На основе курса Электроника для начинающих, Д.Забарило
-
22.1. Полевые транзисторы
-
22.2 Полевые транзисторы с изолированным затвором
-
22.3 Основные параметры и проверка работы MOSFET
-
22.4 Исследование работы MOSFET в режиме ключа
2.1. Задачи
-
Построить графики зависимости тока и напряжения на переходе Сток-Исток от тока и напряжения на переходе Затвор-Исток.
-
Проверить заявленное значение напряжения открытия выбранного полевого транзистора.
2.2. Введение
Полевые транзисторы - полупроводниковые приборы, управляемые приложенным к Затвору напряжением. Управляющий ток минимальный (в отличии от биполярных транзисторов). Управляющий ток протекает только в момент закрытия / открытия полевого транзистора.
Типы полевых транзисторов:
-
с “p-n” переходом
-
в исходном состоянии открыт
-
поддерживает режим обеднения (для закрытия нужно приложить напряжение на Затвор-Исток)
-
-
с изолированным затвором с встроенным каналом
-
в исходном состоянии открыт
-
поддерживает режим обогащения (чтобы открыть больше нужно приложить напряжение на Затвор-Исток)
-
поддерживает режим обеднения (для закрытия нужно приложить напряжение на Затвор-Исток)
-
-
с изолированным затвором с индуцированным каналом
-
в исходном состоянии закрыт
-
поддерживает режим обогащения (для открытия нужно приложить напряжение на Затвор-Исток)
-
Полевой транзистор с изолированным затвором называют:
-
MOSFET - Metall-Oxide-Semiconductor-Field Effect Transistor
-
МОП - Металл-Окисл-Полупроводник
-
МДП - Металл-Диэлектрик-Полупроводник
В данной работе будет рассматриваться Полевой транзистор с изолированным затвором с индуцированным каналом.
2.3. МДП с индуцированным каналом
В исходном состоянии полевые транзистор с изолированным затвором с индуцированным каналом закрыт. Канал индуцируется только в момент подачи НАПРЯЖЕНИЯ на Затвор-Исток.
Управление транзисторы с изолированным затвором с индуцированным каналом осуществляется НАПРЯЖЕНИЕМ!!!
Полевые транзисторы с изолированным затвором с индуцированным каналом обладают высоким входным сопротивлением на участке Затвор-Исток. Управляющий ток, практически, равен нулю. Для управления требуется минимальная мощность, в отличии от биполярных транзисторов, где ток База-Эмиттер ненулевой.
Полевой транзистор с изолированным затвором с индуцированным каналом “n-p-n” типа с n-каналом:
-
Исток / Source (-)
-
Затвор / Gate (+) (управляющее напряжение)
-
Сток / Drain (+)
Ниже приведена физическая структура Полевого транзистора с изолированным затвором с индуцированным каналом “n-p-n” типа с n-каналом.
Если подать на Затвор (+), а на Подложку (-), то электроны притянутся к Затвору и создадут n-канал, через который сможет протекать ток.
Исток-Подложка-Сток образуют паразитный биполярный транзистор. Чтобы от него избавиться, Подложку и Исток “закорачивают”.
Исток-Сток образуют паразитный диод. Т.е., если подать (+) на Подложку/Исток и (-) на Сток, то через p-n переход потечет ток.
Затвор-Исток - это, фактически, емкость. Пластина Затвора, диэлектрик и пластина Подложки образуют емкость. На этой емкости скапливается заряд. Если убрать напряжение с Затвора, заряд останется и n-канал будет существовать до тех пор, пока эта емкость не разрядится. Транзистор будет открыт даже после снятия напряжения. Паразитный конденсатор существует и на переходе Затвор-Сток, но значительно меньшей емкости.
