Spínací součástky výkonové elektroniky, jako jsou BJT, MOSFET, IGBT, SCR, TRIAC atd., jsou základními zařízeními používanými při návrhu mnoha obvodů, od jednoduchých řídicích obvodů až po složité výkonové usměrňovače a měniče. Nejzákladnější z nich je BJT a my jsme se již seznámili s fungováním tranzistorů BJT. Vedle BJT jsou široce používanými výkonovými spínači tranzistory MOSFET. Oproti BJT zvládne MOSFET vysoké napětí a velký proud, proto je oblíbený mezi výkonovými aplikacemi. V tomto článku se seznámíme se základy tranzistorů MOSFET, jejich vnitřní konstrukcí, fungováním a jejich použitím při návrhu obvodů. Pokud chcete přeskočit teorii, můžete se podívat na článek o populárních tranzistorech MOSFET a o tom, kde je použít, abyste urychlili výběr součástek a proces návrhu.
Co je to MOSFET?
MOSFET je zkratka pro Metal Oxide Field Effect Transistor, MOSFET byl vynalezen k překonání nevýhod přítomných u FETů, jako je vysoký odpor drain, střední vstupní impedance a pomalejší provoz. MOSFET lze tedy označit za pokročilou formu FET. V některých případech se tranzistory MOSFET nazývají také IGFET (Insulated Gate Field Effect Transistor). Prakticky řečeno, MOSFET je zařízení řízené napětím, což znamená, že přivedením jmenovitého napětí na vývod hradla začne MOSFET vést přes vývod Drain a Source. K podrobnostem se dostaneme později v tomto článku.
Hlavní rozdíl mezi FET a MOSFET spočívá v tom, že MOSFET má elektrodu z oxidu kovu Gate elektricky izolovanou od hlavního polovodičového n-kanálu nebo p-kanálu tenkou vrstvou oxidu křemičitého nebo skla. Izolace řídicí brány zvyšuje vstupní odpor MOSFETu extrémně vysoko v hodnotách megaohmů (MΩ).
Symbol MOSFETu
Všeobecně je MOSFET čtyřsvorkové zařízení se svorkami Drain (D), Source (S), Gate (G) a Body (B) / Substrate. Svorka těla bude vždy připojena ke svorce zdroje, proto bude MOSFET pracovat jako třísvorkové zařízení. Na následujícím obrázku je vlevo znázorněn symbol N-kanálového MOSFETu a vpravo symbol P-kanálového MOSFETu.
Nejčastěji používaným pouzdrem pro MOSFET je To-220. Pro lepší pochopení se podívejme na vývody známého MOSFETu IRF540N (na obrázku níže). Jak vidíte, níže jsou uvedeny vývody Gate, Drain a Source, nezapomeňte, že pořadí těchto vývodů se mění v závislosti na výrobci. Dalšími oblíbenými tranzistory MOSFET jsou IRFZ44N, BS170, IRF520, 2N7000 atd
MOSFET jako spínač
Nejčastější aplikací tranzistoru MOSFET je jeho použití jako spínače. Níže uvedené zapojení ukazuje MOSFET pracující jako spínací zařízení pro zapnutí a vypnutí lampy. Vstupní napětí hradla VGS je přivedeno pomocí zdroje vstupního napětí. Pokud je přiložené napětí kladné, motor bude v zapnutém stavu a pokud je přiložené napětí nulové nebo záporné, lampa bude ve vypnutém stavu.
Pokud Mosfet zapnete přivedením požadovaného napětí na vývod hradla, zůstane zapnutý, pokud na hradlo nepřivedete 0V. Abychom se tomuto problému vyhnuli, měli bychom vždy použít pull-down rezistor (R1), zde jsem použil hodnotu 10k. V aplikacích, jako je řízení rychlosti motoru nebo stmívání světla, bychom použili PWM signál pro rychlé spínání, během tohoto scénáře bude kapacita hradla MOSFETu vytvářet zpětný proud v důsledku parazitního efektu. Abychom to vyřešili, měli bychom použít kondenzátor omezující proud, zde jsem použil hodnotu 470.
