Acasă / Teorie in electronica / Tranzistorul MOSFET

Tranzistorul MOSFET

tranzistorul_mosfet

Ca orice site de electronică ce se respectă, trebuie să avem măcar un articolaş despre tranzistoare. Cum tranzistorul bipolar este cam fumat în anul 2011, vreau să scriu cîteva rînduri, scurte şi cît mai pe înţelesul tuturor, despre tranzistorul MOSFET.

În primul rînd, ce înseană MOSFET? Cuvîntul este format din două prescurtări, MOS şi FET. MOS vine de la Metal Oxid Semiconductor, iar FET, de la Field Effect Transistor, adică tranzistor cu efect de cîmp.

Construcţie

Siliciul este un semimetal de grupa a patra, şi are 4 electroni pe ultimul strat. Siliciul pur are conductivitatea electrică foarte slabă, adică rezistivitate mare. Atunci cînd în reţeaua sa cristalină se introduc atomi de impurităţi, acesta devine conductor. Dacă se introduc impurităţi donoare, adică din grupa a5-a, apar electroni liberi, iar conducţia se realizează prin deplasarea electronilor. Semiconductorul devine astfel de tip N. Dacă se introduc impurităţi acceptoare, adică grupa a 3-a, apare un exces de goluri, şi se obţine un semiconductor de tip P. Golul nu există fizic, ci este mai degrabă lipsa unui electron. Atunci cînd 2 regiuni, de tip P şi N se unesc, apare o joncţiune, care este de fapt, o diodă. Efectul de cîmp constă în aplicarea unui cîmp electric ce schimbă tipul semiconductorului, ca în figura de mai jos.

Presupunem că avem un semiconductor de tip P. Îl vom numi substrat. Aplicăm un cîmp electric la suprafaţa semiconductorului. Electronii din volumul substratului sînt atraşi la suprafaţă. Aceştia schimbă natura ionilor de la suprafaţa semiconductorului, făcîndu-i negativi. Practic astfel se schimbă tipul semiconductorului de la suprafaţă, din P în N. Volumul de siliciu în care are loc această schimbare se numeşte strat de inversie.
Ca să se poată forma un strat de inversie, este nevoie de un cîmp electric. Acest cîmp electric se formează similar cu cel dintr-un condensator. Practic dacă una dintre armături o considerăm semiconductorul, ar mai trebui să mai avem deasupra un dielectric şi încă o armătură. Izolatorul care se foloseşte este un oxid foarte subţire de siliciu. Cealaltă armătură poate fi un metal. Se formează astfel un sandwish cu 3 straturi: Metal, Oxid şi Semiconductor. De aici provin şi iniţialele MOS. În prezent se foloseşte siliciu policristalin în loc de metal, dar denumirea a rămas MOS din motiv istoric.

Deci avem pînă acum doar un capacitor metal-oxid-semiconductor. De o parte şi de alta faţă de acest condensator, în siliciu, punem două regiuni semiconductoare de acelaşi tip ca stratul de inversie, adică de tip opus faţă de semiconductor. Aşa încît să obţinem o structură ca în figura de mai jos, unde este prezentat un tranzistor MOSFET de tip N.

roşu – semiconductor slab dopat de tip P (substrat)
albastr – semiconductor puternic dopat de tip N
alb – oxid de siliciu
maro – semiconductor de tip P+, puternic dopat
gri – metal / polisiliciu
S – source/sursă
G – gate / poartă
D – drain / drenă
B – Bulk / substrat

Aşa cum este figurat, observăm că între S şi D avem două joncţiuni. Una între sursă şi substrat, iar cealaltă între substrat şi drenă. Acestea au anodul comun.
Dacă aplicăm o tensiune între sursă şi drenă, acum nu circulă nici un curent, deoarece indiferent de polaritatea tensiunii, una dintre joncţiuni este blocată şi cealaltă saturată.
Acum să aplicăm între poartă şi sursă o tensiune pozitivă, suficient de mare cît să determine apariţia stratului de inversie. Semiconductorul de sub poartă devine de tip N, astfel încît apare un canal de conducţie. Prin acesta circulă un curent de la sursă la drenă.

Cu alte cuvinte, în termeni foarte generici, tranzistorul MOS controlează printr-o tensiune de poartă, curentul care trece de la sursă la drenă.

Simboluri

Pe rîndul de sus sînt reprezentate tranzistoare MOSFET canal P, iar pe rîndul de jos, cu canal N.
În prima coloană este figurată şi conexiunea la substrat. Uneori poate fi legată direct la sursă, alteori, poate să vină la un pin al capsulei. Sensul săgeţii arată tipul joncţiunii care se formează între substrat şi sursă.
În a doua coloană sînt alte tipuri de simboluri, simplificate. A se observa că sensul săgeţii este invers. Aceasta este o reprezentare mai intuitivă, avînd săgeata la fel ca tranzistorul bipolar corespunzător. La MOS canal N şi NPN, săgeata iese, iar la MOS canal P şi PNP, săgeata intră.
Uneori, la tranzistoarele de putere, mai apare în schemă o diodă Zener („clamping diode”)  între sursă şi drenă.

