Принцип работы полевого транзистора для чайников: для чего он нужен и как работает

Резюме полевых полетов против полевого МОП-транзистора

JFET и MOSFET являются двумя наиболее популярными полевыми транзисторами, обычно используемыми в электронных схемах. Как JFET, так и MOSFET являются полупроводниковыми устройствами, управляемыми напряжением, используемыми для усиления слабых сигналов с использованием эффекта электрического поля. Само название указывает на атрибуты устройства. Хотя они имеют общие атрибуты, соответствующие усилению и переключению, они имеют свою долю различий. JFET работает только в режиме истощения, тогда как MOSFET работает как в режиме истощения, так и в режиме улучшения. МОП-транзисторы используются в схемах СБИС из-за их дорогостоящего производственного процесса против менее дорогих JFET, которые в основном используются в приложениях с малым сигналом.

JFET’İN ÇALIŞMASI

JFET’in çalışmasını Şekil 3 deki n-kanal JFET üzerinde açıklayalım. VDD gerilimi drain-source voltajını sağlar ve drain’den source’a akan akımı oluşturur. VGG gerilimi de gate-source arasındaki ters kutuplama voltajını sağlar.

JFET her zaman gate-source pn ekleminin ters kutuplanmasıyla çalıştırılır. Gate-source ekleminin negatif bir gerilimle ters kutuplanması n-kanalda fakirleşmiş bir bölge oluşturur ve direncini arttırır. Kanal genişliği, gate voltajı ayarlanarak kontrol edilebilir ve böylece ID drain akımı da kontrol edilebilir. Bu işlemler Şekil 3.(b) ve (c) de gösterilir.

Gate bölgesindeki p tipi malzemeyi çeviren beyaz alanlar, ters kutuplama ile oluşan fakirleşmiş bölgeyi temsil eder. Bu fakirleşmiş bölge, kanalın drain ucuna doğru daha geniştir, çünkü gate ve drain arasındaki ters kutuplama gerilimi, gate ve source arasındaki gerilimden daha büyüktür.


Şekil 3. VGG’nin kanal genişliğine ve drain akımına etkileri (VGG=VGS)

KESİM VOLTAJI

ID akımını yaklaşık sıfır yapan VGS gerilimine kesim (cutoff) voltajı, VGS(off) denir. JFET, VGS=0 ve VGS(off) değerleri arasında çalıştırılmalıdır. Bu aralıktaki gate-source gerilimleri için, ID akımı, maksimum değer olan IDSS’den minimum değer olan sıfır arasında değişecektir.

N-kanal JFET için, daha negatif VGS gerilimi, sabit akım bölgesinde daha küçük ID akımı oluşturacaktır. Eğer VGS yeteri kadar büyük bir negatif değer ise, ID akımı sıfıra düşecektir. Bu kesim etkisi, Şekil 6 da gösterildiği gibi, fakirleşmiş bölgenin, kanalın tamamen kapandığı noktaya kadar genişlemesiyle oluşur.

Şekil 6. Kesim anında JFET

P-kanal JFET’in çalışması da aynen n-kanal JFET’te olduğu gibidir, farklı olarak sadece negatif bir VDD ve pozitif bir VGS gerilimine ihtiyaç duyar.

JFET GİRİŞ DRENCİ ve KAPASİTESİ

JFET, gate-source ekleminin ters kutuplanmasıyla çalışır. Bundan dolayı, gate ucundaki giriş direnci oldukça yüksektir. Bu yüksek giriş direnci, JFET’in bipolar transistörlere karşı bir avantajıdır (bipolar transistörler doğru yönde kutuplanmış beyz-emiter eklemine sahiptir).

Giriş direncini hesaplamak için genellikle kataloglarda verilen belirli bir gate-source voltajındaki ters akım değeri, IGSS, kullanılır ve aşağıdaki formülle hesaplanır.

JFET’in giriş kapasitesi, Ciss, bipolar transistörden daha büyüktür çünkü ters kutuplanmış pn eklemiyle çalışmaktadır.

Benzer Yazılar

  • JFET ‘in Karakteristiği
  • JFET
  • JFET ‘in Çalışması
  • JFET KARAKTERİSTİKLERİ
  • BİRLEŞİM ALAN ETKİLİ TRANSİSTÖR (JFET)
  • JFET’in ÇALIŞMASI
  • JFET ‘inTransfer Karakteristiği
  • JFET ‘in Polarmalandırılması
  • JFET – BİRLEŞİM ALAN ETKİLİ TRANSİSTÖR

Области применения полевых транзисторов

КМОП-структуры, строящиеся из комплементарной пары полевых транзисторов с каналами разного (p- и n-) типа, широко используются в цифровых и аналоговых интегральных схемах.

