Принцип работы полевого МОП-транзистора

Содержание статьи

Устройство и основные характеристики МОП-транзисторов

МОП-транзистор (MOSFET, «металл-оксид-полупроводник») – полевой транзистор с изолированным затвором (канал разделен с затвором тонким диэлектрическим слоем). Другое название МОП-транзистора – униполярный. Основные области применения таких приборов – выполнение функций электронного переключателя и усилителя электронных сигналов в старой и современной системотехнике.

Практически все типы MOSFET имеют три вывода:

Исток – источник носителей зарядов. Является аналогом эмиттера в биполярном приборе.

Сток. Служит для приема носителей заряда от истока. Аналог коллектора биполярного транзистора.

Затвор. Выполняет функции управляющего электрода. Аналог в биполярном устройстве – база.

Особая категория – транзисторы с несколькими затворами. Они применяются в цифровой технике для организации логических элементов или в качестве ячеек памяти EEPROM.

Основные характеристики униполярных транзисторов, учитываемые при выборе нужного прибора:

в открытом состоянии – внутреннее сопротивление и наибольшее значение допустимого постоянного тока;

в закрытом состоянии – максимально допустимое напряжение прямого типа.

Отличие униполярных транзисторов от биполярных

МОП-транзистор управляется электрополем, которое создается напряжением, приложенным к затвору относительно истока. Полярность прилагаемого напряжения определяется видом канала транзистора (p или n). В отличие униполярных биполярные транзисторы управляются электрическим током. Ток во всех типах этих полупроводников формируется двумя типами зарядов – электронами и дырками.

Полевые (униполярные) транзисторы в отличие от биполярных обладают меньшими собственными шумами в низкочастотном диапазоне. Это свойство обеспечивает их эффективную работу в звукоусилительных устройствах. MOSFET применяют в микросхемах низкочастотных усилителей в автомобильных проигрывателях.

Типы МОП-транзисторов

Униполярные транзисторы делятся на p-канальные или n-канальные. Они могут иметь:

Собственный (встроенный) канал. Без напряжения канал открыт. Для закрытия канала необходимо подать ток определенной полярности.

Индуцированный (инверсный) канал. При отсутствии приложенного электротока он закрыт. Для его открытия прикладывают напряжение нужной полярности. Для n-канальных транзисторов отпирающим является напряжение, положительное относительно истока. Его величина должна быть больше порогового значения, установленного для данного транзистора. Для p-канальных моделей отпирающим будет отрицательное относительно истока напряжение, приложенное к затвору.

Принцип работы МОП-транзисторов на примере прибора с n-проводимостью

В схему униполярного транзистора с изолированным затвором и n-проводимостью входят:

Кремниевая подложка. В подложке n-типа в узлах кристаллической решетки кремния присутствуют отрицательно заряженные атомы и свободные электроны, что достигается введением специальных примесей.

Диэлектрик. Служит для изоляции кремниевой подложки от электрода затвора. В качестве диэлектрика используется оксид кремния.

В большинстве MOSFET исток транзистора подключается к полупроводниковой подложке. Между стоком и истоком формируется «паразитный» диод. Ликвидировать отрицательные последствия появления такого диода и даже использовать в положительных целях позволяет его подключение анодом к истоку в n-канальных полевых транзисторах, анодом к стоку – в p-канальных приборах.

Аналогично работает МОП-транзистор p-типа. Показанный выше принцип работы является упрощенным. Приборы, используемые на практике в схемотехнике, имеют более сложное устройство и, следовательно, более сложный принцип работы.

Преимущества и недостатки МОП-транзисторов

Униполярные транзисторы имеют довольно широкое распространение в современной системотехнике благодаря ряду преимуществ, среди которых:

Применение этих приборов ограничивают следующие недостатки:

Важнейший минус – повышенная чувствительность к статическому электричеству. Тонкий слой оксида кремния легко повреждается электростатическими зарядами, поэтому МОП-приборы могут выйти из строя даже при прикосновении к прибору наэлектризованными руками. Современные устройства практически лишены этого недостатка благодаря корпусам, способным минимизировать воздействие статики. Также в них могут интегрироваться защитные устройства по типу стабилитронов.

