Mosfet транзисторы принцип работы

Полевой транзистор (MOSFET-МОП): определение, типы, схема, применения

Mosfet транзисторы принцип работы

В статье расскажем что такое МОП-транзистор (MOSFET),
его принцип работы, типы, символ на схеме, различные применения, преимущества и недостатки.

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 просто 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.

Недостатки МОП-транзистора

  • Тонкий оксидный слой делает МОП-транзисторы уязвимыми для постоянного повреждения, вызванного электростатическими зарядами.
  • Напряжение перегрузки делает его нестабильным.

MOSFET транзисторы

Mosfet транзисторы принцип работы

Радиоэлектроника для начинающих

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.

» Радиоэлектроника для начинающих » Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

  • Биполярный транзистор.
  • Устройство и принцип работы геркона.

Полевой транзистор

Mosfet транзисторы принцип работы

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 Uзи, 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 Uзи 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 Iси.

Чем выше напряжение на затворе транзистора Uзи, 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 Iси растет прямопропорционально росту напряжения Uси.

Этот участок называют омическая область (действует закон Ома), или область насыщения (канал транзистора насыщается носителями заряда ). Потом, когда канал расширяется почти до максимума, ток Iси практически не растет.

Этот участок называют активная область.

Когда Uси 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 (Uзи = 0). В результате через канал пойдет ток Iси, 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 Iси 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 Iси 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.

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

MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT

Mosfet транзисторы принцип работы

Когда дело доходит до импульсных преобразователей, оба типа транзисторов имеют свои преимущества и недостатки. Но какой из них лучше для данного устройства? В этой статье сравним MOSFET с модулями IGBT чтобы понять, что и где лучше ставить. 

Предполагается что в схемах с низким напряжением, низким током, но высокой частотой переключения, предпочтительно использовать полевые транзисторы (MOSFET), а в схемах с высоким напряжением, высоким током, но с низкой частотой – лучше IGBT.

Но достаточно ли такой общей классификации? У каждого есть свои дополнительные предпочтения в этом отношении и правда в том, что не существует общего, жесткого стандарта, который позволял бы оценивать параметры данного элемента с точки зрения его использования в импульсных преобразователях.

Все зависит от конкретного применения и широкого спектра факторов, таких как частота переключения, размер, стоимость и т. д. Поэтому, вместо того чтобы пытаться решить какой элемент лучше, нужно внимательно изучить различия между этими деталями. 

Кратко о MOSFET

MOSFET – это управляемый переключатель с тремя контактами (затвор, сток и исток). Сигнал затвора (управления) подается между затвором и истоком, а контактами переключения являются сток и исток.

Сам затвор выполнен из металла и отделен от истока оксидом металла в качестве диэлектрика.

Это позволяет снизить энергопотребление и делает этот транзистор отличным выбором для использования в качестве электронного переключателя или усилителя в схеме с общим истоком. 

Для правильной работы МОП-транзисторы должны поддерживать положительный температурный коэффициент.

Потери во включенном состоянии малы и теоретически сопротивление транзистора в этом состоянии не ограничено – может быть близко к нулю.

Кроме того, поскольку МОП-транзисторы могут работать на высоких частотах, они могут работать в устройствах с быстрым переключением и с низкими потерями на переключение.

Существует много различных типов МОП-транзисторов, но наиболее сопоставимыми с IGBT являются мощные MOSFET.

Они специально разработаны для работы со значительными уровнями мощности и используются чаще всего только во включенном или выключенном состояниях, что делает их наиболее используемым ключом для низковольтных схем.

По сравнению с IGBT, мощные полевые МОП-транзисторы имеют преимущества – более высокую скорость коммутации и более высокую эффективность при работе при низких напряжениях. Более того, такая схема может выдерживать высокое напряжение блокировки и поддерживать высокий ток.

Это связано с тем что большинство мощных МОП-структур являются вертикальными (а не плоскими). Номинальное напряжение является прямой функцией легирования и толщины эпитаксиального слоя с примесью N-типа, а ток зависит от ширины канала (чем шире канал, тем выше ток).

Кратко о IGBT

Модуль IGBT также является полностью управляемым коммутатором с тремя контактами (затвор, коллектор и эмиттер). Его управляющий сигнал подается между затвором и эмиттером и нагрузкой между коллектором и эмиттером. 

IGBT сочетает в себе простые характеристики управления затвором, как в транзисторе MOSFET, с сильноточным характером биполярного транзистора с низким напряжением насыщения. Это достигается с помощью изолированного полевого транзистора для управляющего входа и биполярного силового транзистора в качестве сильноточного ключа. 

Модуль IGBT специально разработан для быстрого включения и выключения. Фактически частота повторения импульсов достигает УЗ диапазона. Эта уникальная способность делает IGBT часто используемыми в усилителях класса D для синтеза сложных сигналов с широтно-импульсной модуляцией и фильтрами нижних частот.

