MOSFET-транзисторы

MOSFET-транзистор, определение и типы

MOSFET-транзисторы – полевые транзисторы с изолированным затвором. Расшифровка аббревиатуры - Metal-Oxide-Semiconductor (металл – окисел – полупроводник) и Field-Effect-Transistors (транзистор, управляемый электрическим полем) Вообще класс полевых транзисторов включает полупроводниковые приборы, управляемые внутренним полем. Внутреннее поле создается напряжением, поэтому полевые транзисторы, в отличие от биполярных транзисторов управляются напряжением! Именно это свойство обеспечивает широкое применение полевых транзисторов.

Ключевыми преимуществами MOSFET-транзисторов являются:

- малая энергия на переключение транзисторы (фактически нужно только перезарядить емкость затвора);

- высокая скорость переключения;

- во включённом состоянии представляет собой омическое сопротивление.

MOSFET-транзисторы как и биполярные транзисторы имеют две основных типа структуры: n-канальные и p-канальные.

Не вдаваясь во внутренние подробности строения MOSFET транзисторов укажем основные отличия в принципе управления:

- n-канальный MOSFET-транзистор открывается положительной полярностью напряжения затвор-исток, и в открытом состоянии пропускает ток от стока к истоку;

- p-канальный MOSFET-транзистор открывается отрицательной полярностью напряжения затвор-исток, и в открытом состоянии пропускает ток от истока к стоку.

По той же причине, что и в биполярных транзисторах, n-канальные MOSFET-транзисторы шустрее p-канальных MOSFET-транзисторов.

Условные обозначения транзисторов n-канального и p-канального MOSFET-транзисторов представлены на рисунке MOSFET.1.

Особенности MOSFET-транзисторов. Реверсный диод в составе MOSFET-транзистора

MOSFET-транзистор в открытом состоянии фактически представляет собой сопротивление. То есть падение напряжения на транзисторе зависит только от его тока. Это очень важное отличие от биполярного транзистора и IGBT-транзистора, всегда имеющих некоторое падение напряжение в открытом состоянии.

В закрытом состоянии сопротивление MOSFET-транзистора составляет десятки-сотни МОм. В открытом – от единиц Ом до единиц миллиОм. Впрочем, сопротивление MOSFET-транзистора в открытом состоянии непостоянно – оно несколько увеличивается с ростом тока. Как правило, не более чем 20-25% при изменении тока от минимального значения до максимального.

Необходимо отметить, что из-за особенностей внутренней структуры MOSFET-транзистор имеет в своем составе паразитный обратный диод, включенный параллельно стоку-истоку, который иногда приводят в условном обозначении транзистора (рисунок MOSFET.2). Если быть до конца точным, то паразитный диод является следствием паразитного транзистора присутствующего в конструкции MOSFET-транзистора. При изготовлении база транзистора электрически соединяется с истоком и коллекторный переход выполняет роль обратного диода.

Падение напряжения на обратном диоде составляет 0,6-0,8 В, что меньше падения напряжения на обычном кремниевом p-n диоде (рисунок MOSFET.3). Именно по этой причине параллельное включение внешних обратных диодов бессмысленно. Ложку дегтя еще добавляет и то, что этот диод достаточно медленный, то есть достаточно долго (порядка 0,3-1 мкс) переходит в непроводящее состояние при смене полярности тока. Существуют схемотехнические способы обойти этот диод например путем последовательного включения в цепь стока диода Шоттки и «обходного» быстродействующего диода включаемого параллельно цепи транзистора и диода.

Достаточно подробно про внутреннюю структуру MOSFET-транзисторов изложено в [Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. Дьяконов В.П.,Максимчк А.А.,Ремиев А.М.,Смердов В.Ю. СОЛОН-Р. 2002. 512 с.].

