрицательным, чем источник, легирование канала эффективно уменьшается, замедляя прохождение тока. Эта картинка такая же, как эта, за исключением того, что мы изменили смещение на затворе.Теперь мы подаем отрицательное напряжение на затвор. Мы имеем тот же эффект емкости, за исключением того, что теперь электроны находятся на верхней пластине. У нас внизу положительный заряд. Это эффективно снижает уровень легирования в материале n-типа. В зависимости от величины отрицательного напряжения, оно становится очень резистивным и препятствует прохождению тока.

В режиме истощения MOSFET заряд этого конденсатора в конечном итоге определяет, какой ток будет проходить через канал.Теперь, в полевом МОП-транзисторе в режиме улучшения, когда прикладывается положительное напряжение затвора, емкость затвора заряжается до значения напряжения затвор-исток. Теперь помните, на самом деле на этом чертеже этот материал n-типа не является непрерывным, это примерно так прямо здесь. Опять же, мы помещаем положительное напряжение. Опять же, это явление емкости. Здесь у нас есть положительный заряд на верхней пластине, если это положительное напряжение. Тогда у нас есть отрицательный заряд. Отрицательного заряда здесь нет в материале p-типа.На самом деле отрицательный заряд находится прямо по краю диоксида кремния. Это формирует то, что называется слоем инверсии n-типа. Это не совсем материал n-типа, но его называют инверсионным слоем n-типа. Этот тонкий слой расположен прямо по краю кремния, и в нем будет много электронов. Что в конечном итоге произойдет, так это то, что это заставит ток течь по краю этого диоксида кремния, и у нас будет ток. То есть с положительным напряжением на затворе.

Когда мы делаем прямо противоположное, опять же, это то же самое, за исключением того, что теперь у нас здесь отрицательное напряжение. Емкость, опять же, заряд, отрицательный, электроны будут сверху. Положительный заряд будет внизу. Это эффективно отключит текущий поток. Текущего потока не будет, потому что в этой точке нет пути. Нет инверсионного слоя n-типа, поэтому у нас есть этот положительный материал и материал p-типа, и мы отключим ток. Сейчас есть неполный канал, и он будет отключен.

Представлены полевые МОП-транзисторы в режиме истощения и улучшения. Мы также рассмотрели смещение обоих устройств.

Видеолекции, созданные Тимом Фигенбаумом в Общественном колледже Северного Сиэтла.

MOSFET Металлооксидно-полупроводниковый полевой транзистор »Электроника

MOSFET, полевой транзистор с металлическим оксидом и полупроводником или полевой транзистор имеет оксидную пленку между затвором и каналом для увеличения входного импеданса и уменьшения общего тока цепи.

FET, Полевой транзистор, Учебное пособие включает:
Основы полевых транзисторов Характеристики полевого транзистора JFET МОП-транзистор МОП-транзистор с двойным затвором Силовой МОП-транзистор MESFET / GaAs полевой транзистор HEMT & PHEMT Технология FinFET

MOSFET или металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор — это форма полевого транзистора, которая обеспечивает чрезвычайно высокий входной импеданс.

Вход затвора имеет оксидный слой, изолирующий его от канала, и в результате его входное сопротивление составляет очень много МОм.

МОП-транзистор имеет ряд характеристик, отличных от полевого транзистора с переходом, и, как результат, его можно использовать в различных областях, и он способен обеспечить отличные характеристики.

Одна конкретная область, где используется технология MOSFET, — это логические интегральные схемы CMOS. Чрезвычайно высокий входной импеданс означает, что эти схемы могут потреблять очень низкие уровни мощности, а это означает, что могут быть достигнуты высокие уровни интеграции.

Типичный дискретный полевой МОП-транзистор в пластиковом корпусе

МОП-транзистор разработки

Концепция полевого МОП-транзистора была известна много лет, но они стали важными только в середине-конце 1960-х годов.

Одна из основных проблем, с которыми столкнулись первые полевые МОП-транзисторы, была связана с разработкой изолирующих оксидных слоев. Проблемы были преодолены только по мере совершенствования полупроводниковых материалов и технологий обработки. В результате в конце 1960-х годов технология MOSFET получила более широкое распространение.

В настоящее время технология MOSFET — одна из наиболее широко используемых полупроводниковых технологий, ставшая одним из основных элементов в технологии интегральных схем.

Обозначение схемы полевого МОП-транзистора

Существует множество различных символов схем, используемых для полевых МОП-транзисторов.Принимая во внимание различное разнообразие используемых стандартов, наряду с различными типами полевых МОП-транзисторов, можно увидеть множество различных символов схем полевых МОП-транзисторов.

