A teljesítményelektronikai kapcsolóelemek, mint a BJT, MOSFET, IGBT, SCR, TRIAC stb. alapvető eszközök, amelyeket számos áramkör tervezésénél használnak, az egyszerű vezérlőáramköröktől kezdve a komplex egyenirányítókig és inverterekig. A legalapvetőbb mind közül a BJT, és már megtanultuk a BJT tranzisztorok működését. A BJT mellett a széles körben használt teljesítménykapcsolók a MOSFET-ek. A BJT-vel összehasonlítva a MOSFET nagy feszültséget és nagy áramot képes kezelni, ezért népszerű a nagy teljesítményű alkalmazások körében. Ebben a cikkben megismerjük a MOSFET alapjait, belső felépítését, működését, és hogyan használhatja őket az áramköri tervekben. Ha át szeretné ugrani az elméletet, akkor nézze meg a népszerű MOSFET-ekről és a felhasználási helyükről szóló cikket, hogy felgyorsítsa az alkatrészválasztási és tervezési folyamatot.
Mi a MOSFET?
A MOSFET a Metal Oxide Field Effect Transistor (fémoxidos terepi tranzisztor) rövidítése, a MOSFET-et a FET-ekben jelenlévő hátrányok, például a magas lefolyási ellenállás, a mérsékelt bemeneti impedancia és a lassabb működés leküzdésére találták fel. A MOSFET tehát a FET fejlett formájának nevezhető. Egyes esetekben a MOSFET-eket IGFET-nek (Insulated Gate Field Effect Transistor) is nevezik. Gyakorlatilag a MOSFET egy feszültségvezérelt eszköz, ami azt jelenti, hogy egy névleges feszültséget alkalmazva a kapucsapra, a MOSFET elkezd vezetni a Drain és a Source csapon keresztül. A részletekbe később fogunk belemenni ebben a cikkben.
A FET és a MOSFET közötti fő különbség az, hogy a MOSFET egy fémoxid kapuelektróddal rendelkezik, amelyet a fő félvezető n-csatornától vagy p-csatornától egy vékony szilícium-dioxid- vagy üvegréteggel elektromosan szigetelnek. A vezérlő kapu szigetelése a MOSFET bemeneti ellenállását rendkívül magasra növeli a Mega-ohmok (MΩ) értékében.
A MOSFET szimbóluma
A MOSFET általában egy négyterminális eszköz Drain (D), Source (S), Gate (G) és egy Body (B) / Substrate terminálokkal. A testcsatlakozó mindig a forráscsatlakozóhoz csatlakozik, ezért a MOSFET hárompólusú eszközként működik. Az alábbi képen az N-csatornás MOSFET szimbóluma a bal oldalon, a P-csatornás MOSFET szimbóluma pedig a jobb oldalon látható.
A MOSFET leggyakrabban használt csomagja a To-220, a jobb megértés érdekében nézzük meg a híres IRF540N MOSFET pinoutját (az alábbi képen látható). Amint láthatja, a Gate, a Drain és a Source pin az alábbiakban szerepel, ne feledje, hogy ezeknek a csapoknak a sorrendje a gyártó alapján változik. A többi népszerű MOSFET az IRFZ44N, BS170, IRF520, 2N7000 stb.
MOSFET mint kapcsoló
A MOSFET leggyakoribb alkalmazása a MOSFET kapcsolóként való használata. Az alábbi áramkör a MOSFET-et mutatja, amely kapcsolóként működik a lámpa be- és kikapcsolásához. A VGS kapu bemeneti feszültséget egy bemeneti feszültségforrás segítségével alkalmazzák. Ha az alkalmazott feszültség pozitív, a motor ON állapotban lesz, és ha az alkalmazott feszültség nulla vagy negatív, a lámpa OFF állapotban lesz.
Amikor bekapcsolja a Mosfet-et a szükséges feszültségnek a kapu pinre történő adagolásával, akkor bekapcsolva marad, hacsak nem ad 0V-ot a kapuhoz. Ennek a problémának az elkerülése érdekében mindig használnunk kell egy pull-down ellenállást (R1), itt 10k értéket használtam. Az olyan alkalmazásokban, mint a motor sebességének vezérlése vagy a fény csillapítása, PWM jelet használnánk a gyors kapcsoláshoz, ebben a forgatókönyvben a MOSFET kapukapacitása a parazita hatás miatt fordított áramot hoz létre. Ennek kezeléséhez áramkorlátozó kondenzátort kell használnunk, itt 470 értéket használtam.