Появление нестабильности работы при напряжении перегрузки.

Разрушение структуры, начиная от температуры +150 °C. У биполярных приборов критической является температура +200 °C.

Постоянный поиск по получению хороших эксплуатационных свойств высокомощных униполярных транзисторов привел к изобретению гибридного IGBT-транзистора. Эти устройства объединили лучшие качества биполярного и полевых транзисторов.

Источник

Основы устройства и применения силовых МОП-транзисторов (MOSFET)

При изготовлении дискретных силовых МОП-транзисторов (metal oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET) используются те же методы и технологии, что и при производстве современных СБИС, хотя геометрия устройств, значения напряжений и токов в значительной степени различаются.

Родоначальником современных MOSFET является полевой транзистор, изобретенный в 70-е годы. На рис. 1 показаны схема, характеристика и обозначение МОП-транзистора с горизонтальной структурой, первой получившей распространение на практике. На примере этой структуры можно уяснить основной принцип работы МОП-транзистора. Под влиянием электрического поля, создаваемого изолированным (при помощи слоя оксида) затвором (Gate), в области, находящейся под ним (области канала), происходит явление, называемое «инверсией проводимости» — часть р-области под затвором насыщается индуцированными (притянутыми полем) электронами, в результате становясь областью с n-проводимостью. Таким образом, между n-областью истока (Source) и n-областью стока (Drain) образуется n-канал, способный за счет электронной проводимости проводить ток от истока к стоку. На приведенной характеристике указан уровень напряжения V_T, при котором формируется канал. Концентрация носителей в канале зависит от величины поля, создаваемого затвором, то есть от напряжения на затворе, поэтому максимальный ток, проходящий через канал, является функцией этого напряжения. Этот факт определяет существование такой важной характеристики МОП-транзистора, как крутизна. Четвертый электрод на условном обозначении транзистора (рис. 1в) подключается к подложке (в случае горизонтальной структуры).

Рис. 1.
а) Схема силового МОП-транзистора с горизонтальной структурой;
б) зависимость тока стока от напряжения затвор-исток;
в) символьное обозначение

Изобретение силовых MOSFET было частично стимулировано недостатками биполярных (BJT) транзисторов, ограничивающих их применение в силовой технике, хотя до недавнего времени в качестве силовых ключей использовались именно биполярные транзисторы. Биполярный силовой транзистор — прибор, управляемый током. Для поддержания в открытом состоянии ему требуется значительный ток базы, достигающий иногда величины в пятую часть коллекторного. Для быстрого выключения транзистора требуется значительный импульс базового тока противоположной полярности. Несмотря на хорошо отлаженную технологию производства и более низкую, по сравнению с MOSFET, стоимость, эти ограничения приводят к усложнению, а следовательно, к удорожанию схем управления, так что результирующая стоимость использования биполярных транзисторов становится выше, чем полевых. Другим недостатком биполярных транзисторов является вклад в проводимость как электронов, так и дырок. Наличие дырочной проводимости, с учетом значительного времени жизни дырок, приводит к тому, что время переключения биполярного транзистора на несколько порядков больше, чем транзистора MOSFET с похожим значением максимального рабочего напряжения. Биполярные транзисторы отличаются температурной нестабильностью. Падение напряжения на транзисторе в открытом состоянии снижается с увеличением температуры. Это вызывает нестабильность токов отдельных транзисторов при их параллельном включении: чем выше температура отдельного прибора, тем меньше падение напряжения, выше ток, больше разогрев и выше температура.

В отличие от биполярного, в проводимости транзистора MOSFET участвуют только основные носители. MOSFET превосходят биполярные транзисторы при использовании в высокочастотных устройствах, где существенна мощность, выделяемая при переключении. Кроме того, в устройствах с высокими значениями как токов, так и напряжений применение MOSFET предпочтительнее ввиду отсутствия для них явления вторичного пробоя и связанного с ним отказа устройства. Силовые MOSFET могут быть достаточно просто включены параллельно, так как падение напряжения на открытом транзисторе увеличивается с ростом температуры, что дает уверенность в равномерном распределении тока между транзисторами.