За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов).

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные электронные часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет от одного миниатюрного источника питания — батарейки или аккумулятора, потому что практически не потребляют энергии.

В настоящее время полевые транзисторы находят всё более широкое применение в различных радиоустройствах, где с успехом заменяют биполярные. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет увеличить частоту несущего сигнала, обеспечивая такие устройства высокой помехоустойчивостью. Обладая низким сопротивлением в открытом состоянии, находят применение в оконечных каскадах усилителей мощности звуковых частот высокой мощности (Hi-Fi), где с успехом заменяют биполярные транзисторы и электронные лампы. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — приборы, сочетающие биполярные и полевые транзисторы, — находят применение в устройствах большой мощности, например в устройствах плавного пуска, где успешно вытесняют тиристоры.

Кратко о IGBT

Модуль IGBT также является полностью управляемым коммутатором с тремя контактами (затвор, коллектор и эмиттер). Его управляющий сигнал подается между затвором и эмиттером и нагрузкой между коллектором и эмиттером. 

Модуль IGBT специально разработан для быстрого включения и выключения. Фактически частота повторения импульсов достигает УЗ диапазона. Эта уникальная способность делает IGBT часто используемыми в усилителях класса D для синтеза сложных сигналов с широтно-импульсной модуляцией и фильтрами нижних частот. Они также используются для генерации импульсов большой мощности в таких областях, как физика элементарных частиц и плазма, а также играют важную роль в современных устройствах — электромобили, электровелосипеды, поезда, холодильники с регулируемой скоростью вращения компрессора, кондиционеры и многое другое. 

Виды транзисторов

Существует несколько видов транзисторов. Их около четырёх. Однако основные из них это:

  • Полевые.
  • Биполярные.

Остальные виды собираются из полевых и биполярных. Рассмотрим более подробно каждый вид.

Полевые

Суть этого прибора заключается в управлении параметрами электрического сигнала с помощью электрического поля. Оно появляется при подаче напряжения к какому-либо из выводов:

  1. Затвор нужен для регулирования параметров сигнала, благодаря подаче напряжения на него.
  2. Сток — вывод, через который из канала уходят носители заряда (дырки и электроны).
  3. Исток — вывод, через который в канал приходят электроны и дырки.

Такой транзистор состоит из полупроводника с определённой проводимостью и двух областей, помещённых в него с противоположной проводимостью. При подаче напряжения на затвор между этими двумя областями появляется пространство, через которое протекает ток. Это пространство называется каналом. Ширина этого канала регулируется напряжением, которое мы подаём на затвор. Соответственно, можно увеличивать и уменьшать ширину канала и управлять протекающим током.

Теперь поговорим о приборе с изолированным затвором. Разница в том, что в первом случае этот переход есть всегда, даже когда на затвор не подавалось напряжение. А при его подаче, переход и токопроводящий канал менялись в зависимости от полярности и амплитуды напряжения. Металлический затвор в таких транзисторах изолирован диэлектриком от полупроводниковой области. Их входное сопротивление гораздо больше.

Существует два вида приборов с изолированным затвором:

  • Со встроенным каналом.
  • С индуцированным каналом.

Встроенный канал позволяет протекать электрическому току с определённой амплитудой. При подаче напряжения с определённой амплитудой и полярностью мы можем менять ширину канала и его проводимость. Этот канал встраивается в транзисторы на производственных предприятиях.

Индуцированный канал появляется между двумя областями, о которых мы говорили выше, только при подаче напряжения определённой полярности на затвор. То есть, когда на затвор напряжение не подаётся, ток в нем не протекает.

Все виды полевых транзисторов отличаются друг от друга по следующим параметрам:

  1. Входное сопротивление.
  2. Амплитуда напряжения, которое необходимо подать на затвор.
  3. Полярность.

Каждый из этих видов полевых транзисторов необходим для сборки определённых электрических и логических схем. Так как для реализации двух разных устройств необходимо разные электрические параметры.