Применение MOSFET-транзисторов

Области использования MOSFET-транзисторов:

- в импульсных преобразователях и стабилизаторах;

- в генераторных устройствах;

- в усилительных каскадах (особенно в звуковых Hi-Fi усилителях);

- в твердотельных реле;

- в качестве элемента логических схем.

Основные преимущества MOSFET-транзисторов проявляются при их использовании в качестве ключевых элементов.

При всех преимуществах MOSFET-транзисторы достаточно «нежные» существа: боятся статического электричества, разрушаются при перегреве свыше 150 °С. Из этого следует то, что полевые транзисторы более критичны к перегреву при пайке по сравнению с биполярными, а также то, что с ними целесообразно работать при условии защиты от статического электричества.

Основные параметры MOSFET-транзистора

Ниже перечислены основные параметры MOSFET-транзистора данные на которые приводятся в справочных листках - datasheet-ах:

1. Максимальное напряжение сток-исток (Drain-Source Voltage) V_DS – максимально допустимое напряжение между стоком и истоком транзистора.

2. Сопротивление сток-исток R_DS – сопротивление между стоком и истоком в открытом состоянии. При заданном напряжении затвор-исток. И токе стока.

3. Максимальное напряжение затвор-исток (Gate-Source Voltage) V_GS – максимальное управляющее напряжение затвор-исток. При превышении этого напряжения возможен пробой затворного диэлектрика и выход транзистора из строя.

4. Максимальный ток стока в непрерывном режиме (Continuous Drain Current) I_D – максимальная величина постоянно протекающего тока стока в непрерывном режиме. Зависит от температуры корпуса транзистора и условий теплоотвода.

5. Максимальный импульсный ток стока (Pulsed Drain Current) I_DM - максимальная величина импульсного тока стока. Зависит от коэффициента заполнения, условий теплоотвода. Принципиально ограничивается энергией рассеивания кристалла.

6. Энергия рассеивания кристалла (Single Pulse Avalanche Energy) E_AS – максимальная энергия, которая может быть рассеяна на кристалле транзистора без его разрушения.

7. Максимальная рассеиваемая мощность (Maximum Power Dissipation) P_D – максимальная тепловая мощность, которая может быть отведена от корпуса транзистора (при заданной температуре корпуса транзистора).

8. Диапазон рабочих температур - диапазон температур, в пределах которого допускается эксплуатация транзистора.

8. Тепловое сопротивление транзистор-воздух R_thJA (Maximum Junction-to-Ambient) - максимальное тепловое сопротивление транзистор-воздух (при условии свободного конвективного теплообмена).

9. Тепловое сопротивление корпус транзистора – теплоотвод (Case-to-Sink, Flat, Greased Surface) R_thCS - максимальное тепловое сопротивление перехода корпус транзистора – теплоотвод. При условии плоской блестящей поверхности теплоотвода.

10. Тепловое сопротивление корпус транзистора (Maximum Junction-to-Case (Drain) R_thJC - максимальное тепловое сопротивление кристалл - корпус транзистора.

11. Пороговое напряжение затвор-исток (Gate-Source Threshold Voltage) V_GS(th) - пороговое напряжение затвор-исток, при котором начинается переход транзистора в проводящее состояние.

12. Ток утечки стока (Zero Gate Voltage Drain Current) I_DSS – ток стока выключенного транзистора (при нулевом напряжении затвор-исток). Значительно зависит от температуры.

13. Ток утечки затвора (Gate-Source Leakage) I_GSS – ток через затвор при некотором (как правило максимальном) напряжении затвор-исток.

14. Входная емкость (Input Capacitance) C_iss – суммарная емкость затвор-исток и емкость затвор-сток (при некотором напряжении сток-исток).

15. Выходная емкость (Output Capacitance) C_oss – суммарная емкость затвор-сток и емкость сток-исток.

16. Проходная емкость (Reverse Transfer Capacitance) C_rss – емкость затвор-сток.

17. Общий заряд затвора (Total Gate Charge) Q_g – суммарный заряд затвора, необходимый для перевода транзистора в проводящее состояние.

18. Заряд затвор-исток (Gate-Source Charge) Q_gs – заряд емкости затвор-исток.

20. Заряд затвор-сток (Gate-Drain Charge) Q_gd - заряд емкости затвор-сток.

21. Время задержки включения (Turn-On Delay Time) t_d₍_on₎ – время за которое транзистор накапливает заряд до напряжения на затворе, при котором транзистор начинает открываться.

22. Время роста тока через транзистор (Rise Time) – время, за которое происходит нарастание тока стока транзистора от 10% до 90%.

23. Время задержки выключения (Turn-Off Delay Time) t_d₍_off₎ – время за которое заряд затвора становится меньшим заряда включения, и транзистор начинает закрываться.

24. Время спада тока через транзистор (Fall Time) - время, за которое происходит спад тока стока транзистора от 10% до 90%.

25. Индуктивность вывода стока (Internal Drain Inductance) L_D – паразитная индуктивность вывода стока транзистора.

26. Индуктивность вывода истока (Internal Source Inductance) L_S – паразитная индуктивность вывода истока транзистора.

27. Постоянный прямой ток через обратный диод (Continuous Source-Drain Diode Current) I_S – максимальное значение постоянно протекающего прямого тока через паразитный p-n диод.

28. Импульсный ток через обратный диод (Pulsed Diode Forward Current) I_SM – максимальное значение постоянно протекающего прямого тока через паразитный p-n диод.

29. Падение напряжения на диоде (Body Diode Voltage) V_SD – прямое падение напряжения на диоде. При заданных температуре и токе истока.

30. Время восстановления паразитного диода (Body Diode Reverse Recovery Time) t_rr - время восстановления обратной проводимости паразитного диода.

31. Заряд восстановления паразитного диода (Body Diode Reverse Recovery Charge) Q_rr – заряд необходимый для восстановления обратной проводимости паразитного диода.

32. Время включения паразитного диода (Forward Turn-On Time) t_on - время перехода диода в проводящее состояние. Обычно составляет пренебрежимо малую величину.

33. Паразитное сопротивление затвора (Gate resistance) R_G – паразитное последовательное сопротивление затвора. Именно оно ограничивает скорость переключения при управляющем драйвере с большим выходным током.

Паразитные емкости MOSFET-транзистора

На рисунке MOSFET.4 представлены паразитные емкости MOSFET-транзистора. Их всего три – емкость «затвор-исток», «затвор–сток», «сток-исток». И три их производные – входная емкость (Input Capacitance), проходная емкость (Reverse Transfer Capacitance), выходная емкость (Output Capacitance).

Инерционность MOSFET-транзистора, определяющая времена включения и выключения лимитируется, прежде всего, паразитными емкостями транзистора.

В реальности паразитные емкости не являются постоянными величинами: их величина сильно зависит от напряжения между их «обкладками»: при малых значениях напряжения сток-исток ёмкости имеют значительную величину (например, на порядок превышающие численные значения, указанные в справочных листках) которые быстро уменьшается с ростом напряжения сток-исток (рисунок MOSFET.5). Поэтому все справочные значения емкости справедливы при определенном значении напряжения сток-исток.

Для мощных MOSFET-транзисторов на динамику включения-выключения влияет и паразитное сопротивление затвора.

Детально влияние емкостей на процесс коммутации MOSFET транзистора и проявление так называемого эффекта Миллера представлено в разделе «Управление MOSFET и IGBT транзисторами. Схемотехнические решения. Расчет».

Параллельное включение MOSFET-транзисторов

По причине того, что во включенном состоянии MOSFET-транзистор фактически представляет собой сопротивление, MOSFET-транзисторы легко объединяются параллельно. При этом пропорционально увеличиваются токовые и мощностные характеристики.

Для подавления возможных паразитных осцилляций целесообразно развязывать управляющие затворы через затворные резисторы (рисунок MOSFET.6).