Применение биполярных транзисторов в силовых устройствах иногда может быть оправдано, хоть и за счет снижения рабочей частоты, при больших значениях пробивных напряжений (более 200 В). В этом случае при одинаковом токе падение напряжения на открытом биполярном транзисторе меньше, чем на полевом с таким же значением напряжения пробоя. На рис. 2 представлены диапазоны применения MOSFET и биполярных транзисторов. Применение новых материалов и технологий при производстве MOSFET в будущем приведет к расширению границ их применимости.

Рис. 2. Границы применимости МОП и биполярных силовых транзисторов по току и напряжению

Паразитные элементы в структуре МОП-транзистора

Рис. 3. Схема силового МОП-транзистора с вертикальной структурой и его символьное обозначение

Рис. 4. Паразитные компоненты в вертикальной структуре силового МОП-транзистора

Емкость CGS (С_ЗИ) образуется при перекрытии области истока и области канала поликремниевым затвором и не зависит от величины приложенного напряжения. CGD (С_ЗС) состоит из двух частей. Первая — это емкость между поликремниевым затвором и кремнием в области паразитного полевого транзистора. Вторая часть — емкость, связанная с обедненной областью непосредственно под затвором. Емкость С_ЗС является нелинейной функцией приложенного напряжения. CDS (С_СИ), связанная с емкостью внутреннего запертого p-n-перехода, изменяется обратно квадратному корню из напряжения сток-исток.

На данный момент существуют две основные разновидности MOSFET с вертикальной структурой, называемые обычно планарной и траншейной. Планарная схема была уже рассмотрена на рис. 3. Две вариации траншейной структуры представлены на рис. 5. Ячейки, выполненные по траншейной технологии, могут быть более плотно упакованы, однако такая структура сложнее в производстве, чем планарная.

Рис. 5. Силовой МОП-транзистор, выполненный по траншейной схеме:
а) поток электронов в V-образной структуре;
б) устройство усеченной V-образной структуры

Напряжение пробоя

Напряжением пробоя (BVDSS) называется напряжение сток-исток, при котором обратносмещенный внутренний p-n-переход между р-областью и областью дрейфа пробивается и за счет лавинного процесса увеличения носителей заряда через прибор начинает протекать значительный ток, даже если исток и затвор закорочены. Для напряжений ниже BVDSS и при отсутствии смещения на затворе канал не образуется, и все напряжение стока падает на закрытом внутреннем p-n-переходе. BVDSS обычно измеряется при токе стока 250 мкА.

Рис. 6. Зависимость тока стока от напряжения сток-исток при различных значениях напряжения на затворе

Кроме пробоя за счет лавинообразного процесса, в неудачно разработанных или некачественно изготовленных приборах могут существовать два связанных по смыслу явления, приводящих к подобному результату. Оба этих эффекта вызываются «проколом» p-n-перехода. В первом случае область обеднения внутреннего p-n-перехода в области p (рис. 6) доходит до области истока при напряжениях, меньших, чем напряжение пробоя BVDSS. Область p в месте прокола фактически перестает существовать, что можно охарактеризовать как прокол базы паразитного биполярного транзистора. Для тока появляется путь в обход канала, что вызывает «мягкий» пробой, характеристика которого показана на рис. 7. Ток утечки между истоком и стоком обозначается как IDSS. Существует определенная дилемма — уменьшение сопротивления канала за счет его укорочения с одной стороны, и попытка избежать явления прокола за счет удлинения канала — с другой. Проколу также может быть подвержена область дрейфа, что имеет место при достижении подложки областью обеднения внутреннего p-n-перехода со стороны области дрейфа (n — ) при напряжениях ниже напряжений образования лавины в эпитаксиальном слое. Как только область обеднения заходит в насыщенную носителями область подложки, дальнейшее повышение напряжения стока приводит к быстрому достижению критической величины напряженности поля в 2×10 5 В/см, при котором начинается лавинообразный процесс.

Рис. 7. Зависимость тока стока от напряжения сток-исток при пробое

Сопротивление открытого транзистора

Сопротивление открытого MOSFET складывается из нескольких компонент, как показано на рис. 8.