Биполярные

Слово «биполярные» означает две полярности. То есть, такие приборы имеют две полярности, благодаря особенностям своего строения. Особенность их строения заключается в том, что они состоят из трёх полупроводниковых областей. Типы проводимости бывают следующими:

  1. Электронная, далее n.
  2. Дырочная, далее p.

Соответственно, можно сделать вывод, что существует два вида биполярных транзисторов:

  • pnp;
  • npn.

Разница между ними заключается в том, что для корректной работы необходимо подавать напряжение разной полярности. К каждой из трёх полупроводниковых областей подключено по одному выводу. Всего их три:

  1. База — центральный слой. Он является самым тонким. На выводе базы находится управляющий ток с небольшой амплитудой.
  2. Коллектор — один из крайних слоёв. Он является самым широким. На него подаётся ток с большой амплитудой.
  3. Эмиттер — вывод, на который подаётся ток с коллектора. На его выходе амплитуда тока немного больше, чем на входе.

Существует три схемы подключения биполярных транзисторов:

  1. С общим эмиттером — входной сигнал подаётся на базу, а выходной снимается с коллектора.
  2. С общим коллектором — входной сигнал подаётся на базу, а снимается с эмиттера.
  3. С общей базой — входной сигнал подаётся на эмиттер, а снимается с коллектора.

Благодаря нескольким электронно-дырочным переходам, образующимся в биполярном транзисторе, можно управлять параметрами электрического сигнала. Полярность и амплитуда подаваемого напряжения зависят от типа биполярного транзистора.

История создания полевых транзисторов

Схема полевого транзистора

В 1953 году Дейки и Росс предложили и реализовали конструкцию полевого транзистора — с управляющим p-n-переходом.

Впервые идея регулировки потока основных носителей электрическим полем в транзисторе с изолированным затвором была предложена Лилиенфельдом в 1926—1928 годах. Однако трудности в реализации этой идеи на практике позволили создать первый работающий прибор только в 1960 году. В 1966 году Карвер Мид (англ.)русск. усовершенствовал эту конструкцию, шунтировав электроды такого прибора диодом Шоттки.

В 1977 году Джеймс Маккаллахем из Bell Labs установил, что использование полевых транзисторов может существенно увеличить производительность существующих вычислительных систем.

Распространённые типы полевых транзисторов

В настоящее время в радиоаппаратуре применяются ПТ двух основных типов – с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором. Опишем подробнее каждую модификацию.

Управляющий p-n-переход

Эти полевые транзисторы представляют собой удлинённый полупроводниковый кристалл, противоположные концы которого с металлическими выводами играют роль стока и истока. Функцию затвора исполняет небольшая область с обратной проводимостью, внедрённая в центральную часть кристалла. Так же, как сток и исток, затвор комплектуется металлическим выводом.

Электронно-дырочный p-n-переход в таких полевых транзисторах получил название управляющего, поскольку напрямую изменяет мощность потока носителей заряда, представляя собой физическое препятствие для электронов или дырок (в зависимости от типа проводимости основного кристалла).

Изолированный затвор

Конструкция этих полевых транзисторов отличается от описанных выше ПТ с управляющим p-n-переходом. Здесь полупроводниковый кристалл играет роль подложки, в которую на некотором удалении друг от друга внедрены две области с обратной проводимостью. Это исток и сток соответственно. Функцию затвора исполняет металлический вывод, который отделяется от кристалла слоем диэлектрика и, таким образом, электрически с ним не контактирует.

Из-за того, что в конструкции этих полевых транзисторов используются три типа материалов – металл, диэлектрик и полупроводник, – данные радиокомпоненты часто именуют МДП-транзисторами. В элементах, которые формируются в кремниевых микросхемах планарно-эпитаксиальными методами, в качестве диэлектрического слоя используется оксид кремния, в связи с чем буква «Д» в аббревиатуре заменяется на «О», и такие компоненты получают название МОП-транзисторов.

Полевой транзистор на схеме.

Существует два вида этих полевых транзисторов – с индуцированным и встроенным каналом. В первых физический канал отсутствует и возникает только в результате воздействия электрического поля от затвора на подложку. Во-вторых канал между истоком и стоком физически внедрён в подложку, и напряжение на затворе требуется не для формирования канала, а лишь для управления его характеристиками. Схемотехническое преимущество ПТ с изолированным затвором перед транзисторами с управляющим p-n-переходом заключается в более высоком входном сопротивлении.

