Полевые транзисторы для чайников: что такое МОП и MOSFET

Что такое транзистор?

В современном понимании транзистор — это полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им. Обычный полупроводниковый триод имеет три вывода: базу, на которую подаются управляющие сигналы, эмиттер и коллектор. Существуют также составные транзисторы большой мощности.

Масштабы размеров полупроводниковых приборов ошеломляют: от нескольких нанометров (некорпусные элементы, используемые в микросхемах) до сантиметров в диаметре для мощных транзисторов, предназначенных для электростанций и промышленного оборудования. Обратные напряжения промышленных триодов могут достигать 1000 В.

Устройство

Конструктивно триод состоит из полупроводниковых слоев, заключенных в оболочку. Полупроводники — это материалы на основе кремния, германия, арсенида галлия и других химических элементов. В настоящее время ведутся исследования по подготовке некоторых типов полимеров и даже углеродных нанотрубок на роль полупроводниковых материалов. Судя по всему, в ближайшее время нам станут известны новые свойства графеновых полевых транзисторов.

Раньше полупроводниковые кристаллы размещались в металлических ящиках в виде трехлапых шляп. Такая конструкция была типичной для точечных транзисторов.

Сегодня конструкции большинства планарных полупроводниковых приборов, в том числе и кремниевых, выполняются на основе монокристалла, легированного в определенных частях. Их запрессовывают в пластиковые, стеклометаллические или металлокерамические оболочки. Некоторые из них имеют выступающие металлические пластины для отвода тепла, которые крепятся на радиаторах.

Электроды современных транзисторов расположены в ряд. Такое расположение ножек удобно для автоматического монтажа досок. Клеммы на корпусах не обозначены. Тип электрода определяют по справочникам или измерениям.

Для транзисторов используются полупроводниковые кристаллы с различной структурой, например pnp или npn. Отличаются они полярностью напряжения на электродах.

Схематически структуру транзистора можно представить в виде двух полупроводниковых диодов, разделенных дополнительным слоем. (См рис. 1). Именно наличие этого слоя позволяет управлять проводимостью полупроводникового триода.

Рис. 1. Строение транзисторов

На рис. 1 схематически изображена структура биполярных триодов. Есть еще один класс полевых транзисторов, о котором пойдет речь ниже.

Базовый принцип работы

В состоянии покоя между коллектором и эмиттером биполярного триода ток не течет. Возникающее в результате взаимодействия слоев сопротивление эмиттерного перехода препятствует прохождению электрического тока. Для включения транзистора требуется подать небольшое напряжение на его базу.

На рис. 2 показана схема, поясняющая принцип работы триода.

Рис. 2. Принцип работы

Управляя базовыми токами, можно включать и выключать устройство. Если на базу подать аналоговый сигнал, он изменит амплитуду выходных токов. В этом случае выходной сигнал будет в точности повторять частоту колебаний на основном электроде. Другими словами, будет происходить усиление электрического сигнала, поступившего на вход.

Поэтому полупроводниковые триоды могут работать в режиме электронных ключей или в режиме усиления входных сигналов.

Работу устройства в режиме электронного ключа можно понять из рисунка 3.

Рис. 3. Триод в ключевом режиме

Обозначение на схемах

Общепринятое обозначение — «VT» или «Q», за которым следует позиционный индекс. Например, ВТ 3. На старых схемах можно встретить устаревшие обозначения: «Т», «ПП» или «ПТ». Транзистор представлен в виде символических линий, обозначающих соответствующие электроды, обведенные или не обведенные. Направление тока в эмиттере указано стрелкой.

Виды транзисторов

По принципу действия и конструкции полупроводниковые триоды различают:

• сельская местность;
• биполярный;
• задавать.

Эти транзисторы выполняют одинаковые функции, но есть отличия в принципе их работы.

Полевые

Этот тип триода еще называют однополярным из-за электрических свойств: в них ток только одной полярности. По устройству и типу управления эти устройства делятся на 3 типа:

1. Управляющие транзисторы с p-n переходом (рис. 6).
2. С изолированным затвором (есть со встроенным каналом или с индуктивным каналом).
3. МДП, со структурой: металл-диэлектрик-проводник.

Отличительной особенностью изолированного затвора является наличие диэлектрика между ним и каналом.

Детали очень чувствительны к статическому электричеству.

Схемы полевого триода показаны на рис. 5.

Рис. 5. Полевые транзисторы

Обратите внимание на название электродов: сток, исток и затвор.

Полевые транзисторы потребляют очень мало энергии. Они могут работать более года с небольшой батареей или аккумулятором. Поэтому они нашли широкое применение в современных электронных устройствах, таких как пульты дистанционного управления, мобильные устройства и т д.

Биполярные

Об этом типе транзисторов много сказано в подразделе «Основной принцип работы». Отметим только, что название «Биполярный» устройство получило из-за возможности пропускать по одному каналу заряды противоположных знаков. Его особенностью является низкий выходной импеданс.

Транзисторы усиливают сигналы и действуют как переключающие устройства. В коллекторную цепь можно включить достаточно мощную нагрузку. Из-за большого тока коллектора сопротивление нагрузки может быть уменьшено.

Комбинированные

Для достижения определенных электрических параметров от использования дискретного элемента разработчики транзисторов изобретают комбинированные конструкции. Среди них:

• биполярные транзисторы со встроенными резисторами и их схема;
• комбинации двух триодов (одинаковых или разных конструкций) в одном корпусе;
• лямбда-диоды — комбинация двух полевых триодов, образующих секцию с отрицательным сопротивлением;
• конструкции, в которых триод с изолированным затвором управляет биполярным триодом (используемым для управления электродвигателями).

Комбинированные транзисторы — это, по сути, элементарная микросхема в едином корпусе.

Что такое полевой транзистор MOS, MOSFET, МОП транзистор?

Как часто вы слышали названия MOSFET, MOSFET, MOS, полевой транзистор, МДП-транзистор, транзистор с изолированным затвором? Все эти слова являются синонимами и относятся к одному и тому же радиоэлементу: MOSFET.

Полное название такого радиоэлемента на английском языке звучит как Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFET), что дословно переводится как Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. Если перевести 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-транзистор и транзистор с изолированным затвором.

Откуда пошло название «МОП»

С точки зрения еды на вашем столе MOSFET будет больше похож на бутерброд. Полупроводник P-типа — толстый кусок хлеба, диэлектрик — тонкий слой колбасы, металлический слой — тонкий ломтик сыра. В итоге получаем вот такой бутерброд.

И какая будет структура транзистора сверху вниз? Сыр — металлическая пластина, колбаса — изолятор, хлеб — полупроводник. Таким образом, мы получаем Металл-Диэлектрик-Полупроводник. А если взять первые буквы каждого названия, то получится МИС — Металл-Диэлектрик-Полупроводник, верно? Это означает, что такой транзистор можно по первым буквам назвать МДП-транзистором. А так как в качестве диэлектрика используется очень тонкий слой оксида кремния (SiO2), можно сказать почти стекло, то вместо названия «диэлектрик» взяли название «оксид, окисел», и получилось Металл-Оксид-Полупроводник , сокращенно МОС. Ну вот теперь все встало на свои места).

Далее по тексту мы условимся называть МОП-транзистор просто полевым транзистором. Было бы проще.

Строение полевого транзистора

Посмотрим еще раз на структуру полевого транзистора.

У нас есть «кирпич» из полупроводникового материала с P-проводимостью. Как вы помните, основными носителями в полупроводнике P-типа являются дырки, поэтому их концентрация намного выше, чем у электронов. Но в полупроводнике P также есть электроны. Как вы помните, электроны в полупроводнике P являются неосновными носителями, и их концентрация очень мала по сравнению с дырками. «Кирпич» полупроводника P называется подложкой. Из подложки выходит одноимённый выход: подложка.

Остальные слои представляют собой материал типа N+, диэлектрический, металлический. Почему N+, а не только N? Дело в том, что этот материал сильно легирован, то есть концентрация электронов в этом полупроводнике очень высока. От полупроводников типа N+, которые расположены по краям, отходят два вывода: исток и сток.

Между истоком и стоком поперек диэлектрика помещается металлическая пластина, откуда идет выход. Этот выход называется затвором. Электрического соединения между затвором и другими штифтами нет. Затвор обычно изолирован от всех выводов транзистора, поэтому полевой МОП-транзистор также называют транзистором с изолированным затвором.

Мы видим, что полевой транзистор в схеме имеет 4 вывода (источник, сток, затвор и подложка), в то время как реальный транзистор имеет только 3 вывода.

В чем хитрость? Что происходит, так это то, что Субстрат обычно связан с Источником. Иногда это делается уже на самом транзисторе на этапе проектирования. В результате того, что Исток подключен к Подложке, мы имеем диод между Стоком и Истоком, который иногда даже не указывается на схемах, но всегда присутствует.

Виды полевых транзисторов

В семействе МОП-транзисторов в основном существует 4 типа:

1) N канал с индуцированным каналом

2) P-канал с индуцированным каналом

3) N-канальный со встроенным каналом

4) Канал P со встроенным каналом

Как вы могли заметить, разница только в самом обозначении канала. При наведенном канале он показан пунктирной линией, а при встроенном канале — сплошной линией.

В современном мире все реже используются полевые транзисторы со встроенным каналом, поэтому в наших статьях мы их рассматривать не будем. Мы будем исследовать только N- и P-канальные полевые транзисторы с одним индуцированным каналом.

Отличие униполярных транзисторов от биполярных

МОП-транзистор управляется электрическим полем, которое создается напряжением, приложенным к затвору относительно истока. Полярность приложенного напряжения определяется типом канала транзистора (пон). В отличие от однополярных биполярных транзисторов, они управляются электрическим током. Ток во всех типах этих полупроводников состоит из двух типов зарядов: электронов и дырок.

Полевые транзисторы (униполярные), в отличие от биполярных транзисторов, имеют меньший собственный шум в области низких частот. Это свойство обеспечивает его эффективную работу в звукоусиливающих устройствах. МОП-транзисторы используются в схемах усилителей низкой частоты в автомобильных плеерах.

Символ на схеме разных типов МОП-транзистора (MOSFET)

Ниже показаны символы различных типов полевых МОП-транзисторов.

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 управляться мощными МОП-транзисторами.
• Высокая скорость переключения МОП-транзистора делает его идеальным выбором для разработки цепей прерывателя.

Принцип работы полевого транзистора

Принцип работы почти такой же, как и в полевом транзисторе с управляющим PN-переходом (JFET). Исток — это терминал, где большинство грузовых перевозчиков начинают свое путешествие, Слив — это терминал, через который они проходят, а Ворота — это терминал, через который мы контролируем поток большинства перевозчиков.

Пусть затвор еще никуда не подключен. Для организации движения электронов через Исток-Сток нам нужен источник энергии Летучая мышь.

Индуцирование канала в МОП-транзисторе

Если подать на затвор некоторое напряжение, в подложке начнутся волшебные превращения. В нем будет наведен канал. Индукция, индукция: буквально означает «индукция», «влияние». Под этим термином понимается возбуждение в объекте какого-либо свойства или деятельности в присутствии возбуждающего предмета (индуктора), но без непосредственного контакта (например, через магнитное или электрическое поле). Последнее выражение для нас имеет более глубокий смысл: «через электрическое поле».

Также стоит помнить, как ведут себя заряды различных знаков. Те, кто не играл в физику за последней партой в морском бою и не плевал шариками бумаги через корпус ручки в своих одноклассников, наверняка помнят, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.

Опираясь на этот принцип, в начале 20 века ученые открыли, где все это можно применить, и создали гениальный радиевый элемент. Оказывается, достаточно подать на Врата положительное напряжение относительно Источника, как под Вратами возникает электрическое поле.

Так как у нас очень тонкий диэлектрический слой, то электрическое поле будет воздействовать и на подложку, в которой дырок гораздо больше, чем электронов, так как в данный момент подложка имеет Р-тип ворота, а отверстия имеют положительный заряд, поэтому одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а разноименные притягиваются.

Дырки отдаляются от затвора, так как одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а электроны, наоборот, пытаются пройти через металлическую пластину затвора, но им мешает диэлектрик, который препятствует их встрече с Вратами и делая потенциал равным нулю. Поэтому электронам ничего не остается, как просто создать «вавилонский столпотворение» вокруг диэлектрического слоя.

Но посмотрите, что случилось!? Исток и сток соединены тонким электронным каналом! Говорят, что такой канал индуцируется за счет электрического поля, создаваемого затвором транзистора.

Так как этот канал соединяет исток и сток, которые сделаны из N+ полупроводника, то у нас есть N-канал.И такой транзистор уже будет называться N-канальным MOSFET.Вы наверное помните,что в проводнике много свободных электронов. Поскольку сток и исток были соединены мостиком из большого числа электронов, этот канал стал проводником электрического тока. Проще говоря, между Истоком и Сливом образовалась «проводка», по которой может протекать электрический ток.

Но это еще не все! Чем сильнее электрическое поле, тем выше концентрация электронов, тем толще канал, следовательно, меньше сопротивление канала! И как усилить поле? Достаточно подать большее напряжение на Затвор! Подавая большее напряжение на затвор с помощью блока питания Bat2, мы увеличиваем толщину канала и, следовательно, его проводимость! Или простыми словами, мы можем изменить сопротивление канала, «поиграв» с напряжением на затворе. Ну ярче некуда!

Работа P-канального полевого транзистора

Выше мы разобрали N-канальный транзистор с якорным каналом. Также есть транзистор P-канальный с якорным каналом. Канал P работает точно так же, как канал N, с той лишь разницей, что дырки будут первичными несущими. В данном случае мы переключили все напряжения в схеме на обратное, в отличие от N-канального транзистора.Честно говоря, P-канальные полевые транзисторы используются реже, чем N-канальные.

Режим истощения МОП-транзистора

Режим истощения встречается гораздо реже, чем режимы усиления без смещения на затвор. То есть канал ведет к нулевому напряжению на затворе, поэтому устройство «нормально закрыто». На схемах сплошной линией обозначен нормально закрытый проводящий канал.

Для n-канального полевого МОП-транзистора отрицательное напряжение затвор-исток отрицательно, оно будет истощать (отсюда и название) проводящий канал своих свободных электронов транзистора. Точно так же для p-канального MOSFET истощение положительного напряжения затвор-исток истощит канал его свободных отверстий, переводя устройство в непроводящее состояние. Но прозвонка транзистора не зависит от того, какой режим работы.

Другими словами, для режима истощения n-канального МОП-транзистора:

1. Положительное напряжение на стоке означает больше электронов и больше тока.
2. Отрицательное напряжение означает меньше электронов и тока.

Обратное верно и для p-канальных транзисторов. Тогда режим истощения MOSFET эквивалентен «нормально разомкнутому» переключателю.

Режим усиления МОП-транзистора

Более распространенным с полевыми МОП-транзисторами является режим повышения, который является обратным режиму истощения. Здесь проводящий канал слегка легирован или даже нелегирован, что делает его непроводящим. Это приводит к тому, что устройство не проводит ток в состоянии покоя (когда напряжение смещения затвора равно нулю). На схемах этот тип МОП-транзистора использует пунктирную линию для обозначения нормально разомкнутого канала изоляции тока.

Для управления N-канальным МОП-транзистором ток стока будет течь только тогда, когда напряжение затвора, приложенное к затвору, превышает пороговое напряжение. Когда на MOSFET n-типа подается положительное напряжение затвора (а именно это, режимы работы, схемы включения, описанные в статье), он притягивает больше электронов в направлении оксидного слоя вокруг затвора, тем самым увеличивая усиление. (отсюда и название) толщины канала, обеспечивающей более свободное протекание тока.

Режимы работы полевого транзистора

Работа полевого транзистора в режиме отсечки

Знакомимся с нашим героем. Наш гость — N-канальный полевой транзистор с одним индуцированным каналом. Судя по гравировке, его зовут IRFZ44N. Пины слева направо: Gate, Drain и Source.

Как мы уже говорили, Врата служат для контроля ширины канала между Сливом и Истоком. Чтобы показать принцип работы, соберем простейшую схему, которая будет управлять интенсивностью яркости лампы накаливания. Так как напряжения на затворе полевого транзистора в это время нет, следовательно, он будет находиться в закрытом состоянии. То есть через лампу накаливания не будет протекать электрический ток.

По идее, для управления яркостью лампы достаточно того, что мы меняем напряжение на Вороте относительно Истока. Поскольку наш полевой транзистор является N-канальным, мы подадим на затвор положительное напряжение. Окончательная схема будет выглядеть так.

Вопрос в другом. Какое напряжение необходимо приложить к затвору, чтобы в цепи сток-исток мог протекать минимальный электрический ток?

Мой блок питания Bat2 выглядит так.

С помощью этого блока питания мы будем регулировать напряжение. Так как это стрелка, правильнее будет измерить напряжение мультиметром.

Собираем все по схеме и подаем на Gate напряжение 1 Вольт.

Лампа не включается. В другом блоке питания (Bat1) есть встроенный амперметр, который показывает, что в цепи лампы накаливания не протекает электрический ток, следовательно, транзистор не открылся. Ладно, добавим напряжения.

И только при 3,5 вольта амперметр на Бат1 показал, что в цепи лампы накаливания появился ток, хотя сама лампа не перегорела.

Такого слабого тока ей просто недостаточно, чтобы заставить светиться вольфрамовую нить. Режим, при котором ток в цепи сток-исток отсутствует, называется режимом отсечки.

Активный режим работы полевого транзистора

В нашем случае при напряжении около 3,5 вольт наш транзистор начинает приоткрываться. Это значение различно для разных типов полевых транзисторов и колеблется в пределах от 0,5 до 5 вольт. В техпаспорте этот параметр называется Gate Threshold Voltage, в переводе с английского языка Gate Threshold Voltage. Обозначается как VGS(th), а в некоторых спецификациях как VGS(to) .

Как видно из таблицы, для моего транзистора это напряжение колеблется от 2 до 4 Вольт при определенных условиях. В условиях написано, что открытие транзистора считается при токе 250 мкА и при условии, что напряжение на Сток-Исток такое же, как и напряжение на Затвор-Сток.

Отныне мы можем плавно регулировать ширину канала нашего полевого транзистора, увеличивая напряжение на затворе. Если мы добавим немного напряжения, мы увидим, что нить накаливания лампы накаливания начинает светиться. Изменяя напряжение с одной стороны на другую, мы можем добиться нужной нам яркости лампочки накаливания. Такой режим работы полевого транзистора называется активным режимом.

В этом режиме полевой транзистор может изменять сопротивление индуцированного канала в зависимости от напряжения на затворе. Чтобы понять, как усиливается полевой транзистор, нужно прочитать статью о принципе работы биполярного транзистора, где все это описано, иначе ничего не поймешь. Прочтите эту ссылку.

Активный режим транзистора чреват тем, что в этом режиме транзистор может сильно нагреваться. Так что всегда нужно быть осторожным с охлаждающим радиатором, который будет отводить тепло от транзистора в окружающее пространство. Почему греется транзистор? Что творится? Да все до боли просто. Сопротивление истока стока зависит от напряжения на затворе. То есть схематично это можно показать так.

Если напряжения затвора нет или оно меньше напряжения открытия транзистора, то сопротивление в этом случае будет бесконечно большим. Лампочка — это нагрузка, которая имеет какое-то сопротивление. Я не говорю, что сопротивление нити зажженной лампочки полностью отличается от сопротивления холодной, но пока давайте просто допустим, что лампочка будет своего рода постоянным сопротивлением. Давайте перерисуем нашу диаграмму так.

Получился типовой делитель напряжения. Как я уже говорил, если напряжения на затворе нет, то сопротивление сток-исток будет бесконечно большим. Это означает, что мощность, рассеиваемая транзистором, будет равна падению напряжения на истоке стока, умноженному на силу тока через исток стока: P = Ic Usi. Если выразить эту формулу через сопротивление, то получим

Р = I2C Р

где R — сопротивление канала Сток-Исток, Ом

IC — ток через канал (запасной ток), А

А какая мощность рассеивается любым радиоэлементом? Вот что такое тепло.

Теперь представьте, что мы открываем транзистор наполовину. Пусть ток через лампу в нашей цепи равен 1 ампер, а сопротивление перехода между стоком и истоком равно 10 Ом. По формуле P = I2C R получаем, что мощность, рассеиваемая на транзисторе в это время, составит 10 Вт. Да, это чертовски маленький обогреватель!

Режим насыщения полевого транзистора

Чтобы полностью открыть полевой транзистор, нам достаточно подать напряжение до тех пор, пока лампа не загорится полным накалом. В моем случае это напряжение больше 4,2 Вольта.

В режиме насыщения сопротивление канала Drain-Source минимально и практически не сопротивляется электрическому току. Лампа потребляет свои честные 20,4 Вт (12х1,7=20,4).

Немного об электрическом сопротивлении.

В самой лампе мы видим ее мощность 21 Вт. Убираем небольшую ошибку в наших устройствах.

Самое интересное, что транзистор при этом остается холодным и ни капли не греется, хотя через него проходит 1,7 Ампера! Чтобы понять это явление, нам снова нужно рассмотреть формулу P = I2C R . Если сопротивление сток-исток составляет несколько сотых ома в режиме насыщения, почему транзистор будет нагреваться?

Поэтому наиболее щадящие режимы для MOSFET — это когда канал полностью открыт или когда канал полностью закрыт. При закрытом транзисторе сопротивление канала будет бесконечно велико, а ток через этот резистор бесконечно мал, так как в этой цепи будет работать закон Ома. Подставив эти значения в формулу P = I2C R, мы увидим, что рассеиваемая мощность на указанном транзисторе будет практически нулевой. В режиме насыщения наше сопротивление будет достигать сотых долей ома, а сила тока будет зависеть от нагрузки на цепь. Следовательно, в этом режиме транзистор также будет рассеивать сотые доли ватта.

Ключевой режим работы полевого транзистора

В этом режиме полевой транзистор работает только в режиме отсечки и насыщения.

Немного изменим схему и удалим Bat2. Вместо этого поставим переключатель и подведем напряжение к Gate от Bat1.

Для наглядности вместо переключателя использовал стойки с доски. В этом случае свет выключен. Почему он должен гореть? На Gate у нас полный ноль, поэтому канал закрыт.

Но стоит только перевести переключатель в другое положение, потому что наша лампочка тут же включится на полную мощность.

Вам даже не нужно ни о чем беспокоиться! Просто подайте напряжение на затвор и вуаля! Конечно, если не превышать максимальное напряжение на затворе, прописанное в техпаспорте. Для нашего транзистора это +-20 вольт. Не повредит ли входное напряжение дверь? Так как у нашего Gate очень высокое входное сопротивление (ведь он отделен диэлектрическим слоем от всех выводов), сила тока в цепи Gate будет очень мала (микроамперы).

Как видите, лампочка горит на полную мощность. В этом случае можно сказать, что потенциал на Стоке стал таким же, как и на Истоке, т.е равен нулю, поэтому весь ток бежал от плюса питания к Сливу, «захватывая» на пути лампочку накаливания, чего не было я против того, чтобы потреблять электрический ток, излучая кучу фотонов в космос и на мой стол.

Но есть и интересное явление, в отличие от ключа биполярного транзистора. Даже если убрать провода затвора, лампочка все равно горит как ни в чем не бывало!

Почему так происходит? Тут надо вспомнить внутреннее устройство самого полевого транзистора. Эта часть вам что-то напоминает?

Так это конденсатор! А раз мы его загружаем, то почему он будет скачиваться? Разряжаться ему некуда, поэтому он сохраняет заряд электрона в канале, пока мы не разрядим выход затвора. Чтобы снять потенциал затвора и «закрыть» канал, мы должны снова установить его равным нулю. Сделать это довольно просто, закрыв Дверь к Источнику. Лампа немедленно погаснет.

Как вы видели в предыдущем эксперименте, если мы выключим напряжение на затворе, то обязательно должны вывести затвор, иначе канал останется открытым. Таким образом, обязательным условием в схеме является то, что затвор всегда должен чем-то управляться и с чем-то соединяться. Это не может быть в воздухе.

И почему затвор не должен автоматически подтягиваться к нулю при отключении подачи напряжения на затвор? Таким образом, эту схему можно изменить и превратить в простейший ключ в МОП-транзисторе:

Когда переключатель S включен, цепь замыкается и лампа загорается

Как только я снимаю красный провод со шторки (размыкаю выключатель), сразу гаснет свет:

Красота! То есть, как только я снял напряжение затвора, затвор подтянулся к минусу через резистор и стал нулевым потенциалом. А так как Gate равен нулю, то канал Сток-Источник закрыт. Если я снова подам напряжение на затвор, напряжение питания упадет на мегомном резисторе, который осядет на затворе, и транзистор снова откроется. Чем больше сопротивление, тем больше падение напряжения ;-). Не забывайте о эмпирическом правиле делителя напряжения. Сопротивление берется в основном от 100 КилоОм до 1 МОм (можно и больше). Поскольку полевые МОП-транзисторы с якорным каналом в основном используются в импульсной и цифровой технике, они являются отличными транзисторными ключами, в отличие от биполярных транзисторных ключей.

Характеристики полевого МОП транзистора

Чтобы узнать характеристики транзистора, нам нужно открыть даташит и посмотреть на маленькую плату на первой странице даташита. Мы будем рассматривать транзистор, который мы использовали в наших экспериментах — IRFZ44N.

Напряжение VGS — это напряжение между затвором и истоком. Смотрим в техпаспорт и видим, что максимальное напряжение, которое можно подать на затвор, составляет +-20 вольт. Через тончайший слой диэлектрика пройдет более 20 вольт в обе стороны и транзистор придет в негодность.

Максимальный идентификатор тока, который может протекать через канал сток-исток.

Как мы видим, транзистор может протянуть через себя до легкого 49 ампер!!!

Но это при температуре стекла 25 градусов Цельсия. А так номинальная сила тока 35 ампер при температуре стекла 100 градусов, что встречается на практике чаще всего.

RDS(on) — сопротивление полностью открытого канала Drain-Source. В режиме насыщения сопротивление канала транзистора достигает очень малого значения. Как видите, в нашей комнате сопротивление канала достигает 17,5 мОм (при напряжении на затворе = 10 вольт и токе стока = 25 ампер).

Максимальная рассеиваемая мощность PD — это мощность, которую транзистор может рассеивать на себе, преобразовывая эту мощность в тепло. В нашем случае это 94 Вт. Но и здесь необходимо соблюдение нескольких условий: это температура окружающей среды, а также наличие у транзистора радиатора.

Также в техпаспорте на последних нескольких страницах можно увидеть различные зависимости одних параметров по отношению к другим.

Например, на следующем графике показана зависимость тока стока от напряжения сток-исток при некоторых фиксированных значениях напряжения на затворе при температуре кристалла (подложки) 25 градусов Цельсия (комнатная температура). Верхняя линия графика соответствует напряжению затвора 15 вольт.

Также имеется интересная зависимость сопротивления канала полностью открытого транзистора от температуры кристалла.

При температуре кристалла 140 градусов Цельсия сопротивление нашего канала удваивается. А при отрицательных температурах, наоборот, уменьшается.

Как проверить полевой транзистор

Чтобы проверить полевой транзистор, нам нужно определить, где находятся его выводы. Нашей морской свинкой будет такой же транзистор — IRFZ44N.

Для этого вводим в любой поисковик название нашего транзистора и пишем рядом слово «даташит». Чаще всего на первой странице даташита мы можем увидеть распиновку транзистора.

Однако в интернете полно готовых распиновок, а иногда даже проще набрать «распиновка (распиновка) *название транзистора*». Итак, вбил в яндексе «IRFZ44N распиновка» и нажал на вкладку «изображения». Яндекс дал мне много фото с распиновкой этого транзистора:

Ну тогда дело за малым.

Как открыть полевой транзистор

Для полного открытия полевого транзистора и запуска его в ключевом режиме напряжение база-эмиттер должно быть больше 0,6-0,7 вольта. Также сила электрического тока, протекающего через базу, должна быть такой, чтобы он мог безопасно беспрепятственно протекать через коллектор-эмиттер. В идеале сопротивление между коллектором и эмиттером должно быть равно нулю, но реально оно будет составлять сотые доли ома. Этот режим называется «режим насыщения транзистора».

Режим насыщения элемента через транзистор

Как видно на схеме, коллектор и эмиттер находятся в режиме насыщения и закорочены, что позволяет лампочке гореть «на максимум».

Проверка полевого транзистора с помощью мультиметра

Теперь, зная цоколевку и принцип работы транзистора, можно проверить его работоспособность. Прежде всего, мы легко можем проверить эквивалент диода VD2 между стоком и истоком. Его также часто указывают в обозначении схемы.

Но не спешите брать мультиметр в руки и прозванивать диод! Ведь первое, что вам нужно устранить из себя, — это статическое напряжение. Это можно сделать, прикоснувшись к металлическому слою труб водяного отопления или прикоснувшись к заземляющему проводу. При работе с радиоэлементами, чувствительными к статическому напряжению, рекомендуется использовать антистатический браслет, один конец которого присоединяют к заземляющему проводнику, например, к батарее, а другой конец в виде браслета надевают на запястье.

Далее замыкаем все выводы транзистора каким-нибудь металлическим предметом. В моем случае это металлические клипсы. Зачем мы это делаем? Что если кто-то зарядил Затвор до нас, или уже успел где-то «выхватить» потенциал Затвора? Поэтому, справедливости ради, сравняем потенциал Врат до нуля с помощью этой нехитрой манипуляции.

Ну а теперь с чистой совестью можно проверить диод, который образовался в полевом транзисторе между стоком и истоком. Так как у нас N-канальный транзистор, то и его схемное обозначение будет выглядеть так:

Положительный (красный) щуп мультиметра берем за Исток, так как там анод диода, а отрицательный (черный) за Сток
(там у нас диодный катод). Мультиметр должен показать падение напряжения на диоде от 0,5 до 0,7 вольта. В моем случае, как видите, 0,56 вольта.

Далее меняем щупы в нескольких местах. Мультиметр покажет единицу, что говорит нам о том, что диод в полевом транзисторе жив и здоров.

Проверьте сопротивление канала. Мы с вами уже знаем, что в N-канальном транзисторе ток будет течь от стока к истоку, поэтому плюсовой красный щуп подносим к стоку, а минус к истоку и измеряем сопротивление. Должно быть, о-о-о-о-очень большой. В моем случае даже в Мегаомах показывает единицу, а это значит, что сопротивление даже больше 200 МОм. Это очень хорошо.

Так как транзистор у нас N-канальный, то чтобы его приоткрыть, нам будет достаточно подать напряжение на затвор, относительно истока. Чаще всего в режиме прозвонки диодов в щупах мультиметра присутствует напряжение 3-4 вольта. Все зависит от марки мультиметра. Этого напряжения будет достаточно, чтобы подать на затвор и приоткрыть транзистор.

