Mosfet - что это такое? Применение и проверка транзисторов. Блог › Мосфеты — это не конфеты

Какие схемы включения бывают. Есть тип полевого транзистора, у которого вход электрически изолирован от основного тока несущего канала. И поэтому называется он полевой транзистор с изолированным затвором. Наиболее распространенным типом такого полевого транзистора, который используется во многих типах электронных схем, называется полевой транзистор металл-оксид-полупроводник на основе перехода или же МОП-транзистор (сокращенная аббревиатура этого элемента).

Что такое MOSFET транзисторы?

МОП-транзистор представляет собой управляемый напряжением полевой транзистор, который отличается от полевого тем, что он имеет "металл-оксид" электрод затвора, который электрически изолирован от основного полупроводника п-каналом или каналом р-типа с очень тонким слоем изолирующего материала. Как правило, это диоксид кремния (а если проще, то стекло).

Этот ультратонкий изолированный металлический электрод затвора можно рассматривать как одну пластину конденсатора. Изоляция управляющего входа делает сопротивление МОП-транзистора чрезвычайно высоким, практически бесконечным.

Как и имеют очень высокое входное сопротивление. Может легко накапливать большое количество статического заряда, который приводит к повреждению, если тщательно не защищены цепи.

Отличия МОСФЕТ от полевых транзисторов

Основное отличие от полевых в том, что МОП-транзисторы выпускаются в двух основных формах:

1. Истощение - транзистор требует напряжения затвор-исток для переключения устройства в положение "Откл". Режим истощения МОП-транзистора эквивалентно "нормально закрытому" переключателю.
2. Насыщение - транзистор требует напряжения затвор-исток, чтобы включить устройство. Режим усиления МОП-транзистора эквивалентно коммутатору с "нормально замкнутыми" контактами.

Графические обозначения транзисторов на схемах

Линия между соединениями стока и истока представляет собой полупроводниковый канал. Если на схеме, на которой изображены MOSFET транзисторы, она представлена жирной сплошной линией, то элемент работает в режиме истощения. Так как ток из стока может протекать с нулевым потенциалом затвора. Если линия канала показана пунктиром или ломанной, то транзистор работает в режиме насыщения, так как течет ток с нулевым потенциалом затвора. Направление стрелки указывает на проводящий канал, р-типа или п-типа. Причем отечественные транзисторы обозначаются точно так же, как и зарубежные аналоги.

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:

1. Положительное напряжение на стоке означает большее количество электронов и тока.
2. 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:

1. Положительный сигнал транзистор переводит в проводящий режим.
2. 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 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:

1. Положительный сигнал переводит транзистор «Выкл».
2. 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 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.

Усилитель на MOSFET

Так же, как и полевые, транзисторы MOSFET могут быть использованы для изготовления усилителей класса «А». Схемы усилителей с N-канальным МОП-транзистором общего исходного режима усиления, является наиболее популярной. На МОП-транзисторах усилители в режиме обеднения очень похожи на схемы с использованием полевых приборов, за исключением того, что MOSFET (что это, и какие типы бывают, рассмотрено выше) имеет более высокий входной импеданс.

Этот импеданс управляется по входу смещающей резистивной цепью, образованной резисторами R1 и R2. Кроме того, выходной сигнал для общего источника MOSFET в режиме усиления инвертируется, потому что, когда входное напряжение низкое, то переход транзистора разомкнут. Это можно проверить, имея в арсенале только лишь тестер (цифровой или даже стрелочный). При высоком входном напряжении транзистор во включенном режиме, на выходе напряжение крайне низкое.

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 – оксид - полупроводник) обусловлено это тем, что в качестве диэлектрического материала в основном используется окись кремния (SiO 2). Еще одно, довольно распространенное название – МДП (металл – диэлектрик - полупроводник).

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 – оксид – 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.