где R_SOURCE — сопротивление области диффузии истока; R_CH — сопротивление канала; R_A — сопротивление области сбора тока; R_J — сопротивление области паразитного полевого транзистора между двумя внутренними областями p-типа; R_D — сопротивление области дрейфа; R_SUB — сопротивление подложки. Подложки с удельным сопротивлением до 20 мОм/см используются для высоковольтных устройств, а с удельным сопротивлением менее 5 мОм/см — для низковольтных приборов. R_WCML — суммарное сопротивление связующих проводников: сопротивление контактов металлизаций стока и истока с кремнием, вклад сопротивления металлизации и внешних выводов. R_WCML можно, как правило, пренебречь при рассмотрении высоковольтных устройств, однако в низковольтных устройствах, ввиду малости остальных составляющих, его вклад значителен.

Рис. 8. Компоненты полного сопротивления открытого транзистора

Рис. 9 иллюстрирует относительный вклад всех составляющих полного сопротивления для различных рабочих напряжений. Как можно заметить, при больших напряжениях в полном значении R_DS(On) доминирует сопротивление эпитаксиального слоя и области паразитного полевого транзистора. Эти компоненты велики при больших напряжениях в силу малой проводимости (малой концентрации носителей) в эпитаксиальном слое. При низких рабочих напряжениях R_DS(On) определяется сопротивлением канала и вкладом контактов металл-полупроводник, металлизации, соединителей и выводов. Вклад подложки наиболее значителен в низковольтных устройствах.

Рис. 9. Относительные вклады элементов в полное сопротивление для транзисторов с различными рабочими напряжениями

Крутизна

Крутизна g_FS является мерой чувствительности тока стока к изменениям управляющего напряжения U_ЗИ. Этот параметр обычно определяется в области значений напряжения U_ЗИ, дающего половину максимального тока стока, и для области значений U_СИ, в которых ток стока постоянен по U_СИ (область насыщения). На крутизну влияет ширина затвора, которая увеличивается по отношению к активной области ячейки с увеличением плотности ячеек. Указанная плотность в исторической перспективе возросла от примерной цифры 80 тыс. ячеек на квадратный сантиметр в 1980 г. до значений в 1,2 млн (для планарных транзисторов) и 1,9 млн (для траншейных) в настоящее время. Ограничивающим фактором для дальнейшего роста являются сложности управления фотолитографическим процессом и сложности создания надежного контакта с металлизацией истока в центре ячейки.

На значение крутизны также оказывают влияние длина канала и толщина оксидного слоя затвора. Для роста крутизны и уменьшения сопротивления включенного транзистора нужно уменьшать длину канала, сдерживается же эта тенденция описанным выше явлением сквозного прокола.

Пороговое напряжение

Пороговое напряжение V_th определяется как минимальное открывающее напряжение на затворе, инвертирующее тип проводимости и создающее канал между областями истока и стока. V_th обычно измеряется при токе стока 250 мкА. Нормальные значения порогового напряжения 2–4 В для высоковольтных устройств с толстым оксидным слоем и 1–2 В для низковольтных устройств с тонким оксидным слоем, совместимых с логическими уровнями напряжений. С увеличением применяемости MOSFET в портативной и беспроводной электронике, где основным типом питания является батарейное, желательным является снижение порогового напряжения и сопротивления открытого транзистора.

Падение напряжения на внутреннем диоде

Внутренний p-n-переход закрыт при нормальной работе транзистора (при нормальной полярности напряжения сток-исток). Открывается этот переход при обратной полярности приложенного напряжения. Являясь паразитным элементом, он, вместе с тем, может быть схемотехнически использован как защитное устройство. Прямое падение на открытом внутреннем диоде определяется параметром V_F. V_F указывает на гарантированное максимальное значение этой характеристики при определенном значении тока истока. На рис. 10 показаны типичные ВАХ внутреннего диода при двух температурах. Ввиду большего сопротивления контакта металлизации и кремния p-типа р-канальные приборы имеют более высокое напряжение V_F, чем n-типа. Нормальными значениями V_F являются 1,6 В для высоковольтных приборов (>100 В) и 1,0 В для низковольтных ( 28.03.2011 | Компоненты силовой электроники, MOSFET
Оставить комментарий

Источник

Полевые транзисторы: принцип действия, схемы, режимы работы и моделирование

Мы уже рассмотрели устройство биполярных транзисторов и их работу, теперь давайте узнаем о том, какие бывают полевые транзисторы. Полевые транзисторы очень распространены как в старой схемотехнике, так и в современной. Сейчас в большей степени используются приборы с изолированным затвором, о типах полевых транзисторов и их особенностях сегодня мы и поговорим. В статье я буду проводить сравнение с биполярными транзисторами, в отдельных местах.