A fenti terhelést ellenállásos terhelésnek tekintjük, ezért az áramkör nagyon egyszerű, és abban az esetben, ha induktív vagy kapacitív terhelést kell használnunk, valamilyen védelmet kell használnunk, hogy megakadályozzuk a MOSFET károsodását. Például, ha elektromos töltés nélküli kapacitív terhelést használunk, azt rövidzárlatnak tekintjük, ez nagy “bemeneti” áramot eredményez, és amikor az alkalmazott feszültséget eltávolítjuk az induktív terhelésből, nagy mennyiségű fordított feszültség épül fel az áramkörben, amikor a mágneses mező összeomlik, ez egy indukált back-emf-hez vezet az induktor tekercsében.
A MOSFET osztályozása
A MOSFET-et a műveletek típusa alapján két típusba sorolják, nevezetesen Enhancement mode MOSFET (E-MOSFET) és Depletion mode MOSFET (D-MOSFET), ezeket a MOSFET-eket a konstrukcióhoz használt anyag alapján tovább osztályozzák n-csatornás és p-csatornásként. Tehát általánosságban 4 különböző típusú MOSFET
- N-csatornás Depletion mode MOSFET
- P-csatornás Depletion mode MOSFET
- N-csatornás Enhancement mode MOSFET
- P-csatornás Enhancement mode MOSFET
Az N-csatornás MOSFET-eket NMOS-nak nevezik, és a következő szimbólumok jelölik őket.
A MOSFET belső felépítése szerint a Gate (G), a Drain (D) és a Source (S) csapok fizikailag összekapcsolódnak egy Depletion Mode MOSFET esetében, míg Enhancement Mode esetén fizikailag elválasztva vannak, ez az oka annak, hogy a szimbólum egy Enhancement Mode MOSFET esetében töröttnek tűnik. A P-csatornás MOSFET-eket PMOS-nak nevezzük, és a következő szimbólumok jelölik őket.
A rendelkezésre álló típusok közül az N-csatornás Enhancement MOSFET a leggyakrabban használt MOSFET. De a tudás kedvéért próbáljunk meg belemenni a különbségbe. Az N-csatornás MOSFET és a P-csatornás MOSFET közötti fő különbség az, hogy az N-csatornában a MOSFET-kapcsoló nyitva marad, amíg kapufeszültséget nem kapunk. Amikor a kaputüske megkapja a feszültséget, a kapcsoló (a Drain és a Source között) bezáródik, és a P-csatornás MOSFET-ben a kapcsoló zárva marad, amíg kapufeszültséget nem biztosítanak.
Hasonlóképpen, a fő különbség az Enhancement Mode és a Depletion Mode MOSFET között az, hogy az E-MOSFET-re alkalmazott kapufeszültségnek mindig pozitívnak kell lennie, és van egy küszöbfeszültség, amely felett teljesen bekapcsol. A D-MOSFET esetében a kapufeszültség lehet pozitív vagy negatív, és soha nem kapcsol be teljesen. Azt is vegye figyelembe, hogy egy D-MOSFET működhet Enhancement és Depletion üzemmódban, míg egy E-MOSFET csak Enhancement üzemmódban működhet.
A MOSFET felépítése
Az alábbi kép a MOSFET tipikus belső felépítését mutatja. Bár a MOSFET a FET egy fejlett formája, és ugyanazzal a három csatlakozóval működik, mint egy FET, a MOSFET belső szerkezete valóban különbözik az általános FET-től.
Ha megnézzük a szerkezetet, láthatjuk, hogy a kapu terminál a vékony fémrétegen van rögzítve, amelyet egy szilícium-dioxid (SiO2) réteg szigetel a félvezetőből, és két N-típusú félvezetőt láthatunk a csatorna régióban rögzítve, ahol a csatorna és a forrás terminálok vannak elhelyezve. A MOSFET lefolyó és forrás közötti csatorna N-típusú, ezzel szemben a szubsztrát P-típusúként van megvalósítva. Ez segít a MOSFET előfeszítésében mindkét polaritásban, akár pozitív, akár negatív. Ha a MOSFET kapu terminálja nincs előfeszítve, akkor nem vezető állapotban marad, ezért a MOSFET-et többnyire kapcsolók és logikai kapuk tervezésénél használják.
A MOSFET működési elve
Általában a MOSFET kapcsolóként működik, a MOSFET szabályozza a feszültség és az áramáramlást a forrás és a csatorna között. A MOSFET működése a MOS-kondenzátortól függ, amely a forrás és a csatorna terminál közötti oxidrétegek alatti félvezető felület. Ez p-típusból n-típusúvá invertálható, egyszerűen pozitív vagy negatív kapufeszültség alkalmazásával, illetve. Az alábbi képen a MOSFET blokkdiagramja látható.