Будет интересно Что такое NTC термисторы

Это расширяет возможности применения данных элементов. К примеру, они используются в высокоточных устройствах и прочей аппаратуре, критичной к электрическим режимам. В силу конструктивных особенностей МОП-транзисторы чрезвычайно чувствительны к внешним электрическим полям

Это вынуждает соблюдать особые меры предосторожности при работе с этими радиодеталями. В частности, в процессе пайки необходимо использовать паяльную станцию с заземлением, а, кроме того, заземляться должен и человек, выполняющий пайку

Даже маломощное статическое электричество способно повредить полевой транзистор.

Классификация транзисторов.

3.3. Особенности птш на основе GaAs

Ввиду высокой подвижности электронов
насыщение дрейфовой скорости электронов
в канале происходит при полях
кВ/см (в Si — прикВ/см). Длина канала мала, поэтому эффект
проявляется уже при малых напряжениях.
Если длина каналамкм, то даже при равномерном распределении
продольного поля в канале его пороговое
значениедостигается приВ.

Таким образом, ПТШ на основе
GaAs
практически всегда работают в режиме
насыщения дрейфовой скорости электронов
в канале. Следствиями этого являются
эффекты ограничения тока стока насыщения
и модуляция эффективной длины канала.

Пусть ПТШ
работает на границе крутой
и пологой областейВАХ, когда
продольное поле составляетна границе со стоком (,,).

Для крутой областисправедливо соотношение (2.1.9) раздела
2.1 (идеальная модель). На границе крутой
и пологой областей ток насыщения равен:

,
(3.3.1)

где
,.

Рис.3.3

Для ПТУП величина R
в два раза меньше (толщина канала =
2а)

В плоскости
электроны имеют скорость,
и

,
т.е.

(3.3.2)

Соотношения
(3.3.1) и (3.3.2), определяют зависимость
(если исключить из них параметр).

Приближенное
решение:

.

;

Рис.3.4

Эквивалентная схема ПТШ такая же, как
ПТ с управляющим р-ппереходом, ноемкости Cgs
и Cgd
не включают диффузионные емкости диодов
Dgs
и
Dgd.

Основные
преимущества ПТШ:

1). Очень
высокое быстродействие (ГГц).

2). Высокая
удельная крутизна ВАХ (мСм/мм).

3). Малый шум
в диапазоне СВЧ.

4). Широкий температурный диапазон (до
200оС).

Основные
области применения на СВЧ:

Малошумящие
усилители, генераторы СВЧ мощности,
смесители.

Рассмотренный
ПТШ имел однородно легированный канал.
Разновидностью ПТШ является ПТШ с δ– легированным каналом ( рис.3.5)

Рис.3.5
Примесный профиль ПТШ с однородным
(а) илегированным(б) каналом.

В этих
транзисторах барьерный n– слой легируется слабее (N
5
1016cм-3),
а необходимая для обеспечения заданного
порогового напряжения примесная доза
сосредоточена в тонком (~ 15 нм)n+–
слое (δ– слое). ПТШ сδ– легированным каналом обеспечивает
большее значение максимальной крутизны
и предельной частоты. В этом транзисторе
ОПЗ под затвором полностью перекрывает
барьерныйn-–
слой, выполняющий роль подзатворного
диэлектрика. Поэтому удельная барьерная
емкость затвор-канал

не зависит
от напряжения, и ВАХ ПТШ с
длинным каналом
соответствуют теории идеализированного
МДПТ с той разницей, что привозможно протекание затворного тока
через диодыDgsиDgd.

В заключение
отметим, что при равной длине канала
GaAsПТШ существенно
превосходят кремниевые МДПТ по удельной
крутизне ВАХ (200 –300 мСм/мм), предельной
частоте (выше 100 ГГц приL
=
0,1 мкм), шумовым свойствам и
температурному диапазону (от 77 К до ~
450 К). Основными областями их применения
являются малошумящие СВЧ усилители,
генераторы СВЧ мощности, смесители и
другие устройства аналоговой СВЧ
техники. На основе ПТШ производятся и
цифровые СБИС гигагерцового диапазона,
по степени интеграции мало уступающие
кремниевым.

Основные результатыраздела 3

1. Основными
преимуществами GaAs как материала
микроэлектроники являются высокая
подвижность электронов, малая энергия
активации доноров, большая ширина
запрещенной зоны и возможность превращения
легированного полупроводника в
полуизолятор. Эти свойства способствуют
повышению быстродействия, расширению
рабочего температурного диапазона и
повышению стойкости к внешним воздействиям
полупроводниковых приборов на основе
GaAs.