Comparaţie cu tranzistoarele bipolare
Corespondenţa între pinii celor 2 tranzistoare este: bază-poartă, emitor-sursă, colector-drenă. Atît tranzistorul MOS cît şi cel bipolar funcţionează ca surse de curent comandate. La bipoar curentul de colector este proporţional cu cel de bază, iar la MOS, curentul de drenă este proporţional cu pătratul tensiunii de poartă.
a. O diferenţă foarte importantă între MOS şi bipolar este că MOS-urile se comandă în tensiune, nu în curent. Datorită oxidului dintre poartă şi regiunea de inversie, în regim staţionar, nu circulă curent de la terminalul de comandă, aşa cum se întîmplă în cazul tranzistoarelor bipolare. Practic un MOSFET poate să ţină sute de amperi cu curent de poartă zero, pe cînd un bipolar de putere, are nevoie de cel puţin a suta parte din curentul de drenă să fie aplicat pe bază.
b. Deşi nu trebuie comandate în curent, capacitatea capacitorului MOS nu trebuie neglijată. Poate ajunge chiar la 10nF în cazul tranzistoarelor de putere. Aceasta poate să întîrzie intrarea în saturaţie a tranzistorului, sau să afecteze semnalul la intrarea acestuia. De aceea tranzistoarele MOS de putere trebuie atacate cu circuite speciale de „gate driver”. Acestea sînt totuşi de putere mai mică decît în cazul bipolarelor.
c. Oxidul de poartă al tranzistoarelor MOS este subţire şi se poate străpunge uşor în tensiune, datoriză descărcărilor electrostatice. Tranzistoarele MOS ale anilor 80 veneau cu o bucată de metal sudată între sursă şi poartă, care trebuia tăiată după montare. De asemenea se recomanda lipirea acestora cu letconul scos din priză. În prezent, circuitele de protecţie ESD din interiorul capsulei au eliminat această problemă. Personal nu mi s-a întîmplat niciodată să ard un MOS la lipire sau la manevrare.
d. Tranzistoarele MOS pot fi puse în paralel deoarece nu intră în ambalare termică, aşa cum este cazul bipolarelor.
e. În regiunea liniară, căderea de tensiune între drenă şi sursă poate fi oricît de mică, depinzînd doar de curent. Asta din cauză că tranzistorul MOS se comportă ca o rezistenţă, notată în catalog ca Rdson. La bipolare nu poate fi mai mică de 200mV, sau chiar valori mai mari. Acesta este un avantaj pentru sursele în comutaţie, unde scad pierderile de conducţie.

Parametrii specifici de catalog ai tranzistorului MOS

Vds, max(V) este tensiunea maximă care poate fi aplicată între drenă şi sursă. Am zis mai sus că între drenă şi sursă apar două diode dintre una este polarizată invers, mai exact, cea dintre substrat şi drenă. Ca orice diodă, şi aceasta are o tensiune de străpungere.
Vgs, max (V) este tensiunea maximă care poate fi aplicată între poartă şi sursă. Oxidul de poartă este foarte subţire, de ordinul zecilor de nanometri, şi se poate străpunge la o tensiune mică. În general Vgs, max este de +/-20V.
Rds, on este rezistenţa canalului cînd tranzistorul este deschis. Acest parametru este important la funcţionarea în comutaţie, unde acest parametru determină pierderile datorate conducţiei. Valorile tipice se întind de la sute de ohmi, la tranzistoarele de semnal, pînă la miliohmi, la tranzistoarele de sute de amperi.
Vt este tensiunea de prag, respectiv tensiunea între poartă şi sursă de la care începe să treacă un curent între drenă şi sursă.
gm (mA/V)este trasconductanţa, adică raportul între variaţia curentului de drenă şi variaţia corespunzătoare a tensiunii de poartă. Tranzistoarele MOS din circuitele integrate digitale au transconductanţe de microamperi pe volt, tranzistoarele de putere ating uşor valori de zeci de amperi pe volt.
Cin este capacitatea de intrare.

Aş fi vrut să mai povestesc cîte ceva despre scheme tipice, dar mi-e că devine un articol prea lung şi plictisitor. Pentru mai multe detalii, şi întrebări vorbim în secţiunea de comentarii de mai jos.

(Imaginea reprezentativă a articolului este un tranzistor integrat într-o memorie NMOS Tesla MHB2114, fabricată în anii 1980. )

Despre Cristian Grecu

Mă numesc Cristi, şi uneori sînt student la facultatea de electronică din Bucureşti. Consider electronica un domeniu infinit, cu cît învăţ mai mult, cu atît văd că marginile sale sînt tot mai departe.