Давай сделаем это. Ставим черный щуп на Источник, а красный щуп на Затвор на долю секунды. На показания мультиметра не обращаем внимания, так как сейчас используем его как источник питания для подачи потенциала на затвор. Этим простым действием мы приоткроем наш транзистор.

Раз мы открываем транзистор, значит, сопротивление истока стока должно уменьшаться. Давайте проверим, правда ли это? Ставим мультиметр в режим измерения сопротивления и смотрим, уменьшилось ли сопротивление между Drain-Source. Как видите, мультиметр показал значение 2,45 КОм.

Это говорит о том, что наш полевой транзистор полностью исправен.

Бывает конечно и так, что низкого напряжения на мультиметре недостаточно, чтобы приоткрыть транзистор. Здесь можно прибегнуть к блокам питания, выдающим более-менее нормальное напряжение, например блок питания или 9-вольтовый аккумулятор Крона. Поскольку Кроны рядом не было, мы просто установим напряжение на 10 вольт. Напряжение затвора именно этого транзистора не должно превышать 20 вольт, иначе пробьет диэлектрик и транзистор выйдет из строя.

Поэтому ставим 10 вольт.

Подаем это напряжение на затвор транзистора на долю секунды.

Теоретически сопротивление между стоком и истоком должно быть равно нулю. Для чистоты эксперимента измеряем сопротивление щупов самого мультиметра. Эй, дешевые китайские зонды. 2,1 Ом).

А теперь измеряем сопротивление самого перехода. Почти 0 Ом!

Хотя по даташиту должно быть 17,5 миллиом. Теперь мы можем с вероятностью 146% сказать, что наш транзистор полностью жив и здоров.

Как проверить полевой транзистор с помощью транзисторметра

Это замечательное китайское устройство должно быть на столе у ​​каждого электронщика, так как стоит недорого.

Здесь все просто как два и два. Вставляем транзистор в кредл и нажимаем большую зеленую кнопку. В результате прибор сразу определил, что это N-канальный MOSFET, определил расположение выводов транзистора, а также емкость затвора и пороговое напряжение открытия, о чем мы говорили ранее в этой статье. Ну не прибор, а чудо!

Проверка цепи сток-исток

Полевой транзистор управляется электрическим полем затвора. А если емкость затвор-исток зарядить, то проводимость в направлении сток-исток увеличится. Итак, если транзистор n-канальный, черный щуп подключить к затвору (затвору), а красный щуп к истоку, а через секунду изменить расположение щупов на противоположное: красный к затвору, а черный к источнику. Так что мы наверное сначала разряжаем затвор, а потом заряжаем. Дверь обычно слева, а фонтан справа.

Теперь переместите красный щуп от ворот к стоку, а черный щуп пусть останется в истоке. Если транзистор исправен, как только вы переместите красный щуп от затвора к стоку, мультиметр покажет падение напряжения на стоке; это означает, что транзистор перешел в проводящее состояние.

Теперь красный щуп на истоке, а черный щуп на затворе (разряжаем затвор обратной полярностью), после чего снова красный щуп на стоке, а черный щуп на истоке. Прибор должен показать бесконечность: транзистор закрыт. Для p-канального полевого транзистора щупы просто меняются местами.

Если прибор запищит

Если на этапе проверки сток-исток прибор пищит, это может быть вполне нормально, так как в современных полевых транзисторах сопротивление сток-исток в открытом состоянии очень мало. Как вариант можно подключить гейт к истоку и прозвонить сток исток в этом положении (для n-канала красный на сток, черный на исток), прибор должен показывать бесконечность.

Главное, чтобы не было гудения затвор-исток и сток-исток, особенно в момент, когда затвор заряжается противоположной полярностью.

Какие случаются неисправности

Полевые транзисторы могут перегрузиться током во время теста и в результате перегрева выйти из строя. Они уязвимы для статического электричества. В процессе проведения работ нужно следить, чтобы она не попала на проверяемую деталь.

При работе в составе схемы может произойти пробой, в результате чего полевой транзистор выходит из строя и подлежит замене. Его можно обнаружить по низкому сопротивлению p-n-переходов в обоих направлениях. Определить КПД транзистора можно, прозвонив его цифровым мультиметром.

Делать это нужно следующим образом (например, используется широко распространенная модель М-831, рассматривается полевой транзистор с каналом n-типа):

1. Мультиметр должен быть переведен в режим проверки диодов. Он отмечен на панели схематическим изображением диода.
2. К прибору подключены два щупа: черный и красный. На передней панели есть три слота. Черный устанавливается внизу, красный – в середине. Первый из них соответствует отрицательному полюсу, второй — положительному.
3. Необходимо определить на тестируемом полевом транзисторе, какие выводы соответствуют истоку, затвору и стоку.
4. В некоторых моделях дополнительно предусмотрен внутренний диод для защиты детали от перегрузки. Сначала нужно проверить, как это работает. Для этого красный провод подключается к истоку, а черный к стоку. Индикатор должен показать значение в пределах 0,5-0,7. Если провода поменять местами, на дисплее будет отображаться единица, что означает, что ток в этом направлении не проходит.
5. Следующим шагом будет проверка работоспособности транзистора.

Если подключить щупы к истоку и осушить их, ток через них не пойдет. Чтобы открыть затвор. На затвор должно быть подано положительное напряжение. Следует отметить, что на красный щуп мультиметра подается положительный потенциал. Теперь достаточно подключить его к затвору, а черный к стоку или истоку, чтобы транзистор начал пропускать ток.

