Силовые MOSFET и IGBT транзисторы, отличия и особенности их применения

Силовые MOSFET и IGBT транзисторы, отличия и особенности их применения

Технологии в области силовой электроники все время совершенствуются: реле становятся твердотельными, биполярные транзисторы и тиристоры заменяются все обширнее на полевые транзисторы, новые материалы разрабатываются и применяются в конденсаторах и т. д. — всюду определенно заметна активная технологическая эволюция, которая не прекращается ни на год. С чем же это связано?

Это связано, очевидно, с тем, что в какой-то момент производители оказываются не в состоянии удовлетворить запросы потребителей на возможности и качество силового электронного оборудования: у реле искрят и обгорают контакты, биполярные транзисторы для управления требуют слишком много мощности, силовые блоки занимают неприемлемо много места и т. п. Производители конкурируют между собой — кто первым предложит лучшую альтернативу…?

Так и появились полевые MOSFET транзисторы, благодаря которым управление потоком носителей заряда стало возможным не посредством изменения тока базы, как у биполярных предков, а посредством электрического поля затвора, по сути — просто приложенным к затвору напряжением.

В итоге уже к началу 2000-х доля силовых устройств на MOSFET и IGBT составляла около 30%, в то время как биполярных транзисторов в силовой электронике осталось менее 20%. За последние лет 15 произошел еще более существенный рывок, и биполярные транзисторы в классическом понимании почти полностью уступили место MOSFET и IGBT в сегменте управляемых силовых полупроводниковых ключей.

Проектируя, к примеру, силовой высокочастотный преобразователь, разработчик уже выбирает между MOSFET и IGBT – оба из которых управляются напряжением, прикладываемым к затвору, а вовсе не током, как биполярные транзисторы, и цепи управления получаются в результате более простыми. Давайте, однако рассмотрим особенности этих самых транзисторов, управляемых напряжением затвора.

MOSFET или IGBT

У IGBT (БТИЗ-биполярный транзистор с изолированным затвором) в открытом состоянии рабочий ток проходит через p-n-переход, а у MOSFET – через канал сток-исток, обладающий резистивным характером. Вот и возможности для рассеяния мощности у этих приборов различаются, потери получаются разными: у MOSFET-полевика рассеиваемая мощность будет пропорциональна квадрату тока через канал и сопротивлению канала, в то время как у БТИЗ рассеиваемая мощность окажется пропорциональна напряжению насыщения коллектор-эмиттер и току через канал в первой степени.

Если нам нужно снизить потери на ключе, то потребуется выбрать MOSFET с меньшим сопротивлением канала, однако не стоит забывать, что с ростом температуры полупроводника это сопротивление вырастет и потери на нагрев все же возрастут. А вот у IGBT с ростом температуры напряжение насыщения p-n-перехода наоборот снижается, значит и потери на нагрев уменьшаются.

Но не все так элементарно, как может показаться на взгляд неискушенного в силовой электронике человека. Механизмы определения потерь у IGBT и MOSFET в корне различаются.

Как вы поняли, у MOSFET-транзистора сопротивление канала в проводящем состоянии обуславливает определенные потери мощности на нем, которые по статистике почти в 4 раза превосходят мощность, затрачиваемую на управление затвором.

У IGBT дело обстоит с точностью до наоборот: потери на переходе меньше, а вот затраты энергии на управление — больше. Речь о частотах порядка 60 кГц, и чем выше частота — тем больше потери на управление затвором, особенно применительно к IGBT.

Дело все в том, что в MOSFET неосновные носители заряда не рекомбинируют, как это происходит в IGBT, в составе которого есть полевой MOSFET-транзистор, определяющий скорость открывания, но где база недоступна напрямую, и ускорить процесс при помощи внешних схем нельзя. В итоге динамические характеристики у IGBT ограничены, ограничена и предельная рабочая частота.

Повышая коэффициент передачи и снижая напряжение насыщения — допустим, понизим статические потери, но зато повысим потери при переключении. По этой причине производители IGBT-транзисторов указывают в документации на свои приборы оптимальную частоту и максимальную скорость переключения.

Есть недостаток и у MOSFET. Его внутренний диод отличается конечным временем обратного восстановления, которое так или иначе превышает время восстановления, характерное для внутренних антипараллельных диодов IGBT. В итоге имеем потери включения и токовые перегрузки у MOSFET в полумостовых схемах.

Теперь непосредственно про рассеиваемое тепло. Площадь полупроводниковой IGBT-структуры больше чем у MOSFET, поэтому и рассеиваемая мощность у IGBT больше, вместе с тем температура перехода в процессе работы ключа растет интенсивнее, поэтому важно правильно подобрать радиатор к ключу, грамотно рассчитав поток тепла, приняв в расчет тепловые сопротивления всех границ сборки.

У MOSFET на высоких мощностях также растут потери на нагрев, сильно превосходя потери на управление затвором IGBT. При мощностях выше 300-500Вт и на частотах в районе 20-30 кГц преимущество будет за IGBT-транзисторами.

