Мосфет – что это за транзистор: строение, виды, принцип работы, достоинства

Между производителями силового электронного оборудования существует серьезная конкуренция. Каждый из них стремится удовлетворить потребности потребителей, решая различные задачи. Одной из них является замена альтернативным вариантом биполярных транзисторов, для управления которые нуждаются в существенной мощности. В результате был разработан и создан мосфет – что это такое рассмотрим далее. Расскажем об его устройстве, видах, принципе работы, области применения, преимуществах и минусах.

Источник te4h.ru

Общие сведения

Сегодня используются транзисторы разных видов. Однако существует 2 основных их класса. Это биполярные и полевые транзисторы. Первые представляют собой p-n переходные электронные устройства. При этом полевые транзисторы относятся к полупроводниковым приборам. В них изменение электротока происходит из-за воздействия перпендикулярно направленного тока электрополя, который создается входящим сигналом. Рабочий ток в полевых транзисторах протекает благодаря носителям заряда исключительно одинакового знака. Это могут быть электроны или дырки. По этой причине полевые транзисторы относят к униполярным электронным устройствам, что не делают с биполярными приборами.

Именно полевым транзистором является мосфет. Это русская транскрипция английской аббревиатуры MOSFET. Она образована двумя словосочетаниями. Одним из них является Metal-Oxide-Semiconductor. Это словосочетание переводится как металл-оксид-полупроводник. Вторая же часть английского сокращения представляет собой Field-Effect-Transistors. Это словосочетание на русском означает поле-влияние-транзистор.

Источник inpromsintes.ru

После преобразования 2 словосочетаний с учетом особенностей русского языка получилось, что мосфет – это полевой транзистор, который управляется электрополем, то есть электронапряжением. При этом его структура представляет собой металлооксидный полупроводник.

На заметку! Мосфет просто называют МОП-транзистором. Кроме того, MOSFET – это еще МДП-транзистор.

Если посмотреть на разрез мосфета, тогда станет видно 3 слоя. Сверху вниз они находятся в следующем порядке:

• металлический слой;
• диэлектрик;
• полупроводник P-типа.

В результате получается Металл-Диэлектрик-Полупроводник. Заглавные буквы этих слов образуют аббревиатуру МДП. Именно поэтому мосфет называют МДП-транзистором. При этом диэлектриком в нем является оксид кремния в виде тонкого слоя. Из-за этого в названии стали использовать не «диэлектрик», а «оксид» или «окисел». В результате мосфет превратился в Металл-Окисел-Полупроводник. Если взять первые буквы этого словосочетания, тогда получится аббревиатура МОП.

Источник hk.fujielectric.com

Строение мосфета

Если посмотреть еще раз на разрез МОП-транзистора, тогда станет виден «кирпич» полупроводника, который обладает P-проводимостью. Известно, что в P-проводниках основные носители – это дырки.

«Кирпич» полупроводника P-типа называют подложкой. У нее имеется вывод. Он тоже называется подложкой. В P-полупроводнике имеются также другие слои:

• N+ материал;
• окисел;
• металлическая пластина.

Материал N+ называется так, потому что у него высокая легированность. Другими словами, полупроводник отличается присутствием множества электронов. При этом два N+ полупроводника, каждый из которых находится с краю, имеют по одному выводу. Один из них называется Исток, а другой – Сток.

Следующим слоем идет окисел. Он же является диэлектриком. Потом над оксидом находится металл. Он расположен между Стоком и Истоком. При этом металлическая пластина тоже имеет вывод, который принято называть Затвором. Между ним и Истоком, а также Подложкой и Стоком отсутствует электрическая связь. Вывод металлической пластины полностью изолирован от других выводов MOSFET. Из-за этого мосфет еще принято называть транзистором, который имеет изолированный Затвор.

Источник topuch.com

Важно! Изначально МОП-транзистор обладает 4 выводами, тогда как у реального полевого транзистора их только 3 штуки.

В реальности у мосфета лишь 3 вывода, потому что принято Подложку и Исток соединять между собой. Это даже делают некоторые производители во время изготовления МОП-транзисторов. Из-за соединения Подложки с Истоком возникает диод. Он находится между Истоком и Стоком. Его в некоторых случаях даже не обозначают на схематических изображениях электронных плат. Из-за этого нужно обязательно соблюдать цоколевку (обозначения функций номерных контактов) во время выполнения подключения MOSFET в электронную схему.

Разновидности мосфетов

Существуют 4 основных разновидности MOSFET:

• канальный N-типа, имеющий индуцированный канал;
• канальный P-типа, у которого тоже есть индуцированный канал;
• канальный N-типа, имеющий встроенный канал;
• канальный P-типа, оснащенный встроенным каналом.

Отличаются 4 разновидности MOSFET графическим изображением канала. Когда он индуцированный, тогда для его обозначения используется штриховая линия. Если же канал встроенный, он изображается при помощи сплошной линии.

Источник theengineeringprojects.com

Сегодня мосфет, имеющий встроенный канал, применяется крайне редко. Поэтому информация о нем менее актуальна по сравнению со сведениями о МОП-транзисторе канального N- и P-типа.

Смотрите также:
Каталог компаний, что специализируются на электротехнических работах любой сложности

Принцип работы мосфета

У МОП-транзистора принцип работы практически такой же, как и у мосфета, который имеет управляющий PN-переход и представляет собой JFET-транзистор. Выводом в MOSFET является Исток. От него перемещаются основные носители заряда. Еще одним выводом в мосфете является Сток. Он позволяет контролировать поток носителей.

Предположим, что Затвор мосфета сначала никуда не подключается. Для перемещения электронов от Истока к Стоку нужен источник электропитания. Когда MOSFET рассматривается, как транзистор с переходами PN-типа и диодами на их базе, тогда получается, что диод между Подложкой и Стоком обратно включен. Из-за этого электроток пока не сможет течь в этом направлении.

Источник overclockers.ru

Индуцированный канал в мосфете

После подачи определенного напряжения на Затвор начинает индуцироваться канал в Подложке. Другими словами, появляется возбуждение через электрополе. При этом одинаковым зарядом свойственно отталкиваться, а разным – притягиваться. Основываясь на этом принципе, при подаче на Затвор положительного напряжения по отношению к Истоку под Затвором начинает появляться электрополе. Из-за того, что в мосфете диэлектрик имеет маленькую толщину, электрополе начнет еще оказывать воздействие на Подложку. При этом в ней очень много дырок. Их существенно больше по сравнению с электронами, потому что в этот момент у подложки P-тип.

Важно! Из-за того что на Затворе потенциал с плюсом и у дырок заряд тоже положительный одинаковые заряды начинают отталкиваться, а разные – притягиваться.

Источник elektrik-a.su

При подаче положительного напряжения дырки начинают удаляться от Затвора, потому что одинаковые заряда отталкиваются. При этом электроны стараются добраться до пластины из металла. Однако это им препятствует сделать диэлектрик. Он мешает электронам соединиться с Затвором, чтобы потенциал уравнялся до нуля. В результате только происходит скопление электронов возле диэлектрика.

Источник overclockers.ru

После скопления электронов непосредственно на диэлектрике происходит соединение Истока со Стоком. Это и есть индуцирование канала из-за электрополя, созданного Затвором мосфета.

Из-за того, что индуцированный канал соединил Исток со Стоком, каждый из которых создан из полупроводника типа N+, образовался канал N-типа. Поэтому данный транзистор называется мосфетом канального N-типа.

В проводнике большое количество свободных электронов. По причине соединения Стока с Истоком мостом, который состоит из множества электронов, через него будет проходить электроток. После подачи напряжения между Истоком и Стоком электроцепь замыкается и через нее течет электроток.