Стоит помнить, что наравне с аббревиатурой MOSFET применяется сокращение J-FET (Junction – переход). Транзисторы J-FET также являются полевыми транзисторами, но управление таким транзистором осуществляется за счёт применения в нём управляющего p-n перехода. Эти транзисторы в отличие от MOSFET имеют немного иную структуру. В данной статье мы рассмотрим более детально MOSFET N проводимости с индуцированным каналом. Остальные типы не сильно отличаются и вы можете ознакомиться в этой статье .

Принцип работы полевого транзистора.

Основан на влиянии внешнего электрического поля на проводимость прибора.

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 SiO 2 . Сквозь диэлектрический слой проходят металлические выводы от областей N + -типа, называемые стоком и истоком . Над диэлектриком находится металлический слой затвора . Иногда от подложки также идет вывод, который закорачивают с истоком

Работа МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом N-типа.

Подключим напряжение любой полярности между стоком и истоком. В этом случае электрический ток не пойдет, поскольку между зонами N + находиться область P, не пропускающая электроны. Далее, если подать на затвор положительное напряжение относительно истока U зи, возникнет электрическое поле. Оно будет выталкивать положительные ионы (дырки) из зоны P в сторону подложки. В результате под затвором концентрация дырок начнет уменьшаться, и их место займут электроны, притягиваемые положительным напряжением на затворе.

Когда U зи достигнет своего порогового значения, концентрация электронов в области затвора превысит концентрацию дырок. Между стоком и истоком сформируется тонкий канал с электропроводностью N-типа, по которому пойдет ток I си. Чем выше напряжение на затворе транзистора U зи, тем шире канал и, следовательно, больше сила тока. Такой режим работы полевого транзистора называется режимом обогащения.

Принцип работы МДП-транзистора с каналом P–типа такой же, только на затвор нужно подавать отрицательное напряжение относительно истока.

MOSFET на практике

Изображение MOSFET транзистора на принципиальной электрической схеме (N-канальный МОП).

D-drain (сток); S-source (исток); G-gate (затвор).

Основные параметры полевых транзисторов.

V DSS (Drain-to-Source Voltage) – напряжение между стоком и истоком. Это, как правило, напряжение питания вашей схемы. При подборе транзистора всегда необходимо помнить о 20% запасе.

I D (Continuous Drain Current) – ток стока или непрерывный ток стока. Всегда указывается при постоянной величине напряжения затвор-исток (например, V GS =10V тоесть напряжения полного открытия затвора). В даташите, как правило, указывается максимально возможный ток.

R DS(on) (Static Drain-to-Source On-Resistance) – сопротивление сток-исток открытого канала. При увеличении температуры кристалла транзистора сопротивление открытого канала увеличивается.

P D (Power Dissipation) – мощность транзистора в ваттах. Этот параметр ещё называют мощностью рассеивания. В даташите величина данного параметра указывается для определённой температуры.

V GS (Gate-to-Source Voltage) – Оптимальное напряжение насыщения затвор-исток. Это то напряжение которое нужно подать на затвор чтобы транзистор открылся полностью.

V GS(th) (Gate Threshold Voltage) – минимальное пороговое напряжение включения транзистора. Это напряжение, при котором происходит открытие проводящего канала транзистора и он начинает пропускать ток между выводами истока и стока. Если между выводами затвора и истока приложить напряжение меньше V GS(th) , то транзистор будет закрыт. Обратите внимания, при подаче минимального напряжения на Затвор, транзистор открывается, но его сопротивление тогда не минимальное и следовательно он начинает интенсивнее греться.

И самое важное что нам эти параметры дают и на что стоит обратить внимание.