Вообще, для каждой задачи выбирают свой тип ключа, и есть определенные типовые воззрения на этот аспект. MOSFETы подойдут для работы на частотах выше 20 кГц при напряжениях питания до 300 В — зарядные устройства, импульсные блоки питания, компактные инверторы небольшой мощности и т. д. — подавляющее большинство из них собирают сегодня на MOSFET.

IGBT хорошо работают на частотах до 20 кГц при напряжениях питания 1000 и более вольт — частотные преобразователи, ИБП и т. п. — вот низкочастотный сегмент силовой техники для IGBT-транзисторов.

В промежуточной нише — от 300 до 1000 вольт, на частотах порядка 10 кГц, — подбор полупроводникового ключа подходящей технологии осуществляют сугубо индивидуально, взвешивая все за и против, включая цену, габариты, КПД и другие факторы.

Между тем нельзя однозначно сказать, что в одной типовой ситуации подойдет именно IGBT, а в другой — только MOSFET. Необходимо комплексно подходить к разработке каждого конкретного устройства. Исходя из мощности прибора, режима его работы, предполагаемого теплового режима, приемлемых габаритов, особенностей управления схемой и т.д.

И главное — выбрав ключи нужного типа, разработчику важно точно определить их параметры, ибо в технической документации (в даташите) отнюдь не всегда все точно соответствует реальности. Чем более точно будут известны параметры — тем эффективнее и надежнее получится изделие, независимо от того, идет ли речь об IGBT или о MOSFET.

Как отличить биполярный транзистор от полевого

Транзисторы работают между активным режимом и отсечкой, в результате чего схема не входит в режим насыщения, что увеличивает ее быстродействие.

Быстродействие транзистора зависит только от скорости перезарядки барьерной емкости. Причиной инерционности биполярного транзистора являются конечное время переноса зарядов от эмиттерного перехода к коллекторному и паразитные емкости указанных переходов. А быстродействие, в свою очередь, зависит от того, насколько сильны инерционные свойства.

Быстродействие транзистора определяется временем переключения транзисторных ключей, а удельная проводимость(и быстродействие), зависит от концентрации носителей заряда и от их подвижности.

Быстродействие транзистора определяется временем переключения транзисторных ключей, или вентилей, которое обратно пропорционально потребляемой мощности Р:=А/Р. Здесь А – работа ключа на одно переключение. Повышение мощности в целях ускорения переключения, как правило, требует увеличения расстояния между отдельными элементами схемы для соблюдения необходимого теплового режима, что приводит к уменьшению плотности размещения элементов и увеличению задержки на распространение сигнала по линиям.

Мощность, рассеиваемая в кристалле в виде теплоты, должна быть меньше тепловой мощности, которая может быть отведена.

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть отделен от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов.

Дата добавления: 2015-04-24 ; ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Транзистор — повсеместный и важный компонент в современной микроэлектронике. Его назначение простое: он позволяет с помощью слабого сигнала управлять гораздо более сильным.

В частноти, его можно использовать как управляемую «заслонку»: отсутствием сигнала на «воротах» блокировать течение тока, подачей — разрешать. Иными словами: это кнопка, которая нажимается не пальцем, а подачей напряжения. В цифровой электронике такое применение наиболее распространено.

Транзисторы выпускаются в различных корпусах: один и тот же транзистор может внешне выглядеть совершенно по разному. В прототипировании чаще остальных встречаются корпусы:

Обозначение на схемах также варьируется в зависимости от типа транзистора и стандарта обозначений, который использовался при составлении. Но вне зависимости от вариации, его символ остаётся узнаваемым.

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы (FET, Field Effect Transistor) имеют то же назначение, но отличаются внутренним устройством. Частным видом этих компонентов являются транзисторы MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Они позволяют оперировать гораздо большими мощностями при тех же размерах. А управление самой «заслонкой» осуществляется исключительно при помощи напряжения: ток через затвор, в отличие от биполярных транзисторов, не идёт.

Полевые транзисторы обладают тремя контактами:

N-Channel и P-Channel

По аналогии с биполярными транзисторами, полевые различаются полярностью. Выше был описан N-Channel транзистор. Они наиболее распространены.

P-Channel при обозначении отличается направлением стрелки и, опять же, обладает «перевёрнутым» поведением.

Отличия полевых транзисторов от биполярных. Области применения

Как уже было сказано выше, первое и главное отличие этих двух видов транзисторов в том, что вторые управляются с помощью изменения тока, а первые — напряжения. И из этого следуют прочие преимущества полевых транзисторов по сравнению с биполярными:

· высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление;

· высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания неосновных носителей);

· поскольку усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены переносом основных носителей заряда, их верхняя граница эффективного усиления выше, чем у биполярных;

· высокая температурная стабильность;

· малый уровень шумов, так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда, которое и делает биполярные транзисторы «шумными»;

· малое потребление мощности.

Однако, при всем при этом у полевых транзисторов есть и недостаток — они «боятся» статического электричества, поэтому при работе с ними предъявляют особо жесткие требования по защите от этой напасти.