2. К недостаткам GaAs по сравнению с
традиционным кремнием относятся
повышенная плотность дефектов, меньшая
механическая прочность и теплопроводность,
меньшая подвижность дырок, отсутствие
высококачественного собственного
окисла, высокая стоимость исходного
материала.

3.
Базовым активным прибором GaAs ИС является
полевой транзистор с затвором Шоттки
(ПТШ). ПТШ с однородно легированным
каналом близки по своим свойствам к
полевым транзисторам с управляющимр-ппереходом, однако существенно превосходят
их по быстродействию и компактности
структуры в ИС. ПТШ слегированным
каналом близки по свойствам к МДПТ, но
существенно превосходят кремниевые
МДПТ по удельной крутизне ВАХ, предельной
частоте, шумовым свойствам и температурному
диапазону.

4. Применение
GaAs как исходного материала ИС целесообразно
в тех случаях, когда необходимые свойства
изделий не могут быть получены при
использовании кремния.

Моп-транзисторы с изолированным затвором. Принцип действия, эффект поля.

Определение: Это полевой транзистор,
имеющий один или несколько затворов,
электрически изолированных от проводящего
канала. В качестве изоляции между каждым
Ме затвором и проводящим каналом исп-ся
оксид п/п и полевой транзистор имеет
тип Ме-оксид-п/п (МОП-транзистор).

МОП-транзисторый делятся на полевые
транзисторы с индуцированнымивстроеннымканалами.

Принцип действия: Управление током
за счёт изменения сечения канала
вследствие изменения ширины перехода
при изменении входного напряжения
(напряжения затвора).

1)
МОП-транзистор с индуцированным каналомn-типа представляет собой
тонкую слабо легированную пластинку
кремния р-типа, в котрой сделаны 2 сильно
легированные областиn-типа,
расстояние между которыми порядка 10
мкм. На области, в которой создаётся
токопроводящий канал, выращивается
тонкий слойSiO2, на
который напыляется алюминий и
изготавливаются 3 электрода:исток,стокизатвор. В основе работы
МОП-транзистора
с индуц. каналом лежит
явление инверсии проводимости
приповерхностного слоя (эффект поля).
Это явление заключается в том, что под
действием эл. поля электроны притягиваются
к пов-ти п/п р-типа и в этой области п/п
мин. значение энергии, которой может
обладать электрон, находящийся в зоне
проводимости, должно быть ниже, чем в
остальном объёме п/п. Существует пороговое
напряжение, по превышении которого эн.
зоны искривляются вниз настолько сильно,
что вблизи поверхности образуется
инверсионный эл. слой (индуцированный
канал) способный пропускать ток.

2) МОП-транзистор со встроенным каналом
имеет между стоком и истоком тонкий
слой n-типа у самой
поверхности. В таком транзисторе при
отсутствии внеш. напряжения на затворе
канал будет замкнут, и в цепи сток-исток
будет протекать ток. Такой МОП-транзистор
может работать как при положительном
(обогащение канала носителями), так и
при отрицательном напряжении затвора
(режим обеднения).

4.2.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором

В

Рис.4.23.
Структура полевого транзистора

с
изолированным затвором

рассмотренном полевом транзисторе
затвор отделен от канала обратно
смещенным р-n-переходом.
Однако затвор от канала можно отделить
тонким изолирующим слоем, образовав
его над каналом перед изготовлением
электрода затвора. При очень тонком
изолирующем слое проникновение поля в
канал не ухудшается. Если для изолятора
выбран материал с высоким сопротивлением,
ток затвора может быть, чрезвычайно
низким, не зависящем от полярности
приложенного к затвору напряжения (в
этом отличие от ПТ с р-n-переходом).
Такие структуры называют полевыми
транзисторами с изолированным затвором.

Емкостные механизмы ложного открывания

Несколько ложных механизмов включения могут создавать сложности при разработке импульсного источника питания. Открывают список два из них. Они связаны с паразитными емкостями транзистора и переходными процессами. Переходные процессы возникают из-за изменения напряжения на индуктивности. Происходит это во время переключения состояния MOSFET.

Первый механизм связан с емкостью Миллера CDG и емкостью затвора CGS. Если к выключенному MOSFET приложить напряжение VDS, то фронт этого напряжения наводит ток, протекающий через емкость Миллера, емкость затвора, в итоге на сопротивлении цепи затвора (RG) создается падение напряжения (рис. 4). Если образующийся потенциал превысит пороговое напряжение затвора, произойдет ложное открывание транзистора.