Обозначения схемы МОП-транзистора

Примечания к условному обозначению схемы МОП-транзистора:

Обозначение схемы базового полевого МОП-транзистора (показано крайним слева) указывает на то, что устройство имеет объемную подложку — на это указывает стрелка в центральной области подложки.
Обозначения схемы полевого МОП-транзистора, показанные в центре и помеченные как «улучшение без объемного полупроводника», действительны и используются одинаково часто.Они указывают на усовершенствованный MOSFET, в котором нет объемного полупроводника.
МОП-транзисторы в режиме истощения обычно обозначаются, как показано в самой правой части.

Отображаются символы схемы MOSFET как для P-канального, так и для N-канального типа. Сток показан вверху, как обычно, так, как они видны на принципиальных схемах.

Основные параметры MOSFET

Прежде чем рассматривать работу полевого МОП-транзистора, стоит подытожить некоторые ключевые особенности, связанные с технологией полевого МОП-транзистора.

Основные характеристики полевого МОП-транзистора
Элемент	Детали
Конструкция ворот	Затвор физически изолирован от канала оксидным слоем. Напряжения, приложенные к затвору, регулируют проводимость канала в результате электрического поля, индуцированного емкостным образом через изолирующий диэлектрический слой.
Н / П канал	Доступны варианты с N-каналом и P-каналом
Улучшение / истощение	Доступны как улучшения, так и истощение.Как следует из названия, полевой МОП-транзистор в режиме истощения действует, истощая или удаляя несущие тока из канала, тогда как тип улучшения увеличивает количество несущих в соответствии с напряжением затвора.

МОП-транзисторы можно охарактеризовать как N-канал и P-канал. У каждого разные характеристики:

Сравнение основных характеристик N-канальных и P-канальных полевых МОП-транзисторов
Параметр	N-канал	P-канал
Материал истока / стока	Тип N	Тип P
Материал канала	Тип P	Тип N
Пороговое напряжение В _th	отрицательный	допинг зависимый
Материал основания	Тип P	Тип P
Носители инверсионного слоя	Электронов	отверстия

Работа полевого МОП-транзистора: как работает полевой МОП-транзистор

Как и в других формах полевого транзистора, ток, протекающий в канале полевого МОП-транзистора, регулируется напряжением на затворе.Таким образом, полевые МОП-транзисторы широко используются в таких приложениях, как переключатели, а также усилители. Они также могут потреблять очень низкие уровни тока и в результате широко используются в микропроцессорах, логических интегральных схемах и т.п. В интегральных схемах CMOS используется технология MOSFET.

Примечание: Принимая во внимание структуру полевого МОП-транзистора — его затвор изолирован от канала тонким оксидным слоем, и это означает, что он может быть поврежден статическим электричеством, если с ним обращаться неправильно или схема не защищать его должным образом.

Также, как и другие формы полевого транзистора, полевой МОП-транзистор доступен в вариантах режима истощения и режима улучшения. Режим улучшения — это то, что можно назвать нормально выключенным, то есть когда напряжение затвора затвора V _GS равно нулю и для его включения требуется напряжение затвора, тогда как в другой форме устройства режима удаления обычно включены, когда V _GS равен нулю.

В основном MOSFET могут работать в трех регионах:

Структура полевого МОП-транзистора

Как уже говорилось, ключевым фактором полевого МОП-транзистора является тот факт, что затвор изолирован от канала тонким оксидным слоем.Это составляет один из ключевых элементов его структуры.

Для N-канального устройства ток переносится электронами, и на диаграмме ниже можно увидеть, что сток и исток сформированы с использованием областей N +, которые обеспечивают хорошую проводимость для этих областей.

В некоторых структурах области N + формируются с помощью ионной имплантации после формирования области затвора. Таким образом они выравниваются по воротам.

Перекрытие между затвором и истоком и затвором для стока необходимо для обеспечения непрерывного канала.Кроме того, устройство часто бывает симметричным, поэтому исток и сток можно поменять местами. В некоторых моделях с большей мощностью это может быть не всегда.

Структура полевого МОП-транзистора с N-каналом

Из схемы видно, что подложка имеет противоположный тип канала, то есть P-тип, а не N-тип и т. Д. Это сделано для достижения изоляции истока и стока.

Оксид над каналом обычно выращивают термически, поскольку это обеспечивает хорошее взаимодействие с подложкой, а наиболее распространенным материалом затвора является поликремний, хотя можно использовать некоторые металлы и силициды.