Содержание статьи

Определение

Полевой транзистор – это полупроводниковый полностью управляемый ключ, управляемый электрическим полем. Это главное отличие с точки зрения практики от биполярных транзисторов, которые управляются током. Электрическое поле создается напряжением, приложенным к затвору относительно истока. Полярность управляющего напряжения зависит от типа канала транзистора. Здесь прослеживается хорошая аналогия с электронными вакуумными лампами.

В биполярных транзисторах ток формировался из двух типов носителей зарядов – электронов и дырок, независимо от типа приборов. Полевые транзисторы в общем случае можно разделить на:

транзисторы с управляющим p-n-переходом;

транзисторы с изолированным затвором.

И те и другие могут быть n-канальными и p-канальными, к затвору первых нужно прикладывать положительное управляющее напряжение для открытия ключа, а для вторых – отрицательное относительно истока.

У всех типов полевых транзисторов есть три вывода (иногда 4, но редко, я встречал только на советских и он был соединен с корпусом).

1. Исток (источник носителей заряда, аналог эмиттера на биполярном).

2. Сток (приемник носителей заряда от истока, аналог коллектора биполярного транзистора).

3. Затвор (управляющий электрод, аналог сетки на лампах и базы на биполярных транзисторах).

Транзистор с управляющим pn-переходом

Транзистор состоит из таких областей:

На изображении вы видите схематическую структуру такого транзистора, выводы соединены с металлизированными участками затвора, истока и стока. На конкретной схеме (это p-канальный прибор) затвор – это n-слой, имеет меньше удельное сопротивление, чем область канала (p-слой), а область p-n-перехода в большей степени расположена в p-области по этой причине.

Условное графическое обозначение:

а – полевой транзистор n-типа, б – полевой транзистор p-типа

Чтобы легче было запомнить, вспомните обозначение диода, где стрелка указывает от p-области в n-область. Здесь также.

Первое состояние – приложим внешнее напряжение.

Если к такому транзистору приложить напряжение, к стоку плюс, а к истоку минус, через него потечет ток большой величины, он будет ограничен только сопротивлением канала, внешними сопротивлениями и внутренним сопротивлением источника питания. Можно провести аналогию с нормально-замкнутым ключом. Этот ток называется Iснач или начальный ток стока при Uзи=0.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, без приложенного управляющего напряжения к затвору является максимально открытым.

Напряжение к стоку и истоку прикладывается таким образом:

Через исток вводятся основные носители зарядов!

Это значит, что если транзистор p-канальный, то к истоку подключают положительный вывод источника питания, т.к. основными носителями являются дырки (положительные носители зарядов) – это так называемая дырочная проводимость. Если транзистор n-канальный к истоку подключают отрицательный вывод источника питания, т.к. в нем основными носителями заряда являются электроны (отрицательные носители зарядов).

Вот результаты моделирования такой ситуации. Слева расположен p-канальный, а справа n-канальный транзистор.

Второе состояние – подаём напряжение на затвор

При подаче положительного напряжения на затвор относительно истока (Uзи) для p-канального и отрицательное для n-канального, он смещается в обратном направлении, область p-n-перехода расширяется в сторону канала. В резльтате чего ширина канала уменьшается, ток снижается. Напряжение затвора, при котором ток через ключ перестает протекать называется, напряжением отсечки.

Ключ начинает закрываться.

Достигнуто напряжение отсечки, и ключ полностью закрыт. На картинке с результатами моделирования отображено такое состояние для p-канального (слева) и n-канального (справа) ключа. Кстати на английском языке такой транзистор называется JFET.

Режимы работы

Рабочий режим транзистора при напряжение Uзи либо нулевое, либо обратное. За счет обратного напряжения можно «прикрывать транзистор», используется в усилителях класса А и прочих схемах где нужно плавное регулирование.

