Содержание
Мосфеты — разновидность полевых транзисторов, очень полезная штука, если правильно его подобрать, подключить и использовать. Я их люблю применять в поделках. Маломощные в основном для экономичности потребления тока, мощные для коммутации амперных нагрузок и для силовых ключей в ШИМ- схемах и генераторах.
В отличие от простых биполярных транзисторов управляются они не током а напряжением. Управляющий электрод — затвор по сути является одним контактом простого неполярного конденсатора малой емкости.
В логических пятивольтовых схемах очень хорошо применять "логические" мосфеты — транзисторы, которые управляются напрямик с ножек микроконтроллера.
При подборе и выборе мощного мосфета нужно учитывать его основные параметры, это максимальное напряжение на его ножках, сопротивление между входом и выходом в открытом состоянии и напряжение на затворе, достаточное полностью открыть мосфет. Для логических мосфетов это напряжение в основном чуть ниже пяти вольт.
При подключении мощных нагрузок на первый план выступает проходное сопротивление сток — исток в открытом состоянии. Чем больше коммутируемый ток — тем важнее этот праметр. В даташитах этот параметр всегда на первой странице отдельной строкой.
Чем меньше этот параметр, тем меньше тепла будет выделяться мосфетом при работе. Даже небольшое изменение этого параметра приводит к большим разностям в выделении тепла.
Для примера я собрал тестовую схему:
Для замеров я использовал два мультиметра. Напряжение на затвор от нуля до максимума я подавал через проволочный многооборотный резистор СП5-3. Подопытным транзистором был 2SK3918.
Вот таблица замеров:
Данные конечно получились не совсем точные, но для общего сведения пойдет.
Пояснения:
GS — напряжение между затвором и минусом схемы, которое поступает с подстроечного резистора
DS — напряжение падения на транзисторе.
I — ток нагрузки — лампочки.
Далее применив Закон Ома вычислилась мощность W и сопротивление R. Вот это сопротивление и указывается в даташитах. Красным отмечена слишком большая мощность нагрева транзистора — мосфет полностью не открыт.
При использовании в качестве мощных ШИМ-ключей для регулировки яркости светодиодов и ламп нельзя задирать частоту импульсов высоко. Достаточно держать её чуть выше 50 Герц. Например така частота у штатных панелей приборов оптитрон и у штатных ДХО из ламп дальнего света " в пол накала" в тойотах. Если использовать более высокие частоты (килогерцы и выше) затвор мосфета начинает хорошо проводить ток и для раскачки его необходимо усложнять схему или использовать специальные драйверы.
Как показала практика мосфет 2SK3918 спокойно без радиатора в воздухе выдерживает 60-ти ватовую лампочку, оставаясь слегка теплым при напряжении на затворе в пять вольт. При подключении ШИМ генератора со скважностью 30-50% вообще холодный.
Полевой транзистор с изолированным затвором
На сегодняшний день, среди достаточного количества разновидностей транзисторов выделяют два класса: p-n — переходные транзисторы (биполярные) и транзисторы с изолированным полупроводниковым затвором (полевые).
Другое название, которое можно встретить при описании полевых транзисторов – МОП (металл – окисел — полупроводник). Обусловлено это тем, что в качестве диэлектрического материала в основном используется окись кремния (SiO2).
Еще одно, довольно распространенное название – МДП (металл – диэлектрик — полупроводник).
Немного пояснений. Очень часто можно услышать термины MOSFET, мосфет, MOS-транзистор. Данный термин порой вводит в заблуждение новичков в электронике.
Что же это такое MOSFET ?
MOSFET – это сокращение от двух английских словосочетаний: Metal-Oxide-Semiconductor (металл – окисел – полупроводник) и Field-Effect-Transistors (транзистор, управляемый электрическим полем). Поэтому MOSFET – это не что иное, как обычный МОП-транзистор.
Думаю, теперь понятно, что термины мосфет, MOSFET, MOS, МДП, МОП обозначают одно и тоже, а именно полевой транзистор с изолированным затвором.
Внешний вид одного из широко распространённых мосфетов — IRFZ44N.
Стоит помнить, что наравне с аббревиатурой MOSFET применяется сокращение J-FET (Junction – переход). Транзистор J-FET также является полевым, но управление им осуществляется за счёт применения в нём управляющего p-n перехода. В отличие от MOSFET’а, J-FET имеет немного иную структуру.
Принцип работы полевого транзистора.
Суть работы полевого транзистора заключается в возможности управления протекающим через него током с помощью электрического поля (напряжения). Этим он выгодно отличается от транзисторов биполярного типа, где управление большим выходным током осуществляется с помощью малого входного тока.
Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором.