Теперь, если красный провод подключить к истоку, а черный провод к стоку, то мультиметр покажет определенное падение напряжения, скажем, 60. Если вы подключите его наоборот, то индикатор будет примерно таким же. Если на затвор подать отрицательный потенциал, это закроет транзистор в обе стороны, но встроенный диод сработает.

Если полевой клапан не закрыт, это указывает на неисправность. Аналогично делается проверка мофсета с p-каналом. Отличие в том, что при проверке там, где раньше использовался красный щуп, теперь используется черный и наоборот.

Способы устранения

Чтобы не повредить деталь при поверке, необходимо при поверке использовать такие мультиметры, которые используют рабочее напряжение не более 1,5 В. Если в результате проверки мультиметра обнаружено, что транзистор полевого эффект вышел из строя, то его необходимо заменить новым.

Инструкция по прозвонке без выпаивания

Чтобы проверить, исправен ли полевой транзистор, нужно его выпаять и потрогать мультиметром. Однако могут возникнуть ситуации, когда таких деталей в схеме несколько и неизвестно, какие исправны, а какие нет. В этом случае полезно знать, как проверить полевой транзистор мультиметром без пайки. В этом случае используется беспаечный контроль. Дает приблизительный результат.

Как только предположительно неисправный элемент идентифицирован, он отключается и проверяется, получив точную информацию о его работоспособности. Если он работает нормально, он устанавливается на прежнее место.

Проверка без пайки осуществляется следующим образом:

1. Перед проверкой полевого транзистора цифровым мультиметром прибор отключают от розетки или аккумуляторов. Последние удаляются из устройства.
2. Если красный щуп подключен к истоку, а черный к стоку, можно ожидать, что мультиметр покажет 500 мВ. Если вы видите эту цифру или более высокую цифру на дисплее, это говорит о том, что транзистор полностью исправен.
3. В том случае, если это значение значительно ниже – 50 или даже 5 мВ, в этом случае можно с большой долей вероятности предположить неисправность.
4. Если красный щуп мультиметра передвинуть к затвору, а черный оставить на том же месте, то на индикаторе можно увидеть 1000 мВ и более, что говорит об исправности полевого транзистора. Когда разница составляет 50 мВ, это внушает опасения, что деталь повреждена.
5. Если черный щуп тестера поставить на исток, а красный на затвор, то для исправного транзистора можно ожидать на дисплее 100мВ и более. В случаях, когда показатель меньше 50 мВ, велика вероятность того, что проверяемая деталь не исправна.

Необходимо учитывать, что выводы, полученные без распайки, носят вероятностный характер. Эти данные позволяют сделать предварительные выводы об используемых в схеме полевых транзисторах. Для проверки их необходимо выпаять, протестировать и установить, если работоспособность подтверждена.

Меры безопасности при работе с полевыми транзисторами

Все полевые транзисторы, будь то полевой транзистор с PN-переходом или полевой МОП-транзистор, очень чувствительны к скачкам напряжения на затворе. Это особенно верно в отношении электростатического заряда, который накапливается на теле человека и на измерительных приборах. Опасные значения электростатического заряда для MOSFET составляют 50-100 вольт, а для транзисторов с управляющим PN переходом — 250 вольт. Поэтому самое важное правило при работе с такими транзисторами — заземлиться через антистатический браслет или взять разряженную батарейку ДО прикосновения к полевым транзисторам.

Также в некоторых корпусах полевых транзисторов между истоком и затвором встраиваются защитные стабилитроны, что вроде бы спасает их от электростатики, но лучше лишний раз перестраховаться и не проверять судьбу транзистора для определения его сопротивления. Также не мешало бы заземлить все сварочное и измерительное оборудование. В настоящее время все это делается автоматически через евророзетки, которые имеют заземляющий проводник.

Преимущества и недостатки МОП-транзисторов

Униполярные транзисторы получили достаточно широкое распространение в современной системотехнике благодаря ряду преимуществ, среди которых:

• возможность мгновенного изменения;
• отсутствие вторичной неисправности;
• хорошая производительность при низких напряжениях;
• стабильность при колебаниях температуры;
• низкий уровень шума при работе;
• высокое усиление сигнала;
• экономичность в плане энергопотребления;
• меньшее количество технологических операций при построении схем на МОП-транзисторах по сравнению с применением биполярных устройств.

Использование этих устройств ограничено следующими недостатками:

Самым главным недостатком является более высокая чувствительность к статическому электричеству. Тонкий слой оксида кремния легко повреждается электростатическими зарядами, поэтому МОП-устройства могут выйти из строя даже при прикосновении к ним наэлектризованными руками. Современные устройства практически лишены этого недостатка благодаря корпусам, способным минимизировать воздействие статики. Они также могут интегрировать защитные устройства, такие как стабилитроны.

Возникновение нестабильности при перегрузке по напряжению.

Разрушение конструкции, от температуры +150°С. Для биполярных устройств критическая температура составляет +200 °С.

Постоянный поиск хороших эксплуатационных характеристик мощных униполярных транзисторов привел к созданию гибридного IGBT-транзистора. Эти устройства объединили в себе лучшие качества биполярных и полевых транзисторов.