Power Electronic Switching components like BJT, MOSFET, IGBT, SCR, TRIAC, etc. are essential devices used in the design of many circuits ranging from a simple driver circuit to complex Power rectifiers and Inverters. Najbardziej podstawowym z nich wszystkich jest BJT, a my już nauczyliśmy się pracy tranzystorów BJT. Obok BJT, szeroko stosowanymi przełącznikami mocy są MOSFETy. W porównaniu do BJT, MOSFET może obsługiwać wysokie napięcie i wysoki prąd, stąd jest popularny wśród aplikacji o dużej mocy. W tym artykule poznamy podstawy MOSFET-a, jego budowę wewnętrzną, jak działa i jak go używać w projektach obwodów. Jeśli chcesz pominąć teorię, możesz zapoznać się z artykułem na temat popularnych MOSFETów i gdzie ich używać, aby przyspieszyć proces wyboru części i projektowania.
Co to jest MOSFET?
MOSFET to skrót od Metal Oxide Field Effect Transistor, MOSFET został wynaleziony w celu przezwyciężenia wad obecnych w FETach, takich jak wysoka rezystancja drenu, umiarkowana impedancja wejściowa i wolniejsze działanie. Tak więc MOSFET może być nazywany zaawansowaną formą FET. W niektórych przypadkach, MOSFETy są również nazywane IGFET (Insulated Gate Field Effect Transistor). Praktycznie rzecz biorąc, MOSFET jest urządzeniem sterowanym napięciem, co oznacza, że po przyłożeniu napięcia znamionowego do styku bramki, MOSFET zacznie przewodzić przez styki drenu i źródła. Szczegóły omówimy w dalszej części artykułu.
Główną różnicą pomiędzy FET i MOSFET jest to, że MOSFET posiada elektrodę bramkową z tlenku metalu izolowaną elektrycznie od głównego kanału n lub p półprzewodnika przez cienką warstwę dwutlenku krzemu lub szkła. Izolacja bramy sterującej zwiększa rezystancję wejściową MOSFETu niezwykle wysoko, do wartości Megaomów (MΩ).
Symbol MOSFETu
Ogólnie, MOSFET jest urządzeniem cztero-końcówkowym z drenem (D), źródłem (S), bramą (G) i ciałem (B) / zaciskami podłoża. Zacisk korpusu będzie zawsze połączony z zaciskiem źródła, stąd MOSFET będzie działał jako urządzenie trójkońcówkowe. Na poniższym rysunku, symbol N-kanałowego MOSFETu jest pokazany po lewej stronie, a symbol P-kanałowego MOSFETu jest pokazany po prawej stronie.
Najczęściej używanym opakowaniem dla MOSFET jest To-220, dla lepszego zrozumienia przyjrzyjmy się pinoutowi słynnego IRF540N MOSFET (pokazanego poniżej). Jak widać, piny Gate, Drain i Source są wymienione poniżej, pamiętaj, że kolejność tych pinów może się zmienić w zależności od producenta. Inne popularne MOSFETy to IRFZ44N, BS170, IRF520, 2N7000, etc
MOSFET jako przełącznik
Najczęstszym zastosowaniem MOSFETu jest użycie go jako przełącznika. Poniższy obwód pokazuje MOSFET pracujący jako urządzenie przełączające do włączania i wyłączania lampy. Napięcie wejściowe bramki VGS jest przyłożone za pomocą źródła napięcia wejściowego. Gdy przyłożone napięcie jest dodatnie, silnik będzie w stanie ON, a gdy przyłożone napięcie jest zerowe lub ujemne, lampa będzie w stanie OFF.
Gdy włączymy Mosfet przez podanie wymaganego napięcia na pin bramki, pozostanie on włączony, chyba że podamy 0V na bramkę. Aby uniknąć tego problemu, powinniśmy zawsze używać rezystora pull-down (R1), tutaj użyłem wartości 10k. W aplikacjach takich jak kontrola prędkości silnika lub ściemnianie światła, użylibyśmy sygnału PWM do szybkiego przełączania, podczas tego scenariusza pojemność bramki MOSFET’a wytworzy prąd wsteczny z powodu efektu pasożytniczego. Aby temu zaradzić, powinniśmy użyć kondensatora ograniczającego prąd, ja użyłem tutaj wartości 470.
Powyższe obciążenie jest uważane za obciążenie rezystancyjne, stąd obwód jest bardzo prosty, a w przypadku gdy musimy użyć obciążenia indukcyjnego lub pojemnościowego, musimy użyć jakiegoś rodzaju zabezpieczenia, aby zapobiec uszkodzeniu MOSFETu. Na przykład, jeśli użyjemy obciążenia pojemnościowego bez ładunku elektrycznego, jest to traktowane jako zwarcie, spowoduje to duży „rozruch” prądu, a kiedy przyłożone napięcie zostanie usunięte z obciążenia indukcyjnego, będzie duża ilość napięcia wstecznego w obwodzie, kiedy pole magnetyczne się załamie, doprowadzi to do indukowanego prądu wstecznego w uzwojeniu cewki.
