Что такое MOSFET-транзистор?
MOSFET, сокращение от Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (полевой транзистор с металлооксидным полупроводником), представляет собой электронный компонент, широко используемый в электронных схемах в качестве переключателя или усилителя для управления потоком высокого напряжения и высокого тока. Это тип транзистора, состоящий из металлического затвора, оксидного слоя и полупроводникового канала.
Кто изобрел MOSFET-транзистор?
В 1959 году Д. Канг и Мартин Аталла из Bell Labs произвели революцию в мире электроники, изобретя MOSFET-транзистор. Это революционное изобретение сделало возможной миниатюризацию электронных компонентов, проложив путь к интегральным схемам и современным компьютерам. Хотя само изобретение было революционным, процесс его создания также был увлекательным.
Канг и Аталла начали свои исследования MOSFET с изучения свойств металл-оксид-полупроводниковых (MOS) структур. Используя технику, называемую химическим осаждением из паровой фазы (CVD), они смогли нанести тонкий слой диоксида кремния на кремниевую подложку. Этот слой диоксида кремния действовал как изолятор между двумя проводящими слоями MOS-структуры.
Следующим шагом в процессе было изготовление MOSFET. Введя легирующий элемент в изолирующий слой, Канг и Аталла смогли создать канал между двумя проводящими слоями. Затем этот канал был подключен к затвору, что позволяло электричеству протекать через MOSFET при срабатывании. Это сделало возможным управление током через транзистор с помощью входного напряжения.
Наконец, Канг и Аталла протестировали свое изобретение, чтобы убедиться в его правильной работе. Они обнаружили, что MOSFET способен быстро включать и выключать ток, что делает его идеальным для использования в компьютерах и других электронных устройствах. Благодаря их исследованиям и упорному труду, транзистор MOSFET стал неотъемлемой частью современной электроники.
Структура MOSFET
Полевой транзистор с металлооксидным полупроводником (MOSFET) состоит из металлического затвора, оксидного слоя и полупроводника, причем оксидный слой обычно изготавливается из диоксида кремния. Материал затвора обычно заменяется поликристаллическим кремнием вместо металла. Эта структура образует конденсатор, в котором оксидный слой служит диэлектриком, а емкость определяется толщиной оксидного слоя и диэлектрической проницаемостью диоксида кремния. Поликристаллический кремниевый затвор и кремниевый полупроводник образуют два вывода MOS-конденсатора. Помимо конденсаторной структуры, полная структура MOSFET включает в себя источник и сток, которые обеспечивают большинство носителей заряда и принимают их соответственно.
Символ схемы MOSFET
Схематический символ MOSFET-транзистора, широко используемого в электронных схемах, состоит из вертикальной линии, представляющей канал, двух параллельных линий рядом с каналом, представляющих источник и сток, и перпендикулярной линии слева, представляющей затвор. Линия канала также может быть представлена пунктирной линией для различения MOSFET-транзисторов с обогащенным и обедненным режимом.
Транзисторы MOSFET представляют собой четырехвыводные устройства, состоящие из выводов истока, стока, затвора и объемного или корпусного вывода. Направление стрелки, протянутой от канала к объемному выводу, указывает, является ли MOSFET устройством p-типа или n-типа, причем стрелка всегда указывает от стороны P к стороне N. Если стрелка указывает от канала к затвору, это означает, что MOSFET является p-типа или PMOS, а противоположное направление означает, что MOSFET является n-типа или NMOS. В интегральных схемах вывод bulk обычно является общим, поэтому его полярность не указывается, а к выводу затвора PMOS часто добавляется кружок, чтобы отличить его от NMOS.
Как работает MOSFET-транзистор?
Основной принцип работы полевого транзистора с металлооксидным полупроводником (MOSFET) заключается в управлении формированием и проводимостью канала путем подачи напряжения на затворный электрод, что позволяет регулировать ток, протекающий между стоковым и истоковым электродами. MOSFET состоит из трех электродов: затвора, истока и стока. Между затворным и истоковым электродами находится изолирующий оксидный слой, а канал формируется под этим слоем на поверхности полупроводника.
Когда на затвор подается положительное напряжение, дырки в поверхности полупроводника под затвором отталкиваются, создавая отрицательно заряженный инверсионный слой. Инверсионный слой имеет более высокую концентрацию электронов, чем концентрацию дырок, образуя проводящий слой n-типа, называемый каналом. Когда напряжение подается между стоком и истоком, ток протекает через канал к стоку. Проводимость и плотность заряда канала могут модулироваться величиной и полярностью напряжения затвора, что позволяет MOSFET функционировать как управляемый токовый переключатель.
Типы MOSFET
В зависимости от полярности канала MOSFET-транзисторы можно разделить на: N-канальные MOSFET и P-канальные MOSFET. Кроме того, в зависимости от амплитуды напряжения затвора их можно разделить на: истощающие и обогащающие.
N-канальный MOSFET с обогащенным слоем
N-канальный MOSFET с обогащением обычно используется в электронных схемах для переключения и усиления. Он называется MOSFET с обогащением, потому что для включения канала требуется положительное напряжение на затворе, а N-канальным — потому что имеет отрицательный тип носителей.
N-канальный истощающий MOSFET
N-канальный MOSFET с истощением состоит из слоев полупроводниковых материалов, легированных определенными примесями для создания канала, по которому протекает ток. Канал уже сформирован, когда на затвор не подается напряжение. Это означает, что MOSFET находится в режиме «истощения», когда питание не подается. Когда на затвор подается напряжение, оно уменьшает область истощения, позволяя току протекать через канал.
MOSFET с усилением P-канала
MOSFET с P-каналом усиления — это тип MOSFET, в котором используется подложка с P-каналом для обеспечения потока электронов между выводами истока и стока. При подаче напряжения на вывод затвора MOSFET с P-каналом усиления создается электрическое поле, которое притягивает положительно заряженные дырки (в отличие от отрицательно заряженных электронов в MOSFET с N-каналом) к каналу, позволяя току протекать между выводами истока и стока.
P-канальный истощающий MOSFET
MOSFET с истощением P-канала работает путем управления потоком отрицательных носителей заряда (электронов) в полупроводниковом канале. В отличие от MOSFET с N-каналом, которые построены с положительно заряженным затвором, притягивающим отрицательные носители заряда, MOSFET с P-каналом построены с отрицательно заряженным затвором, отталкивающим положительные носители заряда (дырки). В истощающем МОП-транзисторе полупроводниковый канал легирован примесями, которые создают область истощения, действующую как резистивный барьер для протекания тока. При подаче напряжения на затвор область истощения может расширяться или сужаться, регулируя протекание тока через канал.
Где используется MOSFET?
Полупроводниковые устройства, известные как MOSFET-транзисторы, широко используются в автомобильной, промышленной и коммуникационной технике. В области автомобильной электроники силовые MOSFET-транзисторы служат в качестве распространенных переключающих устройств в электронных блоках управления и преобразователях мощности для современных электромобилей. Кроме того, MOSFET-транзисторы могут также использоваться в качестве переключателей или усилителей в различных приложениях, таких как источники питания, системы управления двигателями, стабилизаторы напряжения, микроконтроллеры, цифровые логические схемы и аудиоусилители.
В частности, MOSFET-транзисторы могут использоваться в источниках питания компьютеров и телевизоров для преобразования высоковольтного переменного тока в низковольтный постоянный ток; в схемах управления двигателями для регулирования скорости двигателей; в аудиоусилителях для усиления сигналов низкого уровня до сигналов высокого уровня; а в солнечных инверторах они часто используются для преобразования постоянного тока, генерируемого солнечными панелями, в переменный ток для бытового и коммерческого использования.
В последние годы, с улучшением характеристик MOSFET-транзисторов, все больше интегральных схем аналоговой обработки сигналов также используют MOSFET-транзисторы, в дополнение к области цифровой обработки сигналов (такой как микропроцессоры и микроконтроллеры). В цифровых схемах MOSFET-транзисторы в основном используются в изобретении комплементарных металлооксидных полупроводниковых логических схем, которые практически не имеют статических потерь мощности и могут экономить ток и энергопотребление. В логических схемах CMOS каждый драйвер логического вентиля и каждый каскад логических вентилей должны иметь только один и тот же затвор MOSFET-транзистора, что упрощает их управление. В аналоговых схемах некоторые рабочие параметры MOSFET-транзисторов в схемотехнике были значительно улучшены, например, транспроводимость, ток управляющей силы и шум. Поэтому MOSFET-транзисторы в настоящее время широко используются в аналоговых схемах, таких как усилители, фильтры, генераторы, усилители мощности и импульсные источники питания.
