Основы MOSFET: 13 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:53

Привет! В этом руководстве я научу вас основам полевых МОП-транзисторов, и под основами я имею в виду действительно основы. Это видео идеально подходит для человека, который никогда не изучал MOSFET профессионально, но хочет использовать их в своих проектах. Я расскажу о полевых МОП-транзисторах с n- и p-каналом, о том, как их использовать, чем они отличаются, почему оба важны, почему драйверы MOSFET и тому подобное. Я также расскажу о некоторых малоизвестных фактах о полевых МОП-транзисторах и многом другом.

Давай займемся этим.

Шаг 1. Посмотрите видео

В видеороликах подробно описано все, что необходимо для создания этого проекта. В видео есть несколько анимаций, которые помогут быстро понять факты. Вы можете посмотреть его, если предпочитаете визуальные эффекты, но если вы предпочитаете текст, выполните следующие шаги.

Шаг 2: полевой транзистор

Прежде чем приступить к использованию полевых МОП-транзисторов, позвольте мне познакомить вас с его предшественником, полевым транзистором JFET или Junction Field Effect Transistor. Это немного упростит понимание MOSFET.

Поперечное сечение полевого транзистора показано на рисунке. Клеммы идентичны клеммам MOSFET. Центральная часть называется подложкой или телом, и это просто полупроводник n-типа или p-типа в зависимости от типа полевого транзистора. Затем области выращиваются на подложке противоположного типа, чем у подложки, и называются затвором, стоком и истоком. Какое бы напряжение вы ни подавали, вы прикладываете его к этим регионам.

Сегодня с практической точки зрения это практически не имеет значения. Я не буду вдаваться в подробности, так как это будет слишком техническим и в любом случае не потребуется.

Символ JFET поможет нам понять символ MOSFET.

Шаг 3: МОП-транзистор

После этого идет полевой МОП-транзистор, имеющий основное отличие в выводе затвора. Перед тем, как установить контакты для вывода затвора, над подложкой выращивают слой диоксида кремния. Это причина того, что он назван полевым транзистором с металлическим оксидом и полупроводником. SiO2 - очень хороший диэлектрик, можно сказать изолятор. Это увеличивает сопротивление затвора по шкале от десяти до мощности в десять Ом, и мы предполагаем, что в полевом МОП-транзисторе ток затвора Ig всегда равен нулю. По этой причине он также называется полевым транзистором с изолированным затвором (IGFET). Слой хорошего проводника, такого как алюминий, дополнительно выращивают над всеми тремя областями, а затем устанавливают контакты. В области затвора вы можете видеть, что сформирована структура, подобная конденсатору с параллельными пластинами, и она фактически вносит значительную емкость в клемму затвора. Эта емкость называется емкостью затвора и может легко разрушить вашу схему, если ее не принять во внимание. Это также очень важно при обучении на профессиональном уровне.

Символ полевых МОП-транзисторов можно увидеть на прилагаемом рисунке. Размещение еще одной линии на затворе имеет смысл при связывании их с полевыми транзисторами, что указывает на то, что затвор изолирован. Направление стрелки в этом символе показывает обычное направление потока электронов внутри полевого МОП-транзистора, которое противоположно направлению потока тока.

Шаг 4: MOSFET - это 4-оконечное устройство?

Еще одна вещь, которую я хотел бы добавить, заключается в том, что большинство людей думают, что MOSFET - это устройство с тремя выводами, в то время как на самом деле MOSFET - это устройство с четырьмя выводами. Четвертый терминал - терминал тела. Возможно, вы видели прикрепленный к нему символ MOSFET, центральная клемма предназначена для корпуса.

Но почему почти все полевые МОП-транзисторы имеют только три вывода?

Вывод на корпусе внутри закорочен на источник, так как он бесполезен в приложениях этих простых ИС, и после этого символ становится знакомым нам.

Терминал на корпусе обычно используется при изготовлении сложной ИС с КМОП-технологией. Имейте в виду, что это относится к n-канальному MOSFET, картина будет немного другой, если MOSFET является p-канальным.

Шаг 5: Как это работает

Хорошо, теперь давайте посмотрим, как это работает.

