Униполярные транзисторы (MOSFET)

Униполярный транзистор внешний видС биполярными транзисторами мы уже давно познакомились, еще несколько статей назад. Но есть еще и другие типы транзисторов, о которых вы может быть слышали, но с работой которых еще не сталкивались. Пора их изучить!

На этот раз мы расскажем вам о униполярных транзисторах. Мы обсудим их преимущества и недостатки, чтобы понять, в каких случаях их можно использовать.

Перед чтением этой статьи убедитесь, что вы ознакомились со статьей, в котором мы рассмотрели биполярные транзисторы. На этом этапе должно быть очевидно, например, что у такого элемента есть три вывода (ножки). Также важно, что биполярные транзисторы являются элементами с регулируемым током — это означает, что для того, чтобы «включить» элемент, подключенный к транзистору, мы должны заставить ток протекать через его базу до соответствующего значения.

Типы униполярных транзисторов

Униполярные транзисторы бывают разных типов, каждый из которых полностью отличается от других. На этот раз мы обсудим популярные MOSFET (металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы), потому что они чаще всего используются в ситуациях, когда необходимо управлять компонентом, потребляющим большой ток (например, двигателем).

Типы униполярных транзисторов
Типы униполярных транзисторов — выделим, среди прочего JFET и MOSFET транзисторы с обедненным и обогащенным каналом

Здесь стоит упомянуть, что большинство интегральных схем производятся с использованием только униполярных транзисторов. Позже в этой статье мы обсудим особенности, которые делают эти типы транзисторов столь широко используемыми.

Как устроен полевой МОП-транзистор?

Внутренняя структура транзистора — сложная тема, но можно кратко написать, что находится внутри MOSFET:

  • ворота, обозначенные буквой G ( gate ) — это металлизированное покрытие,
  • изолятор из оксида кремния — отделяет затвор от других компонентов,
  • подложка, обозначенная буквой B ( bulk ) — полупроводник, легированный противоположным типу канала (какие каналы мы сейчас расскажем),
  • сток, обозначенный буквой D, и исток, обозначенный буквой S — это легированные области, на которой они расположены.
Легирование заключается во введении дополнительных атомов в чистый кремний. Эти атомы находятся в его кристаллической решетке и радикально меняют ее электрические свойства.
Упрощенная конструкция транзистора
Упрощенная конструкция внутренней части транзистора
У большинства полевых МОП-транзисторов, подложка подключена к источнику. Поэтому у элементов этого типа всего три распиновки.

Немного теории (для любознательных)

Если мы добавим так называемых доноров, то есть атомы, у которых на один валентный электрон больше, чем у кремния, мы получим полупроводник N-типа. В таком полупроводнике свободные электроны от примеси становятся носителями тока. В свою очередь, полупроводник P-типа образуется после добавления так называемого акцептора, то есть атома с одним валентным электроном меньше, чем у кремния.

Например , N-канальные транзисторы (такие как BS170) имеют подложку P- типа , а сток и исток — N типа. Существуют также транзисторы с каналом P-типа — в их случае подложка легирована донорами, а сток и исток — акцепторами.

Если вы не понимаете теоретического описания того, как работают транзисторы, не волнуйтесь. Это действительно сложная тема — самое важное (на данный момент) — изучить работу этих элементов на практике!

Принцип работы полевого МОП-транзистора

Самый популярный тип транзисторов — транзисторы с обогащенным каналом, в которых канал формируется при прохождении напряжения между затвором и истоком. Другой тип, менее популярный, тип МОП-транзисторов, с так называемым обедненным каналом, в рамках этой статьи мы обсуждать не будем.

Ток через выключенный транзистор в цепи сток-исток не протекает. Это связано с тем, что сток имеет более высокий потенциал, чем подложка, которая контактирует с ним (подключена к истоку), что смещает сформированный там PN-переход. Другими словами, расположенный там диод «случайно» забивается. Этот диод часто помещают даже на принципиальные схемы внутри полевого МОП-транзистора.