Где применяются полевые транзисторы? Да практически везде. Цифровые и аналоговые интегральные схемы, следящие и логические устройства, энергосберегающие схемы, флеш-память… Да что там, даже кварцевые часы и пульт управления телевизором работают на полевых транзисторах.

Полностью управляемые транзисторные ключи большой мощности

Ключ, собранный на транзисторе, называется транзисторным ключом. Транзисторный ключ выполняет только две операции: вКЛЮЧено и выКЛЮЧено, промежуточный режим между «включено» и «выключено» мы будем рассматривать в следующих главах. Электромагнитное реле выполняет ту же самую функцию, но его скорость переключения очень медленная с точки зрения современной электроники, да и коммутирующие контакты быстро изнашиваются.

Что из себя представляет транзисторный ключ? Давайте рассмотрим его поближе:

Знакомая схемка не так ли? Здесь все элементарно и просто: подаем на базу напряжение необходимого номинала и у нас начинает течь ток через цепь от плюсовой клеммы +Bat2—>лампочка—>коллектор—>эмиттер—>к минусовой клемме Bat2. Напряжение на Bat2 должно быть равно рабочему напряжению питания лампочки. Если все так, то лампочка испускает свет. Вместо лампочки может быть какая-либо другая нагрузка. Резистор «R» здесь требуется для того, чтобы ограничить значение управляющего тока на базе транзистора.

Но все ли так просто, как кажется на первый взгляд?

Итак, давайте вспомним, какие требования должны быть, чтобы полностью «открыть» транзистор? Читаем статью принцип усиления биполярного транзистора и вспоминаем:

1) Для того, чтобы полностью открыть транзистор, напряжение база-эмиттер должно быть больше 0,6-0,7 Вольт.

2) Сила тока, текущая через базу должна быть такой, чтобы электрический ток мог течь через коллектор-эмиттер абсолютно беспрепятственно.

В идеале, сопротивление через коллектор-эмиттер должно стать равным нулю, в реале же оно будет иметь доли Ома. Такой режим называется «
режимом насыщения«.

Этот рисунок — воображение моего разума. Здесь я нарисовал тот самый режим насыщения.

Как мы видим, коллектор и эмиттер в режиме насыщения соединяются накоротко, поэтому лампочка горит на всю мощь.

А что теперь надо сделать, чтобы лампочка вообще не горела? Отключить ее ручками? Зачем? Ведь у нас есть управляемый резистор: коллектор-эмиттер, сопротивление которого мы можем менять, прогоняя через базу определенную силу тока Итак, что нужно для того, чтобы лампочка вообще перестала гореть? Возможны два способа:

Первый способ. Полностью отключить питание от резистора базы, как на рисунке ниже.

В реальности вывод базы является своего рода маленькой антеннкой, которая может принимать различные наводки и помехи из окружающего пространства. От этих наводок в базе может начать течь ток малого номинала. А как вы помните, для того, чтобы открыть транзистор много и не надо. И может даже случится так, что лампочка будет даже очень тихонько светится! Как же выйти из этой ситуации? Да очень легко! Достаточно поставить резистор между базой и эмиттером, то есть сделать так, чтобы при отключении напряжения, на базе напряжение было равно нулю. А какой вывод транзистора у нас находится под нулем? Эмиттер! То есть научным языком, мы должны сделать так, чтобы потенциал на базе был равен потенциалу на эмиттере.

И что, теперь каждый раз при отключении заземлять базу? В идеале — да. Но есть более хитрое решение Достаточно поставить резистор между базой и эмиттером. Его номинал в основном берут примерно в 10 раз выше, чем номинал базового резистора.

Так как в схеме появился еще один резистор, то базовый резистор назовем RБ , а резистор между базой и эмиттером не будем придумывать и назовем RБЭ. Схема примет вот такой вид:

Как же ведет себя резистор RБЭ в схеме? Если ключ S замкнут, то этот резистор не оказывает никакого влияния на работу схемы, так как через него протекает и без того малая сила тока, которая управляет базой. Ну а если ключ S разомкнут, то, как я уже сказал, потенциал на базе будет равняться потенциалу эмиттера, то есть нулю.

Второй способ. Добиться того, чтобы UБЭ<0,6 Вольт или чтобы ток базы IБ = 0. Этот способ чаще всего используется в МК и других логических схемах.

Что в первом, что во втором случае транзистор у нас не пропускает ток через коллектор-эмиттер. В этом случае говорят, что транзистор находится в режиме «отсечки«.

Тиристоры

Структура тиристора

Тиристор — это четырёхслойный полупроводниковый прибор, слои расположены последовательно, их типы проводимости чередуются: p‑n‑p‑n. p‑n‑переходы, между слоями на рисунке обозначены как «П1», «П2» и «П3». Контакт, присоединенный к внешнему p‑слою называется анодом, к внешнему n‑слою — катодом. В принципе тиристор может иметь до двух управляющих электродов, присоединённых к внутренним слоям. Но обычно изготавливаются тиристоры с одним управляющим электродом, либо вообще без управляющих электродов (такой прибор называется динистором).