Рис. 4. Емкость Миллера с емкостью затвор-исток образуют делитель напряжения

С ростом температуры увеличивается вероятность ложного открывания транзистора из-за тока, наведенного фронтом напряжения VDS.

Данная проблема актуальна, когда синхронный понижающий конвертер преобразует напряжение с 12 до 1,8 В или ниже, а выход продолжительное время нагружен на индуктивную нагрузку. В этом случае ключ нижнего плеча проводит ток нагрузки большую часть времени. Когда ключ верхнего плеча запирается, индуктивность коммутируется вниз через внутренний диод транзистора нижнего плеча, затем транзистор нижнего плеча включается. Напряжение «сток-исток» верхнего ключа быстро поднимается от 0 В (включенное состояние) до примерно VCC-VF (выключенное состояние минус напряжение падения на диоде). В это время транзистор весьма восприимчив к ложному отпиранию. Вероятность этого настолько высока, что для качественной оценки используется соотношение QGS и QGD; выбирая MOSFET, мы должны руководствоваться этим соотношением. Чем выше QGD и ниже QGS, тем выше вероятность, что произойдет ложное открывание. Низкое значение RG, низкий выходной импеданс драйвера затвора и низкий импеданс трассировки позволяют качественнее удерживать устройство в запертом состоянии.

Если в устройстве имеются подозрения на ложные открывания, понаблюдайте за напряжениями VGS, VDS и током ID. Когда нижний ключ отпирается, мы наблюдаем короткий положительный импульс на VGS и связанное с ним понижение VDS. Для борьбы с этим эффектом можно выбрать MOSFET с низкой емкостью CDG, высокой емкостью CGS и более высоким порогом отпирания. Возможна установка дополнительного конденсатора между затвором и истоком. При установке CGS увеличивается суммарный заряд затвора, необходимый для достижения порогового напряжения отпирания MOSFET. Емкость CGS ослабляет влияние эффекта Миллера, заряжаясь создаваемым им током и препятствуя возникновению тока в цепи затвора. Однако этот способ очень редко используется на практике, поскольку увеличение емкости в цепи затвора приводит к росту потерь переключения MOSFET.

Второй емкостной механизм связан с внутренним NPN-транзистором, сформированным в структуре MOSFET. Переход «база-эмиттер» этого транзистора обладает низким, но не нулевым сопротивлением. Падение напряжения, вызванное протеканием тока по этому сопротивлению, заряжает емкость Миллера (рис. 5)

Рис. 5. Тип включения, при котором внутренний транзистор структуры MOSFET оказывает дополнительное влияние

Сравнение IGBT с MOSFET

Структуры обоих транзисторов очень похожи друг на друга. Что касается протекания тока, важным отличием является добавление слоя подложки P-типа под слой подложки N-типа в структуре модуля IGBT. В этом дополнительном слое дырки вводятся в слой с высоким сопротивлением N-типа, создавая избыток носителей. Это увеличение проводимости в N-слое помогает уменьшить общее напряжение во включенном состоянии в IGBT-модуле. К сожалению, это также блокирует поток электроэнергии в обратном направлении. Поэтому в схему добавлен специальный диод, который расположен параллельно с IGBT чтобы проводить ток в противоположном направлении. 

Что такое MOSFET?

MOSFET представляет собой четырехполюсный полупроводниковый полевой транзистор, изготовленный контролируемым окислением кремния и где приложенное напряжение определяет электропроводность устройства. MOSFET представляет собой транзистор с полевым эффектом на основе оксида металла. Затвор, который расположен между каналами источника и стока, электрически изолирован от канала тонким слоем оксида металла. Идея состоит в том, чтобы контролировать напряжение и ток между каналами источника и стока. МОП-транзисторы играют важную роль в интегральных схемах из-за их высокого входного импеданса. Они в основном используются в усилителях мощности и переключателях, а также играют важную роль в разработке встроенных систем в качестве функциональных элементов.

Они обычно подразделяются на две конфигурации:

  • Режим истощения MOSFET — Устройства обычно «ВКЛЮЧЕНЫ», когда напряжение затвор-источник равно нулю. Напряжение приложения ниже, чем напряжение стока от источника
  • Режим улучшения MOSFET — Устройства обычно «ВЫКЛ», когда напряжение затвор-источник равно нулю.