Výše uvedená zátěž je považována za odporovou zátěž, proto je obvod velmi jednoduchý, a v případě, že potřebujeme použít induktivní nebo kapacitní zátěž, musíme použít nějakou ochranu, aby nedošlo k poškození MOSFETu. Pokud například použijeme kapacitní zátěž bez elektrického náboje, je považována za zkrat, to bude mít za následek vysoký „náběh“ proudu a po odpojení přiloženého napětí z induktivní zátěže dojde k velkému nárůstu zpětného napětí v obvodu, když se magnetické pole zhroutí, povede to k indukovanému zpětnému napětí ve vinutí induktoru.
Klasifikace MOSFETů
MOSFETy se klasifikují na dva typy podle typu operací, a to MOSFETy v režimu zesílení (E-MOSFET) a MOSFETy v režimu vyčerpání (D-MOSFET), tyto MOSFETy se dále klasifikují podle materiálu použitého pro konstrukci jako n-kanálové a p-kanálové. Obecně tedy existují 4 různé typy MOSFETů
- N-kanálový MOSFET s vyčerpávajícím režimem
- P-kanálový MOSFET s vyčerpávajícím režimem
- N-kanálový MOSFET s vylepšeným režimem
- P-kanálový MOSFET s vylepšeným režimem
N-kanálové MOSFETy se nazývají NMOS a jsou reprezentovány následujícími symboly.
Podle vnitřní konstrukce MOSFETu jsou vývody Gate(G), Drain (D) a Source(S) u MOSFETu s vyčerpávajícím režimem fyzicky propojeny, zatímco u MOSFETu s režimem Enhancement jsou fyzicky odděleny, to je důvod, proč se symbol u MOSFETu s režimem Enhancement objevuje zalomený. P-kanálové MOSFETy se nazývají PMOS a jsou reprezentovány následujícími symboly.
Z dostupných typů je nejčastěji používaným MOSFETem N-kanálový Enhancement MOSFET. Pro lepší poznání se však pokusme proniknout do rozdílů. Hlavní rozdíl mezi N-kanálovým MOSFETem a P-kanálovým MOSFETem spočívá v tom, že u N-kanálového MOSFETu zůstane spínač otevřený, dokud není přivedeno napětí na hradlo. Když pin hradla obdrží napětí, spínač (mezi Drain a Source) se uzavře a v P-Channel MOSFETu zůstane spínač zavřený, dokud není poskytnuto napětí hradla.
Podobně hlavní rozdíl mezi MOSFETem v režimu zesílení a MOSFETem v režimu vyčerpání je, že napětí hradla přivedené na E-MOSFET by mělo být vždy kladné a má prahové napětí, nad kterým se zcela zapne. U D-MOSFETu může být napětí na hradle buď kladné, nebo záporné a nikdy se zcela nezapne. Všimněte si také, že D-MOSFET může pracovat v režimu zesílení a vyčerpání, zatímco E-MOSFET může pracovat pouze v režimu zesílení.
Konstrukce MOSFETu
Níže uvedený obrázek ukazuje typickou vnitřní strukturu MOSFETu. Ačkoli je MOSFET pokročilou formou FET a pracuje se stejnými třemi svorkami jako FET, vnitřní struktura MOSFETu se od obecného FETu skutečně liší.
Pokud se podíváte na strukturu, mohli byste vidět, že svorka hradla je upevněna na tenké kovové vrstvě, která je od polovodiče izolována vrstvou oxidu křemičitého (SiO2), a v oblasti kanálu, kde jsou umístěny svorky drain a source, budete moci vidět dva polovodiče typu N upevněné. Kanál mezi drainem a zdrojem MOSFETu je typu N, naproti tomu substrát je realizován jako typ P. To pomáhá při předpětí MOSFETu v obou polaritách, buď kladné, nebo záporné. Pokud není svorka hradla MOSFETu předpjatá, zůstane v nevodivém stavu, proto se MOSFET většinou používá při konstrukci spínačů a logických hradel.
Princip fungování MOSFETu
Všeobecně MOSFET funguje jako spínač, MOSFET řídí tok napětí a proudu mezi zdrojem a odběrem. Fungování MOSFETu závisí na kondenzátoru MOS, což je polovodičový povrch pod oxidovými vrstvami mezi svorkami source a drain. Lze jej invertovat z typu p na typ n, a to jednoduše přivedením kladného, resp. záporného napětí na hradlo. Na následujícím obrázku je znázorněno blokové schéma MOSFETu.
