Транзистор является полупроводниковым электронным компонентом. Мы относим его к активным элементам схемы, поскольку он позволяет преобразовывать электрические сигналы (нелинейно).
Полевой транзистор или MOSFET ( Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) — полевый транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник. Поэтому его часто еще называют просто МОП транзистор.
Производимые по этой технологий транзисторы состоят из трех слоев:
- Первый слой — это пластина, вырезанная из однородного кристалла кремния или из кремния с примесью германия.
- Второй по порядку слой — напыление очень тонкой прослойки диэлектрика (изолятора) из диоксида кремния или оксида металла (оксиды алюминия или циркония). Толщина этого слоя составляет, в зависимости от технологии исполнения, около 10 нм, а в лучшем варианте толщина этого слоя может иметь около 1,2 нм. Для сравнения: 5 атомов кремния, расположенных друг над другом вплотную как раз составляют толщину, близкую к 1,2 нм.
- Третий слой – это слой состоит из хорошо проводящего металла. Чаще всего для этой цели используют золото.
Конструкция такого транзистора схематично представлена ниже:
Следует отметить, что полевые транзисторы бывают двух типов: N-типа и P-типа, почти так же, как и в случае с биполярными транзисторами, которые производятся в вариантах PNP и NPN.
Среди полевых транзисторов гораздо чаще встречается N-тип. Кроме того, существуют полевые транзисторы:
- с обедненным каналом, то есть такие, которые пропускают через себя слабый ток при отсутствии напряжении на затворе, и чтобы полностью его запереть необходимо подать на затвор обратное смещение в пару вольт;
- с обогащенным каналом – это такой вид полевых транзисторов, которые при отсутствии напряжения на затворе не проводят ток, а проводят его лишь тогда, когда напряжение, приложенное к затвору, превышает напряжение истока.
Большим преимуществом полевых транзисторов является то, что они управляются напряжением, в отличие от биполярных транзисторов, которые управляются током.
Легче понять принцип их действия полевого транзистора на примере гидравлического крана.
Чтобы управлять потоком жидкости под высоким давлением в большой трубе, требуется мало усилий, чтобы открыть или закрыть кран. Другими словами, при небольшом объеме работы, мы получаем большой эффект. Небольшая сила, которую мы прикладываем к ручке крана управляет намного большей силой воды, которая давит на клапан.
Благодаря этому свойству полевых транзисторов, мы можем управлять токами и напряжениями, которые намного выше, чем те, которые выдает нам, например, микроконтроллер.
Как уже было отмечено ранее, обычный MOSFET, как правило, не проводит ток на пути источник – сток. Чтобы перевести такой транзистор состояние проводимости необходимо подать напряжение между истоком и затвором так, как указано на рисунке ниже.
На следующем рисунке приведена вольт-амперная характеристика транзистора IRF540.
На графике видно, что транзистор начинает проводить тогда, когда напряжение между затвором и истоком приближается к 4В. Однако для полного открытия нужно почти 7 вольт. Это гораздо больше, чем может выдать микроконтроллер на выходе.
В некоторых случаях может быть достаточным ток на уровне 15 мА и напряжением 5В. Но что делать, если это слишком мало? Есть два выхода.
- Можно применить специальные МОП-транзисторы с пониженным напряжением затвор – исток, например, BUZ10L.
- Как вариант можно использовать дополнительный усилитель для повышения управляющего напряжения.
Независимо от сферы применения, каждый полевой транзистор имеет несколько ключевых параметров, а именно:
- Допустимое напряжение сток-исток: UDSmax
- Максимальный ток стока: IDmax
- Пороговое напряжение открытия: UGSth
- Сопротивление канала в открытом состоянии: RDSon
Во многих случаях ключевым параметром является RDSon, поскольку косвенно указывает нам на потерю мощности, которая крайне нежелательна.
Для примера возьмем транзистор в корпусе ТО-220 с сопротивлением RDSon = 0,05 Ом и протекающий через этот транзистор ток в 4А.
Давайте посчитаем потери мощности:
- UDS=0,05Ом х 4A=0,2В
- P=0,2В х 4A=0,8Вт
Мощность потерь, которую способен рассеивать транзистор в корпусе ТО-220 составляет чуть более 1 Вт, так что в этом случае можно обойтись без радиатора. Однако, уже для тока 10А потери составят 5Вт, так что без радиатора никак не обойтись.
Следовательно, чем меньше RDSon, тем лучше. Поэтому при выборе MOSFET транзистора для конкретного применения следует всегда принимать во внимание этот параметр.
На практике с увеличением допустимого напряжения UDSmax растет сопротивление исток-сток. По этой причине не следует выбирать транзисторы с большим, чем это требуется UDSmax.