МОП-транзистор (полевой транзистор на основе оксидов металлов и полупроводников) является наиболее широко используемым типом полевых транзисторов с изолированным затвором. Они используются в различных приложениях благодаря простым рабочим явлениям и преимуществам по сравнению с другими полевыми транзисторами.
Что такое МОП-транзистор
Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor (Металлооксидные полевые транзисторы) сокращается как МОП-транзистор. Это униполярный транзистор, используемый в качестве электронного переключателя и для усиления электронных сигналов. Устройство имеет три терминала, состоящих из истока, затвора и стока. Помимо этих клемм имеется подложка, обычно называемая корпусом, которая всегда подключается к клемме источника для практических применений.
В последние годы его открытие привело к доминирующему использованию этих устройств в цифровых интегральных схемах из-за его структуры. Слой диоксида кремния (SiO2) действует как изолятор и обеспечивает электрическую изоляцию между затвором и активным каналом между истоком и стоком, что обеспечивает высокий входной импеданс, который почти бесконечен, таким образом захватывая весь входной сигнал.
Принцип работы МОП-транзистора (MOSFET)
Он изготовлен путем окисления кремниевых подложек. Он работает путем изменения ширины канала, через который происходит движение носителей заряда (электронов для N-канала и дырок для P-канала) от источника к стоку. Терминал затвора изолирован, напряжение которого регулирует проводимость устройства.
Типы МОП-транзистора (MOSFET)
На основе режима эксплуатации МОП-транзисторы можно разделить на два типа.
- Режим насыщения
- Режим истощения
Режим насыщения
В этом режиме отсутствует проводимость при нулевом напряжении, что означает, что оно по умолчанию закрыто или «ВЫКЛ», так как канал отсутствует. Когда напряжение затвора увеличивается больше, чем напряжение источника, носители заряда (дырки) смещаются, оставляя позади электроны, и, таким образом, устанавливается более широкий канал.
Напряжение на затворе прямо пропорционально току, то есть с увеличением напряжения на затворе ток увеличивается и наоборот.
Классификация режима насыщения МОП- транзисторов
Усовершенствованные МОП-транзисторы можно классифицировать на два типа в зависимости от типа используемого легированного субстрата (n-типа или p-типа).
- N-канальный тип насыщения MOSFET
- P-канальный тип насыщения MOSFET
N-канальный тип насыщения MOSFET
- Слегка легированная субстрат P-типа образует корпус устройства, а исток и сток сильно легированы примесями N-типа.
- N-канал имеет электроны в качестве основных носителей.
- Подаваемое напряжение затвора положительно для включения устройства.
- Он имеет более низкую собственную емкость и меньшую площадь соединения из-за высокой подвижности электронов, что позволяет ему работать на высоких скоростях переключения.
- Он содержит положительно заряженные примеси, что делает преждевременным включение полевых МОП-транзисторов с N-каналом.
- Сопротивление дренажу низкое по сравнению с P-типом.
P-канальный тип насыщения MOSFET
- Слегка легированная подложка N-типа образует корпус устройства, а исток и сток сильно легированы примесями P-типа.
- P-канал имеет отверстия в качестве основных носителей.
- Он имеет более высокую внутреннюю емкость и малую подвижность отверстий, что делает его работающим при низкой скорости переключения по сравнению с N-типом.
- Подаваемое напряжение затвора является отрицательным для включения устройства.
- Водостойкость выше по сравнению с N-типом.
Режим истощения
В этом типе канал уже установлен, и очевидно, что проводимость происходит даже при нулевом напряжении, и он открыт или включен по умолчанию. В отличие от типа насыщения, здесь канал лишен носителей заряда, чтобы уменьшить ширину канала.
Напряжение на затворе обратно пропорционально току, т. Е. С увеличением напряжения на затворе ток уменьшается.
Классификация режима истощения МОП-транзисторов
Истощающие МОП-транзисторы могут быть классифицированы на два типа в зависимости от типа используемого легированного субстрата (n-типа или p-типа).
- Тип истощения канала N МОП-транзистор
- Тип истощения канала P МОП-транзистор
Тип истощения канала N МОП-транзистор
- Полупроводник P-типа образует подложку, а исток и сток сильно легированы примесями N-типа.
- Применяемое напряжение на затворе отрицательное.
- Канал обеднен свободными электронами.
Тип канала истощения канала MOSFET
- Полупроводник N-типа образует подложку, а исток и сток сильно легированы примесями N-типа.
- Поданное напряжение затвора положительное.
- Канал обеднен свободными отверстиями.
Символ на схеме разных типов МОП-транзистора (MOSFET)
Символы различных типов МОП-транзисторов изображены ниже.
Применение МОП-транзистора
- Усилители MOSFET широко используются в радиочастотных приложениях.
