Меню

Как работает МОП-транзистор

В этой статье мы рассмотрим работу МОП-транзистора.

Виды МОП-транзисторов

Здесь работает правило два по два (2х2). В каждом семействе по два вида:

Как работает МОП-транзисторКак работает МОП-транзистор

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

Как работает МОП-транзистор

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

Режим отсечки

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

Как работает МОП-транзистор

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 ключа:

Как работает МОП-транзистор

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

Это аналогично этому рисунку (только тут без лампочки):

Как работает МОП-транзистор

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

Как работает МОП-транзистор

Об этом я еще говорил в прошлой статье.

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

Как работает МОП-транзистор

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:

Как работает МОП-транзистор

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

Как работает МОП-транзистор

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:

как работает моп транзистор

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:

как работает моп транзистор

Лампочка не горит, сила тока в цепи ноль Ампер:

Как работает МОП-транзистор

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

как работает моп транзистор

Лампочка не горит, на амперметре опять по нулям:

Как работает МОП-транзистор

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

Как работает МОП-транзистор

Да опять лампочка не зажглась!

Как работает МОП-транзистор

Активный режим работы транзистора

И вот уже при каких-то 3,5 Вольт

Как работает МОП-транзистор

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

Как работает МОП-транзистор

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 работает МОП-транзистор

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 зажжем лампочку? Зажжем, 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.

как работает моп транзистор

На амперметре видим значение около 1 Ампера:

Как работает МОП-транзистор

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

Почему греется транзистор

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.

Как работает МОП-транзистор

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:

Как работает МОП-транзистор

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= I2R 

где R — это 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.

Режим насыщения МОП-транзистора

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 и выше:

как работает моп транзистор

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

Лампа ест свои честные 1,69 Ампер:

Как работает МОП-транзистор

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:

Как работает МОП-транзистор

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

Предельные параметры и графические зависимости

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)

как работает моп транзистор

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 работает МОП-транзистор

Как мы видим, транзистор в легкую может протащить через себя 49 Ампер!!!

Как работает МОП-транзистор

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 работает МОП-транзистор

Как мы видим всего 17,5 миллиОм. Или 0,017 Ом. Тысячные 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.

Как работает МОП-транзистор

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

Как работает МОП-транзистор

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:

Как работает МОП-транзистор

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

Как работает МОП-транзистор

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.

Интересное свойство МОП-транзистора

А давайте немного изменим схему и уберем из нее Bat2. Вместо него поставим переключатель, а напряжение на Затвор будем брать от Bat1:

Как работает МОП-транзистор

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.

как работает моп транзистор

Но стоит только перекинуть выключатель в другое положение, как у нас лампочка сразу же загорается на всю мощь:

Как работает МОП-транзистор

как работает моп транзистор

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!

Как работает МОП-транзистор

Почему так происходит? Здесь надо вспомнить внутреннее строение самого МОПа.

 Вот эта часть вам ничего не напоминает?

Как работает МОП-транзистор

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 работает МОП-транзистор

Как вы видели в опыте выше,  если мы отключаем напряжение 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.

Ключ на МОП транзисторе

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:

Как работает МОП-транзистор

При включении выключателя S цепь стает замкнутой и лампочка загорается

Как работает МОП-транзистор

Как работает МОП-транзистор

Как только я убираю красный проводок от Затвора (разомкну выключатель),  лампочка сразу тухнет:

Как работает МОП-транзистор

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.

Чего боится МОП-транзистор

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.

Читайте также следующую статью: как проверить МОП-транзистор.



Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.