Для включения тиристора достаточно кратковременно подать сигнал на управляющий электрод — тиристор откроется и будет оставаться в этом состоянии пока ток через тиристор не станет меньше тока удержания.

Итак, главный принцип работы тиристора и схем на его основе — открываем тиристор подачей сигнала на управляющий электрод, закрываем снижая ток анод-катод.

Как и в биполярном транзистор главную роль в принципе действия играют неосновные носители заряда (ННЗ) и обратно-смещенный p-n- переход. Пока неосновных носителей мало переход закрыт, но стоит подкинуть ННЗ к переходу и он откроется. В тиристоре есть два основных способа добавить ННЗ: 1) закачать ток в управляющий электрод; 2) поднять напряжение настолько чтобы возник лавинный пробой.

10.5. Сравнение полевых и биполярных транзисторов

Полевые и биполярные транзисторы выполняют одинаковые функции: работают в схеме или в качестве линейного усилителя, или в качестве ключа. Ниже (табл. 10.4) приводится краткое обобщающее сравнение этих двух типов транзисторов.

Управляемый физический процесс – инжекция неосновных носителей заряда: изменяется ток управления – изменяется поток инжектированных носителей заряда, что приводит к изменению выходного тока

Управляемый физический процесс – эффект поля, вызывающий изменение концентрации носителей заряда в канале: изменяется управляющее напряжение – изменяется проводимость канала, что приводит к изменению выходного тока

Выходной ток обеспечивается носителями обоих знаков (дырками и электронами)

Выходной ток обеспечивается основными носителями одного знака (или дырками, или электронами)

Прибор управляется током, так как на входе имеется прямосмещенный pn

— переход и входное сопротивление мало

Прибор управляется напряжением; входное сопротивление очень большое, так как входная цепь от выходной изолирована обратносмещенным pn

— переходом или слоем диэлектрика

При управлении от интегральных схем требуется дополнительное усиление тока

Возможно непосредственное управление от интегральных схем

Относительно небольшой коэффициент усиления по току

Очень большой коэффициент усиления по току

Необходимость специальных мер по повышению помехоустойчивости

Низкая теплостойкость: с увеличением тока растет температура структуры, что приводит к большему увеличению тока

Высокая теплостойкость: рост температуры структуры приводит к увеличению сопротивления канала, и ток уменьшается

Высокая вероятность саморазогрева и вторичного пробоя

Низкая вероятность саморазогрева и вторичного пробоя

Высокая чувствительность к токовым перегрузкам

Низкая чувствительность к токовым перегрузкам

Необходимость выравнивания токов в параллельном соединении приборов

Равномерное распределение тока в параллельном соединении приборов

Проведенное сравнение показывает, что в дискретных электронных устройствах полевые транзисторы в ряде применений предпочтительнее биполярных. Во-первых, управляющая цепь полевых транзисторов потребляет ничтожную энергию, так как входное сопротивление этих приборов очень велико. Как правило, усиление мощности и тока в полевых транзисторах много больше, чем в биполярных. Во-вторых, вследствие того, что управляющая цепь изолирована от выходной цепи, значительно повышаются надежность работы и помехоустойчивость схем на полевых транзисторах. В-третьих, полевые транзисторы имеют низкий уровень собственных шумов, что связано с отсутствием инжекции и свойственных ей флюктуаций. Наконец, в-четвертых, полевые транзисторы, вообще говоря, обладают более высоким собственным быстродействием, так как в них нет инерционных процессов накопления и рассасывания носителей заряда.

Однако полевые транзисторы имеют и недостатки. Вследствие относительно высокого сопротивления канала в открытом состоянии падение напряжения на открытом полевом транзисторе заметно больше, чем падение напряжения на насыщенном биполярном транзисторе. Этот недостаток усугубляется еще и тем, что температурная зависимость сопротивления канала сильнее, чем зависимость от температуры напряжения насыщения биполярного транзистора.

Урок 7.1. Полевой транзистор. Первое знакомство.

Ну вот и случилось чудо, наконец я дозрел выложить долгожданную статью iEugene0x7CA про полевой транзистор. Материала получилось достаточно много, поэтому, для адекватного последовательного усвоения, разбил его на несколько частей. Также, внес некоторые корректировки и добавил свой пример (пример автора приберег для следующей статьи), надеюсь он простит меня за это ?

Итак, начнем с самого начала! Что же это такое?! :О Вероятно вы узрели в названии слово «транзистор»! Да-да, он делает примерно то же, что и биполярный! Это аппарат, при помощи которого можно коммутировать электрический ток при помощи… Вы угадали, электрического тока! Но почему же тогда этот транзистор называется полевым? В поле чтоли растет? И зачем он вообще нам? Мы тут во всю биполярными пользуемся, а вы нам фигню какую-то подсунуть хотите, сударь! Чем биполярный плох?!

