MOSFET-транзистор

РАДИОкомпоненты

MOSFET-транзистор

1. «Это было недавно, это было давно…»
В 70-80-е годы я довольно много паял и делал разные радиоконструкции. Однако достать полевые транзисторы в те времена не было почти никакой возможности. Именно – достать, потому что покупать радиодетали оказывалось довольно накладно для семейного бюджета. Тем не менее, несколько штук из серий КП102-103 и КП302-303, новых, непаянных, я достать умудрился. КП303, например, я применял в усилителе С. Филина (см. статью «Мои усилители НЧ» в разделе «РАДИОзвук» или журнал «РАДИО», №8, 1980 г., с. 52), КП102-103 ставил в предварительных усилителях, корректорах и темброблоках. Но транзисторов было мало и практических конструкций с ними создано было всего несколько. С тех пор довольно много воды утекло. Был период, когда по разным причинам, я отошёл от практической радиотехники. В большой степени это было связано с поголовным внедрением компьютерной грамотности, увлечением компьютерами, программами и программированием. Да и поддерживать высшую категорию преподавателя информатики в течение 20 лет было, иногда, совсем не просто. С некоторых пор меня меньше стали интересовать и занимать эти проблемы. Я вернулся к практической радиотехнике (жена говорит: впал в молодость; а может, не так это уж и плохо? думается, лучше, чем впадать в старость!). Кое-что паяю, кое-какие проекты реализую со студентами, кое к чему приобщаю внука. Короче, это моё занятие для души.
Демонтируя различные блоки, узлы, платы электронных устройств, идентифицируя компоненты, я наткнулся на транзисторы, которые оказались «MOSFET’ами». Позже, купив сварочный инвертор, я прочитал в инструкции, что в нём также используется мощный MOSFET-транзистор. До сих пор я не пытался как-то систематизировать (не на шибко высоконаучном уровне) информацию о них. А сейчас, создаётся такое впечатление, настало время. Я не претендую на оригинальность, а предлагаю свой подход к теме.
Примечание: вопрос о полевых транзисторах слегказатрагивался в статье «Транзисторы» в этом же разделе.

2. Строение, терминология, обозначения
Когда я спросил у специалиста-электронщика, что такое «MOSFET-транзистор», он мне сказал: ничего особенного, обычный полевой транзистор. Я удивился: как это «обычный», ежели с ним столько всего можно сделать, о чём раньше (когда и были «обычные», в моём понимании, полевые транзисторы) и вообразить было невозможно!

Вот «обычный»полевой транзистор – с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа:

n-канал означает электронную проводимость, р – дырочную.
Выводы транзистора называются: Исток (Source), Затвор (Gate) и Сток (Drain).
Ниже схематически представлена 2D-структура полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналомn-типа:

Затвор изолирован, потому что между ним и каналом имеет быть слой диэлектрика – диоксид кремния SiO2. За счёт изоляции затвора (по сути, здесь находится конденсатор!) у транзистора очень высокое входное сопротивление – до 10 в 17-ой Ом). Полевые транзисторы такого типа называют МДП-транзисторами (металл – диэлектрик - полупроводник) или МОП-транзисторами (металл – окисел - полупроводник). Так оно по-русски.
По-буржуйски – MOSFET-транзисторы. Здесь расшифровка длиннее :MOSFET– это сокращение от двух английских словосочетаний: Metal-Oxide-Semiconductor (металл – окисел – полупроводник) и Field-Effect-Transistors (транзистор, управляемый электрическим полем).
Как говорится, из вышеизложенного следует, что MOSFET – это обычный МОП- или МДП-транзистор. Вот что имел в виду элетронщик! Наверное, для него это само собой разумеющееся. Но мне-то было непонятно.
Таким образом, вся кучка аббревиатур и сокращений типа «MOSFET», «МОП», «МДП», даже«MOS» или «мосфет» обозначает полевой транзистор с изолированным затвором.

Примечание. Упрощённо внутреннюю структуру транзисторов можно представить по-разному (см. картинки в Интернете). Здесь показан один из возможных вариантов. Но реальные транзисторы имеют гораздо более сложное строение.

Итак, в показанном выше MOSFET-транзисторе физически существует канал (n- или р-типа), он ВСТРОЕН.
Но имеются MOSFET-транзисторы, в которых изначально (реально, физически) этого канала нет!
Ниже схематически представлена 2D-структура полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом n-типа:

Важно понять, что изначально канала в транзисторе НЕТ, а есть возможность его создать при определённых условиях. Канал проводимости возникает, наводится, индуцируется, ежели некоторым образом приложить напряжение. Посмотрев, например, в Интеренете достаточное количество схем с МОСФЕТами, легко обнаружить, что в них чаще всего используются транзисторы с индуцированным n-каналом.

Обозначения на схемах:

Среди этого многообразияс индуцированным (или инверсным) каналом – «это MOSFET enhancement mode».

3. Что в них хорошего? …и плохого?
Полевые транзисторы практически вытеснили биполярные в ряде применений. О биполярных см. статью «Транзисторы» в этом же разделе.

Основные «+»ы:
- исключительно малый расходэнергии, посколькутранзисторы практически не потребляют входного токаиз-за очень высокого входного сопротивления;
- у полевых транзисторов усиление по току много выше, чем у биполярных;
- у полевых транзисторов значительно выше помехоустойчивость и надежность работы, потому что из-за отсутствия тока через затвор транзистора, управляющая цепь сего стороны изолирована от выходной цепи со стороны стока и истока;
- у полевых транзисторов на порядок выше скорость перехода между состояниями проводимости и непроводимости, поэтому они могут работать на более высоких частотах, чем биполярные.