1. Current - Continuous Drain (id) @ 25° C . Говорит нам о том, что при температуре 25 градусов ток пропускаемый между Истоком и Стоком будет 6.3А. При повышении температуры ток понижается и растёт сопротивление, соответственно тепловыделение.
2. Gate Charge (qg) @ Vgs. Так как Затвор индуктивный, ему требуется время чтоб зарядить грубо говоря катушку и только тогда откроется транзистор. Вот 8.9 нано секунд как раз и требуется для открытия затвора. Важный параметр если вы используете транзистор для генерации ШИМ, на большой частосте он может не успевать.
3. Gate-source Breakdown Voltage Тоже не маловажный параметр, напряжение которое надо подать чтоб открыть Сток - Исток. Для нормальной работы надо открывать транзистор напряжением от этого до Drain To Source Voltage (vdss) тоесть максимального.
4. Drain To Source Voltage (vdss) Максимально напряжение которым можно открывать транзистор, если подать больше он перегорит.
5. Vgs(th) (max) @ Id Минимальное напряжение которое можно подать на Затвор. Но учтите при подаче минимального напряжения, время открытия существенно увеличивается, так же увеличивается сопротивление Сток - Исток и выделяется больше тепла. Грубо говоря при таком раскладе он пропустит гораздо меньше тока через себя, поэтому чаще всего в сочетании с полевиками используют драйверы полевиков или транзисторы повышающие по напряжению.
6. Input Capacitance (ciss) @ Vds Емкость Затвора при 16 Вольт в данном случае равна 700pF. По ней можно расчитать время заряда, но увы не знаю как:)
7. Drain-source Breakdown Voltage Максимальное пропускаемое напряжение через Сток - Исток.
8. Continuous Drain Current Ток между Сток Исток при полном открытии (тоесть при 12-20в на Затворе)

Изложил как смог, буду признателен в исправлениях и дополнениях.

Рождение твердотельной электроники можно отнести к 1833 году. Именно тогда Майкл Фарадей экспериментируя с сульфидом серебра, обнаружил, что проводимость данного вещества растет с повышением температуры, в противоположность проводимости металлов, которая в этом случае уменьшается. Это явление Фарадей не смог объяснить.

Следующим этапом в развитии твердотельной электроники стал 1874 год, когда немецкий физик Фердинанд Браун опубликовал свою статью в одном из журналов, где он описал важнейшее свойство полупроводников (на примере серных металлов) - возможность проводить ток только в одном направлении. Браун тщетно пытается объяснить, противоречащее закону Ома, выпрямляющее свойство контакта полупроводника с металлом, проводя все новые и новые исследования. Браун не сумел объяснить такое свойство полупроводников и его современники не уделили должного внимания этому явлению.

Появление транзистора в XX веке стало переворотным моментом в развитии электроники. Это изобретение связано со многими именами великих ученых.

В 1906 году американский инженер Гринлиф Виттер Пикард получил патент на кристаллический детектор. Такой детектор представлял собой тонкий металлический проводник, с помощью которого осуществлялся контакт с поверхностью металла. Появление множества конструкций такого детектора, не принесло желаемых результатов, а появление в это время электронных ламп сводит на нет все усилия создать полупроводниковое устройство отвечающее требованиям того времени.

Первые патенты на принцип работы полевых транзисторов были зарегистрированы в Германии в 1928 году на имя Юлия Эдгара Лилиенфельда. Немецкий физик Оскар Хейл в 1934 году запатентовал полевой транзистор.

Полевые транзисторы основаны на простом электростатическом эффекте поля, по физическим процессам они проще биполярных транзисторов, и поэтому они придуманы и запатентованы, задолго до биполярных транзисторов. Тем не менее, первый МОП-транзистор, составляющий основу микроэлектроники, был изготовлен позже биполярного транзистора в 1960 году. И только в 90-х годах XX века во времена лавинного развития компьютерной техники, МОП-технология получила массовое распространение и стала доминировать над биполярной.

Так только в 1947 году Уильям Шокли, Джон Барди и Уолтер Браттейн в лабораториях компании Bell Labs впервые создали действующий биполярный транзистор, который был продемонстрирован 16 декабря того же года. 23 декабря состоялась официальная церемония демонстрации транзистора в действии, и эта дата считается днем изобретения транзистора.