11 Comentarii

  1. Un articol excelent pentru începători în electronică ca mine.Mie personal explicațiile „pompoase”cu „jde” sute de calcule din care nu înțeleg mai nimic,mă cam lasă rece la vârsta mea,este mai mult apanajul specialiștilor în electronica cu studii înalte decât unor amatori neșcoliți.Am 45 de ani și încet încet prin intermediul acestor articole încep să descopăr tainele electronice,deja reușesc să descopăr defecte și cauzele acestora în multe electronice de putere,dar articole de acest gen mă fac să înțeleg mai mult decât ani de explicații pseudoștiințifice în școli.Te felicit personal încă o dată pentru această descriere a mosfet-ului pe înțelesul tuturor,și aștept și alte articole la fel de instructive pentru electroniștii începători.

  2. Mersi mult pentru feedback, m-a bucurat mult să citesc comentariul dvs. Asta încerc şi eu să scriu, articole cît mai pe înţelesul tuturor. Electronica ar trebui simţită înainte de a fi calculată, de cele mai multe ori un simţ al montajului te scuteşte de multe calcule sau verificări.
    Dacă vreţi să scriu despre un anumit subiect care vă interesează, puteţi să-mi spuneţi 😀

  3. buna.!, am vazut ca avetzi multe articole interesante., mi-as dori sa vad la dumneavoastra un montaj o realizare.., un pistol de lipit in comutatzie., realizat dintr-o sursa de calculator., am vazut cateva facute din becuri cu alimentare in comutatie becuri economice., daca puteti pune intr-un articol asa ceva si detaliat., mi-ar placea as vrea sa realizez si eu unul., si cred ca nu sunt singurul., va multumesc.,.!

  4. Aşteptăm o completare a articolului.

    Lipseşte orice referire la cele două tipuri principale de tranzistoare MOS: cu canal iniţial(depletion mode) şi cu canal indus(enhancement mode). Şi simbolurile trebuiesc prezentate acestea fiind diferite (este prezentat doar simbolul pentru cel cu canal iniţial). N-ar strica nici cîteva exemple mai des folosite(BF905, IRF630, 2N7000, MTP3055 etc). La majoritatea tr. MOS, dioda (internă) dintre sursă şi drenă NU este Schottky ci Zener (Clamping Zener Diode)(BODY-DRAIN DIODE). Unele tipuri de tranzistoare MOS conţin o diodă Zener şi între sursă şi poartă.

  5. Salut, Mihai.
    Enorma majoritate din tranzistoarele MOS folosite, atît discrete cît şi în circuite integrate, sînt cu canal indus. După părerea mea, MOS cu canal iniţial a fost folosit într-o perioadă cînd nu se puteau pune tranzistoare complementare pe acelaşi siliciu. Spre exemplu seria MMP şi MMN folosesc această categorie.
    Ai dreptate cu clamping diode.
    Tipuri de tranzistoare, ar fi sute. Cred că e suficient orice catalog de la un producător sau dealer de componente pentru ca un utilizator să decidă ce va folosi.

  6. Foarte tare articolul,am ajuns la el încercând sa aflu ce e ăla un mosfet,pentru ca imi spusese cineva ca pe placa mea de baza e dus un mosfet si eu habar nu aveam cum arată.Dupa aceasta explicație am înțeles si ce rol are el pe o placa de bază.
    Iti multumesc.

    • Mosfeţii de de placa de bază, se găsesc în general pe lîngă chestiile care consumă mult. Adică procesor şi RAM spre exemplu. Formează de obicei convertoare Buck sincrone, cu mai multe tranzistoare puse în paralel, cu rolul de a coborî tensiunea de 12V dată de sursă, la valori mai mici, de genul 1.7V la Pentium 4, sau 0.8V la i5, etc. Un procesor poate să tragă în pulsuri curenţi foarte mari, de zeci de amperi.
      De obicei cînd se arde un MOSFET, se vede o rezistenţă mică între sursă şi drenă. Le poţi măsura, doar că fiind mai multe în paralel, s-ar putea să fie nevoie să le scoţi de pe placă să le poţi măsura individual.

  7. Pot fi demonstrate relatiile intre tensiuni si curenti la MOSFET fara mecanica cuantica? Daca da, si stii cum, ai putea te rog sa publici un articol cu demonstratia?

  8. Inca de la inceput tin sa-ti spun ca sunt VARZA in electronica,dar am nevoie de ajutor si vad ca esti foatre amabil! MULTUMESC ANTICIPAT! Am ars un aparat de sudura invertor si am nevoie de patru mosfeturi(nu stiu daca am scris corect) Pe cele arse amIXGH 40N60132 d1.Producator: IXYS. Multumesc inca odata!

  9. Tare mi-as fi dorit ca in liceu sa am un profesor ca tine,un limbaj simplu si concludent…de-abia acum dupa 20ani am priceput cum functioneaza un tranzistor MOSFET ! Multumesc mult!

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *

*