MOSFET транзисторы. Устройство, принцип работы и разновидности.

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.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Шпаргалка в картинках по использованию MOSFET’ов

Не знаю, как вы, а я лично постоянно забываю, где у полевых МОП-транзисторов (a.k.a MOSFET) находится сток и исток, а также как их использовать в зависимости от того, имеет ли данный МОП-транзистор N-канал или P-канал. Поэтому я решил сделать себе небольшую шпаргалку, ну и заодно поделиться ею с вами. Я также подготовил упрощенную PDF-версию этого поста, которую можно распечатать на половине листа A4 и повесить на стену.

Итак, у МОП-транзисторов три ноги, называемые затвором (gate), истоком (source) и стоком (drain):

Такое расположение верно для большинства полевых МОП-транзисторов в корпуске TO-220, в частности IRF3205 и IRF4905. При использовании незнакомого полевика, естественно, следует свериться с его даташитом.

Типичное использование:

Транзистор с N-каналом подключается, что называется, в нижнем плече (low-side), а с P-каналом — в верхнем плече (high-side). По такой схеме полевые транзисторы используются для нагрева паяльника, управления двигателями, и так далее.

Fun fact! На самом деле, полевые транзисторы разделяют еще на две категории: enhancement mode и depletion mode. Последние встречаются существенно реже и обычно являются N-канальными. Поэтому в данном посте речь идет об enhancement mode MOSFET’ах. Для depletion mode справедливо все тоже самое, только на картинке нужно поменять ON и OFF местами. При работе с незнакомым полевым транзистором, стоит проверить, к какому типу он относится.

Также МОП-транзисторы могут быть использованы для защиты от переполюсовки:

В приведенной схеме падение напряжения практически нулевое, чего нельзя достичь при помощи обычных блокирующих диодов. Это может быть особенно важно в проектах, питающихся от аккумулятора. Заметьте, что сток и исток располагаются с точностью до наоборот по сравнению с тем, как их хочется расположить, исходя из предыдущей схемы.

Стоит также отметить еще одно интересное свойство MOSFET’ов. Допустим, вам нужно управлять большим током, чем тот, на который рассчитан имеющийся у вас MOSFET. В этом случае ничто не мешает взять несколько штук и соединить их параллельно. Тогда ток будет автоматически распределен между ними поровну.

Дополнительные материалы:

Такая вот получилась шпаргалка. Если вам есть, что к ней добавить, не стесняйтесь оставлять комментарии.

Дополнение: Еще вас могут заинтересовать следующие схемы на основе полевых МОП-транзисторов: автоматическая регулировка усиления (АРУ), ВЧ усилители на 5 Вт и 10 Вт, а также схема переключения RX/TX для трансивера.

Метки: Электроника.

Как работают транзисторы MOSFET | hardware

Мощные транзисторы MOSFET хорошо известны своей исключительной скоростью переключения при весьма малой мощности управления, которую нужно прикладывать к затвору. Основная причина в том, что затвор изолирован, поэтому требуется мощность только на перезаряд емкости затвор-исток, и в статическом режиме цепь затвора практически не потребляет тока. В этом отношении мощные MOSFET по своим характеристикам приближаются к «идеальному переключателю». Основные недостатки, которые не дают MOSFET стать «идеальным», это сопротивление открытого канала 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]).

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

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

Давайте рассмотрим простейшую схему включения транзистора NPN:

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

А так будет в этой схеме работать транзистор MOSFET:

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

• Биполярный транзистор управляется током, а полевой транзистор напряжением.

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

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

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

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

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

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

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

[Структура мощного транзистора MOSFET]

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

Рис. 1. Срез рабочей структуры транзистора MOSFET.

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

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

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

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

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

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

Рис. 4. Зависимость нормализированного R_DS(on) от V_(BR)DSS.

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

[Внутренние и паразитные элементы]

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

Внутренний диод на подложке (Intrinsic body diode). Переход p-n между подложкой и стоком формирует внутренний диод, так называемый body diode (см. рис. 1), или паразитный диод. Обратный ток стока не может быть блокирован, потому что подложка замкнута на исток, предоставляя мощный путь для тока через body diode. Расширение канала транзистора (при положительном напряжении на затворе относительно истока) уменьшает потери на прохождение обратного тока стока, потому что электроны проходят через канал в дополнение к электронам и неосновным носителям, проходящим через  body diode.

Наличие внутреннего диода на подложке удобно в схемах, для которых требуется путь для обратного тока стока (часто называемого как ток свободного хода), таких как схемах мостов. Для таких схем предлагаются транзисторы FREDFET, имеющие улучшенные восстановительные характеристики (FREDFET это просто торговое имя компании Advanced Power Technology, используемое для выделения серий MOSFET с дополнительными шагами в производстве, направленными на ускорение восстановления intrinsic body diode). В FREDFET нет отдельного диода; это тот же MOSFET intrinsic body diode. Для управления временем жизни неосновных носителей во внутреннем диоде применяется либо облучение электронами (наиболее часто используемый вариант) или легирование платиной, что значительно уменьшает заряд обратно смещенного перехода и время восстановления.

Побочный эффект от обработки FREDFET — повышенный ток утечки, особенно на высоких температурах. Однако, если учесть, что MOSFET имеет очень малый начальный ток утечки, то добавленный через FREDFET ток утечки остается допустимым до температур перехода ниже 150°C. В зависимости от дозы облучения FREDFET может иметь R_DS(on) больше, чем у соответствующего MOSFET. Прямое напряжение для паразитного диода для FREDFET также немного больше. Заряд затвора и скорость переключения у MOSFET и FREDFET идентичны. Поэтому термин MOSFET здесь будет использоваться всегда для обоих типов MOSFET и FREDFET, если специально не оговорено что-то другое.

Скорость восстановления для паразитного диода у MOSFET или даже у FREDFET намного хуже в сравнении со скоростью быстрого дискретного диода. В приложениях, где жесткие рабочие условия с температурой порядка 125°C, потери на включение из-за восстановления из обратного смещения примерно в 5 раз выше, чем у быстрых дискретных диодов. НА это есть 2 причины:

1. Рабочая область паразитного диода совпадает с рабочей областью MOSFET или FREDFET, и рабочая область у дискретного диода для той же функции намного меньше, поэтому у дискретного диода намного меньше заряд восстановления.

2. Паразитный диод MOSFET или даже FREDFET не оптимизирован под обратное восстановление, как это сделано для дискретного диода.

Как и любой стандартный кремниевый диод, у паразитного диода заряд восстановления и время зависит от температуры, di/dt (скорости изменения тока), и величины тока. Прямое напряжение паразитного диода, VSD, уменьшается с ростом температуры по коэффициенту примерно 2.5 mV/°C.

Паразитный биполярный транзистор. Разделенная на слои структура MOSFET также формирует паразитный биполярный транзистор (BJT) структуры NPN, и его включение на является частью нормального функционирования. Если BJT откроется и войдет в насыщение, то это может вызвать самоблокировку, при которой MOSFET не может быть выключен кроме как через внешний разрыв цепи тока стока. Высокая мощность рассеивания (например, при возникновении сквозного тока в плече моста) при самоблокировке может вывести MOSFET из строя.

База паразитного BJT замкнута на исток, чтобы предотвратить самоблокировку, и потому что напряжение пробоя (breakdown voltage) было бы значительно уменьшено (для того же самого значения R_DS(on)), если бы база была оставлена плавающей. Существует теоретическая возможность самоблокировки при очень большой скорости dv/dt в момент выключения. Однако для современных стандартных мощных транзисторов очень трудно создать схему, где будет достигнута такое высокое dv/dt.

Есть риск включения паразитного BJT, если внутренний диод проводит, и затем выключается с чрезмерно высоким изменением dv/dt. Мощная коммутация dv/dt вызывает высокую плотность неосновных носителей заряда (положительные носители, или дырки) в подложке, что может создать напряжение на подложке, достаточное для включения паразитного BJT. По этой причине в даташите указано ограничение пиковой коммутации (восстановление встроенного диода) dv/dt. Пиковая коммутация dv/dt для FREDFET выше в сравнении с MOSFET, потому что у FREDFET снижено время жизни неосновных носителей заряда.

[На что влияет температура]

Скорость переключения. Температура практически не влияет на скорость переключения и потери, потому что (паразитные) емкости мало зависят от температуры. Однако ток обратного восстановления в диоде увеличивается с температурой, так что температурные эффекты внешнего диода (это может быть дискретный диод, или внутренний диод в MOSFET или FREDFET) влияют на потери включения мощных схем.

Пороговое напряжение, или напряжение отсечки (Threshold voltage). Напряжение отсечки затвора, обозначаемое как VGS(th), является важным стандартным параметром. Оно говорит, насколько много миллиампер через сток будет течь при пороговом напряжении на затворе, когда транзистор в основном выключен, но находится на пороге включения. У напряжения отсечки есть отрицательный температурный коэффициент; это означает, что напряжение отсечки уменьшается с ростом температуры. Температурный коэффициент влияет на время задержки включения и выключения, и следовательно влияет на выбор «мертвого времени» в мостовых схемах.

Переходная характеристика (Transfer characteristic). На рис. 5 показана переходная характеристика MOSFET-транзистора APT50M75B2LL.

Рис. 5. Пример переходной характеристики MOSFET.

Переходная характеристика зависит как от температуры, так и от тока стока. На рис. 5 при токе ниже 100 A напряжение затвор-исток имеет отрицательный температурный коэффициент (при заданном токе стока уменьшается напряжение затвор-исток при повышении температуры). При токе выше 100 A температурный коэффициент становится положительным. Температурный коэффициент напряжения затвор-исток и ток стока в том месте, где коэффициент меняет знак, важен для проектирования работы схем в линейном режиме [4].

Напряжение пробоя (Breakdown voltage). Напряжение пробоя имеет положительный температурный коэффициент, этот будет обсуждаться в секции Walkthrough.

Устойчивость к перегрузке по току (Short circuit capability). Возможность противостояния коротким замыканиям не всегда встречается в даташите. Причина понятна — MOSFET стандартной мощности не подходят для устойчивой работы в режиме перегрузки по току в сравнению с IGBT или другими транзисторами, работающими с высокой плотностью тока. Само собой разумеется, что MOSFET и FREDFET (в некотором смысле) устойчивы к перегрузке по току.

[Обзор параметров даташита. Максимальные предельные значения]

Назначение даташитов, предоставляемых APT, состоит в предоставлении соответствующей информации, которая полезна и удобна для выбора подходящего устройства в конкретном приложении. Предоставляются графики, чтобы можно было экстраполировать от одного набора рабочих условий к другому. Следует отметить, что графики предоставляют типичную производительность, но не минимумы или максимумы. Производительность также зависит кое в чем от схемы; различные тестовые схемы приведут к отличающимся результатам.

V_DSS, напряжение сток-исток. Это оценка максимального напряжения сток-исток не вызывая лавинного пробоя (avalanche breakdown) с затвором, замкнутым на исток при температуре 25°C. В зависимости от температуры напряжение лавинного пробоя могло бы быть фактически меньше, чем параметр V_DSS. См. описание V_(BR)DSS в разделе «Статические электрические характеристики».

V_GS, напряжение затвор-исток. Это предельное напряжение между выводами затвора и истока. Назначение этого параметра — предотвратить повреждение изолирующего оксидного слоя затвора (например, от статического электричества). Фактическая устойчивость оксидной пленки затвора намного выше, чем заявленный параметр V_GS, но он варьируется в зависимости от производственных процессов, так что если укладываться в предел V_GS, то это гарантирует надежную работу приложения.

I_D, непрерывный ток стока. I_D определяет максимальный уровень продолжающегося постоянного тока, когда транзистор выходит из строя при максимальной температуре перехода T_J(max), для случая 25°C, и иногда для более высокой температуры. Он основан на термосопротивлении между корпусом и переходом RӨJC, и для случая температуры T_C может быть вычислен по формуле:

Это выражение просто говорит о том, какая максимальная мощность может рассеиваться

при максимальной генерируемой теплоте из-за потерь в соединении I²_D X R_DS(on)@T_J(max), где R_DS(on)@T_{J (max)} сопротивление открытого канала при максимальной температуре перехода. Отсюда можно вывести I_D:

Обратите внимание, что в I_D не входят никакие потери на переключение, и случай с температурой 25°C на практике встречается редко. По этой причине в приложениях, где MOSFET часто переключается, фактический коммутируемый ток обычно меньше половины I_D @ TC = 25°C; обычно между 1/4 до 1/3.

Зависимость I_D от T_C. Этот график просто отражает формулу 2 для диапазона температур. Здесь также не учтены потери на переключение. На рис. 6 приведен пример такого графика. Обратите внимание, что в некоторых случаях выводы корпуса транзистора ограничивают максимально допустимый продолжительный ток (переключаемый ток может быть больше): 100 A для корпусов TO-247 и TO-264, 75 A для TO-220 и 220 A для SOT-227.

Рис. 6. Максимальный ток стока в зависимости от температуры.

I_DM, импульсный ток стока. Этот параметр показывает, какой импульс тока может выдержать устройство. Этот ток может значительно превышать максимально допустимый постоянный ток. Назначение этого параметра IDM состоит в том, чтобы удержать рабочий омический регион в пределе выходных характеристик. Посмотрите на рис. 7:

Рис. 7. Выходная характеристика MOSFET.

На этом графике есть максимальный ток стока для соответствующего напряжения затвор-исток, когда транзистор MOSFET открыт. Если рабочая точка при данном напряжении затвор-исток переходит выше омического региона «колена» рис. 7, то любое дальнейшее увеличение тока через сток приведет к значительному увеличению напряжения сток-исток (транзистор переходит из режима насыщения в линейный режим) и последующей потере проводимости. Если мощность рассеивания станет слишком велика, и это будет продолжаться довольно долго, то устройство может выйти из строя. Параметр I_DM нужен для того, чтобы установить рабочую точку ниже «колена» для типичных применений транзистора в ключевом режиме.

Нужно ограничить плотность тока, чтобы предотвратить опасный нагрев, что иначе может привести к необратимому перегоранию MOSFET.

Чтобы избежать проблем с превышением тока через соединительные провода иногда применяют плавкие предохранители. В случае перегрузки по току выгорят именно они вместо транзистора.

Относительно температурных ограничений на I_DM, рост температуры зависит от длительности импульса тока, интервала времени между импульсами, интенсивности рассеивания тепла, сопротивления открытого канала R_DS(on), а также и от формы и амплитуды импульса тока. Если просто удержаться в пределах I_DM, то это еще не означает, что температура перехода не будет превышена. См. обсуждение переходного теплового сопротивления в разделе «Температурные и механические характеристики», чтобы узнать способ оценки температуры перехода во время импульса тока.

P_D, общая мощность рассеивания. Этот параметр определяет максимальную мощность, которую может рассеивать устройство, и он основан на максимально допустимой температуре перехода и термосопротивлении R_ӨJC для случая температуры 25°C.

Линейный коэффициент снижения мощности это просто инверсия R_ӨJC.

T_J, T_STG: рабочий и складской диапазон температур перехода. Этот параметр ограничивает допустимую температуру кристалла устройства во время работы и во время хранения. Установленные пределы гарантируют, что будут соблюдены гарантийные эксплуатационные сроки устройства. Работа в пределах этого диапазона может значительно увеличить срок службы.

E_AS, лавинная энергия одиночного импульса. Если импульс напряжения (возникающий обычно из-за утечки и случайной индуктивности) не превышает напряжение пробоя, то не будет лавинного пробоя устройства, так что нет необходимости рассеивать энергию пробоя. Параметр максимальной лавинной энергии оценивает устройство в плане рассеивания мощности режима лавинного пробоя при переходных процессах с повышенным напряжением.

Все устройства, которые оценены по лавинной энергии, имеют параметр E_AS. Лавинная энергия связана с параметром разблокированного индуктивного переключения (unclamped inductive switching, UIS). E_AS показывает, сколько лавинной энергии устройство может поглотить. Условия для схемы тестирования Вы можете найти в документации по ссылкам, и E_AS вычисляется по формуле:

Здесь L величина индуктивности, из которой поступает импульс тока i_D, случайно поступающий в на закрытый переход транзистора через сток при тесте. Индуцируемое напряжение превышает напряжение пробоя MOSFET, что вызывает лавинный пробой. Лавинный пробой позволяет импульсу тока от индуктивности течь через MOSFET, даже если он закрыт. Энергия, запасенная в индуктивности, аналогична энергии, сохраненной в утечке и/или случайной индуктивности, и она должна быть рассеяна в MOSFET.

Когда транзисторы MOSFET соединены параллельно, это совершенно не означает, что у них одинаковое напряжение пробоя. Обычно пробьется только один транзистор, и только на него поступит вся энергия тока лавинного пробоя.

E_AR, повторная лавинная энергия. Этот параметр стал «промышленным стандартом», но он не имеет смысла без информации о частоте, других потерях и эффективности охлаждения. Рассеивание тепла (охлаждение) часто ограничивает значение повторной рассеиваемой энергии. Также трудно предсказать, сколько энергии находится в лавинном событии. То, о чем говорит E_AR в действительности, означает, что устройство может выдерживать повторяющиеся лавинные пробои без какого-либо ограничения по частоте, если устройство не перегрето, что в принципе верно для любого устройства, которое может испытать лавинный пробой. Во время анализа проекта хорошей практикой является измерение температуры устройства или его радиатора во время работы — чтобы увидеть, что MOSFET не перегрет, особенно если возможны условия лавинного пробоя.

I_AR, ток лавинного пробоя. Для некоторых устройств, которые могут выйти из строя во время лавинного пробоя, этот параметр дает лимит на максимальный ток пробоя. Так что это как бы «точный отпечаток» спецификаций лавинной энергии, показывающий реальные возможности устройства.

[Статические электрические характеристики]

V_(BR)DSS, Drain-source breakdown voltage, напряжение пробоя сток-исток. Параметр V_(BR)DSS (иногда его называют BV_DSS) определяет максимальное напряжение сток-исток, при котором через канал сток-исток будет течь ток не больше допустимого при заданной температуре и нулевом напряжении между затвором и истоком. Фактически этот параметр соответствует напряжению лавинного пробоя канала сток-исток закрытого транзистора. 

Как показано на рис. 8, у параметра V_(BR)DSS есть положительный температурный коэффициент. Таким образом, MOSFET может выдержать больше напряжение, если он нагрет, по сравнению с холодным состоянием. Фактически в охлажденном состоянии V_(BR)DSS будет меньше, чем предельно допустимое напряжение сток-исток V_DSS, указанное для температуры 25°C. В примере, показанном на рис. 8 при -50°C, напряжение V_(BR)DSS будет составлять 90% от максимально допустимого V_DSS, указанного для температуры 25°C. 

Рис. 8. Нормализованная зависимость напряжения пробоя от температуры. 

V_GS(th), Gate threshold voltage, напряжение отсечки затвора. Это пороговое напряжение затвор-исток, при превышении которого транзистор начнет открываться. Т. е. при напряжении на затворе выше V_GS(th) транзистор MOSFET начинает проводить ток через канал сток-исток. Для параметра V_GS(th) также указываются условия проверки (ток стока, напряжение сток-исток и температура кристалла). Все транзисторы MOSFET допускают некоторый разброс порогового напряжения отсечки затвора от устройства к устройству, что вполне нормально. Таким образом, для V_GS(th) указывается диапазон (минимум и максимум), в который должны попасть все устройства указанного типа. Как уже обсуждалось ранее в разделе «На что влияет температура», V_GS(th) имеет отрицательный температурный коэффициент. Это значит, что с увеличением нагрева MOSFET откроется при более низком напряжении затвор-исток. 

R_DS(on), ON resistance, сопротивление в открытом состоянии. Этот параметр определяет сопротивление открытого канала сток-исток при указанном токе (обычно половина от тока I_D), напряжении затвор-исток (обычно 10V) и температуре 25°C, если не указано что-либо другое. 

I_DSS, Zero gate voltage drain current, ток утечки канала. Это ток, который может течь через закрытый канал сток-исток, когда напряжение на затвор-исток равно нулю. Поскольку ток утечки увеличивается с температурой, то I_DSS указывается для комнатной температуры и для нагретого состояния. Потери мощности из-за тока утечки I_DSS через канал сток-исток обычно незначительны. 

I_GSS, Gate-source leakage current, ток утечки затвора. Это ток, который может через затвор при указанном напряжении затвор-исток. 

[Динамические характеристики] 

Рис. 9 показывает месторасположения внутренних емкостей транзистора MOSFET. Величина этих емкостей определяется структурой MOSFET, используемыми материалами и приложенными напряжениями. Эти емкости не зависят от температуры, так что температура не влияет на скорость переключения MOSFET (за исключением незначительного эффекта, связанного с пороговым напряжением, которое зависит от температуры). 

Рис. 9. Паразитные емкости транзистора MOSFET в структуре кристалла. 

Емкости C_gs и C_gd меняются в зависимости от приложенного к ним напряжений, потому что они затрагивают обедненные слои в устройстве [8]. Однако на C_gs намного меньше меняется напряжение в сравнении с C_gd, так что емкость C_gs изменяется меньше. Изменение C_gd при изменении напряжения сток-затвор может быть больше, потому что напряжение может меняться в 100 раз или больше. 

На рис. 10 показаны внутренние емкости MOSFET с точки зрения схемотехники. Емкости затвор-сток и затвор-исток могут повлиять на схему управления, и вызвать нежелательные эффекты при быстрых переключениях в мостовых схемах. 

Рис. 10. Паразитные емкости транзистора MOSFET в рабочей схеме. 

Если кратко, то чем меньше C_gd, тем будет меньше влияние на схему управления при перепаде напряжения при включении транзистора. Также емкости C_gs и C_gd формируют емкостный делитель напряжения, и при большом соотношении C_gs к C_gd желательно защитить схему управления от паразитных помех от перепадов напряжения, возникающих при переключении. Это соотношение, умноженное на пороговое напряжение, определяет качество защиты схемы управления от переключений в выходной цепи, и силовые транзисторы MOSFET компании APT лидируют в индустрии по этому показателю. 

C_iss, Input capacitance, входная емкость. Это емкости, измеренная между выводами затвора истока, когда по переменному напряжению сток замкнут на исток. C_iss состоит из параллельно соединенных емкостей C_gd (емкость затвор-сток) и C_gs (емкость затвор-исток): 

Входная емкость должна быть заряжена до порогового напряжения перед тем, как транзистор начнет открываться, и разряжена до напряжения общего провода перед тем, как транзистор выключится. Таким образом, сопротивление управляющей схемы и емкость Ciss образуют интегрирующую цепь, которая напрямую влияет на задержки включения и выключения. 

C_oss — Output capacitance, выходная емкость. Это емкость, измеренная между стоком и истоком, когда затвор замкнут по переменному току на сток. Coss состоит из параллельно соединенных емкостей C_ds (емкость сток-исток) и C_gd (емкость затвор-сток):

Для приложений с мягким переключением параметр C_oss важен, потому что влияет на резонанс схемы. 

