MOSFET (MOS полеви транзистор) — дефиниция, работа и приложение
MOSFET (полеви транзистор) — разберете дефиниция, принцип на работа и ключови приложения в електрониката: от усилватели и дигитални схеми до интегрални вериги.
MOSFET е съкращение от метал-оксидно-полупроводников полеви транзистор. Това е електронен компонент, който действа като електрически контролиран превключвател или усилвател. Транзисторите са малки електрически устройства, използвани в радиоприемници, калкулатори и, най-широко разпространено, в компютрите; те са едни от основните градивни елементи на съвременните електронни системи. Някои MOSFET-и обработват аналогови сигнали, но мнозинството се използват в цифровата електроника.
Какво представлява и как работи MOSFET
Името MOSFET описва структурата и принципа на работа. MOS се отнася до факта, че транзисторът е изграден чрез наслояване на метал (портата, или "гейт") върху тънък слой оксид (изолатор) върху полупроводник (регионите "source" и "drain"). FET (Field-Effect Transistor) означава, че гейтът управлява проводимостта чрез електрическо поле.
Класическа MOSFET конструкция има четири важни извода: гейт (gate), източник (source), сток (drain) и корпус/подложка (body или bulk). Към гейта се прилага електрически сигнал, който създава електрическо поле през оксидния слой и променя проводимостта на полупроводниковия канал между "source" и "drain". При enhancement-тип MOSFET каналът се формира допълнително (инверсия) когато напрежението на гейта надвиши предварително зададен праг (Vth). При depletion-тип каналът съществува по подразбиране и гейтът може да го "изтласка" или "засили".
Режими на работа
- Отсечен режим (cutoff) — Vgs < Vth: каналът е затворен и протокът I_D е почти нулев.
- Линеен/триоден режим (ohmic/linear) — при ниска Vds транзисторът се държи като регулируем резистор.
- Наситен режим (saturation) — при по-голяма Vds и Vgs > Vth транзисторът действа като активно усилващо звено или като „запечатан“ превключвател за ток.
Основни видове
- N-channel (N-MOSFET) — електронно носителите (по-висока подвижност, обикновено по-бързи).
- P-channel (P-MOSFET) — дупките са носители (използват се за високостепенни топологии, напр. в CMOS).
- CMOS — комбиниране на комплементарни N- и P‑канални MOSFET-и за логически инвертори и практически всички модерни цифрови интегрални схеми.
Ключови параметри
- Vth (праг на включване) — напрежението на гейта при което каналът започва да провежда.
- Rds(on) — съпротивление между дрейн и сорс в проводящо състояние; критично за power приложения (малко Rds(on) = по-ниски загуби).
- Qg / Qg(tot) — заряд на гейта; засяга скоростта на превключване и изискванията към драйвера.
- Капацитети (Cgs, Cgd) — влияят на времето за превключване и на преходни явления (Miller ефект).
- Максимален ток и напрежение (Id, Vds(max)) — определят границите на безопасна работа.
- SOA и avalanche рейтинг — устойчивост при кратковременни претоварвания и обратно-пропускни явления.
Структура и материали
Оксидният слой (традиционно SiO2) е тънък и действа като изолатор между гейта и канала; с развитието на технологиите се използват high‑k материали, за да се намали утечката при много тънки оксиди. Подложката (bulk) често се свързва към определено напрежение и играе роля в поведението на вградената диодна връзка (body diode), важна при мощни MOSFET-и в приложения за управление на товари.
Приложения
MOSFET-и се използват в широк спектър от приложения:
- Цифрови интегрални схеми — процесори, памети и логически блокове (стотици милиони до милиарди транзистори в един чип). Интегрални схеми от тип CMOS осигуряват ниска консумация на статична мощност.
- Силова електроника — управление на двигатели, захранвания, инвертори; тук се ценят ниско Rds(on), надеждност и топлинна мощност.
- Аналогови вериги — усилватели, ключове и смесители.
- RF и висока честота — специализирани MOSFET-и за бързо превключване и ниски загуби при високи честоти.
- Устройства и сензори — интеграция в схеми за измерване и управление.
Предимства и недостатъци
- Предимства: висока входна импеданса (ниско натоварване на предходната степен), висока плътност на интеграция (CMOS), бързо превключване, ниски статични загуби в цифрови схеми.
- Недостатъци: чувствителност към ESD и към напрежение на гейта, разсейване на топлина при силови приложения, изтичане и промяна на параметрите с много тънки оксиди и с напредване на миниатюризацията.
MOSFET срещу BJT
Главната разлика е, че MOSFET е контролиран по напрежение (входен ток към гейта е много малък), докато биполярният транзистор (BJT) е контролиран по ток и обикновено дава по-голям коефициент на усилване при аналогови приложения. За цифрови и силови приложения MOSFET-ите са предпочитан избор заради лесното управление и интеграцията.
Практически съображения при използване
- При превключване е важно да се управлява зарядът на гейта с подходящ драйвер, за да се намалят загубите и прегряването.
- Използвайте затварящи резистори и защити за гейта, за да предотвратите повреди от ESD или от превисоко напрежение.