Взглянем на упрощённую модель полевого транзистора с изолированным затвором (см. рис.). Поскольку мосфеты бывают с разным типом проводимости (n или p), то на рисунке изображён полевой транзистор с изолированным затвором и каналом n-типа.
Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором
Основу МДП-транзистора составляет:
Подложка из кремния. Подложка может быть как из полупроводника p-типа, так и n-типа. Если подложка p-типа, то в полупроводнике в большей степени присутствуют положительно заряженные атомы в узлах кристаллической решётки кремния. Если подложка имеет тип n, то в полупроводнике в большей степени присутствуют отрицательно заряженные атомы и свободные электроны. В обоих случаях формирование полупроводника p или n типа достигается за счёт введения примесей.
Области полупроводника n+. Данные области сильно обогащены свободными электронами (поэтому "+"), что достигается введением примеси в полупроводник. К данным областям подключаются электроды истока и стока.
Диэлектрик. Он изолирует электрод затвора от кремниевой подложки. Сам диэлектрик выполняют из оксида кремния (SiO2). К поверхности диэлектрика подключен электрод затвора – управляющего электрода.
Теперь в двух словах опишем, как это всё работает.
Если между затвором и истоком приложить напряжение плюсом ( +) к выводу затвора, то между металлическим выводом затвора и подложкой образуется поперечное электрическое поле. Оно в свою очередь начинает притягивать к приповерхностному слою у диэлектрика отрицательно заряженные свободные электроны, которые в небольшом количестве рассредоточены в кремниевой подложке.
В результате в приповерхностном слое скапливается достаточно большое количество электронов и формируется так называемый канал – область проводимости. На рисунке канал показан синим цветом. То, что канал типа n – это значит, что он состоит из электронов. Как видим между выводами истока и стока, и собственно, их областями n+ образуется своеобразный «мостик», который проводит электрический ток.
Между истоком и стоком начинает протекать ток. Таким образом, за счёт внешнего управляющего напряжения контролируется проводимость полевого транзистора. Если снять управляющее напряжение с затвора, то проводящий канал в приповерхностном слое исчезнет и транзистор закроется – перестанет пропускать ток. Следует отметить, что на рисунке упрощённой модели показан полевой транзистор с каналом n-типа. Также существуют полевые транзисторы с каналом p-типа.
Показанная модель является сильно упрощённой. В реальности устройство современного MOS-транзистора гораздо сложнее. Но, несмотря на это, упрощённая модель наглядно и просто показывает идею, которая была заложена в его устройство.
Кроме всего прочего полевые транзисторы с изолированным затвором бывают обеднённого и обогащённого типа. На рисунке показан как раз полевой транзистор обогащённого типа – в нём канал «обогащается» электронами. В мосфете обеднённого типа в области канала уже присутствуют электроны, поэтому он пропускает ток уже без управляющего напряжения на затворе. Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов обеднённого и обогащённого типа существенно различаются.
О различии MOSFET’ов обогащённого и обеднённого типа можно прочесть тут. Там же показано, как различные МОП-транзисторы обозначаются на принципиальных схемах.
Нетрудно заметить, что электрод затвора и подложка вместе с диэлектриком, который находится между ними, формирует своеобразный электрический конденсатор. Обкладками служат металлический вывод затвора и область подложки, а изолятором между этими электродами – диэлектрик из оксида кремния (SiO2). Поэтому у полевого транзистора есть существенный параметр, который называется ёмкостью затвора.
Об остальных важных параметрах мосфетов я уже рассказывал на страницах сайта.
Полевые транзисторы в отличие от биполярных обладают меньшими собственными шумами на низких частотах. Поэтому их активно применяют в звукоусилительной технике. Так, например, современные микросхемы усилителей мощности низкой частоты для автомобильных CD/MP3-проигрывателей имеют в составе MOSFET’ы. На приборной панели автомобильного ресивера можно встретить надпись “Power MOSFET” или что-то похожее. Так производитель хвастается, давая понять, что он заботится не только о мощности, но и о качестве звука
.
Полевой транзистор, в сравнении с транзисторами биполярного типа, обладает более высоким входным сопротивлением, которое может достигать 10 в 9-й степени Ом и более. Эта особенность позволяет рассматривать данные приборы как управляемые потенциалом или по-другому — напряжением. На сегодня это лучший вариант создания схем с достаточно низким потреблением электроэнергии в режиме статического покоя. Данное условие особенно актуально для статических схем памяти имеющих большое количество запоминающих ячеек.
Если говорить о ключевом режиме работы транзисторов, то в данном случае биполярные показывают лучшую производительность, так как падение напряжений на полевых вариантах очень значительно, что снижает общую эффективность работы всей схемы. Несмотря на это, в результате развития технологии изготовления полупроводниковых элементов, удалось избавиться и от этой проблемы. Современные образцы обладают малым сопротивлением канала и прекрасно работают на высоких частотах.
