Полевые транзисторы: принцип действия, схемы, режимы работы и моделирование

Аудио MOSFET транзисторы класса D

Все корпуса

Наим-е

Корпус

Напряжение пробоя

Rds(on) тип. (10 В)

Ток стока (25°C)

Заряд затвора

Класс

IRFI4024H-117P

5-pin TO-220

55V

48 mOhm

11 A

8.9 nC

Consumer

IRFI4212H-117P

5-pin TO-220

100V

58 mOhm

11 A

12 nC

Consumer

IRFI4019H-117P

5-pin TO-220

150V

80 mOhm

8.7

13 nC

Consumer

IRFI4020H-117P

5-pin TO-220

200V

80 mOhm

9.1 A

19 nC

Consumer

IRF6665TRPBF

DirectFET SH

100V

53 mOhm

19 A

8.7 nC

Consumer

IRF6645TRPBF

DirectFET SJ

100V

28 mOhm

25 A

14 nC

Consumer

IRF6644TRPBF

DirectFET MN

100V

10 mOhm

60 A

35 nC

Consumer

IRF6775MTRPBF

DirectFET MZ

150V

56 mOhm

28 A

25 nC

Consumer

IRF6785MTRPBF

DirectFET MZ

200V

85 mOhm

15 A

26 nC

Consumer

IRF6648TRPBF

DirectFET MN

60V

5.5 mOhm

86 A

36 nC

Consumer

IRF6668TRPBF

DirectFET MZ

80V

12 mOhm

55 A

22 nC

Consumer

IRF6646TRPBF

DirectFET MN

80V

7.6 mOhm

68 A

36 nC

Consumer

IRFB4212PBF

TO-220

100V

72.5 mOhm

18 A

15 nC

Industrial

IRFB4019PBF

TO-220

150V

80 mOhm

17 A

13 nC

Consumer

IRFB5615PBF

TO-220

150V

32 mOhm

35 A

26 nC

Industrial

IRFB4228PBF

TO-220

150V

12 mOhm

83 A

72 nC

Industrial

IRFB4020PBF

TO-220

200V

80 mOhm

18 A

18 nC

Consumer

IRFB4227PBF

TO-220

200V

19.7 mOhm

65 A

70 nC

Industrial

IRFB5620PBF

TO-220

200V

60 mOhm

25 A

25 nC

Industrial

IRFP4668PBF

TO-247

200V

8 mOhm

130 A

161 nC

Industrial

IRFB4229PBF

TO-220

250V

38 mOhm

46 A

72 nC

Industrial

IRFP4768PBF

TO-247

250V

14.5 mOhm

93 A

180 nC

Industrial

Подключение транзисторов для управления мощными компонентами

Типичной задачей микроконтроллера является включение и выключение определённого компонента схемы. Сам микроконтроллер
обычно имеет скромные характеристики в отношении выдерживаемой мощности. Так Ардуино, при выдаваемых на контакт 5 В
выдерживает ток в 40 мА. Мощные моторы или сверхъяркие светодиоды могут потреблять сотни миллиампер. При подключении
таких нагрузок напрямую чип может быстро выйти из строя. Кроме того для работоспособности некоторых компонентов требуется
напряжение большее, чем 5 В, а Ардуино с выходного контакта (digital output pin) больше 5 В не может выдать впринципе.

Зато, его с лёгкостью хватит для управления транзистором, который в свою очередь будет управлять большим током. Допустим, нам нужно подключить длинную светодиодную ленту, которая требует 12 В и при этом потребляет 100 мА:

Теперь при установке выхода в логическую единицу (high), поступающие на базу 5 В откроют транзистор и через ленту потечёт ток — она будет светиться. При установке выхода в логический ноль (low), база будет заземлена через микроконтроллер, а течение тока заблокированно.