Основные «-»ы:
- структура полевых транзисторов начинает разрушаться при меньшей температуре (≈150°С), чем структура биполярных транзисторов (≈200°С);
- несмотря на то, что полевые транзисторы потребляют намного меньше энергии, по сравнению с биполярными, при работе на высоких частотах ситуация резко меняется: на частотах выше ≈1,5 ГГц, потребление энергии у MOSFET-транзисторов начинает возрастать по экспоненте. Именно поэтому скорость процессоров перестала стремительно расти, и их производители перешли к «многоядерности»;
- при изготовлении мощных MOSFET-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 p-n-переход внутри него начал проводить).Однако, при быстром скачке напряжения между стоком и истоком полевого транзистора, паразитный транзистор может случайно открыться, в результате чего, вся схема выйдет из строя.
- важнейшим недостатком полевых транзисторов является их чувствительность к статическому электричеству. Слой диэлектрика на затворе очень тонкий и даже невысокого напряжения бывает достаточно, чтоб его пробить. Одним из методов борьбы «со статикой» и является закорачивание истока с подложкой, а также их заземление – это было показано выше. Во многих моделях MOSFET-транзисторовс этой же целью используют специально встроенный диод между стоком и истоком.

Примечание. На схемах часто изображают этот диод как обычный, хотя на самом деле это диод Шоттки. В некоторых случаях его даже не изображают вообще. В связи с этим настоятельно рекомендую смотреть Datasheet’ы.

4. Как они работают
Транзисторы называются ПОЛЕВЫМИ потому, что в них сила протекающего тока Iси управляется (регулируется) электрическим ПОЛЕМ, точнее его величиной – напряжённостью E, с которой (из школьной физики известно) связано напряжение U. Ток протекает через канал. Какого типа канал – n или р – не имеет значения, поскольку с этим связана полярность приложенного напряжения и направление тока. Управляющее напряжение прикладывается к затвору. Ток через полевой транзистор представляет собой упорядоченное движение либо только электронов (если канал n-типа), либо дырок (если канал р-типа). В связи с этим полевые транзисторы иногдаещё называют униполярными.

Рассмотрим работу МОП-транзистора с индуцированным каналом n-типа в «чистом» виде, т.е. без закорачиваний и дополнительных «примочек».
Если подать напряжение любой полярности между Стоком и Истоком, то электрический ток не пойдет, поскольку между зонами N+ есть область P, не пропускающая электроны, да и канала проводимости ещё нет.

Но если на Затвор подать положительное напряжение относительно Истока Uзи, возникнет электрическое поле. Оно будет выталкивать дырки из зоны р в сторону подложки. В результате вблизи Затвора концентрация дырок начнет уменьшаться, а концентрация электронов – возрастать, и возникает область, насыщенная (обогащённая) электронами.
Когда Uзи достигнет определённого порогового значения, концентрация электронов в области Затвора превысит концентрацию дырок. Между Стоком и Истоком возникнет (индуцируется) 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, а сам транзистор называют «MOSFET-транзистором с обогащённым каналом». Обогащение происходит за счёт повышения концентрации электронов – свободных носителей электрического заряда в проводящем канале. Растёт поперечное сечение проводящего канала, растёт ток, величина которого (как известно из школьной физики) прямо пропорциональна площади поперечного сечения проводника. Отчасти, именно поэтому MOSFET-транзисторы могут пропускать весьма значительные токи.
Концентрация электронов увеличивается как при увеличении Uзи, так и при увеличении Uси, значит, возрастает ток Iси. Эти зависимости отражают вольт-амперные характеристики (ВАХ):

Из них видно, что величина Iси:
1а) тем больше, чем больше Uси – область насыщения;
2а) на некотором участке слабо возрастает при увеличении Uси – это активная область;
3а) резко возрастает после определённого значения Uси – канал превращается в обычный проводник; это область пробоя, что ведёт к необратимым последствиям – транзистор выходит из строя;
4б) начинает расти при определённом пороговом значении Uзи и устремляется, казалось бык бесконечности, с ростом Uзи, но нет – наступает пробой и транзистор выходит из строя.

Маленькое нелирическое отступление. Такова элементарная физика работы MOSFET-транзистора с индуцированнымn-каналом. Конечно же, реальные процессы гораздо сложнее и труднее в понимании. Но часто упрощённая физическая модель ведет к правильному пониманию довольно сложных реальных процессов. Вспомним, например, идеальный газ, описание процессов в котором помогло значительно продвинуться в понимании физики реальных газов.

5. Примеры применения
5.1. В микросхемах разной степени интеграции, включая процессоры и микросхемы памяти. Ниже показаны схемы логических элементов и один из возможных видов микросхемы, содержащей несколько подобных элементов:

5.2. В блоках питания электронной аппаратуры (компьютеров, принтеров, мониторов, телевизоров и прочего):

5.3. В усилителях мощности звуковой (и не только) частоты:

5.4. В устройствах управления электродвигателями:

5.5. В электронных силовых ключах:

5.6. В преобразователях напряжения (инверторах):

Общую картину применения MOSFET-транзисторов можно представить так:

6. Но и это ещё не предел!
МДП-транзисторы в чём-то превосходят биполярные, а в чём-то уступают им. В связи с этим сравнительно недавно появился новый тип транзистора – биполярный с изолированным затвором.

Входные характеристики этих транзисторов подобны входным характеристикам полевых, а выходные – выходным характеристикам биполярных. Транзисторытакого типа получили аббревиатуру IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). По быстродействию они значительно превосходит биполярные транзисторы (время включения 0,2 - 0,4 мкс, а время выключения 0,2 - 1,5 мкс). Чаще всего IGBT-транзисторы используют в качестве мощных ключей, у которых коммутируемые напряжения достигают 3,5 кВ, а токи 1200 А.
Примеры:

НАЗАД на страницу РАДИОбиблиотека