Ладно-ладно, замучил вас вопросами, исправляюсь! Мы рассматриваем самый полезный для цифровика тип транзистора- MOSFET! Плох биполярный транзистор, необходимостью поддержания базового тока, и если у маломощных транзисторов с этим проблем нету (у них коэффициент усиления достигает сотен порядков), то у более мощных собратьев коэффициент усиления значительно падает (десятки порядков). Например, нам нужно управлять током 5А, коэффициент усиления 10, значит базовый ток, примерно 500мА, т.е. для поддержания таких зверей открытыми нам банально не хватит тех 30 мА, что выдает нам ножка МК. Допустим, мы уже знаем, что МК не сможет коммутировать 5А через биполяр… А что, если нужно управлять токами в 30, в 50А? К примеру надо управлять каким-нибудь мощным электромотором, соленоидом, или электромагнитом! Что же нас спасет?! Тут то на сцену и выходит MOSFET!

Первые буквы в названии (metall oxide semiconductor) уже сообщают нам о его основном достоинстве- об изолированности затвора. Никакой ток через него не течет, просто подтянул к нему потенциал и можно радоваться жизни, смотреть, как ножка МК может крутить токи под 50А! Но… Везде есть но, да? Все просто, да не на столько… Но мы ведь заинтересовались, правда? Хотите себе в поделку такой крутой транзистор? Тогда читаем дальше!

Для начала стоит запомнить, что ножки у полевого транзистора (рассматриваем N-канальный полевик, аналог NPN биполяра) называются иначе, хотя функции у них те же:
1. Gate (затвор) — управляющая ножка, аналог базы.
2. Drain (сток)- ножка, куда втекает ток, аналог коллектора.
3. Source (исток)- из нее ток вытекает, аналог эмиттера.

Основные параметры полевых транзисторов:

1. Напряжение пробоя сток-исток.
В даташите обозначается Vds, очевидно, это Voltage между drain и source, до которого MOSFET может нормально функционировать, если его превысить, между ножками D и S образуется КЗ, транзистор будет пробит. Что интересно, большая часть полевиков пробиться может без каких-либо для них последствий, главное, чтобы ток при этом не превысил предельного значения Id. После спадения напряжение он продолжит функционировать, как будто бы ничего и не случалось. В даташите эта фича описана строкой Fully Avalanche Rated. Напряжения между D-S у полевиков обычно лежат в пределах 40-600В.

2. Напряжение пробоя затвор-исток.
Vgs, тут все уже не так славно, как со стоком-истоком… Дело в том, что изолирован затвор слоем оксида, и если он пробьется- это уже навсегда, ничего там не восстановится. После этого MOSFET придет в негодность. Типичное значение напряга между затвором и истоком — 20В, иногда 30В. Лучше постараться не превышать этот предел, а еще лучше поставить супрессор между ножками G-S на 18В, дабы в случае всплеска тот травил иголки на землю.

3. Емкость затвора.
Забегаем на перед, да! Затвор- это образно кусок фольги, который лежит на полупроводнике, и от которого отделен диэлектриком. Ничего не напоминает? Да это же получается плоский конденсатор! А у каждого конденсатора есть емкость. Хотя в приложениях вроде «коммутируем электромагнит!» этот параметр весьма безобиден, в ВЧ схемах он становится настоящей засадой, и где чем он меньше- тем лучше. Для сигнальных MOSFET он составляет сотни пФ, для средних около 1 нФ, для силовых под 2-6 нФ!

4. Сопротивление сток-исток от напряжения на затворе(зависимость).
Думали, подтянем к затвору любое напряжение, например 1В, и дело в шляпе? Сможем коммутировать 50А? А вот как бы не так! Как еще говорится «биполяры управляются током, а полевики напряжением!», доля правды в этом есть. Но… Разве я не говорил, что это полезный транзистор для цифровика? В линейном режиме MOSFET почти никто не использует, наоборот это паразитный режим, нам нужны только 1 и 0, т.е. полностью открыт или полностью закрыт. Это значит, что полезно нам лишь значение RdsON, т.е. максимально низкое сопротивление сток-исток, когда на затворе не 1, не 2, а желательно не менее 12В, лучше даже 15!
Значение RdsON есть в даташите, и сильно зависит от Vds. Чем Vds выше, тем выше RdsON. По этому нельзя ставить высоковольтные MOSFET в низковольтные сильноточные схемы, они будут представлять собой уже не КЗ(в открытом состоянии), а резистор, а резисторы имеют свойство нагреватся. Нам же это не надо, правда?
Типичное значение RdsON- 100 мОм для 500В полевика и 5 мОм для хорошего низковольтного.

Есть еще масса параметров, вроде емкости между ножками(десятки пФ), индуктивности ножки внутри корпуса(единицы нГн), но это уже для профи и ВЧ резонансных схем, нам для знакомства это пока не нужно.
Так же стоит заметить, что параметры «Absolyte maximum» не являются номинальными, они предельные! То есть, если в даташите указано, что Id кристалла= 110А, это не означает, что кристалл сможет через себя их пропустить, это означает, что при 110А он взорвется. Ток можно пускать любой, но не выше этого значения.