C_rss, Reverse transfer capacitance, обратная переходная емкость. Это емкость, измеренная между стоком и затвором, когда исток соединен с землей. Обратная переходная емкость эквивалентна емкости затвор-сток. 

Обратная переходная емкость часто упоминается как емкость Миллера. Это один из главных параметров, влияющих на время нарастания и спада напряжения во время переключения. Он также влияет на эффекты времени задержки выключения. 

На рис. 11 показан пример зависимости типичных значений емкости от напряжения сток-исток. 

Рис. 11. Зависимость емкости от напряжения. 

Емкости уменьшаются при увеличении напряжения сток-исток, особенно это влияет на выходную и обратную переходную емкости.

Q_gs, Q_gd и Q_g, Gate charge, заряд затвора. Значения заряда отражают заряд, сохраненный на внутренних емкостях, описанных ранее. Заряд затвора используется для разработки схемы управления, поскольку нужно учитывать изменения емкости при изменении напряжения на переходах переключения [9, 10].

На рис. 12 показано, что Q_gs заряжается от начала координат до первого перегиба и далее заряжается до второго перегиба кривой (этот заряд известен как заряд Миллера), и Q_g является зарядом от начала координат до точки, где V_GS равно указанному управляющему напряжению затвора. 

Рис. 12. V_GS как функция заряда затвора. 

Заряд затвора незначительно изменяется с током стока и напряжением сток-исток, но не зависит от температуры. Для этого параметра указываются условия тестирования. График заряда затвора, обычно приведенный в даташите, показывает кривые заряда затвора для фиксированного тока стока и различных напряжений сток-исток. Напряжение горизонтального участка V_GS(pl), «плато», показанное на рис. 12, незначительно увеличивается с ростом тока (и соответственно уменьшается при снижении тока). Напряжение  также имеет прямо пропорциональную зависимость от порогового напряжения, так что изменения порогового напряжения коррелирует и изменением напряжения плато. 

[Резистивные параметры времени переключения (данные resistive switching)]

Эти параметры имеются в даташите по чисто историческим причинам. 

t_d(on), Turn-on delay time, время задержки включения. Это время от момента, когда напряжение затвор-исток на 10% превысит напряжение отсечки затвора до момента времени, когда ток стока вырастет больше 10% от указанного выходного тока. Это показывает задержку начала поступления тока в нагрузку.

t_d(off), Turn-off delay Time, время задержки выключения. Это время от момента, когда напряжение затвор-исток упадет ниже 90% напряжения отсечки затвора до момента, когда ток стока упадет ниже 90% от указанного выходного тока. Это показывает задержку отключения тока в нагрузке.

t_r, Rise time, время нарастания. Это время, за которое ток стока вырастет от 10% до 90% (значение тока указывается).

t_f, Fall time, время спада. Это время, за которое ток стока спадет от 90% до 10% (значение тока указывается). 

[Энергии переключения в индуктивностях] 

Из-за того, что данные resistive switching трудно использовать для предсказания потерь на переключение в реальных рабочих условиях мощных преобразователей, компания Advanced Power Technology включает во многие даташиты транзисторов MOSFET и FREDFET данные энергии переключения в индуктивностях. Это предоставляет разработчику ключевых блоков питания удобный способ сравнения быстродействия транзисторов MOSFET или FREDFET с другими транзисторами, даже если они выполнены по другой технологии наподобие IGBT. Поэтому можно использовать для разработки самый подходящий по качеству мощный транзистор. 

На рис. 13 показана схема тестирования переключения транзистора с учетом потерь в индуктивностях. Это импульсный тест, где применяется очень короткий по длительности цикл открытого состояния транзистора, так что энергия, запасенная в индуктивности, успеет рассеяться намного раньше поступления последующих импульсов, и саморазогрев можно не учитывать. Температура транзистора и фиксирующего диода во время теста регулируется принудительно от внешнего термостата. 

Рис. 13. Схема тестирования потерь на индуктивности.

В таблице динамических характеристик указываются следующие условия тестирования: VDD на рис. 13, ток теста, напряжение управления для затвора, сопротивление затвора и температура кристалла. Обратите внимание, то сопротивление затвора может включать сопротивление выхода микросхемы драйвера. Поскольку время переключения и энергии меняются с температурой (главным образом из-за диода в тестовой схеме), то данные предоставляются как для комнатной температуры, так и для разогретого состояния диода и тестируемого транзистора. Также предоставляется график зависимости между временем переключения и энергиями тока стока, и сопротивлением затвора. Определения времени задержки (включения) и времени нарастания и спада тока совпадают с аналогичными временами для данных resistive switching. 

Фактические формы сигнала при переключениях используются в даташите для определения различных измеренных параметров. Рис. 14 показывает форму сигнала включения и определения, связанные с ним. Энергия переключения может быть масштабирована напрямую для изменений между напряжением в приложении и энергией при тестовом напряжении, указанном в даташите. Так что, к примеру, если тесты в даташите были проведены при напряжении 330V, и в приложении применяется напряжение 400, то для масштабирования нужно просто умножить энергию переключения из даташита на коэффициент 400/330. 

Рис. 14. Формы сигналов включения и соответствующие определения. 

Времена переключения и энергии очень зависят от других компонентов и случайных (паразитных) индуктивностей в схеме. Диод сильно влияет на энергию включения. Паразитная индуктивность, включенная последовательно с истоком, является частью пути возвратного управляющего тока, и поэтому значительно влияет на времена переключения и энергии. Таким образом, время переключения и значения энергии, представленные в даташите, могут отличаться от того, что наблюдается в реальном приложении силового узла блока питания или ключа управления мотором. 

E_on, Turn-on switching energy with diode, энергия включения с диодом. Это зафиксированная индуктивная энергия включения, которая включает индуктивный коммутирующий реверсивный ток восстановления диода в тестируемом транзисторе, и она учитывает потери при включении. Обратите внимание, что транзисторы FREDFET в схемах мостов получают жесткие условия переключения, где паразитный диод сложно коммутируется, и энергия включения примерно в 5 раз выше, чем если бы использовался дискретный диод с быстрым восстановлением, наподобие того как показано в схеме рис. 13. 

Энергия включения является интегралом результата от тока стока и напряжения сток-исток на интервале от момента, когда ток стока вырастет больше 5% или 10% от тестового тока, то момента, когда напряжение спадет ниже 5% от тестового напряжения, как это показано на рис. 14. 

E_off, Turn-off switching energy, энергия выключения. Это параметр, характеризующий фиксацию потерь на индуктивности при выключении. На рис. 13 показана схема тестирования, и рис. 15 показывает форму сигнала и определения. E_off является интегралом результата от тока стока и напряжением сток-исток на интервале времени от момента, когда напряжение затвор-исток упадет ниже 90% до момента, когда ток стока станет нулевым. Это соответствует измерениям энергии выключения по JEDEC-стандарту 24-1. 

Рис. 15. Формы сигналов выключения и соответствующие определения. 

[Температурные и механические характеристики]

R_ƟJC, Junction to case thermal resistance, тепловое сопротивления между подложкой и корпусом. Этот параметр характеризует эффективность передачи тепла от кристалла к внешнему корпусу транзистора. Выделяющееся тепло является результатом потерь мощности в самом транзисторе. Обратите внимание, что тесты компании APT показывают температуры пластмассы, совпадающую с металлической частью корпуса дискретного компонента. 

Максимальное значение R_ƟJC включает допуск, учитывающий погрешности изменения для обычного процесса производства. Из-за улучшений производственного процесса в индустрии есть тенденция сокращения разницы между максимальным значением R_ƟJC и его реальным значением. 

Z_ƟJC, Junction to case transient thermal impedance, переходной термический импеданс между подложкой и корпусом. Этот параметр учитывает теплоемкость устройства, так что он может использоваться для оценки мгновенных температур из-за потерь мощности. 

В условиях проведения теста на термоимпеданс на тестируемый транзистор прикладываются импульсы мощности различной длительности, и при этом ждут спада температуры между каждым импульсом. Это дает измерение переходного термосопротивления для «одиночного импульса». Из этого строится модель резистор-емкость (RC) по кривой изменения температуры. Рис. 16 показывает такую RC-модель переходного термосопротивления. Некоторые даташиты могут показывать конденсаторы и резисторы, включенные параллельно, но это будет ошибкой. Конденсаторы «заземлены», как это показано на рис 16, и значения компонента остаются такими же. Нет никакого физического значения для промежуточных узлов в модели. Разное количество пар резистор-конденсатор используется просто для того, чтобы создать хорошую подгонку к фактическим измененным данным термосопротивления. 

Рис. 16. RC-модель переходного термосопротивления. 

Чтобы симулировать возрастание температуры с помощью RC-модели, Вы прикладываете источник тока с магнитудой, соответствующей рассеиваемой мощности в MOSFET. Таким образом, Вы можете использовать систему PSPICE или другой программный симулятор электронных схем, чтобы применить ввод произвольных потерь мощности. Из этого Вы можете оценить повышение температуры участка подложка-корпус как напряжение на ступеньках лестницы, установив ZEXT в ноль, как это показано на рис. 16. Вы можете расширить модель, чтобы включить теплоотвод, добавив дополнительные конденсаторы и/или резисторы. 

Переходное термосопротивление в виде семейства кривых, опубликованное в даташите, это просто симуляция прямоугольного импульса, основанная на RC-модели термосопротивления. Рис. 17 показывает пример. Вы можете использовать семейство кривых для оценки пикового нарастания температуры для прямоугольных импульсов мощности, которые являются обычными в источниках питания. Однако из за того, что минимальная длительность импульса 10 мкс, график имеет значение только для частот ниже 100 кГц. На более высоких частотах Вы будете просто использовать термосопротивление R_ƟJC.

Рис. 17. Семейство кривых термосопротивления.

[Пример анализа даташита]

Предположим, что в реальном приложении ключевого блока питания Вы хотите применить жесткое переключение тока 15A на частоте 200 кГц при напряжении 400V, при средней скважности 35%. Напряжение управления затвора 15V, и сопротивление цепи управления затвора составляет 15Ω для включения и 5Ω для выключения. Также предположим, что Вы хотите позволить максимальную температуру перехода 112°C, с удержанием температуры корпуса транзистора 75°C. С транзистором, рассчитанным на 500V, есть запас только в 100V между напряжением в приложении и V_DSS. С учетом скачков напряжения на шине питания 400V узкий запас по напряжению все равно достаточен, потому что у транзистора MOSFET есть эффект лавинного пробоя, который дает «безопасную цепь». Это конфигурация с продолжительной проводимостью, так что быстро восстанавливающийся диод FREDFET не нужен, MOSFET будет работать достаточно хорошо. Такой транзистор Вам следует выбрать? 

Поскольку это приложение с довольно высокой частотой переключения, то лучшим выбором будет серия Power MOS 7. Посмотрим на транзистор APT50M75B2LL. Его расчетный ток 57A, что больше чем в 3 раза переключаемого тока — хорошая стартовая точка, учитывая высокую частоту и жесткое переключение. Давайте оценим потери проводимости, потери переключения, и посмотрим, будет ли тепло рассеиваться достаточно быстро. Общая мощность, которую можно рассеять: 

При 112°C сопротивление R_DS(on) примерно в 1.8 раз больше, чем при комнатной температуре (см. рис. 3). Так что потери на проводимость составят: 

Pconduction = (1.8*0.075Ω * 15A) * 15A = 30.4 Вт 

Для оценки потерь на включение мы можем посмотреть на график зависимости потерь переключения от тока при температуре 125°C, показанный на рис. 18. Даже при том, что наше приложение требует максимальную температуру перехода 112°C, этот график будет достаточно точен, потому что энергия переключения MOSFET не чувствительна к температуре, за исключением изменений температуры, связанных с диодом в схеме. Поэтому не будет больших изменений при переходе от 112°C к 125°C. В любом случае, наша оценка будет консервативной. 

Рис. 18. Индуктивные потери переключения. 

По рис. 18 на токе 15A значение E_on будет около 300 μJ, и E_off около 100 μJ. Значения были измерены при 330V, а в нашем приложении на шине питания 400V. Так что мы можем просто сделать масштабирование энергий переключения по напряжению:

Данные на рис. 18 были также измерены при сопротивлении затвора 5Ω, и мы будем использовать 15Ω при включении. Поэтому мы можем использовать график зависимости энергии переключения от данных сопротивления затвора, показанный на рис. 19, чтобы снова сделать масштабирование энергии. 

Рис. 19. Зависимость энергии переключения от сопротивления затвора. 

Даже при том, что тестовый ток на рис. 19 больше, чем в нашем приложении, разумно учесть соотношение в изменении энергии переключения между рис. 19 и нашим случаем. От 5Ω до 15Ω значение E_on поменяется с коэффициентом около 1.2 (1500μJ / 1250μJ, см. рис. 19). Применим это с данным, скорректированным по напряжению, которые мы видим на рис. 18, и получим E_on = 1.2*364μJ = 437μJ. 

Потери на переключение составят: 

Pswitch = fswitch — ( Eon + Eoff) = 200kHz — (437μJ +121μJ) = 112 Вт

Pconduction + Pswitch = 142.4 Вт, что дает возможность сохранить температуру перехода ниже 112°C в случае корпуса, охлажденного до 75°C. Так что APT50M70B2LL будет удовлетворять требованиям этого примера применения. Такая же техника может использоваться для менее мощных транзисторов MOSFET. На практике потери часто больше всего бывают на переключении. Чтобы поместить транзистор на радиатор и поддерживать температуру корпуса 75°C вероятно потребуется керамическая прокладка (для электрической изоляции) между корпусом и теплоемким радиатором. Преимущество MOSFET состоит в том, что могут применяться демпферы и/или техники резонанса для уменьшения потерь на переключение, причем с транзисторами MOSFET не нужно беспокоиться о влиянии на переключение эффектов зависимости от напряжения или температуры.

[UPD160207. Figure-of-merit]

Для оценки транзисторов FET применяют так называемый показатель качества, Figure of merit (FOM) [11]. Он учитывает одновременно потери на включенном транзисторе и потери на переключение. Обычно FOM вычисляется как произведение сопротивления канала сток-исток открытого транзистора R_(DS)ON на заряд затвора Q_G. Q_G это заряд, который надо поместить на затвор транзистора MOSFET, чтобы он полностью открылся. С точки зрения рационального дизайна трудно одновременно снизить оба параметра, так что они хороши для оценки качества разработки ключа на полевом транзисторе.

Конечно, сравнение имеет смысл делать только в неком стандартном наборе условий. Это означает, что не только напряжение между затвором и истоком V_GS поставляет заряд, также и напряжение сток-исток V_DS влияет на сопротивление R(DS). (Это означает, что не просто канал полностью открыт, а то, что сопротивление R(DS) изменяется вверх и вниз.) Усложненный анализ учитывает, что R_(DS)ON немного меняется с током стока, так что при сравнении переключающихся транзисторов рабочий ток стока I_D также должен быть определен.

Иногда Вы увидите незначительно отличающийся показатель качества FOM: FOMSW, который будет произведением от which R_(DS)ON и Q. Он характеризует заряд переключения, который немного меньше Q_G.

[Ссылки]

1. Power MOSFET tutorial site:eetimes.com.
2. R. Severns, E. Oxner; «Parallel Operation of Power MOSFETs», technical article TA 84-5, Siliconix Inc. 
3. J. Dodge; «Latest Technology PT IGBTs vs. Power MOSFETs», application note, Advanced Power Technology.
4. R. Frey, D. Grafham — APT, T. Mackewicz — TDIDynaload; «New 500V Linear MOSFETs for a 120 kW Active Load», application note APT0002, Advanced Power Technology.
5. Реле и транзисторы: как они работают в качестве электронных переключателей.
6. JFET site:wikipedia.org.
7. Bipolar junction transistor site:wikipedia.org.
8. N. Mohan, T. Undeland, W. Robbins; «Power Electronics » Converters Applications, and Design», text book published by Wiley.
9. K. Dierberger, «Gate Drive Design for Large Die MOSFETs», application note APT9302, Advanced Power Technology.
10. R. McArthur, «Making Use of Gate Charge Information in MOSFET and IGBT Datasheets», application note APT0103, Advanced Power Technology.
11. Оценка качества транзисторов MOSFET.

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 10¹⁷ 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

исследование транзистора с помощью мультиметра

В современной электронике MOSFET-транзисторы являются одними из самых широко применяемых радиоэлементов. Несмотря на свою надёжность, они нередко выходят из строя, что связано с нарушениями режима в их работе. При этом поиск неисправного элемента в связи со спецификой устройства полевого транзистора вызывает определённые трудности. Но зная принцип работы радиодетали, проверить мосфет мультиметром не так уж и сложно.

Особенности работы MOSFET

Отличие полевого транзистора от классического биполярного состоит в том, что его работа зависит от приложенного напряжения, а не тока. В литературе часто такой радиоэлемент называют МОП-транзистор (метал-оксид-полупроводник) или МДП-транзистор (метал-диэлектрик-полупроводник). В английском варианте его название звучит как мосфет, образованное от MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor).

Полевые транзисторы являются активными элементами, то есть их работа невозможна без приложения к выводам напряжения. Впервые идея создания прибора, поток носителей заряда в котором управляется величиной приложенного напряжения, была предложена австро-венгерским учёным Юлием Лилиенфельдом. Однако отсутствие технологий создания такого устройства позволило выпустить прототип лишь в 1960 году. С 1977 году мосфеты начали применять при производстве электронно-вычислительных машин, тем самым увеличивая производительность последних.

Различные учёные мира постоянно ведут исследования по улучшению работы электронного прибора, поэтому на сегодняшний день изобретено и внедрено в производство несколько видов полевых транзисторов. Каждый из них обладает своими преимуществами и недостатками, но общий принцип работы у них одинаков.

Виды и конструкция

Разделяют мосфеты на две группы. В зависимости от вида управляющего электрода они могут быть: с p-n переходом и изолированным затвором. В последнее время первого вида элементы начинают использовать всё реже. Транзисторы с управляющим p-n переходом конструктивно представляют собой полупроводниковое основание, основными носителями заряда которого могут быть как дырки (p-тип) так и электроны (n-тип).

На концах основания выполняются выводы, называемые сток и исток. К этим контактам подключается управляемая часть схемы. Управление же прибором происходит через третий вывод транзистора (затвор), образованный путём соединения с основанием проводника обратной проводимости. Таким образом, p-n транзистор имеет три вывода:

1. Исток — вход, через который поступают основные носители энергии.
2. Сток — выход устройства, через который уходят основные носители энергии.
3. Затвор — вывод управляющий прохождением зарядов через прибор.

В зависимости от типа проводимости управляющего электрода такие мосфеты делятся на n и p типа.

Радиоэлемент с изолированным затвором устроен иначе. Его затвор отделён от основания слоем диэлектрика. При изготовлении прибора используется полупроводник, обладающий высоким удельным сопротивлением. Его называют подложкой или затвором. На нём создаются две зоны с обратным типом проводимости — сток и исток. Таким образом, получается три области. Расстояние между управляемыми электродами очень мало, а отделяемый от них затвор покрывается слоем диэлектрика порядка 0,1 микрометра. Обычно в качестве диэлектрика используется соединение SiO2.

В зависимости от способа изготовления устройства с изолированным контактом разделяют на два типа: обеднённые и обогащённые. Первые выпускаются только n-типа и могут иметь два затвора, а вторые бывают как n, так и p-типа.

Обогащённого типа устройства называются транзисторами с индуцированным каналом. В них управляемые контакты не связаны проводящим слоем. Поэтому ток на стоке появляется только при приложении определённой разности потенциалов к затвору относительно истока. Обеднённые транзисторы в своей конструкции содержат встроенный канал, из-за чего транзистор реагирует на напряжение как положительной, так и отрицательной полярности.

Характеристики радиоэлемента

На схемах и в литературе принято обозначать мосфет латинскими буквами VT, после которых идёт его порядковый номер в схеме. Графически полевой элемент изображается кругом, в середине которого рисуются прямые линии, обозначающие путь прохождения тока. На выводе затвора указывается в виде стрелки тип проводимости. Затвор, сток и исток подписываются соответственно буквами латинского алфавита — S, D, G.

Полевые устройства характеризуются множеством параметров. Но среди основных выделяют следующие характеристики:

1. Напряжение между управляемыми электродами. Показывает величину напряжения, которое может выдержать транзистор без ухудшения своих параметров. То есть практически это максимальное напряжение источника питания, на работу с которым рассчитан транзистор.
2. Сила тока стока. Обычно указывается максимальное значение для определённой величины постоянного напряжения, приложенного к затвору — истоку.
3. Импеданс канала сток-исток в открытом состоянии. Чем это значение будет больше, тем хуже работает транзистор, так как на сопротивлении возникают потери энергии, и увеличивается нагрев мосфета.
4. Мощность рассеивания. Зависит от температуры окружающей среды. Этот параметр изображается в виде характеристики, показывающей зависимость мощности от температуры.
5. Уровень насыщения канала исток-затвор. Обозначает граничную величину разности потенциалов, при преодолении которой ток через канал не проходит.
6. Порог включения. Это минимальное напряжение, которое необходимо приложить к транзистору для открытия его проводящего канала.
7. Ёмкость затвора. Существенный недостаток полевых транзисторов связан именно с этим параметром. Так, из-за паразитной ёмкости ограничивается применение устройств в высокочастотных цепях, снижая скорость переключения режимов работы.

Важно также знать, что мосфеты чувствительны к статическому электричеству, особенно это касается приборов с изолированным затвором. Поэтому проводя проверку полевого транзистора мультиметром, следует надеть на обе руки антистатические браслеты, при этом также не стоит надевать на себя шерстяную одежду.

Принцип работы

Суть работы радиоэлемента с изолированным затвором заключается в управлении величиной тока, проходящего через него, с помощью изменения разности потенциалов. Когда к истоку и затвору прикладывается напряжение, то в приборе образуется электрическое поле поперечное приложенному. Это поле увеличивает число свободных носителей заряда в приповерхностном слое.

Из-за этого возле диэлектрика начинает скапливаться значительное количество носителей заряда, в результате чего формируется зона проводимости. Через эту область начинает протекать ток, то есть между управляемыми выводами. При снятии напряжения с открытого затвора проводимость исчезнет, и течение тока прекратится.

Немного другие процессы происходят в работе полевого транзистора с p-n переходом. Если на этот переход подаётся напряжение обратное основным носителям заряда, его область начинает расширяться. Увеличение перехода приводит к сужению толщины проводящего канала, а значит, увеличению сопротивления. В результате проходящий между стоком и истоком ток уменьшается. Таким образом, изменяя уровень напряжения, изменяется и сила тока, проходящая через транзистор.

Способы измерения

Для измерения параметров полевых транзисторов применяются специализированные приборы. В основе их работы лежит использование микроконтроллера и встроенного генератора. Сигнал определённого вида подаётся на контакты транзистора, в результате чего изменяется. С помощью встроенного анализатора устройство оценивает эти изменения и преобразует данные в удобную для восприятия информацию. Вся суть пользования таким измерителем сводится к установлению мосфета в специальные контактные площадки и нажатии кнопки запуск.