MOSFET против BJT
Между MOSFET-транзистором и BJT-транзистором есть много различий. Ниже приведена таблица их сравнения.
| № | Характеристика | BJT | MOSFET |
|---|---|---|---|
| 1 | Тип транзистора | Биполярный транзистор | Полевой транзистор со структурой металл–оксид–полупроводник |
| 2 | Разновидности | NPN и PNP | С P-каналом и N-каналом |
| 3 | Выводы | База, эмиттер, коллектор | Затвор, исток, сток |
| 4 | Условное обозначение |  |  |
| 5 | Носители заряда | В проводимости участвуют электроны и дырки | Проводимость канала обеспечивают электроны или дырки в зависимости от типа канала |
| 6 | Управление | Управление переходом база–эмиттер с постоянным током базы | Напряжение затвор–исток; импульсный ток заряжает и разряжает затвор |
| 7 | Ток управления | Ток базы зависит от тока коллектора, коэффициента усиления и условий переключения | Малый ток утечки затвора по постоянному току; динамический ток зависит от заряда затвора и частоты переключения |
| 8 | Скорость переключения | Зависит от прибора и схемы; накопленный заряд может замедлять выключение | Зависит от прибора и схемы; практический предел задают заряд затвора, драйвер и потери |
| 9 | Входное сопротивление | Зависит от тока смещения и схемы включения | Высокое входное сопротивление по постоянному току; при переключении важна ёмкость затвора |
| 10 | Выходное сопротивление | Зависит от режима работы, смещения и топологии схемы | Зависит от режима работы, смещения и топологии схемы |
| 11 | Температура и параллельное включение | Параллельное включение BJT требует распределения тока и теплового расчёта | При полностью открытом канале сопротивление обычно растёт с температурой; распределение тока между параллельными приборами всё равно нужно рассчитывать |
| 12 | Рассеиваемая мощность | Рассчитайте потери проводимости, управления базой и переключения при реальной нагрузке | Рассчитайте потери с учётом нагретого канала, управления затвором и переключения при реальной нагрузке |
| 13 | Частотная характеристика | Используйте паспортные данные полосы пропускания и переключения для выбранной рабочей точки | Используйте паспортные данные полосы пропускания и переключения для выбранной рабочей точки |
| 14 | Параметр усиления | hFE зависит от тока коллектора, температуры и прибора; учитывайте условия паспортных испытаний | Не характеризуется коэффициентом усиления BJT; сравнивайте крутизну, заряд затвора и сопротивление открытого канала |
| 15 | Область безопасной работы | Проверьте SOA прибора, включая ограничения по вторичному пробою | Проверьте SOA прибора; в линейном режиме возможны локальный перегрев и тепловая неустойчивость |
| 16 | Защита от ESD | Соблюдайте требования защиты от ESD для выбранного прибора | Соблюдайте требования защиты от ESD для выбранного прибора |
| 17 | Сравнение стоимости | Сравнивайте номиналы, корпус, объём закупки и стоимость схемы управления | Сравнивайте номиналы, корпус, объём закупки и стоимость схемы управления |
| 18 | Типичные применения | Аналоговые усилители, генераторы, источники тока и ключевые схемы | В зависимости от прибора: импульсные преобразователи, приводы двигателей, выключатели нагрузки и аналоговые схемы |
Проверка схемы с MOSFET до изготовления прототипа
Схему с MOSFET следует проверять при фактическом напряжении управления затвором, токе нагрузки, частоте переключения и температуре. Пороговое напряжение VGS(th) показывает лишь начало небольшого тестового тока и не означает полного открытия прибора. Используйте значение RDS(on), указанное в документации при близком напряжении затвора, и оцените потери проводимости и переключения.
- Затвор: добавьте подтяжку для закрытого состояния при сбросе, а резистором управляйте звоном и скоростью фронтов.
- Отсчёт от истока: проверьте реальное напряжение затвор–исток драйвера, особенно в верхнем ключе.
- Тепло: рассчитайте мощность с горячим сопротивлением и доступной медью или радиатором.
- Индуктивная нагрузка: предусмотрите обратный диод, ограничитель или снаббер с достаточной энергоёмкостью.
- Разводка: делайте контуры затвора и коммутируемого тока короткими и раздельными.