Режим отсечки наступает, когда Uзи=Uотсечки для каждого транзистора оно своё, но в любом случае прикладывается в обратном направлении.

Характеристики, ВАХ

Выходной характеристикой называют график, на котором изображена зависимость тока стока от Uси (приложенного к выводам стока и истока), при различных напряжениях затвора.

Можно разбить на три области. Вначале (в левой части графика) мы видим омическую область – в этом промежутке транзистор ведет себя как резистор, ток возрастает почти линейно, доходя до определенного уровня, переходит в область насыщения (в центре графика).

В правой части график мы видим, что ток опять начинает расти, это область пробоя, здесь транзистор находиться не должен. Самая верхняя ветвь изображенная на рисунке – это ток при нулевом Uзи, мы видим, что ток здесь самый большой.

Чем больше напряжение Uзи, тем меньше ток стока. Каждая из ветвей отличается на 0.5 вольта на затворе. Что мы подтвердили моделированием.

Здесь изображена стоко-затворная характеристика, т.е. зависимость тока стока от напряжения на затворе при одинаковом напряжении стока-исток (в данном примере 10В), здесь шаг сетки также 0.5В, мы опять видим что чем ближе напряжение Uзи к 0, тем больший ток стока.

В биполярных транзисторах был такой параметр как коэффициент передачи тока или коэффициент усиления, он обозначался как B или H21э или Hfe. В полевых же для отображения способности усиливать напряжение используется крутизна обозначается буквой S

То есть крутизна показывает, насколько миллиАмпер (или Ампер) растёт ток стока при увеличении напряжения затвор-исток на количество Вольт при неизменяемом напряжении сток-исток. Её можно вычислить исходя из стоко-затворной характеристики, на приведенном выше примере крутизна равняется порядка 8 мА/В.

Схемы включения

Как и у биполярных транзисторов есть три типовых схемы включения:

1. С общим истоком (а). Используется чаще всех, даёт усиление по току и мощности.

2. С общим затвором (б). Редко используется, низкое входное сопротивления, усиления нет.

3. С общим стоком (в). Усиление по напряжению близко к 1, большое входное сопротивление, а выходное низкое. Другое название – истоковый повторитель.

Особенности, преимущества, недостатки

Главное преимущество полевого транзистора высокое входное сопротивление. Входное сопротивление это отношения тока к напряжению затвор-исток. Принцип действия лежит в управлении с помощью электрического поля, а оно образуется при приложении напряжения. То есть полевые транзисторы управляются напряжением.

Полевой транзистор практически не потребляет тока управления, это снижает потери управления, искажения сигнала, перегрузку по току источника сигнала…

В среднем частотные характеристики полевых транзисторов лучше, чем у биполярных, это связано с тем, что нужно меньше времени на «рассасывание» носителей заряда в областях биполярного транзистора. Некоторые современные биполярные транзисторы могут и превосходить полевые, это связано с использованием более совершенных технологий, уменьшения ширины базы и прочего.

Низкий уровень шумов у полевых транзисторов обусловлен отсутствием процесса инжекции зарядов, как у биполярных.

Стабильность при изменении температуры.

Малое потребление мощности в проводящем состоянии – больший КПД ваших устройств.

Простейший пример использования высокого входного сопротивление – это приборы согласователи для подключения электроакустических гитар с пьезозвукоснимателями и электрогитар с электромагнитными звукоснимателями к линейным входам с низким входным сопротивлением.

Низкое входное сопротивление может вызвать просадки входного сигнала, исказив его форму в разной степени в зависимости от частоты сигнала. Это значит что нужно этого избежать, введя каскад с высоким входным сопротивлением. Вот простейшая схема такого устройства. Подойдет для подключения электрогитар в линейный вход аудио-карты компьютера. С ней звук станет ярче, а тембр богаче.

Главным недостатком является то, что такие транзисторы боятся статики. Вы можете взять наэлектризованными руками элемент, и он тут же выйдет из строя, это и есть следствие управления ключом с помощью поля. С ними рекомендуют работать в диэлектрических перчатках, подключенным через специальный браслет к заземлению, низковольтным паяльником с изолированным жалом, а выводы транзистора можно обвязать проволокой, чтобы закоротить их на время монтажа.