В быту же радиолюбителями часто применяются самодельные устройства. Так, простейшего вида приспособление из нескольких элементов позволяет измерить сопротивление каналов. Для этого используется: вольтметр, автомобильная лампочка, источник напряжения и резистор номиналом около 100 Ом. Собрав такую схему, можно без труда измерить Rds радиоэлемента, тем самым проверить мосфет на работоспособность.

Но проще всего и быстрее для диагностики радиоэлемента использовать мультиметр. С его помощью несложно проверить мосфет на способность работы в ключевом режиме. И если по результатам проверки он нормально открывается и закрывается, то вероятность его исправности очень велика.

Транзистор с управляющим электродом

Для лучшего понимания процесса проверки мосфета его можно представить в виде эквивалентной схемы как треугольник. Две стороны такого треугольника представляют собой два диода, а третья — резистор. При этом точка соединения диодов считается затвором, а соединение их с резистором — стоком и истоком.

Представив эквивалентную схему, можно приступить к проверке элемента. Для примера удобно рассмотреть один из типов проводимости, например, n-тип:

1. Измерение сопротивление канала. Для этого с помощью переключателя выбора измерений мультиметр устанавливается в режим проверки сопротивления. Предел измерения выбирается около двух мегом. Щупами прибора касаются стока и истока транзистора. В результате на экране мультиметра появится число равное сопротивлению перехода. После меняется полярность щупов, и снова измеряется сопротивление. При исправном мосфете эти значения должны быть примерно одинаковыми. Такое подключение на эквивалентной схеме соответствует положению, когда измерялась бы величина сопротивления резистора.
2. Проверка перехода затвор-исток. Для этого мультиметр переключается в режим прозвонки диодов. Измерительным проводом, подключённым к плюсу тестера, прикасаются к затвору, а минусовым — к истоку. Итогом такого действия будет измерение мультиметром падения напряжения на открытом переходе. Его значение должно составлять примерно 600–700 милливольт. На следующем этапе изменяется полярность приложенных проводов. Если мосфет исправен, тестер покажет бесконечность. Это будет обозначать, что переход закрыт.
3. Исследование перехода сток-затвор. Мультиметр оставляется в режиме прозвонки диодов. Но положительным щупом прикасаются к затвору, а отрицательным к стоку. В этом случае тестер должен показать падение напряжения на переходе порядка 600–700 милливольт. При смене полярности в случае работоспособности транзистора тестер покажет бесконечность.

Если все три пункта выполнились правильно, мосфет считается работоспособным. Проверка радиоэлемента другого типа осуществляется аналогично, только изменяется полярность подключению щупов.

Мосфет с изолированным затвором

Такой вида транзистора имеет в своём корпусе встроенный диод, располагающийся между истоком и стоком, поэтому первоначально на исправность проверяется именно он. Для его проверки мультиметр переключается в режим проверки диодов, а его щупы подключаются к стоку и истоку. В прямом направлении прибор должен показать падение напряжения, а в случае смены полярности — бесконечность.

Основная проверка транзистора заключается в имитации его работы в режиме ключа. В случае радиоэлемента n-типа его диагностика осуществляется следующим образом:

1. Мультиметр переключается на проверку диодов.
2. Щупом, подключённым к минусу, дотрагиваются до истока, а к плюсу — до затвора.
3. Плюсовой провод переносится к стоку. Если мосфет рабочий, то сопротивление перехода будет очень низким, то есть канал станет открытым.
4. Далее, положительный щуп подключается к истоку, а отрицательный — к затвору. После этих действий транзистор закроется.

По результатам измерения делается вывод о работоспособности элемента. Таким образом, соблюдая последовательность приведённых действий, можно проверить мосфет любого типа на работоспособность с помощью мультиметра.

мосфет или полевик, мультиметром не выпаивая, с изолированным затвором на неисправность

Использование полевых транзисторов очень распространено. Если происходит поломка необходимо найти неисправную деталь. Иногда требуется точно определить, работоспособен ли полевой транзистор. Это возможно выполнить с использованием мультиметра. Как проверить полевик — подробнее рассказывается далее.

Полевой транзистор — что это

Он включает три основных элемента — исток, затвор и сток. Для их создания используются полупроводники n-типа и p-типа. Они могут сочетаться одним из способов:

1. Сток, исток соответствуют n-типу, а затвор — p-типу. Их называют транзисторы n-p-n типа.
2. Такие, у которых используется полярность p-n-p. Тип проводимости у каждой части транзистора изменён на противоположный в сравнении с предыдущим вариантом.

Проверка мультиметром

Если эту деталь соединить с источником питания, то ток будет отсутствовать. Но всё будет иначе, если это сделать между истоком и затвором или стоком и затвором. Нужно, чтобы к затвору было приложено напряжение, соответствующее по знаку его типу проводимости (положительное для p-типа, отрицательное для n-типа). Тогда через эту деталь потечёт ток. Чем более высокое напряжение было подано на затвор, тем он будет сильнее.

Отличие полевого от биполярного транзистора

Транзистор станет открытым при условии, что на затвор подаётся разность потенциалов нужной полярности. В этом случае при помощи электрического поля создаётся канал между истоком и стоком, через который могут перемещаться электрические заряды. У других разновидностей транзисторов управление происходит на основе тока, а не напряжения.

Рассматриваемые электронные компоненты также называют мосфетами. Это слово происходит из аббревиатуры MOSFET — Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (в переводе это означает: металл-окисел-полупроводник полевой транзистор).

Разновидности полевиков

Как работает

Полевой транзистор отличается от других разновидностей особенностями своего устройства. Он может относиться к одному из двух типов:

• с управляющим переходом;
• с изолированным затвором.

Первые из них бывают n канальными и p канальными. Первые из них более распространены. Они используют следующий принцип действия.

В качестве основы используется полупроводник с n-проводимостью. К нему с противоположных сторон присоединены контакты истока и стока. В средней части с противоположных сторон имеются вкрапления проводника с p-проводимостью — они являются затвором. Та часть полупроводника, которая между ними — это канал.

Транзистор с управляющим переходом

Если к истоку и стоку n канального транзистора приложить разность потенциалов, то потечёт ток. Однако при подаче на затвор отрицательного напряжения по отношению к истоку, то ширина канала для перемещения электронов уменьшится. В результате сила тока станет меньше.

Таким образом, уменьшая или увеличивая ширину канала, можно регулировать силу тока между истоком и стоком или изолировать их друг от друга.

В p-канальных транзисторах принцип работы будет аналогичным.

Этот тип полевых транзисторов становится менее распространённым, а вместо него получают всё большее распространение те, в которых используется изолированный затвор. Они могут относиться к одному из двух типов: n-p-n или p-n-p. У них принцип действия является аналогичным. Здесь будет рассмотрен более подробно первый из них: n-p-n.

В этом случае в качестве основы для транзистора применяется полупроводник p-типа. В него встраиваются две параллельно расположенные полоски полупроводника с другим типом основных носителей заряда. Между ними по поверхности прокладывается изолятор, а сверху устанавливается слой проводника. Эта часть является затвором, а полоски — это исток и сток.

Устройство транзистора

Когда на затвор подаётся положительное напряжение по отношению к истоку, на пластину попадает положительный заряд, создающий электрическое поле. Оно притягивает к поверхности положительные заряды, создавая канал для протекания тока между истоком и стоком. Чем сильнее напряжение, поданное на затвор, тем более сильный ток проходит между истоком и стоком.

Для всех типов полевых транзисторов управление происходит при помощи подачи напряжения на затвор.

Транзистор открыт

Какие случаются неисправности

Полевые транзисторы могут быть перегружены током во время проведения проверки и, в результате перегрева прийти в неисправное состояние.

Важно! Они уязвимы к статическому напряжению. В процессе проведения работы нужно обеспечить, чтобы оно не попадало на проверяемую деталь.

При работе в составе схемы может произойти пробой, в результате которого полевой транзистор становится неисправным и подлежит замене. Его можно обнаружить по низкому сопротивлению p-n-переходов в обоих направлениях.

Определить то, насколько транзистор является работоспособным можно, если прозвонить его с помощью цифрового мультиметра.

Назначение выводов

Это нужно делать следующим образом (для примера используется широко распространённая модель М-831, рассматривается полевой транзистор с каналом n-типа):

1. Мультиметр нужно переключить в режим диодной проверки. Он отмечен на панели схематическим изображением диода.
2. К прибору присоединены два щупа: чёрный и красный. На лицевой панели имеются три гнезда. Чёрный устанавливают в нижнее, красный — в среднее. Первый из них соответствует отрицательному полюсу, второй — положительному.
3. Нужно на тестируемом полевом транзисторе определить, какие выходы соответствуют истоку, затвору и стоку.
4. В некоторых моделях дополнительно предусмотрен внутренний диод, защищающий деталь от перегрузки. Сначала нужно проверить то, как он работает. Для этого красный провод присоединяют к истоку, а чёрный — к стоку.

Проверка диода в прямом направлении

На индикаторе должно появиться значение, входящее в промежуток 0,5-0,7. Если провода поменять местами, то на экране будет указана единица, что означает, что ток в этом направлении не проходит.

Проверка диода в обратном направлении

5. Дальше осуществляется проверка работоспособности транзистора.

Если присоединить щупы к истоку и стоку, то ток не будет проходить по ним. Чтобы открыть затвор. Необходимо подать положительное напряжение на затвор. Нужно учитывать, что на красный щуп подан от мультиметра положительный потенциал. Теперь достаточно его соединить с затвором, а чёрный со стоком или истоком, для того, чтобы транзистор стал пропускать ток.

Открытие канала

Теперь, если красный провод подключить к истоку, а чёрный — к стоку, то мультиметр покажет определённую величину падения напряжения, например, 60. Если подключить наоборот, то показатель будет примерно таким же.

Если на затвор подать отрицательный потенциал, то это закроет транзистор в обоих направлениях, однако будет работать встроенный диод. Если полевик закрыт не будет, то это указывает на его неисправность.

Проверка мофсета с p-каналом выполняется аналогичным образом. Отличие состоит в том, что при проверке там, где раньше использовался красный щуп, теперь используется чёрный и наоборот.

Работа полевого МДП транзистора

Способы устранения

Для того, чтобы при проверке не повредить деталь, нужно применять при проверке такие мультиметры, у которых используется рабочее напряжения не более 1,5 в.

Если в результате проверки на мультиметре было обнаружено, что полевой транзистор вышел из строя, то его необходимо заменить на новый.

Инструкция по прозвонке без выпаивания

Чтобы проверить, исправен ли полевой транзистор, нужно его выпаять и прозвонить с мультиметром. Однако могут возникать ситуации, когда нужно в схеме есть несколько таких деталей и неизвестно, какие из них исправны, а какие — нет. В этом случае полезно знать, как проверить полевой транзистор мультиметром не выпаивая.

Цифровой мультиметр

В этом случае применяют проверку без выпаивания. Она даёт примерный результат.

Важно! После того, как будет определён предположительно неисправный элемент, его отсоединяют и проверяют, получив точную информацию о его работоспособности. Если он функционирует нормально, его устанавливают на прежнее место.

Проверка без выпаивания выполняется следующим образом:

1. Перед проведением прозвонки полевого транзистора цифровым мультиметром устройство отключают от электрической розетки или от аккумуляторов. Последние вынимают из устройства.
2. Если красный щуп соединить с истоком, а чёрный — со стоком, то можно рассчитывать, что мультиметр покажет 500 мв. Если на индикаторе можно увидеть эту или превышающую её цифру, то это говорит о том, что транзистор полностью фунукционален. В том случае, если эта величина гораздо меньше — 50 или даже 5 мв, то в этом случае можно с высокой вероятностью предположить неисправность.

С управляющим p-n-переходом

3. Если красный мультиметровый щуп переставить на затвор, а чёрный оставить на прежнем месте, то на индикаторе можно будет увидеть 1000 мв или больше, что говорит об исправности полевого транзистора. Когда разница составляет 50 мв, то это внушает опасение, что деталь испорчена.
4. Если чёрный щуп тестера поставить на исток, а красный поместить на затвор, то для работоспособного транзистора можно ожидать на дисплее 100 мв или больше. В тех случаях, когда цифра будет меньше 50 мв, имеется высокая вероятность того, что проверяемая деталь неработоспособна.

Нужно учитывать, что выводы, получаемые без выпайки, носят вероятностный характер. Эти данные позволяют получить предварительные выводы об используемых в схеме полевых транзисторах.

Для проверки их нужно выпаять, произвести проверку и установить, если работоспособность подтверждена.

Подготовка к работе

Правила безопасной работы

Мосфеты очень уязвимы по отношению к статическому электричеству. В этом случае может произойти пробой. Для того, чтобы этого не случилось, нужно при помощи проведения тестирования его удалять.

При пайке возможна ситуация, когда тепло, попадающее на транзистор, приведёт к его порче. В этом случае нужно обеспечить теплоотвод. Для этого достаточно придерживать выводы транзистора плоскогубцами в процессе пайки.

Полевики имеют широкое распространение в современных электронных приборах. Когда происходит поломка, необходимо знать, как проверить мосфет. Выяснить, исправен ли он, возможно, если использовать для этого мультиметр.

Поведение высоковольтных MOSFET транзисторов в преобразователях с мягким переключением: анализ и повышение надежности — Компоненты и технологии

В данной статье анализируется поведение MOSFET-транзистора при высоком напряжении питания в мощном конверторе с преобразованием при нулевом напряжении, и выдвигается оригинальная теория причины пробоя MOSFET-транзистора. Здесь также предложены новые технические решения по повышению устойчивости транзистора и, следовательно, надежности всего оборудования.

Преимущества схем конверторов с мягким переключением и, в частности, с переключением при нулевом напряжении (ПНН, также называемое переходом при нуле напряжения или резонансным переходом), известны большинству специалистов. Высокочастотные конверторы, запитываемые от источника высоковольтного напряжения, демонстрируют значительно улучшенные характеристики при использовании топологии с мягким переключением. К данным улучшениям можно отнести:

1. уменьшенные потери на переключение, которые позволяют повысить частоту преобразования и устанавливать реактивные компоненты меньших размеров;
2. уменьшенные электромагнитные и радиопомехи;
3. отсутствие потребности в сложных и дорогостоящих снабберных схемах;
4. использование паразитных элементов схемы для организации резонансного перехода.

Благодаря перечисленным преимуществам топологию с переключением при нулевом напряжении в настоящее время широко используют в силовой электронике и особенно в телекоммуникационных системах электропитания.

MOSFET-транзистор наиболее часто используется в качестве управляемого транзисторного ключа в мостовом преобразователе с переключением при нулевом напряжении. MOSFET-транзистор способен работать на высоких частотах переключения, и его внутренний паразитный диод экономит дополнительный внешний компонент, который необходим в преобразователе для фиксирования напряжения переключения на уровне напряжения источника питания. И внутренний паразитный диод и выходная емкость транзистора являются существенными компонентами для организации резонансного перехода.

Хотя в мостовом преобразователе с переключением при нулевом напряжении MOSFET-транзистор устойчиво работает внутри своей области безопасной работы, и его внутренний паразитный диод никогда не подвергается жесткому выключению, на практике случаются некоторые «необъяснимые» отказы из-за неизбежного использования внутреннего паразитного диода.

В данной статье анализируется поведение MOSFET-транзистора при высоком напряжении питания в мощном конверторе с преобразованием при нулевом напряжении, и выдвигается оригинальная теория причины пробоя MOSFET-транзистора.

Предложены новые технические решения по повышению устойчивости транзистора и, следовательно, надежности всего оборудования. Эффективность этих решений подтверждена работой телекоммуникационного источника электропитания мощностью 6000 Вт и выходного тока 100 А.

Введение

Выпрямитель с выходными параметрами 60 В, 100 А для применения в телекоммуникационных устройствах был разработан с использованием силовых MOSFET-транзисторов на 1000 В в узле DC/DC-конвертора с ПНН. Первоначально использовались компоненты со стандартным восстановлением, поскольку считалось, что внутренние паразитные диоды никогда не подвергаются жесткому выключению, то есть к диодам никогда не прикладывается обратное напряжение, пока по ним протекает прямой ток.

На этапе серийного производства мы фиксировали множество отказов MOSFET-транзисторов в преобразователе с ПНН. Последующее исследование определенно доказало, что транзистор надежно работал в пределах своей области безопасной работы (SOA). Фактически, мы могли продемонстрировать, что при всех возможных нормальных и критических условиях все статические и переходные электрические параметры MOSFET-транзистора оставались в пределах максимально допустимых значений.

В результате анализа отказов, выполненного на статистически значимом количестве компонентов, была получена следующая информация:

1. Наименьшее значение времени обратного восстановления внутреннего паразитного диода уменьшало число отказов. Обратите внимание на то, что мы могли контролировать, устанавливая схему обнаружения и регистрации во всех источниках питания, что внутренний диод MOSFET-транзистора работал без жесткого выключения.
2. Все отказы случались, когда выходная нагрузка снижалась до уровня менее 25% от ее максимальной величины, несмотря на тот факт, что в этом случае MOSFET-транзисторы менее нагружены (то есть работают с более низким значением тока, мощности рассеяния, dv/dt, перенапряжения и т. д.), чем в том случае, когда нагрузка увеличена.
3. Оборудование, которое работало ниже критического значения недонагруженности в течение достаточно длительного промежутка времени, продолжало и дальше работать, практически без отказов MOSFET-транзисторов.
4. Обычно, если в оборудовании происходил отказ MOSFET-транзистора, то после замены неисправного компонента оно работало без аналогичного отказа.

В данной статье делается попытка дать объяснение вышеупомянутой информации, а также предлагаются способы устранения отказов MOSFET-транзистора.

Основные режимы работы мостового преобразователя с использованием фазосдвигающей ШИМ с переключением при нулевом напряжении

Типовая схема (рис. 1) [1–4, 7] включает 4 транзисторных ключа S1–S4, каждый из которых зашунтирован антипараллельным диодом и выходной емкостью. Дополнительная индуктивность и два небольших фиксирующих диода [1] задействованы в первичной обмотке трансформатора для поддержания режима мягкого переключения при уменьшенной нагрузке и ограничения перенапряжения на выходных выпрямительных диодах.

Рис. 1. Мостовой преобразователь с переключением при нулевом напряжении

Преобразователь работает с фиксированной частотой переключения 50 кГц и с регулируемым напряжением питания 800 В. Выходной выпрямитель представляет собой удвоитель тока. Эффективное значение коэффициента заполнения (установленного для напряжения на входе трансформатора) определяется периодом между коммутациями двух плеч моста. В данном преобразователе вместо модуляции фактической ширины импульса драйверов затворов мы поддерживаем коэффициенты заполнения затвора (и транзисторного ключа соответственно) на фиксированном уровне 50% и изменяем момент переключения плеча S3–S4.

Транзисторные ключи в преобразователе работают с отсутствием потерь при включении и с уменьшенными потерями при выключении. Из-за индуктивной нагрузки плеча моста и тока, текущего в нагрузке, будет естественная замена тока транзисторного ключа током антипараллельного диода другого транзисторного ключа в том же самом плече, которая приведет к фактически нулевому напряжению на транзисторном ключе к моменту включения. Это, в свою очередь, исключает потери мощности, вызванные, вопервых, одновременным наличием тока и напряжения в транзисторном ключе при каждом переключении и, во-вторых, разрядом выходной емкости транзисторного ключа. Выходная емкость работает как емкостной снаббер, уменьшая потери на выключение, вызванные конечным временем выключения транзисторного ключа. Паразитные элементы схемы (выходная емкость, индуктивность намагничивания и рассеяния, антипараллельный диод) преимущественно используются для содействия резонансному переключению с низкими потерями.

Транзисторные ключи в данном преобразователе используются иначе, чем в стандартном преобразователе с жестким переключением, так как внутренний антипараллельный диод MOSFET-транзистора и выходная емкость становятся существенными компонентами в резонансном переходе. Временная диаграмма (рис. 2) демонстрирует работу преобразователя.

Рис. 2. Временная диаграмма работы мостового преобразователя с переключением при нулевом напряжении

Полный цикл переключения состоит из семи стадий.

Стадия 1. Передача мощности

Диагональные транзисторные ключи S1 и S4 находятся в открытом состоянии. V_A = 800 В, так как ключ S1 открыт; V_B = 0 В, поскольку ключ S4 тоже открыт; V_P равно полному напряжению питания 800 В. На этой стадии первичный ток трансформатора I_P увеличивается из-за вклада тока намагничивания и особенно из-за тока в выходных катушках индуктивности. Антипараллельные диоды транзисторных ключей не участвуют в работе схемы и ток не проводят. Мощность передается с входа на выход. Эта часть цикла характеризуется открытым состоянием схемы.

Стадия 2. Резонансный переход: от передачи мощности к свободной циркуляции тока

В конце стадии передачи мощности транзисторный ключ S4 переходит в выключенное состояние. Так как ток катушки индуктивности не может резко меняться, он продолжает течь, перезаряжая выходные емкости транзисторных ключей S3, S4 и, таким образом, уровень напряжения в точке V_B поднимается до значения напряжения источника питания 800 В.

Стадия 3. Свободная циркуляция тока (антипараллельный диод)

Когда напряжение в точке V_B достигает напряжения источника питания, антипараллельный диод транзисторного ключа S3 начинает проводить ток, фиксируя напряжение V_B на уровне 800 В. Полный ток первичной обмотки I_P теперь течет через антипараллельный диод.

Стадия 4. Свободная циркуляция тока (антипараллельный диод + переход «сток–исток» транзистора)

Через несколько сотен наносекунд после того, как антипараллельный диод транзистора S3 начал проводить ток, включается транзистор S3 с целью снижения потерь проводимости за счет совмещения открытого перехода «сток–исток» MOSFET-транзистора с открытым состоянием антипараллельного диода. Обратите внимание, что включение транзистора S3 имеет место при нулевом напряжении «сток–исток» транзистора, поэтому включение транзистора происходит без потерь.

Часть (отрицательного) первичного тока I_P теперь течет через переход «сток–исток» транзистора S3; остающийся ток течет в антипараллельном диоде. Весь ток транзистора S1 положителен и течет в переходе «сток–исток» транзистора. V_A = 800 В, так как транзистор S1 открыт; V_B = 800 В, так как транзистор S3 тоже открыт, и V_P = 0 В.

Рассмотренная часть цикла характеризуется свободной циркуляцией тока. Это позволяет фиксировать частоту преобразования; фактически, данная ситуация сохраняется до начала включения другой диагонали (прохождение тока через транзисторы S2 и S3). Эта часть цикла обычно длится несколько микросекунд.

