В семействе полевых транзисторов есть отдельная группа – Mosfet. Она существенно отличается от своих «сослуживцев», а их работа мало похожа на транзисторы. Скорее всего это что-то среднее между тиристором и триодом. В первой части этой статьи рассмотрены их свойства и характеристики.
Определение и свойства Mosfet-транзисторов
Аббревиатура MOSFET состоит из Metal-Oxide-Semiconductor (металл-окисел-полупроводник) и Field-Effect-Transistors (полем управляемый транзистор). То есть, полупроводниковый прибор управляется полем, которое создаётся действием напряжения на затворе относительно истока. Результат управления заключается во включении цепи сток-исток, т.е. перехода её из высокоомного состояния в низкоомное. Причём для управления мощность, практически, не затрачивается.
Итак, силовой переход Mosfet-транзистора имеет сопротивление в выключенном состоянии – мегаомы. А значит эти приборы являются высокоэкономичными выключателями. Но при их включении – миллиомы, что даёт незначительное падение напряжения на этих устройствах. Таким образом Mosfet-транзистор может эффективно управлять высокотоковыми нагрузками. Причём скорость коммутации зависит от ёмкости управляющего перехода и временем включения/выключения транзистора. Поэтому данный тип полевика является ещё и довольно скоростным.
Параметры транзисторов Mosfet
Основные характеристики полупроводникового прибора ключевого типа определяются, по большей части, электрическими, температурными и скоростными параметрами.
Максимально допустимое напряжение затвор-исток
У Mosfet-транзисторов затвор изолирован, чаще всего плёнкой диоксида кремния SiO₂. Она легко повреждается при воздействии напряжения между затвор и истоком, которое превышает определённое значение. При этом его полярность для пробоя изоляционного барьера не имеет значения. А так, как этот слой диэлектрика не связан с типом полупроводника и носителей заряда, то его пробой ведёт к повреждению прибора и полному выходу изделия из строя.
Напряжение исток-сток
Напряжение силовой цепи Mosfet, практически, соответствует значению пробоя основного канала транзистора, находящегося в закрытом состоянии. После выхода прибора из такого режима, если он не перегрелся и не повредился чрезмерным током, то он восстанавливается. Обычно значение этого параметра указывается для температуры 25°С, потому что данная характеристика сильно зависит от неё. Однако, в выгодную для применения сторону (см. график).
Максимальная сила тока
Предельно допустимый ток имеется ввиду для цепи сток-исток. Его максимальное значение указывается для определённой температуры. Потому что большой ток вызывает нагрев прибора и при плохом теплоотводе повреждение (сплавление) кристалла может наступить уже при токе, много меньшем, чем этот параметр.
Но даже, если температуру принудительно поддерживать в пределах указанного значения, то превышающий эту характеристику ток, всё-ровно повредит устройство. Поэтому данный параметр может указываться не только для определённой температуры, но и ещё для площади теплоотвода.
Сопротивление открытого канала сток-исток
Под этим параметром имеется ввиду сопротивление силовой цепи транзистора Mosfet в режиме насыщения. Ниже будет более подробно описано об этом.
Максимальная мощность рассеивания
Мощность рассеивания – это значение энергии, которую прибор может «гасить» на себе. Поэтому не следует считать, что эта характеристика равна мощности нагрузки. На практике мосфеты с мощностью рассеивания в единицы ватт могут коммутировать нагрузки в десятки и даже сотню ватт. Это связано с небольшим падением напряжения на устройстве и много большим значением самого питания.
Также этот параметр указывается для определённых значений температуры окружающей среды и свойств теплоотвода. С радиатором транзистор может на себе рассеивать мощность, превышающую в разы, чем та, которая определена без него. Но опять же, всё это будет справедливо, если отведение тепла внутри устройства будет надлежащее. Для этого в корпусах изделий проделываются вентиляционные отверстия. Или же корпус имеет теплоотводящую стенку. Их нельзя закрывать или укутывать, чтобы рассеиваемая мощность на самом деле куда-то рассеивалась.
Пороговое напряжение включения транзистора
Значение напряжения, приложенного для N-канального транзистора плюсом к затвору и минусом к стоку (для P-канального наоборот), при котором начинается лавинный процесс открытия транзистора. Этот параметр имеет большую зависимость от температуры, что непременно используют в электронике (см. график).
Полевые транзисторы Mosfet, кроме функции переключателей напряжения, выполняют ещё и роль датчиков температуры. По порогу их срабатывания контроллеры определяют температуру греющихся компонентов печатной платы и их самих на ней.
Скоростные характеристики Mosfet-транзисторов
К временным параметрам можно отнести:
- Время задержки включения – это наносекунды, пролетающие за время накопления заряда до напряжения открывания (порогового напряжения) транзистора;
- Время задержки выключения – то же, но снижение заряда до того же порога;
- Время спада тока – период, за который ток стока с 90% действующего значения снизится до 10%, при действии напряжения на затворе выше порогового.
Есть ещё паразитное последовательное сопротивление затвора, которое в значительной степени ограничивает время включения силовой цепи при больших значениях тока в ней.
Впрочем, здесь рассмотрены только основные характеристики, которые являются определяющими для использования в приборах электротехники или замены их аналогами.
Отличительные особенности транзисторов типа Mosfet
Основной отличительной особенностью Mosfet-транзисторов является то, что они могут работать только в ключевом режиме. Для усиления аналогового сигнала они непригодны, разве что с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Время переключения этих транзисторов составляет 10нс – 100нс. При жёсткой коммутации это будет составлять 100кГц – 250кГц, а при мягкой, до 250кГц – 500кГц, а то и больше. Поэтому они могут работать в цифровых каскадах усилителей мощности звуковых частот (УМЗЧ).
Ещё одной отличительной особенностью является то, что Mosfet-транзисторы имеют изолированный затвор, поэтому они управляются не током, а полем. Поэтому требуется защищать их от статического электричества, которое своим воздействием может включить силовую цепь. Для предотвращения такого явления вводят обратную связь или усложняют систему управления.
Следует знать: При выпаивании Mosfet-транзисторов, если паяльник имеет питание от сети ~230В, необходимо заземлить его жало. А на руку нужно одеть антистатический браслет и подключить его тоже к земле. Иначе, при гальваническом контакте с затвором возможен пробой управляющего перехода, если в этот момент в сети произойдут коммутационные включения/выключения, сгенерировавшие помеху.
«Диод» в составе Mosfet-транзистора
В графическом отображении Mosfet-транзистора параллельно выводам стока и истока изображают обычный диод или с какими-то особенностями, он похож на отображение тунельного диода или стабилитрона. Создаётся впечатление, что он служит в качестве защиты от перенапряжения или чего-то другого, так как многие приборы этого типа имеют напряжение сток-истока всего десятки вольт.
На самом деле это паразитный «диод», образованный структурой Mosfet-транзистора. Если внимательно её рассмотреть, то между отводами стока и истока можно заметить «биполярный транзистор», структуры n-p-n для N-канального варианта, вывод базы у которого закорочен с эмиттером перемычкой. А вот база с выводом стока (коллектора паразитного транзистора) имеет ёмкость. Поэтому образованный таким образом «конденсатор» с «диодом» изображают похожим на стабилитрон или тунельный диод.
Разные технологии пытаются от него избавиться или, хотя бы, увеличить его быстродействие. Потому что такому «диоду» требуется 0,3-1 мкс, чтобы перейти в непроводящее состояние при смене полярности, что следует учитывать. Поэтому принято схематически отображать его наличие. Может быть появятся транзисторы без данного явления и это в схеме будет заметным. Но в настоящее время такого ещё не произошло, во всяком случае, подобная информация нам не встречалась. Если что знаете по этому поводу – пишите!