Klasyfikacja MOSFET
MOSFET klasyfikuje się na dwa typy w oparciu o rodzaj operacji, mianowicie MOSFET pracujący w trybie wzmocnienia (E-MOSFET) i MOSFET pracujący w trybie zaniku (D-MOSFET), te MOSFET-y są dalej klasyfikowane w oparciu o materiał używany do budowy jako n-kanałowe i p-kanałowe. Tak więc, ogólnie rzecz biorąc, istnieją 4 różne typy MOSFET-ów
- N-kanałowy MOSFET w trybie zubożenia
- P-kanałowy MOSFET w trybie zubożenia
- N-kanałowy MOSFET w trybie wzbogacenia
- P-kanałowy MOSFET w trybie wzbogacenia
N-kanałowe MOSFET-y są nazywane NMOS i są reprezentowane przez następujące symbole.
Zgodnie z wewnętrzną budową MOSFET-a, styki bramki (G), drenu (D) i źródła (S) są fizycznie połączone w MOSFET-ach pracujących w trybie zaniku, podczas gdy są one fizycznie oddzielone w trybie wzmocnienia, dlatego też symbol ten wydaje się być przerwany w przypadku MOSFET-a pracującego w trybie wzmocnienia. MOSFETy z kanałem P są nazywane PMOS i są reprezentowane przez następujące symbole.
Spośród dostępnych typów, N-kanałowy Enhancement MOSFET jest najczęściej używanym MOSFETem. Ale dla dobra wiedzy spróbujmy zagłębić się w różnice. Główna różnica pomiędzy N-kanałowym MOSFET-em a P-kanałowym MOSFET-em polega na tym, że w przypadku N-kanałowego MOSFET-u, przełącznik MOSFET-u pozostaje otwarty do momentu podania napięcia na bramkę. Kiedy styk bramki otrzyma napięcie, przełącznik (pomiędzy drenem a źródłem) zostanie zamknięty, a w P-kanałowym MOSFECIE przełącznik pozostanie zamknięty do momentu dostarczenia napięcia bramki.
Podobnie, główna różnica pomiędzy MOSFET-em pracującym w trybie wzmocnienia a MOSFET-em pracującym w trybie zaniku polega na tym, że napięcie bramki przyłożone do E-MOSFET-u powinno być zawsze dodatnie i ma on napięcie progowe, powyżej którego włącza się całkowicie. Dla D-MOSFET napięcie bramki może być albo dodatnie albo ujemne i nigdy nie włącza się całkowicie. Należy również pamiętać, że D-MOSFET może pracować w trybie Enhancement i Depletion, podczas gdy E-MOSFET może pracować tylko w trybie Enhancement.
Konstrukcja MOSFET
Poniższy obrazek pokazuje typową wewnętrzną strukturę MOSFET. Chociaż MOSFET jest zaawansowaną formą FET i działa z tymi samymi trzema końcówkami co FET, wewnętrzna struktura MOSFET jest naprawdę różna od ogólnego FET.
Jeżeli spojrzysz na strukturę, możesz zobaczyć, że terminal bramki jest zamocowany na cienkiej warstwie metalu, który jest izolowany przez warstwę dwutlenku krzemu (SiO2) od półprzewodnika, i będziesz w stanie zobaczyć dwa półprzewodniki typu N zamocowane w regionie kanału, gdzie umieszczone są zaciski drenu i źródła. Kanał między drenem i źródłem MOSFET jest typu N, naprzeciwko tego, podłoże jest realizowane jako typu P. Pomaga to w biasowaniu MOSFETa w obu polaryzacjach, zarówno dodatniej jak i ujemnej. Jeśli bramka MOSFET nie jest spolaryzowana, MOSFET pozostaje w stanie nieprzewodzącym, stąd MOSFET jest najczęściej używany w projektowaniu przełączników i bramek logicznych.
Zasada działania MOSFET
Ogólnie MOSFET działa jako przełącznik, MOSFET kontroluje przepływ napięcia i prądu pomiędzy źródłem i drenem. Praca MOSFET zależy od kondensatora MOS, który jest powierzchnią półprzewodnikową pod warstwami tlenku między źródłem a drenem. Może on być odwrócony z typu p do typu n, po prostu przez przyłożenie odpowiednio dodatniego lub ujemnego napięcia bramki. Poniższy rysunek przedstawia schemat blokowy MOSFET.
Gdy napięcie dren-źródło (VDS) jest podłączone pomiędzy drenem i źródłem, dodatnie napięcie jest przyłożone do drenu, a ujemne napięcie jest przyłożone do źródła. W tym przypadku złącze PN przy drenie jest odwrotnie biasowane, a złącze PN przy źródle jest biasowane do przodu. Na tym etapie nie będzie żadnego przepływu prądu między drenem a źródłem.
