Полевой транзистор МОП (MOSFET)

Что такое полевой транзистор MOS, MOSFET, МОП транзистор?

Как часто вы слышали названия MOSFET, MOSFET, MOS, полевой транзистор, МДП-транзистор, транзистор с изолированным затвором? Все эти слова являются синонимами и относятся к одному и тому же радиоэлементу: MOSFET.

Полное название такого радиоэлемента на английском языке звучит как Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFET), что дословно переводится как Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor.

Если перевести на наш могучий русский язык, то получается полевой транзистор со структурой Metal Oxide Semiconductor или просто МОП-транзистор. Почему МОП-транзистор также называют МДП-транзистором и транзистором с изолированным затвором.

Устройство

Полевой транзистор представляет собой пластину полупроводникового кристалла с n-структурой, на которой сформирована тонкая область электропроводности p-типа. Пластина и соединенный с ней электрод называются затвором, а тонкая р-область — каналом. Канал заканчивается с одной стороны электродом, называемым истоком, а с другой стороны электродом, называемым стоком.

Принципиальная схема и графическое обозначение полевого транзистора с p-каналом Принципиальная схема и графическое обозначение полевого транзистора с p-каналом

Концентрация отверстий в канале неравномерна. Со стороны стока их несколько. Это достигается большим количеством добавок в соответствующей области канала.

Отличия от биполярного

Ну первое и очевидное отличие состоит в том, что биполярный транзистор при отсутствии управляющего напряжения закрыт, а полевой транзистор, наоборот, открыт. Второй и очень важный момент – полевик управляется напряжением. В отличие от биполярного, в цепи затвор-исток практически отсутствует ток, так как n-p-переход замкнут, то есть имеет большое сопротивление.

Что это дает? Это дает очень высокий входной импеданс цепи, использующей полевой транзистор. Вход, например УНЧ, где в качестве входа используется «полевой работник», легко согласовать с любым источником напряжения. Такой усилитель практически не нагрузит этот источник.

Общие сведения

FET или PT представляет собой полупроводниковый прибор, который при изменении управления U регулирует I (ток). Этот тип транзистора также называют униполярным. Он появился позже обычного транзистора (биполярного), но с ростом техники получил широкое распространение среди цифровых устройств благодаря низкому энергопотреблению.

Основное отличие заключается в способе регуляции I. При биполярном регуляция I происходит с помощью управления I, а при полевом — с помощью U (рис. 1).

Полевой транзистор не имеет I-регулирования и имеет высокое входное сопротивление (R), достигающее нескольких сотен ГОм (ГигаОм) или ТОм (ТерраОм). Чтобы узнать область применения PT, нужно внимательно его изучить. Носителями заряда являются электроны или дырки, а в биполярных электроны и дырки.

Классификация и устройство

Существует несколько видов ПТ, они имеют разные свойства и юниты. Они делятся на 2 вида:

1. С управляющим p-n переходом (JFET).
2. Изолированный затвор (MOSFET).

Кроме того, каждый тип поставляется с каналами N и P. Для N-канальных полевых транзисторов носителями заряда являются электроны, а для P-канальных полевых транзисторов — дырки. Принцип работы P и N аналогичен, разница только в подаче питания U с другой полярностью в качестве управления.

JFET Устройство FET (рис. 2) простое. Область N образует канал между зонами P. Электроды подключаются к концам N-канала, который условно называют стоком (С) и истоком (I), так как все зависит от схемы подключения. Затвор (З) — тип электрода, образующийся при коротком замыкании полупроводников Р. Это связано с электрической связью при воздействии U.

Рядом с C и I находится область повышенной концентрации или легирования (N)+) электронов, что приводит к улучшению проводимости канала. Наличие зоны легирования значительно снижает образование паразитных pn-переходов, образующихся при добавлении алюминия.

MOFSET называют МОП или МИС, также делят на типы — со встроенными и индуцированными каналами. В каждом из этих типов есть модели с P- и N-каналами. Полевой транзистор, обозначение которого показано на рисунке 3, иногда имеет 4 вывода.

Устройство довольно простое и показано на рис. 4. Для N-канального полевого транзистора подложка (покрытая SiO2) имеет электропроводность P-типа. Через диэлектрический слой пропущены электроды стока и истока из легированных зон, а также выход, который закорочен с истоком. Слой затвора находится над диэлектриком.

Принцип работы JFET

JFET работает в двух режимах. Эта функция обусловлена ​​тем, что на затвор подается напряжение положительной и отрицательной составляющих (рис. 5). При подключении U > 0 к стоку, а земли к истоку необходимо подключить затвор к земле (Ug = 0). При постепенном увеличении U между C и I (Uis) полевой транзистор является обычным лидером. При низких значениях Uis ширина канала максимальна.