Итак, параметры мы уже знаем, но как управлять им? Как мы уже упоминали, затвор вроде как изолирован, и что у него есть емкость, и что он представляет собой конденсатор… Одна обладка- это затвор, а вторая как бы подключена к ножке исток. Работать с MOSFET в принципе очень просто, зарядил этот внутренний конденсатор- транзистор открылся! Разрядил куда-нибудь- транзистор закрылся! Хе-хей! Кроме тока на эту зарядку больше ничего не требуется, не нужно, как в биполяре, постоянно поддерживать ток базы. Раз зарядил, и свободен! Транзистор будет оставаться открытым хоть 100 лет и ничего при этом не потреблять, пока конденсатор заряжен. Это его основное преимущество.

В качестве примера, использована лампочка на 12В, 0.1А. Как и у биполярного транзистора к затвору подключены два резистора: R1 подтягивает к затвор к земле, чтобы транзистор был наверняка закрыт, когда напряжение не подается. R2 необходим для ограничения тока зарядки, при включении транзистора. Довольно интересный момент это падение напряжения на И-С транзисторе, при текущем токе нагрузки оно составляет 2.1мВ, т.е. мощность выделяемая транзистором P=U*I=0.1*0.0021=0,00021Вт. Достаточно мало.

Теперь поэксперементируем, представим себе нагрузку в 10А, при том же напряжении:

Падение напряжения увеличилось, P=10*0,211=2,1Вт это уже достаточно существенно.

Поэкспериментируем еще — увеличим напряжение затвора до 15В.

P=10*0,168=1,68Вт Получается, что при одном и том же токе нагрузки, транзистор может греться на

20% меньше, что не может не радовать.

В следующий раз, мы рассмотрим использование полевого транзистора, на примере регулятора оборотов двигателя.

Самый мощный полевой транзистор

Москатов Е. А. Книга «Электронная техника. Начало»

5. Полевые транзисторы

5.1. Общие сведения о полевых транзисторах

Полевым транзистором именуют такой компонент, через который под влиянием продольного электрического поля протекает ток, обусловленный движением носителей заряда сугубо одного типа. Так как принцип действия полевых транзисторов основан на перемещении основных носителей заряда одного типа проводимости, такие компоненты ещё называют униполярными.

Затвором называют вывод полевого транзистора, к которому подводят напряжение от устройства управления. Следует подчеркнуть, что управление полевыми транзисторами осуществляют напряжением, а биполярными транзисторами – током. Истоком именуют вывод, который обычно служит источником поступления в транзистор носителей заряда от устройства электропитания. Стоком называют вывод компонента, через который носители заряда покидают транзистор. Перемещение основных носителей заряда от истока к стоку происходит по области, которая носит название канала полевого транзистора. Каналы у полевых транзисторов могут быть как электронного, так и дырочного типов проводимостей. Носителями заряда в полевых транзисторах n-типа выступают электроны, а в приборах p-типа – дырки. Полевые транзисторы классифицируют на приборы с управляющим переходом и с изолированным затвором, причём последние подразделяют на транзисторы со встроенным каналом и приборы с индуцированным каналом.

К основным параметрам полевых транзисторов причисляют входное сопротивление, внутреннее сопротивление транзистора, также называемое выходным, крутизну стокозатворной характеристики, напряжение отсечки и другое. Входное сопротивление транзистора – это отношение приращения напряжения затвор-исток и приращению тока затвора. Внутреннее сопротивление транзистора – это отношение приращения напряжения сток-исток к приращению тока стока при заданном напряжении затвор-исток. Крутизна стокозатворной характеристики – это отношение приращения тока стока к приращению напряжения затвор-исток при фиксированном напряжении сток-исток.

5.2. Полевые транзисторы с управляющим переходом

5.2.1. Конструкция полевых транзисторов с управляющим переходом

Первый полевой транзистор с управляющим переходом теоретически были рассчитан Уильямом Шокли в 1952 году. Одна из разновидностей таких транзисторов – унитрон – представляет собой полупроводниковую пластину дырочного или электронного типов проводимостей. На её торцы наносят токопроводящие плёнки, к которым подключают выводы стока и истока, а широкие грани легируют для получения противоположного типа проводимости относительно проводимости пластины и подсоединяют к этим граням вывод затвора. Другая разновидность полевых транзисторов с управляющим переходом – текнетрон – может быть образован, например, стержнем из германия, к торцам которого подсоединяют выводы истока и стока, а вокруг стержня внесением индия выполняют кольцеобразный затвор.

Упрощённая конструкция полевого транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа проводимости изображена на рис. 5.1.

Из рисунка видно, что канал возникает между двумя p-n переходами. Конструкция компонентов с каналом n-типа не имеет отличий от конструкции полевых транзисторов с каналом p-типа, что видно на рис. 5.2.