Транзистор получил свое настоящее наименование не сразу, предлагались различные варианты его наименования "полупроводниковый триод" (semiconductor triode), "твердый триод" (solid triode), "триод поверхностного состояния" (surface states triode), "кристаллический триод" (crystal triode) и "lotatron", но в итоге было принято название предложенное Джоном Пирсом транзистор (transistor от анг. transfer - переносить и resistance - сопротивление).

Первоначально название "транзистор" относилось к резисторам, управляемым напряжением, схематически транзистор можно представить именно в таком виде, как некое сопротивление, регулируемое напряжением на одном электроде (в полевых транзисторах - напряжение между затвором и истоком, в биполярных - напряжение между базой и эмиттером).

Транзистор структура, основные понятия и принципы работы

Транзистор - полупроводниковый электронный элемент, как правило, с тремя выводами, позволяющий входным сигналом управлять током в электрической цепи.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор построен на основе трехслойного кристалла с двумя близко расположенными pn-переходами (рис.1).

Рисунок 1. Структура NPN биполярного транзистора

В транзисторе имеются три области: эмиттер, база, коллектор. В соответствии с расположением pn - переходы называются эмиттер-база - эмиттерным , база коллектор - коллекторным .

В зависимости от типа проводимости слоев различают два типа транзисторов: pnp и npn. Принцип работы обоих типов транзисторов одинаковый, разница только в проводимости.

Управление токов в выходной цепи осуществляется за счет изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Такое свойство усиливать сигналы широко используется в аналоговой технике. На рис. 2 наглядно показан принцип усиления сигнала в транзисторе, основанный на вольтамперной характеристике (ВАХ) транзистора, и чем круче ВАХ, тем больше коэффициент усиления.

Рисунок 2. Принцип усиления аналогового сигнала в транзисторе

MOSFET транзистор

настоящее время на рынке аналоговой техники доминируют биполярные транзисторы (международный термин биполярного транзистора - bipolar junction transistor (BJT)). В другой важнейшей отрасли электроники - цифровой технике (логика, память, микроконтроллеры, цифровая связь и тп.) биполярные транзисторы практически полностью вытеснены полевыми транзисторами.

Вся современная цифровая электроника построена, в основном, на полевых МОП (метал-оксид-полупроводник) транзисторах, как более экономичных, по сравнению с биполярными транзисторами. Иногда МОП-транзисторы называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник). Международный термин таких транзисторов - MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor). Существуют два типа MOSFET транзисторов n-канальные и p-канальные. На рис. 3 приведена структура n-канального MOSFET транзистора, его отличие от p-канального транзистора всего лишь в полярности проводящего слоя.

Рисунок 3. Структура MOSFET транзистора

С момента изобретения первого транзистора быстрое развитие технологий позволило создать более совершенные и производительные и в тоже время экономичные и энергосберегающие элементы. В рамках интегральной технологии транзисторы изготавливаются на одном кристалле для изготовления микросхем памяти, микроконтроллеров, микросхем логики и др. Размеры современных MOSFET транзисторов составляют 100-30 нм. При современной степени интеграции на одном чипе (размером 1-2 кв. см) размешаются несколько миллиардов транзисторов.

NXP Semiconductors на рынке MOSFET транзисторов

MOSFET транзисторы, на ряду с диодами и транзисторами общего применения, являются одними из самых востребованных элементов в современной электронике. В условиях жесткой конкуренции и существующих требований к высокой энергоэффективности оборудования разработчики стремятся уменьшить габариты, энергопотребление и себестоимость конечной продукции. Вследствие этих факторов различные производители MOSFET транзисторов International Rectifier (IR), STMicroelectronics, ON-Semiconductors, Vishay, Fairchild, Infineon вынуждены совершенствовать и предлагать все новые и новые разработки и технологии.