Режим истощения имеет несколько иную структуру. Для этого внутри подложки создается отдельный канал N-типа.

Структура MOSFET в режиме обеднения с N-каналом.

FET-транзисторы с P-каналом не так широко используются. Основная причина этого заключается в том, что дырки не обладают такой высокой подвижностью, как электроны, и поэтому производительность не так высока. Однако они часто требуются для использования в дополнительных схемах, и в основном по этой причине они производятся или встраиваются в ИС.

Полевые МОП-транзисторы

, вероятно, являются наиболее широко используемым активным устройством. Поскольку они появляются в CMOS и других технологиях интегральных схем, где они обеспечивают работу с очень низким энергопотреблением — требование для очень крупномасштабной интеграции, в противном случае потребление энергии было бы слишком высоким.

Они не только используются в технологии ИС, но также используются в качестве дискретных компонентов, где они могут предложить очень высокие уровни входного импеданса, а также работу с низким уровнем шума в генераторах, усилителях и многих других схемах.

Другие электронные компоненты: Резисторы
Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы ВЧ разъемы Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты». . .

MOSFET ＜ Общие сведения о характеристиках MOSFET ＞ | Основы электроники

Паразитная емкость и температурные характеристики полевого МОП-транзистора

Паразитная емкость

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

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

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

Как правило, все 3 емкости (C _iss, C _oss, C _rss), перечисленные в таблице 1, включены в спецификации MOSFET.

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

Температурные характеристики

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

Характеристики переключения и температуры полевого МОП-транзистора

Что такое время переключения MOSFET?

МОП-транзистор будет включаться или выключаться после включения / выключения напряжения затвора. Время между включением и выключением называется временем переключения. Различные времена переключения перечислены в таблице 1 ниже. Обычно указываются t _{d (on)}, t _F, t _{d (off)} и t _r.ROHM определяет типичные значения, используя схему измерения, подобную показанной на рисунке 2.

Температурные характеристики

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

V

_GS порог: V _{GS (th)}

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

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

Таблица 1: Электрические характеристики

I

_D -V _GS и температурные характеристики

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

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

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

Страница продукта

МОП-транзисторы К странице продукта

MOSFET

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

Как выбрать полевой МОП-транзистор

Полевые транзисторы типа МОП (металл-оксид-полупроводник) или МОП-транзисторы являются предпочтительным полупроводником для обычных высоковольтных и сильноточных коммутационных устройств, управляемых напряжением.Они стали намного более популярными, чем их предшественник, управляемый током, BJT (Bipolar Junction Transistor). На противоположном конце спектра коммутации полевые МОП-транзисторы с логическим уровнем преобладают в конструкции процессоров и других малосигнальных устройств, в основном из-за их большей эффективности и возможности высокоскоростной коммутации.

Внутренняя работа MOSFET явно отличается от BJT с точки зрения конфигурации, но по-прежнему используются N- и P-переходы с каналами обогащения или истощения, где возникает проводимость.Для объяснения конструкции и работы полевых МОП-транзисторов в целом просмотрите статью Digi-Key Electronics на eewiki.

Существует множество проектов макетов микроконтроллеров или печатных плат, которые определяют логику TTL с использованием транзисторов BJT, таких как популярные 2N3904 (NPN) или 2N3906 (PNP). Они действительно хорошо работают с предварительным смещением базы или без него, но менее эффективны и в некоторых случаях имеют более медленное время отклика, чем их аналоги CMOS.

Независимо от того, используется ли логика 3,3 В или 5 В, между этими напряжениями и землей существуют пороговые значения, которые определяют, какое логически высокое или низкое.Также существует потребность в диапазоне напряжений между высоким и низким, который действует как буфер, часто называемый «недопустимой» областью, который гарантирует, что точка перехода между твердым максимумом и твердым минимумом не будет слишком резкой, что может привести к при непредсказуемом выходе (рисунок 1).

Параметры, которые следует учитывать при выборе логического уровня N-канального полевого МОП-транзистора

Пороговое напряжение затвор-исток — Vgs (th) (min) и Vgs (th) (max): Напряжение затвора, равное или ниже минимального порогового значения, выключает MOSFET.Общие минимальные напряжения затвора для логики 5 В могут находиться в диапазоне от 0,5 В до 1 В. Напряжения затвора выше максимального порогового значения включают полевой МОП-транзистор. Пороговые напряжения затвора между минимальным и максимальным значениями могут включать или выключать полевой МОП-транзистор, и их следует избегать. Обратите внимание, как минимальное и максимальное значения примерно совпадают с недопустимой областью на рисунке 1.