В результате поисков по улучшению характеристик мощных полевых транзисторов был изобретён гибридный электронный прибор – IGBT-транзистор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного. Подробнее о IGBT-транзисторе можно прочесть здесь.
Что такое MOS, MOSFET, МОП транзистор?
Как часто вы слышали название МОП, MOSFET, MOS, полевик, МДП-транзистор, транзистор с изолированным затвором? Да-да… это все слова синонимы и относятся они к одному и тому же радиоэлементу.
Полное название такого радиоэлемента на английский манер звучит как Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFET), что в дословном переводе звучит как Металл Оксид Полупроводник Поле Влияние Транзистор. Если преобразовать на наш могучий русский язык, то получается как полевой транзистор со структурой Металл Оксид Полупроводник или просто МОП-транзистор ;-). Почему МОП-транзистор также называют МДП-транзистором и транзистором с изолированным затвором? С чем это связано? Об этих и других вещах вы узнаете в нашей статье. Не переключайтесь на другую вкладку! 😉
Виды МОП-транзисторов
В семействе МОП-транзисторов в основном выделяют 4 вида:
1) N-канальный с индуцированным каналом
2) P-канальный с индуцированным каналом
3) N-канальный со встроенным каналом
4) P-канальный со встроенным каналом
Как вы могли заметить, разница только в обозначении самого канала. С индуцированным каналом он обозначается штриховой линией, а со встроенным каналом – сплошной.
В современном мире МОП-транзисторы со встроенным каналом используются все реже и реже, поэтому в наших статьям мы их затрагивать не будем, а будем рассматривать только N и P – канальные транзисторы с индуцированным каналом.
Откуда пошло название “МОП”
Начнем наш цикл статей про МОП-транзисторы именно с самого распространенного N-канального МОП-транзистора с индуцированным каналом. Go!
Если взять тонкий-тонкий нож и разрезать МОП-транзистор вдоль, то можно увидеть вот такую картину:
Если рассмотреть с точки зрения еды на вашем столе, то МОП-транзистор будет больше похож на бутерброд. Полупроводник P-типа – толстый кусок хлеба, диэлектрик – тонкий кусок колбасы, а сверху кладем еще слой металла – тонкую пластинку сыра. И у нас получается вот такой бутерброд:
А как будет строение транзистора сверху-вниз? Сыр – металл, колбаса – диэлектрик, хлеб – полупроводник. Следовательно получаем Металл-Диэлектрик-Полупроводник. А если взять первые буквы с каждого названия, то получается МДП – Металл-Диэлектрик-Полупроводник, не так ли? Значит, такой транзистор можно назвать по первым буквам МДП-транзистором ;-). А так как в качестве диэлектрика используется очень тонкий слой оксида кремния (SiO2), можно сказать что почти стекло, то и вместо названия “диэлектрик” взяли название “оксид, окисел”, и получилось Металл-Окисел-Полупроводник, сокращенно МОП. Ну вот, теперь все встало на свои места 😉
Строение МОП-транзистора
Давайте еще раз рассмотрим структуру нашего МОП-транзистора:
Имеем “кирпич” полупроводникового материала P-проводимости. Как вы помните, основными носителями в полупроводнике P-типа являются дырки, поэтому их концентрация в данном материале намного больше, чем электронов. Но электроны тоже есть в P-полупроводнике. Как вы помните, электроны в P-полупроводнике – это неосновные носители и их концентрация очень мала, по сравнению с дырками. “Кирпич” P-полупроводника носит название Подложки. Она является основой МОП-транзистора, так как на ней создаются другие слои. От подложки выходит вывод с таким же названием.
Другие слои – это материал N+ типа, диэлектрик, металл. Почему N+, а не просто N? Дело в том, что этот материал сильно легирован, то есть концентрация электронов в этом полупроводнике очень большая. От полупроводников N+ типа, которые располагаются по краям, отходят два вывода: Исток и Сток.
Между Истоком и Стоком через диэлектрик располагается металлическая пластинка, от который идет вывод и называется Затвором. Между Затвором и другими выводами нет никакой электрической связи. Затвор вообще изолирован от всех выводов транзистора, поэтому МОП-транзистор также называют транзистором с изолированным затвором.
Подложка МОП-транзистора
Итак, смотря на рисунок выше, мы видим, что МОП-транзистор на схеме имеет 4 вывода (Исток, Сток, Затвор, Подложка), а в реальности только 3. В чем прикол? Дело все в том, что Подложку обычно соединяют с Истоком. Иногда это уже делается в самом транзисторе еще на этапе разработки. В результате того, что Исток соединен с Подложкой, у нас образуется диод между Стоком и Истоком, который иногда даже не указывается в схемах, но всегда присутствует:
Поэтому, требуется соблюдать цоколевку при подключении МОП-транзистора в схему.
Принцип работы МОП-транзистора
Тут все то же самое как и в полевом транзисторе с управляющим PN-переходом. Исток – это вывод, откуда начинают свой путь основные носители заряда, Сток – это вывод, куда они притекают, а Затвор – это вывод, с помощью которого мы контролируем поток основных носителей.
Пусть Затвор у нас пока что никуда не подключен. Для того, чтобы устроить движуху электронов через Исток-Сток, нам потребуется источник питания Bat:
Если рассмотреть наш транзистор с точки зрения P-N переходов и диодов на их основе, то можно нарисовать эквивалентную схемку для нашего рисунка. Она будет выглядеть вот так:
И-исток, П-Подложка, С-Сток.
Как вы видите, диод VD2 включен в обратном направлении, так что электрический ток никуда не потечет.
Значит, в этой схеме
никакой движухи электрического тока не намечается.
Индуцирование канала в МОП-транзисторе
Если подать определенное напряжение на Затвор, в подложке начинаются волшебные превращения. В ней начинает индуцироваться канал.
Индукция, индуцирование – это буквально означает “наведение”, “влияние”. Под этим термином понимают возбуждение в объекте какого-либо свойства или активности в присутствии возбуждающего субъекта (индуктора), но без непосредственного контакта (например, через электрическое поле). Последнее выражение для нас имеет более глубокий смысл: “через электрическое поле”.
Также нам не помешает вспомнить, как ведут себя заряды различных знаков. Те, кто не играл на физике на последней парте в морской бой и не плевал через корпус шариковой ручки бумажными шариками в одноклассниц, тот наверняка вспомнит, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются:
На основе этого принципа еще в начале ХХ века ученые сообразили, где все это можно применить и создали гениальный радиоэлемент. Оказывается, достаточно подать на Затвор положительное напряжение относительно Истока, как сразу под Затвором возникает электрическое поле. А раз подаем на Затвор положительное напряжение, значит он будет заряжаться положительно не так ли?
Так как у нас слой диэлектрика очень тонкий, следовательно, электрическое поле будет также влиять и на подложку, в которой дырок намного больше, чем электронов. А раз и на Затворе положительный потенциал и дырки обладают положительным зарядом, следовательно, одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются. Картина будет выглядеть следующим образом пока что без источника питания между Истоком и Стоком:
Дырки обращаются в бегство подальше от Затвора и поближе к выводу Подложки, так как одноименные заряды отталкиваются, а электроны наоборот пытаются пробиться к металлической пластинке затвора, но им мешает диэлектрик, который не дает им воссоединиться с Затвором и уравнять потенциал до нуля. Поэтому электронам ничего другого не остается, как просто создать вавилонское столпотворение около слоя диэлектрика.
В результате, картина будет выглядеть следующим образом:
Видели да? Исток и Сток соединились тонким каналом из электронов! Говорят, что такой канал индуцировался из-за электрического поля, которое создал Затвор транзистора.
Так как этот канал соединяет Исток и Сток, которые сделаны из N+ полупроводника, следовательно у нас получился N-канал. А такой транзистор уже будет называться N-канальным МОП-транзистором. Если вы читали статью проводники и диэлектрики, то наверняка помните, что в проводнике очень много свободных электронов. Так как Сток и Исток соединились мостиком из большого количества электронов, следовательно этот канал стал проводником для электрического тока. Проще говоря, между Истоком и Стоком образовался “проводок”, по которому может бежать электрический ток.
Получается, если подать напряжение между Стоком и Истоком при индуцированном канале, то мы можем увидеть вот такую картину:
Как вы видите, цепь стает замкнутой и в цепи начинает спокойно протекать электрический ток.
Но это еще не все! Чем сильнее электрическое поле, тем больше концентрация электронов, тем толще получается канал. А как сделать поле сильнее? Достаточно подать побольше напряжения на Затвор 😉 Подавая бОльшее напряжение на Затвор с помощью Bat2, мы увеличиваем толщину канала, а значит и его проводимость! Или простыми словами, мы можем менять сопротивление канала, “играя” напряжением на затворе 😉 Ну гениальнее некуда!
Работа P-канального МОП-транзистора
В нашей статье мы разобрали N-канальный МОП транзистор с индуцированным каналом. Также есть еще и P-канальный МОП-транзистор с индуцированным каналом. P-канальный работает точно также, как и N-канальный, но вся разница в том, что основными носителями будут являться уже дырки. В этом случае все напряжения в схеме меняем на инверсные, в отличие от N-канального транзистора:
На ютубе нашел очень неплохое видео, поясняющее работу полевого МОП-транзистора. Рекомендую к просмотру (не реклама):
