Ключи на полевых транзисторах. Особенности работы и отличие ключей на биполярных транзисторах. Способы повышения быстродействия . Общие сведения об электронных ключах

Ключ – элемент, который под воздействием управляющего сигнала производит различные коммутации (источников питания, активных элементов и т.д.). Электронный ключ является основой для построения более сложных цифровых устройств. При включении активного элемента с общим эмиттером (истоком) ключ выполняет логическую операцию НЕ, т.е. инвертирует входной сигнал.

Ключ имеет два состояния: замкнутое и разомкнутое

.

Рис. 4

Для реализации ключей используют диоды, биполярные и полевые транзисторы.

Время переключения ключей на биполярных транзисторах определяется барьерными емкостями p-n-переходов и действиями скопления и рассасывания неосновных носителей заряда в базе. Для повышения быстродействия и входного сопротивления используют ключи на полевых транзисторах.

Схемы электронных ключей на полевых транзисторах

Транзисторный ключ является основным элементом устройств цифровой электроники. Основные особенности транзисторного ключа является обязательным условием понимания принципов работы цифровых устройств.

Схемы ключей на полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом и с индуцированным каналом с общим истоком и общим стоком показаны на рисунке:

Рис. 5

Для любого ключа на полевом транзисторе Rн > 10-100 кОм.

Управляющий сигнал Uвх на затворе порядка 10-15 В. Сопротивление полевого транзистора в закрытом состоянии велико, порядка 108-109 Ом.

Сопротивление полевого транзистора в открытом состоянии может составлять 7-30 Ом. Сопротивление полевого транзистора по цепи управления может составлять 108-109 Ом.

(схемы «а» и «б») и 1012-1014 Ом (схемы «в» и «г»).

1 поколение – с линейной нагрузкой .

2 поколение – с нелинейной нагрузкой. В качестве нагрузки (вместо ) ставили второй полевой транзистор одинакового типа проводимости.

Рис. 6 Транзисторный ключ на полевом транзисторе с линейной нагрузкой.

Принцип действия электронных ключей

Электронные ключи основаны на работе биполярных транзисторов. Когда на базе транзистора «0» относительно

эмиттера, транзистор «закрыт», ток через него не идёт, на коллекторе всё напряжение питания (сигнал высокого уровня — «1»). Когда на базе транзистора «1», он «открыт», возникает ток коллектор — эмиттер и падение напряжения на сопротивлении коллектора, напряжение на коллекторе, а с ним и напряжение на выходе, уменьшается до низкого уровня «0».

В статическом режиме ключ находится в состоянии «включено» (ключ замкнут), либо в состоянии «выключено» (ключ разомкнут). Переключение ключа из одного состояния в другое происходит под воздействием входных управляющих сигналов : импульсов или уровней напряжения. Простейшие ключевые схемы имеют один управляющий вход и один выход.

Основу ключа составляет транзистор в дискретном или интегральном исполнении.

В зависимости от состояния ключ шунтирует внешнюю нагрузку большим или малым выходным сопротивлением. В этом и заключается коммутация цепи, производимая транзисторным ключом.

Основными параметрами ключа являются :

• быстродействие, определяемое максимально возможным числом переключений в секунду ; для интегральных ключевых схем оно составляет миллионы коммутаций ;

• длительность фронтов выходных сигналов ;

• внутренние сопротивления в открытом и закрытом состоянии ;

• потребляемая мощность ;

• помехоустойчивость, равная уровню помехи на входе, вызывающей ложное переключение ;

• стабильность пороговых уровней, при которых происходит переключение ;

• надежность работы в реальных условиях старения радиодеталей, изменения источников питания и т. д.

Силовой ключ на полевом транзисторе

Часто приходится сталкиваться с ситуацией, когда к Ардуино контроллеру нужно подключить силовую нагрузку с более высоким напряжением, чем то, на котором работает сам контроллер. Иногда нужно подключить и управлять не только постоянным напряжением, а и переменным. Основная проблема в этом случае осуществить развязку контроллера и вас в том числе, когда вы случайно коснетесь контакта Ардуино контроллера от фазы высокого напряжения. Если вам нужно регулировать силовую нагрузку постоянного напряжения большой мощности при помощи контроллера Ардуино, то в качестве ключа лучше всего использовать полевой транзистор. Ниже приведена схема силового ключа для Ардуино на P-канальном полевике для управлением положительным полюсом когда общая земля, а плюс подается на нагрузку.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• Управление мощной нагрузкой
• Электронный ключ.
• Коммутаторы на полевых транзисторах
• Ключ на полевом транзисторе
• Ключи на полевых транзисторах, схемы, применение, типы
• Транзисторный ключ переменного тока
• На что способен кремний: 120 А MOSFET от ST

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Уроки Ардуино #9 — управление нагрузкой MOSFET транзистор

Управление мощной нагрузкой

Обращаем ваше внимание, что бесплатная подписка оформляется только для квалифицированных специалистов, аккуратно и полностью заполнивших анкету. Если вы по каким-либо причинам не попали в подписную базу или у вас есть жалобы на доставку, можно оформить платную подписку, — это позволит получать журнал гарантированно. На данном сайте используются cookie для сбора информации технического характера и обрабатывается Ваш IP-адрес. Продолжая использовать этот сайт, вы даете согласие на использование файлов cookies.