Обратите внимание на R. Он необходим, чтобы при подаче управляющего напряжения
не образовалось короткое замыкание по маршруту микроконтроллер — транзистор — земля

Главное — не превысить допустимый
ток через контакт Ардуино в 40 мА, поэтому нужно использовать резистор номиналом не менее:

здесь Ud — это падение напряжения на самом транзисторе. Оно зависит от материала из которого он изготовлен и обычно составляет 0.3 – 0.6 В.

Но совершенно не обязательно держать ток на пределе допустимого. Необходимо лишь, чтобы показатель gain транзистора позволил управлять необходимым током. В нашем случае — это 100 мА. Допустим для используемого транзистора
hfe = 100, тогда нам будет достаточно управляющего тока в 1 мА

Нам подойдёт резистор номиналом от 118 Ом до 4.7 кОм. Для устойчивой работы с одной стороны и небольшой нагрузки на чип с другой, 2.2 кОм — хороший выбор.

Если вместо биполярного транзистора использовать полевой, можно обойтись без резистора:

это связано с тем, что затвор в таких транзисторах управляется исключительно напряжением: ток на участке микроконтроллер — затвор — исток отсутствует. А благодаря своим высоким характеристикам схема с использованием MOSFET позволяет управлять очень мощными компонентами.

Индуцирование канала в МОП-транзисторе

Если подать определенное напряжение на Затвор, в подложке начинаются волшебные превращения. В ней начинает индуцироваться канал.

Индукция, индуцирование – это буквально означает “наведение”, “влияние”. Под этим термином понимают возбуждение в объекте какого-либо свойства или активности в присутствии возбуждающего субъекта (индуктора), но без непосредственного контакта (например, через электрическое поле). Последнее выражение для нас имеет более глубокий смысл: “через электрическое поле”.

Также нам не помешает вспомнить, как ведут себя заряды различных знаков. Те, кто не играл на физике на последней парте в  морской бой и не плевал через корпус шариковой ручки бумажными шариками в одноклассниц, тот наверняка вспомнит, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются:

На основе этого принципа еще в начале ХХ века ученые сообразили, где все это можно применить и создали гениальный радиоэлемент. Оказывается, достаточно подать на Затвор положительное напряжение относительно Истока, как сразу под Затвором возникает электрическое поле. А раз  подаем на Затвор положительное напряжение, значит он будет заряжаться положительно не так ли?

Так как у нас слой диэлектрика очень тонкий, следовательно, электрическое поле будет также влиять и на подложку, в которой дырок намного больше, чем электронов. А раз и на Затворе положительный потенциал и дырки обладают положительным зарядом, следовательно, одноименные заряды отталкиваются, а разноименные  – притягиваются. Картина будет выглядеть следующим образом пока что без источника питания между Истоком и Стоком:

Дырки обращаются в бегство подальше от Затвора и поближе к выводу Подложки, так как одноименные заряды отталкиваются, а электроны наоборот пытаются пробиться к металлической пластинке затвора, но им мешает диэлектрик, который не дает им воссоединиться с Затвором и уравнять потенциал до нуля. Поэтому электронам ничего другого не остается, как просто создать вавилонское столпотворение около слоя диэлектрика.

В результате, картина будет выглядеть следующим образом:

Видели да? Исток и Сток соединились тонким каналом из электронов! Говорят, что такой канал индуцировался из-за электрического поля, которое создал Затвор транзистора.

Так как этот канал соединяет Исток и Сток, которые сделаны из N+ полупроводника, следовательно у нас получился N-канал. А  такой транзистор уже будет называться N-канальным МОП-транзистором. Если вы читали статью проводники и диэлектрики, то наверняка помните, что в проводнике очень много свободных электронов. Так как Сток и Исток соединились мостиком из большого количества электронов, следовательно этот канал стал проводником для электрического тока. Проще говоря, между Истоком и Стоком образовался “проводок”, по которому может бежать электрический ток.

Получается, если подать напряжение между Стоком и Истоком при индуцированном канале, то мы можем увидеть вот такую картину:

Как вы видите, цепь стает замкнутой и в цепи начинает спокойно протекать электрический ток.