Они также используются для генерации импульсов большой мощности в таких областях, как физика элементарных частиц и плазма, а также играют важную роль в современных устройствах – электромобили, электровелосипеды, поезда, холодильники с регулируемой скоростью вращения компрессора, кондиционеры и многое другое.

 

Сравнение IGBT с MOSFET

Структуры обоих транзисторов очень похожи друг на друга. Что касается протекания тока, важным отличием является добавление слоя подложки P-типа под слой подложки N-типа в структуре модуля IGBT. В этом дополнительном слое дырки вводятся в слой с высоким сопротивлением N-типа, создавая избыток носителей.

Это увеличение проводимости в N-слое помогает уменьшить общее напряжение во включенном состоянии в IGBT-модуле. К сожалению, это также блокирует поток электроэнергии в обратном направлении.

Поэтому в схему добавлен специальный диод, который расположен параллельно с IGBT чтобы проводить ток в противоположном направлении. 

MOSFET может переключаться на более высоких частотах, однако есть два ограничения: время переноса электронов в области дрейфа и время, необходимое для зарядки / разрядки входного затвора и его емкости. Тем не менее эти транзисторы, как правило, достигают более высокой частоты переключения, чем модули IGBT.

Подведем итог

Многие из вышеупомянутых фактов касаются исторической основы обоих устройств. Достижения и технологические прорывы в разработке нового оборудования, а также использование новых материалов, таких как карбид кремния (SiC), привели к значительному улучшению производительности этих радиодеталей за последние годы. 

МОП-транзистор: 

  • Высокая частота переключения.
  • Лучшие динамические параметры и более низкое энергопотребление драйвера. 
  • Более низкая емкость затвора.
  • Более низкое термосопротивление, которое приводит к лучшему рассеиванию мощности.
  • Более короткое время нарастания и спада, что означает способность работать на более высоких частотах.

IGBT модуль: 

  • Улучшенная технология производства, которая приводит к снижению затрат.
  • Лучшая устойчивость к перегрузкам.
  • Улучшенная способность распараллеливания схемы.
  • Более быстрое и плавное включение и выключение.
  • Снижение потерь при включении и при переключении.
  • Снижение входной мощности.

В любом случае модули MOSFET и IGBT быстро заменяют большинство старых полупроводниковых и механических устройств, используемых для управления током.

Силовые устройства на основе SiC демонстрируют такие преимущества как меньшие потери, меньшие размеры и более высокая эффективность.

Подобные инновации будут продолжать расширять пределы использования MOSFET и IGBT транзисторов для схем с более высоким напряжением и большей мощностью.

   Форум по теории электроники

   Обсудить статью MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT

Полевой МОП транзистор

Mosfet транзисторы принцип работы

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:

где

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.

НО…

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):

А вот и  продолжение

Транзистор МОП – принцип работы, структура, основные характеристики

Mosfet транзисторы принцип работы

Мощный МОП – транзистор или как его еще называют «металлоокисный полупроводник». Трехслойная структура транзистора Металл – Оксид – Полупроводник. Он обладает рядом достоинств перед транзисторами биполярного типа. Эти свойства выражается и при действии транзистора в линейном режиме и в режиме переключения.

Основные преимущества МОП-транзисторов

  • Мгновенное переключение;
  • Нет вторичного пробоя;
  • Безопасная работа характеризуется широкой областью;
  • Высокий коэффициент усиления.
  • Более высокое входное сопротивление.

  • Небольшое потребление электроэнергии.
  • При компоновке интегральных схем с использованием МОП-транзисторов задействуется относительно небольшое количество операций, чем с применением биполярных транзисторов.

Применение МОП-транзисторов

Использование в конструкции импульсных источников питания высокой частоты в качестве дискретных компонентов, в устройствах инверторного преобразования и регуляторах скорости электродвигателей различного типа.

Использование их в конструкции высокочастотных генераторов применяемых для индукционного нагрева, в ультразвуковых генераторах, усилителях звука и устройствах периферийного назначения для компьютеров.

Использование транзисторов в регуляторах скорости ограниченно низким напряжением (подключением к аккумуляторам) и небольшой мощностью, потому как кремниевая поверхность способна выдержать высокое напряжение в закрытом состоянии и низкое падение в открытом состоянии.

Работа МОП-транзистора

Принцип действия прибора зависит от изменения в полупроводнике электрического поля, происходит поляризация изолированного затвора. Такое действие вызвало название элемента, как « металлоокисный полупроводник».

  Он представляет собой прибор, в котором для изготовления затвора использовалась двуокись кремния SiO2, для современных МОП-транзисторов в качестве материала для затвора применяют поликристаллический кремний. Существует два типа МОП-транзисторов. Первые имеют дырочную проводимость – р-канальные.

Транзисторы с электронной проводимостью называются n-канальными. Канал в этих полупроводниковых приборах может быть обедненным или наоборот обогащенным носителями.

Рис. №1. Базовая структура МОП-транзистора с гексагональной топологией. Положительный вывод истока по отношению к стоку создает протекание тока через середину ячейки истока посредством прямо смещенного p-n-перехода. Обратное направление транзистора характерно для работы выпрямителя на на  p-n-переходе.

Основные характеристики транзистора

  • Напряжение управления: обеспечение проводимости и блокировки компонента;
  • В открытом состоянии (проводящем) характеризуется внутренним сопротивлением и максимально допустимым постоянным током.

  • В закрытом состоянии (не проводящем) транзистор характеризуется максимально допустимым напряжением прямого типа (более 1000В).

  • Использование подобных транзисторов в регуляторах скорости позволяет работать на частоте в границах до нескольких сотен кГц.

Главные типы МОП-транзисторов

  • Транзистор с индуцированным каналом, считающимся доминирующим элементом в новейших интегральных схемах. Прибор характеризуется положительным пороговым напряжением, от 0,5 до 1 В.
  • МОП-транзистор со встроенным каналом

МОП-транзистор с индуцированным затвором

Рис. №2. а) структура МОП ПТ с индуцированным каналом. б) графическое изображение.

МОП-транзистор со встроенным каналом

Подобный прибор  обладает ненулевым значением тока, называемым начальным, при этом напряжение имеет нулевое значение. Действует в режиме обеднения и обогащения.

Рис.№3. МОП ПТ с встроенным каналом: а) транзисторная структура; б) графическое изображение.

Меры безопасности при работе с МОП-транзисторами большой мощности

Тестировать МОП-транзисторы и монтировать их в схему необходимо с осторожностью. Хотя большая емкость и позволяет поглощать статический разряд, он все равно может повредить их. При проведении рабочих операций с  МОП-транзисторами большой мощности необходимо следовать определенным правилам.

  • Содержать приборы необходимо в специальной проводящей и антистатической таре.
  • Категорически запрещается брать МОП-транзистор за выводы, только за корпус.
  • При проверке мощного МОП-транзистора на характериографе или тестировании с помощью тестовой схемы нужно придерживаться строгих правил.
  • Тестовая станция должна быть оборудована проводящими полами и заземленными ковриками.
  • До установки элемента в схему нежелательно подавать напряжение до надежного соединения выводов.
  • При пользовании характериографом необходимо резистор соединять с затвором последовательно, это делается для гашения паразитной генерации, появляющейся в активном режиме. Резистор при часто повторяющихся испытаниях лучше всего держать в контактном гнезде.
  • Переключение тестовых диапазонов требует снижение тока и напряжения до нулевого значения, это делается для того, чтобы избежать появления потенциально разрушающих выбросов напряжения при действии по переключению диапазонов.
  • При включении транзистора в схему необходимо пользоваться рабочими станциями на заземленных столах и пользоваться напольными матами.
  • Паяльники оборудуются защитным заземлением.
  • Для надежной работы транзистора в схеме необходимо опасаться неожиданных выбросов напряжения сток – исток.

Избыточное напряжение может пробить слой окисла затвор-исток, что приведет к выходу из строя элемента.

Переходное напряжение затвор – исток, обладающее отрицательным направлением появляется при наличии индуктивности изолирующего трансформатора запуска, индуктивность хорошо отделяет затвор от запускающей схемы в процессе перехода. Напряжение перехода при этих условиях превышает напряжение затвора, что также ведет к отказу.

Для решения подобной проблемы рекомендуется использовать диод Зенера, он предотвращает превышение допустимых значений напряжения затвор-исток.

Еще одним эффективным решением для противодействия отказу будет снижение импеданса схемы затвора до самой малой величины, лишь бы сохранить номинал напряжения затвор-исток и поддерживать переходные процессы на уровне, при котором не возникает случайное включение.

Диод Зенера фиксирует уровень положительных процессов перехода, он в автоматическом режиме фиксирует переходные процессы, действующие в отрицательном направлении, ограничивает их своим падением напряжения обладающим прямой проводимостью.

Основные правила при использовании мощных МОП ПТ

  • Необходимо остерегаться выбросов напряжения сток-исток, которые появляются при переключениях.
  • Нельзя превышать параметры пикового тока
  • Не рекомендуется работать на среднем значении тока, выше нормированного значения.

  • Желательно оставаться в заданных температурных пределах.
  • Обязательно нужно обращать внимание на топология схемы.
  • Необходимо соблюдать осторожность, применяя интегральный диод тело-сток.

  • Нужно соблюдать предельную внимательность, сравнивая нормы токовых значений.

Обладая огромными преимуществами, мощные полевые транзисторы МОП при правильном применении служат для улучшения конструкции системы, которая при обладании меньшим количеством элементом может быть лучше, компактнее, функциональнее, чем аналогичные приборы, но другой компоновки и типа.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта Электронщик, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Делитесь информацией в соцсетях, ставьте лайки, если вам понравилось – это поможет развитию канала

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.