Стадия 5. Резонансный переход: от свободной циркуляции тока к передаче мощности

Транзисторный ключ S1 выключен, и ток в нем отклонен от перехода «сток–исток» транзистора к выходной емкости. Если ток перехода «сток–исток» транзистора спадает к нулю прежде, чем существенно повысилось напряжение V_DS, мы получаем выключение без потерь. Ток теперь перезаряжает выходные емкости S1 и S2, устанавливая напряжение V_A от 800 к 0 В.

Стадия 6. Резонансный переход: от свободной циркуляции тока к передаче мощности (антипараллельный диод)

Когда точка V_A достигает нулевого напряжения, антипараллельный диод S2 начинает проводить ток, фиксируя напряжение в точке V_A на нулевом уровне. Весь первичный ток I_P теперь течет в антипараллельном диоде транзистора S2, а также в антипараллельном диоде и переходе «сток–исток» транзистора S3. Напряжение в точке V_A = 0 В, так как S2 открыт; напряжение в точке V_B = 800 В, поскольку S3 открыт, и V_P = –800 В. Ток I_P быстро уменьшается, так как токи в трансформаторе и во внешних катушках индуктивности теперь текут в разных направлениях.

Стадия 7. Передача мощности

Стадия 6 длится несколько сотен наносекунд, пока не откроется транзистор S2. Далее он опять включается без потерь при отсутствии напряжения на переходе «сток–исток». Ток через антипараллельные диоды транзисторов S2 и S3 быстро спадает к нулю, потому что переход «сток–исток» транзистора MOSFET отводит от них часть тока, в основном потому, что полярность напряжения на первичной обмотке трансформатора меняет направление тока I_P на противоположное.

К моменту завершения процесса накопления заряда в катушках индуктивности мощность передана на выход, и преобразователь находится в состоянии, подобном стадии 1. Согласно параметрам нашей схемы, цикл длится приблизительно 7 мкс. Теперь преобразователь готов повторить следующий цикл, сходный с вышеупомянутым, на сей раз с диагональной парой S2–S3.

Как мы можем видеть, транзистор MOSFET всегда выключается только после того, как ток в его антипараллельном диоде полностью изменил направление и в течение нескольких микросекунд протекал непосредственно в переходе «сток–исток» транзистора MOSFET; следовательно, после того, как антипараллельный диод прекращает проводить ток, он несколько микросекунд подвергается воздействию высокого значения dv/dt.

Описание антипараллельного диода

Все мощные MOSFET-транзисторы имеют паразитный биполярный транзистор в своей структуре. Вертикальная ДМОП-структура, как показано на рис. 3, имеет переход «база–эмиттер» биполярного транзистора, закороченный металлизацией истока, и формирует таким образом «антипараллельный диод».

Рис. 3. Вертикальное поперечное сечение ДМОП-структуры

Если этот паразитный биполярный транзистор становится активным, может произойти классический случай вторичного пробоя с перераспределением тока. Этот механизм достаточно хорошо описан в литературе, а также в статьях по применению MOSFET-транзистора [5, 6].

Захват тока приводит к локальному нагреву, увеличивая тем самым усиление биполярного транзистора, от этого сокращается значение тока, и, в конечном счете, транзистор отказывает. При прямом смещении антипараллельного диода неосновные носители, остающиеся в области базы в течение времени восстановления диода, могут вызвать разрушение транзистора.

Теория механизма разрушения

Согласно общим представлениям о топологии переключения при нулевом напряжении (ПНН), где MOSFET-транзистор находится в открытом состоянии, в то время как внутренний паразитный диод проводит ток, этот диод не будет подвержен вторичному пробою, поскольку ток полностью протекает в обратном направлении в течение достаточно продолжительного для восстановления диода промежутка времени.

В действительности заряд останется запасенным во внутреннем паразитном диоде на более длительное время, чем величина времени обратного восстановления, указанная в документации, либо до тех пор, пока не будет приложено высокое напряжение, которое приведет к рассасыванию неосновных носителей в переходе. Поэтому, когда к внутреннему паразитному диоду прикладывается высокое обратное напряжение, все еще есть вероятность вторичного пробоя (даже по прошествии относительно большого промежутка времени).

В типичной топологии ПНН прямой ток через внутренний паразитный диод фиксирует выходное напряжение к положительной или к отрицательной шине. Этот прямой ток приводит к генерации неосновных носителей и в слое p-типа, и в эпитаксиальных n-слоях (рис. 4).

Рис. 4. Протекание прямого тока во внутреннем паразитном диоде

Затем переход MOSFET-транзистора открывается и отбирает часть тока, протекающего через канал внутреннего паразитного диода. Переход «сток–исток» MOSFET-транзистора может проводить ток в обоих направлениях. Отклонение тока от внутреннего паразитного диода уменьшит генерацию неосновных носителей, но не остановит ее (рис. 5).

Рис. 5. Протекание прямого тока во внутреннем паразитном диоде и переходе MOSFET;транзистора

Затем внешняя схема полностью изменяет направление тока через транзистор. Это приводит к появлению небольшого обратного тока во внутреннем паразитном диоде. Обратный ток невелик из-за незначительного электрического поля, созданного низким напряжением, произведенным текущим током в переходе с низким сопротивлением. В результате некоторые неосновные носители будут охвачены полем и удалены из перехода (рис. 6).

Рис. 6. Обратное протекание тока во внутреннем паразитном диоде и переходе транзистора

После короткого промежутка времени достаточное количество носителей будет удалено, что позволит переходу поддерживать небольшое значение напряжения. В это время большая часть тока отведена в резистивный канал и развивает положительное напряжение через R_DS(on), что, в свою очередь, слегка смещает диодный переход в обратном направлении. Некоторые носители будут продолжать устраняться в результате нормального процесса рекомбинации, а некоторые — в результате принудительного процесса, который зависит от напряжения, приложенного к диоду (рис. 7).

Рис. 7. Обратное протекание тока только в переходе транзистора

Величина этого напряжения зависит от тока первичной обмотки и, следовательно, от выходной нагрузки. Если это напряжение маленькое, большое количество неосновных носителей остается в переходе в течение значительного времени. Когда переход будет в закрытом состоянии, MOSFET-транзистор начнет поддерживать напряжение, создающее более высокое обратное напряжение на внутреннем паразитном диоде. Приложенное высокое обратное напряжение на внутреннем паразитном диоде охватит остающиеся в переходе носители (рис. 8). Если обратный ток приблизится к величине, достаточной для активизации паразитного биполярного транзистора, может произойти вторичный пробой, разрушающий MOSFET-транзистор.

Рис. 8. Обратное протекание тока только во внутреннем паразитном диоде

При маленькой нагрузке (то есть при низком значении тока в MOSFET-транзисторе) низкого положительного падения напряжения на сопротивлении канала недостаточно, чтобы провести полную рекомбинацию неосновных зарядов к моменту окончания времени открытого состояния транзистора. Это особенно справедливо в случае большой величины времени обратного восстановления внутреннего паразитного диода.

С другой стороны, при большой нагрузке (то есть при большом значении тока в MOSFET-транзисторе) увеличенного падения напряжения на сопротивлении канала может оказаться достаточно, чтобы провести полную рекомбинацию неосновных зарядов к моменту окончания времени открытого состояния транзистора. Это обеспечит безопасное закрытие транзистора.

Допустим, что совокупность MOSFET-транзисторов обладает статистическим распределением (нормальным, например) относительно времени рекомбинации, его зависимости от обратного напряжения, приложенного к диоду, усиления паразитного n-p-n-транзистора, его устойчивости к скорости нарастания dv/dt и т. д. В результате, при тех же самых рабочих режимах только определенная часть из всех рассматриваемых компонентов может представлять интерес для рассматриваемой нами проблемы. Эти склонные к разрушению MOSFET-транзисторы должны быть наиболее медленными из всех компонентов с перечисленными статистическими распределениями. Объясним, почему это так.

• Чем короче время обратного восстановления внутреннего паразитного диода, тем более низкая интенсивность отказов: t_rr — хороший показатель времени рекомбинации неосновных зарядов, и этот параметр очень важен в нашей гипотезе. Следовательно, мы имеем следующую ситуацию (рис. 9):

<img src=»https://kit-e.ru/wp-content/uploads/136p9-3.png» alt=»Рис. 9. Распределение критичных MOSFET-транзисторов от t_rr» title=»» width=»303″ height=»189″>

Рис. 9. Распределение критичных MOSFET-транзисторов от t_rr

Конечно, как было сказано прежде, следует учитывать как можно большее количество параметров для определения устойчивости MOSFET-транзистора в ПНН-конверторах, но единственный доступный в документации и весьма просто измеряемый параметр — t_rr.

• Существуют ситуации, когда часть источников питания работает в течение долгого времени без проблем, а другая часть идентичных источников питания выходит из строя за короткое время при тех же самых рабочих режимах: могло сломаться только то оборудование, в котором использовался «слабый» транзистор (более медленный).
• Оборудование, исправно проработавшее продолжительное время (даже при работе на критически малую нагрузку), имеет хорошие шансы и дальше работать без проблем: после отказа части более слабых MOSFET-транзисторов оставшиеся являются более живучими.
• Как правило, оборудование с отказавшим MOSFET-транзистором после однократной замены отказавшего элемента далее работает без аналогичных отказов: поскольку «слабые» компоненты составляют незначительную часть от всей совокупности, со статистической точки зрения очень маловероятно восстановление оборудования с использованием другого «слабого» транзистора.

Результаты экспериментов с внутренним паразитным диодом

1. Оценка запасенного заряда, остающегося в переходе

Для оценки обсуждаемой теории была построена схема испытаний (см. упрощенный вариант схемы на рис. 10). Она работает по следующему принципу. Сначала мы пропускаем прямой ток во внутреннем паразитном диоде тестируемого устройства; затем останавливаем протекание тока без приложения обратного напряжения к переходу. Наконец, после заданного периода времени обратное напряжение прикладывается к переходу внутреннего паразитного диода, и измеряется остающийся заряд обратного восстановления. Канал тестируемого устройства может быть включен или выключен в любое время до или во время испытательного цикла для выяснения последствий от смещения на затворе.

Рис. 10. Упрощенная схема

Для определения величины заряда обратного восстановления проводилось предварительное испытание без подачи прямого тока через внутренний паразитный диод и с приложением обратного напряжения 800 В с dv/dt = 1,33 В/нс. Он определен как базовый уровень заряда, или количество заряда, в котором отсутствует заряд, запасенный в результате прохождения прямого тока.

Проводился ряд испытаний для определения требуемого времени для рекомбинации всего запасенного в переходе заряда после прекращения прохождения прямого тока. Канал оставался закрытым в течение этих испытаний. Эти испытания проводились при прямом токе 5 А в течение 10 мкс и обратном напряжении 800 В с dv/dt = 1,33 В/нс. Данное обратное напряжение вначале прикладывалось через 100 нс после того, как был выключен прямой ток. Далее испытание с включением обратного напряжения повторялось с увеличением интервала времени до тех пор, пока не был достигнут базовый уровень заряда обратного восстановления. Эти испытания проводились на APT10026JN — стандартном MOSFET-транзисторе и на APT10025JVFR — FREDFET-транзисторе (MOSFET-транзистор с быстровосстанавливающимся внутренним паразитным диодом). Результаты показаны на рис. 11.

<img src=»https://kit-e.ru/wp-content/uploads/136p11-1.png» alt=»Рис. 11. Запасенный заряд, остающийся в переходе после прохождения прямого тока, стал равным нулю (V_gate = 0 В)» title=»» width=»299″ height=»304″>

Рис. 11. Запасенный заряд, остающийся в переходе после прохождения прямого тока, стал равным нулю (V_gate = 0 В)

Из рис. 11 ясно, что заряд остается в переходе какое-то более длительное время, чем указано в значении времени обратного восстановления. Стандартный MOSFET-транзистор был почти восстановлен через 100 мкс, но требовалось до 200 мкс времени, чтобы восстановить транзистор полностью.

FREDFET-транзистор был почти восстановлен через 3 мкс и полностью восстановлен менее чем через 10 мкс. FREDFET-транзистор восстанавливался намного быстрее, чем стандартный MOSFET-транзистор из-за более короткой продолжительности жизни неосновных носителей, приводящей к более быстрой рекомбинации.

2. Оценка последствий смещения затвора при запасенном заряде

Для исследования включения канала транзистора при запасенном в переходе заряде проводился другой ряд испытаний. Данный режим достигался за счет подачи потенциала на затвор тестируемого устройства в течение периода прямого прохождения тока. Запасенный заряд был измерен через 1 мкс после того, как прямой ток был остановлен.

Как и прежде, эти испытания проводились при 5 А прямого тока в течение 10 мкс и обратном напряжении 800 В с dv/dt = 1,33 В/нс. Данное обратное напряжение прикладывалось через 1 мкс после того, как прямой ток был выключен.

Первое измерение было проведено с выключенным каналом транзистора. Второе измерение (рис. 12) было проведено с включением канала транзистора за 1 мкс до того, как прямой ток был выключен, и выключением канала транзистора за 300 нс до подачи обратного напряжения.

Рис. 12. Выбор временных отсчетов для измерения эффектов в канале транзистора при запасенном заряде, остающемся в переходе транзистора

Последующие измерения производились с увеличением времени открытого состояния канала транзистора с шагом 1 мкс и выключением канала всегда в то же самое время (300 нс до момента приложения обратного напряжения). Результаты приведены на рис. 13.

<img src=»https://kit-e.ru/wp-content/uploads/136p13-3.png» alt=»Рис. 13. Зависимость запасенного заряда, остающегося в переходе от времени (V_gate = 15 В)» title=»» width=»279″ height=»278″>

Рис. 13. Зависимость запасенного заряда, остающегося в переходе от времени (V_gate = 15 В)

Ясно, что включение канала в течение интервала прямой проводимости внутреннего паразитного диода уменьшает количество запасенного заряда, и чем скорее канал транзистора перейдет во включенное состояние, тем меньше величина остающегося заряда. Однако запасенный заряд стандартного MOSFET-транзистора никогда не достигает нулевого значения в течение периода проводимости (10 мкс), даже если канал транзистора находится во включенном состоянии перед состо янием проводимости внутреннего паразитного диода.

С другой стороны, FREDFET-транзистор из-за короткой продолжительности жизни неосновных носителей имеет фактически нулевой запасенный заряд при включенном состоянии канала транзистора в течение последней микросекунды перед состоянием проводимости внутреннего паразитного диода.

3. Последствия от смещения затвора при обратном восстановлении

Мы подготовили испытательную установку (рис. 14) для тестирования поведения внутренних паразитных диодов при обратном восстановлении. Мы были заинтересованы в получении данных не по результатам «абсолютных измерений», а скорее «сравнительных измерений» при тех же самых условиях испытаний.

Рис. 14. Испытательная установка для измерения обратного восстановления

Испытательное оборудование работает следующим образом. Постоянный ток I_f, создаваемый генератором тока, протекает через внутренний паразитный диод. Далее мы резко меняем полярность напряжения, приложенного к переходу диода, посредством внешнего ключа, связанного с источником отрицательного напряжения V_r, приложенного к стоку. К затвору также может быть приложено напряжение. Фиксируемые сигналы — диодный ток (ток стока) и диодное напряжение (напряжение «сток–исток») (рис. 15).

Рис. 15. Пример формы сигнала обратного восстановления

Обратите внимание, что на рисунке диодный ток представлен в перевернутом виде: отрицательная часть формы сигнала — прямой ток в диоде, положительная часть — ток восстановления. Во всех измерениях прямой ток I_f — 2,5 А и обратное напряжение V_r — 1 В. Напряжение затвора равно 0 или 3 В.

Мы проверили несколько MOSFET-транзисторов. Рис. 16–19 показывают результаты испытаний для стандартного MOSFET-транзистора и для FREDFET-транзистора.

Стандартный MOSFET-транзистор

Как показано на рис. 16, в случае V_g = 0 В величина t_b принимает большие значения. Это означает, что рекомбинация заряда требует много времени. Фактически, этот интервал закончен только в случае, когда неосновные носители, которые находятся на некотором расстоянии от перехода, захвачены и притянуты назад к переходу и, кроме того, емкость обратно-смещенного перехода заряжена до значения V_r. Когда затвор смещен напряжением 3 В (рис. 17), величины t_rr и Q_rr (заряд обратного восстановления) уменьшаются значительно. Обратите внимание, что величина напряжения 3 В недостаточно велика, чтобы открыть канал транзистора и пропустить существенный ток.

<img src=»https://kit-e.ru/wp-content/uploads/136p16-1.png» alt=»Рис. 16. Обратное восстановление стандартного MOSFET-транзистора. I_f = 2,5 A, V_r = 1 В, V_g = 0 В. Масштаб горизонтальной шкалы: 500 нс/дел.» title=»» width=»457″ height=»348″>

Рис. 16. Обратное восстановление стандартного MOSFET-транзистора. I_f = 2,5 A, V_r = 1 В, V_g = 0 В. Масштаб горизонтальной шкалы: 500 нс/дел.

Рис. 17. Обратное восстановление стандартного MOSFET-транзистора. I_f = 2,5A, V_r = 1 В, V_g = 3 В. Масштаб горизонтальной шкалы: 500 нс/дел

FREDFET-транзистор

В FREDFET-транзисторе мы можем наблюдать то же самое явление, но в этом случае сокращение t_rr меньшее (рис. 18 и 19).

<img src=»https://kit-e.ru/wp-content/uploads/136p18-1.png» alt=»Рис. 18. Обратное восстановление FREDFET;транзистора. I_f = 2,5 A, V_r = 1 В, V_g = 0 В. Масштаб горизонтальной шкалы: 50 нс/дел» title=»» width=»457″ height=»348″>

Рис. 18. Обратное восстановление FREDFET;транзистора. I_f = 2,5 A, V_r = 1 В, V_g = 0 В. Масштаб горизонтальной шкалы: 50 нс/дел

<img src=»https://kit-e.ru/wp-content/uploads/136p19-1.png» alt=»Рис. 19. Обратное восстановление FREDFET;транзистора. I_f = 2,5 A, V_r = 1 В, V_g = 3 В. Масштаб горизонтальной шкалы: 50 нс/дел» title=»» width=»457″ height=»348″>

Рис. 19. Обратное восстановление FREDFET;транзистора. I_f = 2,5 A, V_r = 1 В, V_g = 3 В. Масштаб горизонтальной шкалы: 50 нс/дел

По результатам проведенных испытаний, выполненных на нескольких MOSFET-транзисторах от различных поставщиков, можно сделать вывод о том, что небольшое положительное смещение на затворе (близкое, но не достигающее порогового значения напряжения открывания транзистора) имеет большое влияние на обратное восстановление внутреннего паразитного диода, даже при том, что канал транзистора фактически выключен. Достоверным объяснением данного поведения можно считать следующее: дополнительные электроны в канале транзистора имеют тенденцию повторно объединяться с избыточными «дырками», запасенными в эпитаксиальном n-слое, ускоряя, таким образом, восстановление внутреннего паразитного диода.

4. Последствия протекания тока в канале (полевого транзистора) и состояние канала во времени при запасенном заряде, остающемся в переходе

Для определения результатов протекания тока в канале полевого транзистора при запасенном заряде проводился другой ряд испытаний: пропускали прямой ток через диод в тестируемом устройстве и затем полностью меняли полярность тока (то есть меняли прямой ток через диод на прямой ток канала полевого транзистора равной величины) и поддерживали прямой ток канала транзистора в течение 2 мкс. Канал тестируемого устройства включался до или в момент перенаправления тока и выключался позже, через 2 мкс. Затем, через 200 нс после того, как канал транзистора был выключен, мы прикладывали к диоду обратное напряжение 800 В с dv/dt = 1,33 В/нс и измеряли запасенный заряд. Эти испытания проводились с 2 и 9 А прямого тока, протекающего через диод в течение 5 мкс. Первое измерение было предпринято при выключенном канале. Второе измерение было предпринято за 1 мс перед перенаправлением тока, когда канал находился во включенном состоянии.

Рис. 20. Зависимость запасенного заряда, остающегося в переходе, от состояния канала во времени с 2 и 9 А прямого тока

Последующие измерения были предприняты с включением канала полевого транзистора на 1 мкс ранее, поддерживая канал во включенном состоянии в течение 2 мкс после перенаправления тока и выключая канал за 200 нс до приложения обратного напряжения. Результаты показаны на рис. 20. Из рисунков ясно, что хотя 9 А прямого тока через диод привели к более высоким значениям начального запасенного заряда, чем 2 А (прямого тока через диод), запасенный заряд был удален более эффективно в случае нахождения канала транзистора во включенном состоянии. Причина этого кроется в более высоком падении напряжения через канал (из-за более высокого значения тока), которое охватит большее количество заряда в переходе. Это объясняет, почему отказы произошли в случае низкого уровня выходной мощности. В диоде остается большее количество заряда, которое делает диод более восприимчивым к вторичному пробою при приложении высокого напряжения.

Технические способы повышения надежности приборов

Для повышения устойчивости работы полевого транзистора и, следовательно, надежности оборудования было исследовано несколько решений.

1. Использование FREDFET-транзисторов

MOSFET-транзисторы с более быстрым временем обратного восстановления внутреннего паразитного диода демонстрируют большую устойчивость и прочность при работе в ПНН-преобразователе. В настоящее время доступны MOSFET-транзисторы с внутренним паразитным диодом, обладающим временем обратного восстановления приблизительно в десять раз меньше времени восстановления у полевых транзисторов, производимых несколько лет назад. Это особенно справедливо для случая полевых транзисторов высокого напряжения (800 В и 1000 В). Наш опыт показывает, что долговременная интенсивность отказов ПНН-преобразователей, построенных с 800-вольтовыми или 1000-вольтовыми FREDFET-транзисторами намного меньше, чем таковая для ПНН-преобразователей, построенных со стандартными MOSFET-транзисторами высокого напряжения.

Мы также рассмотрели три других возможных варианта повышения устойчивости, каждый из которых требует некоторой модификации схемы ПНН-преобразователя.

2. Модификации конвертора

Цель модификаций состоит в том, чтобы избежать использования внутреннего паразитного диода или, по крайней мере, минимизировать последствия его влияния на работу схемы. Рассматривались три возможности:

1. Проводимость тока внутренним паразитным диодом может быть предотвращена путем добавления перенаправляющих диодов (current-steering diodes) — диод Шоттки последовательно со стоком MOSFET-транзистора наряду с ультрабыстрым антипараллельным обводным диодом (рис. 21).

Рис. 21. Исключение проводимости внутреннего паразитного диода с использованием перенаправляющих диодов

В этом случае внутренний паразитный диод никогда не проводит ток. Однако это решение весьма дорого и сложно, кроме того, последовательный диод увеличивает потери проводимости.