- Он действует как пассивный элемент, такой как резистор, конденсатор и индуктор.
- Двигатели постоянного тока могут регулироваться силовыми полевыми МОП-транзисторами.
- Высокая скорость переключения MOSFET делает его идеальным выбором при проектировании цепей прерывателей.
Преимущества МОП-транзистора
- МОП-транзисторы обеспечивают большую эффективность при работе при более низких напряжениях.
- Отсутствие тока затвора приводит к высокому входному импедансу и высокой скорости переключения.
- Они работают при меньшей мощности и не потребляют ток.
Базовая структура MOSFET транзистора
Конструкция MOSFET (что это, рассказано в статье подробно) очень отличается от полевых. Оба типа транзисторов используют электрическое поле, создаваемое напряжением на затворе. Чтобы изменить поток носителей заряда, электронов для п-канала или отверстия для р-канала, через полупроводящий канал сток-исток. Электрод затвора помещен на вершине очень тонким изолирующим слоем, и есть пара небольших областей п-типа только под сток и исток электродов.
При помощи изолированного устройства затвора для МОП-транзистора никаких ограничений не применяется. Поэтому можно соединять с затвором полевого МОП-транзистора источник сигнала в любой полярности (положительный или отрицательной). Стоит отметить, что чаще встречаются импортные транзисторы, нежели их отечественные аналоги.
Это делает MOSFET устройства особенно ценными в качестве электронных переключателей или логических приборов, потому что без воздействия извне они, как правило, не проводят ток. И причина этому высокое входное сопротивление затвора. Следовательно, очень маленький или несущественный контроль необходим для МОП-транзисторов. Ведь они представляют собой устройства, управляемые извне напряжением.
Режим истощения МОП-транзистора
Режим истощения встречается значительно реже, нежели режимы усиления без приложения напряжения смещения к затвору. То есть, канал проводит при нулевом напряжении на затворе, следовательно, прибор "нормально закрыт". На схемах используется сплошная линия для обозначения нормально замкнутого проводящего канала.
Для п-канального МОП-транзистора истощения, отрицательное напряжение затвор-исток отрицательное, будет истощать (отсюда название) проводящий канал своих свободных электронов транзистора. Аналогично для р-канального МОП-транзистора обеднение положительного напряжения затвор-исток, будет истощать канал своих свободных дырок, переведя устройство в непроводящее состояние. А вот прозвонка транзистора не зависит от того, какой режим работы.
Другими словами, для режима истощения п-канального МОП-транзистора:
- Положительное напряжение на стоке означает большее количество электронов и тока.
- Отрицательное напряжение означает меньше электронов и ток.
Обратные утверждения также верны и для транзисторов р-канала. Тогда режим истощения МОП-транзистора эквивалентно "нормально разомкнутому" переключателю.
N-канальный МОП-транзистор в режиме истощения
Режим истощения МОП-транзистора построен таким же образом, как и у полевых транзисторов. Причем канал сток-исток – это проводящий слой с электронами и дырками, который присутствует в п-типа или р-типа каналах. Такое легирование канала создает проводящий путь низкого сопротивления между стоком и источника с нулевым напряжением. Используя тестер транзисторов, можно провести замеры токов и напряжений на его выходе и входе.
Режим усиления МОП-транзистора
Более распространенным у транзисторов MOSFET является режим усиления, он обратный для режима истощения. Здесь проводящий канал слаболегированный или даже нелегированный, что делает его непроводящим. Это приводит к тому, что устройство в режиме покоя не проводит ток (когда напряжение смещения затвора равно нулю). На схемах для обозначения МОП-транзисторов такого типа используют ломаную линию, чтобы обозначить нормально открытый токоизолирующий канал.
Для повышения N-канального МОП-транзистора ток стока будет течь только тогда, когда напряжение на затворе прикладывается к затвору больше, чем пороговое напряжение. При подаче положительного напряжения на затвор к п-типа MOSFET (что это, режимы работы, схемы включения, описаны в статье) привлекает большее количество электронов в направлении оксидного слоя вокруг затвора, тем самым увеличивая усиление (отсюда название) толщины канала, позволяя свободнее протекать току.
Особенности режима усиления
Увеличение положительного напряжения затвора вызовет появление сопротивления в канале. Это не покажет тестер транзисторов, он может только проверить целостность переходов. Чтобы уменьшить дальнейший рост, нужно увеличить тока стока. Другими словами, для режима усиления п-канального МОП-транзистора:
- Положительный сигнал транзистор переводит в проводящий режим.
- Отсутствие сигнала или же его отрицательное значение переводит в непроводящий режим транзистор. Следовательно, в режиме усиления МОП-транзистор эквивалентен "нормально разомкнутому" переключателю.