Биполярный соединительный транзистор или BJT - это устройство, управляемое током, что означает, что величина тока, протекающего по его базовому выводу, определяет ток, который будет протекать через транзистор, но мы знаем, что ток не играет никакой роли в выводе затвора полевого МОП-транзистора и в целом мы можем сказать, что это устройство, управляемое напряжением, не потому, что ток затвора всегда равен нулю, а из-за его структуры, которую я не буду объяснять в этой инструкции из-за ее сложности.

Рассмотрим полевой МОП-транзистор с n каналом. Когда на вывод затвора не подается напряжение, между подложкой и областью стока и истока существует два встречных диода, в результате чего путь между стоком и истоком имеет сопротивление порядка 10 при мощности 12 Ом.

Я заземлил источник и начал увеличивать напряжение затвора. Когда достигается определенное минимальное напряжение, сопротивление падает, и МОП-транзистор начинает проводить, и ток начинает течь от стока к истоку. Это минимальное напряжение называется пороговым напряжением полевого МОП-транзистора, и протекание тока связано с образованием канала от стока к истоку в подложке полевого МОП-транзистора. Как следует из названия, в полевом МОП-транзисторе с n каналом канал состоит из носителей тока n типа, то есть электронов, что противоположно типу подложки.

Шаг 6: Но…

Здесь это только началось. Применение порогового напряжения не означает, что вы просто готовы использовать полевой МОП-транзистор. Если вы посмотрите на лист данных IRFZ44N, n-канального MOSFET, вы увидите, что при его пороговом напряжении через него может протекать только определенный минимальный ток. Это хорошо, если вы просто хотите использовать меньшие нагрузки, такие как только светодиоды, но в чем тогда смысл. Поэтому для использования больших нагрузок, потребляющих больше тока, вам придется подавать большее напряжение на затвор. Увеличивающееся напряжение затвора усиливает канал, вызывая прохождение через него большего тока. Чтобы полностью включить полевой МОП-транзистор, напряжение Vgs, которое представляет собой напряжение между затвором и истоком, должно быть где-то от 10 до 12 Вольт, это означает, что если источник заземлен, затвор должен иметь 12 Вольт или около того.

МОП-транзисторы, которые мы только что обсуждали, называются МОП-транзисторами улучшенного типа по той причине, что канал усиливается с увеличением напряжения затвора. Существует еще один тип MOSFET, называемый MOSFET истощенного типа. Основное отличие состоит в том, что канал уже присутствует в полевом МОП-транзисторе обедненного типа. Этот тип полевых МОП-транзисторов обычно недоступен на рынках. Символ для MOSFET истощенного типа отличается, сплошная линия указывает на то, что канал уже присутствует.

Шаг 7: Почему драйверы MOSFET?

Теперь предположим, что вы используете микроконтроллер для управления полевым МОП-транзистором, тогда вы можете подавать на затвор максимум 5 Вольт или меньше, чего будет недостаточно для сильноточных нагрузок.

Что вы можете сделать, так это использовать драйвер MOSFET, такой как TC4420, вам просто нужно подать логический сигнал на его входные контакты, и он позаботится обо всем остальном, или вы можете создать драйвер самостоятельно, но драйвер MOSFET имеет гораздо больше преимуществ в тот факт, что он также заботится о нескольких других вещах, таких как емкость затвора и т. д.

Когда полевой МОП-транзистор полностью включен, его сопротивление обозначается Rdson и его легко найти в таблице данных.

Шаг 8: МОП-транзистор с каналом P

MOSFET с каналом p - это полная противоположность полевого МОП-транзистора с каналом n. Ток течет от истока к стоку, а канал состоит из носителей заряда p-типа, то есть дырок.

Источник в полевом МОП-транзисторе с каналом p должен иметь самый высокий потенциал, и для его полного включения напряжение Vgs должно быть отрицательным от 10 до 12 В

Например, если источник подключен к 12 В, затвор при нулевом напряжении должен иметь возможность полностью включить его, и поэтому мы обычно говорим, что подача 0 В на затвор включает MOSFET канала ap, и из-за этих требований драйвер MOSFET для Канал n нельзя использовать напрямую с полевым МОП-транзистором с каналом p. Драйверы MOSFET с каналом p доступны на рынке (например, TC4429), или вы можете просто использовать инвертор с драйвером MOSFET с каналом n. Полевые МОП-транзисторы с каналом p имеют относительно более высокое сопротивление в открытом состоянии, чем полевые МОП-транзисторы с каналом n, но это не значит, что вы всегда можете использовать МОП-транзисторы с каналом n-типа для любых возможных приложений.

Шаг 9: Но почему?

Допустим, вам нужно использовать полевой МОП-транзистор в первой конфигурации. Этот тип переключения называется переключением нижнего уровня, потому что вы используете полевой МОП-транзистор для подключения устройства к земле. Для этой работы лучше всего подходит n-канальный MOSFET, поскольку напряжение Vgs не меняется и его можно легко поддерживать на уровне 12 вольт.

Но если вы хотите использовать n-канальный MOSFET для переключения на стороне высокого напряжения, источник может находиться где угодно между землей и Vcc, что в конечном итоге повлияет на напряжение Vgs, поскольку напряжение затвора является постоянным. Это окажет огромное влияние на правильное функционирование полевого МОП-транзистора. Кроме того, полевой МОП-транзистор сгорает, если напряжение Vgs превышает указанное максимальное значение, которое в среднем составляет около 20 В.

Следовательно, использование n-канальных MOSFET - это не простая задача. Мы используем MOSFET-транзисторы с p-каналом, несмотря на то, что у него большее сопротивление во включенном состоянии, поскольку у него есть то преимущество, что Vgs будет постоянным во время переключения на высокой стороне. Существуют также другие методы, такие как начальная загрузка, но я пока не буду их рассматривать.

Шаг 10: Кривая Id-Vds

Наконец, давайте кратко рассмотрим кривую Id-Vds. MOSFET работает в трех областях, когда Vgs меньше порогового напряжения, MOSFET находится в области отсечки, то есть выключен. Если Vgs больше порогового напряжения, но меньше суммы падений напряжения между стоком и истоком и порогового напряжения, говорят, что он находится в области триода или линейной области. В области лайнера можно использовать полевой МОП-транзистор в качестве резистора с переменным напряжением. Если Vgs больше, чем указанная сумма напряжений, то ток стока становится постоянным, говорят, что он работает в области насыщения, и чтобы заставить полевой МОП-транзистор действовать как переключатель, он должен работать в этой области, поскольку максимальный ток может пройти через полевой МОП-транзистор. в этой области.

Шаг 11: Предлагаемые детали

n-канальный полевой МОП-транзистор: IRFZ44N

ИНДИЯ - https://amzn.to/2vDTF6DUS - https://amzn.to/2vB6oXwUK -

p Канальный MOSFET: IRF9630US - https://amzn.to/2vB6oXwUK -

Драйвер полевого МОП-транзистора n Channel: TC4420US -

Драйвер p Channel MOSFET: TC4429

Шаг 12: Вот и все

Теперь вы должны быть знакомы с основами MOSFET и иметь возможность выбрать идеальный MOSFET для своего проекта.

Но по-прежнему остается вопрос, когда нам следует использовать полевые МОП-транзисторы? Простой ответ - когда вам нужно переключать большие нагрузки, которые требуют большего напряжения и тока. Преимущество полевых МОП-транзисторов заключается в минимальных потерях мощности по сравнению с биполярными транзисторами даже при более высоких токах.

Если я что-то пропустил, или ошибаюсь, или у вас есть какие-либо советы, прокомментируйте ниже.

Рассмотрите возможность подписки на наши Instructables и канал YouTube. Спасибо, что прочитали, до встречи в следующем руководстве.

Шаг 13: Используемые детали

n Канальный MOSFET: IRFZ44NINDIA - https://amzn.to/2vDTF6DUS - https://amzn.to/2vB6oXwUK -

p Канальный MOSFET: IRF9630US - https://amzn.to/2Jmm437UK -

Драйвер полевого МОП-транзистора n Channel: TC4420US -

Драйвер p Channel MOSFET: TC4429