При больших значениях Uис большие значения тока, протекающего между истоком и стоком (Iис) по каналу. Это состояние называется омической областью (ОО). В полупроводнике N-типа, а именно в p-n-переходных зонах, концентрация свободных электронов уменьшается. Асимметричный рост слоя с уменьшением концентрации свободных электронов называется слоем обеднения.

Нарастание происходит на стороне подключенного блока питания. Отмечается сильное сужение канала при увеличении Uис, в связи с тем, что Iис увеличивается незначительно. Работа ПТ в этом режиме называется насыщением.

При подаче на затвор малого отрицательного U происходит сильное сужение канала и уменьшение Iis. При уменьшении U канал закроется, и полевой транзистор будет работать в режиме отсечки, а U, при котором прекращается подача питания на Iis, называется напряжением отсечки (Uots). На рис. 6 представлено графическое представление работы полевого транзистора при Ubr < 0.

При использовании в режиме насыщения сигнал усиливается (рис. 7), так как при незначительных изменениях Uис происходит значительное изменение Iис:

Этот параметр представляет собой коэффициент усиления JFET и называется наклоном сток-затвор (S). Единицей измерения является мА/В (мА/В).

Особености работы MOFSET

При подключении U между электродами C и I любой полярности МОП-транзистора с наведенным каналом N ток не будет течь, так как между легитимирующим слоем находится слой проводимости P, не пропускающий электроны.

Принцип работы с каналом P-типа такой же, только нужно применять отрицательное значение U. Если к затвору приложить положительное U, то возникнет электрическое поле, выталкивающее дырки из P-зоны в сторону подложки (рис. 8).

Ниже затвора концентрация свободных носителей заряда начнет уменьшаться, а их место займут электроны, которые притягиваются к положительному заряду затвора. Когда U3 достигнет порогового значения, концентрация электронов будет намного выше концентрации дырок.

В результате между С и I образуется канал проводимости N-типа, по которому будет течь Iis. Можно сделать вывод, что Iис прямо пропорционален Узи: с увеличением Узи канал расширяется и Иис увеличивается. Этот процесс является одним из способов обогащения PT.

ВАХ полевого транзистора с изолированным затвором примерно такая же, как у управляющего перехода (рис. 9). Область, где Iis растет прямо пропорционально росту Uis, является омической областью (насыщение). Участок при максимальном расширении канала, на котором Iis не растет, является активной областью.

При превышении порогового значения U р-n-переход пробивается, и полевой транзистор становится обычным проводником. В этом случае радиодеталь выходит из строя.

Отличие полевых транзисторов со встроенными и индуктивными каналами заключается в наличии проводящего типа канала между С и I. Если U разной полярности подключить к полевым транзисторам со встроенным каналом между стоком и истоком и затвором остается включенным (Uz = 0), будет ли Ius (поток свободных носителей заряда — электронов) течь по каналу.

Когда U < 0 подключен к затвору, возникает электрическое поле, которое толкает электроны к подложке. Произойдет уменьшение концентрации свободных носителей заряда и увеличится сопротивление, следовательно, Iус — уменьшится. Это состояние является обедненным режимом.

При подключении к затвору U > 0 возникает электромагнитное поле, которое будет притягивать электроны со стока, истока и подложки. В результате канал расширится и его проводимость увеличится, а Ius увеличится. ПТ начнет работать в режиме обогащения. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) представлена ​​на рисунке 10..

Несмотря на свою универсальность, ПТ имеют свои преимущества и недостатки. Эти недостатки обусловлены устройством, способом выполнения и вольт-амперными характеристиками устройств.

Преимущества и недостатки

Достоинства и недостатки — это общепринятые понятия, выведенные из сравнения полевых и биполярных транзисторов. Одной из характеристик полевых транзисторов является высокое сопротивление Rin. Более того, значение для MOFSET на несколько порядков выше, чем для JFET. Полевые транзисторы практически не потребляют ток от источника сигнала, который необходимо усилить.

Например, если взять обычную схему, формирующую сигнал на основе микросхемы микроконтроллера. Эта схема управляет работой электродвигателя, но имеет низкое значение тока, которого недостаточно для этой цели. В этом случае необходим усилитель, потребляющий малое количество I и генерирующий на выходе большой ток.

В усилителе такого типа следует использовать JFET с высоким Rin. JFET имеет низкий коэффициент усиления U. При построении усилителя на JFET (1 шт.) максимальный коэффициент усиления составит около 20, при использовании биполярного — несколько сотен.

В высококачественных усилителях используются оба типа транзисторов. С помощью полевых транзисторов усиление происходит в I, а затем с помощью биполярных усиление сигнала происходит в U. Однако полевые транзисторы имеют ряд преимуществ перед биполярными. Эти преимущества заключаются в следующем:

1. Высокий Rin, за счет этого минимальный расход I и U.
2. Громко я выигрываю.
3. Надежная работа и помехозащищенность: при отсутствии тока I через затвор, в результате чего цепь управления затвором изолирована от стока и истока.
4. Высокоскоростной переход из одного состояния в другое, позволяющий использовать полевые транзисторы на высоких частотах.

Кроме того, несмотря на широкое распространение, полевые транзисторы имеют ряд недостатков, не позволяющих полностью убрать биполярные транзисторы с рынка. К недостаткам можно отнести следующее:

1. повышенное падение У.
2. Температура разрушения устройства.
3. Использует больше энергии на высоких частотах.
4. Появление паразитного транзистора биполярного типа (ПБТ).
5. Чувствительность к статическому электричеству.

Увеличенное падение U происходит из-за высокого R между стоком и истоком во включенном состоянии. Полевой транзистор разрушается при температуре выше 150 градусов Цельсия, а биполярный — 200. Полевой транзистор имеет малое энергопотребление только на низких частотах.

Выше 1,6 ГГц энергопотребление увеличивается экспоненциально. Исходя из этого, частоты микропроцессоров перестали расти, а упор был сделан на создание машин с большим количеством ядер.

При использовании мощного полевого транзистора в структуре образуется ПБТ, при открытии которого полевой транзистор выходит из строя. Для решения этой проблемы подложку закорачивают на I. Однако это не решает проблему полностью, так как при возникновении U-скачка PBT разомкнется и полевой транзистор выйдет из строя, как и цепочка связанных с ним частей.

Существенным недостатком полевых транзисторов является их чувствительность к статическому электричеству. Этот недостаток исходит из конструктивных особенностей ПТ. Диэлектрический (изолирующий) слой тонкий и очень легко разрушается зарядом статического электричества, которое может достигать сотен и тысяч вольт.

Для предотвращения выхода из строя при воздействии статического электричества подложка заземляется и замыкается на источник. Кроме того, в некоторых типах полевых транзисторов между стоком и истоком имеется диод. При работе с ИС на полевых транзисторах следует применять антистатические меры: специальные браслеты и транспортировать в вакуумных антистатических упаковках.

Откуда пошло название «МОП»

Если вы «обрезаете» MOSFET, вы можете увидеть эту картину.

С точки зрения еды на вашем столе MOSFET будет больше похож на бутерброд. Полупроводник P-типа — толстый кусок хлеба, диэлектрик — тонкий слой колбасы, слой металла — тонкий ломтик сыра. В итоге получаем вот такой бутерброд.

И какая будет структура транзистора сверху вниз? Сыр — это лист металла, колбаса — изолятор, хлеб — полупроводник. Поэтому мы получаем металл-диэлектрик-полупроводник. А если взять первые буквы от каждого названия, то получится МИС — Металл-Диэлектрик-Полупроводник, верно? Это означает, что такой транзистор с первыми буквами можно назвать МДП-транзистором.

А так как в качестве диэлектрика используется очень тонкий слой оксида кремния (SiO2), можно сказать почти стекло, то вместо названия «диэлектрик» взяли название «оксид, окисел», и получилось Металл-Оксид-Полупроводник , сокращенно МОС. Ну вот теперь все встало на свои места).

Далее по тексту условимся называть МОП-транзистор просто полевым транзистором. Становится легче.

Строение полевого транзистора

Давайте еще раз посмотрим на структуру полевого транзистора.

Имеем «кирпич» из полупроводникового материала П-проводимости. Как вы помните, основными носителями в полупроводнике P-типа являются дырки, поэтому их концентрация намного больше, чем электронов. Но в полупроводнике P также есть электроны.

Как вы помните, электроны в P-полупроводнике являются неосновными носителями и их концентрация очень мала по сравнению с дырками. «Кирпич» P-полупроводника называется подложкой. Из подложки выходит одноимённый выход: подложка.

Второй слой — материал типа N+, диэлектрик, металл. Почему N+, а не только N? Дело в том, что этот материал сильно легирован, то есть концентрация электронов в этом полупроводнике очень высока. От полупроводников типа N+, которые расположены по краям, идут два вывода: Исток и Сток.

Между истоком и стоком через диэлектрик помещена металлическая пластина, от которой идет вывод. Этот выход называется затвором. Между портом и другими контактами нет электрического соединения. Затвор обычно изолирован от всех выводов транзистора, поэтому полевой МОП-транзистор также называют транзистором с изолированным затвором.

Мы видим, что полевой транзистор в схеме имеет 4 вывода (источник, сток, затвор и подложка), в то время как реальный транзистор имеет только 3 вывода.

В чем подвох? Дело в том, что подложка обычно подключается к источнику. Иногда это делается уже в самом транзисторе на этапе проектирования. В результате того, что исток подключен к подложке, между стоком и истоком имеем диод, который иногда даже не указывается на схемах, но всегда присутствует:

Поэтому при подключении MOSFET к схеме следует соблюдать распиновку.

Виды полевых транзисторов

В семействе МОП-транзисторов в основном существует 4 типа:

1) N канал с индуцированным каналом

2) P-канал с индуцированным каналом

3) N-канальный со встроенным каналом

4) P-канал со встроенным каналом

Как вы могли заметить, разница только в обозначении самого канала. При индуцированном канале он показан пунктирной линией, а при встроенном канале — сплошной линией.

В современном мире полевые транзисторы со встроенным каналом используются все реже, поэтому в наших статьях мы их рассматривать не будем. Мы будем изучать только N- и P-канальные полевые транзисторы с индуцированным каналом.

Принцип работы полевого транзистора

Принцип работы почти такой же, как и в полевом транзисторе с управляющим PN-переходом (JFET). Исток — это терминал, с которого начинают свое путешествие большинство носителей заряда, Сток — это терминал, куда они текут, а Врата — это терминал, с помощью которого мы контролируем поток большинства носителей.

Индуцирование канала в МОП-транзисторе

Если подать на затвор небольшое напряжение, в подложке начнутся волшебные превращения. В нем будет наведен канал. Индукция, индукция — буквально означает «наведение», «влияние».

Под этим термином понимается возбуждение в объекте свойства или деятельности в присутствии возбуждающего предмета (индуктора), но без непосредственного контакта (например, через магнитное или электрическое поле). Последнее выражение для нас имеет более глубокий смысл: «через электрическое поле».

Также нам не помешает вспомнить, как ведут себя заряды разных знаков. Те, кто не играл в физику на последней парте в морском бою и не плевал бумажными шариками через корпус шариковой ручки в одноклассников, наверняка помнят, что одноименные заряды отталкиваются, а противоположные заряды притягиваются

Опираясь на этот принцип, в начале 20 века ученые выяснили, где все это можно использовать, и создали гениальный радиоэлемент. Оказывается, достаточно подать на затвор положительное относительно истока напряжение, как под затвором возникнет электрическое поле.

Так как у нас очень тонкий слой диэлектрика, то и электрическое поле будет воздействовать и на подложку, где дырок гораздо больше, чем электронов, так как подложка на данный момент P-типа. А так как на затворе положительный потенциал, а дырки имеют положительный заряд, то одноименные заряды поэтому отталкиваются друг от друга, а разноименные притягиваются.

Дырки разлетаются от затвора, так как одноименные заряды отталкиваются, а электроны, наоборот, пытаются пробиться к металлической пластине затвора, но им мешает диэлектрик, который препятствует их воссоединению с затвором и выравниванием потенциала до нуля.

Поэтому электронам ничего не остается, кроме как просто создать «вавилонский столпотворение» вблизи диэлектрического слоя, как мы видим на рисунке ниже

Но посмотрите, что случилось!? Исток и сток соединены тонким каналом электронов! Говорят, что такой канал индуцировался за счет электрического поля, создаваемого затвором транзистора.

Поскольку этот канал соединяет Исток и Сток, которые сделаны из N + полупроводника, у нас есть N-канал. И такой транзистор уже будет называться N-канальным MOSFET. Вы, наверное, помните, что в проводнике много свободных электронов.

Так как Сток и Исток были соединены мостом с большим количеством электронов, то этот канал поэтому стал проводником электрического тока. Проще говоря, между истоком и стоком образовался «провод», по которому может проходить электрический ток.

Так что если мы теперь подадим напряжение между стоком и истоком с наведенным каналом, мы можем увидеть такую ​​картину

Как видите, цепь замкнута, и электрический ток может свободно протекать по цепи.

Но это не все! Чем сильнее электрическое поле, тем больше концентрация электронов, тем толще канал, следовательно, меньше сопротивление канала! И как сделать поле сильнее? Достаточно приложить большее усилие к затвору!

Подавая большее напряжение на затвор с помощью блока питания Bat2, мы увеличиваем толщину канала, а значит и его проводимость! Или простыми словами, мы можем изменить сопротивление канала, «играя» с напряжением затвора. Ну славнее некуда!

Читайте также: Выбор трансформаторов тока: критерии, расчет, описание, виды, схемы

Работа P-канального полевого транзистора

Выше мы разобрали N-канальный транзистор с индуцированным каналом. Есть еще P-канальный транзистор с индуцированным каналом. P-канал работает точно так же, как N-канал, с той лишь разницей, что основными несущими будут дырки.

При этом меняем все напряжения в схеме на инверсные, в отличие от N-канального транзистора. Честно говоря, P-канальные полевые транзисторы используются реже, чем N-канальные.

Режимы работы полевого транзистора

Работа полевого транзистора в режиме отсечки

Знакомимся с нашим героем. У нас в гостях N-канальный полевой транзистор с индуцированным каналом. Судя по гравировке, его зовут IRFZ44N. Пины слева направо: Gate, Drain и Source.

Как мы уже говорили, затвор служит для управления шириной канала между стоком и истоком. Чтобы показать принцип работы, соберем простейшую схему, которая будет управлять интенсивностью свечения лампы накаливания.

Так как в данный момент на затворе полевого транзистора нет напряжения, то он поэтому будет находиться в закрытом состоянии. То есть через лампу накаливания не будет протекать электрический ток.

По идее, для управления свечением лампы нам достаточно изменить напряжение на затворе относительно истока. Поскольку наш полевой транзистор является N-канальным, мы будем подавать на затвор положительное напряжение. Окончательная схема будет выглядеть так

Вопрос в другом. Какое напряжение необходимо подать на затвор, чтобы в цепи сток-исток протекал минимальный электрический ток?

С помощью этого блока питания мы будем регулировать напряжение. Так как есть стрелка, правильнее будет измерить напряжение мультиметром.

Лампа не горит. На втором блоке питания (Bat1) есть встроенный амперметр, который показывает, что в цепи лампы накаливания отсутствует электрический ток, следовательно, транзистор не открылся. Ладно, добавим напряжения.

И только при 3,5 вольта амперметр на Бат1 показал, что в цепи лампы накаливания появился ток, хотя сама лампа не горела

Такого слабого тока ей просто недостаточно, чтобы накалить вольфрамовую нить. Режим, при котором ток в цепи сток-исток отсутствует, называется режимом отсечки.

Активный режим работы полевого транзистора

В нашем случае при напряжении около 3,5 вольт транзистор начинает приоткрываться. Это значение различно для разных типов полевых транзисторов и колеблется в пределах от 0,5 до 5 вольт. В техпаспорте этот параметр называется Gate threshold voltage, в переводе с английского long — пороговое напряжение затвора. Обозначается как VGS(th), а в некоторых спецификациях как VGS(to) .

Как видно из таблицы, для моего транзистора это напряжение колеблется от 2 до 4 вольт при определенных условиях. В условиях написано, что открытие транзистора рассчитано на ток 250 мкА и в предположении, что напряжение на сток-исток равно напряжен

В этом режиме полевой транзистор может изменять сопротивление индуцированного канала в зависимости от напряжения на затворе. Чтобы понять, как усиливает полевой транзистор, нужно прочитать статью о принципе работы биполярного транзистора, где все это описано, иначе ничего не поймешь. Прочтите эту ссылку.

Активный режим транзистора чреват тем, что в этом режиме транзистор может сильно нагреваться. Поэтому всегда нужно заботиться об охлаждающем радиаторе, который будет распространять тепло от транзистора в окружающее помещение.

Почему греется транзистор? В чем дело? Да все оказывается до боли просто. Сопротивление сток-исток зависит от того, какое напряжение будет на затворе. То есть схематично это можно показать так.

Если напряжения затвора нет или оно меньше напряжения открытия транзистора, сопротивление в этом случае будет бесконечным. Лампочка — это нагрузка, которая имеет какое-то сопротивление. Я не утверждаю, что сопротивление нити горящей лампочки будет совсем другим, чем у холодной, но пока скажем, что лампочка — это некое постоянное сопротивление. Давайте перерисуем схему так.

Получился обычный делитель напряжения. Как было сказано, если на затворе нет напряжения, сопротивление сток-исток будет бесконечно большим. Это означает, что мощность, рассеиваемая транзистором, будет равна падению напряжения на стоке-истоке, умноженному на ток через сток-исток: P = Ic Usi. Если выразить эту формулу через сопротивление, то получим

Р = I2C Р

где R — сопротивление канала Сток-Исток, Ом

IC — ток, проходящий через канал (ток накопления), А

А какая мощность рассеивается радиоэлементом? Вот что такое тепло.

Теперь представьте, что мы открыли транзистор наполовину. Пусть ток через лампу в нашей схеме равен 1 ампер, а сопротивление перехода сток-исток 10 Ом. По формуле P = I2C R получаем, что мощность, теряемая на транзисторе в этот момент, составит 10 Вт! Да, это чертовски маленький обогреватель!

Режим насыщения полевого транзистора

Для полного открытия полевого транзистора нам достаточно подать напряжение до тех пор, пока лампа не загорится полным накалом. В моем случае это напряжение больше 4,2 вольта.

В режиме насыщения сопротивление канала Drain-Source минимально и почти не сопротивляется электрическому току. Лампа потребляет свои честные 20,4 Вт (12х1,7=20,4).

Немного об электрическом сопротивлении.

На самой лампе мы видим ее мощность 21 Вт.

Самое интересное, что транзистор в этом случае остается холодным и ни капли не нагревается, даже если через него проходит 1,7 ампера! Чтобы понять это явление, мы должны снова рассмотреть формулу P = I2C R . Если сопротивление сток-исток в режиме насыщения составляет сотые доли ома, то почему будет греться транзистор?

Следовательно, наиболее щадящие режимы MOSFET — это когда канал полностью открыт или когда канал полностью закрыт. При закрытом транзисторе сопротивление канала будет бесконечно велико, а ток через это сопротивление бесконечно мал, так как в этой цепи будет работать закон Ома.

Подставив эти значения в формулу P = I2C R, мы увидим, что потери мощности такого транзистора будут практически нулевыми. В режиме насыщения у нас сопротивление будет достигать сотых долей ома, а ток будет зависеть от нагрузки в цепи. Следовательно, в этом режиме транзистор также будет рассеивать сотые доли ватта.

Ключевой режим работы полевого транзистора

В этом режиме полевой транзистор работает только в режиме отсечки и насыщения.

Немного изменим схему и удалим из нее Bat2. Вместо этого ставим переключатель и берем напряжение на Gate от Bat1.

Для наглядности вместо переключателя использовал разворот от макетной платы. В этом случае свет выключен. Зачем ей гореть? На порту у нас полный ноль, поэтому канал закрыт.

Но стоит только перекинуть переключатель в другое положение, как наша лампочка тут же загорается в полную силу.

Вам даже не нужно ни о чем беспокоиться! Просто подайте напряжение на затвор и все! Конечно, если оно не превышает максимальное напряжение на затворе, прописанное в техпаспорте. Для нашего транзистора это +-20 Вольт.

Не повредит ли затвор напряжение питания? Так как у нашего Gate очень высокое входное сопротивление (ведь он отделен от всех выводов слоем диэлектрика), ток в цепи Gate будет очень мал (микроампер).

Как видите, лампочка горит на полную мощность. В этом случае можно сказать, что потенциал на Сливе стал таким же, как и на Истоке, то есть равен нулю, поэтому весь ток бежал от плюса питания к Сливу, «цепляя» по пути лампочку накаливания, которая не отказывался есть электрический ток, излучая кучу фотонов в комнату и на мой стол.

Но тоже интересное явление, в отличие от ключа на биполярном транзисторе. Даже если убрать провода со шторки, лампочка продолжает гореть как ни в чем не бывало

Почему это происходит? Тут надо вспомнить внутреннее устройство самого полевого транзистора. Этот раздел вам ничего не напоминает?

Так это конденсатор! А раз мы его зарядили, то почему он разряжается? Разряжаться ему некуда, поэтому он держит заряд электронов в канале, пока мы не разрядим выход Gate. Чтобы снять потенциал с затвора и «заткнуть» канал, надо снова уравнять его с нулем. Сделать это просто, закрыв порт источника. Лампа немедленно погаснет.

Как вы видели в эксперименте выше, если мы выключим напряжение на затворе, мы обязательно должны подтянуть затвор к минусу, иначе канал останется открытым. Поэтому обязательным условием в схемах является то, что Затвор всегда должен чем-то управляться и к чему-то подключаться. Он не может быть в воздухе.

И почему гейт не должен автоматически сбрасываться в ноль при отключении питания гейта? Поэтому эту схему можно модифицировать и сделать простейшим ключом на MOSFET:

Как только снимаю красный провод со шторки (размыкаю выключатель), сразу гаснет свет:

Красота! То есть, как только я снял напряжение с Gate, Gate через резистор подтянулся к минусу и стал нулевым потенциалом. А поскольку гейт равен нулю, канал Сток-Источник закрыт. Если я снова подам напряжение на затвор, напряжение питания упадет на мегомном резисторе, который весь осядет на затворе, и транзистор снова откроется.

Чем больше сопротивление, тем больше падение напряжения ;-). Не забывайте золотое правило делителя напряжения. Сопротивление в основном берется от 100 КилоОм до 1 МОм (можно и больше).

Поскольку полевые МОП-транзисторы с индуцированным каналом в основном используются в цифровой и импульсной технике, из них получаются превосходные транзисторные переключатели, в отличие от биполярных транзисторных переключателей.

Характеристики полевого МОП транзистора

Чтобы узнать характеристики транзистора, нам нужно открыть на него техпаспорт и посмотреть на маленькую табличку на первой странице техпаспорта. Мы будем рассматривать транзистор, который мы использовали в наших экспериментах: IRFZ44N.

Напряжение VGS — это напряжение между затвором и источником. Смотрим в техпаспорт и видим, что максимальное напряжение, которое можно подать на затвор, составляет +-20 вольт. Более 20 вольт в любом направлении пробьют тончайший слой диэлектрика и транзистор придет в негодность.

Максимальный идентификатор потока, который может проходить через исходный канал стока.

Как мы видим, транзистор может протянуть через себя в легкое 49 Ампер!!!

Но это при температуре кристалла 25 градусов Цельсия. И тогда номинальная сила тока составляет 35 ампер при температуре кристалла 100 градусов, что чаще всего и происходит на практике.

RDS(on) — сопротивление полностью открытого канала Drain-Source. В режиме насыщения сопротивление канала транзистора достигает очень малого значения. Как видите, на нашем участке сопротивление канала достигает 17,5 мОм (при условии, что напряжение на затворе = 10 вольт, а ток стока = 25 ампер).

Максимальная мощность потерь PD — это мощность, которую транзистор может рассеивать на себе, превращая эту мощность в тепло. В нашем случае это 94 Вт. Но и здесь должны быть соблюдены различные условия — это температура окружающей среды, а также наличие у транзистора радиатора.

Также различные зависимости одних параметров от других можно увидеть в техпаспорте на последних страницах.

Например, на графике ниже показана зависимость тока стока от напряжения сток-исток при некоторых фиксированных значениях напряжения на затворе при температуре кристалла (подложки) 25 градусов Цельсия (комнатная температура). Верхняя линия на графике соответствует напряжению на затворе 15 вольт. Другие строки в порядке приоритета согласно табличке вверху слева:

Также есть интересная зависимость сопротивления канала полностью открытого транзистора от температуры кристалла

Если посмотреть на график, то видно, что при температуре кристалла 140 градусов Цельсия сопротивление нашего канала увеличивается вдвое. А при отрицательных температурах, наоборот, снижается.

Как проверить полевой транзистор

Чтобы проверить полевой транзистор, нам нужно выяснить, где находятся выводы. Нашей морской свинкой будет тот же транзистор: IRFZ44N.

Для этого вбиваем в любой поисковик название нашего транзистора и пишем рядом слово «datasheet». Чаще всего на первой странице техпаспорта мы можем увидеть цоколевку транзистора.

Хотя в интернете полно готовых распиновок, а иногда все же проще написать «распиновка (распиновка) *имя транзистора*». Так что я запустил «IRFZ44N pinout» в яндексе и кликнул на вкладку «изображения». Яндекс дал мне много картинок с распиновкой этого транзистора:

Ну тогда дело за малым.
Устройство и принцип работы на видео:

Проверка полевого транзистора с помощью мультиметра

Теперь, зная цоколевку и принцип работы транзистора, мы можем проверить его на работоспособность. Прежде всего, мы легко можем проверить соответствующий диод VD2 между стоком и истоком. Его также часто указывают в обозначении схемы.

Но не спешите брать мультиметр в руки и прозванивать диод! Ведь первое, что нужно снять с себя, это статическое напряжение. Это можно сделать, прикоснувшись к металлизированному слою труб водяного отопления, либо прикоснувшись к проводу заземления.

При работе с радиоэлементами, чувствительными к статическому напряжению, целесообразно использовать антистатический браслет, один конец которого крепится к заземляющему проводнику, например к батарее, а другой конец в виде ремешка надевается на запястье.

Затем металлическим предметом закрываем все выводы транзистора. В моем случае это металлический пинцет. Почему мы это делаем? А вдруг кто-то раньше нас зарядил затвор, или он уже где-то успел «захватить» потенциал затвора? Поэтому, справедливости ради, приравняем потенциал на Стрит к нулю с помощью этой нехитрой манипуляции.

Ну а теперь с чистой совестью можно проверить диод, который образуется в полевом транзисторе между стоком и истоком. Так как у нас N-канальный транзистор, то и обозначение схемы будет выглядеть так:

За исток берем плюсовой (красный) щуп мультиметра, так как там расположен анод диода, а минусовой (черный) за сток
(там у нас диодный катод). Мультиметр должен показать падение напряжения на диоде 0,5-0,7 Вольта. В моем случае, как видите, 0,56 вольта.

Затем поменяйте щупы местами. Мультиметр покажет единицу, что говорит нам о том, что диод в полевом транзисторе жив и здоров.

Проверьте сопротивление канала. Мы с вами уже знаем, что в N-канальном транзисторе ток будет течь от Стека к Истоку, поэтому красный плюсовой щуп достаем к Сток, а минусовой к Истоку, и измеряем сопротивление. Должно быть, о-о-о-о-очень большой. В моем случае даже на Мегаомах показывает единицу, значит сопротивление все равно больше 200 Мегаом. Это очень хорошо.

Так как транзистор у нас N-канальный, то чтобы его немного приоткрыть, нам будет достаточно подать напряжение на затвор по отношению к истоку. Чаще всего в режиме прозвонки диодов на щупах мультиметра присутствует напряжение 3-4 вольта. Все зависит от марки мультиметра. Этого напряжения будет вполне достаточно, чтобы подать его на затвор и приоткрыть транзистор.

Итак, давайте сделаем это. Черный щуп ставим на источник, а красный на затвор на долю секунды. На показания мультиметра внимания не обращаем, так как используем его сейчас как источник тока для подачи потенциала на затвор. Этим простым действием мы немного приоткрыли транзистор.

Поскольку мы открыли транзистор, значит, сопротивление сток-исток должно уменьшиться. Давайте проверим, правда ли это? Ставим мультиметр в режим измерения сопротивления и смотрим, уменьшилось ли сопротивление между Drain-Source? Как видите, мультиметр показал значение 2,45 КОм.

Это говорит о том, что наш полевой транзистор полностью исправен.

Бывает конечно и так, что низкого напряжения на мультиметре не хватает, чтобы немного приоткрыть транзистор. Здесь можно прибегнуть к источникам питания, выдающим более-менее нормальное напряжение, например блок питания или 9-вольтовая батарея Крона. Так как Кроны рядом не было, просто выставим напряжение 10 Вольт.

Напряжение затвора именно этого транзистора не должно превышать 20 вольт иначе диэлектрик пробьет и транзистор выйдет из строя.

Итак, ставим 10 вольт.

Подаем это напряжение на затвор транзистора на долю секунды

Теперь по идее сопротивление между Drain и Source должно быть равно нулю. Для чистоты эксперимента измеряем сопротивление щупов самого мультиметра. Эх, дешевые китайские зонды. 2,1 Ом).

А теперь измеряем сопротивление самого перехода. Почти 0 Ом!

Хотя по даташиту должно быть 17,5 миллиом. Теперь можно с вероятностью 146% сказать, что наш транзистор полностью жив и здоров.

Как проверить полевой транзистор с помощью транзисторметра

Это удивительное китайское устройство должно быть на столе каждого электронщика, так как оно доступно по цене. Я писал отзыв о нем здесь

Здесь все просто как два и два. Вставляем транзистор в кроватку и нажимаем большую зеленую кнопку. В результате прибор сразу определил, что это N-канальный MOSFET, определил расположение выводов транзистора, а также емкость затвора и пороговое напряжение открытия, о чем мы говорили ранее в статье. Ну не прибор, а чудо!

Меры безопасности при работе с полевыми транзисторами

Все полевые транзисторы, будь то полевой транзистор с PN-переходом или полевой МОП-транзистор, очень чувствительны к электрическим перегрузкам на затворе. Это относится, в частности, к электростатическому заряду, который накапливается на теле человека и на измерительных приборах.

Опасные значения электростатического заряда для MOSFET составляют 50-100 вольт, а для транзисторов с управляющим PN переходом — 250 вольт. Поэтому самое главное правило при работе с такими транзисторами — заземлиться через антистатический браслет, или взяться за голую батарейку ДО прикосновения к полевым транзисторам.

В некоторых корпусах полевых транзисторов между истоком и затвором также встраиваются защитные стабилитроны, что вроде бы спасает их от электростатики, но лучше лишний раз перестраховаться и не испытывать судьбу транзистора на прочность. Также не мешало бы заземлить все паяльное и измерительное оборудование.

В настоящее время все это делается автоматически через евророзетки, которые имеют заземляющий проводник.

О проводимости

Как и биполярные, полевые транзисторы могут иметь различную структуру. Тот, который мы рассмотрели, имеет полупроводниковый канал p-типа. Называется — полевой транзистор с p-каналом. Если затвор будет иметь p-проводимость, канал будет соответственно n.Это n-канальный полевой транзистор. Принцип работы тот же, но необходимо изменить полярность питающего и управляющего напряжения.

Принципиальное устройство, схема включения и графическое обозначение n-канального полевого транзистора

Вот, пожалуй, и все, что я хотел рассказать о полупроводниках и устройствах, где они используются. Будем надеяться, что информация для многих окажется не только интересной, но и полезной.