Примеры полевых транзисторов с изолированным затвором и индуцированным каналом:
-
Полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом n-p-n типа с n-каналом: IRF540
-
Полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом p-n-p типа с p-каналом: IRF9540
Основные параметры МДП транзисторов:
-
UDS - максимальное напряжение Сток-Исток
-
UGS - максимальное напряжение Затвор-Исток
-
UGS(th) - минимальное напряжение Затвор-Исток, необходимое для открытия транзистора.
-
ID - максимальный ток Стока.
-
RDS - сопротивление Сток-Исток в открытом состоянии.
Простейшая схема подключения МДП транзистора для работы в качестве ключа.
-
R1 - Подтягивающий резистор R1 (10 КОм) нужен для защиты от ложных срабатываний. Для разряда паразитной емкости Затвор-Исток. В противном случае транзистор не будет закрываться.
-
Rg - Защитное сопротивление служит для ограничения тока заряда паразитной емкости Затвор-Исток в момент открытия транзистора и на случай пробоя перехода Затвор-Исток транзистора, чтобы избежать короткого замыкания. Для обычного подключения достаточно 100 Ом. Если Затвор подключается напрямую к микроконтроллеру с разрешенным током 20 мА и напряжением 3.3 В, то сопротивление должно быть не менее 200 Ом.
2.4. Описание опыта
Принципиальная схема цепи, используемой в данной работе, изображена на рисунке ниже.
Подтягивающий резистор R1 в данной схеме не нужен, т.к. нет висящего провода.
-
VT1 - IRL3705N (Полевой транзистор с изолированным затвором с индуцированным каналом “n-p-n” типа с N-каналом в корпусе TO-220)
-
- 55 В
-
ID - 89 A
-
VGS(th) - 1-2 В
-
-
Rg - 100 КОм (такое большое сопротивление выбрано для увеличения времени заряда паразитной емкости Затвор-Исток, для наблюдения за переходным процессом при открытии транзистора)
-
Rn - 1 КОм
-
VCC - 8.5 В
-
Cзи - 1.5 нФ (измеренное значение паразитной емкости на переходе Затвор-Исток)
-
Gen1 - 0 В - 5 В (треугольник / импульсы)
Расчет частоты генератора, при которой можно будет наблюдать переходные процессы.
-
Найдем время Tau для паразитной емкости на переходе Затвор-Исток
Tau = Rg∗Cзи=100000∗1.5∗10−9=0.00015сек=0.15мс
-
Через интервал времени, равный 5τ, происходит (почти) полный заряд конденсатора.
5Tau = τ∗5=0.00015∗5=0.00075сек=0.75мс
-
Найдем частоту генератора, при которой паразитная емкость Затвор-Исток будет полностью заряжаться за полупериод
F=1/(2∗5Tau)=1/(2∗0.00075)=666.666...Гц
Для проведения опыта возьмем частоту немного меньше частоты, необходимой для полного заряда паразитной емкости Затвор-Исток, чтобы емкость успевала полностью зарядиться с запасом времени.
-
Для прямоугольных импульсов будем использовать частоту 500 Гц.
-
Для треугольного сигнала будем использовать частоту 600 Гц.
2.5. Ожидаемый результат
-
Переход Сток-Исток должен открываться при напряжении на переходе Затвор-Исток 2 В.
-
В момент открытия транзистора, ток на переходе Затвор-Исток при выбранном сопротивлении Rg (100 КОм) может достигать 0.05 мА за счет заряда конденсатора (I = U/R = 5/100000 = 0.05 мА)
2.6. Лабораторная работа
2.6.1. Управление прямоугольными импульсами
С генератора (Gen1) подаются прямоугольные импульсы.
-
Частота: 500 Гц
-
Амплитуда: 0 В - 0.5 В
На следующем графике представлена зависимость падения напряжения на переходе Сток-Исток (осциллограф Ch4) от падения напряжения на переходе Затвор-Исток (осциллограф Ch2).
В период времени, когда падение напряжения на переходе Затвор-Исток менее 1.7 В, падение напряжения на переходе Сток-Исток равно напряжению источника питания 8.5 В. Переход Сток-Исток закрыт и имеет очень большое сопротивление.
Но при достижении падения напряжения на переходе Затвор-Исток значения 1.7 В, переход Сток-Исток начинает открываться и падает практически до нуля. Когда напряжение на переходе Затвор-Исток достигает 2 В, переход Сток-Исток полностью открывается и его сопротивление становится близко к нулю.
На графике падения напряжения на переходе Затвор-Исток можно наблюдать “Эффект Миллера”. Падение напряжения замедляется в момент открытия перехода Затвор-Исток.
В то же время, падение напряжения на нагрузке (Rn) изменялось обратно пропорционально падению напряжения на переходе Сток-Исток.
На следующем графике показано падение напряжения на защитном сопротивлении перехода Затвор-Исток (Rg). Для наглядности оно показано с графиками генератора и падения напряжения на переходе Затвор-Исток.
Начнем рассматривать процесс с момента, когда напряжение генератора равно нулю. Паразитная емкость перехода Затвор-Исток разряжена и имеет бесконечно большое сопротивление. Падения напряжения на защитном сопротивлении Rg нет.
С генератора поступает импульс. В первый момент времени сопротивление перехода Затвор-Исток близко к нулю. Все напряжение падает на защитном сопротивлении Rg. Паразитная емкость перехода Затвор-Исток начинает заряжаться. Сопротивление перехода Затвор-Исток увеличивается и становится бесконечно большим. Все напряжение падает на переходе Затвор-Исток.
Напряжение генератора становится равно нулю. Паразитная емкость перехода Затвор-Исток начинает разряжаться. Ток разряда паразитной емкости Затвор-Исток начинает течь от Затвора к генератору. Падение напряжения на защитном сопротивлении перехода Затвор-Исток (Rg) отрицательное. После полного разряда паразитной емкости Затвор-Исток ток в цепи генератора перестает течь. Падение напряжения на защитном сопротивлении (Rg) и на переходе Затвор-Исток равно нулю.
На следующем графике показаны зависимости падения напряжения на защитном сопротивлении перехода Затвор-Исток (Rg) и на переходе Затвор-Исток при наличии напряжения нагрузки и без напряжения нагрузки. Когда напряжение нагрузки отсутствует, падение напряжения изменяется плавно из-за отсутствия “Эффекта Миллера”.
2.6.2. Треугольный управляющий сигнал
С генератора (Gen1) подается треугольный сигнал.
-
Частота: 600 Гц
-
Амплитуда: 0 В - 0.5 В
На следующем графике представлена зависимость падения напряжения на переходе Сток-Исток (осциллограф Ch4) от падения напряжения на переходе Затвор-Исток (осциллограф Ch2).
В период времени, когда падение напряжения на переходе Затвор-Исток менее 1.7 В, падение напряжения на переходе Сток-Исток равно напряжению источника питания 8.5 В. Т.е. переход Сток-Исток закрыт и имеет очень большое сопротивление.
Но при достижении падения напряжения на переходе Затвор-Исток значения 1.7 В, переход Сток-Исток начинает открываться и падает практически до нуля. Когда напряжение на переходе Затвор-Исток достигает 2В переход Сток-Исток полностью открывается и его сопротивление становится близко к нулю.
На графике падения напряжения на переходе Затвор-Исток можно наблюдать “Эффект Миллера”. Падение напряжения замедляется в момент открытия перехода Затвор-Исток.
В то же время, падение напряжения на нагрузке (Rn) изменялось обратно пропорционально напряжению на переходе Сток-Исток.
На следующем графике показано падение напряжения на защитном сопротивлении перехода Затвор-Исток (Rg). Для наглядности оно показано с графиками генератора и падения напряжения на переходе Затвор-Исток.
В момент времени, когда напряжение генератора равно нулю и начинает возрастать, паразитная емкость перехода Затвор-Исток со стороны Затвора имеет потенциал выше нуля. На графике падения напряжения на переходе Затвор-Исток видно, что напряжение в этот момент около 2 В.
Поэтому ток течет от Затвора к генератору и падение напряжения на сопротивлении перехода Затвор-Исток (Rg) отрицательное.
Когда напряжение генератора и напряжение Затвора выравниваются, ток начинает течь от генератора к Затвору, паразитная емкость перехода Затвор-Исток начинает заряжаться и падение напряжения на переходе Затвор-Исток начинает возрастать.
На следующем графике показаны зависимости падения напряжения на защитном сопротивлении перехода Затвор-Исток (Rg) и на переходе Затвор-Исток при наличии напряжения нагрузки и без напряжения нагрузки. Когда напряжение нагрузки отсутствует, падение напряжения изменяется плавно из-за отсутствия “Эффекта Миллера”.
2.7. Выводы
-
При достижении на переходе Затвор-Исток напряжения открытия (1.7 В), переход Сток-Исток начинает открываться, даже если паразитная емкость не полностью заряжена. Т.е. n-канал и паразитная емкость существуют независимо друг от друга. Паразитная емкость лишь может замедлить время, за которое достигается напряжение открытия. И затем паразитная емкость может поддерживать напряжение открытия даже без приложения внешнего напряжения.
-
Если к переходу Сток-Исток приложено напряжение, то во время перехода Сток-Исток из закрытого состояния в открытое (и наоборот) заряд (разряд) паразитной емкости замедляется и на графике наблюдается “Эффект Миллера” (плато), в отличие от графика, когда на переходе Сток-Исток нет напряжения.
-
Изменение перехода Сток-Исток из закрытого состоя в открытое (и наоборот) происходит не мгновенно, а на диапазоне напряжения на переходе Затвор-Исток, примерно 1.7 В - 2 В. На этом диапазоне напряжения транзистор работает, в усилительном режиме. Чем дольше происходит переход через диапазон 1.7В - 2В, тем больше мощности теряется на сопротивлении Сток-Исток.
-
Защитное сопротивление Rg увеличивает время заряда паразитного конденсатора, Поэтому, оно не должно быть слишком большим. В эксперименте с прямоугольными импульсами время полного открытия перехода Сток-Исток составило 140 мкСек. В то же время, если Rg будет слишком маленьким, то через него будет протекать большой ток в момент открытия. Например, при Rg=100 Ом и управляющем напряжении Затвор-Исток 5 В., ток в момент подачи управляющего напряжения будет 0.05 А (I = U/R = 5/100 = 0.05 А), что составит 0.25 Вт (P = I*U = 0.05*5 = 0.25 Вт), а это предел для SMD резистора типоразмером 1206. Сопротивление Rg должно быть значительно меньше чем притягивающее сопротивление R1, чтобы обеспечить необходимое падение напряжения на переходе Затвор-Исток.
2.8. Вопросы
-
Какое должно быть оптимальное сопротивление Rg для того, чтобы уменьшить потери мощности во время открытия перехода Сток-Исток?
-
Если в диапазоне открытия перехода Сток-Исток (1.7 В - 2 В) транзистор работает в режиме усиления, то через переход Затвор-Исток должен протекать ток. Если подать постоянное напряжение в диапазоне 1.7 В - 2 В на переход Затвор-Исток, будет ли через него протекать постоянный ток (с учетом того, что там диэлектрик)?
-
Согласно расчетам, сопротивление на переходе Сток-Исток в закрытом состоянии порядка 100 КОм. Но, согласно теории, сопротивление должно быть 10^12 - 10^14 Ом. Если поставить Rn 100 КОм, будет ли одинаковое падение напряжения на переходе Сток-Исток и на Rn? Т.е. действительно ли сопротивление Сток-Исток в закрытом состоянии 100 КОм или это погрешность расчетов?
2.9. Ссылки
Автор: balobinp