Но в полевых транзисторах с каналом n-типа полупроводник, в котором возникает канал, обладает электронным типом проводимости, а области затвора имеют дырочную проводимость. Полевые транзисторы с каналом n-типа могут обладать лучшими частотными и температурными свойствами и образовывать шумы меньшей амплитуды, чем приборы с каналом p-типа.

5.2.2. Принцип действия полевых транзисторов с управляющим переходом

Принцип действия полевых транзисторов с управляющим переходом заключён в изменении площади сечения канала под воздействием поля, возникающего при подаче напряжения между затвором и истоком. Упрощённая структура полевого транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа приведена на рис. 5.3.

Пока между затвором и истоком не подано напряжение управления, под воздействием внутреннего поля электронно-дырочных переходов они заперты, сечение канала наиболее велико, его сопротивление низко, и ток стока транзистора максимален. Напряжение затвор-исток, при котором ток стока наиболее велик, называют напряжением насыщения.

Если между затвором и истоком приложить небольшое напряжение, ещё немного закрывающее p-n переходы, то зоны, к которым подсоединён затвор, будут обеднены носителями заряда, размеры этих зон объёмного заряда возрастут, частично перекрывая сечение канала, сопротивление канала возрастёт, и сила тока стока станет меньше. Обеднённые носителями заряда области почти не проводит электрический ток, причём эти области неравномерны по длине пластины полупроводника. Так, у торца пластинки, к которому подключен вывод стока, обеднённые носителями заряда области будут наиболее существенно перекрывать канал, а у противоположного торца, к которому подсоединён вывод истока, снижение площади сечения канала будет наименьшим.

Если приложить ещё большее напряжение между затвором и истоком, то области, обеднённые носителями заряда, станут столь велики, что сечение канала может быть ими полностью перекрыто. При этом сопротивление канала будет наибольшим, а ток стока будет практически отсутствовать. Напряжение затвор-исток, соответствующее такому случаю, именуют напряжением отсечки.

К важнейшим характеристикам полевых транзисторов относят стокозатворную характеристику и семейство стоковых характеристик. Стокозатворная характеристика отражает зависимость силы тока стока от приложенного к выводам затвор-исток напряжения при фиксированном напряжении сток-исток. Это показано на рис. 5.4 для полевых транзисторов с управляющим переходом и каналами p-типа и n-типа проводимостей.

Семейство стоковых характеристик представляет зависимости токов стока от напряжений сток-исток при фиксированных стабильных напряжениях затвор-исток, что изображено на рис. 5.5.

По достижении определённого значительного напряжения сток-исток развивается лавинный пробой области между затвором и стоком. При этом идёт резкое увеличение тока стока, что можно видеть на стоковой характеристике.

Функционирование полевых транзисторов с управляющим переходом возможно сугубо путём обеднения канала носителями заряда. В связи с тем, что напряжение сигнала прикладывают к закрытому переходу, входное сопротивление каскада велико и для рассмотренных выше приборов может достигать 10 9 Ом.

5.3. Полевые транзисторы с изолированным затвором

Полевой транзистор с изолированным затвором потому носит такое название, что его затвор, выполненный из тонкого металлического покрытия, нанесён на диэлектрический слой, который отделяет затвор от канала. По этой причине полевые транзисторы с изолированным затвором имеют аббревиатуру МДП (металл – диэлектрик – полупроводник). Слой диэлектрика часто образуют двуокисью кремния. Такие полевые транзисторы носят аббревиатуру МОП (металл – оксид – полупроводник). Полевые транзисторы с изолированным затвором имеют большее входное сопротивление, достигающее 10 15 Ом, чем полевые транзисторы с управляющим переходом.

5.3.1. Полевые транзисторы со встроенным каналом

Структура полевого транзистора со встроенным каналом n-типа проводимости дана на рис. 5.6.

Приложим от источника питания постоянное напряжение между выводами сток-исток. Пока напряжение затвор-исток отсутствует, канал обладает некоторым сопротивлением, по нему двигаются основные носители заряда, а, следовательно, протекает некоторый ток стока транзистора. Если к выводам затвор-исток транзистора с каналом n-типа подключить источник питания так, чтобы на затвор было подано напряжение положительной полярности, то неосновные носители заряда, присутствующие в подложке, будут втянуты электрическим полем в канал. Концентрация носителей заряда в канале возрастёт, его сопротивление станет меньше, а, значит, ток стока станет больше. Если подключить источник питания обратной полярностью так, чтобы на затвор было подано отрицательное напряжение относительно истока, то электроны, присутствующие в канале, под действием поля будут вытеснены в подложку. При этом концентрация носителей заряда в канале станет ниже, сопротивление канала возрастет, и ток стока станет меньше. Если запирающее напряжение затвор-исток будет столь велико, что практически все носители заряда будут оттеснены в подложку, то ток стока станет почти отсутствовать. Стокозатворные характеристики полевых транзисторов со встроенным каналом n-типа и p-типа проводимостей приведены на рис. 5.7.

Заключим, что полевые транзисторы со встроенным каналом функционируют как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения канала.