Обратные утверждения справедливы для режимов усиления р-канальных МОП-транзисторов. При нулевом напряжении устройство в режиме «Выкл» и канал открыт. Применение напряжения отрицательного значения к затвору р-типа у MOSFET увеличивает проводимость каналов, переводя его режим «Вкл». Проверить можно, используя тестер (цифровой или стрелочный). Тогда для режима усиления р-канального МОП-транзистора:
- Положительный сигнал переводит транзистор «Выкл».
- Отрицательный включает транзистор в режим «Вкл».
Режим усиления N-канального МОП-транзистора
В режиме усиления МОП-транзисторы имеют низкое входное сопротивление в проводящем режиме и чрезвычайно высокое в непроводящем. Также их бесконечно высокое входное сопротивление из-за их изолированного затвора. Режима усиления транзисторов используется в интегральных схемах для получения типа КМОП логических вентилей и коммутации силовых цепей в форме, как PMOS (P-канал) и NMOS (N-канал) входов. CMOS – это комплементарный МОП в том смысле, что это логическое устройство имеет как PMOS, так и NMOS в своей конструкции.
Транзистор полевой
В современной цифровой электронике, транзисторы работают, как правило — в ключевом (импульсном) режиме: открыт-закрыт. Для таких режимов оптимально подходят – полевые транзисторы. Название «полевой» происходит от "электрическое поле". Это значит, что они управляются полем, которое образует напряжение, приложенное к управляющему электроду. Другое их название – униполярный транзистор. Так подчеркивается, что используются только одного типа носители заряда (электроны или дырки), в отличии от классического биполярного транзистора. "Полевики" по типу проводимости канала и типу носителей бывают двух видов: n-канальный – носители электроны и p-канальный – носители дырки. Транзистор имеет три вывода: исток, сток, затвор.
исток (source) — электрод, из которого в канал входят (истекают) носители заряда, источник носителей. В традиционной схеме включения, цепь истока n-канального транзистора подключается к минусу питания, p-канального — к плюсу питания.
сток (drain) — электрод, через который из канала выходят (стекают) носители заряда. В традиционной схеме включения, цепь стока n-канального транзистора подключается к плюсу питания, p-канального — к минусу питания.
затвор (gate) — управляющий электрод, регулирует поперечное сечения канала и соответственно ток протекающий через канал. Управление происходит напряжением между затвором и истоком – Vgs.
Полевые транзисторы бывают двух основных видов: с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором. С изолированным затвором делятся на: с встроенным и индуцированным каналом. На рис.1 изображены типы полевых транзисторов и их обозначения на схемах.
Рис.1. Типы полевых транзисторов и их схематическое обозначение.
"Полевик" с изолированным затвором и индуцированным каналом
Нас интересуют транзисторы Q5 и Q6. Именно они используются в цифровой и силовой электронике. Это полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом. Их называют МОП (метал-оксид-полупроводник) или МДП (метал-диэлектрик-полупроводник) транзисторами. Английское название MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor). Таким названием подчеркивается, что затвор отделен слоем диэлектрика от проводящего канала. Жаргонные названия: "полевик", "мосфет", "ключ".
Индуцированный канал — означает, что проводимость в нем появляется, канал индуцируется носителями (открывается транзистор) только при подаче напряжения на затвор. В отличии от транзисторов Q3 и Q4 которые тоже МОП транзисторы, но со встроеным каналом, канал всегда открыт, даже при нулевом напряжении на затворе. Схематически, разница между этими двумя типами транзисторов на схемах обозначается сплошной (встроенный) или пунктирной (индуцированный) линией канала. Другое название индуцированного канала – обогащенный, встроенного – обеднённый.
Обратный диод
Технология изготовления МОП транзисторов такова, что образуются некоторые паразитные элементы, в частности биполярный транзистор, включенный параллельно силовым выводам. См. рис.2. Он оказывает негативное влияние на характеристики транзистора, поэтому технологической перемычкой замыкают вывод истока с подложкой (замыкают переход: база-эмиттер, паразитного транзистора), а оставшийся переход: коллектор-база, образует диод, включенный параллельно стоку-истоку, в направлении обратном протеканию тока (в классической схеме включения). Параметры этого диода производители уже могут контролировать, поэтому он не оказывает существенного влияния на работу транзистора. И даже наоборот, его наличие специально используется в некоторых схематических решениях.
Именно этот диод (стабилитрон) обозначается на схематическом изображении МОП транзистора, а технологическая перемычка показана стрелкой соединенной с истоком. Существуют и транзисторы без технологической перемычки, на их условном обозначения нет стрелкой.
В зависимости от модели транзистора, диод может быть, как и штатный – паразитный, низкочастотный, так и специально добавленный, с заданными характеристиками (высокочастотный или стабилитрон). Это указывается в документации к транзистору.