Температурная зависимость параметров птуп

При изменении
температуры свойства полупроводниковых
материалов изменяются. Это приводит к
изменению параметров полевого транзистора,
в первую очередь, тока стока, крутизны
и тока утечки затвора.

Зависимость
изменения тока стока от температуры
определяется двумя факторами: контактной
разностью потенциалов p-n-перехода
и изменением подвижности основных
носителей заряда в канале. При повышении
температуры контактная разность
потенциалов уменьшается, ширина перехода
также уменьшается, канал расширяется,
сопротивление его падает, а ток стока
увеличивается. Но повышение температуры
приводит к уменьшению подвижности
носителей заряда в канале и тока стока.
Первое сказывается при малых токах
стока, второе – при больших.

При
определенных условиях действие этих
факторов взаимно компенсируется, и ток
полевого транзистора не зависит от
температуры. На рис. 4.22 приведены
стоко-затворные характеристики при
различных температурах окружающей
среды и указано положение термостабильной
точки (ТСТ).

Для кремниевых
транзисторов крутизна (S) с увеличе­нием
температуры уменьшается.С
повышением температуры увели­чивается
собственная проводимость полупроводника,
возрастает входной ток затвора (Iз)
через переход и, следовательно, уменьшается
Rвх.
У полевых кремниевых транзисторов с
p-n-переходом при комнатной температуре
ток затвора порядка 1 нА. При увеличении
температуры ток удваивается на каждые
10 °С. Хотя абсолютное изменение тока
незначительно, его надо учитывать при
больших сопротивлениях в цепи затвора.
В этом случае изменение тока затвора
может вызвать существенное изменение
напряжения на затворе полевого транзистора
и режима его работы.

Кратко о MOSFET

MOSFET — это управляемый переключатель с тремя контактами (затвор, сток и исток). Сигнал затвора (управления) подается между затвором и истоком, а контактами переключения являются сток и исток. Сам затвор выполнен из металла и отделен от истока оксидом металла в качестве диэлектрика. Это позволяет снизить энергопотребление и делает этот транзистор отличным выбором для использования в качестве электронного переключателя или усилителя в схеме с общим истоком. 

Существует много различных типов МОП-транзисторов, но наиболее сопоставимыми с IGBT являются мощные MOSFET. Они специально разработаны для работы со значительными уровнями мощности и используются чаще всего только во включенном или выключенном состояниях, что делает их наиболее используемым ключом для низковольтных схем. По сравнению с IGBT, мощные полевые МОП-транзисторы имеют преимущества — более высокую скорость коммутации и более высокую эффективность при работе при низких напряжениях. Более того, такая схема может выдерживать высокое напряжение блокировки и поддерживать высокий ток. Это связано с тем что большинство мощных МОП-структур являются вертикальными (а не плоскими). Номинальное напряжение является прямой функцией легирования и толщины эпитаксиального слоя с примесью N-типа, а ток зависит от ширины канала (чем шире канал, тем выше ток).

Подведем итог

Многие из вышеупомянутых фактов касаются исторической основы обоих устройств. Достижения и технологические прорывы в разработке нового оборудования, а также использование новых материалов, таких как карбид кремния (SiC), привели к значительному улучшению производительности этих радиодеталей за последние годы. 

МОП-транзистор: 

  • Высокая частота переключения.
  • Лучшие динамические параметры и более низкое энергопотребление драйвера. 
  • Более низкая емкость затвора.
  • Более низкое термосопротивление, которое приводит к лучшему рассеиванию мощности.
  • Более короткое время нарастания и спада, что означает способность работать на более высоких частотах.

IGBT модуль: 

  • Улучшенная технология производства, которая приводит к снижению затрат.
  • Лучшая устойчивость к перегрузкам.
  • Улучшенная способность распараллеливания схемы.
  • Более быстрое и плавное включение и выключение.
  • Снижение потерь при включении и при переключении.
  • Снижение входной мощности.

В любом случае модули MOSFET и IGBT быстро заменяют большинство старых полупроводниковых и механических устройств, используемых для управления током. Силовые устройства на основе SiC демонстрируют такие преимущества как меньшие потери, меньшие размеры и более высокая эффективность. Подобные инновации будут продолжать расширять пределы использования MOSFET и IGBT транзисторов для схем с более высоким напряжением и большей мощностью.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий