Spis treści:
- 1 Historia tranzystora
- 2 Budowa typowego tranzystora unipolarnego
- 3 MOSFET - podstawowe informacje i budowa
- 4 Parametry tranzystorów MOSFET
- 5 Różnice - MOSFET a tranzystor bipolarny
- 6 Uważaj! Przyczyny uszkodzenia tranzystorów MOSFET
- 7 Gdzie stosować tranzystory unipolarne MOSFET?
- 8 Warunki pracy tranzystorów
- 9 Kiedy następuje przewodzenie tranzystora
- 10 Zastosowanie tranzystorów MOSFET
- 11 Najpopularniejsze tranzystory MOSFET
- 12 Tranzystory unipolarne (MOSFET) – FAQ
W tranzystorze unipolarnym sterowanie prądem odbywa się przy pomocy pola elektrycznego, a podstawową częścią jego budowy jest kryształ półprzewodnika wraz z dwiema diodami. Tranzystory te, zwane również polowymi, są półprzewodnikowe i sterują wielkością prądu, który przez nie przepływa. Rodzajów i odmian tranzystorów unipolarnych jest kilka, lecz najczęściej stosowane są tranzystory typu MOSFET. Ich głównym celem jest działanie jako klucz załączający podzespoły, które pobierają dużą moc.
Historia tranzystora
Historia tranzystorów rozpoczęła się w 1925 roku, kiedy to udzielono na to urządzenie pierwszy patent w kilku krajach świata. Co ciekawe, początkowym projektem Juliusa Edgara Lilienfelda (polski fizyk pochodzenia żydowskiego) był tranzystor zbliżony budową do tranzystorów typu MOSFET. Model ten pozostał jednak wyłącznie w fazie projektowej, głównie za sprawą braku możliwości technologicznych do jego produkcji. Pierwsze właściwie wykonane tranzystory ujrzały światło dzienne dopiero po 1950 roku.
Budowa typowego tranzystora unipolarnego
Na początku warto zacząć od poznania dokładnej budowy tranzystora unipolarnego. Jego głównym elementem jest kryształ odpowiednio domieszkowanego półprzewodnika z dwiema elektrodami. Jedną z nich jest źródło, określane symbolem S (z ang. source), a drugą jest dren określany literą D (z ang. drain). Pomiędzy tymi elektrodami tworzy się tak zwany kanał, przez który przepływa prąd. Wzdłuż kanału znajduje się trzecia elektroda – bramka, którą symbolizuje litera G (z ang. gate).
MOSFET - podstawowe informacje i budowa
MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) to wariant tranzystora unipolarnego o największej popularności. Jest zbudowany z kilku podstawowych elementów, charakterystycznych wyłącznie dla tego urządzenia. Znajdziemy w nim między innymi bramki G, źródła S, drenu D, podłoża B, a także części pomocniczych w postaci półprzewodnika P oraz izolatora lub przestrzeni na kanał N.
W podłożu, w postaci płytki półprzewodnika typu P lub N, występują dwa obszary N+ lub P+, które to, dzięki dużemu domieszkowaniu, tworzą dren i źródło. To właśnie do nich doprowadzane są kontakty. Pomiędzy drenem i źródłem znajduje się powierzchnia półprzewodnika, którą pokrywa się cienką na kilkanaście nanometrów warstwą izolatora. Bramkę tworzy metal napylony na izolator. Co ciekawe, duży ładunek elektrostatyczny (a może mieć nawet kilkadziesiąt kilowoltów!) jest w stanie uszkodzić urządzenie poprzez fizyczne przepalenie cienkiej warstwy izolacyjnej. Aby tego uniknąć, wiele układów elektronicznych z tranzystora MOS przechowuje się w foliach przewodzących. Ten element bezpieczeństwa zapobiega przez cały czas przedostaniu się ładunków elektrostatycznych wprost do obwodów.
W kanale następuje przepływ prądu między drenem a źródłem, a za sterowanie nim odpowiada zmiana napięcia na linii źródło-bramka. W elektronice spotykamy dwa rodzaje tranzystorów MOS: z kanałem wzbogacanym oraz z kanałem zubożanym. Kanał wzbogacany, zwany także indukowanym, tworzy się dopiero wtedy, kiedy napięcie na linii bramka-źródło przekroczy napięcie progowe wartości Ut. W kanale zubożanym z kolei, kanał istnieje nawet przy napięciu bramka-źródło wynoszącym zero. Ponadto tranzystory MOSFET są bardzo szybkie, szczególnie w porównaniu z tranzystorami bipolarnymi, głównie za sprawą faktu, iż zjawiska, które w nich zachodzą, są wyłącznie elektrostatyczne.
Tranzystory MOSFET są polaryzowane w taki sposób, aby jeden nośnik płynął w kierunku od źródła, do drenu, dlatego wyróżnia się dwa zakresy ich pracy: zakres nasycenia oraz zakres nienasycenia. Zakres jest determinowany przez napięcie powstałe na kierunku dren-źródło i jeśli jest większe niż napięcie nasycenia, tranzystor znajduje się w zakresie nasycenia.
Tranzystory polowe złączowe
Tranzystory polowe złączowe, znane również jako JFET, charakteryzują się budową zupełnie różną od tranzystorów MOSFET. Składają się z półprzewodnika typu N lub typu P i domieszkowanej warstwy półprzewodnika o przeciwnym typie (P+ oraz N+), co skutkuje powstaniem złącza p-n. Na zewnątrz wyprowadzone zostały trzy końcówki w postaci źródła S, drenu D oraz bramki G. Tranzystor polowy ze względu na swoją charakterystykę może pracować w trzech zakresach. Liniowym, w którym prąd drenu zależy od napięcia, dlatego zachowuje się jak rezystor. Nasycenia, kiedy prąd drenu zależy wyłącznie od napięcia na liniach bramka-źródło, a napięcie źródło-dren musi przekroczyć pewną wartość, a także powielania lawinowego.
Tranzystory polowe złączowe, znane również jako JFET, charakteryzują się budową zupełnie różną od tranzystorów MOSFET. Składają się z półprzewodnika typu N lub typu P i domieszkowanej warstwy półprzewodnika o przeciwnym typie (P+ oraz N+), co skutkuje powstaniem złącza p-n. Na zewnątrz wyprowadzone zostały trzy końcówki w postaci źródła S, drenu D oraz bramki G. Tranzystor polowy ze względu na swoją charakterystykę może pracować w trzech zakresach. Liniowym, w którym prąd drenu zależy od napięcia, dlatego zachowuje się jak rezystor. Nasycenia, kiedy prąd drenu zależy wyłącznie od napięcia na liniach bramka-źródło, a napięcie źródło-dren musi przekroczyć pewną wartość, a także powielania lawinowego.
Tranzystory polowe z izolowaną bramką
W modelach izolowanych, bramka jest oddzielona od kanału dielektrykiem, czyli warstwą izolacji. Tranzystory te są złożone z trzech elektrod, mianowicie bramki G (czasami w ilości większej niż 1), drenu D oraz źródła S, a także również podłoża B w roli czwartej elektrody w niektórych przypadkach. Bardzo często tranzystory polowe wykorzystuje się jako szybkie przełączniki w zasilaczach impulsowych, w układach scalonych, a także jako elementy dyskretne. Co ciekawe, wyróżniamy dwa rodzaje tranzystorów z izolowaną bramką, które różnią się techniką wykonania. MISFET lub MOSFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor lub Metal Oxide Semiconductor Field Effect Insulator) to model wykonany z monokrystalicznego przewodnika z izolatorem w postaci ditlenku krzemu. Z kolei tranzystor polowy z izolowaną bramką TFT (Thin Film Transistor) jest wykonany z półprzewodnika polikrystalicznego.
Parametry tranzystorów MOSFET
Każdy tranzystor MOSFET charakteryzuje się kilkoma parametrami, na które należy zwracać uwagę podczas wyboru konkretnego modelu.
Wśród najważniejszych z nich znajduje się dopuszczalne napięcie dren-źródło oznaczone symbolem UDSmax. Zbyt duża wartość tego parametru może spowodować przebicia, które mogą doprowadzić do całkowitego i nieodwracalnego uszkodzenia tranzystora.
Drugim parametrem, równie istotnym i niezbędnym, jest maksymalny prąd drenu oznaczany symbolem IDmax. Przy zbyt dużym prądzie w tranzystorze MOSFET może się zdarzyć, że zarówno jego struktura, jak i wewnętrzne połączenia, ulegną przepaleniu.
Trzecim parametrem jest napięcie progowe otwierania, które symbolizowane jest jako UGSth i jest on stosunkowo łatwy do zrozumienia. Jest to napięcie bramka-źródło, przy którym tranzystor zaczyna się otwierać, czyli gdy prąd drenu zyskuje wartość 1mA. Z tego względu można przyjąć, że w przypadku napięć bramki mniejszych niż UGSth tranzystor pozostaje całkowicie zamknięty, czyli prąd nie przepływa przez dren, a rezystancja jest bardzo duża. Wraz ze stopniowym zwiększaniem się napięcia rezystancja maleje, a tranzystor zaczyna się coraz bardziej otwierać. To zjawisko ma związek z czwartym parametrem oznaczonym symbolem RDSon, którym jest rezystancja między drenem a źródłem.
Analizując powyżej opisane parametry można wywnioskować, że najlepszy model tranzystora MOSFET powinien charakteryzować się jak największym napięciem UDSmax i jednocześnie jak najmniejszą rezystancją RDSon
Trzy kluczowe parametry
Każdy tranzystor MOSFET charakteryzuje się kilkoma parametrami, na które należy zwracać uwagę podczas wyboru konkretnego modelu.
Wśród najważniejszych z nich znajduje się dopuszczalne napięcie dren-źródło oznaczone symbolem UDSmax. Zbyt duża wartość tego parametru może spowodować przebicia, które mogą doprowadzić do całkowitego i nieodwracalnego uszkodzenia tranzystora.
Drugim parametrem, równie istotnym i niezbędnym, jest maksymalny prąd drenu oznaczany symbolem IDmax. Przy zbyt dużym prądzie w tranzystorze MOSFET może się zdarzyć, że zarówno jego struktura, jak i wewnętrzne połączenia, ulegną przepaleniu.
Trzecim parametrem jest napięcie progowe otwierania, które symbolizowane jest jako UGSth i jest on stosunkowo łatwy do zrozumienia. Jest to napięcie bramka-źródło, przy którym tranzystor zaczyna się otwierać, czyli gdy prąd drenu zyskuje wartość 1mA. Z tego względu można przyjąć, że w przypadku napięć bramki mniejszych niż UGSth tranzystor pozostaje całkowicie zamknięty, czyli prąd nie przepływa przez dren, a rezystancja jest bardzo duża. Wraz ze stopniowym zwiększaniem się napięcia rezystancja maleje, a tranzystor zaczyna się coraz bardziej otwierać. To zjawisko ma związek z czwartym parametrem oznaczonym symbolem RDSon, którym jest rezystancja między drenem a źródłem.
Analizując powyżej opisane parametry można wywnioskować, że najlepszy model tranzystora MOSFET powinien charakteryzować się jak największym napięciem UDSmax i jednocześnie jak najmniejszą rezystancją RDSon .
Różnice - MOSFET a tranzystor bipolarny
Warto wiedzieć, że opisywane tranzystory MOSFET różnią się od bipolarnych jedną właściwością, a mianowicie w tych drugich modelach wraz ze wzrostem temperatury rośnie także prąd kolektora, co może uniemożliwiać bezpośrednie połączenie kilku tranzystorów w sposób równoległy. W takim przypadku konieczne będzie zastosowanie rezystorów wyrównawczych w emiterze, gdyż bez tego poszczególne tranzystory będą się kolejno przepalać przy wystąpieniu dużego obciążenia, co spowoduje ich całkowite i nieodwracalne uszkodzenie.
Uważaj! Przyczyny uszkodzenia tranzystorów MOSFET
Tranzystory MOSFET (unipolarne) ze względu na budowę techniczną są bardzo wrażliwe na działanie ładunków elektrostatycznych, co stanowi przeciwieństwo bardzo trwałych tranzystorów bipolarnych. Napięcie maksymalne UGS w większości modeli wynosi zazwyczaj około 20V, co oznacza, iż łatwo je przekroczyć bez jakiejkolwiek świadomości, nawet poprzez dotknięcie tranzystora w całkowicie suchym pomieszczeniu. Tranzystory nie bez powodu przechowuje się w antystatycznych woreczkach, czasami także w czarnej gąbce przewodzącej.
Gdzie stosować tranzystory unipolarne MOSFET?
Zobaczmy w jakich sytuacjach najlepiej sprawdzą się MOSFETy. Po pierwsze, liczy się zasilanie. MOSFET-y najlepiej radzą sobie podczas zasilania bardzo niskim napięciem. Pozwala na to ich budowa – do działania potrzebują napięcia wynoszącego jedynie 0,7V, przy którym tranzystor unipolarny nie będzie jednak jeszcze całkowicie otwarty.
Ze względu na fakt, iż do tranzystora MOSFET sterownik może dostarczać jedynie wysoki potencjał, a nie sam prąd, to urządzenia te sprawdzą się najlepiej w sterowaniu obciążeniem pobierającym wiele amperów. Do pełnego otwarcia tranzystora należy zastosować napięcie kilkukrotnie wyższe (zwane napięciem włączenia) niż napięcie progowe, po czym przyłożyć je między bramkę a źródło. Tranzystory unipolarne świetnie radzą sobie w konstrukcjach, w których liczy się pobór prądu, gdyż w niektórych układach zasilanych bateryjnie pobór prądu rzędu kilku mikrometrów może stanowić ogromną różnicę. W tranzystorze MOSFET odkłada się około 0,2V ustalonego napięcia, lecz czasami zwiększa się wielokrotnie w przypadku modeli o dużej mocy. Napięcie to odkłada się między kolektorem a emiterem i to w sytuacji, kiedy MOSFET jest całkowicie nasycony. Spadek napięcia na tym rodzaju tranzystorów jest zależny od płynącego prądu, gdyż ich cechą charakterystyczną jest rezystancja wyłącznie otwartego kanału.
Warunki pracy tranzystorów
Generalnie warunki prawidłowej pracy tranzystora są ograniczone różnymi czynnikami. Warto wśród nich wymienić dopuszczalne napięcie i prąd kolektora, a także maksymalną moc strat, która po przekroczeniu może doprowadzić tranzystor do spalenia. Jednak równie istotne jest zjawisko tak zwanego drugiego przebicia (z ang. second breakdown), które w przypadku tranzystorów MOSFET nie występuje. Ich trwałość sprawia, że mogą pracować w ciężkich warunkach i charakteryzują się dużą odpornością na uszkodzenia.
Kiedy następuje przewodzenie tranzystora
Wiele osób zastanawia się, kiedy zaczyna się przewodnictwo prądu – jaka musi być wartość napięcia bramka-źródło, aby doszło do tego zjawiska? Otóż parametrem decydującym w tym przypadku jest napięcie progowe określane symbolem UT. Producenci tranzystorów zawsze podają ten parametr przy ustalonym prądzie drenu, który oznaczany jest jako ID. Na podstawie tych informacji możemy wywnioskować, że prąd zaczyna płynąć, jednak nie do końca możemy się na tym oprzeć. Dlaczego? Otóż każda firma produkująca tranzystory w inny sposób określa napięcie progowe.
Zastosowanie tranzystorów MOSFET
Zastosowanie tranzystorów MOSFET jest bardzo szerokie, jednak najczęściej są stosowane jako wzmacniacze lub przełączniki odpowiadające za sterowanie napięciem, ponieważ charakteryzują się bardzo małym zapotrzebowaniem na energię. Ich zaletą przy takim wykorzystaniu jest brak poboru prądu przez bramkę oraz niska rezystancja otwartego kanału, co przekłada się na znacznie mniejsze straty. Dodatkowo tranzystory MOSFET polecane są również w przypadku układów zasilanych niskim napięciem. Równie typowym obszarem zastosowań opisywanych elementów są mikroprocesory, pamięci, a także bramki CMOS (z ang. Complementary Metal-Oxide Semiconductor), które są technologią wytwarzania układów scalonych.
Zastosowanie tranzystorów MOSFET jest bardzo szerokie, jednak najczęściej elementy te są stosowane jako wzmacniacze lub przełączniki odpowiadające za sterowanie napięciem, ponieważ charakteryzują się bardzo małym zapotrzebowaniem na energię. Ich zaletą przy takim wykorzystaniu jest brak poboru prądu przez bramkę oraz niska rezystancja otwartego kanału, co przekłada się na znacznie mniejsze straty. Dodatkowo tranzystory MOSFET polecane są również w przypadku układów zasilanych niskim napięciem. Równie typowym obszarem zastosowań opisywanych elementów są mikroprocesory, pamięci, a także bramki CMOS (z ang. Complementary Metal-Oxide Semiconductor), które są technologią wytwarzania układów scalonych.
Ciekawostką jest fakt, iż tranzystory MOSFET mogą być stosowane zarówno do załączania diod LED, które wymagają zaledwie kilku miliamperów, jak i również do sterowania silnikami pracującymi na wyższym napięciu, dodatkowo pobierając znacznie większy prąd. Jednak to nie wszystko. MOSFET wykorzystywane są również w projektowaniu napędów o zmiennej częstotliwości i do obwodów generatora napięcia, gdzie służą jako potencjometry ze sterowaniem napięciowym. Dzieje się tak dlatego, że tranzystory unipolarne są w stanie zachowywać się jak rezystory sterowane napięciowo. Dodatkowo elementy te doskonale sprawdzą się jako stałe źródła prądu, dzięki czemu mogą być używane w systemach radiowych i sieciach wysokoprądowych. Ze względu na ich wysoką impedancję i szybkość przełączania tranzystory MOSFET idealnie sprawdzą się w dziedzinie elektroniki cyfrowej.
Zastosowanie tranzystorów MOSFET jest bardzo szerokie, jednak najczęściej elementy te są stosowane jako wzmacniacze lub przełączniki odpowiadające za sterowanie napięciem, ponieważ charakteryzują się bardzo małym zapotrzebowaniem na energię. Ich zaletą przy takim wykorzystaniu jest brak poboru prądu przez bramkę oraz niska rezystancja otwartego kanału, co przekłada się na znacznie mniejsze straty. Dodatkowo tranzystory MOSFET polecane są również w przypadku układów zasilanych niskim napięciem. Równie typowym obszarem zastosowań opisywanych elementów są mikroprocesory, pamięci, a także bramki CMOS (z ang. Complementary Metal-Oxide Semiconductor), które są technologią wytwarzania układów scalonych.
Ciekawostką jest fakt, iż tranzystory MOSFET mogą być stosowane zarówno do załączania diod LED, które wymagają zaledwie kilku miliamperów, jak i również do sterowania silnikami pracującymi na wyższym napięciu, dodatkowo pobierając znacznie większy prąd. Jednak to nie wszystko. MOSFET wykorzystywane są również w projektowaniu napędów o zmiennej częstotliwości i do obwodów generatora napięcia, gdzie służą jako potencjometry ze sterowaniem napięciowym. Dzieje się tak dlatego, że tranzystory unipolarne są w stanie zachowywać się jak rezystory sterowane napięciowo. Dodatkowo elementy te doskonale sprawdzą się jako stałe źródła prądu, dzięki czemu mogą być używane w systemach radiowych i sieciach wysokoprądowych. Ze względu na ich wysoką impedancję i szybkość przełączania tranzystory MOSFET idealnie sprawdzą się w dziedzinie elektroniki cyfrowej.
Najpopularniejsze tranzystory MOSFET
Na rynku znajduje się szeroki wybór różnego rodzaju tranzystorów MOSFET do najpopularniejszych z nich należą modele IRFZ44N, IRL2703 oraz BSS123. Każdy z nich ma swoje zalety, które warto poznać, by wybrać wariant idealnie dostosowany do indywidualnych potrzeb.
Tranzystor MOSFET IRFZ44N
W przypadku tranzystora Mosfet IRFZ44N największą zaletą jest niska rezystancja otwartego kanału wynosząca 17,5mΩ, a także możliwość przewodzenia wysokiego prądu, aż do 49A. Jednak słabą stroną tego modelu jest dość wysokie napięcie progowe, przez co jest zalecany sterowanie nim przy użyciu wyższego napięcia (12V).
Tranzystor MOSFET IRL2703
Tranzystor MOSFET IRL2703 jest słabszy niż powyższy model, gdyż jego maksymalny prąd drenu wynosi 24A, jednak posiada wyższą rezystancję otwartego kanału na poziomie 40mΩ. Ponadto wariant ten charakteryzuje się napięciem progowym około 1V, dzięki czemu można sterować nim wprost z mikrokontrolera zasilanego napięciem 5V.
Tranzystor MOSFET BSS123
Model BSS123 charakteryzuje się rezystancją otwartego kanału na poziomie 10Ω (napięcie pomiędzy bramką, a źródłem), maksymalny prąd drenu wynosi 170mA. Tranzystor dostępny jest w niewielkiej, płaskiej obudowie montowanej powierzchniowo SMD (z ang. Surface Mount Device) z końcówkami lutowniczymi znajdującymi się na jej bokach.
Podsumowanie
Tranzystory unipolarne typu MOSFET stanowią grupę bardzo praktycznych elementów, które zdecydowanie warto stosować. Ich mocną stroną jest wysoka odporność i brak podatności na uszkodzenia, dzięki czemu w większości przypadków gwarantują sprawne działanie, również w trudnych i ciężkich warunkach pracy. W przypadku MOSFET uszkodzenia spowodowane ładunkami statycznymi występują niezwykle rzadko, jeśli mowa o tranzystorach mocy. Natomiast w przypadku małych MOSFET-ów należy mieć na uwadze, że są to dość delikatne urządzenia, które łatwo uszkodzić, dlatego warto obchodzić się z nimi ostrożnie i przede wszystkim przechowywać w odpowiedni sposób. Najlepiej stosować czarną, przewodzącą gąbkę. Przed przystąpieniem do ich instalacji należy uziemić zarówno stanowisko pracy, jak i grot lutownicy, a także rozładować swoje ciało. Tak duża ostrożność z pewnością pozwoli uniknąć ewentualnych uszkodzeń. Ponadto najważniejszy jest fakt, iż tranzystory MOSFET należą do układów, w których płynący prąd zależy od wartości przyłożonego do niego napięcia, gdyż elementy te ze sterującego źródła nie pobierają praktycznie żadnego prądu.
W powyższym artykule staraliśmy się przedstawić wszystkie informacje, niezbędne dla każdego elektronika do prawidłowego wykorzystania tranzystorów MOSFET. Poznanie ich specyficznych cech z pewnością przyda się każdemu zainteresowanemu, gdyż zarówno majsterkowicze, jak i konstruktorzy mogą wykorzystać tranzystory MOSFET jako przełączniki do sterowania napięciem w praktycznie większości różnego rodzaju urządzeń czy maszyn.