Ha a drain-forrás feszültség (VDS) a drain és a source közé van kapcsolva, a Drain-re pozitív feszültséget, a Source-ra pedig negatív feszültséget kapcsolunk. Itt a PN-összeköttetés a lefolyónál fordított előfeszítésű, a PN-összeköttetés a forrásnál pedig előrefelé előfeszített. Ebben a szakaszban nem lesz áramáramlás a lefolyó és a forrás között.
Ha pozitív feszültséget (VGG) alkalmazunk a kapu terminálra, az elektrosztatikus vonzás miatt a P szubsztrátumban lévő kisebbségi töltéshordozók (elektronok) elkezdenek felhalmozódni a kapu érintkezőjén, amely vezető hidat képez a két n+ régió között. A kapuérintkezőn felhalmozódott szabad elektronok száma az alkalmazott pozitív feszültség erősségétől függ. Minél nagyobb az alkalmazott feszültség, annál nagyobb az elektronok felhalmozódása miatt kialakuló n-csatorna szélessége, ez végül megnöveli a vezetőképességet, és a forrás és a lefolyó között elkezd folyni a lefolyóáram (ID).
Ha a kapucsatlakozóra nem kerül feszültség, a kisebbségi töltéshordozók okozta kis mennyiségű áramtól eltekintve nem folyik áram. Azt a minimális feszültséget, amelynél a MOSFET vezetni kezd, küszöbfeszültségnek nevezzük.
A MOSFET működése kimerülési üzemmódban:
A kimerülési módú MOSFET-eket általában “bekapcsolt” eszközöknek nevezik, mivel általában zárt állapotban vannak, amikor nincs előfeszítés a kapu terminálon. Amikor növeljük a kapura alkalmazott feszültséget pozitívban, a csatorna szélessége megnő a kimerülési üzemmódban. Ez megnöveli a csatornán keresztül a drain áram ID-t. Ha az alkalmazott kapufeszültség erősen negatív, akkor a csatorna szélessége kisebb lesz, és a MOSFET beléphet a cutoff régióba.
VI jellemzők:
A depletion-módú MOSFET tranzisztor V-I jellemzőit a drain-forrás feszültség (VDS) és a Drain-áram (ID) között rajzoljuk ki. A kapu terminálon lévő kis mennyiségű feszültség szabályozza az áramáramlást a csatornán keresztül. A csatorna, amely a lefolyó és a forrás között alakul ki, jó vezetőként viselkedik a kapu terminálon lévő nulla előfeszültséggel. A csatorna szélessége és a leeresztőáram megnő, ha pozitív feszültséget alkalmazunk a kapura, míg csökken, ha negatív feszültséget alkalmazunk a kapura.
A MOSFET működése Enhancement módban:
A MOSFET működése Enhancement módban hasonló a nyitott kapcsoló működéséhez, csak akkor kezd vezetni, ha a pozitív feszültség(+VGS) a kapu terminálra kerül, és a drain áram elkezd áramolni az eszközön keresztül. A csatorna szélessége és a leeresztőáram növekszik, amikor az előfeszültség növekszik. De ha az alkalmazott előfeszültség nulla vagy negatív, a tranzisztor maga is OFF állapotban marad.
VI karakterisztikák:
Az enhancement-módú MOSFETVI karakterisztikái a drain-áram (ID) és a drain-source feszültség (VDS) között rajzolódnak ki. A VI karakterisztikákat három különböző régióra osztják fel, nevezetesen az ohmos, a telítési és a cut-off régiókra. A cutoff régió az a régió, ahol a MOSFET OFF állapotban lesz, ahol az alkalmazott előfeszítés nulla. A torzítófeszültség alkalmazásakor a MOSFET lassan halad a vezetési mód felé, és a vezetőképesség lassú növekedése az ohmos régióban történik. Végül a telítési régió az, ahol a pozitív feszültséget folyamatosan alkalmazzák, és a MOSFET vezetési állapotban marad.
A MOSFET csomagjai
A MOSFET-ek különböző csomagokban, méretekben és nevekben állnak rendelkezésre a különböző típusú alkalmazásokban való felhasználásukhoz. Általában a MOSFET-eket 4 különböző csomagban szállítják, nevezetesen felületre szerelt, Thru-Hole, PQFN és DirectFET
A MOSFET-ek minden csomagtípusban más-más névvel kaphatók az alábbiak szerint:
Felületre szerelt: TO-263, TO-252, MO-187, SO-8, SOT-223, SOT-23, TSOP-6, stb.
Thru-Hole: TO-262, TO-251, TO-274, TO-220, TO-247, stb.
PQFN: PQFN 2×2, PQFN 3×3, PQFN 3.3×3.3, PQFN 5×4, PQFN 5×6, stb.
DirectFET : DirectFET M4, DirectFET MA, DirectFET MA, DirectFET MD, DirectFET ME, DirectFET S1, DirectFET SH, stb.