Желающие получить отдельные ранее вышедшие номера могут заказать журнал. Ecли у редакции не будет возможности отправлять вам печатную версию, то сможете ли вы читать электронную? Читать Купить Не получили журнал? Подписка Скачайте наше приложение Google Play. Получали ли вы по этому же заявленному адресу предыдущие номера текущего года? Авторизация Регистрация. Запомнить меня. Восстановить пароль. Вы успешно зарегистрированы. Перейти в личный кабинет. Для чтения журнала. Принять На данном сайте используются cookie для сбора информации технического характера и обрабатывается Ваш IP-адрес.

Электронный ключ.

Кроме и сборок есть еще один хороший способ рулить мощной постоянной нагрузкой — полевые МОП транзисторы. Полевой транзистор работает подобно обычному транзистору — слабым сигналом на затворе управляем мощным потоком через канал. Но, в отличии от биполярных транзисторов, тут управление идет не током, а напряжением. По сравнению с полевым транзистором, IGBT имеет два важных преимущества наиболее актуальных для создания мощных ключевых устройств. Если на пальцах, то в нем есть полупроводниковый канал который служит как бы одной обкладкой конденсатора и вторая обкладка — металлический электрод, расположенный через тонкий слой оксида кремния, который является диэлектриком.

Силовые ключи на полевых транзисторах КП характеристики, Ключ на полевом транзисторе, tranzistor. Первична сеть.

Коммутаторы на полевых транзисторах

Мощные транзисторы MOSFET хорошо известны своей исключительной скоростью переключения при весьма малой мощности управления, которую нужно прикладывать к затвору. Основная причина в том, что затвор изолирован, поэтому требуется мощность только на перезаряд емкости затвор-исток, и в статическом режиме цепь затвора практически не потребляет тока. Основные недостатки, которые не дают MOSFET стать «идеальным», это сопротивление открытого канала R DS on , и значительная величина положительного температурного коэффициента чем выше температура, тем выше сопротивление открытого канала. В этом апноуте обсуждаются эти и другие основные особенности высоковольтных N-канальных мощных MOSFET, и предоставляется полезная информация по выбору транзисторов и их применению перевод статьи [1]. Электроды у биполярного транзистора называются база, коллектор, эмиттер, а у полевого транзистора затвор, сток, исток. База выполняет те же функции, что и затвор, коллектор соответствует стоку, а эмиттер соответствует истоку. Когда входной ключ разомкнут, то через эмиттерный переход транзистора T1 ток не течет, и канал коллектор-эмиттер имеет высокое сопротивление. Говорят, что транзистор закрыт, через его канал коллектор-эмиттер ток практически не течет.

Ключ на полевом транзисторе

Тогда ток нагрузки потечет от клеммы 3 к клемме 5, через нагрузку к клемме 6, далее через внутренний защитный диод транзистора VT2, через открытый транзистор VT1 к клемме МОП транзистор, в открытом состоянии, будет пропускать ток как от истока к стоку, так и от стока к истоку. Так вот у меня вопрос, по схеме из первой статьи: все-таки, если оба полевых транзистора открыты, ток в обоих транзисторах будет течь через основной канал, или в одном встречном через паразитный диод? Если транзистор открыт в обоих случаях, то ток течет через канал и Rdson одинаковый для обоих направлений тока.

Теория и практика.

Ключи на полевых транзисторах, схемы, применение, типы

E-mail: Кол-во:. Уведомить о поступлении товара. Акустические сигнализаторы Микрофоны. Аккумуляторы Батареи Материалы для сборки аккумуляторов Отсеки для батарей. Высокотемпературная лента Двухсторонняя лента Изолента Односторонняя лента Термопроводная лента Упаковка.

Транзисторный ключ переменного тока

На рисунке представлена наиболее распространённая схема включения с общим истоком:. Транзистор позволяет управлять нагрузкой с напряжением до 55 В при токе до 12 А. Управление транзистором можно осуществлять стандартным напряжением 5 В логики ТТЛ, при этом ток затвора, в открытом состоянии транзистора, не будет превышать 25 нА ток утечки затвора. Транзистор IRF9Z24N является полевым транзистором с изолированным затвором и индуцированным обогащённым каналом p-типа. Наличие встроенного диода Шоттки защищает транзистор от обратных токов и позволяет управлять индуктивной нагрузкой например двигателями без использования дополнительных элементов. Артикул: Наличие: 0 шт.