Но это еще не все! Чем сильнее электрическое поле, тем больше концентрация электронов, тем толще получается канал. А как сделать поле сильнее? Достаточно подать побольше напряжения на Затвор 😉 Подавая бОльшее напряжение на Затвор с помощью Bat2, мы  увеличиваем толщину канала, а значит и его проводимость! Или простыми словами, мы можем менять сопротивление канала, “играя” напряжением на затворе 😉 Ну гениальнее некуда!

N-канальные MOSFET транзисторы двухканальные

SO-8

-30 В

двухканальный P-транзистор, -30В, 9.0A

двухканальный P-транзистор, -30В, 8.0A

30 В

двухканальный N-транзистор, 30В, 9.7A

двухканальный N-транзистор, 30В, 9.1A

двухканальный N-транзистор, 30В, 8.9A

двухканальный N-транзистор, 30В, 8.0A

двухканальный N-транзистор, 30В, 7.6A

IRL6372PBF

двухканальный N-транзистор, 30В, 8.1A, 2.5В drive capable

60 В

двухканальный N-транзистор, 60В,  8.0A

PQFN 2×2 мм

-30 В

DUAL P-CHANNEL, -30V,  3.4A, PQFN2x2

20 — 25 В

DUAL N-CHANNEL, 20V, 3.4A, 2.5V drive capable, PQFN2x2

DUAL N-CHANNEL, 30V, 3.4A, 2.5V drive capable, PQFN 2×2

PQFN 3х3 мм

30 В

DUAL N-CHANNEL, 30V,  10A, PQFN3x3

100 В

DUAL N-CHANNEL, 100V,  3.4A, PQFN3x3

PQFN 5×6 мм

30 В

30V POL control and syncrhonous, PQFN5x6

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы (BJT, Bipolar Junction Transistors) имеют три контакта:

  • Коллектор (collector) — на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять
  • База (base) — через неё подаётся небольшой ток, чтобы разблокировать большой; база заземляется, чтобы заблокировать его
  • Эмиттер (emitter) — через него проходит ток с коллектора и базы, когда транзистор «открыт»

Основной характеристикой биполярного транзистора является показатель hfe
также известный, как gain. Он отражает во сколько раз больший ток по участку коллектор–эмиттер
способен пропустить транзистор по отношению к току база–эмиттер.

Например, если hfe = 100, и через базу проходит 0.1 мА, то транзистор пропустит
через себя как максимум 10 мА. Если в этом случае на участке с большим током находится компонент,
который потребляет, например 8 мА, ему будет предоставлено 8 мА, а у транзистора останется «запас».
Если же имеется компонент, который потребляет 20 мА, ему будут предоставлены только максимальные
10 мА.

Также в документации к каждому транзистору указаны максимально допустимые напряжения и токи на
контактах. Превышение этих величин ведёт к избыточному нагреву
и сокращению службы, а сильное превышение может привести к разрушению.

NPN и PNP

Описанный выше транзистор — это так называемый NPN-транзистор. Называется он так из-за того, что состоит
из трёх слоёв кремния, соединённых в порядке: Negative-Positive-Negative. Где negative — это сплав
кремния, обладающий избытком отрицательных переносчиков заряда (n-doped), а positive —
с избытком положительных (p-doped).

NPN более эффективны и распространены в промышленности.

PNP-транзисторы при обозначении отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает от P к N.
PNP-транзисторы отличаются «перевёрнутым» поведением: ток не блокируется, когда база заземлена и блокируется,
когда через неё идёт ток.

история

МОП — транзистор был изобретен Mohamed Atalla и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году был прорыв в области силовой электроники . Поколения MOSFETs позволили конструкторам мощности для достижения уровня производительности и плотности не представляется возможным с биполярными транзисторами.

