МОП-транзистор

МОП-структура (металл — оксид — полупроводник) — наиболее широко используемый тип полевых транзисторов. Структура состоит из металла и полупроводника, разделённых слоем диоксида кремния (SiO₂). В общем случае структуру называют МДП (металл — диэлектрик — полупроводник).

Транзисторы на основе МОП-структур называют полевыми, или МОП-транзисторами (англ. metal-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET).

Транзисторы на основе МОП-структур, в отличие от биполярных, управляются напряжением, а не током и называются униполярными транзисторами, так как для их работы необходимо наличие носителей заряда только одного типа.

Базовая классификация

Тип канала

Наиболее распространены транзисторы с индуцированным каналом (англ. enhancement mode transistor): у них канал закрыт при нулевом напряжении исток-затвор. Именно их имеют в виду, когда не упоминают тип канала.

Гораздо реже встречаются транзисторы со встроенным каналом (англ. depletion mode transistor): у них канал открыт при нулевом напряжении исток-затвор.

Тип проводимости

Существует два типа проводимости канала: n-канальные и p-канальные. Тип проводимости определяется типом носителя заряда в канале: электрон либо «дырка».

Если транзистор n-канальный:

• он открывается положительным напряжением на затворе по отношению к истоку.
• паразитный диод в структуре канала катодом подсоединен к стоку, анодом — к истоку.
• канал обычно подсоединяют так, что на стоке более положительное напряжение, чем на истоке.

Если транзистор p-канальный:

• он открывается отрицательным напряжением на затворе по отношению к истоку.
• паразитный диод в структуре канала анодом подсоединен к стоку, катодом — к истоку.
• канал обычно подсоединяют так, что на стоке более отрицательное напряжение, чем на истоке.

Особые случаи

Существуют транзисторы с несколькими затворами.

Некоторые виды мощных переключательных транзисторов снабжаются специальным отводом от части канала с целью контроля тока через транзистор. Такой прием позволяет избежать дополнительных потерь на внешних токоизмерительных шунтах.

Условные графические обозначения

Условные графические обозначения полупроводниковых приборов регламентируются ГОСТ 2.730-73.

	Индуцированный канал	Встроенный канал
P-канал
N-канал
Условные обозначения: З - затвор (G - Gate), И - исток (D - Drain), С - сток (S - Source)

Хотя формально разделение индуцированного и встроенного каналов предусмотрено на условном графическом обозначении, на практике оно довольно часто не соблюдается.

Особенности работы МОП транзисторов

Файл:ВАХМОП.JPG

Вольт-амперная характеристика изменения тока стока в зависимости от изменения напряжения на входе.

В униполярных транзисторах управляющим сигналом является разность потенциалов на участке затвор-исток.

$I_{c}=I_{u}\,$

$I_{3}\to 0\,$

При изменении входного напряжения ($U_{3u}\,$) изменяется состояние транзистора и $I_{c}\,$

1. Транзистор закрыт $U_{3u}<U_{nop}\,,I_{c}=0\,$
2. Крутой участок. $U_{3u}>U_{nop}\,$

   $I_{c}=K_{n}[(U_{3u}-U_{nop})U_{cu}-{\frac {U_{cu}^{2}}{2}}]\,$

   $K_{n}\,$ — удельная крутизна характеристики транзистора.

3. Дальнейшее увеличение $U_{3u}\,$ приводит к переходу на пологий участок.

   $I_{c}={\frac {K_{n}}{2}}[U_{3u}-U_{nop}]^{2}\,$ — Уравнение Ховстайна.

Особенности подключения

При подключении мощных MOSFET-транзисторов (особенно работающих на высоких частотах на пределе своих возможностей) используется стандартная обвязка транзистора:

1. RC-цепочка (снаббер), включённая параллельно истоку-стоку, для подавления высокочастотных колебаний и мощных импульсов тока, возникающих при переключении транзистора из-за индуктивности подводящих шин. Высокочастотные колебания и импульсные токи увеличивают нагрев транзистора и могут вывести его из строя (если транзистор работает на пределе своих тепловых возможностей). Снаббер также защищает от самооткрывания транзистора при превышении скорости нарастания напряжения на выводах Сток-Исток (Drain-Source).
2. Быстрый защитный диод, включённый параллельно истоку-стоку (обратное включение), для шунтирования импульса тока, образующегося при отключении индуктивной нагрузки.
3. Если транзисторы работают в мостовой или полумостовой схеме на высокой частоте (сварочные инверторы, индукционные нагреватели, импульсные источники питания), то помимо защитного диода в цепь стока встречно включается диод Шоттки для блокирования паразитного диода. Паразитный диод имеет большое время запирания, что может привести к сквозным токам и выходу транзисторов из строя.
4. Резистор, включённый между истоком и затвором, для сброса заряда с затвора. Затвор удерживает электрический заряд как конденсатор, и после снятия управляющего сигнала MOSFET-транзистор может не закрыться (или закрыться частично, что приведёт к повышению его сопротивления, нагреву и выходу из строя). Величина резистора подбирается таким образом, чтобы не мешать управлению транзистором, но в то же время как можно быстрее сбрасывать электрический заряд с затвора.
5. Защитные диоды (супрессоры) параллельно транзистору и его затвору. При превышении напряжения питания на транзисторе (или при превышении управляющего сигнала на затворе транзистора) выше допустимого, например при импульсных помехах, супрессор срезает опасные выбросы и спасает транзистор.
6. Резистор, включённый в цепь затвора, для уменьшения тока заряда затвора. Затвор мощного полевого транзистора обладает достаточно высокой ёмкостью, представляет из себя фактически конденсатор ёмкостью несколько десятков нФ, что приводит к значительным импульсным токам в момент зарядки затвора (единицы ампер). Большие импульсные токи могут повредить схему управления затвором транзистора.
7. Управление мощным MOSFET-транзистором, работающем в ключевом режиме на высоких частотах осуществляют с помощью драйвера — специальной схемы или готовой микросхемы, усиливающей управляющий сигнал и обеспечивающей большой импульсный ток для быстрой зарядки затвора транзистора. Это увеличивает скорость работы транзистора. Ёмкость затвора мощного силового транзистора может достигать тысяч пикофарад, для быстрой её зарядки требуется ток в единицы ампер.
8. Также используются оптодрайверы - драйверы совмещённые с оптопарами. Оптодрайверы обеспечивают гальваническую развязку силовой схемы от управляющей, защищая её в случае аварии. А также обеспечивают гальваническую развязку земли при управлении верхними мосфет-транзисторами в мостовых схемах. Совмещение драйвера с оптопарой в одном корпусе упрощает разработку и монтаж схемы, уменьшает габариты изделия, его стоимость и т.д.
9. В сильно зашумлённых или находящихся под большим током цепях к выходу микросхем, основанных на MOSFET-структурах, подключают два обратно включённых диода Шоттки, т. н. диодную вилку (один диод — с общего провода на вход, другой — со входа на шину питания) для предотвращения явления «защёлкивания» МОП-структуры.

Ссылки

• Принципы работы мощных MOSFET- и IGBT-транзисторов
• Терещук Д. С. Логическое моделирование СБИС на переключательном уровне
• Егоров А. Применение MOSFET-транзисторов NXP Semiconductors в электронике