Компания NXP, смогла занять одну из лидирующих позиций в области производства MOSFET транзисторов, благодаря передовым технологиям и широкому портфолио MOSFET транзисторов насчитывающий более 900 наименований, включая высокочастотные, предоставляет реальный выбор разработчикам электроники подобрать для своих потребностей максимально удовлетворяющий их задачам элемент. Параметры транзисторов распределяется в диапазоне от 12 до 300 Вольт, с током истока до 100 Ампер и различными вариантами корпусов, рабочий диапазон температур транзисторов -55 - 175 °С. Краткий перечень и характеристики MOSFET транзисторов NXP сведены в таблицу 1, полный перечень и характеристики транзисторов можно найти на сайте www.nxp.com.

Технология TrenchMOS

Мощные MOSFET транзисторы традиционно выпускались по планарной технологии. В конце 1990-х годов компания NXP вывела на рынок транзисторы, изготовленные по новой технологии, так называемой траншейной (TrenchMOS) обеспечивающей чрезвычайно низкое сопротивление открытого канала исток-сток. На рисунке 4 показана структура развития технологии TrenchMOS NXP.

Рисунок 4. Развитие технологии TrenchMOS

Развитие этой технологии позволило увеличить компактность кристалла и снизить сопротивление открытого канала RDS(ON) (потери в канале) в несколько раз, а так же снизить стоимость таких транзисторов.

Противоречивые требования к MOSFET транзисторам, с одной стороны минимальное сопротивление открытого канала RDS(ON), с другой стороны минимальный заряд затвора QG, прежде всего, приводили разработчиков электроники к необходимости выбора различных марок транзисторов для работы в тех или иных каскадах. К тому же возникала потребность выбора оптимального соотношения занимаемой площади и рассеиваемой мощности транзисторов. По мере совершенствования технологий производства MOSFET транзисторов производители предлагали различные варианты построения корпусов.

Эффективность MOSFET транзисторов основана не только на технологии получения кристалла, но и на корпусе в который данный кристалл установлен. Наиболее эффективными корпусами для MOSFET транзисторов признаны корпуса, предназначенные для SMD (поверхностного) монтажа, которые обеспечивают максимальную удельную мощность рассеяния. Совокупность совершенствования технологии получения кристаллов и компактность корпусов MOSFET транзисторов предоставляют производителям достаточно широкое поле для разработок.

Так наряду со стандартными корпусами TO-220, DPAK, D2PAK и SO, компания NXP выпустила на рынок транзисторы MOSFET изготовленные по технологии шестого поколения Trench 6, в корпусе LFPAK (Loss Free Package). Комбинация технологии шестого поколения Trench с высокоэффективной упаковкой LFPAK увеличивают надежность транзисторов и расширяют границы применения. Транзисторы обладают малым сопротивлением до 1 мОм и высокой рабочей температурой.

Преимущества транзисторов NXP в корпусе LFPAK, очевидны, проведем их краткий анализ, для сравнения возьмем самые популярные корпуса D2PAK, DPAK, SO8. На рисунке 5 показаны габаритные соотношения этих корпусов, из которого очевидно преимущество корпуса LFPAK. Расчет площади занимаемой D2PAK, DPAK и LFPAK показывает, что экономия места, при применении транзисторов в корпусе LFPAK, достигает 75 и 46% соответственно.

Рисунок 5. Сравнение размеров корпусов D2PAK, DPAK и LFPAK

На рисунке 6 показаны результаты терфографии MOSFET транзисторов в корпусах SO8, DPAK и LFPAK. Данные измерения были проведены при прочих равных условиях, рассеиваемая мощность на поверхности корпусов примерно 1Вт. Исключительные термические свойства корпуса LFPAK наилучшим образом влияют на производительность MOSFET транзисторов, и в ряде случаев это позволяет применить разработчикам два транзистора в корпусе LFPAK вместо трех транзисторов в корпусе SO8.

