Как работает N-канальный МОП-транзистор с индуцированным каналом

04.03.2017 14:45

Давайте еще раз вспомним, какие бывают виды МОП-транзисторов. Здесь работает правило два по два (2х2). В каждом семействе по два вида:

 

Из всех этих 4 разновидностей, наверное не ошибусь, если скажу, что самый ходовый транзистор считается именно N-канальный с индуцированным каналом:

Именно с него мы и начнем наш путь в мир современной электроники.

 

 

Давайте познакомимся с нашим героем. У нас в гостях N-канальный МОП-транзистор с индуцированным каналом:

Судя по гравировке, звать его IRFZ44N. Выводы слева-направо: Затвор, Сток и Исток.

 

 

Что будем делать с этим куском кремния? Раз уж он есть, то давайте заставим его пахать. Для начала соберем вот такую простенькую схемку:

 

 

Собираем и смотрим, что у нас получилось:

Напряжение на крокодилы идет с блока питания Bat, но лампочка не горит. Следовательно, в данный момент никакой движухи электрического тока через канал Стока и Истока нет.

 

 

Это аналогично этому рисунку (только тут без лампочки):

 

 

Ток не бежит, потому что у нас там эквивалентный диод VD2, который препятствует протеканию тока.

Об этом я еще говорил в прошлой статье.

 

 

На амперметре блока питания также по нулям, что говорит о том, что тока вообще нет никакого.

 

 

Почему Затвор у нас висит без дела? Не порядок. Надо его тоже задействовать. Чем у нас занимается Затвор в полевых транзисторах? Управляет потоком основных носителей. А что такое поток заряженных частиц, которые движутся в одном направлении? Да, все верно - это электрический ток ;-). В опыте выше на Затворе сейчас почти ноль. Почему почти? Да потому что он все равно пытается ловить какие-то наводки, но это все равно не сказывается на работе схемы. В реальных схемах Затвор никогда нельзя оставлять без дела болтаться в воздухе. Он всегда должен быть соединен с чем-нибудь.

 

 

Так, что нам теперь надо сделать, чтобы начать управлять шириной канала Сток-Исток, а следовательно и менять сопротивление этого канала? Как мы помним из прошлой статьи, достаточно подать положительное напряжение относительно Истока на Затвор;-) Для этого возьмем второй блок питания и будем с помощью него менять напряжение на Затворе нашего транзистора. Сделаем все по такой схеме:

 

 

Вот так выглядит мой блок питания, который в схеме называется Bat2. С помощью него мы будем регулировать напряжение вручную от нуля и больше.

 

 

 

Так выглядит вся схема в реале, которую я нарисовал выше. Так как вольтметр на блоке питания стрелочный и неточный, поэтому напряжение будем мерять с помощью мультиметра, который я цепанул параллельно щупам Bat2:

Хоть я и сделал крутилку на ноль на Bat2, все равно он выдает каких-то 22 миллиВольта. На этот опыт эти доли миллиВольта никак не повлияют.

 

Ну что, поехали?

Устанавливаю 1 Вольт на Bat2:

 

 

Лампочка не горит, сила тока в цепи ноль Ампер:

 

 

Так ладно. Добавляем еще 1 Вольт, итого получаем 2 Вольта:

 

 

Лампочка не горит, на амперметре опять по нулям:

 

 

Ну ладно. Раз такое дело добавляем еще 1 Вольт. Итого 3 Вольта:

 

 

Да опять лампочка не зажглась!

 

 

И вот уже при каких-то 3,5 Вольт

 

 

Через лампочку начинает течь ток силой около 10 мА, но лампочка, естественно, пока что не горит. Ток слабоват.

Во! Запомните этот момент! При этом напряжении транзистор начинает ОТКРЫВАТЬСЯ.  Это значение у разных видов транзисторов разное. В основном от 0,5 и до 5 вольт.  В даташите этот параметр называется как Gate threshold voltage, в переводе с англ. яз.  -  пороговое напряжение на Затворе для включения транзистора. В даташите этот параметр указывается как VGS(th), а в некоторых даташитах как VGS(to) . В даташите на мой транзистор это напряжение варьируется от 2 и до 4 Вольт при каких-то условиях (conditions):

 

 

(картинка кликабельна)

Как вы видите, диапазон открытия этого транзистора может быть от 2 Вольт и до 4 Вольт. Но опять же, это при токе Стока от 250 мкА, как указано в даташите, а я замерял от 10 мА. Здесь также в условиях говорится, что напряжение между Истоком и Затвором должно быть такое же, как и напряжение между Стоком и Истоком. Так как мы не пытались замерить точное напряжение 5-ым знаком после запятой, для нас эти условия не имеют значения. Как вы помните, у биполярных транзисторов транзистор начинал открываться только при напряжении на базе-эмиттере более 0,6-0,7 Вольт для кремниевых видов.