Внутренний выпрямительный диод в транзисторе
Внутренний выпрямительный диод в транзисторе и обозначение MOSFET-транзистора на схемах
Выпрямительный диод позволяет защитить транзистор от перенапряжения — как диод, включаемый катушкой реле.

Ситуация начинает меняться, когда мы начинаем подавать на затвор положительное напряжение относительно источника. Затвор изолирован от остальной части транзистора, поэтому через него не течет ток. Напротив затвора, с другой стороны изолятора, находится подложка с множеством положительных носителей. Положительный потенциал затвора толкает их глубже в подложку, в результате чего атомы и электроны притягиваются со всей подложки в области под затвором.

Накопление электронов в области под затвором называется инверсионным слоем. Он имеет тот же тип проводимости, что и сток и исток, что означает, что диод на стоке перестает существовать, и ток течет через транзистор.

Откуда взялись эти электроны? В полупроводнике P-типа они естественным образом встречаются (производятся из кремния). Когда электронный слой становится «толстым», образуется канал, по которому может течь ток между стоком и истоком. Этот канал относится к типу N, т.к. он образован электронами.

Когда транзистор начинает проводить?

Резонно задать вопрос: при каком напряжении затвор-исток может протекать ток через транзистор? Этот параметр называется пороговым напряжением (U GSth ) — при его течении в транзисторе создается канал. Фактически, ток протекает через транзистор при любом напряжении затвор-исток, но он может быть очень и очень малым.

Производители всегда предоставляют пороговое напряжение при фиксированном токе стока (ID). В этом случае протекающий ток считается «значительным», что является проблемой. К сожалению, каждый производитель определяет пороговое напряжение по-разному, т.е. с удобным для него током стока. Лучше всего проверить это самим в документации по транзисторам. Например, следующая фотография представляет собой выдержку из таблицы данных 2N7000, которая очень похожа на BS170.

Фрагмент паспорта транзистора
Фрагмент из документации транзистора 2Н7000

Важнейшие параметры МОП-транзисторов

MOSFET-транзисторы, как и биполярные транзисторы, имеют множество различных параметров. Однако мы сосредоточимся на тех, которые являются наиболее важными с точки зрения «управляемого переключателя». Энтузиасты DIY используют их чаще всего в своих проектах.

  • Сопротивление открытого канала — когда напряжение затвор-исток (UGS) в несколько раз превышает пороговое напряжение, тогда создаваемый канал достаточно широк, и его дальнейшее расширение ничего не меняет, потому что задействованы другие ограничения, такие как ширина протекания канала или контактное сопротивление. В этом состоянии транзистор ведет себя как резистор с сопротивлением от нескольких Ом до нескольких миллиомов.
Чем ниже это сопротивление, тем меньше будет рассеиваемая мощность.
  • Максимальное напряжение затвор-исток — затвор и исток разделены очень тонким слоем диэлектрика, который можно пробить, если к нему приложить слишком высокое напряжение.
Будьте осторожны, не привышайте максимальное напряжение, иначе это может привести к разрушению транзистора.
  • Максимальный ток стока — максимальный ток, которым может управлять транзистор.
  • Максимальное напряжение сток-исток — как и в случае максимального UGS — превышение допустимого UDS может привести к выходу из строя транзистора.
  • Максимальная потеря мощности — результат нагрева транзистора при протекании тока.

Как можно быстро повредить полевой МОП-транзистор?

В отличие от биполярных транзисторов, полевые МОП-транзисторы очень чувствительны к электростатическим зарядам. Такие заряды накапливаются повсюду, в том числе на поверхности нашего тела. Характерный «электрический удар» ощущается при разности потенциалов в тысячи вольт. Такие же напряжения могут накапливаться в структуре транзистора, поскольку его затвор идеально изолирован от стока и истока.