В 1969 году Hitachi представила первую вертикальную мощность MOSFET, который позже будет известен как VMOS (V-образный паз МОП — транзистор). Же году (двойной диффузией МОП — транзистор) с собственной выровненной ворот было впервые сообщено Y. Таруи, Y. Hayashi и Тосихиро Sekigawa в лаборатории электротехнический (ETL). В 1974 году , июнь-ити Нишизава в университете Тохоку изобрел питания MOSFET для аудио, который вскоре был произведен по корпорации Yamaha для их высокой точности воспроизведения звуковых усилителей . СП , корпорация Pioneer , Sony и Toshiba также начали производить усилители с силовыми транзисторами в 1974 г. Siliconix коммерчески введена VMOS в 1975 году.

VMOS и DMOS разработаны в то , что стало известно как VDMOS (вертикальные DMOS). Джон Moll исследовательская группа «s в HP Labs изготовлены опытные образцы ДМОП в 1977 году, и продемонстрировал преимущества перед VMOS, в том числе ниже на сопротивление и выше напряжения пробоя. Же год Hitachi представила LDMOS (боковой ДМОП), плоский тип DMOS. Hitachi была единственным производителем LDMOS между 1977 и 1983 годами, в течение которых LDMOS используется в аудио усилителей мощности от таких производителей, как HH Electronics (V-серии) и Ashly Audio , и были использованы для музыкальных и системы оповещения . С введением 2G цифровой сети мобильной связи в 1995 году, LDMOS стал наиболее широко используемым усилителем ВЧ мощности в мобильных сетях , таких как 2G, 3G и 4G .

Алекс Lidow совместно изобрели HEXFET, шестиугольный тип питания полевого МОП — транзистора, в Стэнфордском университете в 1977 году, наряду с Томом Герман. HEXFET был на коммерческую International Rectifier в 1978. биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), который сочетает в себе элементы как МОП — транзистора мощности и биполярный плоскостной транзистор (BJT), был разработан Jayant Baliga в General Electric в период с 1977 по 1979 год.

Суперинжекции МОП — транзистор представляет собой тип силового полевого МОП — транзистора , который использует P + столбцы , которые проникают в N — эпитаксиального слоя. Идея укладки P и N слоев была впервые предложена Shozo Shirota и Шигео Канедом в университете Осаки в 1978 году Чэнь Xingbi изобрел суперинжекцию устройство, для которого он был выдан патент США в 1993 году.

Сферы применения тех и других транзисторов

Различия между полевыми и биполярными транзисторами четко разделяют области их применений. Например в цифровых микросхемах, где необходим минимальный ток потребления в ждущем состоянии, полевые транзисторы применяются сегодня гораздо шире. В аналоговых же микросхемах полевые транзисторы помогают достичь высокой линейности усилительной характеристики в широком диапазоне питающих напряжений и выходных параметров.

Схемы типа reel-to-reel удобно реализуются сегодня с полевыми транзисторами, ведь легко достигается размах напряжений выходов как сигналов для входов, совпадая почти с уровнем напряжения питания схемы. Такие схемы можно просто соединять выход одной с входом другой, и не нужно никаких ограничителей напряжения или делителей на резисторах.

Что касается биполярных транзисторов, то их типичными сферами применения остаются: усилители, их каскады, модуляторы, детекторы, логические инверторы и микросхемы на транзисторной логике.

Разная реакция на нагрев

У биполярных транзисторов температурный коэффициент сопротивления коллектор-эмиттер отрицательный (т. е. с ростом температуры сопротивление уменьшается и ток коллектор — эмиттер растет). У полевых транзисторов все наоборот — температурный коэффициент сток-исток положительный (с ростом температуры сопротивление растет, и ток сток-исток уменьшается).

Важное следствие из этого факта — если биполярные транзисторы нельзя просто так включать параллельно (с целью умощнения), без токовыравнивающих резисторов в цепи эмиттера, то с полевыми все намного проще — благодаря автобалансировке тока сток-исток при изменении нагрузки/нагрева — их можно свободно включать параллельно без выравнивающих резисторов. Это связано с температурными свойствами p-n перехода и простого полупроводника p- или n-типа

По этой причине у полевых транзисторов гораздо реже случается необратимый выходной тепловой пробой, чем у биполярных.

Так для достижения высоких показателей коммутационных токов, можно легко набрать составной ключ из нескольких параллельных полевых транзисторов, что и используется много где на практике, например в инверторах.

А вот биполярные транзисторы нельзя просто так параллелить, им нужны обязательно токовыравнивающие резисторы в цепях эмиттеров. Иначе, из-за разбаланса в мощном составном ключе, у одного из биполярных транзисторов рано или поздно случится необратимый тепловой пробой. Полевым составным ключам названная проблема почти не грозит. Эти характерные тепловые особенности связаны со свойствами простого n- и p-канала и p-n перехода, которые кардинально отличаются.

Какие транзисторы лучше полевые или биполярные?

И так, мы узнали, что главное отличие этих двух видов транзисторов в управление. Давайте рассмотрим прочие преимущества полевых транзисторов по сравнению с биполярными:

Накопление и рассасывание неосновных носителей заряда отсутствует в полевых транзисторах, от того и быстродействие у них очень высокое (что отмечается разработчиками силовой техники). И поскольку за усиление в полевых транзисторах отвечают переносимые основные носители заряда, то верхняя граница эффективного усиления у полевых транзисторов выше чем у биполярных.

   Отличие полевого транзистора от биполярного

Здесь же отметим высокую температурную стабильность, малый уровень помех (в силу отсутствия инжекции неосновных носителей заряда, как то происходит в биполярных), экономичность в плане потребления энергии.

Меры безопасности при использовании полевых МОП транзисторов

Все полевые транзисторы, будь это полевой транзистор с управляющим P-N переходом, либо МОП-транзистор, очень чувствительны к электрическим перегрузкам на Затворе. Особенно это касается электростатического заряда, который накапливается на теле человека и на измерительных приборах. Опасные значения электростатического заряда для МОП-транзисторов составляют 50-100 Вольт, а для транзисторов с управляющим P-N переходом – 250 Вольт

Поэтому самое важное правило при работе с такими транзисторами – это заземлить себя через антистатический браслет, или взяться за голую батарею ДО касания полевых транзисторов

Также в некоторых экземплярах полевых транзисторов встраивают защитные стабилитроны между Истоком и Затвором, которые вроде как спасают от электростатики, но лучше все-таки перестраховаться лишний раз и не испытывать судьбу транзистор на прочность. Также не помешало бы заземлить всю паяльную и измерительную аппаратуру. В настоящее время это все делается уже автоматически через евро розетки, у которых имеются в наличии заземляющий проводник.

Пределы работы

пробой оксида ворота

Оксида затвора очень тонкая (100 нм или меньше), так что он может выдержать лишь ограниченное напряжение. В справочных данных, производители часто заявляют максимальный ворота к источнику напряжения, около 20 V, и превышение этого предела может привести к разрушению компонента. Кроме того, высокие ворота источника напряжения значительно сокращает срок службы полевого МОП — транзистора, с практически никаких преимуществ по R DSon сокращения.

Чтобы справиться с этой проблемой, А драйвер затвора схема часто используется.

Максимальный сток к источнику напряжения

Силовой МОП — транзисторы имеют максимальный указанный слив для напряжения источника (в выключенном состоянии ), за которой пробой может произойти. Превышение напряжения пробоя приводит устройство в поведении, что потенциально может повредить его и другие элементы схемы из — за чрезмерной рассеиваемой мощности.

Максимальный потребляемый ток

Ток стока должен как правило , остаются ниже определенного заданного значения (максимальный непрерывный ток стока). Она может достигать более высоких значений в течение очень коротких периодов времени (максимальный ток в импульсном режиме слива, иногда указаны для различных длительностей импульсов). Ток стока ограничивается нагревом из — за резистивные потери во внутренних компонентах , таких как провода облигаций и другие явления , таких как электромиграции в металлическом слое.