Силовые ключи на полевых транзисторах КП характеристики, Ключ на полевом транзисторе, tranzistor. Первична сеть.

На что способен кремний: 120 А MOSFET от ST

Ключи на полевых транзисторах используются для коммутации как аналоговых, так и цифровых сигналов, причем коммутаторы аналоговых сигналов обычно выполняют на полевых транзисторах с управляющим -переходом или МОП-транзисторах с индуцированным каналом. В цифровых схемах применяются только МОП-транзисторы с индуцированным каналом. Для ключей на полевых транзисторах характерно: 1 малое остаточное напряжение на ключе, находящемся в проводящем состоянии; 2 высокое сопротивление в непроводящем состоянии и, как следствие, малый ток, протекающий через транзистор, канал которого перекрыт; 3 малая мощность, потребляемая от источника управляющего напряжения; 4 хорошая электрическая развязка между цепью управления и цепью коммутируемого сигнала, что позволяет обойтись без трансформатора в цепи управления; Рис. Ключевые цепи на полевых транзисторах с индуцированным каналом а, б, в, г 5 возможность коммутации электрических сигналов очень малого уровня порядка.

Ключи на полевых транзисторах широко используются для коммутации аналоговых и цифровых сигналов. В аналоговых ключах обычно используют транзисторы с управляющим p-n-переходом или МДП-транзисторы с индуцированным каналом. В цифровых ключах обычно используют МДП-транзисторы с индуцированным каналом.

В последнее время полевые транзисторы все чаще используют в силовой импульсной электронике. Ключи на полевых транзисторах отличаются малым остаточным напряжением.

Обращаем ваше внимание, что бесплатная подписка оформляется только для квалифицированных специалистов, аккуратно и полностью заполнивших анкету.

Силовой электронный ключ на мощном полевом транзисторе предназначен для коммутации мощных нагрузок с гальванической развязкой силовой цепи от цепи управления. Коммутируемый ток, напряжение и сопротивление ключа в открытом состоянии определяются типом примененного полевого транзистора и могут изменятся в пределах от единиц до тысячи ампер, от десятков до сотен вольт и от тысячных долей до единиц Ом. Напряжение гальванической развязки определяется типом применённого оптрона и может составлять единицы киловольт. Данный ключ является аналогом электромагнитного реле с одним ключом, но превосходящий аналог по числу коммутаций, быстродействию, надежности и, кроме того, совместим по управлению с логическими микросхемами.

Довольно часто требуется коммутировать нагрузку, подключенную сети переменного тока. Как правило, в подобных устройствах используются электромагнитные реле или тиристоры.

Как известно, полевой транзистор в области малых напряжений сток-исток ведет себя как резистор, сопротивление которого может изменяться во много раз при изменении управляющего напряжения затвор-исток Uзи. На рис. Последовательный коммутатор на полевом транзисторе с управляющим pn-переходом. Если в этой схеме управляющее напряжение Uупр установить меньшим, чем минимально-возможное входное напряжение, по крайней мере на величину порогового напряжения транзистора, транзистор закроется и выходное напряжение станет равным нулю.

Устройство

MOS FET в качестве переключателя, для ADALM1000 [Analog Devices Wiki]

Эта версия (03 ноября 2021 г., 20:33) была одобрена Дугом Мерсером. Доступна ранее одобренная версия (25 июня 2020 г., 20:27).

Содержание

• Действие: МОП-транзистор на полевых транзисторах в качестве переключателя, для ADALM1000

  • Цель:

  • Примечания:

  • Фон:

    • Материалы:

    • Схема проезда:

    • Настройка оборудования:

    • Процедура:

    • Вопросы:

  • Параллельные переключатели:

  • Переключатели в серии:

Цель:

Устройство MOS FET (NMOS) можно использовать во многих схемах, таких как усилитель, генератор, фильтр, выпрямитель или просто в качестве переключателя. Если полевой транзистор смещен в область насыщения, он будет работать как усилитель или другая линейная схема, если смещен попеременно в линейной (триодной) области и области отсечки, то он используется как переключатель, позволяющий течь току. или не течь в других частях цепи. В этом лабораторном задании описывается устройство NMOS, работающее в качестве коммутатора.

Примечания:

Как и во всех лабораториях ALM, мы используем следующую терминологию при описании подключений к разъему M1000 и настройке оборудования. Заштрихованные зеленым прямоугольники обозначают подключения к разъему аналогового ввода-вывода M1000. Выводы канала аналогового ввода/вывода обозначаются как CA и CB. При настройке на форсирование напряжения/измерения тока добавляется V , как в CA- V , или при настройке на форсировку тока/измерение напряжения добавляется -I, как в CA-I. Когда канал сконфигурирован в режиме высокого импеданса только для измерения напряжения, -H добавляется как CA-H.

Следы осциллографа аналогичным образом обозначаются по каналу и напряжению/току. Например, CA- V , CB- V для сигналов напряжения и CA-I, CB-I для сигналов тока.

Фон:

Схемы переключения существенно отличаются от линейных схем. Их также легче понять. Прежде чем исследовать более сложные схемы, мы начнем с дискретных полупроводниковых переключающих схем: тех, которые построены на основе NMOS-устройств.

Переключатель состоит из NMOS-транзистора, который попеременно управляется между триодом и областью отсечки. Простая версия переключателя показана на рисунке 1. Когда вход равен — В _в , напряжение затвор-исток меньше порогового напряжения ( В _TH ) или отключено, поэтому ток не течет по входу. утечка. Это показано красной линией нагрузки, показанной на рисунке. Когда NMOS находится в состоянии отсечки, схема (в идеале) имеет следующие значения:

Это состояние похоже на разомкнутый переключатель.

Когда вход равен + В _в , транзистор загоняется в область триода и выполняются следующие условия:

Это состояние похоже на замкнутый переключатель, соединяющий нижнюю часть R _D с землей.

Рисунок 1 Переключатель NMOS FET и его линия нагрузки.

Характеристики переключателя NMOS в режиме расширения предполагают, что:

1. — В _в достаточно низкий уровень, чтобы перевести транзистор в отсечку.
   

2. + В _в должно быть больше, чем В _TH , чтобы перевести транзистор в триод.
   

3. Транзистор — идеальный компонент.

Эти условия могут быть обеспечены путем проектирования схемы таким образом, чтобы:

1. — В _в < В _ТН
   

2. + В _в > В _TH ( В _DD хороший максимум)

Условие 1 гарантирует, что схема попадает в область отсечки по входу. Условия 2 гарантируют, что транзистор будет работать в области триода.

Реальный коммутатор NMOS отличается от идеального коммутатора в нескольких аспектах. На практике даже в режиме отсечки через транзистор протекает небольшой ток утечки. Кроме того, в триоде всегда есть некоторое падение напряжения на внутреннем сопротивлении транзистора, R _НА . Как правило, это будет между 0,1 и 0,2 В в триоде в зависимости от тока стока и размера устройства. Эти отклонения от идеальных, как правило, незначительны для устройства подходящего размера, поэтому мы можем предположить почти идеальные условия при анализе или разработке схемы переключателя NMOS.

Материалы:

Аппаратный модуль ADALM1000
Макетная плата без пайки
1 — Резистор 100 Ом (R _D )
1 — Светодиод 5 мм (любого цвета)
1 — NMOS-транзистор с малым сигналом (матрица ZVN2110A или CD4007 CMOS)

Схема проезда:

Одним из распространенных применений переключателя NMOS (или любого другого) является управление светодиодом. Драйвер светодиода показан на рисунке 2. Драйвер, показанный на этом рисунке, используется для соединения слаботочной части схемы с относительно сильноточным устройством (светодиодом). Когда выход слаботочной цепи низкий (0 В ), транзистор находится в состоянии отсечки и светодиод не горит. Когда на выходе слаботочной цепи появляется высокий уровень (+3 В ), транзистор переключается в триод и загорается светодиод. Драйвер используется потому, что слаботочная часть схемы может не иметь тока для питания 20 мА (типичное) требуется, чтобы светодиод загорелся на полную яркость.

Соберите схему переключателя светодиодов, показанную на рис. 2, на макетной плате без пайки. R _D служит для ограничения тока, протекающего в светодиоде от источника питания +5 В . Переключатель управляется выходным напряжением канала A с разъема ввода/вывода. Канал Scope B будет отображать напряжение на переключающем транзисторе M ₁ ( V _DS ) или напряжение на светодиоде, как указано зелеными стрелками.

Рис. 2. Переключатель светодиодов NMOS

Настройка оборудования:

Генератор CA должен быть настроен на прямоугольную волну с частотой 100 Гц с максимальным напряжением 3 вольта и минимальным напряжением 0 вольт. Осциллограф канала B подключается для измерения напряжения на транзисторе или на верхней части светодиода. Ток, протекающий через транзистор, можно рассчитать как разность напряжений между + 5 В питания и CB- В , деленную на номинал резистора (100 Ом). Кривая тока канала А измеряет ток в клемме затвора М ₁ .

Процедура:

Сохраните кривую напряжения на транзисторе Drain-Source (канал B, пунктирная зеленая линия) и на светодиоде (канал B, сплошная зеленая линия) и включите их в отчет о своей лабораторной работе.

Вопросы:

Какой ток протекает через резистор R _D , когда светодиод горит и когда светодиод не горит?

Какой ток протекает через клемму Gate M ₁ ?

Попробуйте уменьшить максимальное значение на В _В (CA- В , напряжение затвора М ₁ ) до тех пор, пока светодиод не перестанет гореть. Какое напряжение? Как это соотносится с V _TH , указанными в техническом описании?

Рассчитайте R _ON , когда M ₁ находится в триоде. Как это значение соотносится со спецификацией , указанной в техническом описании?

Параллельные переключатели:

Два NMOS-транзистора могут быть соединены своими стоками и истоками параллельно, рис. 3, что обеспечивает возможность включения нагрузки от двух разных сигналов. Любой вход может включать нагрузку, но оба входа должны быть выключены, чтобы нагрузка была отключена. Это называется функцией «ИЛИ».

Рис. 3. Два коммутатора, включенных параллельно

Измените схему на макетной плате, чтобы она выглядела как на рис. 3. Добавьте второй NMOS-транзистор, M ₂ , как показано на рисунке. Теперь подключите затворы транзисторов к контактам PIO 0 и PIO 1 цифрового порта ввода/вывода соответственно. Откройте окно цифрового управления и установите для PIO 0 и PIO 1 все четыре комбинации логических 0 и 1. Обратите внимание, какие комбинации включают светодиод. Напряжение на светодиоде и резисторе стока можно контролировать с помощью входа осциллографа CHB, как и раньше.

Переключатели в серии:

Два NМОП-транзистора могут быть соединены последовательно со стоком нижнего транзистора, подключенным к истоку верхнего транзистора, рис.4, что обеспечивает возможность отключения нагрузки от двух разных сигналов. Любой вход может отключить нагрузку, но оба входа должны быть включены, чтобы нагрузка была включена. Это называется функцией «И».

Рис. 4. Два последовательных коммутатора

Измените схему на макетной плате, чтобы она выглядела как на рис. 4. Теперь второй NMOS-транзистор включен последовательно с истоком 9 транзисторов.0206 М ₁ . Снова вентили M ₁ и M ₂ подключены к контактам цифрового порта ввода/вывода PIO 0 и PIO 1 соответственно. Снова установите PIO 0 и PIO 1 на все четыре комбинации логических 0 и 1. Обратите внимание, какие комбинации включают светодиод. Напряжение на светодиоде и резисторе стока можно контролировать с помощью входа осциллографа CHB, как и раньше. Также следует измерить напряжение на соединении между истоком M ₁ и стоком M ₂ для каждого из четырех условий. Прокомментируйте напряжения, наблюдаемые на стоке M ₂ в вашем лабораторном отчете, и почему.

Ресурсы:

• Файлы LTSpice: nmos_as_switch_ltspice

• Файлы Fritzing: nmos_as_switch_bb

Для дальнейшего чтения:

Транзистор
Светодиод
Светодиодная схема

Вернуться к разделу «Введение в лабораторную работу по электротехнике» Содержание
Вернуться к оглавлению лабораторной работы Circuits
Вернуться к оглавлению лабораторной работы ALM.

университет/курсы/alm1k/alm-lab-4ms.txt · Последнее изменение: 03 ноября 2021 г., 20:33, Doug Mercer

MOSFET-переключатели: основы и применение в силовых преобразователях | Артикул

СКАЧАТЬ PDF

Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылка раз в месяц

Подписаться

Мы ценим вашу конфиденциальность

Как работает полевой МОП-транзистор

Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (МОП-транзистор) — это электронное устройство, относящееся к категории полевых транзисторов (ПТ). Эти устройства действуют как источники тока, управляемые напряжением, и в основном используются в качестве переключателей или для усиления электрических сигналов. МОП-транзистор управляется путем подачи определенных условий напряжения на затвор. Когда МОП-транзистор включен, ток течет от стока к истоку МОП-транзистора через канал, созданный в объеме (также называемом корпусом). В большинстве случаев большая часть полевого МОП-транзистора подключена к источнику, поэтому полевые МОП-транзисторы обычно называют 3-контактными устройствами.

Рис. 1: MOSFET

P-канальные MOSFET в сравнении с N-канальными MOSFET

MOSFET являются полупроводниковыми устройствами и в основном изготавливаются из кремния P-типа или N-типа. Разница между этими двумя типами кремния заключается в заряде, сохраняемом ионами легирующей примеси, которые представляют собой заряженные частицы, которые вводятся в кремний для создания нестабильности заряда, что делает элемент полезным для электронных целей. Если область кремния была легирована ионами с пятью валентными электронами (группа 5 в периодической таблице), то в полупроводнике освобождается дополнительный электрон, поэтому заряд будет в целом отрицательным (N-тип). Поскольку они вносят электрон, эти примеси в кремнии называются донорными примесями. С другой стороны, у элементов с тремя электронами в валентной зоне будет отсутствовать электрон, что эквивалентно вложению дырки, а это означает, что общий заряд будет положительным (P-тип). Эти примеси также называют акцепторными примесями. На рис. 2 показаны различия между примесями для полупроводников P-типа и N-типа и влияние, которое они оказывают на структуру кремния.

Рис. 2. Легирующие примеси – донорные и акцепторные примеси вверх по стоку и истоку (см. рис. 3). МОП-транзисторы могут иметь подложку P-типа и области стока и истока N-типа, а это означает, что для того, чтобы ток протекал от стока к истоку, канал также должен быть N-типа. Они называются N-канальными МОП-транзисторами или NMOS-транзисторами. И наоборот, если подложка N-типа, канал будет P-типа, поэтому MOSFET называется P-канальным MOSFET или PMOS-транзистором.

Рисунок 3: Структура полевого МОП-транзистора

Полевые МОП-транзисторы с расширением и истощением

МОП-транзисторы получили свое название от структуры, с помощью которой они управляются. Штифт затвора соединен с проводящим электродом, который отделен от подложки слоем оксида кремния или другого диэлектрического материала. Поэтому при подаче напряжения на затвор создается электрическое поле от металлического затвора через оксид к кремниевой подложке (металл-оксид-полупроводник). Это электрическое поле воздействует на свободные носители заряда в полупроводнике подложки (например, дырки или электроны) и притягивает их близко к затвору, образуя канал, или отталкивает их, разрушая канал.

Когда электрическое поле воздействует на полупроводник, оно воздействует на свободные носители заряда устройства. Свободные электроны, равномерно распределенные по полупроводнику, притягиваются к точке входа электрического поля (в случае MOSFET с положительным напряжением затвора это электрод затвора), тогда как дырки будут увлекаться в направлении электрического поля. поле, противоположное электронам (см. рис. 4). Это называется дрейфом носителей и логически изменяет распределение концентрации заряда внутри полупроводника.

Рис. 4. Дрейф носителей в полупроводниках

Основная цель полевого МОП-транзистора — контролировать создание канала между стоком и истоком, что достигается за счет концентрации правильных носителей в области, ближайшей к затвору, чтобы создать или уничтожить канал. Таким образом, полевые МОП-транзисторы можно разделить на две основные группы: полевые МОП-транзисторы с истощением и полевые МОП-транзисторы с улучшением.

Истощение МОП-транзисторы поставляются с предварительно сгенерированным каналом (см. рис. 5). Когда на затвор подается напряжение, электрическое поле выталкивает носители в канал, тем самым опустошая его. Следовательно, полевые МОП-транзисторы с истощением можно приравнять к нормально замкнутому переключателю.

В улучшенных МОП-транзисторах канал появляется только при подаче напряжения на затвор, притягивая заряды и расширяя область канала. Этот тип МОП-транзистора, который можно рассматривать как нормально разомкнутый переключатель, чаще всего используется в электронных приложениях, потому что при потере питания переключатель отключается, и ток в цепи прекращается, что позволяет избежать неконтролируемой работы и повышает безопасность цепи. Остальная часть этой статьи будет относиться только к усовершенствованным N-канальным МОП-транзисторам.

Рисунок 5: MOSFET в режиме истощения

Рисунок 6: MOSFET в режиме расширения

Области работы MOSFET

Из того, что было объяснено до сих пор, становится ясно, что одним из наиболее важных аспектов работы MOSFET является приложенное потенциальное напряжение к воротам. Фактически работа MOSFET определяется потенциалом напряжения между затвором MOSFET и его истоком (V _GS ). На рис. 7 показано, как V _GS влияет на протекание тока через МОП-транзистор. В улучшенном N-канальном МОП-транзисторе, когда между затвором и истоком отсутствует потенциальное напряжение, канал не существует. Эта рабочая область называется областью отсечки; когда транзистор находится в этой рабочей области, ток от стока к истоку не течет, что означает, что МОП-транзистор ведет себя как открытый ключ.

По мере увеличения напряжения затвора начинает формироваться канал, но он не обеспечивает проводимость между стоком и истоком до определенного уровня напряжения, называемого пороговым напряжением. Как только порог достигнут, ток начинает течь через МОП-транзистор. Эту область, называемую областью насыщения, можно сравнить с источником тока, управляемым напряжением. По мере увеличения напряжения на затворе увеличивается и ток, протекающий через ключ. Эта область в основном используется для усиления сигнала, поскольку небольшие изменения напряжения на затворе приводят к большим изменениям выходного тока (см. рис. 7). Затем этот ток можно использовать для изменения напряжения на резисторе, который является основой усилителей с общим истоком.