 

 

Неужели мы сегодня так и не зажгем лампочку? Зажгем, да еще как! Для того, чтобы чуток накалить нить лампы, мы просто добавляем напряжение на Затвор, покрутив крутилку блока питания Bat2.

Вуа-ля! Нить лампы стала слабенько гореть.

 

 

На амперметре видим значение около 1 Ампера:

 

При этом стал очень сильно греться сам транзистор. Почему? Давайте разберемся...

Итак, раз мы с помощью Затвора стали управлять сопротивлением канала Сток-Исток, то грубо говоря, это у нас получился резистор R. Это и есть сопротивление канала Сток-Исток. При напряжении на Затворе в 0 Вольт, сопротивление этого резистора достигает очень большого значения, а следовательно, сила тока, протекающего через него, будет вообще микроАмперы. Закон Ома.

 

 

Так как резистор R включен последовательно в цепь, то вспоминаем правило шунта: на бОльшем сопротивлении падает бОльшее напряжение, а на меньшем сопротивлении падает меньшее напряжение. Также не забываем, что нить лампы тоже обладает сопротивлением, поэтому рисунок у нас примет вот такой вид:

В первом случае у нас на Затвор ничего не подавалось и транзистор был в закрытом состоянии. Как только мы стали подавать напругу на Затвор, то у нас сопротивление канала стало меняться, а следовательно и падение напряжение на резисторе R и проходящий через него ток. Получился типичный делитель напряжения. В этом случае на резисторе R падает какое-то напряжение и через него течет приличная сила тока. В нашем случае почти 1 Ампер. Значит, мощность, рассеиваемая на транзисторе, будет равняться падению напряжения на Сток-Истоке  помноженной на силу тока через Сток-Исток или просто на ток Стока или буквами:

P= I2C х R 

где R - сопротивление канала Сток-Исток

I- ток, проходящий через канал (ток Стока)

 

А что такое мощность, рассеиваемая на радиоэлементе? Это и есть тепло. Поэтому в нашем случае транзистор нагрелся очень сильно. Опыт пришлось приостановить.

Значит, самые щадящие режимы для МОП-транзистора - это когда канал полностью открыт. В этом случае у нас сопротивление канала достигает сотые доли Ома. Либо когда канал полностью закрыт. В этом случае сила тока, проходящая через канал, будет достигать тока утечки между Стоком и Истоком. А это микроАмперы. В этих двух случаях транзистор будет холодным, как айсберг в океане. Поэтому такой транзистор предназначен в основном для работы в ключевом режиме, где как раз и используются эти два режима.

 

Для того, чтобы полностью открыть транзистор, достаточно будет просто подать чуть больше напряжения для полного открытия канала. В моем случае это составило 4,2 Вольта:

Как вы видите, лампочка горит в полный накал. Сопротивление канала в этом случае минимальное.

 

Лампа ест свои честные 1,69 Ампер:

Умножайте силу тока на напряжение и получаем потребляемую мощность лампочки. Итого P=IU=12 Вх1,69 А=20,28 Ватт

 

А на лампочке написано 21 Ватт:

Ладно, спишем на погрешность и на то, что лампа еще не раскочегарилась. Транзистор в этом случае остается холодным и ни капельки не греется.

 

Раз уж транзистор полностью открылся, то можно ли еще подавать напряжение на Затвор? Можно. Но при этом лампочка уже ярче светить не будет. Оно и понятно, так как лампочка итак горит уже на всю мощь, а сопротивление канала достигло уже почти нуля. Какое максимальное напряжение можно подать на Затвор? Смотрим даташит и находим что-то типа максимальных параметров (Absolute Maximum Ratings)

Находим параметр VGS , что обозначает напряжение между Затвором и Истоком. В нашем случае это напряжение на Bat2.  Смотрим на даташит и видим, что максимальное напряжение, которое можно подать - это +-20 Вольт.  Напряжение более 20 Вольт в обе стороны пробьет тончайший слой диэлектрика, в нашем случае это оксид кремния, и транзистору придет жопа. Значит, мы можем спокойно подавать от 0 и до 20 Вольт на Затвор, не боясь что транзистор уйдет на тот свет.

 

 

Также для нас могут представлять интерес такие параметры, как максимальная сила тока, которая может течь через канал Сток-Исток. В даташите такой параметр обозначается как ID (ток Стока).

 

(картинка кликабельна)

 

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 температуе кристалла 100 градусов, что чаще всего происходит на практике.

 

 

Так как транзистор с индуцированным каналом в основном используется в импульсном и ключевом режиме, поэтому нам важен такой параметр как сопротивление канала полностью открытого транзистора. В даташите он указывается как RDS(on)

Как мы видим всего 17,5 миллиОм. Или 0,017 Ом. Десятые доли Ома! Давайте предположим, что мы пропускаем через открытый транзистор максимальный ток в 49 Ампер. Какая мощность будет рассеиваться на транзисторе в этом случае? Формула мощности через силу тока и сопротивление выглядит вот так: P=I2R= 492 x 0,017 = 41 Ватт.

 

А максимальная мощность, которую может рассеять транзистор - это 94 Ватта.

 

 

Основные параметры полевых МОП-транзисторов указываются в основном сразу на первой страничке даташита в отдельной рамке.

 

 

 

Также различные зависимости одних параметров от других можно увидеть в даташите. Очень информативно и наглядно.

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.

 

 

 

 

А 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 голимый ноль, поэтому канал закрыт.

На фото ниже показан этот случай.

 

 

 

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! Тупо подаем на Затвор напряжение питания и все! Разумеется, если оно не превышает максимальное напряжение на Затворе, прописанное в даташите. 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 копейки.

Лампочка горит на всю мощь. В этом случае можно сказать, что потенциал на Стоке стал равен почти как и на Истоке, то есть нулю, 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 стол.

 

 

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 МОПа.

 

 

  Вот эта часть вам ничего не напоминает?

Ёшки-матрешки коровьи олашки...Так это же конденсатор! А раз мы его зарядили, то с чего он будет разряжаться? Разрядиться то ему некуда! Вот он и держит заряд электронов в канале, пока мы не разрядим вывод Затвора. Для того, чтобы убрать потенциал Затвора и заткнуть канал, нам опять же надо уравнять его с нулем, замкнув Затвор на Исток. Лампочка сразу же потухнет:

Как вы видели в опыте выше,  если мы отключаем напругу на Затворе, то обязательно должны притянуть Затвор к минусу, иначе канал останется открытым. Поэтому обязательное условие в схемах - Затвор должен всегда чем то управляться и с чем то соединяться. Ему нельзя давать висеть в воздухе. Об этом я еще говорил в начале статьи.

 

 

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 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. 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.

 

 

Все полевые транзисторы, будь это полевой транзистор с управляющим P-N переходом, либо МОП-транзистор, очень чувствительны к электрическим перегрузкам на Затворе. Особенно это касается электростатического заряда, который накапливается на теле человека и на измерительных приборах. Опасные значения электростатического заряда для МОП-транзисторов составляют 50-100 Вольт, а для транзисторов с управляющим P-N переходом - 250 Вольт. Поэтому самое важное правило при работе с такими транзисторами - это заземлить себя через антистатический браслет, или взяться за голую батарею ДО касания полевых транзисторов. Также в некоторых экземплярах полевых транзисторов встраивают защитные стабилитроны между Истоком и Затвором, которые вроде как спасают от электростатики, но лучше все-таки перестраховаться лишний раз и не испытывать судьбу транзистор на прочность. Также не помешало бы заземлить всю паяльную и измерительную аппаратуру. В настоящее время это все делается уже автоматически через евро розетки, у которых имеются в наличии заземляющий проводник.

 

Тема сложная и статья поэтому получилась большая.  Чем дальше в лес, тем больше дров. Поэтому, пишите в комментах что бы вы хотели еще увидеть и узнать и МОПах. Сложно ли подан материал и тд. Мне нужна обратная связь, и чем больше тем лучше ;-)

 

 А вот и следующая статья  Как проверить МОП-транзистор 

 

Читайте также:

Полевой МОП-транзистор

 

Полевой транзистор. Введение

 

Полевой транзистор с управляющим P-N переходом