С усилением электрополя возрастает количество электронов. Поэтому утолщается канал, а его сопротивление уменьшается. Чтобы усилить электрополе, нужно увеличить подаваемое напряжение на Затвор. Другими словами, изменяя напряжение, получится контролировать сопротивление канала.

Источник m-gen.ru

Работа мосфета канального P-типа

Существует не только N-канальный, но и P-канальный MOSFET, который также имеет индуцированный канал. Его принцип работы такой же, как и у мосфета канального N-типа, но только с одним отличием. Оно заключается в основных носителях, которыми в МОП-транзисторе являются дырки. Поэтому в схеме электронапряжения электроны меняются на инверсионные. При этом мосфеты канальные P-типа используются не так часто, как MOSFET канальные N-типа.

Читайте также:
Характеристика автомата С, B, D, A – что такое автомат защиты, устройство, особенности, классификация, критерии выбора

Режим отсечки мосфета

У N-канального MOSFET крайний левый вывод – это Затвор. Посередине находится Сток. Крайним же правым выводом является Исток. С помощью Затвора выполняется управление ширины канала, который соединяет Сток с Истоком.

Источник ruselectronic.com

Чтобы лучше понять принцип работы мосфета в режиме отсечки, рассмотрим простую схему управления интенсивностью горения лампочки накаливания. Когда отсутствует напряжение на Затворе, тогда MOSFET закрыт. Чтобы лампочка загорелась, необходимо изменить напряжение на Затворе по отношению к Истоку. При этом на Затвор должно поступать положительное напряжение, потому что используется N-канальный мосфет.

Электроток в простейшей электроцепи появится при подаче 3,5 В, но лампочка накаливания в этом случае светить еще не будет. При таком значении напряжения ее вольфрамовая нить не может накалиться.

Важно! Когда электроток не течет в цепи между Стоком и Истоком, тогда такое состояние MOSFET называется режимом отсечки.

Активная работа мосфета

Вообще-то приоткрытие мосфета начинается, когда подаваемое напряжение составляет 0,5-5 В. Конкретное значение зависит от вида МОП-транзистора. Для его определения можно воспользоваться Datasheets. В нем эта характеристика называется, как пороговое напряжение Затвора. Обычно название этого параметра в Датащите написано по-английски – Gate threshold voltage. Например, для мосфета IRFZ44N он составляет 2-4 В.

Источник ruselectronic.com

При плавном увеличении ширины канала MOSFET будет возрастать напряжение на Затворе. Так, после его добавления лампочка в простой цепи начнет светиться. Прибавляя или уменьшая напряжение, получится настроить требуемое свечение лампы. Такое функционирование мосфета принято называть активным режимом.

Режим насыщения мосфета

МОП-транзистор полностью откроется после подачи максимально допустимого напряжения. Когда мосфет работает в режиме насыщения, тогда образуется наименьшее сопротивление между Стоком и Истоком. Оно практически не будет оказывать сопротивление электротоку.

При этом МОП-транзистор в режиме насыщения не станет нагреваться. В подтверждение этого можно воспользоваться формулой мощности P=I²_C×R. Если в нее подставить сопротивление, которое равняется сотым долям Ома и образуется между Стоком и Истоком при работе мосфета в режиме насыщения, тогда, конечно, МОП-транзистор не будет нагреваться.

Важно! Для мосфета самыми щадящими режимами работы являются ситуации, когда его канал находится в полностью открытом или закрытом положении.

Когда мосфет закрыт, у канала максимально большое сопротивление и минимальный протекающий электроток. Если же опять воспользоваться формулой мощности P=I²_C×R, тогда станет понятно, что этот параметр будет приближаться к нулю.

Читайте также:
Для чего нужен трансформатор, как устроен и работает, виды, характеристики, применение

Область применения мосфетов

Используются MOSFET при изготовлении:

• генераторного оборудования;
• импульсных стабилизаторов и преобразовательных устройств;
• твердотельных реле;
• усиливающих каскадов (часто при создании Hi-Fi техники, в частности, это усилители);
• логических электосхем.

Все основные достоинства мосфетов проявляются, когда они используются, как ключевые элементы. MOSFET применяются в компьютерах. В ПК МОП-транзисторы используются на материнских платах. Еще они применяются в блоках электропитания.

С помощью MOSFET в настольных компьютерах и ноутбуках создаются модули регуляторов напряжения. В этом случае мосфеты выполняют контроль напряжения, которое получают компоненты материнских плат. В частности, это видеокарты и процессоры.

Преимущества и минусы мосфеста

МОП-транзисторы широко применяются в системотехнике из-за ряда достоинств. К основным преимуществам мосфетов относится:

• мгновенное переключение;
• эффективная работа, даже когда подается низкое напряжение;
• отсутствие вторичного пробоя;
• малошумность;
• высокая стабильность во время колебания температуры;
• способность существенно усилить сигнал;
• возможность экономии потребления электроэнергии.

При использовании мосфетов уменьшается число технологических операций во время создания электрических схем. Их количество существенное меньше, чем при применении биполярных транзисторов.

Одним из минусов мосфетов, который ограничивает их использование, является высокая чувствительность к статическому току. Электростатические заряды без труда повреждают диэлектрик небольшой толщины. Мосфеты перестают работать, даже когда человек прикоснется наэлектризованными руками к техническому устройству с МОП-транзисторами. Однако приборы в современном исполнении изготавливаются в корпусах, способных уменьшать воздействие статического электричества. Еще производители их изготавливают со встроенной защитой в виде стабилитронов.

Другим недостатком MOSFET является нестабильная работа во время перегрузки. Кроме того, у МОП-транзисторов начинает разрушаться структура, если температура превышает +150 ℃. При этом биполярные транзисторы могут нормально работать до +200 ℃.

На заметку! Производители постоянно стараются улучшить эксплуатационные характеристики мосфетов. В результате был разработан гибридный транзистор IGBT. Он обладает лучшими свойствами как биполярного, так и полевого транзистора.

Читайте также:
Автоматический выключатель – что это такое, устройство, принцип действия, маркировка, классификация, правила выбора

Коротко о главном

Мосфет представляет собой полевой транзистор, управляемый электрополем и являющийся металлооксидным полупроводником. Он состоит из 3 слоев – это металлическая пластинка, тонкий диэлектрик в виде оксида кремния и полупроводник P-типа. MOSFET еще имеет 3 вывода. Это Подложка, Исток и Сток.

Существует канальный N- и P-типа мосфет с индуцированным каналом. Выпускается также канальный MOSFET P- и N-типа со встроенным каналом, который не так часто используется.

При работе мосфета между его Затвором и Истоком образуется положительное электронапряжение к Затвору. Потом возникает электрополе между выводом из металла Затвора и Подложкой. Это поле начинает притягивать из Подложки к слою оксида кремния свободные электроны. В результате образуется N-канал возле диэлектрика между Стоком и Истоком. Если регулировать подаваемое напряжение, будет изменяться проводимость мосфета.

MOSFET может работать в режиме отсечки и насыщения. Его активное функционирование (открытие) происходит, когда подается 0,5-5 В. Применяется мосфет в генераторах, преобразовательных устройствах и стабилизаторах импульсного типа, логических электросхемах, твердотельных реле, усиливающих каскадах.

Мосфет способен мгновенно переключаться и эффективно работать при низком напряжении. У него нет вторичного пробоя. Он отличается высокой стабильностью, когда происходит колебание температуры. Еще MOSFET усиливает сигнал и позволяет экономить потребление электроэнергии.

К минусам мосфета относится высокая чувствительность к статическому электротоку, нестабильное функционирование во время перегрузки и разрушение структуры при температуре более +150 ℃.