Рисунок 1

Сопротивление сток-исток во включенном состоянии — Rds (on): При включении между стоком и истоком есть сопротивление, которое уменьшается по мере увеличения напряжения затвор-исток или Vgs.Выберите полевой МОП-транзистор, наименьшие значения Rds (on) которого соответствуют или близки к идеальному логическому значению высокого напряжения и не уменьшаются существенно с более высокими значениями Vgs. См. Рисунок 2.

Рисунок 2

Пример: Согласно техническому описанию, полевой МОП-транзистор Infineon IRLZ44 имеет сопротивление сток-исток 25 мОм при 5 В, 35 мОм при 4 В и 22 мОм при 10 В. При 5 В его значение Rds (вкл.) Составляет только На 3 мОм выше, чем значение при 10 В, но на 10 мОм ниже, чем значение Rds (вкл.) При 4 В, что делает его хорошим выбором по отношению к Rds (вкл.).

Рисунок 3

Входная емкость — Ciss: Комбинация затвора, оксидного слоя и основного соединения полевого МОП-транзистора действует как небольшой конденсатор, который начинает заряжаться при наличии напряжения на затворе. Зарядка требует времени, что приводит к задержке включения. Выберите полевой МОП-транзистор с минимально возможной входной емкостью, чтобы избежать длительных задержек и минимизировать пусковой ток, который может быть очень высоким изначально, но уменьшается по мере заряда конденсатора. В идеале задержка в открытом состоянии должна быть чрезвычайно короткой, но она может вызвать выброс, достаточный для повреждения вывода ввода / вывода, имеющего ограниченную пропускную способность источника тока.

Токоограничивающий резистор между выводом и затвором предотвращает чрезмерное потребление тока выводами ввода / вывода.

При использовании полевого МОП-транзистора, подключенного непосредственно к выходному выводу микроконтроллера, затвор полевого МОП-транзистора следует подтягивать вверх или вниз по мере необходимости с помощью внешнего резистора, чтобы предотвратить логику плавающего затвора и нежелательный выход из полевого МОП-транзистора во время запуска и сброса микроконтроллера.

Приведенные выше параметры являются основным началом выбора полевого МОП-транзистора для логических схем или конструкций затворов, которые могут быть точно настроены с дополнительным учетом тепловыделения и других параметров производительности.Не бойтесь попробовать полевые МОП-транзисторы при разработке своего следующего проекта.

Об авторе

Дон Йоханнек (Don Johanneck), разработчик технического контента в Digi-Key Electronics, работает в компании с 2014 года. Недавно перейдя на свою нынешнюю должность, он отвечает за написание видеоописаний и содержания продуктов. Дон получил степень младшего специалиста по прикладным наукам в области электронных технологий и автоматизированных систем в Общественном и техническом колледже Нортленда в рамках стипендиальной программы Digi-Key.Ему нравится моделировать радиоуправление, восстанавливать старинные машины и мастерить.

Руководство по выбору высокочастотных полевых МОП-транзисторов

: типы, характеристики, применение

РЧ-транзисторы MOSFET

— это металлооксидные полевые транзисторы (MOSFET), которые предназначены для обработки мощных радиочастотных (RF) сигналов от таких устройств, как стереоусилители, радиопередатчики и телевизионные мониторы. Они включаются и выключаются входным напряжением и работают как миниатюрные электронные переключатели.Как и другие полупроводниковые устройства, высокочастотные МОП-транзисторы изготавливаются из таких материалов, как кремний (Si) или германий (Ge), и легированы примесями, вызывающими изменения электрических свойств. Напряжение подается между выводами затвора и истока, модулируя ток между истоком и стоком. Обычно тонкий слой оксидной изоляции используется для предотвращения протекания тока между затвором и проводящим каналом в полупроводниковой подложке. Существует два основных типа ВЧ-транзисторов MOSFET: N-канальный и P-канальный.N-канальные устройства проводят через электроны. Устройства с П-каналом проводят через «дырочки». В обоих типах устройств полярность электрического поля, регулирующего ток в канале, определяется большинством носителей в канале.

