N канальный полевой транзистор каким напряжением открывается

Содержание

Полевые транзисторы. For dummies
Введение
Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом
Полевой транзистор с изолированным затвором
Общие параметры полевых транзисторов
Схемы включения
Отличия полевых транзисторов от биполярных. Области применения
N канальный полевой транзистор каким напряжением открывается
Кто сейчас на форуме

Полевые транзисторы. For dummies

Введение

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

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

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

Как уже было сказано выше, первое и главное отличие этих двух видов транзисторов в том, что вторые управляются с помощью изменения тока, а первые — напряжения. И из этого следуют прочие преимущества полевых транзисторов по сравнению с биполярными:

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.

Однако, привсем при этом у полевых транзисторов есть и недостаток — они «боятся» статического электричества, поэтому при работе с ними предъявляют особо жесткие требования по защите от этой напасти.

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!

Источник

N канальный полевой транзистор каким напряжением открывается

Вобщем сабж. Микросхема переключает ключи на полевичках, которые управляют обмотками BLDC мотора. Полевички взяты с запасом, но стоит нагрузить мотор хотя бы до 8А и транзисторы за 10 сек раскочегариваются градусов до 80ти (стоят правда без радиатора) причем на холостых (2а) еле теплые.
Грешу на то что микруха не может полностью открыть мосфеты и при бОльших токах за счет сопротивления недооткрытого канала выделяется слишком много тепла.
ПС 20А авиамодельный регулятор тоже без теплоотвода держит эти самые 8а не негреваясь вообще, так что врядли в радиаторе дело

Вобщем как по даташиту узнать, при каком напряжениии транзистор будет полностью открыт? Макс напряжение И-З ?

Друг Кота

Карма: 16
Рейтинг сообщений: 111
Зарегистрирован: Чт сен 20, 2007 14:08:00
Сообщений: 10384
Рейтинг сообщения: 0

зависит от скорости открытия и закрытия
с напряжением может быть все нормально, а вот скорость работы транзисторов не очень или сопротивление внутренних ключей в мелкасхеме слишком большое для емкости твоих транзисторов

VGS (Gate-to-Source Voltage) – напряжение насыщения затвор-исток. Это напряжение, при превышении которого увеличения тока через канал не происходит. По сути, это максимальное напряжение между затвором и истоком.

VGS(th) (Gate Threshold Voltage) – пороговое напряжение включения транзистора. Это напряжение, при котором происходит открытие проводящего канала транзистора и он начинает пропускать ток между выводами истока и стока. Если между выводами затвора и истока приложить напряжение меньше VGS(th), то транзистор будет

_________________
тематические ответы только в форуме, в приват не пишите

JLCPCB, всего $2 за прототип печатной платы! Цвет — любой!

Зарегистрируйтесь и получите два купона по 5$ каждый:https://jlcpcb.com/cwc

Друг Кота

Карма: 121
Рейтинг сообщений: 2207
Зарегистрирован: Чт янв 10, 2008 22:01:02
Сообщений: 17444
Откуда: Московская область
Рейтинг сообщения: 0

Напряжение «полного» открывания МОСФЕТа в даташите не приводится.
Зато приводится сопротивление канала ПРИ ОПРЕДЕЛЕННОМ напряжении затвор-исток.
Вот это самое напряжение и является тем самым напряжением «полного» открывания.
Ну а динамические потери ключей зависят от тока, который способен выдать драйвер затворов, полного заряда затвора МОСФЕТА и частоты коммутации.

Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет

Родился

Зарегистрирован: Пт авг 14, 2015 23:14:05
Сообщений: 18
Рейтинг сообщения: 0

Ну вроде считал (щас форумулу искать не буду) и при частоте коммутации в 10кГц средняя емкость используемых полевичков в 1500пФ вполне успевала и заряжаться и разряжаться.

Ладно, считаете есть смысл поднапрячься и заказать «логик» мосфеты (которые и ставят в регули с микроконтроллером) и у которых напряжение заряда затвора пониже? Или не поможет ибо на таких высоких частотах коммутации драйверы моей ИС не успевают заряжать/разряжать затворы полевичков?
Просто когда в свое время лопатил интернет то натолкнулся на инфу что если мосфет на 2-4В начинает открываться то 6ти должно хватить для полного открытия.

И да, кстати, судя по даташиту получаем это:
RDS(on) Static Drain-to-Source On-Resistance 0.117 Ω, VGS = -10V,
Питал все от 11В, на завторах было -8, но тем не менее при токах 8А мосфетики делали печечку мгновенно. это при нагрузках, когда частота коммутации была знааааачительно ниже чем на холостых. Так что если бы ИС не успевала заряжать затворы то на холостых проблема встала бы еще ярче. ну или как минимум так же (ток на холостых в 3 раза меньше)

Построение источников бесперебойного питания с двойным преобразованием, широко используемых в современных хранилищах данных, на базе карбид-кремниевых MOSFETs производства Wolfspeed позволяет уменьшить мощность потерь в них до 40%, а также значительно снизить занимаемый ими объем и стоимость комплектующих.

Друг Кота

Карма: 121
Рейтинг сообщений: 2207
Зарегистрирован: Чт янв 10, 2008 22:01:02
Сообщений: 17444
Откуда: Московская область
Рейтинг сообщения: 3

Компэл объявляет о значительном расширении складского ассортимента продукции Connfly. Универсальные коммутирующие компоненты, соединители и держатели Connfly сочетают соответствие стандарту ISO9001:2008, высокую доступность и простоту использования. На текущий момент на складе Компэл – более 300 востребованных на рынке товарных наименований с гибкой ценовой политикой.

Родился

Зарегистрирован: Пт авг 14, 2015 23:14:05
Сообщений: 18
Рейтинг сообщения: 0

А вот за этот пост большое спасибо, разжевано отлично. Значит буду пересчитывать цепи опять.

Друг Кота

Родился

Зарегистрирован: Пт авг 14, 2015 23:14:05
Сообщений: 18
Рейтинг сообщения: 0

Подумываю подобрать транзисторы с корпусом поменьше, Dpak или паучки, и запараллелить. По приведеным вами формулам теплового режима лучше поставить 4 маленьких транзистора по 5А чем один здоровый на 20, ибо в 4 раза ниже ток это в 16 раз меньше t (правда и емкость затвора в 4 раза больше) То-то я думал почему в регуляторах авиамоделей стоят по три мосфета вместо одного (но там же как-то их открывают, 2-3 в параллель). Ток размеры платы ограничивают. 25Х80 надо все это втиснуть

10мА это я так понимаю питание самой микросхемы, которое Vp. Ограничение тока 100-150-200мА, берем среднее, учитывая что в каждый момент включены только 2 фазы из трех можно прикинуть что где-то 100мА драйвер каждой фазы и выдаст (ну это если дядюшка Ляо не экономил)

А насчет бюджетности. надо запускать 3фазный BLDC с токами потребления до 30А, ну до 20 хотябы, учитывая что он будет работать пару минут всего. выпускаемые промышленностью контроллеры все «програмабли» как я их называю. одной кнопкой включить/выключить- проблема. так что дешевле и проще вариант чем такой я пока не нашел. в программировании не силен и сделать прошивочку для микроконтроллера, который бы, как в заводских регулях, управлял ток н-каналами, я в ближайшее время точно не осилю, а готовенькой в интернетах не нашел

Кто сейчас на форуме

Сейчас этот форум просматривают: falkonist и гости: 14

Источник