- В силови приложения проверявайте Rds(on), термичен отпечатък (пакет/стойност на RθJA) и наличието на вградена защита (например вграден резистор, термична защита, снабдяване).
- Внимание при избор на пикови напрежения — body diode и avalanche характеристики играят важна роля при обратно възстановяване и при индуктивни товари.
Интеграция и тенденции
Почти всички съвременни MOSFET-и се използват в интегрални схеми. Прогресът в технологиите позволи значително увеличаване на плътността: към 2008 г. бе възможно в една интегрална схема да се поберат милиарди транзистори — около 2 000 000 000, докато през 1970 г. този брой е бил само около 2 000. С напредването на технологиите се работи за намаляване на размерите на транзисторите, подобряване на оксидните материали (high‑k), справяне с утечките и термичните предизвикателства.
В заключение: MOSFET е ключов компонент в модерната електроника — от нискоенергийни цифрови схеми до високопроизводителни силови приложения. Разбирането на неговите режими на работа, параметри и ограничения е важно за проектиране на надеждни и ефективни електронни системи.
Индивидуално опаковани MOSFET-и
Операция
Съществуват четири основни типа MOSFET:
N-канален MOSFET в режим на усилване
Превключвателят между "източника" и "източването" обикновено е изключен. Можете да включите превключвателя, като подадете положително напрежение към "гейта", така че той да е с по-високо напрежение от "източника".
P-канален MOSFET в режим на усилване
Превключвателят между "източника" и "източването" обикновено е изключен. Можете да включите превключвателя, като приложите отрицателно напрежение към "гейта", така че той да е с по-ниско напрежение от "източника".
N-канален MOSFET в режим на изчерпване
Превключвателят между "източника" и "източването" обикновено е включен. Можете да изключите превключвателя, като приложите отрицателно напрежение към "гейта", така че той да е с по-ниско напрежение от "източника".
P-канален MOSFET в режим на изчерпване
Превключвателят между "източника" и "източването" обикновено е включен. Можете да изключите превключвателя, като подадете положително напрежение към "гейта", така че той да е с по-високо напрежение от "източника".
Обикновено не се предлагат P-канални MOSFET-и в режим на изчерпване.
Резюме
| Тип MOSFET | Обикновено | За да промените, подайте напрежение към "портата" на ____. |
| Режим на усилване N-канал | Изключено | Положителен |
| Режим на усилване P-Channel | Изключено | Отрицателен |
| Режим на изчерпване N-канал | На | Отрицателен |
| Режим на изчерпване на P-канала | На | Положителен |
Разлики между MOSFET
Интегрални схеми
Върху малко парче силиций могат да бъдат създадени милиони MOSFET-и. Така се получава интегрална схема. Вижте статията за интегралните схеми за подробности.
Останалата част от този раздел е посветена на единичните MOSFET с три връзки.
Топлина
Ако MOSFET е частично включен, той ще намали преминаващата през него мощност. Това става чрез преобразуване на част от енергията в топлина. Дори и да е включен, той ще преобразува част от енергията в топлина.
MOSFET има съпротивление. Когато токът тече от дрейна на MOSFET към неговия източник, се наблюдава спад на напрежението. Умножете този ток и напрежението, за да получите загубата на мощност. Тази загубена мощност се превръща в топлина.
MOSFET трябва да се отърве от тази топлина, обикновено като я предаде във въздуха.
По-малките MOSFET се загряват и нагряват въздуха в близост. Някои MOSFET трябва да бъдат разположени на печатна платка, която има по-голяма площ, за да нагрява повече въздух. Най-мощните MOSFET трябва да са върху радиатор. Радиаторът е голямо парче метал с ребра, които предават топлината на въздуха на голяма площ. Може да им е необходим и вентилатор, който да изтласква много въздух над радиатора.
Други разлики между MOSFET-ите
Има много различни MOSFET-и. Когато избирате MOSFET, след като сте избрали един от четирите основни типа, има много други неща, за които трябва да помислите. Разликите между MOSFET включват:
- VGSS - Позволеното напрежение между порта и източника. Ако приложите твърде голямо напрежение, MOSFET ще се прекъсне.
- VDSS - Позволеното напрежение между дрейна и източника. Ако приложите твърде голямо напрежение, MOSFET ще се прекъсне.
- ID - Позволеният ток между дрейна и източника. Ако се опитвате да захранвате голям товар, например двигател, тогава ви е необходим MOSFET, проектиран за високи токове.
- VGS(TH) ("Напрежение на прага") - приблизително колко голямо е напрежението, което трябва да се подаде на "портата", за да се превключи. Колко MOSFET е "включен", зависи от точното напрежение на "гейта", температурата и напрежението на "дрейна". Подробности ще намерите в информационния лист за MOSFET.
- RDS(ON) - Когато MOSFET е напълно включен, той ще действа като резистор с тази стойност. По-висока стойност означава, че когато MOSFET е напълно "включен", се губи повече енергия и се загрява повече. По-малкото е по-добре.