Рисунок 6. Результаты терфографии SO8, DPAK, LFPAK

Компания NXP является одной из ведущих фирм в производстве электроники для автомобильных приложении. В портфолио компании для автомобильной электроники можно найти CAN, LIN, FlexRay трансиверы, и контроллеры, MOSFET транзисторы, автомобильные датчики (магниторезистивные, температурные), мультимедийные микросхемы, микросхемы-корректоры фар, защитные (TVS) диоды.

Расширяя портфолио MOSFET транзисторов для автомобильных применений, компания NXP разработала семейство MOSFET транзисторов TrenchPLUS с дополнительными функциями защиты и измерения температуры. Транзисторы семейства TrenchPLUS были разработаны и квалифицированны к соответствующему стандарту AEC для использования в особо важных системах автомобиля, например: тормозные системы (ABS), системы управления (ЭМУР).

На рисунке 7 показана функциональная блок-схема устройства транзисторов семейства TrenchPLUS.

Рисунок 7. Устройство транзисторов семейства TrenchPLUS

Наличие встроенного датчика тока в силовом MOSFET транзисторе позволяет эффективно защищать выходные цепи устройств от перегрузок по току и коротких замыканий. При таком построении транзистора повышается надежность прибора и снижается его стоимость, т.к. отпадает необходимость в использовании навесных элементов.

MOSFET транзисторы NXP, изготовленные по технологии TrenchMOS, представляют собой матрицу из нескольких тысяч полевых транзисторов с изолированным затвором, размещенных на одном кристалле, каналы которых соединены параллельно. Поскольку все транзисторы матрицы идентичны, протекающий ток, а значит и тепловая энергия, равномерно распределяются по всему кристаллу. К тому же параллельное соединение позволяет уменьшить сопротивление открытого канала.

Кроме того, такая конфигурация позволяет изолировать соединенные истоки нескольких ячеек и вывести их с кристалла отдельным выводом. Такой прибор может быть представлен в виде двух MOSFET транзисторов с объединенным стоком, затвором и раздельными истоками (рис.8). В случае открытого канала ток нагрузки будет распределяться в отношении, пропорциональном сопротивлению каналов. Ток истока датчика тока значительно меньше тока истока основного силового транзистора. При этом токи пропорциональны площадям, занимаемым элементами на кристалле, и их отношение обычно составляет n=500:1 (отношение тока истока основного транзистора к току истока датчика тока). Это отношение называется "sense ratio", и оно определено для случая, когда потенциалы истоков датчика тока и основного силового транзистора равны. Дополнительный отвод от области истока основного силового транзистора (отвод Кельвина) позволяет передать в анализирующую цепь точное значение потенциала.

Рисунок 8. Эквивалентная схема MOSFET транзистора TrenchPLUS с датчиком тока

Таблица 1. MOSFET транзисторы NXP

P/N	Корпус	Тип канала	V DS , В	R DSon (V GS =10В), мОм	R DSon (V GS =4,5В), мОм	I D , А	P tot макс, Вт
PMN28UN	SC-74	N	12		34	5.7	1.75
BSH205	SOT23	P	-12		400	-0.75	0.417
BSH207	SC-74	P	-12		120	-1.52	0.417
PHK04P02T	SO8	P	-16		120	-4.66	5
PMV31XN	SOT23	N	20		37	5.9	2
PH3120L	LFPAK	N	20	2.65	3.7	100	62.5
PHKD6N02LT	SO8	N	20			10.9	4.17
PHD38N02LT	DPAK	N	20			44.7	57.6
PMV65XP	SOT23	P	-20		76	-3.9	1.92
PMK50XP	SO8	P	-20		50	-7.9	5
PHP78NQ03LT	TO-220AB	N	25	9		75	93
PH2925U	LFPAK	N	25		3	100	62.5
PHU97NQ03LT	IPAK	N	25	6.6		75	107
PHD108NQ03LT	DPAK	N	25	6		75	187
PSMN1R2-25YL	LFPAK2	N	25	1.2	1.85	100	121
PHB66NQ03LT	D2PAK	N	25	10.5		66	93
PHN210T	SO8	N	30	100	200	3.4
PSMN4R3-30PL	TO-220AB	N	30	4.3	6.2	100	103
SI2304DS	SOT23	N	30	117	190	1.7	0.83
PH6030L	LFPAK	N	30	6	9.7	76.7	62.5
BUK9213-30A	DPAK	N	30	11	14.4	75	150
PMV40UN	SOT23	N	30		47	4.9	1.9
BUK762R7-30B	D2PAK	N	30	2.7		75	300
BUK7E2R7-30B	I2PAK	N	30	2.7		75	300