Современные приборы практически не боятся этого, поскольку по входу в них могут быть встроены защитные устройства типа стабилитронов, которые срабатывают при превышении напряжения.

Иногда у начинающих радиолюбителей опасения доходят до абсурда, типа надевания на голову шапочек из фольги. Всё описанное выше хоть и является обязательным к исполнению, но не соблюдение каких либо условий не гарантирует выход из строя прибора.

Полевые транзисторы с изолированным затвором

Этот вид транзисторов активно используется в качестве полупроводниковых управляемых ключей. Причем работают они чаще всего именно в ключевом режиме (два положения «вкл» и «выкл»). У них есть несколько названий:

1. МДП-транзистор (метал-диэлектрик-полупроводник).

2. МОП-транзистор (метал-окисел-полупроводник).

3. MOSFET-транзистор (metal-oxide-semiconductor).

Запомните – это лишь вариации одного названия. Диэлектрик, или как его еще называют окисел, играет роль изолятора для затвора. На схеме ниже изолятор изображен между n-областью около затвора и затвором в виде белой зоны с точками. Он выполнен из диоксида кремния.

Диэлектрик исключает электрический контакт между электродом затвора и подложкой. В отличие от управляющего p-n-перехода он работает не на принципе расширения перехода и перекрытия канала, а на принципе изменения концентрации носителей заряда в полупроводнике под действием внешнего электрического поля. МОП-транзисторы бывают двух типов:

1. Со встроенным каналом.

2. С индуцированным каналом

Транзисторы со встроенным каналом

На схеме вы видите транзистор с встроенным каналом. Из неё уже можно догадаться, что принцип его работы напоминает полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, т.е. когда напряжение затвора равно нулю – ток протекает через ключ.

Около истока и стока созданы две области с повышенным содержанием примесных носителей заряда (n+) с повышенной проводимостью. Подложкой называется основание P-типа (в данном случае).

Обратите внимание, что кристалл (подложка) соединена с истоком, на многих условных графических обозначениях он так и рисуется. При повышении напряжения на затворе в канале возникает поперечное электрическое поле, оно отталкивает носители зарядов (электроны) и канал закрывается при достижении порогового Uзи.

Режимы работы

При подаче отрицательного напряжения затвор-исток ток стока падает, транзистор начинает закрывать – это называется режим обеднения.

При подаче положительного напряжения на затвор-исток происходит обратный процесс – электроны притягиваются, ток возрастает. Это режим обогащения.

Всё вышесказанное справедливо для МОП-транзисторов со встроенным каналом N-типа. Если канал p-типа все слова «электроны» заменяются на «дырки», полярности напряжения изменяются на противоположные.

Моделирование

Транзистор со встроенным каналом n-типа с нулевым напряжением на затворе:

Согласно datasheet на этот транзистор пороговое напряжение затвор-исток у нас в районе одного вольта, а типовое его значение – 1.2 В, проверим это.

Ток стал в микроамперах. Если еще немного повысить напряжение, он исчезнет полностью.

Я выбрал транзистор наугад, и мне попался достаточно чувствительный прибор. Попробую изменить полярность напряжения, чтобы на затворе был положительный потенциал, проверим режим обогащения.

При напряжении на затворе 1В ток увеличился в четыре раза, по сравнению с тем, что был при 0В (первая картинка в этом разделе). Отсюда следует, что в отличие от предыдущего типа транзисторов и биполярных транзисторов он без дополнительной обвязки может работать как на повышение тока, так и на понижение. Это заявление весьма грубо, но в первом приближении имеет право на существование.

Характеристики

Здесь всё практически так же как и в транзисторе с управляющим переходом, за исключением наличия режима обогащения в выходной характеристике.

На стоко-затворной характеристике четко видно, что отрицательное напряжение вызывает режим обеднение и закрытие ключа, а положительное напряжение на затворе – обогащение и большее открытие ключа.

Транзисторы с индуцированным каналом

МОП-транзисторы с индуцированным каналом не проводят ток при отсутствии напряжения на затворе, вернее ток есть, но он крайне мал, т.к. это обратный ток между подложкой и высоколегированными участками стока и истока.

Полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом аналог нормально-разомкнутого ключа, ток не протекает.

При наличии напряжения затвор-исток, т.к. мы рассматриваем n-тип индуцируемого канала то напряжение положительное, под действием поля притягиваются отрицательные носители зарядов в область затвора.

Так появляется «коридор» для электронов от истока к стоку, таким образом, появляется канал, транзистор открывается, и ток через него начинает протекать. Подложка у нас p-типа, в ней основными являются положительные носители зарядов (дырки), отрицательных носителей крайне мало, но под действием поля они отрываются от своих атомов, и начинается их движение. Отсюда отсутствие проводимости при отсутствии напряжения.

Характеристики

Выходная характеристика в точности повторяет такую же у предыдущих разница заключается лишь в том, что напряжения Uзи становятся положительными.

Стоко-затворная характеристика показывает то же самое, отличия опять-таки в напряжениях на затворе.

При рассмотрении вольтамперных характеристик крайне важно внимательно смотреть на величины, прописанные по осям.

Моделирование

На ключ подали напряжение 12 В, а на затворе у нас 0. Ток через транзистор не протекает.

Добавим 1 вольт на затвор, но ток и не думал протекать…

Добавляя по одному вольту я обнаружил, что ток начинает расти с 4в.

Добавив еще 1 Вольт, ток резко возрос до 1.129 А.

Это значит, что транзистор полностью открыт, если бы его не было, ток в этой цепи составил бы 12/10=1.2 А. В дальнейшем я изучал как работает этот транзистор, и выяснил, что на 4-х вольтах он начинает открываться.

Добавляя по 0.1В, я заметил, что с каждой десятой вольта ток растёт всё больше и больше, и уже к 4.6 Вольта транзистор практически полностью открыт, разница с напряжением на затворе в 20В в токе стока всего лишь 41 мА, при 1.1 А – это чепуха.

Этот эксперимент отражает то, что транзистор с индуцированным каналом открывается только при достижении порогового напряжения, что позволяет ему отлично работать в качестве ключа в импульсных схемах. Собственно, IRF740 – один из наиболее распространенных в импульсных блоках питания.

Результаты измерений тока затвора показали, что действительно полевые транзисторы почти не потребляют управляющего тока. При напряжении в 4.6 вольта ток был, всего лишь, 888 нА (нано. ).

При напряжении в 20В он составлял 3.55 мкА (микро). У биполярного транзистора он был бы порядка 10 мА, в зависимости от коэффициента усиления, что в десятки тысяч раз больше чем у полевого.

Не все ключи открываются такими напряжениями, это связано с конструкцией и особенностями схемотехники устройств где они применяются.

Особенности использования ключей с изолированным затвором

Два проводника, а между ними диэлектрик – что это? Это транзистор, собственно затвор имеет паразитную ёмкость, она замедляет процесс переключения транзистора. Это называется плато Миллера, вообще этот вопрос достоин отдельного серьезного материала с точным моделированием, с применением другого софта (не проверял эту особенность в multisim).

Разряженная ёмкость в первый момент времени требует большого зарядного тока, да и редкие управляющие устройства (шим-контроллеры и микроконтроллеры) имеют сильные выходы, поэтому используют драйверы для полевых затворов, как в полевых транзисторах, так и в IGBT (биполярный с изолированным затвором). Это такой усилитель, который преобразует входной сигнал в выходной такой величины и силы тока, достаточный для включения и выключения транзистора. Ток заряда также ограничивается последовательно соединенным с затвором резистором.

При этом некоторые затворы могут управляться и с порта микроконтроллера через резистор (тот же IRF740). Эту тему мы затрагивали в цикле материалов об arduino.

Условные графические изображения

Они напоминают полевые транзисторы с управляющим затвором, но отличаются тем, что на УГО, как и в самом транзисторе, затвор отделен от подложки, а стрелка в центре указывает на тип канала, но направлена от подложки к каналу, если это n-канальный mosfet – в сторону затвора и наоборот.

Для ключей с индуцированным каналом:

Может выглядеть так:

Обратите внимание на англоязычные названия выводов, в datasheet’ах и на схемах часто указываются они.

Источник