Почему мы об этом говорим? Достаточно взглянуть на любой технический паспорт этого типа транзистора, чтобы понять, что максимальное напряжение UGS составляет всего 20 В!

Вывести из строя транзистор легко — достаточно неосторожно прикоснуться к транзистору в тот момент, когда наше тело электростатически заряжено.
Электростатический заряд
Электростатический заряд может легко повредить MOSFET-транзистор

По этой причине, эти транзисторы следует хранить в антистатических пакетах, которые легко узнать по тому факту, что они сделаны из материала, похожего на металл. В качестве альтернативы их также можно вставить в специальную токопроводящую губку, которая закорачивает все три клеммы. Короткое замыкание между ножками разрядит транзистор и устранит угрозу.

Проводящая губкаСпециальный пакет
Токопроводящая губкаСпециальный пакет ESD

Если у вас нет антистатического пакета или специальной губки, выводы этих транзисторов можно закоротить, например, алюминиевой фольгой. С другой стороны, когда мы создаем более крупную схему, например, припаивая ее к плате, стоит установить транзисторы MOSFET в самом конце (если это возможно).

Конечно, впадать в крайности тоже не стоит. Во время тренировки вы можете прикоснуться к этому элементу, как и к любому другому. Шанс повредить его относительно невелик. Однако стоит иметь в виду, что теоретически может случиться так, что такой транзистор не будет работать должным образом. Тогда стоит разрядить накопившиеся заряды и начать эксперименты с новым транзистором.

MOSFET-транзистор — влияние резистора затвора

Большинство полевых МОП-транзисторов используются как переключатели, управляемые напряжением. Эти элементы очень популярны по двум причинам. Во-первых, их ворота не потребляют электричество. Во-вторых, из-за низкого сопротивления открытого канала происходят очень маленькие потери (что всегда является большим преимуществом).

Лучше всего проверить это на практике. На этот раз для выполнения упражнения вам понадобятся:

  • 1 × зуммер с генератором,
  • 1 × транзистор BS170,
  • Резистор 1 × 100 R,
  • Резистор 1 × 1 кОм,
  • Резистор 1 × 1М,
  • Батарея 4 × AA,
  • 1 × корзина для 4 батареек АА,
  • 1 × макетная плата,
  • Комплект соединительных проводов.
Описание выводов транзистора BS170
Описание выводов транзистора BS170 (слева вид снизу, т.е. со стороны выводов)

Теперь нам необходимо собрать простую схему, в которой мы заменим резистор, подключенный к затвору — пусть в начале он будет 10 кОм. Если хотите, для безопасности, при сборке схемы, можно закоротить ножки транзистора фольгой — не забудьте снять ее непосредственно перед подключением батареи.

Использование полевого МОП-транзистора
Пример использования полевого МОП-транзистора

На практике схема может выглядеть так:

СхемаMOSFET
Схема на макетной платеMOSFET на практике

Если схема собрана правильно, зуммер должен пищать. В такой ситуации стоит измерить ток, протекающий через зуммер, и напряжение между стоком и истоком транзистора. Также стоит измерить напряжение между выводами резистора.

Измерение напряжения сток-истокИзмерение тока стока
Измерение напряжения сток-истокИзмерение тока стока
Измерение напряжения затвор-истокИзмерение тока затвора
Измерение напряжения затвор-истокИзмерение тока затвора

Когда измерения готовы, замените наш резистор на резистор большего размера, то есть на 1 МОм, и повторите измерения, затем то же самое для резистора 100 Ом. Наконец, также стоит проверить, что произойдет, если мы подключим затвор через резистор к земле.

Схема с заземлением
Схема с заземлением

В этом эксперименте, каждый раз, напряжение транзистора UGS превышало пороговое значение напряжения. Это произошло из-за того, что исток был подключен к земле, а затвор — к напряжению, близкому к +6 В, а пороговое напряжение этого транзистора было от 2 до 3 В. В свою очередь, подключение затвора к земле вызвал исчезновение канала и отсутствие тока, потому что UGS = 0.

Идеально работающий мультиметр имел бы бесконечно большое сопротивление. Однако наш мультиметр имеет сопротивление 1 МОм, что приводит к большим искажениям при последовательном измерении с R = 1 МОм.
Результаты, полученные в упражнении
Результаты, полученные нами в этом упражнении, могут отличаться от ваших

Собранные в таблице данные, наглядно показывают состояние засорения и насыщения транзистора. В насыщенном состоянии (когда UGS намного больше, чем UGSth), сопротивление между стоком и истоком незначительно, следовательно, падение напряжения составляет порядка нескольких мВ, а сток ограничен током, ограниченным только зуммером. В засоренном состоянии сопротивление настолько велико, что ток стока практически не течет, и почти все напряжение протекает между стоком и истоком. Все эти наблюдения не зависят от используемого резистора затвора (ситуация была бы иной в случае с биполярными транзисторами).

Если резистор удален из работающей схемы (что мы не рекомендуем делать из-за возможности повреждения транзистора), зуммер все еще мог бы издавать звуковой сигнал. Почему? Затвор отделен от канала изолятором, поэтому там создается емкость, то есть там есть небольшой внутренний конденсатор. Только через некоторое время из-за несовершенства изолятора он разрядится.

MOSFET-транзистор — влияние напряжения затвора

Мы уже знаем, что резистор на затворе MOSFET не влияет на работу схемы, т.к. затвор практически не потребляет ток. В такой ситуации смена резистора, ограничивающего максимальный ток, ничего не меняет. Именно здесь напряжение затвор-исток является ключевым.

Поэтому, на этот раз, мы проверим, как ведет себя эта схема, когда мы подаем на затвор другое напряжение. Для этой цели мы, конечно, будем использовать потенциометр в качестве делителя напряжения. Поворачивая головку потенциометра, мы сможем плавно регулировать напряжение, которое попадает на затвор.

Схема схемы
Схема с потенциометром

Собранная схема на практике может выглядеть так:

Схема сборкиРеализация схемы
Схема сборкиПримерная реализация схемы

После включения питания, зуммер может свистеть, а может и не свистеть — все зависит от настройки потенциометра. Вначале стоит повернуть ее в сторону понижения, чтобы схема не издавала ни звука. В этом случае на затвор подается очень небольшое напряжение, поэтому ничего не происходит. Итак, мы начинаем медленно поворачивать головку потенциометра в другую сторону. В какой-то момент зуммер начнет издавать мягкий звук — это признак того, что транзистор начинает проводить (из-за превышения порогового напряжения).

Пороговое напряжение в документации
Пороговое напряжение в документации транзистора BS170

В этой ситуации стоит измерить напряжение между затвором и истоком (т.е. землей). Во время этого эксперимента зуммер начинал пищать, когда напряжение составляло 1,86 В.

Пример измерения напряжения UGSth
Пример измерения напряжения UGSth

При дальнейшем повороте головки, зуммер начинает звучать громче. Итак, мы находимся в линейной области — увеличение напряжения, протекающего на затвор, заставляет больше тока течь между истоком и стоком. Однако в какой-то момент мы дойдем до того, что дальнейшее изменение настроек потенциометра не повлияет на громкость зуммера — это так называемая область насыщения, которая возникает, когда на затвор подается напряжение более 2,6 В. В этой ситуации, ток, протекающий через полевой МОП-транзистор, ограничивается только зуммером, подключенным последовательно со стоком.

Когда стоит использовать полевые МОП-транзисторы?

Биполярные и униполярные транзисторы — очень важные элементы, но возникает вопрос: когда их использовать? Оба типа имеют свои преимущества и недостатки, поэтому в некоторых проектах, один имеет преимущество перед другим. Использование биполярных транзисторов, безусловно, заслуживает внимания, когда схема питается от низкого напряжения (например, 1,5 В или 3,3 В), поскольку для ее работы достаточно напряжения 0,7 В. Униполярный транзистор может быть еще не полностью открыт в этих условиях.

МОП-транзисторы рекомендуются для управления нагрузками, потребляющими токи в диапазоне ампер, поскольку управляющий элемент (например, Arduino) не должен подавать на них питание — этого достаточно, чтобы установить достаточно высокий потенциал. Чтобы полностью открыть транзистор, приложите напряжение, в несколько раз превышающее пороговое напряжение между затвором и истоком (это напряжение включения).

МОП-транзисторы практически не потребляют ток от цепи, которая контролирует их работу!

Использование униполярных транзисторов рекомендуется там, где важно потребление тока. В некоторых проектах, особенно в схемах с питанием от небольших батарей, даже несколько микроампер, потребляемых базой биполярного транзистора, могут значительно сократить время работы устройства.

Между эмиттером и коллектором полностью включенного (насыщенного) биполярного транзистора создается постоянное напряжение — обычно 0,2 В, но это значение может быть выше для мощных транзисторов. У униполярных транзисторов есть только сопротивление открытого канала, поэтому падение напряжения на них зависит от протекающего тока.

Напоследок еще одно практическое замечание. Если нам нужно контролировать, например, 10 так называемых сверхярких светодиодов, каждый через отдельный транзистор, то следует использовать 10 биполярных транзисторов вместе с 10 резисторами, по одному на каждую базу. Между тем, использование полевых МОП-транзисторов устранит необходимость в дополнительных резисторах, что сэкономит место на плате.

Астабильный мультивибратор на MOSFET транзисторах

MOSFET-транзисторы имеют такой же эффект, что и их биполярные «коллеги», поэтому их можно использовать для создания подобных схем. В рамках еще одного практического эксперимента мы соберем нестабильный мультивибратор на базе полевых МОП-транзисторов. В одной из статей мы описали такую ​​схему на биполярных транзисторах. Тогда схема была такая:

Схема нестабильного мультивибратора на биполярных транзисторах
Схема нестабильного мультивибратора на биполярных транзисторах

Однако на этот раз мы должны внести небольшое изменение. Новая схема будет выглядеть так:

Схема нестабильного мультивибратора на MOSFET транзисторах
Схема нестабильного мультивибратора на MOSFET транзисторах

Помимо замены самих транзисторов, изменилась и схема подключения. Резисторы R1 и R2 выполняют ту же роль, что и раньше, то есть ограничивают ток, протекающий через светодиоды. Однако резисторы R3 и R4, которые раньше питали базы транзисторов напрямую от батареи, теперь поляризовывают затворы прямо из стоков. Оба транзистора имеют разную полярность — потенциал стока «передается» через резистор на затвор.

Схема сборки мультивибратораПримерная реализация схемы на плате
Схема сборки мультивибратораПримерная реализация схемы

В устойчивом состоянии, без конденсаторов, каждый светодиод будет немного светиться. Определенные потенциалы будут установлены на затворах (через резисторы R3 и R4): меньше, чем у источника питания (6 В), и больше, чем 0 В. Менее 6 В, потому что подача 6 В на затвор полностью откроет такой транзистор и уменьшит его потенциал стока до нуля. Больше 0 вольт, потому что подача 0 вольт на затвор приведет к засорению транзистора и увеличению его потенциала стока до 6 вольт.

Такое включение R3 и R4 приводит к тому, что состояние равновесия устанавливается автоматически (где-то между этими значениями напряжения).

Конденсаторы C1 и C2 соединяют эти транзисторы вместе. Засорение одного (уменьшение потенциала затвора) вызывает автоматическое открытие другого (увеличение потенциала затвора). Чем больше открыт транзистор, тем ярче светит диод. В то время его сосед тоже забился больше. В этой схеме быстро развивается состояние, в котором транзисторы работают практически в двух состояниях: одно из них проводит ток, затем другое — не проводит, и цикл замыкается.