Силовые полупроводниковые приборы. Силовые MOSFET транзисторы

MOSFET - это аббревиатура от английского словосочетания Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (Металл- Оксидные Полупроводниковые Полевые Транзисторы).

Данный класс транзисторов отличается, прежде всего, минимальной мощностью управления при значительной выходной (сотни ватт). Также необходимо отметить чрезвычайно малые значения сопротивления в открытом состоянии (десятые доли ома при выходном токе в десятки ампер), а следовательно, минимальную мощность, выделяющуюся на транзисторе в виде тепла.

Обозначение этого типа транзисторов показано на рис. 7.1. Также для сокращения числа внешних компонентов в транзистор может быть встроен мощный высокочастотный демпферный диод.

Рис. 7.1. Обозначение MOSFET транзисторов (G - затвор, D - сток, S - исток): а - обозначение N-канального транзистора; б - обозначение Р-канального транзистора

Преимущества MOSFET транзисторов перед биполярными

К неоспоримым преимуществам MOSFET транзисторов перед биполярными можно отнести следующие:

• минимальная мощность управления и большой коэффициент усиления по току обеспечивает простоту схем управления (есть даже разновидность MOSFET, управляемых логическими уровнями);
• большая скорость переключения (при этом минимальны задержки выключения, обеспечивается широкая область безопасной работы);
• возможность простого параллельного включения транзисторов для увеличения выходной мощности;
• устойчивость транзисторов к большим импульсам напряжения (dv/dt).

Применение и производители

Данные приборы находят широкое применение в устройствах управления мощной нагрузкой, импульсных источниках питания. В последнем случае область их применения несколько ограничена максимальным напряжением сток-исток (до 1000 В).

MOSFET™ с N-каналом наиболее популярны для коммутации силовых цепей. Напряжение управления или напряжение, приложенное между затвором и истоком для включения MOSFET, должно превышать порог UT 4 В, фактически необходимо 10-12 В для надежного включения MOSFET. Снижение напряжения управления до нижнего порога UT приведет к выключению MOSFET.

Силовые MOSFET выпускают различные производители :

• HEXFET (фирма NATIONAL);
• VMOS (фирма PHILLIPS);
• SIPMOS (фирма SIEMENS).

Внутренняя структура MOSFET

На рис. 7.2 показано сходство внутренней структуры HEXFET, VMOS и SIPMOS. Они имеют вертикальную четырехслойную структуру с чередованием Р и N слоев: Такая структура вызвана тяжелыми режимами работы N-канальных MOSFET.

Если напряжение, приложенное к выводам затвора, выше порогового уровня, затвор смещается относительно истока, создавая инверсный N-канал под пленкой оксида кремния, который соединяет исток со стоком для протекания тока.

Проводимость MOSFET обеспечивается за счет основных носителей, так как отсутствуют инжектированные неосновные носители в канале. Это не приводит к накоплению заряда, что ускоряет процесс переключения. Во включенном состоянии зависимость между током и напряжением почти линейна, аналогично сопротивлению, которое рассматривается как сопротивление канала в открытом состоянии.