2. Нами было замечено, что в случае выходных нагрузок выше 25% предельного значения (который означает высокий ток в ПНН-конверторе и, следовательно, высокое падение напряжения на сопротивлении R_DS(on) в течение времени, когда транзистор находится во включенном состоянии) вероятность отказа незначительна. Ожидается, что вероятность отказа будет уменьшена при незначительной нагрузке, если мы поддерживаем достаточно высокое напряжение «сток–исток», вынуждая неосновные носители полностью рекомбинировать перед окончанием включенного состояния транзистора. Это может быть достигнуто путем добавления схемы исключения насыщения. На рис. 22 показано упрощенное схемное решение исключения насыщения транзистора.

Рис. 22. Упрощенная схема исключения насыщения

При использовании стабилитрона с надлежащим напряжением стабилизации, в случае незначительной нагрузки MOSFET-транзистор вынужден работать в линейной области своей рабочей характеристики. В этой области напряжение «сток–исток» больше не связано с током, протекающим в MOSFET-транзисторе, оно постоянно и равно разнице между управляющим напряжением и суммой напряжений стабилитрона и выпрямительного диода. Напряжение стабилитрона должно быть выбрано таким, чтобы установить напряжение «сток–исток», по крайней мере, столь же высоким, как это было при 25% от предельной величины нагрузки. При большей нагрузке падение напряжения через сопротивление R_DS(on) выше, чем фиксированная величина, установленная напряжением управления затвором, а также напряжениями стабилитрона и выпрямительного диода, и поведение работы схемы является обычным.

Главные проблемы рассмотренного решения:

• высокие требования к точности напряжения на стабилитроне и температурная зависимость;
• увеличенное потребление мощности драйвера MOSFET-транзистора;
• сложность схемы и дороговизна.

3. Подобно схеме исключения насыщения, третье решение предотвращает проводимость внутреннего паразитного диода только в случае опасности возникновения проблемы, то есть при незначительной нагрузке. Это решение оказалось простым и эффективным без дальнейшего увеличения сложности конвертора.

Более тщательное рассмотрение основных режимов работы мостового преобразователя с мягким переключением (стадии от 2 до 4) показывает, что внутренний паразитный диод может проводить, только если напряжение «сток – исток» достигает нуля прежде, чем транзистор переходит во включенное состояние (рис. 23).

<img src=»https://kit-e.ru/wp-content/uploads/136p23-1.png» alt=»Рис. 23. Стандартный режим незначительной нагрузки. I_o = 10 A, V_DS: 100 В/дел, V_g: 2 В/дел, 500 нс/дел» title=»» width=»460″ height=»350″>

Рис. 23. Стандартный режим незначительной нагрузки. I_o = 10 A, V_DS: 100 В/дел, V_g: 2 В/дел, 500 нс/дел

Если мы переводим MOSFET-транзистор во включенное состояние прежде, чем его напряжение «сток–исток» достигает нуля (рис. 24), канал MOSFET-транзистора будет работать параллельно с внутренним паразитным диодом до того момента, как начнет протекать ток в транзисторе. Это, в свою очередь, предотвращает протекание тока во внутреннем паразитном диоде. Фактически, если падение напряжения через R_DS(on) меньше, чем пороговое напряжение внутреннего паразитного диода, ток будет течь только в канале полевого транзистора. Именно это происходит при незначительной нагрузке.

<img src=»https://kit-e.ru/wp-content/uploads/136p24.png» alt=»Рис. 24. Улучшенное поведение транзистора при незначительной нагрузке. I_o = 10 A, V_DS: 100 В/дел, V_g: 2 В/дел, 100 нс/дел» title=»» width=»460″ height=»350″>

Рис. 24. Улучшенное поведение транзистора при незначительной нагрузке. I_o = 10 A, V_DS: 100 В/дел, V_g: 2 В/дел, 100 нс/дел

Мы можем добиться включения MOSFET-транзистора прежде, чем его напряжение «сток–исток» достигнет нуля, во-первых, путем сокращения времени задержки включения или, во-вторых, путем сокращения dv/dt — скорости нарастания напряжения «сток–исток». Оба условия могут быть легко выполнены: первое требует изменения величины сопротивления в плате управления, которая устанавливает надлежащую задержку между транзисторными ключами, второе требует увеличения величины внешнего снабберного конденсатора, помещенного параллельно с каждым транзисторным ключом. (Эти конденсаторы обычно требуются, чтобы сократить потери на выключение; они замедляют нарастание напряжения «сток–исток», и в результате выключение тока транзистора заканчивается с незначительным напряжением на MOSFET-транзисторе).

Обратите внимание, что, открывая MOSFET-транзистор при напряжении, отличном от нуля, мы теряем преимущества переключения при нулевом напряжении. Это, однако, не проблема, так как это происходит при незначительной нагрузке, где небольшое снижение эффективности легко можно допустить. Так или иначе, мы имеем «квазипереключение при нулевом напряжении», поскольку напряжение «сток–исток» имеет достаточно времени, чтобы приблизиться к нулю до включения MOSFET-транзистора. Так как потери на включение транзистора пропорциональны квадрату напряжения на снабберном конденсаторе, режима квазипереключения при нулевом напряжении достаточно, чтобы поддерживать потери на включение на приемлемо низком уровне.

Если происходит увеличение тока нагрузки, наклон напряжения «сток–исток» также увеличивается и при фиксированной задержке включения напряжение «сток–исток» приближается к нулю в момент включения MOSFET-транзистора (рис. 25).

<img src=»https://kit-e.ru/wp-content/uploads/136p25.png» alt=»Рис. 25. Квазипереключение при нулевом напряжении при средней нагрузке. I_o = 30 А, V_DS: 100 В/дел, V_g: 2 В/дел, 100 нс/дел» title=»» width=»460″ height=»350″>

Рис. 25. Квазипереключение при нулевом напряжении при средней нагрузке. I_o = 30 А, V_DS: 100 В/дел, V_g: 2 В/дел, 100 нс/дел

Выше некоторого значения нагрузки напряжение «сток–исток» достигнет нуля прежде, чем включится MOSFET-транзистор. В этом случае конвертор работает с преимуществами переключения при нулевом напряжении (рис. 26).

<img src=»https://kit-e.ru/wp-content/uploads/136p26.png» alt=»Рис. 26. Переключение при нулевом напряжении в случае большой нагрузки. I_o = 75 A, V_DS: 100 В/дел, V_g: 2 В/дел, 100 нс/дел» title=»» width=»460″ height=»350″>

Рис. 26. Переключение при нулевом напряжении в случае большой нагрузки. I_o = 75 A, V_DS: 100 В/дел, V_g: 2 В/дел, 100 нс/дел

Применение этого решения существенно понизило вероятность отказа MOSFET-транзистора без усложнения схемы и изменений в расположении компонентов. В массовом производстве это решение использовалось в комбинации с FREDFET-транзисторами. Эффективность такого комплексного решения была доказана статистическим анализом, выполненным на более чем 500 приборах, которые суммарно проработали в течение свыше 3 миллионов часов. Этот анализ подтвердил, что вероятность отказа MOSFET-транзисторов в ПНН-конверторе теперь незначительна.

Выводы

Данная статья пытается объяснить некоторые до сих пор необъяснимые отказы, которые наблюдались в конверторах с переключением при нулевом напряжении (в особенности в мостовом преобразователе с фазовым сдвигом) с использованием высоковольтного MOSFET-транзистора.

Главным механизмом отказа MOSFET-транзисторов является вторичный пробой паразитного биполярного транзистора. Вторичный пробой может происходить, когда паразитный биполярный транзистор активизирован остаточным зарядом, оставшимся в результате проводимости внутреннего паразитного диода. Согласно общим представлениям о конверторах с переключением при нулевом напряжении, в которых открытый внутренний паразитный диод обычно шунтируется сопротивлением канала, в полевом транзисторе не остается заряд после периода проводимости тока. Как разъяснено в статье, а также продемонстрировано на примере экспериментально полученных данных, это не соответствует истине: заряд, остающийся в стандартных MOSFET-транзисторах, может быть существенен и часто достаточен, чтобы вызвать вторичный пробой.

С другой стороны, заряд, остающийся в MOSFET-транзисторах с быстровосстанавливающимся внутренним паразитным диодом (FREDFET-транзисторы), достаточно мал, и здесь проблема вторичного пробоя практически исчезает. Полная защита против вторичного пробоя может быть достигнута путем совместного использования FREDFET-транзистора с незначительной модификацией в конверторе. Эта модификация заключается в увеличении емкости снабберной цепи, помещенной параллельно MOSFET-транзистору таким образом, что канал полевого транзистора включается прежде, чем напряжение «сток–исток» достигнет нуля, и внутренний паразитный диод начнет проводить ток. Как рассмотрено в статье, это может быть сделано без существенного влияния на эффективность преобразователя с предельной нагрузкой, так как согласно сделанным в статье заключениям преждевременное включение канала необходимо только при незначительной нагрузке.

В то время как может ожидаться маленькое снижение эффективности при незначительной нагрузке из-за потери преимущества переключения при нулевом напряжении, эффективность на предельной нагрузке должна увеличиться из-за сокращения потерь на выключение, вызванного большими емкостями снабберной цепи. Статистический анализ отказа испытываемых источников питания доказывает, что комбинация FREDFET-транзисторов с увеличением емкости снабберной цепи фактически устраняет отказы MOSFET-транзистора, вызванные запасенным зарядом внутреннего паразитного диода.

Авторы благодарят Mr. Luca Franzan из SICON за полезные дискуссии и ценные комментарии, а также его общий вклад в данную работу.

1. Redl R., Balogh L., and Nathan O. Sokal. A Novel Soft Switching Full Bridge DC/DC Converter: Analysis, Design Considerations and Experimental Results at 1.5 kW, 100 kHz. PESC ′90 Record.
2. Andreycak B. Designing a Phase Shifted Zero Voltage Transition (ZVT) Converter. Topic 3 in the Unitrode Power Supply Design Seminar Manual. SEM-900. 1993. Unitrode Corporation.
3. Andreycak B. Design Review: 500W, 40W/in3 Phase Shifted ZVT Power Converter. Topic 4 in the Unitrode Power Supply Design Seminar Manual. SEM-900. 1993. Unitrode Corporation.
4. Andreycak B. Phase Shifted, Zero Voltage Transition Design Considerations and the UC3875 PWM Controller. Unitrode Application Note U-136A.
5. Pelly B. The Do′s and Dont′s of Using the Power HEXFET. International Rectifier Application Note 936A.
6. Avalanche and dv/dt Limitation of the Power MOSFET. Chapter 5. Motorola TMOS Power MOSFET Transistor Device Data Book. DL 135/D.
7. Certain features of the circuit topology are protected by US Pat. 5,198,969. Readers should refer to the patent for details.

MOSFET и Metal Oxide Semiconductor Учебное пособие

Наряду с полевым транзистором Junction (JFET), существует еще один тип полевого транзистора, вход затвора которого электрически изолирован от основного токоведущего канала и поэтому называется полевым транзистором с изолированным затвором .

Наиболее распространенный тип полевого транзистора с изолированным затвором, который используется во многих различных типах электронных схем, называется полевым транзистором Metal Oxide Semiconductor или для краткости MOSFET .

IGFET или MOSFET представляет собой полевой транзистор с регулируемым напряжением, который отличается от JFET тем, что имеет металлический оксидный электрод затвора, который электрически изолирован от основного полупроводникового n-канала или p-канала очень высокой тонкий слой изоляционного материала обычно диоксида кремния, широко известного как стекло.

Этот ультратонкий изолированный металлический электрод затвора можно рассматривать как одну пластину конденсатора. Изоляция управляющего затвора делает входное сопротивление полевого МОП-транзистора чрезвычайно высоким в области мегомов (МОм), что делает его почти бесконечным.

Поскольку вывод затвора электрически изолирован от основного канала, по которому проходит ток между стоком и истоком, «ток не течет в затвор» и, как и полевой транзистор, полевой МОП-транзистор также действует как резистор, управляемый напряжением, где ток течет через основной канал между стоком и источником пропорционален входному напряжению. Также, как и у JFET, полевые МОП-транзисторы с очень высоким входным сопротивлением могут легко накапливать большие количества статического заряда, в результате чего полевой МОП-транзистор легко повреждается, если не обращаться с ним и не защищать его.

Как и в предыдущем руководстве по JFET, полевые МОП-транзисторы представляют собой три оконечных устройства с затвором, стоком и истоком, и доступны полевые МОП-транзисторы с P-каналом (PMOS) и N-каналом (NMOS). Основное отличие на этот раз состоит в том, что полевые МОП-транзисторы доступны в двух основных формах:

• Тип истощения — транзистору требуется напряжение затвор-исток (В _GS ) для выключения устройства. MOSFET в режиме истощения эквивалентен «нормально замкнутому» переключателю.
• Тип расширения — транзистору требуется напряжение затвор-исток (В _GS ) для включения устройства.MOSFET в режиме улучшения эквивалентен переключателю «Нормально разомкнутый».

Символы и базовая конструкция для обеих конфигураций полевых МОП-транзисторов показаны ниже.

Четыре символа полевого МОП-транзистора выше показывают дополнительную клемму, называемую подложкой, которая обычно не используется как входное или выходное соединение, а вместо этого используется для заземления подложки. Он подключается к основному полупроводниковому каналу через диодный переход с корпусом или металлическим выводом полевого МОП-транзистора.

Обычно в полевых МОП-транзисторах дискретного типа этот вывод подложки подключается внутри к клемме истока. В этом случае, например, в типах улучшения, он опускается в символе для пояснения.

Линия в символе полевого МОП-транзистора между стоком (D) и истоком (S) представляет собой полупроводниковый канал транзистора. Если эта линия канала является сплошной непрерывной линией, то она представляет МОП-транзистор типа «истощение» (нормально включенный), поскольку ток стока может протекать с нулевым потенциалом смещения затвора.

Если линия канала показана пунктирной или пунктирной линией, то она представляет полевой МОП-транзистор типа «улучшенный» (обычно выключенный), поскольку ток нулевого стока протекает с нулевым потенциалом затвора. Направление стрелки, указывающей на эту линию канала, указывает, является ли проводящий канал полупроводниковым устройством P-типа или N-типа.

Базовая структура и обозначение полевого МОП-транзистора

Конструкция полевого транзистора из оксида металла и полупроводника сильно отличается от конструкции полевого транзистора с переходом.Как истощающие, так и улучшающие МОП-транзисторы используют электрическое поле, создаваемое напряжением затвора, для изменения потока носителей заряда, электронов для n-канала или дырок для P-канала, через полупроводниковый канал сток-исток. Электрод затвора помещен поверх очень тонкого изолирующего слоя, и есть пара небольших областей n-типа прямо под электродами стока и истока.

В предыдущем уроке мы видели, что затвор полевого транзистора JFET должен быть смещен таким образом, чтобы вызвать обратное смещение pn-перехода.Для устройства MOSFET с изолированным затвором такие ограничения не применяются, поэтому можно смещать затвор MOSFET с любой полярностью, положительной (+ ve) или отрицательной (-ve).

Это делает полевые МОП-транзисторы особенно ценными в качестве электронных переключателей или для создания логических вентилей, потому что без смещения они обычно не проводят ток, а такое высокое входное сопротивление затвора означает, что требуется очень небольшой управляющий ток или совсем его не требуется, поскольку полевые МОП-транзисторы являются устройствами, управляемыми напряжением. Как p-канальные, так и n-канальные полевые МОП-транзисторы доступны в двух основных формах: тип Enhancement и тип Depletion .

МОП-транзистор в режиме истощения

MOSFET с режимом истощения , который встречается реже, чем типы с расширенным режимом, обычно включается (проводит) без приложения напряжения смещения затвора. То есть канал проводит, когда V _GS = 0, что делает его «нормально закрытым» устройством. В приведенном выше обозначении схемы для обедненного МОП-транзистора используется сплошная линия канала, обозначающая нормально закрытый проводящий канал.

Для n-канального обедненного МОП-транзистора отрицательное напряжение затвор-исток, -V _GS будет истощать (отсюда и его название) проводящий канал своими свободными электронами, переключая транзистор в положение «ВЫКЛ».Точно так же для истощающего МОП-транзистора с p-каналом положительное напряжение затвор-исток + V _GS будет истощать канал своих свободных отверстий, переводя его в положение «ВЫКЛ».

Другими словами, для полевого МОП-транзистора с n-канальным режимом истощения: + V _GS означает больше электронов и больше тока. В то время как -V _GS означает меньше электронов и меньший ток. Обратное также верно для типов p-каналов. Тогда MOSFET в режиме истощения эквивалентен «нормально замкнутому» переключателю.

N-канальный полевой МОП-транзистор в режиме истощения и обозначения схем

MOSFET с обедненным режимом сконструирован аналогично их аналогам с JFET-транзисторами, в которых канал сток-исток по своей природе является проводящим с электронами и дырками, уже присутствующими в канале n-типа или p-типа.Такое легирование канала создает проводящий путь с низким сопротивлением между стоком и истоком с нулевым смещением затвора.

МОП-транзистор с расширенным режимом работы

Более распространенный полевой МОП-транзистор с расширенным режимом или eMOSFET является обратным типу режима истощения. Здесь проводящий канал слегка легирован или даже нелегирован, что делает его непроводящим. Это приводит к тому, что устройство обычно находится в состоянии «ВЫКЛ» (непроводящее), когда напряжение смещения затвора V _GS равно нулю. В изображенном выше обозначении схемы для улучшенного МОП-транзистора используется прерывистая линия канала, обозначающая нормально открытый непроводящий канал.

Для n-канального усовершенствованного МОП-транзистора ток стока будет течь только тогда, когда напряжение затвора (V _GS ) приложено к выводу затвора, превышающее уровень порогового напряжения (V _TH ), при котором имеет место проводимость, что делает его устройство крутизны.

Приложение положительного (+ ve) напряжения затвора к eMOSFET n-типа привлекает больше электронов к оксидному слою вокруг затвора, тем самым увеличивая или увеличивая (отсюда и название) толщину канала, позволяя протекать большему току.Вот почему этот тип транзистора называется устройством режима улучшения, поскольку приложение напряжения затвора улучшает канал.

Увеличение этого положительного напряжения затвора вызовет дальнейшее уменьшение сопротивления канала, вызывая увеличение тока стока, I _D через канал. Другими словами, для n-канального режима расширения MOSFET: + V _GS включает транзистор, а ноль или -V _GS выключает транзистор. Таким образом, полевой МОП-транзистор в расширенном режиме эквивалентен «нормально разомкнутому» переключателю.

Обратное верно для МОП-транзистора с р-каналом расширения. Когда V _GS = 0, устройство выключено и канал открыт. Приложение отрицательного (-ve) напряжения затвора к eMOSFET p-типа увеличивает проводимость каналов, включая его. Затем для P-канального режима расширения MOSFET: + V _GS выключает транзистор, а -V _GS включает транзистор.

N-канальный полевой МОП-транзистор в режиме расширения и условные обозначения схем

Полевые МОП-транзисторы

с расширенным режимом работы являются отличными электронными переключателями благодаря их низкому сопротивлению «ВКЛ» и чрезвычайно высокому сопротивлению «ВЫКЛ», а также бесконечно высокому входному сопротивлению из-за изолированного затвора.Полевые МОП-транзисторы с расширенным режимом используются в интегральных схемах для создания логических вентилей типа КМОП и схем переключения питания в виде вентилей PMOS (P-канал) и NMOS (N-канал). CMOS фактически означает Complementary MOS , что означает, что логическое устройство имеет как PMOS, так и NMOS в своей конструкции.

Усилитель MOSFET

Как и предыдущий Junction Field Effect транзистор, полевые МОП-транзисторы могут использоваться для создания одноступенчатых схем усилителя класса «А», причем наиболее популярной схемой является n-канальный усилитель с общим источником на полевых МОП-транзисторах в режиме улучшения.Усилители MOSFET в режиме обеднения очень похожи на усилители JFET, за исключением того, что MOSFET имеет гораздо более высокий входной импеданс.

Этот высокий входной импеданс контролируется резистивной цепью смещения затвора, образованной R1 и R2. Кроме того, выходной сигнал усилителя MOSFET с общим истоком в режиме улучшения инвертируется, потому что, когда V _G имеет низкий уровень, транзистор переключается в положение «ВЫКЛ», а V _D (Vout) имеет высокий уровень. Когда V _G высокий, транзистор включен, а V _D (Vout) низкий, как показано.

N-канальный усилитель MOSFET в режиме расширения

Смещение постоянного тока в этой схеме усилителя MOSFET с общим истоком (CS) практически идентично усилителю JFET. Схема MOSFET смещена в режиме класса A цепью делителя напряжения, образованной резисторами R1 и R2. Входное сопротивление переменного тока определяется как R _IN = R _G = 1 МОм.

Металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы — это три оконечных активных устройства, изготовленных из различных полупроводниковых материалов, которые могут действовать как изолятор или проводник путем приложения небольшого напряжения сигнала.

Способность полевого МОП-транзистора переключаться между этими двумя состояниями позволяет ему выполнять две основные функции: «переключение» (цифровая электроника) или «усиление» (аналоговая электроника). Тогда полевые МОП-транзисторы могут работать в трех разных регионах:

• 1. Область отсечки — при V _GS <порог _{V напряжение затвор-исток намного ниже, чем пороговое напряжение транзистора, поэтому полевой МОП-транзистор переключается «полностью ВЫКЛЮЧЕНО», таким образом, I D = 0, при этом транзистор действует как разомкнутый ключ независимо от значения V DS .}
• 2. Линейная (омическая) область — при V _GS > V _порог и V _DS GS транзистор находится в области постоянного сопротивления и ведет себя как сопротивление, управляемое напряжением, значение сопротивления которого определяется напряжение затвора, В _GS уровень.
• 3. Область насыщения — при V _GS > V _порог и V _DS > V _GS транзистор находится в области постоянного тока и, следовательно, «полностью открыт».Ток стока I _D = Максимум с транзистором, работающим как замкнутый переключатель.

MOSFET Краткое описание руководства

Полевой транзистор с металлическим оксидом и полупроводником, или для краткости MOSFET , имеет чрезвычайно высокое входное сопротивление затвора, при этом ток, протекающий по каналу между истоком и стоком, регулируется напряжением затвора. Из-за этого высокого входного импеданса и коэффициента усиления полевые МОП-транзисторы могут быть легко повреждены статическим электричеством, если не будут тщательно защищены или обработаны.

MOSFET идеально подходят для использования в качестве электронных переключателей или усилителей с общим источником, поскольку их потребляемая мощность очень мала. Типичные области применения металлооксидных полупроводниковых полевых транзисторов — микропроцессоры, запоминающие устройства, калькуляторы, логические КМОП-вентили и т. Д.

Также обратите внимание, что пунктирная или прерывистая линия внутри символа обозначает тип расширения «ВЫКЛ.», Показывающий, что ток «НЕТ» может протекать через канал, когда приложено нулевое напряжение затвор-исток V _GS .

Непрерывная непрерывная линия внутри символа указывает на нормальный тип истощения «ВКЛ», показывая, что ток «CAN» протекает через канал с нулевым напряжением затвора. Для типов p-канала символы одинаковы для обоих типов, за исключением того, что стрелка указывает наружу. Это можно резюмировать в следующей таблице переключений.