Выбор высокочастотных полевых МОП-транзисторов

Выбор высокочастотных МОП-транзисторов требует анализа технических характеристик. Напряжение пробоя сток-исток — это максимальное напряжение сток-исток до пробоя с заземленным затвором.Коэффициент усиления мощности, мера усиления мощности, представляет собой отношение выходной мощности к входной. Коэффициент шума, мера количества шума, добавляемого во время нормальной работы, представляет собой отношение отношения сигнал / шум на входе и отношения сигнал / шум на выходе. И коэффициент усиления мощности, и коэффициент шума выражаются в децибелах (дБ). Рассеиваемая мощность, мера общей потребляемой мощности, выражается в ваттах (Вт) или милливаттах (мВт). Другие технические характеристики МОП-транзисторов RF включают максимальное насыщение стока, прямую крутизну с общим истоком, рабочую частоту и выходную мощность.Некоторые биполярные ВЧ-транзисторы MOSFET подходят для автомобильных, коммерческих или общепромышленных применений. Другие соответствуют военным спецификациям США (MIL-SPEC).

ВЧ-транзисторы MOSFET

различаются по режиму работы, комплектации и способам упаковки. Устройства, которые работают в режиме истощения, могут увеличивать или уменьшать свои каналы на соответствующее напряжение затвора. Напротив, устройства, которые работают в режиме улучшения, могут увеличивать свои каналы только на соответствующее напряжение затвора.С точки зрения упаковки, высокочастотные МОП-транзисторы доступны в небольших габаритах (SO), транзисторах (TO), малых контурных транзисторах (SOT) и плоских корпусах (FPAK).

Когда и почему выходят из строя MOSFET?

Минимальная мощность управления затвором

Переходные состояния

Мощные N-канальные полевые c изолированным затвором транзисторы (MOSFET)

MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT

Кратко о MOSFET

Кратко о IGBT

Сравнение IGBT с MOSFET

Подведем итог

Новые транзисторы SiC MOSFET с трехкратным снижением потерь на переключение

Результаты измерений: оценка улучшения динамических характеристик

Пример применения: экономичный активный выпрямитель (AFE) мощностью 20 кВт для станций быстрой зарядки электромобилей

Выводы

Литература

Наши информационные каналы

Мосфет транзистор что это

Полевой транзистор с изолированным затвором

Принцип работы полевого транзистора.

Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором.

Что такое MOS, MOSFET, МОП транзистор?

Виды МОП-транзисторов

Откуда пошло название “МОП”

Строение МОП-транзистора

Подложка МОП-транзистора

Принцип работы МОП-транзистора

Индуцирование канала в МОП-транзисторе

Работа P-канального МОП-транзистора

Mosfet — что это? Проверка транзисторов

Отличия МОСФЕТ от полевых транзисторов

Графические обозначения транзисторов на схемах

Базовая структура MOSFET транзистора

Режим истощения МОП-транзистора

N-канальный МОП-транзистор в режиме истощения

Режим усиления МОП-транзистора

Особенности режима усиления

Режим усиления N-канального МОП-транзистора

Усилитель на MOSFET

Mosfet транзисторы принцип работы — Electrik-Ufa.ru

MOSFET транзисторы

Полевой транзистор с изолированным затвором

Принцип работы полевого транзистора.

Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором.

MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT

Кратко о MOSFET

Кратко о IGBT

Сравнение IGBT с MOSFET

Подведем итог

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

Что такое МОП-транзистор

Принцип работы МОП-транзистора (MOSFET)

Типы МОП-транзистора (MOSFET)

Режим насыщения

Классификация режима насыщения МОП- транзисторов

Режим истощения

Классификация режима истощения МОП-транзисторов

Тип истощения канала N МОП-транзистор

Тип канала истощения канала MOSFET

Символ на схеме разных типов

Применение МОП-транзистора

Преимущества МОП-транзистора

Транзисторы: схема, принцип работы,​ чем отличаются биполярные и полевые

Биполярные транзисторы

NPN и PNP

Полевые транзисторы

N-Channel и P-Channel

Подключение транзисторов для управления мощными компонентами

Полевой транзистор

Часть 2. Полевой транзистор с изолированным затвором MOSFET

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом.

Работа МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом N-типа.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора с индуцированным каналом.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом.

Работа МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом N-типа.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора со встроенным каналом.

Преимущества и недостатки полевых транзисторов перед биполярными.

Главные преимущества полевых транзисторов

Главные недостатки полевых транзисторов

В чем разница между MOSFET и BJT?

ОСНОВНЫЕ ЗНАНИЯ — MOSFET VS. BJT В чем разница между MOSFET и BJT?

Что такое полевой МОП-транзистор?

Транзисторы: схема, принцип работы, чем отличаются биполярные и полевые