Рис. 7.2. Внутренние структуры транзисторов: а - транзистор структуры HEXFET; б - транзистор структуры VMOS; в - транзистор структуры SIPMOS

Рис. 7.3. Схема замещения MOSFET: а - первый вариант эквивалентной схемы; б - второй вариант эквивалентной схемы с замещением транзистора диодом; в - внутренняя структура, соответствующая первому варианту

Параметры MOSFET

Рассмотрим основные параметры, характеризуют MOSFET транзисторы.

Максимальное напряжение "сток-исток" , U DS - максимальное мгновенное рабочее напряжение.

Продолжительный ток стока , I D - максимальный ток, который может проводить MOSFET, обусловленный температурой перехода.

Максимальный импульсный ток стока , I DM - больше, чем I D и определен для импульса заданной длительности и рабочего цикла.

Максимальное напряжение "затвор-исток" age , U GS - максимальное напряжение, которое может быть приложено между затвором и истоком без повреждения изоляции затвора.

Кроме того, имеют место :

• пороговое напряжение затвора, U T {U TH , U GS };
• U T - минимальное напряжение затвора, при котором транзистор включается.

Мосфеты - разновидность полевых транзисторов, очень полезная штука, если правильно его подобрать, подключить и использовать. Я их люблю применять в поделках. Маломощные в основном для экономичности потребления тока, мощные для коммутации амперных нагрузок и для силовых ключей в ШИМ- схемах и генераторах.

В отличие от простых биполярных транзисторов управляются они не током а напряжением. Управляющий электрод - затвор по сути является одним контактом простого неполярного конденсатора малой емкости.

В логических пятивольтовых схемах очень хорошо применять "логические" мосфеты - транзисторы, которые управляются напрямик с ножек микроконтроллера.

При подборе и выборе мощного мосфета нужно учитывать его основные параметры, это максимальное напряжение на его ножках, сопротивление между входом и выходом в открытом состоянии и напряжение на затворе, достаточное полностью открыть мосфет. Для логических мосфетов это напряжение в основном чуть ниже пяти вольт.

При подключении мощных нагрузок на первый план выступает проходное сопротивление сток - исток в открытом состоянии. Чем больше коммутируемый ток - тем важнее этот праметр. В даташитах этот параметр всегда на первой странице отдельной строкой.

Чем меньше этот параметр, тем меньше тепла будет выделяться мосфетом при работе. Даже небольшое изменение этого параметра приводит к большим разностям в выделении тепла.

Для примера я собрал тестовую схему:

Для замеров я использовал два мультиметра. Напряжение на затвор от нуля до максимума я подавал через проволочный многооборотный резистор СП5-3. Подопытным транзистором был 2SK3918.

Вот таблица замеров:

Данные конечно получились не совсем точные, но для общего сведения пойдет.
Пояснения:

GS - напряжение между затвором и минусом схемы, которое поступает с подстроечного резистора

DS - напряжение падения на транзисторе.

I - ток нагрузки - лампочки.

Далее применив Закон Ома вычислилась мощность W и сопротивление R. Вот это сопротивление и указывается в даташитах. Красным отмечена слишком большая мощность нагрева транзистора - мосфет полностью не открыт.

При использовании в качестве мощных ШИМ-ключей для регулировки яркости светодиодов и ламп нельзя задирать частоту импульсов высоко. Достаточно держать её чуть выше 50 Герц. Например така частота у штатных панелей приборов оптитрон и у штатных ДХО из ламп дальнего света " в пол накала" в тойотах. Если использовать более высокие частоты (килогерцы и выше) затвор мосфета начинает хорошо проводить ток и для раскачки его необходимо усложнять схему или использовать специальные драйверы.

Как показала практика мосфет 2SK3918 спокойно без радиатора в воздухе выдерживает 60-ти ватовую лампочку, оставаясь слегка теплым при напряжении на затворе в пять вольт. При подключении ШИМ генератора со скважностью 30-50% вообще холодный.