Так что у Mosfet, в случае превышения разности потенциалов на затворе выше определённого значения, есть все возможности пробиться и больше не восстановиться. А вот на сток-истоке электрический пробой может не повредить прибор, если температура не вырастет выше порогового значения. Почему «может», потому что Mosfet-транзисторы, обычно имеют ячеистую структуру, поэтому весьма вероятное локальное повреждение вызовет лавинообразную порчу всего прибора. Вот почему «шутить» с этим не стоит.
Да, мосфеты выдерживают огромные токи, которые не под силу даже некоторым участкам дорожек печатных плат. Но вот пробой – реальная угроза для таких представителей полевых транзисторов. Ещё очень опасен вторичный пробой с полной потерей управляемости транзистора. Он может произойти из-за резких изменений напряжения между истоком и стоком. Причиной его возникновения служит рассматриваемый нами паразитный «диод».
Омическое сопротивление силовой цепи в открытом состоянии
Ещё одной интересной особенностью Mosfet-транзистора является сопротивление цепи сток-исток в открытом состоянии, которое приближенно к омическому. Оно имеет почти прямую ветвь вольтамперной характеристики. Это положительно содействует при параллельном включении нескольких таких элементов. В топологии это используется для построения шунтов измерения постоянного тока, совмещённых с ключом.
Всё же, это сопротивление имеет ещё нелинейную зависимость от напряжения затвор-исток. Также, почти линейную характеристику его значения от температуры кристалла. И не только, ещё и от тока в цепи стока, причём линейность именно у этой характеристики зависит от напряжения в силовой цепи (см. картинку 2).
Вообще-то, если Mosfet-транзистор находится не в режиме отсечки, то он может быть не только в линейной области, но и в области насыщения. Также ещё есть пороговая проводимость. Причём значение этого порога сильно зависит от температуры перехода и возрастает с её повышением. Потому, состояние «открытым» у такого типа транзисторов можно считать условным, ведь это не триггер и не тиристор. Все зависимости и характеристики, также их кривые для разных моделей Mosfet-транзисторов могут сильно отличаться.
Паразитные ёмкости Mosfet-транзистора
Все переходы Mosfet-транзистора имеют некоторые ёмкости. Их производные образуют такие характеристики, состоящие из ёмкостей переходов:
- Входная – из ёмкостей затвор-сток + затвор-исток;
- Проходная – значением ёмкости сток-исток;
- Выходная – сумме ёмкостей сток-исток и затвор-исток.
Все эти ёмкости являются паразитными и сказываются на инерционности активного полупроводникового прибора. Отрадным в этом плане является то, что их значения имеют весомые уменьшения при увеличении напряжения сток-исток. Это позиционирует в технике с увеличенным напряжением питания (см. график).
Для устранения влияния входной ёмкости, каскады, управляющие Mosfet-транзисторами, рассчитывают под определённую модель прибора. Их заполнение должно беспрепятственно сказываться на общей работоспособности системы.
Параллельное включение транзисторов Mosfet
При параллельном соединении Mosfet-транзисторов с использованием индивидуальных резисторов, включенных в цепь затвора, мощностные и токовые параметры пропорционально увеличиваются.
Применение таких затворных сопротивлений снижает общую входную ёмкость составного компонента. Суммарное значение входного сопротивления будет прямо пропорционально средней величине индивидуальных резисторов и обратно пропорционально их количеству в составном каскаде. Но, в условиях высокого входного сопротивления полевика с изолированным затвором это малозначимо.
Заключение
В этой статье рассмотрены лишь некоторые положения, касающиеся общих свойств полевых транзисторов типа Mosfet. Их применение и рассмотрение схемотехнических решений для самостоятельного повторения предполагается сделать во второй части статьи. Интересные и проверенные схемы, представленные в комментариях, могут быть опубликованы.