- PD - Най-голямото количество топлина, което MOSFET може да отделя всяка секунда, без да се повреди. ("Разсейване на мощност"). Ако накарате MOSFET да отдава топлина по-бързо от това, MOSFET ще прегрее и ще се счупи.
- RθJA - Колко лошо MOSFET предава тази топлина на въздуха. По-ниските стойности са по-добри. За MOSFET, които използват радиатор, се посочва колко лошо предават топлината към радиатора.
- TJ - Работната температура на частта на MOSFET, която генерира топлина. Ако я накарате да надвиши границата, MOSFET ще се повреди.
- tD(ON) и tD(OFF) - Времето, необходимо за включване и изключване на MOSFET. По-малките MOSFET-и с ниско напрежение и малък ток могат да бъдат достатъчно бързи, за да се използват в най-бързите компютри. По-големите MOSFET-и с по-висока мощност обикновено са по-бавни.
- Статичното електричество може да повреди MOSFET. Някои MOSFET включват защита срещу статично електричество.
- Някои части включват няколко MOSFET-а в едно устройство. Това може да е по-малко, отколкото да се използват отделни MOSFET. Също така може да е по-евтино да се направи електронна платка с по-малко части.
Теория
Съществуват много различни начини за изработване на MOSFET върху полупроводника. Най-простият метод е показан на схемата вдясно от този текст. Синята част представлява силиций от P-тип, а червената - силиций от N-тип. Пресечната точка на двата типа прави диод. В силициевите полупроводници има една странност, наречена "област на изчерпване". При легирания силиций, в който едната част е от N-тип, а другата - от P-тип, на пресечната точка между двата типа естествено се образува област на изчерпване. Това се дължи на техните акцептори и донори. Силицият от P-тип има акцептори, известни също като дупки, които привличат електроните към себе си. Силицият от N-тип има донори, или електрони, които се привличат към дупките. На границата между двата типа електроните от N-типа запълват дупките в P-типа. В резултат на това акцепторите, или атомите от P-тип, стават отрицателно заредени и тъй като отрицателните заряди привличат положителните, акцепторите, или дупките, ще се насочат към "пресечната точка". От страната на N-типа има положителен заряд, в резултат на което донорите, или електроните, се насочват към "кръстовището". Когато стигнат дотам, те ще бъдат отблъснати от отрицателния заряд от другата страна на "кръстовището", тъй като еднаквите заряди се отблъскват. Същото ще се случи и от страната на P-тип, донорите или дупките ще бъдат отблъснати от положителната област в страната на N-тип. Между двете не може да протича електричество, тъй като никакви електрони не могат да се придвижат към другата страна.
MOSFET-ите използват това в своя полза. "Тялото" на MOSFET се захранва отрицателно, което разширява областта на изчерпване, тъй като дупките се запълват с нови електрони, така че противоположната сила към електроните от N страната става много по-голяма. "Източникът" на MOSFET се захранва отрицателно, което свива изцяло зоната на изчерпване в N-тип, тъй като има достатъчно електрони, които да изпълнят положителната зона на изчерпване. "Drain" е с положително захранване. Когато "Gate" се захранва с положителна енергия, той ще направи малко електромагнитно поле, което ще премахне зоната на изчерпване непосредствено под гейта, тъй като ще има "пръскане" на дупки, което ще направи нещо, наречено "N-Channel". N-каналът е временна област от зоната на P-тип силиций, в която няма зона на изчерпване. Положителното електрическо поле ще неутрализира всички резервни електрони, които съставляват зоната на изчерпване. След това електроните в зоната на източника ще имат свободен път да се придвижат към "Drain", което ще накара електричеството да потече от източника към канала.
Схема на обикновен MOSFET
Въпроси и отговори
В: Какво представлява MOSFET?
О: MOSFET е метал-оксидно-полупроводников полеви транзистор, който е електронен компонент, действащ като електрически контролиран превключвател.
В: За какво се използват транзисторите?
О: Транзисторите са малки електрически устройства, които се използват в радиоприемници, калкулатори и компютри; те са едни от най-основните градивни елементи на съвременните електронни системи.
В: Как работи MOSFET?
О: MOSFET действа като клапан за електричество. Той има една входна връзка ("гейт"), която се използва за управление на потока на електричество между две други връзки ("source" и "drain"). Затворът действа като превключвател, който управлява двата изхода.
Въпрос: Какво означава наименованието "MOSFET"?
О: Наименованието MOSFET описва структурата и функцията на транзистора. "MOS" се отнася до факта, че той е изграден чрез наслояване на метал ("гейт") върху оксид (изолатор, който предотвратява потока на електричество) върху полупроводник ("source" и "drain"). "FET" описва действието на портата върху полупроводника.
В: Къде се използват почти всички MOSFETS?
О: Почти всички MOSFETS се използват в интегрални схеми.
Въпрос: Колко транзистора могат да се поберат на една интегрална схема днес в сравнение с 1970 г.?
О: От 2008 г. насам е възможно да се поставят 2 000 000 000 транзистора на една интегрална схема, докато през 1970 г. на една интегрална схема са се поставяли около 2 000 транзистора.
обискирам