МОП-транзистор типа	В GS = + ve	В GS = 0	В GS = -ve
Истощение N-канала	ПО	ПО	ВЫК
Расширение N-канала	ПО	ВЫКЛ	ВЫК
Истощение P-канала	ВЫКЛ	ПО	ПО
Расширение P-канала	ВЫКЛ	ВЫКЛ	ПО

Таким образом, для полевых МОП-транзисторов n-типа положительное напряжение затвора включает транзистор, а при нулевом напряжении затвора транзистор будет отключен.Для полевого МОП-транзистора с р-канальным расширением отрицательное напряжение затвора включит транзистор, а при нулевом напряжении затвора транзистор будет отключен. Точка напряжения, при которой полевой МОП-транзистор начинает пропускать ток через канал, определяется пороговым напряжением V _TH устройства.

В следующем руководстве о полевых транзисторах вместо использования транзистора в качестве усилительного устройства мы рассмотрим работу транзистора в его областях насыщения и отсечки при использовании в качестве твердотельного переключателя.Переключатели на полевых транзисторах используются во многих приложениях для включения или выключения постоянного тока, например светодиодов, которым требуется всего несколько миллиампер при низких напряжениях постоянного тока, или двигателей, которым требуются более высокие токи при более высоких напряжениях.

Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) | Теория твердотельных устройств

Полевой транзистор с изолированным затвором (IGFET), также известный как металлооксидный полевой транзистор (MOSFET), является производным полевого транзистора (FET).Сегодня большинство транзисторов относятся к типу MOSFET как компоненты цифровых интегральных схем. Хотя дискретных BJT больше, чем дискретных MOSFET. Количество MOSFET-транзисторов в интегральной схеме может приближаться к сотням миллионов. Размеры отдельных устройств MOSFET менее одного микрона, уменьшаясь каждые 18 месяцев. Полевые МОП-транзисторы гораздо большего размера способны переключать ток около 100 ампер при низких напряжениях; некоторые выдерживают почти 1000 В при более низких токах. Эти устройства занимают добрую долю квадратного сантиметра кремния.MOSFET находит гораздо более широкое применение, чем JFET. Однако в настоящее время силовые устройства MOSFET не так широко используются, как транзисторы с биполярным переходом.

Работа полевого МОП-транзистора

MOSFET имеет выводы истока, затвора и стока, как и у полевого транзистора. Однако вывод затвора не имеет прямого соединения с кремнием по сравнению с корпусом для полевого транзистора. Затвор MOSFET представляет собой металлический или поликремний слой поверх изолятора из диоксида кремния. Затвор имеет сходство с конденсатором Metal Oxide Semiconductor (MOS) на рисунке ниже.При зарядке пластины конденсатора принимают полярность заряда соответствующих клемм аккумулятора. Нижняя пластина изготовлена ​​из кремния P-типа, электроны отталкиваются отрицательной (-) клеммой батареи в сторону оксида и притягиваются положительной (+) верхней пластиной. Этот избыток электронов около оксида создает инвертированный (избыток электронов) канал под оксидом. Этот канал также сопровождается обедненной областью, изолирующей канал от объемной кремниевой подложки.

N-канальный МОП-конденсатор: (а) не заряжен, (б) заряжен.

На рисунке ниже (а) МОП-конденсатор помещен между парой диффузоров N-типа в подложке P-типа. При отсутствии заряда конденсатора, отсутствии смещения на затворе диффузоры N-типа, исток и сток остаются электрически изолированными.

N-канальный полевой МОП-транзистор (расширенного типа): (a) смещение затвора 0 В, (b) положительное смещение затвора.

Положительное смещение, приложенное к затвору, заряжает конденсатор (затвор). Затвор наверху оксида берет положительный заряд от батареи смещения затвора.Подложка P-типа под затвором принимает отрицательный заряд. Под оксидом затвора образуется область инверсии с избытком электронов. Эта область теперь соединяет исток и сток N-типа, образуя непрерывную N-область от истока до стока. Таким образом, полевой МОП-транзистор, как и полевой транзистор, является униполярным устройством. За проводимость отвечает один тип носителя заряда. Этот пример представляет собой N-канальный MOSFET. При приложении напряжения между этими соединениями возможно проведение большого тока от истока к стоку.Практическая схема будет иметь нагрузку последовательно с разрядной батареей на рисунке выше (b).

Электронный МОП-транзистор

МОП-транзистор, описанный выше на рисунке выше, известен как МОП-транзистор режима расширения . Непроводящий, выключенный канал включается путем усиления канала ниже затвора путем приложения смещения. Это самый распространенный вид устройств. Другой тип полевого МОП-транзистора здесь описываться не будет. См. Главу о полевых транзисторах с изолированным затвором для описания устройства с режимом истощения .

МОП-транзистор, как и полевой транзистор, является устройством, управляемым напряжением. Входное напряжение на затвор управляет потоком тока от истока к стоку. Ворота не потребляют постоянный ток. Тем не менее, затвор потребляет всплеск тока, чтобы зарядить емкость затвора.

Поперечное сечение N-канального дискретного МОП-транзистора показано на рисунке ниже (а). Дискретные устройства обычно оптимизированы для коммутации большой мощности. N + указывает, что исток и сток сильно легированы N-типом. Это сводит к минимуму резистивные потери на пути высокого тока от истока к стоку.N- указывает на легкое легирование. P-область под затвором, между истоком и стоком, может быть инвертирована путем приложения положительного напряжения смещения. Профиль легирования представляет собой поперечное сечение, которое может быть расположено в виде змеевика на кремниевом кристалле. Это значительно увеличивает площадь и, следовательно, текущую управляемость.

N-канальный полевой МОП-транзистор (тип расширения): (a) поперечное сечение, (b) условное обозначение.

Условное обозначение полевого МОП-транзистора на рисунке выше (b) показывает «плавающий» затвор, указывающий на отсутствие прямого подключения к кремниевой подложке.Пунктирная линия от истока к стоку указывает, что это устройство выключено, не проводит ток, с нулевым смещением на затворе. Обычно «выключенный» полевой МОП-транзистор является устройством режима улучшения. Канал должен быть усилен путем приложения напряжения к затвору для обеспечения проводимости. «Указывающий» конец стрелки на подложке соответствует материалу P-типа, который указывает на канал N-типа, «не указывающий» конец. Это символ N-канального MOSFET. Стрелка указывает в противоположном направлении для устройства с P-каналом (не показано).MOSFET — это четыре оконечных устройства: исток, затвор, сток и подложка. Подложка подключается к источнику в дискретных полевых МОП-транзисторах, превращая собранную часть в трехполюсное устройство. Полевые МОП-транзисторы, которые являются частью интегральной схемы, имеют общую подложку для всех устройств, если они специально не изолированы. Это общее соединение может быть выведено из кристалла для подключения к заземлению или напряжению смещения источника питания.

V-MOS

N-канальный «V-MOS» транзистор: (а) поперечное сечение, (б) условное обозначение.

Устройство V-MOS на (рисунок выше) представляет собой улучшенный силовой полевой МОП-транзистор с профилем легирования, расположенным таким образом, чтобы снизить сопротивление истока и стока в открытом состоянии. VMOS получил свое название от V-образной области затвора, которая увеличивает площадь поперечного сечения пути исток-сток. Это минимизирует потери и позволяет переключать более высокие уровни мощности. UMOS, вариант с U-образной канавкой, более воспроизводим при изготовлении.

ОБЗОР:

• MOSFET — это устройства с униполярной проводимостью, проводимость с одним типом носителя заряда, как у полевого транзистора, но в отличие от BJT.
• MOSFET — это устройство, управляемое напряжением, подобное полевому транзистору. Входное напряжение затвора управляет истоком для стока тока.
• Затвор полевого МОП-транзистора не потребляет постоянного тока, за исключением утечки. Однако для зарядки емкости затвора требуется значительный начальный скачок тока.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Что такое полевой МОП-транзистор? | Основы, принцип работы и применение

Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET, MOS-FET или MOS FET) — это полевой транзистор (полевой транзистор с изолированным затвором), напряжение которого определяет проводимость устройства.Он используется для переключения или усиления сигналов. Возможность изменять проводимость в зависимости от приложенного напряжения может использоваться для усиления или переключения электронных сигналов. MOSFET сейчас даже более распространены, чем BJT (биполярные переходные транзисторы) в цифровых и аналоговых схемах.

Диоксид кремния образует затвор МОП-транзистора. Он используется для обеспечения изоляции путем предотвращения прямого попадания зарядов на затвор в проводящий канал.

Структура полевого МОП-транзистора

МОП-транзистор на сегодняшний день является наиболее распространенным транзистором в цифровых схемах, поскольку сотни тысяч или миллионы из них могут быть включены в микросхему памяти или микропроцессор.Поскольку они могут быть изготовлены из полупроводников p-типа или n-типа, дополнительные пары МОП-транзисторов могут использоваться для создания схем переключения с очень низким энергопотреблением в форме логики КМОП.

Почему MOSFET?

Полевые МОП-транзисторы

особенно полезны в усилителях из-за того, что их входной импеданс почти бесконечен, что позволяет усилителю улавливать почти весь входящий сигнал. Основное преимущество заключается в том, что он почти не требует входного тока для управления током нагрузки по сравнению с биполярными транзисторами.Ниже приведены различные типы полевых МОП-транзисторов:

.

• Тип истощения: Транзистору требуется напряжение затвор-исток (VGS), чтобы выключить устройство. MOSFET в режиме истощения эквивалентен «нормально замкнутому» переключателю.
• Тип расширения: Транзистору требуется напряжение затвор-исток (VGS) для включения устройства. MOSFET режима улучшения эквивалентен «нормально разомкнутому» переключателю.

Структура устройства MOSFET

Это четырехконтактное устройство с выводами истока (S), стока (D), затвора (G) и корпуса (B).Корпус часто подключается к клемме источника, что сокращает количество клемм до трех. Он работает, изменяя ширину канала, по которому текут носители заряда (электроны или дырки).

Носители заряда входят в канал у истока и выходят через сток. Ширина канала регулируется напряжением на электроде, называемом затвором, который расположен между истоком и стоком. Он изолирован от канала очень тонким слоем оксида металла. Полевой транзистор металл-изолятор-полупроводник или MISFET — это термин, почти синонимичный MOSFET.Другой синоним — IGFET для полевого транзистора с изолированным затвором.

Работа полевого МОП-транзистора

Работа полевого МОП-транзистора зависит от МОП-конденсатора. Конденсатор MOS является основной частью MOSFET. Поверхность полупроводника в нижнем оксидном слое, который расположен между выводами истока и стока. Его можно инвертировать из p-типа в n-тип, подав положительное или отрицательное напряжение затвора.

Когда мы прикладываем положительное напряжение затвора, дырки под оксидным слоем обладают силой отталкивания, а дырки толкаются вниз вместе с подложкой.Область обеднения заселена связанными отрицательными зарядами, которые связаны с атомами акцептора. Электроны достигают сформированного канала. Положительное напряжение также притягивает электроны из n + областей истока и стока в канал. Теперь, если между стоком и истоком приложено напряжение, ток свободно течет между истоком и стоком, а напряжение затвора управляет электронами в канале. Если приложить отрицательное напряжение, под слоем оксида образуется дырочный канал.

МОП-транзистор с P-каналом

Сток и исток — это сильно легированная p + область, а подложка — n-типа. Ток течет из-за потока положительно заряженных дырок, также известных как MOSFET с p-каналом. Когда мы прикладываем отрицательное напряжение затвора, электроны, находящиеся под оксидным слоем, испытывают силу отталкивания, и они толкаются вниз к подложке, область обеднения заполняется связанными положительными зарядами, которые связаны с донорными атомами.Отрицательное напряжение затвора также притягивает дырки из области p + истока и стока в область канала.

N-канальный полевой МОП-транзистор

N-канальный полевой МОП-транзистор

Сток и исток имеют сильно легированную область n +, а подложка — p-типа. Ток протекает из-за потока отрицательно заряженных электронов, также известного как n-канальный MOSFET. Когда мы прикладываем положительное напряжение затвора, дырки, находящиеся под оксидным слоем, испытывают силу отталкивания, и дырки толкаются вниз к связанным отрицательным зарядам, которые связаны с атомами акцептора.Положительное напряжение затвора также притягивает электроны из n + области истока и стока в канал, таким образом, образуется канал доступа электронов.

---

Дополнительные базовые статьи доступны в учебном уголке.

Статья была впервые опубликована 19 июля 2017 г. и обновлена ​​4 апреля 2019 г.

Полевые транзисторы

— обзор

4.05.8.3 Практическое управление работой

Полевые транзисторы работают за счет электрода затвора, сдвигающего поверхностный потенциал на Si-канале за счет его запрещенной энергии от одного края полосы к другому, загнать его в инверсию.Экспериментально, когда затворы из поли-Si применялись к оксидам затвора HfO ₂ и подвергались стандартному технологическому процессу, Hobbs et al. (2004a) обнаружил, что работа выхода затвора не может охватить запрещенную зону Si, но было обнаружено, что они сгруппированы вокруг энергии в верхней запрещенной зоне ( Рисунок 43 ). Этот эффект получил название пиннинга уровня Ферми.

Рис. 43. Схема сдвигов напряжения плоской полосы в зависимости от толщины слоя HfO ₂ на SiO ₂ на Si для затворных электродов из поли-Si n-типа и p-типа, обнаруженная Hobbs et al. (2003).

Затем Самаведам и др. (2003) заметил, что аналогичный эффект пиннинга уровня Ферми имел место и для металлических затворов на HfO ₂ . Металлические вентили были также испытаны на SiO ₂ , и было замечено сужение EWF к середине зазора из-за химической реакции (Yu and Kwong, 2004).

Yeo et al. (2002b) использовал модель MIGS для предсказания смещения полос оксидов с высоким содержанием K на Si. Однако побочным продуктом этой модели является то, что она предсказывает степень внутреннего закрепления уровня Ферми затворного металла из

(17) ϕn = S (ΦM − ΦS) + (ΦS − χs)

Используя формулу для S дает S ∼ 0.5 для HfO ₂ . Это означает, что если работа выхода в вакууме затвора сместится на 2 эВ, то его EWF сместится только на 1 эВ. Это было бы серьезной проблемой, так как потребовалось бы использовать экстремальные металлы для электродов затвора.

Первая обширная компиляция EWF, выполненная Schaeffer et al. (2004) в Рисунок 44 ( a ) предполагает, что проблема действительно существует, поскольку они показали довольно низкое значение S .

Рис. 44. (a) Сравнение эффективных рабочих функций (EWF) металлов на HfO ₂ и SiO ₂ с индексом металла.(b) Данные, представленные как EWF для HfO ₂ , в зависимости от работы выхода на SiO ₂ . Наклон S получен на основе данных в узком диапазоне 4.1–5.1. (а) Из Schaeffer JK, Capasso C, Fonseca L, et al. (2004) Tech Digest IEDM, p287.

На самом деле данные довольно сложные. Компиляция значений EWF была выполнена Yeo et al. (2002b) из данных CV и данных внутренней фотоэмиссии. Для ZrO ₂ данные о высоте барьера Афанасьева и др. (2007) дают наклон S ∼ 0.5, как видно на рис. 45 ( и ). (Здесь высоты барьера были преобразованы в EWF путем подбора значения CNL.) Для HfO ₂ объединение данных внутренней фотоэмиссии (Афанасьев и Стесманс, 2007) и данных CV дает наклон S ∼ 0,7 дюйма Рисунок 45 ( b ), а не 0,5, как указывалось ранее. На рисунке 44 ( и ) показан исходный график Шеффера. Мы изменили график данных на рис. 44 ( b ), предполагая, что S = 1 для металлов на SiO ₂ , чтобы получить S ∼ 0.2–0,5, в зависимости от того, в какой диапазон подходят данные. С другой стороны, Koyama et al. (2004) обнаружил S ∼ 1 и открепляющий уровень Ферми для CV-измерений высоты металлического барьера на HfO ₂ . Обратите внимание, что металлические электроды в работах Афанасьева (2007) и Коямы и др. Образцы (2004) не подвергались отжигу, тогда как в случае Schaeffer стопки затворов подвергались полному технологическому процессу с отжигом до 1000 ° C. Таким образом, отжиг пакета перед измерениями является критическим фактором.

Рис. 45. (а) Эффективные работы выхода металлов на ZrO ₂ , из данных внутренней фотоэмиссии (Афанасьев и др. , 2001), извлеченные Йео и др. (2002a). (b) Эффективные работы выхода металлов на HfO ₂ , исходя из данных внутренней фотоэмиссии, а также из данных емкости-напряжения (CV), цитируемых Yeo et al. (2002b). Не отожженный. (c) Эффективные работы выхода трех тугоплавких металлов на HfO ₂ по сравнению с SiO ₂ , по методу высоты барьера, по Зафару (2005b).

Зафар и др. (2005b) измерил высоту барьера металлов методом проводимости. Они также обнаружили, что изменение высоты трех тугоплавких металлов (TaSiN, W и Re) на HfO ₂ и SiO ₂ было одинаковым в Рис. 45 ( c ), что соответствует наклону S = 1. Эти пленки прошли полную технологическую обработку.

Schaeffer et al. (2004b) затем показал, что EWF Pt очень зависит от содержания в ней кислорода и ее обработки в формовочном газе (восстановительный) или окислительных отжигах.Cartier et al. (2005) показал, что работа выхода Re-электрода в значительной степени зависит от его отжига в восстановительных или окислительных условиях при отжиге до 500 ° C, как на рис. 46, ( и ). Pantisano et al. (2006) обнаружил аналогичный эффект с электродами из Ru. Эти данные указывают на то, что сдвиги ВФ на металлах p-типа являются внешним эффектом.

Рис. 46. (a) Зависимость напряжения плоской зоны от температуры отжига для стопок Re-HfO ₂ , циклически отожженных в кислороде и формовочном газе.(b) Эффективная работа выхода (EWF) металлов p-типа на HfO ₂ в зависимости от эквивалентной толщины оксида (EOT), демонстрирующая эффект спада V _T при низких значениях EOT. (а) Из Картье (2005). (b) Из материала Lee et al. (2006).

Majhi et al. (2005) и Wen et al. (2008) затем провел подробное исследование электродов из более тугоплавких металлов (обычно TiSiN, TaSiN и т. Д.). EWF был извлечен с помощью более надежного метода экстраполяции с использованием террасированного оксида или образцов свадебного торта (Jha et al., 2004). Данные на рис. 47 ( a ) показали, что измеренный диапазон EWF металлов на HfO ₂ был меньше, чем на SiO ₂ , но не намного меньше, и, что более важно, они могли перекрывать запрещенную зону Si и инвертировать как NMOS, так и PMOS. Мы перенесли эти данные на Рисунок 47 (b ). Предполагая, что S = 1 для SiO ₂ , мы извлекаем значение S ∼0,82 для HfO ₂ . Затем это привело к эре поиска комбинаций металлов для использования в качестве металлических вентилей NMOS и PMOS, в идеале в некоторых комбинациях, которые можно было бы изготовить.

Рис. 47. (a) Эффективные работы выхода (EWF) тугоплавких металлов на HfO ₂ , HfSiO _x и SiO ₂ по данным Wen et al. (2008). (b) Данные представлены как EWF на HfO ₂ по сравнению с EWF на SiO ₂ . Это дает наклон S ∼ 0,82.

В то время закрепление уровня Ферми на поли-Si приписывалось образованию связей Hf – Si на границе раздела HfO ₂ – Si (Hobbs и др. , 2004a, 2004b; Xiong et al. ., 2005b) из-за условий восстановления при осаждении поли-Si, и эти связи скреплены штифтами E _F . Chau et al. (2005) утверждал, что металлические ворота будут откреплены. Однако сейчас этот аргумент прекращен.

Последовали промышленные решения проблемы. Было два подхода. Во-первых, Tseng et al. (2004) и Schaeffer et al. (2007a, 2007b) обнаружил, что достаточно тугоплавкие карбиды металлов, такие как TaC _x , имеют низкую и стабильную EWF на HfO ₂ ∼4.2 эВ, что вполне подходит для nFET-транзисторов. Schaeffer et al. (2007b) обнаружил, что EWFs можно оценить по групповой электроотрицательности.

Вторым направлением было наблюдение, что металлы на сплаве LaHfO _x имеют гораздо меньшее пиннинг, чем на самом HfO ₂ (Rittersma et al. , 2006; Wang et al. , 2006a, 2006b ). Даже довольно низкое содержание 20% La было достаточно, чтобы открепить оксид ( Рисунок 48 ). Iwai et al. (2002) отметил, что La ₂ O ₃ также имеет меньшее пиннинг. Причина до конца не выяснена. Ранее Ragnarsson et al. (2003a) наблюдали, что оксиды La, Y имеют большой отрицательный сдвиг напряжения плоской полосы, который они предположительно приписали захваченному заряду. Однако подробные графики Wang et al. (2006a, 2006b) обнаружил, что напряжение плоской зоны не зависит от толщины, что указывает на небольшой фиксированный заряд, но значительный дипольный сдвиг в сторону EWF.

Рисунок 48.Напряжение плоской полосы некоторых металлов на оксиде LaHfO _x в зависимости от содержания La и эквивалентной толщины оксида (EOT). Показывает малое значение плотности состояний интерфейса и значительное уменьшение пиннинга уровня Ферми.

Это привело к появлению двух промышленных решений: сначала ворота, а последние ( Рисунок 49 ). Процесс первого затвора следует стандартной последовательности операций, но металлический затвор заменяет затвор из поли-Si. Это осуществляется Альянсом IBM (Нараянан, и др. , 2006b).Технологически это сложнее, так как металл затвора должен выдерживать полную температуру процесса (1000 С). Это приводит к появлению кислородных вакансий, что особенно затрудняет управление пороговым напряжением затвора для pFET.

Рис. 49. Поперечное сечение стеков затворов в (a) последнем процессе затвора и (b) первом процессе затвора.

Процесс затвора последнего создает фиктивный поли-Si в стандартном процессе. Затем его удаляют, проводят отжиг после осаждения при 1000 ° C на оксиде затвора, а затем металл затвора помещают в пространство затвора (Mistry et al 2007, Packan et al, 2009).Затем он подвергается гораздо более низкотемпературному отжигу порядка 600 C. Этой последовательности придерживается Intel с 2008 года, а затем TSMC. В нем больше шагов процесса. Это оказывается более сложным и дорогостоящим. Однако, избегая высокотемпературного процесса для металлического затвора и оксида, на практике его легче реализовать, и это было выгодно.

Полевой транзистор

Полевые транзисторы

Функция полевых транзисторов аналогична биполярным транзисторам (особенно того типа, который мы обсудим здесь), но есть несколько отличий.У них есть 3 клеммы, как показано ниже. Два основных типа полевых транзисторов — это полевые МОП-транзисторы с каналом «N» и «P». Здесь мы будем обсуждать только канал N. Фактически, в этом разделе мы будем обсуждать только наиболее часто используемый N-канальный MOSFET в режиме улучшения (полевой транзистор с металлическим оксидом и полупроводником). Его схематический символ находится ниже. Стрелки показывают, как НОЖКИ реального транзистора соответствуют условному обозначению.

Current Control:
Терминал управления называется воротами.Помните, что через базовый вывод биполярного транзистора проходит небольшой ток. Затвор на полевом транзисторе практически не пропускает ток при управлении постоянным током.При управлении затвором с помощью высокочастотных импульсных сигналов постоянного или переменного тока может протекать небольшой ток. Напряжение «включения» транзистора (также известное как пороговое) изменяется от одного полевого транзистора к другому, но составляет примерно 3,3 вольта по отношению к источнику.

Когда полевые транзисторы используются в секции аудиовыхода усилителя, Vgs (напряжение от затвора до источника) редко превышает 3.5 вольт. Когда полевые транзисторы используются в импульсных источниках питания, Vgs обычно намного выше (от 10 до 15 вольт). Когда напряжение затвора превышает примерно 5 вольт, он становится более эффективным (что означает меньшее падение напряжения на полевом транзисторе и, следовательно, меньшее рассеивание мощности).

Обычно используются полевые МОП-транзисторы, потому что их легче использовать в сильноточных устройствах (например, в импульсных источниках питания в автомобильных аудиоусилителях). Если используется биполярный транзистор, часть тока коллектор / эмиттер должна проходить через базовый переход.В ситуациях с большим током, когда имеется значительный ток коллектора / эмиттера, ток базы может быть значительным. Полевые транзисторы могут работать при очень небольшом токе (по сравнению с биполярными транзисторами). Единственный ток, который течет из схемы возбуждения, — это ток, протекающий из-за емкости. Как вы уже знаете, когда на конденсатор подается постоянный ток, возникает первоначальный скачок, после чего ток прекращается. Когда затвор полевого транзистора приводится в действие высокочастотным сигналом, схема управления по существу видит только небольшой конденсатор.Для низких и промежуточных частот схема возбуждения должна обеспечивать небольшой ток. На очень высоких частотах или когда задействовано много полевых транзисторов, схема возбуждения должна обеспечивать больший ток.

Примечание:
Затвор полевого МОП-транзистора имеет некоторую емкость, что означает, что он будет удерживать заряд (сохранять напряжение). Если напряжение затвора не разряжено, полевой транзистор будет продолжать проводить ток. Это не означает, что вы можете заряжать его и ожидать, что полевой транзистор будет продолжать проводить бесконечно долго, но он будет продолжать проводить до тех пор, пока напряжение на затворе не станет ниже порогового напряжения.Вы можете убедиться, что он отключился, если вы подключите понижающий резистор между затвором и истоком.

Сильноточные клеммы:
«Управляемые» клеммы называются истоком и стоком. Это клеммы, отвечающие за пропускание тока через транзистор.

Пакеты транзисторов:
В полевых МОП-транзисторах используются те же «корпуса», что и в биполярных транзисторах. Наиболее распространенным в автомобильном стереоусилителе в настоящее время является корпус TO-220 (показан выше).

---

Транзистор в цепи:
На этой диаграмме показаны напряжения на резисторе и полевом транзисторе с 3 различными напряжениями затвора.Вы должны увидеть, что на резисторе нет напряжения, когда напряжение затвора составляет около 2,5 вольт. Это означает, что ток не течет, потому что транзистор не открыт. Когда транзистор частично включен, на обоих компонентах наблюдается падение напряжения (напряжения). Когда транзистор полностью открыт (напряжение затвора около 4,5 В), полное напряжение питания подается на резистор, и на транзисторе практически отсутствует падение напряжения. Это означает, что оба вывода (исток и сток) транзистора имеют по существу одинаковое напряжение.Когда транзистор полностью включен, нижний вывод резистора эффективно заземлен.

Напряжение на затворе	Напряжение на резисторе	Напряжение на транзисторе
2,5 В	без напряжения	примерно 12 вольт
3,5 В	менее 12 вольт	менее 12 вольт
4,5 В	примерно 12 вольт	практически нет напряжения

---

В следующей демонстрации вы можете увидеть, что к лампе подключен полевой транзистор.Когда напряжение ниже примерно 3 вольт, лампа полностью выключена. Нет тока, протекающего через лампу или полевой транзистор. Когда вы нажимаете кнопку, вы можете видеть, что конденсатор начинает заряжаться (на это указывает восходящая желтая линия и точка пересечения кривой зарядки конденсатора с белой линией, проходящей слева направо. Когда полевой транзистор начинает включаться, напряжение на стоке начинает падать (обозначено падающей зеленой линией и точкой, где зеленая кривая пересекается с белой линией).Когда напряжение на затворе приближается к пороговому напряжению (~ 3,5 В), напряжение на лампе начинает расти. Чем больше он увеличивается, тем ярче становится лампа. После того, как напряжение на затворе достигнет примерно 4 вольт, вы увидите, что лампочка полностью горит (на ее выводах есть полные 12 вольт). Напряжение на полевом транзисторе практически отсутствует. Вы должны заметить, что полевой транзистор полностью выключен при падении напряжения ниже 3 вольт и полностью включен после четырех вольт. Любое напряжение затвора ниже 3 вольт практически не влияет на полевой транзистор.Выше 4 вольт мало влияет.

---

Расчетные параметры

Напряжение затвора:
Как вы уже знаете, полевой транзистор управляется напряжением затвора. Для этого типа полевого МОП-транзистора максимальное безопасное напряжение на затворе составляет ± 20 вольт. Если на затвор (относительно источника) будет подано более 20 вольт, это приведет к разрушению транзистора. Транзистор будет поврежден, потому что напряжение будет проходить через изолятор, который отделяет затвор от части стока / истока полевого транзистора.

Сила тока:
Как и биполярные транзисторы, каждый полевой транзистор предназначен для безопасной передачи определенного количества тока.Если температура полевого транзистора выше 25 ° C (приблизительно 77 градусов Фаренгейта), «безопасные» токонесущие способности транзистора будут уменьшены. Безопасная рабочая зона (S.O.A) продолжает уменьшаться при повышении температуры. Когда температура приближается к максимальной безопасной рабочей температуре, номинальный ток транзистора приближается к нулю.

Напряжение: полевые транзисторы
будут повреждены, если будет превышено указанное максимальное напряжение сток-исток. Информационный листок можно получить у производителя.Лист данных предоставит вам всю информацию, необходимую для его использования.

Рассеиваемая мощность: полевые транзисторы
похожи на биполярные транзисторы с точки зрения корпусов и рассеиваемой мощности, и вы можете вернуться по этой ссылке на страницу биполярных транзисторов для получения дополнительной информации. Нажмите кнопку «назад», чтобы вернуться.

Полевой транзистор FET

ТРАНЗИСТОР ПОЛЕВЫХ ЭФФЕКТОВ
6.1 ВВЕДЕНИЕ

1. Полевой транзистор сокращенно FET, это еще одно полупроводниковое устройство, такое как BJT, которое можно использовать в качестве усилителя или переключателя.
2. Полевой транзистор — это устройство, работающее от напряжения. В то время как биполярный транзистор — это устройство, управляемое током. В отличие от BJT полевой транзистор практически не требует входного тока.
3. Это дает ему чрезвычайно высокое входное сопротивление, что является его самым важным преимуществом перед биполярным транзистором.
4. FET также является трехполюсным устройством, обозначенным как исток, сток и затвор.
5. Исток можно рассматривать как эмиттер BJT, сток как коллектор, а затвор как противоположную часть базы.
6. Материал, соединяющий исток со стоком, называется каналом.

7. Работа полевого транзистора зависит только от потока основных несущих, поэтому они называются однополярными устройствами. Работа BJT зависит как от миноритарных, так и от мажоритарных перевозчиков.
8. Поскольку полевой транзистор имеет проводимость только через большинство несущих, он менее шумный, чем биполярный транзистор.
Полевые транзисторы
9. намного проще в изготовлении и особенно подходят для интегральных схем, поскольку они занимают меньше места, чем биполярные транзисторы.
Усилители на полевых транзисторах
10. имеют низкий коэффициент усиления из-за емкостных эффектов перехода и создают большие искажения сигнала, за исключением работы с малым сигналом.
11. На характеристики полевого транзистора практически не влияют изменения температуры окружающей среды. Поскольку он имеет отрицательный температурный коэффициент при высоких уровнях тока, он предотвращает термический пробой полевого транзистора. BJT имеет положительный температурный коэффициент при высоких уровнях тока, что приводит к тепловому пробою.

6.2 КЛАССИФИКАЦИЯ полевых транзисторов:
Существует две основные категории полевых транзисторов:
1. Переходные полевые транзисторы
2. МОП-транзисторы
Далее они подразделяются на P-канальные и N-канальные устройства.
Далее полевые МОП-транзисторы подразделяются на два типа полевых МОП-транзисторов с истощением и улучшенные. МОП-транзисторы
Когда канал имеет N-тип, JFET упоминается как N-канальный JFET, когда канал имеет P-тип, JFET упоминается как P-канальный JFET.
Условные обозначения для P-канальных и N-канальных полевых транзисторов показаны на рисунке.

6.3 КОНСТРУКЦИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ N-КАНАЛЬНОГО FET
Если затвор выполнен из материала N-типа, канал должен быть из материала P-типа.
КОНСТРУКЦИЯ N-КАНАЛЬНОГО JFET

Кусок материала N-типа, называемый каналом, имеет два меньших куска материала P-типа, прикрепленных к его сторонам, образующих PN-переходы.Концы каналов обозначены как сток и исток. И два куска материала P-типа соединены вместе, и их вывод называется затвором. Поскольку этот канал находится в полосе N-типа, полевой транзистор известен как N-канальный JFET.
РАБОТА N-КАНАЛЬНОГО JFET: —
Общая работа JFET основана на изменении ширины канала для управления током стока.
Кусок материала N-типа, называемый каналом, имеет два меньших куска материала P-типа, прикрепленных к его участкам, которые создают PN-соединения.Концы канала обозначаются стоком и истоком. И два куска материала типа P соединены вместе, и их вывод называется затвором. Когда клемма затвора не подключена, а на стоке приложен положительный потенциал на истоке, течет ток стока Id. Когда затвор смещен отрицательно относительно источника, PN-переходы смещены в обратном направлении, и образуются области обеднения. Канал более легирован, чем затворные блоки P-типа, поэтому обедненные области проникают глубоко в канал.Поскольку обедненная область — это область, обедненная носителями заряда, она ведет себя как изолятор. В результате канал сужается. Его сопротивление увеличивается, а Id уменьшается. Когда отрицательное напряжение смещения затвора дополнительно увеличивается, обедненные области встречаются в центре, и Id полностью обрезается.
Есть два способа контролировать ширину канала

1. Путем изменения значения Vgs
2. И изменяя значение Vds, сохраняя постоянную Vgs

1 Путем изменения значения Vgs: —
Мы можем изменять ширину канала и, в свою очередь, изменять ток стока.Это можно сделать, изменив значение Vgs. Этот момент проиллюстрирован на рисунке ниже. Здесь мы имеем дело с N канальным полевым транзистором. Таким образом, канал относится к типу N, а затвор — к типу P, который составляет PN-переход. Этот PN-переход всегда имеет обратное смещение при работе JFET. Обратное смещение прикладывается напряжением батареи Vgs, подключенным между затвором и истоком, то есть положительный полюс батареи подключен к истоку, а отрицательный — к затвору.

1. Когда PN-переход смещен в обратном направлении, электроны и дырки диффундируют через переход, оставляя неподвижные ионы на N- и P-сторонах, область, содержащая эти неподвижные ионы, известна как обедненные области.
2. Если обе области P и N сильно легированы, то область обеднения простирается симметрично с обеих сторон.
3. Но в N-канале FET P-область сильно легирована, чем N-тип, поэтому обедненная область простирается больше в N-области, чем в P-области.
4. Таким образом, когда Vds не применяется, обедненная область симметрична, а проводимость становится нулевой. Так как мобильных операторов на стыке нет.
5. По мере увеличения напряжения обратного смещения толщина обедненной области также увеличивается.т.е. эффективная ширина канала уменьшается.
6. Изменяя значение Vgs, мы можем изменять ширину канала.

2 Изменение значения Vds при постоянном Vgs: —

1. Когда на затвор не подается напряжение, то есть Vgs = 0, Vds применяется между истоком и стоком, электроны будут течь от истока к стоку через канал, составляющий ток стока Id.
2. При Vgs = 0 для Id = 0 канал между затворными соединениями полностью открыт.В ответ на небольшое приложенное напряжение Vds вся полоса действует как простой полупроводниковый резистор, и ток Id линейно увеличивается с Vds.
3. Сопротивления каналов представлены как rd и rs, как показано на рис.

1. Этот увеличивающийся ток стока Id вызывает падение напряжения на rd, которое смещает в обратном направлении переход затвор-исток (rd> rs). Таким образом, формируется область обеднения, которая не является симметричной.
2. Область истощения, т.е. развитая, проникает глубже в канал возле стока и меньше в направлении истока, потому что Vrd >> Vrs. Таким образом, обратное смещение выше у стока, чем у истока.
3. В результате увеличивающаяся область обеднения уменьшает эффективную ширину канала. В конце концов достигается напряжение Vds, при котором канал перекрывается. Это напряжение, при котором ток Id начинает выравниваться и приближаться к постоянному значению.
4. Итак, изменяя значение Vds, мы можем изменять ширину канала, сохраняя Vgs постоянным.

Когда применяются и Vgs, и Vds: —

Конечно, в принципе невозможно полностью закрыть канал и уменьшить ток Id до нуля, поскольку, если это действительно так, напряжение затвора Vgs прикладывается в направлении, обеспечивающем дополнительное обратное смещение

.

1. Когда напряжение подается между стоком и истоком с батареей Vdd, электроны текут от истока к стоку через узкий канал, существующий между областями истощения.Он составляет ток стока Id, его обычное направление — от стока к истоку.
2. Значение тока стока является максимальным при отсутствии внешнего напряжения между затвором и истоком и обозначается Idss.

1. Когда Vgs увеличивается выше нуля, области истощения расширяются. Это уменьшает эффективную ширину канала и, следовательно, контролирует поток стока через канал.
2. При дальнейшем увеличении Vgs достигается стадия, на которой области истощения соприкасаются друг с другом, что означает, что весь канал закрывается областью истощения. Это снижает ток стока до нуля.

6.4 ХАРАКТЕРИСТИКИ N-КАНАЛЬНОГО JFET: —
Семейство кривых, показывающих соотношение между током и напряжением, известно как характеристические кривые.
Есть две важные характеристики JFET.

1. Характеристики слива или VI
2. Передаточная характеристика

1. Характеристики слива: —

Характеристики стока показывают соотношение между напряжением стока и истока Vds и током стока Id. Для пояснения типичных характеристик стока рассмотрим кривую с Vgs = 0.V.

1. Когда применяется Vds и он увеличивается, ID тока стока также линейно увеличивается до точки перегиба.
2. Это показывает, что полевой транзистор ведет себя как обычный резистор. Эта область называется омической областью.
3. ID увеличивается с увеличением напряжения стока до истока. Здесь ток стока увеличивается медленно по сравнению с омической областью.

4) Это из-за того, что есть увеличение VDS.Это, в свою очередь, увеличивает напряжение обратного смещения на переходе затвор-исток. В результате этого обедненная область увеличивается в размере, тем самым уменьшая эффективную ширину канала.

5) Все напряжение между стоком и истоком, соответствующее точке ширины канала, уменьшается до минимального значения и называется отсечкой.

6) Напряжение сток-исток, при котором происходит отсечка канала, называется напряжением отсечки (Vp).

PINCH OFF Регион: —

1. Это область, показанная кривой как область насыщения.
2. Это также называется областью насыщения или областью постоянного тока. Поскольку канал занят областью истощения, область истощения больше к стоку и меньше к истоку, поэтому канал ограничен, с этим только ограниченным количеством несущих разрешено пересекать этот канал только от стока истока, вызывая ток что постоянно в этом регионе. Чтобы использовать полевой транзистор в качестве усилителя, он работает в этой области насыщения.
3. При этом ток стока остается постоянным на максимальном значении IDSS.

1. Ток стока в области отсечки зависит от напряжения затвор-исток и задается соотношением

Id = Idss [1-Vgs / Vp] 2
Это известно как родство Шокли.
ОБЛАСТЬ РАЗРЫВА: —

1. Область показана кривой. В этой области ток стока быстро увеличивается по мере увеличения напряжения стока в исток.
2. Это из-за перехода затвор-исток из-за лавинного эффекта.
3. Лавинный пробой происходит при постепенно снижающемся значении VDS, потому что напряжение затвора обратного смещения добавляется к напряжению стока, тем самым увеличивая эффективное напряжение на затворном переходе

Это вызывает

1. Максимальный ток стока насыщения меньше
2. Уменьшилась часть омической области.
1. Важно отметить, что максимальное напряжение VDS, которое может быть приложено к полевому транзистору, является наименьшим напряжением, вызывающим доступный пробой.

1. РАЗДАТОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ: —

Эти кривые показывают взаимосвязь между ID тока стока и напряжением затвор-исток VGS для различных значений VDS.

1. Сначала отрегулируйте напряжение сток-исток до некоторого подходящего значения, затем увеличьте напряжение затвор-исток до небольшого подходящего значения.
2. Постройте график между напряжением затвора и источником по горизонтальной оси и идентификатором тока по вертикальной оси. Мы получим такую ​​кривую.

1. Как известно, если Vgs больше отрицательных кривых, ток стока уменьшится. где Vgs делается достаточно отрицательным, Id уменьшается до нуля. Это вызвано расширением области истощения до точки, где она полностью закрывает канал.Значение Vgs в точке отсечки рассчитано как Vgsoff
.

1. Верхний конец кривой, показанный значением тока стока, равен Idss, то есть, когда Vgs = 0, ток стока максимален.

1. В то время как нижний конец обозначен напряжением, равным Vgsoff
2. Если Vgs постоянно увеличивается, ширина канала уменьшается, тогда Id = 0
3. Можно отметить, что кривая является частью параболы; это может быть выражено как

Id = Idss [1-Vgs / Vgsoff] 2
РАЗНИЦА МЕЖДУ Vp И Vgsoff —
Vp — это значение Vgs, которое заставляет JFET становиться постоянной составляющей тока. Оно измеряется при Vgs = 0 В и имеет постоянный ток стока Id = Idss.Где Vgsoff — значение Vgs, которое уменьшает Id примерно до нуля.
Почему переход затвор-исток полевого транзистора всегда имеет обратное смещение?
Переход затвор-исток полевого транзистора никогда не допускает прямого смещения, потому что материал затвора не предназначен для обработки какого-либо значительного количества тока. Если переходу позволено стать смещенным вперед, ток будет генерироваться через материал затвора. Этот ток может разрушить компонент.
Есть еще одна важная характеристика обратного смещения JFET, то есть J FET имеет чрезвычайно высокое характеристическое входное сопротивление затвора. Этот импеданс обычно находится в высоком мегаомном диапазоне. Благодаря чрезвычайно высокому входному сопротивлению, он не потребляет ток от источника. Высокое входное сопротивление полевого транзистора привело к его широкому использованию в интегральных схемах. Низкие текущие требования к компоненту делают его идеальным для использования в ИС. Где тысячи транзисторов должны быть вытравлены на одном куске кремния.Низкое потребление тока помогает ИС оставаться относительно прохладной, что позволяет разместить больше компонентов в меньшей физической области.
6.5 ПАРАМЕТРЫ JFET
Электрическое поведение JFET можно описать с помощью определенных параметров. Такие параметры получаются из характеристических кривых.
A C Сопротивление дренажу (кр.) :
Это также называется динамическим сопротивлением стока и представляет собой сопротивление переменного тока между выводами стока и истока, когда полевой транзистор JFET работает в области отсечки или насыщения.Он определяется отношением небольшого изменения напряжения стока к истоку ∆Vds к соответствующему изменению тока стока ∆Id для постоянного напряжения затвора и истока Vgs.
Математически это выражается как rd = ∆Vds / ∆Id, где Vgs остается постоянным.
TRANCE ПРОВОДИМОСТЬ (гм):
Это также называется прямой крутизной. Он определяется отношением небольшого изменения тока стока (∆Id) к соответствующему изменению напряжения затвора и истока (∆Vds)
Математически крутизну можно записать как
gm = ∆Id / ∆Vds
КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ (µ)
Он определяется отношением небольшого изменения напряжения стока к истоку (∆Vds) к соответствующему изменению напряжения затвора и истока (∆Vgs) при постоянном токе стока (Id).
Таким образом, µ = ∆Vds / ∆Vgs, когда Id остается постоянным
Коэффициент усиления µ может быть выражен как произведение крутизны (gm) и сопротивления стока по переменному току (rd)
µ = ∆Vds / ∆Vgs = gm rd

6.6 МОДЕЛЬ МАЛЫХ СИГНАЛОВ ПОЛЕВА: —
Эквивалентная схема линейного малого сигнала для полевого транзистора может быть получена способом, аналогичным тому, который использовался для получения соответствующей модели для транзистора.
Мы можем выразить ток стока iD как функцию f напряжения затвора и напряжения стока Vds.
Id = f (Vgs, Vds) —————— (1)
Крутизна gm и сопротивление стока rd: —
Если изменяются и напряжение затвора, и напряжение стока, изменение тока стока аппроксимируется с помощью ряда тейлоров с учетом только первых двух членов в расширении
∆id = | vds = константа .∆vgs | vgs = постоянная ∆vds
мы можем написать ∆id = id
∆vgs = vgs
∆vds = vds
Id = gm v Vds → (1)
Где gm = | Vds | Vds
gm = | Vds
Это взаимная проводимость или крутизна.Его также называют прямой проводимостью общего источника gfs или yfs.
Второй параметр rd — это сопротивление стока или выходное сопротивление, определяемое как
. rd = | Vgs | Vgs = | Vgs
rd = | Vgs
Обратной величине rd является проводимость стока gd. Она также обозначается Йосом и Госом и называется выходной проводимостью общего истока. Таким образом, эквивалентную схему малого сигнала для полевого транзистора можно нарисовать двумя разными способами.
1. малый сигнальный ток — модель
2.Модель источника напряжения слабого сигнала.
Модель источника тока слабого сигнала для полевого транзистора в общей конфигурации источника может быть построена, удовлетворяя уравнению → (1), как показано на рисунке (a)
Эта низкочастотная модель полевого транзистора имеет выходную цепь Нортона с генератором зависимого тока, величина которого пропорциональна напряжению между затвором и источником. Коэффициент пропорциональности — это крутизна «gm». Выходное сопротивление — «rd». Входное сопротивление между затвором и истоком бесконечно, поскольку предполагается, что затвор с обратным смещением не потребляет ток.По той же причине предполагается, что сопротивление между затвором и стоком бесконечно.
Модель источника напряжения слабого сигнала показана на рисунке (b).
Это можно получить, найдя эквивалент Тевенина для выходной части рис (а).
Эти малосигнальные модели для полевого транзистора можно использовать для анализа трех основных конфигураций усилителя полевого транзистора:
1. общий источник (CS) 2. общий сток (CD) или повторитель источника
3. общие ворота (CG).
(a) Модель источника тока слабого сигнала для полевого транзистора (b) Модель источника напряжения слабого сигнала для полевого транзистора
Здесь входная цепь остается разомкнутой из-за высокого входного сопротивления, а выходная цепь удовлетворяет уравнению для ID
6,7 MOSFET: —
Теперь обратим наше внимание на полевой транзистор с изолированным затвором или металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор, который имеет большее коммерческое значение, чем полевой транзистор с переходом.
Однако большинство полевых МОП-транзисторов являются триодами с внутренней подложкой, подключенной к источнику.Условные обозначения схем, используемые несколькими производителями, показаны на рисунке ниже.