5.3.2. Полевые транзисторы с индуцированным каналом

Структура полевого транзистора n-типа проводимости с индуцированным каналом представлена на рис. 5.8.

Когда напряжение затвор-исток полевого транзистора, изображённого на рисунке, отсутствует, либо к затвору приложено напряжение отрицательной полярности, канал не возникает и ток стока транзистора не течёт. Когда на затор транзистора подано напряжение положительной полярности относительно истока, возникнет электрическое поле, втягивающее в область под затвором электроны, которые находились в подложке на правах неосновных носителей заряда. А дырки из канала полем будут оттеснены в подложку, обладающую p-типом проводимости. Концентрация электронов в локальном участке полупроводника под затвором между стоком и истоком возрастает относительно концентрации дырок, то есть имеет место смена типа проводимости и возникает, или как говорят, индуцируется, канал. В результате происходит движение носителей заряда по каналу, и течёт ток стока. Стокозатворные характеристики полевых транзисторов с индуцированным каналом p-типа и n-типа проводимостей даны на рис. 5.9.

Сделаем вывод, что полевые транзисторы с индуцированным каналом функционируют сугубо в режиме обогащения канала носителями заряда.

5.4. Режимы работы полевых транзисторов

5.4.1. Динамический режим работы транзистора

Динамическим режимом работы называют такой режим, в котором к транзистору, который усиливает входной сигнал, подключена нагрузка. Такой нагрузкой может служить резистор Rс, подсоединённый последовательно со стоком полевого транзистора, включённого по схеме с общим истоком, что показано на рис. 5.10.

Постоянное напряжение питания каскада Uп составляет сумму падений напряжений на выводах сток-исток транзистора и на резисторе Rс, то есть Uп = URс + Uси.р. В тоже время, согласно закону Ома, падение напряжения на нагрузочном резисторе Rс равно произведению протекающего по нему тока Iс.р на его сопротивление: URс = Iс.р • Rс. Согласно сказанному, напряжение питания каскада составляет: Uп = Uси.р + Iс.р • Rс. Последнее выражение можно переписать относительно напряжения сток-исток транзистора, и в этом случае получим линейную формулу для выходной цепи Uси.р = Uп – Iс.р • Rс, которую именуют уравнением динамического режима.

На выходных статических характеристиках транзистора для получения представления о режимах работы каскада строят динамическую характеристику, имеющую форму линии. Рассмотрим рисунок 5.11, на котором изображена такая динамическая характеристика усилительного каскада.

Чтобы провести эту линию, которую ещё называют нагрузочной прямой, необходимо знать две координаты точек, соответствующих напряжению питания каскада и току стока в режиме насыщения. Эта нагрузочная прямая пересекает семейство выходных статических характеристик, а точка пересечения, которую называют рабочей, соответствует определённому напряжению затвор-исток. Зная положение рабочей точки, можно вычислить некоторые ранее не известные токи и напряжения в конкретном устройстве.

5.4.2. Ключевой режим работы транзистора

Ключевым называют такой режим работы транзистора, при котором он может быть либо полностью открыт, либо полностью закрыт, а промежуточное состояние, при котором компонент частично открыт, в идеале отсутствует. Мощность, которая выделяется в транзисторе, в статическом режиме равна произведению тока, протекающего через выводы сток-исток, и напряжения, приложенного между этими выводами.

В идеальном случае, когда транзистор открыт, т.е. в режиме насыщения, его сопротивление межу выводами сток-исток стремится к нулю. Мощность потерь в открытом состоянии представляет произведение равного нулю напряжения на определённую величину тока. Таким образом, рассеиваемая мощность равна нулю.

В идеале, когда транзистор закрыт, т.е. в режиме отсечки, его сопротивление между выводами сток-исток стремится к бесконечности. Мощность потерь в закрытом состоянии есть произведение определённой величины напряжения на равное нулю значение тока. Следовательно, мощность потерь равна нулю.

Выходит, что в ключевом режиме, в идеальном случае, мощность потерь транзистора равна нулю. На практике, естественно, когда транзистор открыт, присутствует некоторое небольшое сопротивление сток-исток. Когда транзистор закрыт, по выводам сток-исток протекает ток небольшой величины. Таким образом, мощность потерь в транзисторе в статическом режиме мала. Однако в динамическом режиме, когда транзистор открывается или закрывается, его рабочая точка форсирует линейную область, в которой ток через транзистор может условно составлять половину максимального тока стока, а напряжение сток-исток может достигать половины от максимальной величины. Таким образом, в динамическом режиме в транзисторе выделяется огромная мощность потерь, которая свела бы на нет все замечательные качества ключевого режима, но к счастью длительность нахождения транзистора в динамическом режиме много меньше длительности пребывания в статическом режиме. В результате этого КПД реального транзисторного каскада, работающего в ключевом режиме, может быть очень высок и составлять до 93% – 98%.

Работающие в ключевом режиме транзисторы широко применяют в силовых преобразовательных установках, импульсных источниках электропитания, в выходных каскадах некоторых передатчиков и пр.