Рис.2. Паразитные элементы в составе полевого транзистора.
Основные преимущества MOSFET
- меньшее потребление, высокий КПД. Транзисторы управляются напряжением, и в статике не потребляют ток управления.
- простая схема управления. Схемы управления напряжением более просты, чем схемы управления током.
- высокая скорость переключения. Отсутствуют неосновные носители. Следовательно не тратится время на их рассасывание. Частота работы сотни и тысячи килогерц
- повышеная теплоустойчивость. С ростом температуры растет сопротивление канала, следовательно понижается ток, а это приводит к понижению температуры. Происходит саморегуляция.
Основные характеристики MOSFET
- Vds(max) – максимальное напряжение сток-исток в закрытом состоянии транзистора
- Rds(on) – активное сопротивление канала в открытом состоянии транзистора. Этот параметр указывают для определенных значений Vgs 10В или 4.5В или 2.5 В при которых сопротивление становится минимальным.
- Vgs(th) – пороговое напряжение при котором транзистор начнет открываться.
- Ids – максимальный постоянный ток через транзистор.
- Ids(Imp) – импульсный (кратковременный) ток, который выдерживает транзистор.
- Ciss, Crss, Coss – емкость затвор-исток (input), затвор-сток (reverse), сток-исток(output).
- Qg – заряд который необходимо передать затвору для переключения.
- Vgs(max) – максимальное допустимое напряжение затвор-исток.
- t(on), t(of) – время переключения транзистора.
- характеристики обратного диода сток-исток ( максимальный ток, падение напряжения, время восстановление)
Что еще нужно знать про полевой транзистор?
P-канальные транзисторы имеют хуже характеристики чем N-канальные. Меньше рабочая частота, больше сопротивление, больше площадь кристалла. Они реже используются и выпускаются в меньшем ассортименте.
МОП транзистор — потенциальный прибор и управляется напряжением (потенциалом), затвор отделен слоем диэлектрика , по сути это конденсатор и через него не протекает постоянный ток, поэтому он не потребляет ток управления в статике, но во время переключения требуется приличный ток для заряда-разряда емкости.
МОП транзистор имеет хоть и не большое, но активное сопротивление в открытом состоянии Rds. Это сопротивление уменьшается с ростом отпирающего напряжения и становится минимальным при определенном напряжении затвор-исток, 4.5В или 10В. По сути – это резистор, сопротивление которого управляется напряжением Vgs.
Vgs – управляющее напряжение, Vg-Vs. Если измерять относительно общего минуса, то: для n канального Vgs>0, для p канального Vgs<0 (красный провод вольтметра на затвор, черный на исток). У силовых транзисторов управляющее напряжение, при котором будет минимальное сопротивление – 10 вольт и больше. У низковольтных "полевиков", которые управляются логическими уровнями микросхем, оно составляет 4.5 вольт или 2.5В , для разных транзисторов. Общее правило: чем выше напряжение – тем транзистор лучше откроется, но это напряжение не должно превышать масимально допустимого Vgs(max).
Схема включения MOSFET
Традиционная, классическая схема включения "мосфет", работающего в режиме ключа (открыт-закрыт), приведена на рис 3. Это схема, с общим истоком. Она наиболее распространена, легка в реализации и имеет самый простой способ управления транзистором.
Нагрузку включают в цепь стока. Встроенный диод, оказывается включенным в обратном направлении и ток через него не протекает.
Для n-канального: исток на землю, сток через нагрузку к плюсу. Тогда для его открытия, на затвор нужно подать положительное напряжение, подтянуть к плюсу питания. При работе от ШИМ (широтно импульсный модулятор), открывать его будет положительный импульс.
Для p-канального: исток на плюс питания, сток через нагрузку на землю. Тогда для его открытия, на затвор нужно подать отрицательное напряжение, подтянуть к минусу питания (земле). При управлении от ШИМ, открывающим будет – отрицательный импульс (отсутствие импульса).
Рис. 3. Классическая схема включения MOSFET в ключевом режиме.
МОП транзистор, в открытом состоянии, будет пропускать ток как от истока к стоку, так и от стока к истоку. Также и нагрузку можно включать как в цепь стока, так и истока. Но при «нестандартном» включении, усложняется управление транзистором, так для n-канального может потребоваться, напряжение выше питания, а для p-канального – отрицательное напряжение ниже земли (двухполярное питание).
МОП транзисторы, используемые в цифровой электронике, делятся на два типа.
- Мощные силовые – используются в импульсных преобразователях напряжения и в цепях питания.
- Транзисторы логического уровня – используются как ключи, коммутируют различные сигналы и управляются микросхемами.
Транзисторы бывают в разных корпусах, с разным количеством выводов, часто в одном корпусе объединяют два транзистора.
Оставить комментарий: