Полевой транзистор МОП (MOSFET)
Что такое полевой транзистор MOS, MOSFET, МОП транзистор?
Как часто вы слышали название полевой транзистор МОП, MOSFET, MOS, полевик, МДП-транзистор, транзистор с изолированным затвором? Это все слова синонимы и относятся к одному и тому же радиоэлементу: полевому МОП-транзистору.
Полное название такого радиоэлемента на английский манер звучит как Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFET), что в дословном переводе Металл Оксид Полупроводник Поле Влияние Транзистор. Если преобразовать на наш могучий русский язык, то получается как полевой транзистор со структурой Металл Оксид Полупроводник или просто МОП-транзистор. Почему МОП-транзистор также называют МДП-транзистором и транзистором с изолированным затвором.
Откуда пошло название «МОП»
Если «разрезать» МОП-транзистор, то можно увидеть вот такую картину.
С точки зрения еды на вашем столе, МОП-транзистор будет больше похож на бутерброд. Полупроводник P-типа — толстый кусок хлеба, диэлектрик — тонкий слой колбасы, слой металла — тонкая пластинку сыра. В результате у нас получается вот такой бутерброд.
А как будет строение транзистора сверху-вниз? Сыр — металлическая пластинка, колбаса — диэлектрик, хлеб — полупроводник. Следовательно, получаем Металл-Диэлектрик-Полупроводник. А если взять первые буквы с каждого названия, то получается МДП — Металл-Диэлектрик-Полупроводник, не так ли? Значит, такой транзистор можно назвать по первым буквам МДП-транзистором. А так как в качестве диэлектрика используется очень тонкий слой оксида кремния (SiO2), можно сказать почти стекло, то и вместо названия «диэлектрик» взяли название «оксид, окисел», и получилось Металл-Окисел-Полупроводник, сокращенно МОП. Ну вот, теперь все встало на свои места).
Далее по тексту МОП-транзистор условимся называть просто полевой транзистор. Так будет проще.
Строение полевого транзистора
Давайте еще раз рассмотрим структуру полевого транзистора.
Имеем «кирпич» полупроводникового материала P-проводимости. Как вы помните, основными носителями в полупроводнике P-типа являются дырки, поэтому, их концентрация намного больше, чем электронов. Но электроны также есть и в P-полупроводнике. Как вы помните, электроны в P-полупроводнике — это неосновные носители и их концентрация очень мала, по сравнению с дырками. «Кирпич» P-полупроводника носит название Подложки. От подложки выходит вывод с таким же названием: подложка.
Другие слои — это материал N+ типа, диэлектрик, металл. Почему N+, а не просто N? Дело в том, что этот материал сильно легирован, то есть концентрация электронов в этом полупроводнике очень большая. От полупроводников N+ типа, которые располагаются по краям, отходят два вывода: Исток и Сток.
Между Истоком и Стоком через диэлектрик располагается металлическая пластинка, от который идет вывод. Называется этот вывод Затвором. Между Затвором и другими выводами нет никакой электрической связи. Затвор вообще изолирован от всех выводов транзистора, поэтому МОП-транзистор также называют транзистором с изолированным затвором.
Мы видим, что полевой транзистор на схеме имеет 4 вывода (Исток, Сток, Затвор и Подложка), а реальный транзистор имеет только 3 вывода.
В чем прикол? Дело все в том, что Подложку обычно соединяют с Истоком. Иногда это уже делается в самом транзисторе еще на этапе разработки. В результате того, что Исток соединен с Подложкой, у нас образуется диод между Стоком и Истоком, который иногда даже не указывается в схемах, но всегда присутствует:
Поэтому, следует соблюдать цоколевку при подключении МОП-транзистора в схему.
Виды полевых транзисторов
В семействе МОП полевых транзисторов в основном выделяют 4 вида:
1) N-канальный с индуцированным каналом
2) P-канальный с индуцированным каналом
3) N-канальный со встроенным каналом
4) P-канальный со встроенным каналом
Как вы могли заметить, разница только в обозначении самого канала. С индуцированным каналом он обозначается штриховой линией, а со встроенным каналом — сплошной.
В современном мире полевой транзистор со встроенным каналом используется все реже и реже, поэтому, в наших статьям мы их не будем рассматривать. 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-транзисторе). Исток — это вывод, откуда начинают свой путь основные носители заряда, Сток — это вывод, куда они притекают, а Затвор — это вывод, с помощью которого мы контролируем поток основных носителей.
Пусть Затвор у нас пока что никуда не подключен. Для того, чтобы устроить движение электронов через Исток-Сток, нам потребуется источник питания Bat:
Если рассмотреть наш транзистор с точки зрения PN-переходов и диодов на их основе, то можно нарисовать эквивалентную схемку для нашего рисунка. Она будет выглядеть вот так:
Как вы видите, диод VD2 включен в обратном направлении, так что электрический ток никуда не потечет.
Значит, в этой схеме
никакого движения электрического тока пока что не намечается.
Индуцирование канала в МОП-транзисторе
Если подать некоторое напряжение на Затвор, то в Подложке начнутся волшебные превращения. В ней будет 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 магнитное или 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.
Так как у нас слой диэлектрика очень тонкий, следовательно, электрическое поле будет также влиять и на подложку, в которой дырок намного больше, чем электронов, так как в данный момент подложка P-типа. А раз и на Затворе положительный потенциал, а дырки обладают положительным зарядом, следовательно, одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются.
Картина будет выглядеть следующим образом.
Дырки обращаются в бегство подальше от Затвора, 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, что мы и видим на рисунке ниже.
Но смотрите, что произошло !? 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. Вы 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.
Значит, если сейчас 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 может спокойно течь электрический ток.
Но это еще не все! Чем сильнее электрическое поле, тем больше концентрация электронов, тем толще получается канал, следовательно, тем меньше сопротивление канала! А как сделать поле сильнее? Достаточно подать побольше напряжения на Затвор! Подавая бОльшее напряжение на Затвор с помощью источника питания 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!
Работа P-канального полевого транзистора
Выше мы разобрали N-канальный транзистор с индуцированным каналом. Также есть еще и P-канальный транзистор с индуцированным каналом. P-канальный работает точно также, как и N-канальный, но вся разница в том, что основными носителями будут являться дырки. В этом случае все напряжения в схеме меняем на инверсные, в отличие от N-канального транзистора. Честно говоря, P-канальные полевые транзисторы используются реже, чем N-канальные.
Принцип работы показан на рисунке ниже.
Режимы работы полевого транзистора
Работа полевого транзистора в режиме отсечки
Давайте познакомимся с нашим героем. У нас в гостях N-канальный полевой транзистор с индуцированным каналом. Судя по гравировке, звать его IRFZ44N. Выводы слева-направо: Затвор, Сток и Исток.
Как мы уже с вами разобрали, Затвор служит для управлением ширины канала между Стоком и Истоком. Для того, чтобы показать принцип работы, мы с вами соберем простейшую схему, которая будет управлять интенсивностью свечения лампы накаливания. Так как в данный момент нет никакого напряжения на Затворе полевого транзистора, следовательно, он будет находится в закрытом состоянии. То есть электрический ток через лампу накаливания течь не будет.
По идее, для того, чтобы управлять свечением лампы, нам достаточно менять напряжение на Затворе относительно Истока. Так как наш полевой транзистор является N-канальным, следовательно, на Затвор мы будем подавать положительное напряжение. Окончательная схема примет вот такой вид.
Вопрос в другом. Какое напряжение надо подать на Затвор, чтобы в цепи Сток-Исток побежал минимальный электрический ток?
Мой блок питания Bat2 выглядит следующим образом.
С помощью этого блока питания мы будем регулировать напряжение. Так как он стрелочный, более правильным будет измерение напряжения с помощью мультиметра.
Собираем все как по схеме и подаем на Затвор напряжение номиналом в 1 Вольт.
Лампочка не горит. На другом блоке питания (Bat1) есть встроенный амперметр, который показывает, что в цепи лампы накаливания электрический ток не течет, следовательно, транзистор не открылся. Ну ладно, будем добавлять напряжение.
И только уже при 3,5 Вольт амперметр на Bat1 показал, что в цепи лампы накаливания появился ток, хотя сама лампа при этом не горела.
Такого слабого тока ей просто недостаточно, чтобы накалить вольфрамовую нить. Режим, при котором в цепи Сток-Исток не протекает электрический ток, называется режимом отсечки.
Активный режим работы полевого транзистора
В нашем случае при напряжении около 3,5 Вольт наш транзистор начинает немного приоткрываться. Это значение у различных видов полевых транзисторов разное и колеблется в диапазоне от 0,5 и до 5 Вольт. В даташите этот параметр называется как Gate threshold voltage, в переводе с англ. яз. — пороговое напряжение Затвора. Указывается как VGS(th), а в некоторых даташитах как VGS(to) .
Как вы видите в таблице, на мой транзистор это напряжение варьируется от 2 и до 4 Вольт при каких-то условиях (conditions). В условиях прописано, что открытие транзистора считается при токе в 250 мкА и при условии, что напряжение на Стоке-Истоке будет такое же как и напряжение на Затворе-Стоке.
С этого момента мы можем плавно регулировать ширину канала нашего полевого транзистора, увеличивая напряжение на Затворе. Если чуть-чуть добавить напряжение, то мы можем увидеть, что нить лампы накаливания начинает накаляться. Меняя напряжение туда-сюда, мы можем добиваться нужного нам свечения лампочки накаливания. Такой режим работы полевого транзистора называется активным режимом.
В этом режиме полевой транзистор может менять сопротивление индуцируемого канала в зависимости от напряжения на Затворе. Для того, чтобы понять, как усиливает полевой транзистор, вам надо прочитать статью про принцип работы биполярного транзистора, где все это описано, иначе ничего не поймете. Читать по этой ссылке.
Активный режим работы транзистора чреват тем, что в этом режиме транзистор может очень сильно греться. Поэтому, всегда следует позаботиться об охлаждающем радиаторе, который бы рассеивал тепло от транзистора в окружающее пространство. Почему же греется транзистор? В чем дело? Да все оказывается до боли просто. Сопротивление Сток-Исток зависит от того, какое напряжение будет на Затворе. То есть схематически это можно показать вот так.
Если напряжения на Затворе нет или оно меньше, чем напряжение открытия транзистора, то сопротивление в этом случае будет бесконечно большое. Лампочка — это нагрузка, которая обладает каким-либо сопротивлением. Не спорю, что сопротивление нити горящей лампочки будет совсем другое, чем холодной, но пока пусть будет так, что лампочка — это какое-то постоянное сопротивление. Перерисуем нашу схему вот так.
Получился типичный делитель напряжения. Как я уже говорил, если нет напряжения на Затворе, то сопротивление Сток-Истока будет бесконечно большим. Значит, мощность, рассеиваемая на транзисторе, будет равняться падению напряжения на Сток-Истоке помноженной на силу тока через Сток-Истока: P=Ic Uси . Если выразить эту формулу через сопротивление, то получаем
где R – это сопротивление канала Сток-Исток, Ом
IC – сила тока, проходящая через канал (ток Стока) , А
А что такое мощность, рассеиваемая на каком-либо радиоэлементе? Это и есть тепло.
Теперь представьте, что мы приоткрыли транзистор наполовину. Пусть в нашей цепи ток через лампу будет 1 Ампер, а сопротивление перехода Сток-Исток будет равно 10 Ом. Согласно формуле P= I 2 C R получим, что рассеиваемая мощность на транзисторе в этот момент будет 10 Ватт! Да это маленький, черт его возьми, нагреватель!
Режим насыщения полевого транзистора
Для того, чтобы полностью открыть полевой транзистор, нам достаточно подавать напряжение до тех пор, пока лампа не будет гореть во весь накал. В моем случае это напряжение более чем 4,2 Вольта.
В режиме насыщение сопротивление канала Сток-Исток минимально и почти не оказывает сопротивление электрическому току. Лампа ест свои честные 20,4 Ватта (12х1,7=20,4).
На самой лампе мы видим ее мощность 21 Ватт. Спишем небольшую погрешность на наши приборы.
Самое интересное то, что транзистор в этом случае остается холодным и ни капли не греется, хотя через него проходит 1,7 Ампер! Для того, чтобы понять этот феномен, нам опять надо рассмотреть формулу P= I 2 C R . Если сопротивление Стока-Истока составляет какие-то сотые доли Ома в режиме насыщения, то с чего будет греться транзистор?
Поэтому, самые щадящие режимы для полевого МОП-транзистора – это когда канал полностью открыт или когда канал полностью закрыт. При закрытом транзисторе сопротивление канала будет бесконечно большое, а ток через это сопротивление будет бесконечно мал, так как в этой цепи будет работать закон Ома. Подставляя эти значение в формулу P= I 2 C R, мы увидим, что мощность рассеивания на таком транзисторе будет равна практически нулю. В режиме насыщения у нас сопротивление будет достигать сотые доли Ома, а сила тока будет зависеть от нагрузку в цепи. Следовательно, в этом режиме транзистор также будет рассеивать какие-то сотые доли Ватта.
Ключевой режим работы полевого транзистора
В этом режиме полевой транзистор работает только в режиме отсечки и насыщения.
Давайте немного изменим схему и уберем из нее Bat2. Вместо него поставим переключатель, а напряжение на Затвор будем брать от Bat1.
Для наглядности вместо переключателя я использовал проводок от макетной платы. В данном случае лампочка не горит. А с чего ей гореть-то? На Затворе то у нас полный ноль, поэтому, канал закрыт.
Но стоит только перекинуть выключатель в другое положение, как у нас лампочка сразу же загорается на всю мощь.
Даже не надо ни о чем заморачиваться! Просто подаем на Затвор напряжение питания и все! Разумеется, если оно не превышает максимальное напряжение на Затворе, прописанное в даташите. Для нашего транзистора это +-20 Вольт. Не повредит ли напряжение питания Затвору? Так как Затвор у нас имеет очень большое входное сопротивление (он ведь отделен слоем диэлектрика от всех выводов), то и сила тока в цепи Затвора будет ну очень маленькая (микроамперы).
Как вы видите, лампочка горит на всю мощь. В этом случае можно сказать, что потенциал на Стоке стал такой же, как и на Истоке, то есть ноль, поэтому весь ток побежал от плюса питания к Стоку, «захватив» по пути лампочку накаливания, которая не прочь была покушать электрический ток, излучая кучу фотонов в пространство и на мой рабочий стол.
Но наблюдается также и интересный феномен, в отличие от ключа на биполярном транзисторе. Даже если откинуть проводок от Затвора, все равно лампочка продолжает гореть как ни в чем не бывало!
Почему так происходит? Здесь надо вспомнить внутреннее строение самого полевого транзистора. Вот эта часть вам ничего не напоминает?
Так это же конденсатор! А раз мы его зарядили, то с чего он будет разряжаться? Разрядиться-то ему некуда, поэтому он и держит заряд электронов в канале, пока мы не разрядим вывод Затвора. Для того, чтобы убрать потенциал с Затвора и «заткнуть» канал, нам опять же надо уравнять его с нулем. Сделать это достаточно просто, замкнув Затвор на Исток. Лампочка сразу же потухнет.
Как вы видели в опыте выше, если мы отключаем напряжение на Затворе, то обязательно должны притянуть Затвор к минусу, иначе канал так и останется открытым. Поэтому обязательное условие в схемах — Затвор должен всегда чем-то управляться и с чем-то соединяться. Ему нельзя висеть в воздухе.
А почему бы Затвор автоматически не притягивать к нулю при отключении подачи напряжения на Затвор? Поэтому, эту схему можно доработать и сделать самый простейший ключ на МОП-транзисторе:
При включении выключателя S цепь стает замкнутой и лампочка загорается
Как только я убираю красный проводок от Затвора (разомкну выключатель), лампочка сразу тухнет:
Красота! То есть как только я убрал напряжение от Затвора, Затвор притянуло к минусу через резистор и на нем стал нулевой потенциал. А раз на Затворе ноль, то и канал Сток-Исток закрыт. Если я снова подам напряжение на Затвор, то у нас на мегаомном резисторе упадет напряжение питания, которое будет все оседать на Затворе и транзистор снова откроется. На бОльшем сопротивлении падает бОльшее напряжение ;-). Не забываем золотое правило делителя напряжения. Резистор в основном берут от 100 КилоОм и до 1 МегаОма (можно и больше). Так как МОП-транзисторы с индуцированным каналом в основном используются в цифровой и импульсной технике, из них получаются отличные транзисторные ключи, в отличие от ключа на биполярном транзисторе.
Характеристики полевого МОП транзистора
Для того, чтобы узнать характеристики транзистора, нам надо открыть на него даташит и рассмотреть небольшую табличку на первой странице даташита. Будем рассматривать транзистор, который мы использовали в своих опытах: IRFZ44N.
Напряжение VGS — это напряжение между Затвором и Истоком. Смотрим на даташит и видим, что максимальное напряжение, которое можно подать на Затвор это +-20 Вольт. Более 20 Вольт в обе стороны пробьет тончайший слой диэлектрика, и транзистор придет в негодное состояние.
Максимальная сила тока ID , которая может течь через канал Сток-Исток.
Как мы видим, транзистор в легкую может протащить через себя 49 Ампер.
Но это при температуре кристалла 25 градусов по Цельсию. А так номинальная сила тока 35 Ампер при температуре кристалла 100 градусов, что чаще всего и происходит на практике.
RDS(on) — сопротивление полностью открытого канала Стока-Истока. В режиме насыщения, сопротивление канала транзистора достигает ну очень малого значения. Как вы видите, у нашего подопечного сопротивление канала достигает 17,5 мОм (при условии, что напряжение на Затворе = 10 Вольт, а ток Стока = 25 Ампер).
Максимальная рассеиваемая мощность PD — это мощность, которую транзистор может рассеять на себе, превращая эту мощность в тепло. В нашем случае это 94 Ватта. Но здесь также должны быть соблюдены различные условия — это температура окружающей среды, а также есть ли у транзистора радиатор.
Также различные зависимости одних параметров от других можно увидеть в даташите на последних страницах.
Например, ниже на графике приводится зависимость тока Стока от напряжения Стока-Истока при каких-то фиксированных значениях напряжения на Затворе при температуре кристалла (подложки) 25 градусов Цельсия (комнатная температура). Верхняя линия графика приводится для напряжения 15 Вольт на Затворе. Другие линии в порядке очереди по табличке вверху слева:
Также есть интересная зависимость сопротивления канала полностью открытого транзистора от температуры кристалла:
Если посмотреть на график, то можно увидеть, что при температуре кристалла в 140 градусов по Цельсию у нас сопротивление канала увеличивается вдвое. А при отрицательных температурах наоборот уменьшается.
Как проверить полевой транзистор
Для того, чтобы проверить полевой транзистор, мы должны определить, где какие у него выводы. У нас подопытным кроликом будет тот же самый транзистор: IRFZ44N.
Для этого вбиваем в любой поисковик название нашего транзистора и рядом прописываем слово «даташит». Чаще всего на первой странице даташита мы можем увидеть цоколевку транзистора.
Хотя, интернет переполнен уже готовыми распиновками и иногда все-таки бывает проще набрать»распиновка (цоколевка) *название транзистора* «. Итак, я вбил ” IRFZ44N цоколевка” в Яндекс и нажал на вкладку “картинки”. Яндекс мне выдал уйму картинок с распиновкой этого транзистора:
Ну а дальше дело за малым.
Устройство и принцип работы в видео:
Проверка полевого транзистора с помощью мультиметра
Теперь, зная цоколевку и принцип работы транзистора, мы можем проверить его на работоспособность. Первым делом мы без проблем можем проверить эквивалентный диод VD2 между Стоком и Истоком. В схемотехническом обозначении его тоже часто указывают.
Как проверить диод мультиметром, я писал еще в этой статье.
Но не спешите брать мультиметр в руки и прозванивать диод! Ведь первым делом надо снять с себя статическое напряжение. Это можно сделать, если задеть метализированный слой водонагревательных труб, либо коснуться заземляющего провода. При работе с радиоэлементами, чувствительными к статическому напряжению, желательно использовать антистатический браслет, один конец которого закрепляется к заземляющему проводнику, например, к батарее отопления, а другой конец в виде ремешка надевается на запястье.
Далее замыкаем все выводы транзистора каким-нибудь металлическим предметом. В моем случае это металлический пинцет. Для чего мы это делаем? А вдруг кто-то зарядил Затвор до нас или он уже где-то успел «хапнуть» потенциал на Затворе? Поэтому, чтобы все было честно, мы уравняем потенциал на Затворе до нуля с помощью этой нехитрой манипуляции.
Ну а теперь со спокойной совестью можно проверить диод, который образуется в полевом транзисторе между Стоком и Истоком. Так как у нас транзистор N-канальный, следовательно, его схемотехническое обозначение будет выглядеть вот так:
Беремся положительным (красным) щупом мультиметра за Исток, так-как там находится анод диода, а отрицательным (черным) — за Сток
(там у нас катод диода). На мультиметре должно высветиться падение напряжения на диоде 0,5-0,7 Вольт. В моем случае, как видите, 0,56 Вольт.
Далее меняем щупы местами. Мультиметр покажет единичку, что нам говорит о том, что диод в полевом транзисторе жив и здоров.
Проверяем сопротивление канала. Мы с вами уже знаем, что в N-канальном транзисторе ток у нас будет бежать от Стока к Истоку, следовательно, встаем красным положительным щупом на Сток, а отрицательным – на Исток, и меряем сопротивление. Оно должно быть ну о-о-о-очень большое. В моем случае даже на Мегаомах показывает единичку, что говорит о том, что сопротивление даже больше, чем 200 Мегаом. Это очень хорошо.
Так как у нас транзистор N-канальный, следовательно, чтобы его приоткрыть, нам достаточно будет подать напряжение на Затвор, относительно Истока. Чаще всего в режиме прозвонки диодов на щупах мультиметра бывает напряжение в 3-4 Вольта. Все зависит от марки мультиметра. Этого напряжения будет вполне достаточно, чтобы подать его на Затвор и приоткрыть транзистор.
Так и сделаем. Ставим черный щуп на Исток, а красный на Затвор на доли секунды. На показания мультиметра не обращаем внимания, так как мы сейчас используем его в качестве источника питания, чтобы подать потенциал на Затвор. Этим простым действием мы приоткрыли наш транзистор.
Раз мы приоткрыли транзистор, значит, сопротивление Сток-Исток должно уменьшится. Проверяем, так ли это? Ставим мультиметр в режим измерения сопротивления и смотрим, уменьшилось ли сопротивление между Стоком-Истоком? Как видите, мультиметр показал значение в 2,45 КОм.
Это говорит о том, что наш полевой транзистор полностью работоспособен.
Конечно, бывает и такое, что малого напряжения на мультиметре не хватает, чтобы приоткрыть транзистор. Здесь можно прибегнуть к источникам питания, которые выдают более-менее нормальное напряжение, например, блок питания или батарейка Крона в 9 Вольт. Так как рядом не оказалось Кроны, то мы просто выставим напряжение в 10 Вольт. Напряжение на Затвор именно этого транзистора не должно превышать 20 Вольт, иначе произойдет пробой диэлектрика, и транзистор выйдет из строя.
Итак, выставляем 10 Вольт.
Подаем это напряжение на Затвор транзистора на доли секунды.
Теперь по идее сопротивление между Стоком и Истоком должно равняться нулю. Для чистоты эксперимента замеряем сопротивление щупов самого мультиметра. Эх, дешевые китайские щупы. 2,1 Ом).
А теперь и замеряем сопротивление самого перехода. Практически 0 Ом!
Хотя, если верить даташиту, должно быть 17,5 миллиОм. Теперь можно утверждать со 146% вероятностью, что наш транзистор полностью жив и здоров.
Как проверить полевой транзистор с помощью транзисторметра
На рабочем столе каждого электронщика должен быть этот замечательный китайский прибор, благо он стоит недорого. Про него я писал обзор здесь.
Здесь все просто, как дважды два. Вставляем транзистор в кроватку и нажимаем большую зеленую кнопку. В результате прибор сразу же определил, что это полевой МОП транзистор с каналом N-типа, определил расположение выводов транзистора, а также емкость затвора и пороговое напряжение открытия, о котором мы говорили выше в статье. Ну не прибор, а чудо!
Меры безопасности при работе с полевыми транзисторами
Все полевые транзисторы, будь это полевой транзистор с управляющим PN-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 PN 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 бы 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.
Похожие статьи по теме «полевой транзистор»
Полевые транзисторы. For dummies
А теперь давайте поговорим о полевых транзисторах. Что можно предположить уже по одному их названию? Во-первых, поскольку они транзисторы, то с их помощью можно как-то управлять выходным током. Во-вторых, у них предполагается наличие трех контактов. И в-третьих, в основе их работы лежит p-n переход. Что нам на это скажут официальные источники?
Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, обычно с тремя выводами, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля. (electrono.ru)
Определение не только подтвердило наши предположения, но и продемонстрировало особенность полевых транзисторов — управление выходным током происходит посредством изменения приложенного электрического поля, т.е. напряжения. А вот у биполярных транзисторов, как мы помним, выходным током управляет входной ток базы.
Еще один факт о полевых транзисторах можно узнать, обратив внимание на их другое название — униполярные. Это значит, что в процессе протекания тока у них участвует только один вид носителей заряда (или электроны, или дырки).
Три контакта полевых транзисторов называются исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители). Структура кажется простой и очень похожей на устройство биполярного транзистора. Но реализовать ее можно как минимум двумя способами. Поэтому различают полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором.
Вообще, идея последних появилась еще в 20-х годах XX века, задолго до изобретения биполярных транзисторов. Но уровень технологии позволили реализовать ее лишь в 1960 году. В 50-х же был сначала теоретически описан, а затем получил воплощение полевой транзистор с управляющим p-n переходом. И, как и их биполярные «собратья», полевые транзисторы до сих пор играют в электронике огромную роль.
Перед тем, как перейти к рассказу о физике работы униполярных транзисторов, хочу напомнить ссылки, по которым можно освежить свои знания о p-n переходе: раз и два.
Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом
Итак, как же устроен первый тип полевых транзисторов? В основе устройства лежит пластинка из полупроводника с проводимостью (например) p-типа. На противополжных концах она имеет электроды, подав напряжение на которые мы получим ток от истока к стоку. Сверху на этой пластинке есть область с противоположным типом проводимости, к которой подключен третий электрод — затвор. Естественно, что между затвором и p-областью под ним (каналом) возникает p-n переход. А поскольку n-слой значительно уже канала, то большая часть обедненной подвижными носителями заряда области перехода будет приходиться на p-слой. Соответственно, если мы подадим на переход напряжение обратного смещения, то, закрываясь, он значительно увеличит сопротивление канала и уменьшит ток между истоком и стоком. Таким образом, происходит регулирование выходного тока транзистора с помощью напряжения (электрического поля) затвора.
Можно провести следующую аналогию: p-n переход — это плотина, перекрывающая поток носителей заряда от истока к стоку. Увеличивая или уменьшая на нем обратное напряжение, мы открываем/закрываем на ней шлюзы, регулируя «подачу воды» (выходной ток).
Итак, в рабочем режиме полевого транзистора с управляющим p-n переходом напряжение на затворе должно быть либо нулевым (канал открыт полностью), либо обратным.
Если величина обратного напряжения станет настолько большой, что запирающий слой закроет канал, то транзистор перейдет в режим отсечки.
Даже при нулевом напряжении на затворе, между затвором и стоком существует обратное напряжение, равное напряжению исток-сток. Вот почему p-n переход имеет такую неровную форму, расширяясь к области стока.
Само собой разумеется, что можно сделать транзистор с каналом n-типа и затвором p-типа. Сущность его работы при этом не изменится.
Условные графические изображения полевых транзисторов приведены на рисунке (а — с каналом p-типа, б — с каналом n-типа). Стрелка здесь указывает направление от p-слоя к n-слою.
Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом
Поскольку в рабочем режиме ток затвора обычно невелик или вообще равен нулю, то графики входных характеристик полевых транзисторов мы рассматривать не будем. Перейдем сразу к выходным или стоковым. Кстати, статическими их называют потому, что на затвор подается постоянное напряжение. Т.е. нет необходимости учитывать частотные моменты, переходные процессы и т.п.
Выходной (стоковой) называется зависимость тока стока от напряжения исток-сток при константном напряжении затвор-исток. На рисунке — график слева.
На графике можно четко выделить три зоны. Первая из них — зона резкого возрастания тока стока. Это так называемая «омическая» область. Канал «исток-сток» ведет себя как резистор, чье сопротивление управляется напряжением на затворе транзистора.
Вторая зона — область насыщения. Она имеет почти линейный вид. Здесь происходит перекрытие канала в области стока, которое увеличивается при дальнейшем росте напряжения исток-сток. Соответственно, растет и сопротивление канала, а стоковый ток меняется очень слабо (закон Ома, однако). Именно этот участок характеристики используют в усилительной технике, поскольку здесь наименьшие нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления. К таким параметрам относятся крутизна характеристики, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления. Значения всех этих непонятных словосочетаний будут раскрыты ниже.
Третья зона графика — область пробоя, чье название говорит само за себя.
С правой стороны рисунка показан график еще одной важной зависимости — стоко-затворной характеристики. Она показывает то, как зависит ток стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении между истоком и стоком. И именно ее крутизна является одним из основных параметров полевого транзистора.
Полевой транзистор с изолированным затвором
Такие транзисторы также часто называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)- или МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторами (англ. metall-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET). У таких устройств затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика. Физической основой их работы является эффект изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.
Устройство транзисторов такого вида следующее. Есть подложка из полупроводника с p-проводимостью, в которой сделаны две сильно легированные области с n-проводимостью (исток и сток). Между ними пролегает узкая приповерхностнаяя перемычка, проводимость которой также n-типа. Над ней на поверхности пластины имеется тонкий слой диэлектрика (чаще всего из диоксида кремния — отсюда, кстати, аббревиатура МОП). А уже на этом слое и расположен затвор — тонкая металлическая пленка. Сам кристалл обычно соединен с истоком, хотя бывает, что его подключают и отдельно.
Если при нулевом напряжении на затворе подать напряжение исток-сток, то по каналу между ними потечет ток. Почему не через кристалл? Потому что один из p-n переходов будет закрыт.
А теперь подадим на затвор отрицательное относительно истока напряжение. Возникшее поперечное электрическое поле «вытолкнет» электроны из канала в подложку. Соответственно, возрастет сопротивление канала и уменьшится текущий через него ток. Такой режим, при котором с возрастанием напряжения на затворе выходной ток падает, называют режимом обеднения.
Если же мы подадим на затвор напряжение, которое будет способствовать возникновению «помогающего» электронам поля «приходить» в канал из подложки, то транзистор будет работать в режиме обогащения. При этом сопротивление канала будет падать, а ток через него расти.
Рассмотренная выше конструкция транзистора с изолированным затвором похожа на конструкцию с управляющим p-n переходом тем, что даже при нулевом токе на затворе при ненулевом напряжении исток-сток между ними существует так называемый начальный ток стока. В обоих случаях это происходит из-за того, что канал для этого тока встроен в конструкцию транзистора. Т.е., строго говоря, только что мы рассматривали такой подтип МДП-транзисторов, как транзисторы с встроенным каналом.
Однако, есть еще одна разновидность полевых транзисторов с изолированным затвором — транзистор с индуцированным (инверсным) каналом. Из названия уже понятно его отличие от предыдущего — у него канал между сильнолегированными областями стока и истока появляется только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.
Итак, мы подаем напряжение только на исток и сток. Ток между ними течь не будет, поскольку один из p-n переходов между ними и подложкой закрыт.
Подадим на затвор (прямое относительно истока) напряжение. Возникшее электрическое поле «потянет» электроны из сильнолегированных областей в подложку в направлении затвора. И по достижении напряжением на затворе определенного значения в приповерхностной зоне произойдет так называемая инверсия типа проводимости. Т.е. концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и между стоком и истоком возникнет тонкий канал n-типа. Транзистор начнет проводить ток, тем сильнее, чем выше напряжение на затворе.
Из такой его конструкции понятно, что работать транзистор с индуцированным каналом может только находясь в режиме обогащения. Поэтому они часто встречаются в устройствах переключения.
Условные обозначения транзисторов с изолированным затвором следующие:
Здесь
а − со встроенным каналом n- типа;
б − со встроенным каналом р- типа;
в − с выводом от подложки;
г − с индуцированным каналом n- типа;
д − с индуцированным каналом р- типа;
е − с выводом от подложки.
Статические характеристики МДП-транзисторов
Семейство стоковых и стоко-затворная характеристики транзистора с встроенным каналом предсталены на следующем рисунке:
Те же характеристики для транзистора с идуцированным каналом: 
Экзотические МДП-структуры
Чтобы не запутывать изложение, хочу просто посоветовать ссылки, по которым о них можно почитать. В первую очередь, это всеми любимая википедия, раздел «МДП-структуры специального назначения». А здесь теория и формулы: учебное пособие по твердотельной электронике, глава 6, подглавы 6.12-6.15. Почитайте, это интересно!
Общие параметры полевых транзисторов
- Максимальный ток стока при фиксированном напряжении затвор-исток.
- Максимальное напряжение сток-исток, после которого уже наступает пробой.
- Внутреннее (выходное) сопротивление. Оно представляет собой сопротивление канала для переменного тока (напряжение затвор-исток — константа).
- Крутизна стоко-затворной характеристики. Чем она больше, тем «острее» реакция транзистора на изменение напряжения на затворе.
- Входное сопротивление. Оно определяется сопротивлением обратно смещенного p-n перехода и обычно достигает единиц и десятков МОм (что выгодно отличает полевые транзисторы от биполярных «родственников»). А среди самих полевых транзисторов пальма первенства принадлежит устройствам с изолированным затвором.
- Коэффициент усиления — отношение изменения напряжения исток-сток к изменению напряжения затвор-исток при постоянном токе стока.
Схемы включения
Как и биполярный, полевой транзистор можно рассматривать как четырехполюсник, у которого два из четырех контактов совпадают. Таким образом, можно выделить три вида схем включения: с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком. По характеристикам они очень похожи на схемы с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором для биполярных транзисторов.
Чаще всего применяется схема с общим истоком (а), как дающая большее усиление по току и мощности.
Схема с общим затвором (б) усиления тока почти не дает и имеет маленькое входное сопротивление. Из-за этого такая схема включения имеет ограниченное практическое применение.
Схему с общим стоком (в) также называют истоковым повторителем. Ее коэффициент усиления по напряжению близок к единице, входное сопротивление велико, а выходное мало.
Отличия полевых транзисторов от биполярных. Области применения
- высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление;
- высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания неосновных носителей);
- поскольку усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены переносом основных носителей заряда, их верхняя граница эффективного усиления выше, чем у биполярных;
- высокая температурная стабильность;
- малый уровень шумов, так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда, которое и делает биполярные транзисторы «шумными»;
- малое потребление мощности.
Где применяются полевые транзисторы? Да практически везде. Цифровые и аналоговые интегральные схемы, следящие и логические устройства, энергосберегающие схемы, флеш-память… Да что там, даже кварцевые часы и пульт управления телевизором работают на полевых транзисторах. Они повсюду, %хабраюзер%. Но теперь ты знаешь, как они работают!
- транзисторы
- полевые транзисторы
- MOSFET
- электроника
Фильтр питания на полевом транзисторе для лампового усилителя
Фильтр на полевом транзисторе для лампового усилителя давно и заслуженно пользуется популярностью у радиолюбителей. Очень многие сделали его, но не все удовлетворены результатом. Поэтому надеюсь, что вам будет интересно узнать, что у меня получилось и какие при сборке могут возникнуть проблемы.
Камрад, рассмотри датагорские рекомендации
? Полезные и проверенные железяки, можно брать
Опробовано в лаборатории редакции или читателями.
↑ Схема фильтра питания на полевом транзисторе
Наиболее популярна схема на рисунке слева. Поскольку я чуть-чуть изменил её для своих целей, привожу так же мой вариант справа.
Я использовал полевые транзисторы от неисправных электронных балластов для галогеновых ламп в обычном корпусе ТО-220, цоколёвка стандартная, как у большинства полевых транзисторов. Удобно добавить цепь R5R6C2 для создания постоянного смещения, подаваемого на нити накала ламп.
Исключён фрагмент. Полный вариант доступен меценатам и полноправным членам сообщества.
Обратите внимание, что для фильтрации напряжения 250 В и тока до 0,5 А взяты транзисторы с допустимым напряжением К-Э примерно 50 В и стабилитроны с рабочим током 0,03 А.
Сделать фильтр на полевых транзисторах с напряжением 600…800 В и током от 3 А, конечно, гораздо проще.
По моему скромному мнению, названия «электронный дроссель» или «умножитель ёмкости», принципиально неверны. Это калька с иноязычных терминов для «домохозяек». Разница принципиальна: дроссель и конденсатор НАКАПЛИВАЮТ энергию, отдают её быстро, а транзисторный фильтр этого не может. Поэтому настоящий дроссель был бы лучше, если бы не обладал рядом недостатков: большим весом и габаритами, высоким активным сопротивлением, большим полем рассеяния.
С точки зрения чистой аудиофилии, классический сглаживающий LC фильтр лучше, форма напряжения и тока после него должна получаться более гладкой.
Транзисторный фильтр позволяет плавно увеличивать напряжение на выходе. Название «УЗФ» – Узел Задержки тоже не совсем удачно. Задержка происходила бы с помощью реле срабатывающего от таймера, здесь – не задержка, а плавное нарастание напряжения.
При изготовлении усилителя для наушников и УНЧ для АС на лампах 6Н3П и 6П14П мне полностью побороть фон удалось только с помощью данного транзисторного фильтра.
↑ Модульная конструкция
На мой взгляд, удобно делать типовые модули, например, такие.
В качестве теплоотвода использованы радиаторы размерами примерно 45×45х5 мм от древних компьютерных плат.
Нетипичен монтаж деталей со стороны фольги и использование отрезков лужёного провода от выводов деталей для точек подключения. Это сделано для упрощения монтажа – плата держится на выводах полевого транзистора (и плотно прилегает к нему) достаточно прочно, транзистор с платой крепится одним винтом к теплоотводу. Сначала я предусмотрел вторую точку крепления платы к радиатору, затем от неё отказался. На фото достаточно хорошо виден монтаж.
В целях безопасности использованы изоляционные втулки и прокладки.
Весьма рекомендую, иначе на корпусе теплоотвода будет напряжение 300 Вольт.
Применённый транзистор 03N60S5 в корпусе ТО-220, при комнатной температуре окружающей среды может рассеивать до 2 Ватт. Суммарный ток однотактного стереоусилителя на 6Н3П и 6П14П примерно 0,1 А, при падении напряжении на фильтре порядка 20 В, тепловая мощность будет как раз 2 Ватта, поэтому даже небольшой теплоотвод легко справится со своей задачей.
Если использовать фильтр на каждый канал, каждый транзистор будет рассеивать всего 1 Ватт. Но это в установившемся, статическом режиме, а вот при включении питания падение напряжения на фильтре будет значительным, тепловая мощность тоже. Поэтому теплоотвод необходим, особенно пока не закончатся переходные процессы.
Первый вариант платы был под малогабаритные теплоотводы, он может быть использован при недостатке места (конденсатор на первом фото снят для наглядности).
↑ Несколько замечаний по выбору деталей
Исключён фрагмент. Полный вариант доступен меценатам и полноправным членам сообщества.
Есть немало споров: нужен или нет делитель R1R2 на входе фильтра и будет ли фильтр работать без него. Почему у одних фильтр без делителя работает нормально, а у других – нет. Оказалось, что всё зависит от утечки конденсатора С1.
Я испробовал около десятка конденсаторов 10 и 22 мкФ на напряжение 400 и 450 В при входном напряжении около 300 В.
Оказалось, что при оксидном (электролитическом) конденсаторе фильтр хорошо работает и без делителя. За счёт утечки в конденсаторе совместно с резистором R3 образуется делитель и падение напряжения на фильтре вполне достаточно (от 10 В и более). Мало того, в результате установки новых только что купленных конденсаторов, падение напряжения составило вместо 20 В (со старым выпаянным конденсатором) более 50 В. Нагрев резко увеличился, а выходное напряжение упало.
Потребовалась многочасовая формовка новых конденсаторов, и всё равно, утечка у конденсаторов 22 мкФ оказалась заметно выше, чем у 10 мкФ. Формовка, конечно, должна быть без подключённого усилителя.
Утечка плёночных конденсаторов будет многократно меньше, поэтому с ними делитель на входе необходим, иначе на выходе фильтра может быть «пила», как на входе. В любом случае надо контролировать падение напряжения на транзисторе фильтра, оно должно быть более 10 В.
↑ Вооружённым глазом
Теперь посмотрим на осциллограммы напряжений на входе и выходе фильтра.
Размах от пика до пика 6 В. На входе фильтра – выпрямительный мост и ёмкость 120 мкФ, на выходе две ёмкости 120 мкФ, ток потребляемый усилителем 0,1 А.
Размах пульсаций на выходе примерно 6 мВ (соответствует синусоидальному сигналу примерно 2 мВ), форма пульсаций более гладкая, подавление пульсаций около 1000 раз! (масштаб на фото, конечно, разный).
Для подавления возможных помех на радиочастотах можно поставить дополнительный LC-фильтр. Для меня в этом не было необходимости – фон и помехи на слух отсутствовали. В усилителях более высокого класса дополнительный LC-фильтр (с небольшой малогабаритной индуктивностью) желателен.
↑ Общие рекомендации
Ввиду высоких напряжений и влияния утечек, промывка платы совершенно необходима. Между деталями и платой должен быть небольшой зазор.
После настройки платы желательно покрыть её со стороны фольги слоем лака «Plastik» или аналогичным.
Делитель R1R2 позволяет плавно регулировать напряжение на нагрузке и гасить, при необходимости, лишнее напряжение. В усилителе для наушников я погасил примерно 50 В. Это проще, чем менять силовой трансформатор.
Плавная подача напряжения полезна для ламп и сглаживает переходные процессы.
Надо отметить, что замыкания в нагрузке недопустимы – транзистор фильтра моментально выйдет из строя. На время предварительной настройки, если нет уверенности в монтаже усилителя и исправности элементов, фильтр даже можно заменить постоянным резистором, например, МЛТ-2. Для данного усилителя при токе потребления 0,1 А и падении напряжения на фильтре 20 В, годится резистор МЛТ-2 200 Ом.
Изготовление универсальных плат фильтров «впрок» я считаю простым и полезным. Платы не нуждаются в настройке. Требуется только отформовать конденсаторы, особенно если они новые и проверить входное и выходное напряжение, а при необходимости – подстроить последнее.
Просмотр напряжений на входе и выходе фильтра желателен. Во избежание выхода осциллографа из строя, напряжение надо подавать на его закрытый вход.
Заодно выяснилось, что разделительный конденсатор на входе С1-94 обладает утечкой, поэтому для наблюдения на пределе «10 мВ» пришлось включать его через дополнительную качественную (конечно, не «электролит») ёмкость с полипропиленовым диэлектриком.
↑ Файлы
Прилагаю файл с принципиальной схемой и рисунком печатной платы.
?filtrlamp.zip 15.28 Kb ⇣ 487
Наш файловый сервис предназначен для полноправных участников сообщества «Datagor Electronics».
Для получения файла зарегистрируйтесь и войдите на сайт с паролем.