Když je mezi drain a source připojeno napětí drain-source (VDS), je na drain přivedeno kladné napětí a na source záporné napětí. Zde je přechod PN na drain reverzně předpjatý a přechod PN na source je předpjatý dopředu. V této fázi nebude mezi drainem a zdrojem protékat žádný proud.
Přivedeme-li na svorku hradla kladné napětí (VGG), začnou se v důsledku elektrostatické přitažlivosti menšinové nosiče náboje (elektrony) v substrátu P hromadit na kontaktu hradla, který vytvoří vodivý můstek mezi oběma oblastmi n+. Počet volných elektronů nahromaděných na kontaktu hradla závisí na síle přiloženého kladného napětí. Čím vyšší je přiložené napětí, tím větší je šířka n-kanálu vytvořeného v důsledku akumulace elektronů, což nakonec zvýší vodivost a mezi Source a Drain začne téct proud (ID).
Když na svorku hradla není přiloženo žádné napětí, nepoteče žádný proud kromě malého množství proudu způsobeného minoritními nosiči náboje. Minimální napětí, při kterém MOSFET začne vést, se nazývá prahové napětí.
Provoz MOSFETu v deplečním režimu:
Přístroje MOSFET v deplečním režimu se obvykle nazývají „zapnuté“, protože jsou zpravidla v uzavřeném stavu, když na svorce hradla není žádné předpětí. Když zvýšíme přiložené napětí na hradlo v kladném směru, zvětší se šířka kanálu v deplečním režimu. Tím se zvýší odtokový proud ID kanálem. Je-li přiložené napětí na hradlo silně záporné, bude šířka kanálu menší a MOSFET se může dostat do oblasti odpojení.
VI charakteristiky:
V-I charakteristiky tranzistoru MOSFET v deplečním režimu jsou vykresleny mezi napětím drain-source (VDS) a drainovým proudem (ID). Malé napětí na svorce hradla bude řídit tok proudu kanálem. Kanál vytvořený mezi drainem a zdrojem se bude chovat jako dobrý vodič při nulovém předpětí na svorce hradla. Šířka kanálu a proud drain se zvětší, pokud na hradlo přivedeme kladné napětí, zatímco se zmenší, když na hradlo přivedeme záporné napětí.
Provoz MOSFETu v režimu zesílení:
Provoz MOSFETu v režimu zesílení je podobný provozu otevřeného spínače, začne vést, pouze pokud na svorku hradla přivedeme kladné napětí (+VGS) a zařízením začne protékat proud drain. Šířka kanálu a drenážní proud se zvětší, když se zvýší předpětí. Pokud je však přiložené předpětí nulové nebo záporné, tranzistor zůstane sám ve vypnutém stavu.
VI charakteristiky:
VI charakteristiky MOSFETu v režimu zesílení jsou vykresleny mezi proudem drain (ID) a napětím drain-source (VDS). VI charakteristiky jsou rozděleny do tří různých oblastí, a to ohmické, saturační a vypínací oblasti. Oblast odpojení je oblast, kde se MOSFET nachází ve vypnutém stavu, kdy je přiložené předpětí nulové. Když je přiloženo předpětí, MOSFET pomalu přechází do vodivostního režimu a v ohmické oblasti dochází k pomalému nárůstu vodivosti. A konečně oblast nasycení je oblast, kde je kladné napětí přiváděno neustále a MOSFET bude setrvávat ve vodivém stavu.
Balení MOSFET
MOSFETy jsou k dispozici v různých baleních, velikostech a názvech pro jejich použití v různých druzích aplikací. Obecně se MOSFETy dodávají ve 4 různých baleních, a to s povrchovou montáží, Thru-Hole, PQFN a DirectFET
MOSFETy jsou k dispozici s různými názvy v každém druhu balení takto:
Povrchová montáž:
Tru-Hole: TO-262, TO-251, TO-274, TO-220, TO-247 atd.
PQFN: PQFN 2×2, PQFN 3×3, PQFN 3.3×3,3, PQFN 5×4, PQFN 5×6 atd.
DirectFET : DirectFET M4, DirectFET MA, DirectFET MD, DirectFET ME, DirectFET S1, DirectFET SH atd.
.