Рисунок 7: Ток стока в зависимости от напряжения на затворе

По мере того, как напряжение на затворе продолжает увеличиваться, растет и канал. В области насыщения канал еще не полностью соединяет области стока и истока, поэтому напряжение между истоком и стоком не оказывает большого влияния на работу. Однако, как только канал достаточно усилен, чтобы соединить сток и исток (это называется напряжением отсечки, которое является верхним пределом области насыщения), канал MOSFET полностью усилен, и транзистор ведет себя как полностью замкнутый переключатель.

С этого момента полевой МОП-транзистор можно рассматривать как сопротивление из-за потери напряжения между стоком и истоком (R _DS(ON) ). В этой новой рабочей области, называемой омической или линейной областью, наблюдается увеличение тока через МОП-транзистор, которое линейно пропорционально напряжению, приложенному между стоком и истоком МОП-транзистора, хотя это и ограничено напряжением затвор-исток ( см. рисунок 8).

Рис. 8. Ток стока в зависимости от напряжения сток-исток

Рисунок 8 также дает представление о том, какие рабочие области полезны для различных приложений. Как упоминалось ранее, область насыщения лучше всего подходит для усиления, потому что для тех же V _DS небольшое изменение напряжения на затворе вызывает гораздо большее изменение тока. Однако, поскольку мощность, потребляемая МОП-транзистором, определяется произведением тока и напряжения на МОП-транзисторе (V _DS ), область насыщения также является наихудшей с точки зрения энергоэффективности, поскольку она имеет заметный ток и сток-исток. Напряжение.

Поэтому, когда МОП-транзистор используется в коммутационных устройствах, необходимо убедиться, что МОП-транзистор работает только как полностью открытый или полностью закрытый переключатель, чтобы уменьшить потери мощности. Другими словами, он должен работать только в области отсечки или линейных областей и максимально избегать насыщения.

Паразитные компоненты в силовых полевых МОП-транзисторах

Как и в случае любого электронного устройства, важно учитывать паразитные элементы, которые оно включает, то есть компоненты, которые непреднамеренно создаются структурой устройства. В этой статье уже подробно рассказывалось об одном из них, о сопротивлении, но есть и другие компоненты, встроенные в структуру MOSFET (см. рис. 9).и рисунок 10).

Другими основными пассивными компонентами полевых МОП-транзисторов являются различные конденсаторы, встроенные в структуру транзистора. Существует много паразитных конденсаторов, но в первую очередь следует учитывать конденсаторы, образованные между затвором и стоком, а также между затвором и истоком. Эти конденсаторы ограничивают максимальную частоту коммутации, на которой может работать устройство.

В дополнение к этим пассивным элементам БЯТ создается переходами N+-P-N-, образованными областями источника, тела и дрейфа. Этот транзистор имеет решающее значение для безопасной работы MOSFET. Если он случайно включен, полевой МОП-транзистор переходит в состояние «фиксации», что значительно снижает максимальное напряжение блокировки. Если это напряжение превышено, BJT вызывает лавинный пробой устройства, который может разрушить устройство, если ток не ограничен. Поэтому биполярный транзистор всегда нужно выключать, делая напряжение на базе (корпусе) максимально близким к напряжению на эмиттере (истоке). Вот почему исток и корпус почти всегда имеют короткое замыкание в силовых полевых МОП-транзисторах. Однако за счет замыкания истока и основной области создается диод, известный как внутренний диод. Этот диод не так проблематичен, как BJT, и даже может быть полезен в некоторых приложениях.

Рис. 9: Паразитные компоненты силового МОП-транзистора

Рис. 10: Паразитные конденсаторы

Силовые МОП-транзисторы

Одной из целей при разработке МОП-транзистора для силовых приложений является обеспечение того, чтобы он мог работать при высоких напряжениях, то есть блокировать высокое напряжение. потенциалы, когда это необходимо, без разрушения. Это достигается за счет диодного эффекта, возникающего между N-Si стока и P-Si объема. При смещении PN-переход сток-объем действует как диод с обратным смещением, создавая область пространственного заряда (SCR) и блокируя напряжение. Чем выше смещение напряжения, тем больше область пространственного заряда, необходимая для блокирования напряжения. Если напряжение достаточно высокое, SCR может пересечь пространство между стоком и истоком, что обеспечит проводимость через MOSFET. Это называется обратным разрушением. Таким образом, казалось бы, ключом к работе при высоких напряжениях является наличие очень длинного канала MOSFET. Однако есть две причины, по которым изготовление более длинных транзисторов нецелесообразно:

• Эффективность: Чем длиннее канал, тем выше R _DS(ON) , что, в свою очередь, приводит к более высоким потерям проводимости.
Размер
• : Более длинные каналы занимают больше места, что снижает возможности интеграции полевого МОП-транзистора.

По этой причине силовые МОП-транзисторы не имеют традиционной структуры МОП-транзисторов, к которой мы привыкли (см. рис. 5). Вместо этого силовые полевые МОП-транзисторы имеют вертикальную структуру с истоком и затвором на верхней пластине, а стоком — на нижней (см. рис. 11).

Поскольку глубина транзистора не является проблематичным производственным параметром, область истощения может быть сколь угодно длинной, с проблемой только увеличения потерь проводимости. При подключении стока полевого МОП-транзистора ко всей металлической задней панели также намного проще подключить эти полевые МОП-транзисторы параллельно, чтобы увеличить допустимый ток.

Рис. 11: Вертикальная структура МОП-транзистора

Как упоминалось ранее, основные потери энергии в МОП-транзисторе происходят либо из-за переключения, либо из-за проводимости. Коммутационные потери можно свести к минимуму, используя быстро переключающиеся транзисторы и применяя мягкое переключение, но снижение кондуктивных помех почти полностью зависит от структуры MOSFET, особенно от сопротивления в открытом состоянии, или R _ДС(ВКЛ) .

Значение сопротивления во включенном состоянии зависит от длины канала и концентрации носителей в полупроводнике. Конечно, более высокие напряжения создают более сильное электрическое поле и, следовательно, большую область обеднения (см. рис. 12). Так как область истощения не должна пересекать весь канал, глубину необходимо делать очень большой. Однако увеличение длины полупроводника оказывает существенное негативное влияние на открытое сопротивление, поэтому были разработаны сквозные полупроводники.

В полупроводниковом устройстве этого типа область N в стоке разделена на две части с различной плотностью легирования: область N+ с очень высокой плотностью легирования и область с низкой плотностью. Эта область с низкой плотностью называется дрейфовым слоем. Из-за градиента легирования между этими двумя областями электрическое поле, создаваемое обратным смещением, больше не имеет треугольной формы. Вместо этого он может «пробивать» границу области дрейфа, приобретая прямоугольную форму (см. рис. 13). Это позволяет использовать более высокие максимальные напряжения блокировки без увеличения длины канала.

Однако низкая концентрация легирующей примеси в дрейфовом слое отрицательно влияет на проводимость полупроводника в этой области, ограничивая влияние на сопротивление во включенном состоянии.

Рис. 12: Непробиваемый

Рис. 13: Пробивной

Зона безопасной работы (SOA) MOSFET

Как и все устройства, MOSFET имеют ограничения рабочих условий, в которых они могут работать. делать с максимальными комбинациями напряжения и тока, с которыми они могут работать до выхода из строя. Чтобы лучше показать эти ограничения, большинство спецификаций полевых МОП-транзисторов содержат график безопасной рабочей зоны (SOA) (см. рис. 14).

Рисунок 14: МОП-транзистор SOA

Верхний предел области безопасной работы определяется максимальным током, который может протекать через устройство. Это ограничивается параметром R _DS(ON) устройства, поскольку ток, протекающий через канал MOSFET (и, следовательно, резистор), выделяет тепло, что может привести к выходу устройства из строя.

Вертикальный правый предел SOA задается максимальным напряжением, которое MOSFET может блокировать без разрушения и обеспечения проводимости. Это определяется структурой полевого МОП-транзистора, длиной канала и материалом, использованным при его изготовлении, как объяснялось в предыдущем разделе этой статьи.

Диагональный предел в правом верхнем углу SOA представляет способность MOSFET поддерживать работу в области насыщения. Из-за сочетания тока и напряжения в переключателе, которое происходит в основном при насыщении, говорят, что полевой МОП-транзистор потребляет мощность, которая затем должна рассеиваться в виде тепла. Если произведение тока и напряжения на МОП-транзисторе слишком велико, чрезмерное тепло может разрушить устройство.

Предел рассеиваемой мощности представлен несколькими линиями в правом верхнем углу SOA. Эти линии показывают, как предел рассеивания MOSFET изменяется в зависимости от процента времени, в течение которого транзистор находится в состоянии насыщения.

Если МОП-транзистор находится в постоянном токе, то на МОП-транзисторе есть постоянный ток и напряжение, и, следовательно, постоянный нагрев устройства, что сильно ограничивает его способность рассеивать всю генерируемую энергию. Однако, если MOSFET включается и выключается, то устройство нагревается лишь часть времени и может выдерживать более высокие токи и напряжения. Чем короче время, в течение которого он остается включенным, тем выше могут быть напряжение и ток, ограниченные только максимальным током и напряжением.

Заключение

МОП-транзисторы являются неотъемлемой частью почти всех электронных систем.