(a) MOSFET обедненного типа (b) MOSFET улучшенного типа
Оба они являются P-канальными
Вот два основных типа МОП-транзисторов
(1) Тип истощения (2) MOSFET типа расширения.
D-МОП-транзисторы могут работать как в режиме истощения, так и в режиме улучшения.Полевые МОП-транзисторы E могут работать только в режиме улучшения. Основное различие между ними — их физическая конструкция.
Конструктивная разница между ними показана на рисунке ниже.

Как мы видим, D MOSFET имеет физический канал между выводами истока и стока (заштрихованная область)

E MOSFET, с другой стороны, физически не имеет такого канала. Формирование канала между истоком и стоком зависит от напряжения затвора.
Оба полевых МОП-транзистора имеют изолирующий слой между затвором и остальной частью компонента. Этот изолирующий слой состоит из SIO2, изоляционного материала, подобного стеклу. Материал затвора состоит из металлического проводника. Таким образом, переходя от затвора к подложке, мы можем получить полупроводник из оксида металла, откуда и происходит термин MOSFET.
Поскольку затвор изолирован от остальной части компонента, полевой МОП-транзистор иногда называют полевым транзистором с изолированным затвором или IGFET.
Основа полевого МОП-транзистора называется подложкой.Этот материал представлен в условном обозначении центральной линией, которая соединена с источником.
В символе полевого МОП-транзистора стрелка помещена на подложку. Как и в случае с JFET, стрелка, указывающая внутрь, представляет N-канальное устройство, а указывающая стрелка представляет собой p-канальное устройство.

КОНСТРУКЦИЯ N-КАНАЛЬНОГО МОП-транзистора: —
МОП-транзистор с N-каналом состоит из слаболегированного вещества p-типа, в которое рассеиваются две сильно легированные области n +, как показано на рис.Эти n + секций, которые будут действовать как исток и сток. Тонкий слой изоляционного диоксида кремния (SIO2) нарастает по поверхности конструкции, а в оксидном слое прорезаются отверстия, позволяющие контактировать с истоком и стоком. Затем металлическая область затвора накладывается на оксид, покрывая всю область канала. Металлические контакты сделаны для стока и истока, а контакт с металлом по площади канала является выводом затвора. изолирующий диэлектрический оксидный слой и полупроводниковый канал образуют конденсатор с параллельными пластинами.Изоляционный слой из sio2
Это причина, по которой это устройство называется полевым транзистором с изолированным затвором. Этот слой обеспечивает чрезвычайно высокое входное сопротивление (от 10 10 до 10 Ом, 15 Ом) для полевого МОП-транзистора.
6.7.1 ВЫПУСКНОЙ МОП-транзистор
Базовая структура D –MOSFET показана на рис. N-канал распространяется между истоком и стоком с устройством, и значительный ток стока IDSS течет от нулевого затвора к напряжению истока, Vgs = 0.

Работа в режиме истощения: —

1. На приведенном выше рисунке показаны рабочие условия D-MOSFET с закороченными вместе клеммами затвора и истока (VGS = 0 В)

1. На этом этапе ID = IDSS, где VGS = 0 В, с этим напряжением VDS протекает заметный ток стока IDSS.

1. Если напряжение между затвором и истоком становится отрицательным, т. Е. Отрицательными значениями VG, в канале индуцируются положительные заряды через SIO2 конденсатора затвора.

1. Поскольку ток в полевом транзисторе обусловлен основными носителями (электронами для материала N-типа), индуцированные положительные заряды делают канал менее проводящим, и ток стока падает, когда Vgs становится более отрицательным.

1. Перераспределение заряда в канале вызывает эффективное истощение основных носителей, что и объясняет обозначение истощения MOSFET.

1. Это означает, что напряжение смещения Vgs истощает канал свободных носителей. Это эффективно уменьшает ширину канала, увеличивая его сопротивление.

1. Обратите внимание, что отрицательный Vgs оказывает такое же влияние на полевой МОП-транзистор, как и на полевой транзистор JFET.

1. Как показано на рисунке выше, слой истощения, создаваемый Vgs (представленный белым пространством между изоляционным материалом и каналом), врезается в канал, уменьшая его ширину.В результате Id

Работа в режиме расширения D-MOSFET: —

1. Этот режим работы является результатом приложения положительного затвора к источнику напряжения Vgs на устройство.
2. Когда Vgs положительный, канал эффективно расширяется. Это снижает сопротивление канала, позволяя ID превышать значение IDSS
.
3. Когда значение Vgs положительное, большинство носителей в p-типе являются дырками.Отверстия в подложке p-типа отражаются положительным напряжением затвора.
4. В то же время электроны зоны проводимости (неосновные носители) в материале p-типа притягиваются к каналу под действием напряжения затвора +.
5. По мере накопления электронов около канала, область справа от физического канала фактически становится материалом N-типа.
6. Расширенный канал типа n теперь допускает больший ток, Id> Idss

Характеристики истощающего полевого МОП-транзистора: —
Фиг.показывает характеристики стока для N-канального обедненного типа MOSFET

.

1. Кривые построены как для положительного, так и для отрицательного напряжения Vgs.

.

1. Когда Vgs = 0 и отрицательное значение, МОП-транзистор работает в режиме истощения, когда Vgs положительный, МОП-транзистор работает в режиме улучшения.
2. Разница между JFET и D MOSFET заключается в том, что JFET не работает при положительных значениях Vgs.

1. Когда Vds = 0, между истоком и стоком нет проводимости, если Vgs <0 и Vds> 0, то Id увеличивается линейно.

1. Но, поскольку Vgs, 0 индуцирует дырки для положительных зарядов в канале и контролирует ширину канала. Таким образом, проводимость между истоком и стоком поддерживается постоянной, то есть Id постоянным.

1. Если Vgs> 0, затвор индуцирует больше электронов на стороне канала, к нему добавляются свободные электроны, генерируемые источником. снова потенциал, приложенный к затвору, определяет ширину канала и поддерживает постоянный ток через него, как показано на Рис.
.

РАЗДАТОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ: —
Комбинация 3 рабочих состояний i.е. Vgs = 0V, VGs <0V, Vgs> 0V представлены кривой крутизны D MOSFET, показанной на рис.

1. Здесь на этой кривой можно отметить, что область АВ по характеристикам аналогична таковой у JFET.

1. Эта кривая продолжается для положительных значений Vgs

1. Обратите внимание, что Id = Idss для Vgs = 0 В, когда Vgs отрицательное, Id Idss.Таким образом, очевидно, что Idss не является максимально возможным значением Id для полевого МОП-транзистора.

1. Кривые аналогичны JFET, поэтому D MOSFET имеет такое же уравнение крутизны.

6.7.2 Электронные МОП-транзисторы
E MOSFET может работать только в режиме улучшения. Потенциал затвора должен быть положительным по отношению к источнику.

1. при значении Vgs = 0 В канал, соединяющий материалы истока и стока, отсутствует.

1. В результате не может быть значительного тока стока.

1. Когда Vgs = 0, источник Vdd пытается вынудить свободные электроны от истока к стоку, но наличие p-области не позволяет электронам проходить через нее. Таким образом, ток стока отсутствует при Vgs = 0,
.

1. Если Vgs положительный, он индуцирует отрицательный заряд в подложке p-типа в непосредственной близости от слоя SIO2.

1. Поскольку дырки отталкиваются положительным напряжением затвора, электроны неосновных носителей притягиваются к этому напряжению.Это образует эффективный мост N-типа между истоком и стоком, обеспечивающий путь для тока стока.

1. Это положительное напряжение затвора образует канал между истоком и стоком.

1. Это создает тонкий слой канала N-типа в субпарате P-типа. Этот слой свободных электронов называется инверсионным слоем N-типа.

1. Минимальное значение Vgs, которое создает этот инверсионный слой, называется пороговым напряжением и обозначается как Vgs (th).Эта точка, в которой устройство включается, называется пороговым напряжением Vgs (th)
.
2. Когда напряжение Vgs

1. Однако, когда напряжение Vgs> Vgs (th), инверсионный слой подключает сток к истоку, и мы получаем значительные значения тока.

ХАРАКТЕРИСТИКИ E MOSFET: —

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ СЛИВА

Вольт-амперные характеристики стока N-канального полевого МОП-транзистора в режиме улучшения приведены на рис.

1. РАЗДАТОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ: —
1. Текущее значение Idss при Vgs≤ 0 очень мало, порядка нескольких наноампер.
2. Когда Vgs становится + ve, ток Id медленно увеличивается вначале, а затем намного быстрее с увеличением Vgs.
3. Стандартная формула крутизны не работает для E MOSFET.
4. Чтобы определить значение ID при заданном значении VG, мы должны использовать следующее соотношение

Id = K [Vgs-Vgs (Th)] 2
Где K является постоянным для полевого МОП-транзистора.найдено как
К =
Судя по листам технических данных, 2N7000 имеет следующие характеристики.
Id (on) = 75 мА (минимум).
И Vgs (th) = 0,8 (минимум)

6,8 ПРИМЕНЕНИЕ MOSFET
Один из основных вкладов в электронику, внесенный полевыми МОП-транзисторами, можно найти в области цифровой (компьютерной электроники). Сигналы в цифровых схемах состоят из быстро переключающихся уровней постоянного тока. Этот сигнал называется прямоугольной волной, состоящей из двух уровней постоянного тока (или логических уровней).Эти логические уровни — 0 В и + 5 В.
Группа схем с аналогичными схемами и рабочими характеристиками называется логическим семейством. Все схемы в данном семействе логики реагируют на одни и те же логические уровни, имеют одинаковую скорость и возможности управления мощностью и могут быть напрямую связаны друг с другом. Одним из таких семейств логики является дополнительная логика MOS (или CMOS). Это семейство логики полностью состоит из полевых МОП-транзисторов.
6.9 ПОЛЯРНЫЙ ПАТРУБОК: —
Для правильного функционирования линейного усилителя на полевых транзисторах необходимо поддерживать стабильную рабочую точку Q в центральной части зоны отсечки. Точка Q не должна зависеть от изменений параметров устройства и колебаний температуры окружающей среды
Это может быть достигнуто путем подходящего выбора напряжения затвора для истока VGS и идентификатора тока стока, который называется смещением
. Цепи смещения JFET очень похожи на схемы смещения BJT Основное различие между цепями JFET и BJT заключается в работе самих активных компонентов
Существует два основных типа схем смещения

.

1. Самостоятельное смещение
2. Делитель напряжения смещения.

6.9.1 САМОСКОП
Самосмещение — это схема смещения полевого транзистора, в которой используется истоковый резистор для обратного смещения затвора полевого транзистора. Схема самосмещения показана на рис. Самостоятельное смещение является наиболее распространенным типом смещения JFET. Этот полевой транзистор должен работать так, чтобы переход затвор-исток всегда был смещен в обратном направлении. Это условие требует отрицательного VGS для N-канального JFET и положительного VGS для P-канального JFET. Этого можно добиться, используя самосмещение, как показано на рис.Затворный резистор RG не влияет на смещение, потому что он практически не имеет падения напряжения на нем, и: затвор остается на уровне 0 В. RG необходим только для изоляции сигнала переменного тока от земли в усилителях. Падение напряжения на резисторе RS вызывает обратное смещение перехода затвор-исток.

Для анализа постоянного тока конденсаторы связи представляют собой разомкнутые цепи.
Для N-канального полевого транзистора на рис. (A)
IS вызывает падение напряжения на RS и делает источник положительным w.r.t земли. В любой схеме JFET весь ток истока проходит через устройство в цепь стока. Это связано с тем, что нет значительного тока затвора.
Мы можем определить ток источника как IS = ID
(VG = 0, потому что в RG нет тока затвора, поэтому VG через RG равен нулю)
VG = 0, затем VS = ISRS = ID RS
VGS = VG-VS = 0-ID RS = — ID RS
Анализ собственного постоянного тока смещения: —
В следующем анализе постоянного тока N-канальный J FET, показанный на рис.используется для иллюстрации.
Для анализа постоянного тока мы можем заменить конденсаторы связи на разомкнутые цепи, а также мы можем заменить резистор RG эквивалентом короткого замыкания.:. IG = 0. Связь между ID и VGS задается формулой
. Id = Idss [1-] 2
VGS для N-канального JFET = -id Rs
Подставляя это значение в уравнение выше
Id = Idss [1-] 2
Id = Idss [1+] 2
Для полевого транзистора N-chanel на рисунке выше
Is вызывает падение напряжения на Rs и делает источник положительным w.r.t заземление в любой цепи JFET весь ток истока проходит через устройство в цепь стока, это связано с тем, что нет значительного тока затвора. Следовательно, мы можем определить ток источника как Is = Id и Vg = 0, тогда
Vs = Is Rs = IdRs
Vgs = Vg-Vs = 0-IdRs = -IdRs
Рисование линии самосмещения: —
Типичные передаточные характеристики полевого транзистора с самосмещением показаны на рис.
Максимальный ток стока составляет 6 мА, а напряжение отключения затвора истока составляет -3 В.Это означает, что напряжение затвора должно быть в пределах от 0 до -3 В.

Теперь, используя уравнение VGS = -IDRS и предполагая RS любого подходящего значения, мы можем нарисовать линию собственного смещения.
Допустим, RS = 500 Ом
С помощью этого Rs мы можем построить две точки, соответствующие ID = 0 и Id = IDSS
. для ID = 0
VGS = -ID RS
VGS = 0X (500 Ом) = 0 В
Итак, первая точка (0, 0)
(Id, VGS)
Для ID = IDSS = 6 мА
VGS = (-6 мА) (500 Ом) = -3 В
Таким образом, вторая точка будет (6 мА, -3 В)
Построив эти две точки, мы можем провести прямую линию через точки.Эта линия будет пересекать кривую крутизны и известна как линия самосмещения. Точка пересечения дает рабочую точку JFET самосмещения для схемы.
В точке Q значение ID немного> 2 мА, а VGS немного> -1 В. Точка Q для полевого транзистора с самосмещением зависит от значения Rs. Если Rs большое, точка Q находится далеко вниз на кривой крутизны, ID маленький, когда Rs маленький, точка Q находится далеко вверх по кривой, ID большой.
6.9.2 Смещение делителя напряжения: —

Фиг.показывает N-канальный JFET со смещением делителя напряжения. Напряжение на истоке JFET должно быть более положительным, чем напряжение на затворе, чтобы соединение затвор-исток оставалось смещенным в обратном направлении. Напряжение источника
VS = IDRS
Напряжение затвора устанавливается резисторами R1 и R2, как выражается в следующем уравнении с использованием формулы делителя напряжения.
Vg = Vdd
Для анализа постоянного тока

Применение КВЛ во входной цепи
VG-VGS-VS = 0
:: VGS = VG-Vs = VG-ISRS
VGS = VG-IDRS :: IS = ID
Применяя КВЛ к входной цепи получаем
VDS + IDRD + VS-VDD = 0
:: VDS = VDD-IDRD-IDRS
VDS = VDD-ID (RD + RS)
Точка Q усилителя JFET, использующего смещение делителя напряжения, составляет
IDQ = IDSS [1-VGS / VP] 2
VDSQ = VDD-ID (RD + RS)
СРАВНЕНИЕ МОП-транзистора с JFET

1. В полевых МОП-транзисторах с усилением и истощением поперечное электрическое поле, индуцированное через изолирующий слой, нанесенный на полупроводниковый материал, регулирует проводимость канала.
2. В полевом транзисторе JFET поперечное электрическое поле через обратно смещенный PN-переход управляет проводимостью канала.
3. Ток утечки затвора в полевом МОП-транзисторе составляет порядка 10–12 А. Следовательно, входное сопротивление полевого МОП-транзистора очень велико, порядка 1010–1015 Ом. Ток утечки затвора полевого транзистора составляет порядка 10–9 А., а его входное сопротивление — порядка 108 Ом.
4. Выходные характеристики JFET более плоские, чем у MOSFET, и, следовательно, сопротивление стока JFET (0.От 1 до 1 МОм) намного выше, чем у полевого МОП-транзистора (от 1 до 50 кОм).
5. JFET работают только в режиме истощения. MOSFET истощенного типа может работать как в режиме истощения, так и в режиме улучшения.
6. По сравнению с JFET, полевые МОП-транзисторы легче изготавливать.
7. Доступны специальные цифровые КМОП-схемы, которые обеспечивают практически нулевое рассеивание мощности и очень низкие требования к напряжению и току. Это делает их подходящими для портативных систем.

Источник: https://www.snscourseware.org/snsct/files/CW_595634b70671f/EDC%20unit%206%20FET.doc

Если вы являетесь автором приведенного выше текста и не соглашаетесь поделиться своими знаниями для обучения, исследований, стипендий (для добросовестного использования, как указано в авторских правах США), отправьте нам электронное письмо, и мы быстро удалим ваш текст. Добросовестное использование — это ограничение и исключение из исключительного права, предоставленного законом об авторском праве автору творческой работы.В законах США об авторском праве добросовестное использование — это доктрина, которая разрешает ограниченное использование материалов, защищенных авторским правом, без получения разрешения от правообладателей. Примеры добросовестного использования включают комментарии, поисковые системы, критику, репортажи, исследования, обучение, архивирование библиотек и стипендии. Он предусматривает легальное, нелицензионное цитирование или включение материалов, защищенных авторским правом, в работы другого автора в соответствии с четырехфакторным балансирующим тестом. (источник: http://en.wikipedia.org/wiki/Fair_use)

Информация о медицине и здоровье, содержащаяся на сайте , носит общий характер и цель, которая является чисто информативной и по этой причине не может в любом случае заменить совет врача или квалифицированного лица, имеющего законную профессию.

Тексты являются собственностью их авторов, и мы благодарим их за предоставленную нам возможность бесплатно делиться своими текстами с учащимися, преподавателями и пользователями Интернета, которые будут использоваться только в иллюстративных образовательных и научных целях.

МОП-транзистор Введение — МОП-полевой транзистор (МОП-транзистор)

В этом видео мы познакомимся с полевым транзистором на основе металло-оксидного полупроводника или МОП-транзистором. Первоначальная концепция MOSFET была разработана еще в 1930-х годах.Однако практическая сложность изготовления устройства не позволяла широко использовать его до 1960-х годов. Однако, как только технология будет достаточно усовершенствована, чтобы производить высококачественные полевые МОП-транзисторы. MOSFET быстро заменил биполярные переходные транзисторы в качестве основной доминирующей технологии для полупроводниковых электронных устройств. MOSFET, как правило, проще в изготовлении, он больше подходит для плотной интеграции, которая была основным двигателем технологического развития в последние несколько десятилетий, а также известно, что MOSFET в целом потребляет меньше энергии по сравнению с биполярным переходным транзистором.Итак, технологический стимул для MOSFET заключался в уменьшении размера транзистора и увеличении плотности транзисторов в данной области полупроводниковой пластины. Плотность транзистора с годами экспоненциально увеличивалась, и эта тенденция известна как закон Мура. Еще в 70-х годах они начали с сотен транзисторов на квадратный миллиметр, а теперь это число составляет многие миллионы транзисторов на квадратный миллиметр. Точно так же размер элемента или длина затвора полевого МОП-транзистора экспоненциально уменьшились.Теперь длина затвора приближается к десяти нанометрам. Сейчас идет много споров о том, как далеко продвинется закон Мура. Учитывая физический предел, мы уже приближаемся к нулю. Довольно быстро, и поэтому совершенно ясно, что закон Мура не будет продолжаться так бесконечно. Однако в то же время, учитывая производительность и стоимость этих полупроводниковых устройств на основе этих MOSFET, также довольно ясно, что технология полупроводниковых устройств на основе MOSFET будет доминирующей технологией для электронных устройств в течение длительного времени.МОП-транзистор — это четырехполюсное устройство; есть затвор, есть исток и сток, и есть задний контакт, называемый выводом корпуса. Итак, это четыре. Электрод затвора является частью оксида металла МОП-устройств, эта желтая область здесь — оксид, а зеленая область — полупроводник. Итак, электрод затвора является частью МОП-устройства, о котором мы говорили в предыдущем модуле. Эта область затвора окружена или зажата истоком и стоком, которые являются областью n-типа. Он построен на подложке p-типа.Основная операция состоит в том, чтобы подать напряжение на затвор, чтобы создать инверсионный слой в этом MOS-устройстве, и когда этот инверсионный слой сформирован, тогда у вас будет прямое электрическое соединение между областью истока и стока, и теперь вы можете приложить напряжение между сток и исток для управления током. Итак, это основная операция с вашим устройством MOS. Есть два типа полевых МОП-транзисторов; n-канал и p-канал. Это зависит от того, какой тип подложки вы используете, подложка p-типа ведет к устройству с n-каналом, подложка n-типа ведет к устройству с p-каналом, и это связано с тем, что область затвора, устройства затвора — это металлооксидное полупроводниковое устройство. .Итак, если у вас есть МОП-устройство, использующее подложку p-типа, когда вы создаете инверсионный слой, инверсионный слой будет слоем n-типа, электронным слоем. Итак, отсюда и n-канальный MOSFET, и если вы используете подложку n-типа, вы создадите p-канал, инвертируя область поверхности. Поскольку мы в первую очередь обсуждаем МОП-устройство, использующее для целостности подложку p-типа, мы сосредоточимся на этом модуле. Мы сосредоточим наше обсуждение на n-канальном MOSFET-устройстве, использующем подложку p-типа. Обычно области истока и стока электрически отключены, поскольку в областях истока и стока находятся области n-типа на подложке p-типа.Итак, обычно нет прямого электрического соединения, пока вы не приложите напряжение к затвору и не создадите инверсионный слой, тогда у вас будет электрическая проводимость между истоком и стоком. Теперь этот тип устройства называется устройством MOS режима улучшения. Обычно, когда у вас нет смещения на затворе, он электрически отключен. Вы должны применить смещение к затвору, чтобы создать инверсионный слой, чтобы включить канал, как он называется, чтобы создать электрическую проводимость между истоком и стоком.