максимальная температура

Температура перехода (T J ) МОП — транзистора должны оставаться под определенным максимальным значением для устройства с функцией надежно, определяется расположение матрицы MOSFET и упаковочных материалов. Тара часто ограничивает максимальную температуру перехода, в связи с формовочной массы и (когда используют) эпоксидных характеристик.

Максимальная рабочая температура окружающей среды определяется рассеиваемой мощности и тепловым сопротивлением . Тепловое сопротивление переход-случае присуща устройству и упаковки; случай к окружающей тепловое сопротивление в значительной степени зависит от платы / макет монтажа, heatsinking зона и воздух / поток текучей среды.

Типа рассеиваемой мощности, является ли непрерывным или импульсным, влияет на максимальную рабочую температуру , из — за тепловые массовые характеристики; в общем случае , снизить частоту импульсов для данной рассеиваемой мощности, тем выше максимальной рабочей температуры окружающей среды, что позволяет за счет более длительный интервал для устройства для охлаждения. Модели, такие как сети Фостера , могут быть использованы для анализа динамики температуры от мощности переходных процессов .

Безопасная рабочая зона

Область безопасной работы определяет объединенные диапазоны тока стока и стоком к источнику напряжения МОП — транзистор мощности способен обрабатывать без повреждений. Оно представлено в графическом виде как область , в плоскости , образованной этих двух параметров. И ток стока и сток-исток напряжение должны оставаться ниже их соответствующих значений максимальных, но их продукт также должен оставаться ниже максимальной рассеиваемой мощностью устройство может обрабатывать. Таким образом, устройство не может работать при максимальном токе и максимальным напряжением одновременно.

На что нужно обратить внимание

Открыв PDF-даташит, в первую очередь надо выяснить: тип транзистора (MOSFET или JFET), полярность, тип корпуса, расположение выводов (цоколевку).

Из числовых параметров это, прежде всего предельные характеристики, такие как Pd — максимальная рассеиваемая мощность, Vds — максимальное напряжение
сток-исток, Vgs — максимальное напряжение затвор-исток, Id — максимальный ток стока. У подбираемого транзистора эти параметры должны быть не меньше чем у исходного транзистора.

Для MOSFET-транзистора важным параметром является сопротивление сток-исток открытого транзистора (Rds). От значения Rds зависит мощность, выделяемая
на транзисторе. Чем меньше значение Rds, тем меньше транзистор будет нагреваться.

Однако необходимо помнить, что чем больше Id и меньше Rds, тем больше ёмкость затвора у MOSFET-транзистора. Это приводит к тому, что требуется большая
мощность для управления этим затвором. А если схема не обеспечит нужную мощность, то возрастут динамические потери из-за замедленной скорости
переключения транзистора и, как итог, MOSFET будет больше нагреваться. Поэтому необходимо проверить температурный режим (нагрев) транзистора после
включения устройства. Если транзистор сильно нагревается, то дело может быть как в самом транзисторе, так и в элементах его обвязки.

Применение полевых транзисторов

(читать дальше…) :: (в начало статьи)

 1   2 

:: ПоискТехника безопасности :: Помощь

 

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!Задать вопрос. Обсуждение статьи. сообщений.

Полевой транзистор — силовой ключ Применение полевого транзистора в качестве ключа. Читать дальше…

Применение полевых транзисторов Типичные схемы с полевыми транзисторами. Применение МОП. Читать дальше…

Уважаемый Автор,
мне кажется, в статье перепутаны определения обедненных и обогащенных транзисторов.
р-канальные транзисторы действительно бывают только обогащённого типа (они же с индуцированным каналом они же enhancement-mode). Но они не проводят ток при нулевом напряжении затвора, а отпираются при некотором пороговом отрицательном напряжении на затворе относительно с Читать ответ…

Еще статьи

Мощный полевой транзистор irfp2907. МОП, MOSFET. Свойства, параметры, …
Применение и параметры IRFP2907, мощного полевого транзистора, рассчитанного на …

Проверка биполярного, полевого транзисторов, МОП, FET, MOSFET. Провери…
Как проверить исправность биполярного и полевого транзисторов. Методика испытани…

Практика проектирования электронных схем. Самоучитель электроники….
Искусство разработки устройств. Элементная база радиоэлектроники. Типовые схемы….

Высоковольтный полевой транзистор irfp450. МОП, MOSFET. Свойства, пара…
Применение и параметры IRFP450, высоковольтного полевого транзистора…

Отрицательное сопротивление, импеданс. Схема. Преобразователь в против…
Понятие отрицательного сопротивления. Схемы с отрицательным сопротивлением….

Делитель напряжения. Схема, расчет, формула. Рассчитать. Применение. О…
Делитель напряжения. Онлайн расчет. Применение на примере осциллографа…

Основы электроники. Начала, база, понятие радиоэлектроники, электронно…
Что такое электроника? Проектирование радиоэлектронных схем…

Инвертирующий импульсный преобразователь напряжения, источник питания….
Как сконструировать инвертирующий импульсный преобразователь. Как выбрать частот…

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).

Определение полевого транзистора

Полевой транзистор — это прибор, обладающий четырьмя выводами: Исток, Сток, Затвор, Подложка. Управляющее напряжение прилагается между Затвором и Истоком. В большинстве случаев подложка внутри корпуса соединена с истоком, так что наружу торчат три вывода. Некоторые виды полевых транзисторов не имеют подложки (транзисторы с p-n переходом).

Вашему вниманию подборка материалов:

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Полевой транзистор имеет два режима работы: Линейный участок и участок насыщения.

Линейный участок: [Ток стока, А] = 2 * k * (([Управляющее напряжение, В] — [Пороговое напряжение, В]) * [Напряжение сток — исток, В] — 0.5 [Напряжение сток — исток, В] ^ 2)

Участок насыщения: [Ток стока, А] = k * ([Управляющее напряжение, В] — [Пороговое напряжение, В]) ^ 2

Пороговое напряжение (напряжение отсечки) — это некоторая абстрактная величина, для которой верно уравнение линейного участка. Можно считать, что это напряжение, при котором продолженная прямая линия линейного участка достигает нулевого тока

Обратите внимание, что это именно абстракция. Очень распространенной ошибкой является мнение, что при управляющем напряжении, меньше порогового, проводимость отсутствует

Это не так. Гарантировать отсутствие проводимости можно только, если напряжение меньше намного (несколько вольт). Если же оно вблизи порогового, то небольшая проводимость присутствует, но вывести разумную формулу для ее расчета возможным (да и полезным) не представляется.

Подложка образует p-n переход с полупроводниковым каналом, соединяющим сток и исток, так что напряжение на подложке не должно быть меньше (для канала типа n) / больше (для канала типа p) напряжения на истоке.

Сопротивление между затвором и истоком полевого транзистора в рабочем режиме очень высокое.

Электронный прибор с четырьмя или тремя выводами, обладающий свойствами, описанными этими формулами, мы будем называть Полевым транзистором

Устройство полевого транзистора JFET с N-каналом

Как показано на рисунке ниже, область полупроводника
N-типа формирует канал между зонами P-типа. Электроды,
подключаемые к концам N-канала, называются сток и исток.
Полупроводники P-типа электрически соединяются между собой
(закорачиваются), и представляют собой один электрод – затвор.

Вблизи стока и истока находятся области повышенного легирования N+.
T. e. зоны с повышенной концентрацией электронов. Это улучшает проводимость канала.
Кроме этого, наличие областей N+ ослабляет эффект появления паразитических PN-переходов
в случае присоединения проводников из трехвалентного алюминия.

Имена электродов сток и исток носят условный характер. Если взять отдельный полевой транзистор,
не подключенный к какой-либо схеме, то не будет иметь значения какая ножка корпуса сток, а какая исток.
Имя электрода будет зависеть от его расположения в электрической цепи.

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. 

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.

   Обсудить статью MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT

Ссылка на основную публикацию