Мультивибратор на транзисторах MOSFET N (горит красный светодиод)Мультивибратор на транзисторах MOSFET N (горит синий светодиод)
Мультивибратор на транзисторах MOSFET N (горит красный светодиод)Мультивибратор на транзисторах MOSFET N (горит синий светодиод)

Дополнительный резистор у ворот?

На многих схемах можно увидеть следующую картину: относительно небольшой резистор (несколько десятков Ом) включен последовательно с затвором полевого МОП-транзистора. Примерная схема такого типа показана на следующем рисунке — независимо от схемы. Остановимся только на анализе фрагмента с транзистором.

Фрагмент схемы с небольшим резистором
Фрагмент схемы с небольшим резистором на затворе полевого МОП-транзистора

Хотя постоянный ток через затвор практически не течет (минимальный поток только из-за диэлектрических недостатков), переменный ток делает это с большим удовольствием. Это потому, что между затвором и другими электродами есть изолятор. Это приводит к появлению там весьма значительной емкости.

Емкость полевого МОП-транзистора
Емкость полевого МОП-транзистора

Эти конденсаторы должны заряжаться, когда транзистор включен, и разряжаться, когда транзистор выключен. Производители стараются поддерживать эти мощности на минимальном уровне, потому что только тогда их можно быстро перезагрузить. Для обсуждаемого BS170 производитель дает 40 пФ входной емкости, то есть сумму значений обоих выделенных конденсаторов.

В свою очередь, популярный BUZ11 имеет входную емкость 2 нФ, что в 50 раз больше! Добавление резистора увеличивает время перезарядки этой емкости, но снижает ток.

В случае частого переключения (например, при управлении мощностью с помощью ШИМ) такие «скачки» могут даже перегреть интегральную схему, управляющую затвором.

Самые популярные MOSFET-транзисторы

В магазинах доступно несколько сотен типов MOSFET-транзисторов, а общее количество произведенных типов во много раз больше. Однако для новичков будут полезны те, которые дешевы и доступны по цене:

IRFZ44N — легко прикручивается к радиатору, имеет низкое сопротивление открытого канала (17,5 мОм) и может проводить большие токи (до 49 А). К сожалению, он имеет высокое пороговое напряжение (2-4 В), поэтому мы рекомендуем управлять им от более высокого напряжения, например 12 В.

Описание выводов транзистора IRFZ44N
Описание выводов транзистора IRFZ44N (слева вид снизу, т.е. со стороны выводов)

IRL2703 — он немного слабее (максимальный ток стока 24 А) и имеет более высокое сопротивление открытого канала (40 мОм), но его пороговое напряжение составляет около 1 В, поэтому можно попробовать управлять им напрямую с микроконтроллера, питаемого от 5 В.

Описание выводов транзистора IRL2703
Описание выводов транзистора IRL2703 (слева вид снизу, т.е. со стороны выводов)

BSS123 — выпускается в небольшом корпусе для поверхностного монтажа (SMD), что может усложнить установку для новичков. Его параметры не впечатляют: сопротивление открытого канала 10 Ом (при U GS = 4,5 В) и максимальный ток стока 170 мА. Однако он идеально подходит для прямого управления с микроконтроллеров на 5 В.

Описание выводов SMD транзистора BSS123
Описание выводов SMD транзистора BSS123 (слева — вид сверху)

Вывод

Униполярные транзисторы — это просто необходимые и очень нужные элементы, которые, несомненно, пригодятся вам в ваших будущих проектах. Эта статья была предназначена только для обсуждения самой важной группы, то есть транзисторов типа MOSFET с обогащенным каналом.

Как минимум, после изучения данной статьи следует помнить, что полевые МОП-транзисторы — это элементы, протекающий ток в которых, зависит от значения приложенного напряжения, а не от базового тока. Благодаря этому полевые МОП-транзисторы практически не потребляют ток схемы, которая контролирует их работу.

С Уважением, МониторБанк

Добавить комментарий