Jeżeli przyłożymy dodatnie napięcie (VGG) do terminala bramki, z powodu przyciągania elektrostatycznego nośniki ładunku mniejszościowego (elektrony) w podłożu P zaczną gromadzić się na styku bramki, który tworzy mostek przewodzący pomiędzy dwoma regionami n+. Liczba elektronów swobodnych zgromadzonych na styku bramki zależy od siły przyłożonego napięcia dodatniego. Im wyższe przyłożone napięcie, tym większa szerokość kanału n utworzonego w wyniku akumulacji elektronów, co ostatecznie zwiększa przewodność i prąd drenu (ID) zacznie płynąć pomiędzy źródłem i drenem.
Gdy nie ma napięcia przyłożonego do terminala bramki, nie będzie żadnego przepływu prądu oprócz niewielkiej ilości prądu spowodowanego nośnikami ładunku mniejszościowego. Minimalne napięcie, przy którym MOSFET zaczyna przewodzić nazywane jest napięciem progowym.
Operacja MOSFET w trybie zubożania:
MOSFET-y w trybie zubożania są zwykle nazywane urządzeniami typu „Switched ON”, ponieważ znajdują się one na ogół w stanie zamkniętym, gdy na zacisku bramki nie ma napięcia bias. Gdy zwiększymy napięcie przyłożone do bramki w kierunku dodatnim, szerokość kanału zostanie zwiększona w trybie zubożenia. Spowoduje to zwiększenie prądu drenu ID przez kanał. Jeśli przyłożone napięcie na bramce jest bardzo ujemne, to szerokość kanału będzie mniejsza i MOSFET może wejść w obszar odcięcia.
Charakterystyka V-I:
Charakterystyka V-I tranzystora MOSFET pracującego w trybie zubożenia jest rysowana pomiędzy napięciem dren-źródło (VDS) a prądem drenu (ID). Niewielka wartość napięcia na zacisku bramki będzie sterowała przepływem prądu przez kanał. Kanał utworzony pomiędzy drenem a źródłem będzie działał jak dobry przewodnik przy zerowym napięciu bias na terminalu bramki. Szerokość kanału i prąd drenu będą rosły, jeśli na bramkę zostanie przyłożone napięcie dodatnie, natomiast będą malały, jeśli na bramkę zostanie przyłożone napięcie ujemne.
Operacja MOSFET w trybie Enhancement:
Operacja MOSFET w trybie Enhancement jest podobna do pracy otwartego przełącznika, zacznie on przewodzić tylko wtedy, gdy na zacisk bramki zostanie przyłożone napięcie dodatnie (+VGS) i przez urządzenie zacznie płynąć prąd drenu. Szerokość kanału i prąd drenu będą rosły wraz ze wzrostem napięcia bias. Jeśli jednak przyłożone napięcie biasu jest równe zeru lub ujemne, tranzystor pozostanie w stanie wyłączenia.
Charakterystyka VI:
Charakterystyka VI tranzystora MOSFET pracującego w trybie wzmocnienia jest rysowana pomiędzy prądem drenu (ID) a napięciem dren-źródło (VDS). Charakterystyki VI są podzielone na trzy różne regiony, mianowicie regiony omowy, nasycenia i odcięcia. Obszar odcięcia jest to obszar, w którym MOSFET będzie w stanie wyłączenia, gdy przyłożone napięcie bias jest równe zeru. Kiedy napięcie biasu jest przyłożone, MOSFET powoli przechodzi do trybu przewodzenia, a powolny wzrost przewodności ma miejsce w regionie omowym. Wreszcie, region nasycenia to miejsce, gdzie dodatnie napięcie jest przyłożone stale, a MOSFET pozostanie w stanie przewodzenia.
Opakowania MOSFET
MOSFETy są dostępne w różnych opakowaniach, rozmiarach i nazwach do wykorzystania w różnych rodzajach zastosowań. Ogólnie rzecz biorąc, MOSFET-y są dostarczane w 4 różnych opakowaniach, a mianowicie: do montażu powierzchniowego, Thru-Hole, PQFN i DirectFET
MOSFET-y są dostępne z inną nazwą w każdym rodzaju opakowania, jak poniżej:
Montaż powierzchniowy: TO-263, TO-252, MO-187, SO-8, SOT-223, SOT-23, TSOP-6, etc.
Thru-Hole: TO-262, TO-251, TO-274, TO-220, TO-247, etc.
PQFN: PQFN 2×2, PQFN 3×3, PQFN 3.3×3.3, PQFN 5×4, PQFN 5×6, etc.
DirectFET : DirectFET M4, DirectFET MA, DirectFET MD, DirectFET ME, DirectFET S1, DirectFET SH, etc.
.