Acasă / Teorie in electronica / Tranzistorul MOSFET

Tranzistorul MOSFET

tranzistorul_mosfet

Ca orice site de electronică ce se respectă, trebuie să avem măcar un articolaș despre tranzistoare. Cum tranzistorul bipolar este cam fumat în anul 2011, vreau să scriu câteva rânduri, scurte și cât mai pe înțelesul tuturor, despre tranzistorul MOSFET.

În primul rând, ce înseamnă MOSFET? Cuvântul 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 câmp.

Construcție

Siliciul este un semimetal de grupa a patra și are 4 electroni pe ultimul strat. Siliciul pur are conductivitatea electrică foarte slabă, adică rezistivitate mare. Atunci când în rețeaua sa cristalină se introduc atomi de impurități, acesta devine conductor.

Dacă se introduc impurități donoare, adică din grupa a5-a, apar electroni liberi, iar conducția se realizează prin deplasarea electronilor. Semiconductorul devine astfel de tip N. Dacă se introduc impurități acceptoare, adică grupa a 3-a, apare un exces de goluri și se obține un semiconductor de tip P.

Golul nu există fizic, ci este mai degrabă lipsa unui electron. Atunci când 2 regiuni, de tip P şi N se unesc, apare o joncțiune, care este de fapt, o diodă. Efectul de câmp constă în aplicarea unui câmp electric ce schimbă tipul semiconductorului, ca în figura de mai jos.

semiconductor dopat de tip P

Presupunem că avem un semiconductor de tip P. Îl vom numi substrat. Aplicăm un câmp electric la suprafață semiconductorului. Electronii din volumul substratului sunt atrași la suprafață. Aceștia schimbă natura ionilor de la suprafață semiconductorului, făcându-i negativi. Practic astfel se schimbă tipul semiconductorului de la suprafață, din P în N. Volumul de siliciu în care are loc această schimbare se numește strat de inversie.

Ca să se poată forma un strat de inversie, este nevoie de un câmp electric. Acest câmp 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 și încă o armătură. Izolatorul care se folosește este un oxid foarte subțire de siliciu.

Cealaltă armătură poate fi un metal. Se formează astfel un sandwich cu 3 straturi: Metal, Oxid și Semiconductor. De aici provin și inițialele MOS. În prezent se folosește siliciu policristalin în loc de metal, dar denumirea a rămas MOS din motiv istoric.

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

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

Aşa cum este figurat, observăm că între S şi D avem două joncțiuni. 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 joncțiuni este blocată şi cealaltă saturată.

Acum să aplicăm între poartă şi sursă o tensiune pozitivă, suficient de mare cât să determine apariția stratului de inversie. Semiconductorul de sub poartă devine de tip N, astfel încât apare un canal de conducție. 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 rândul de sus este reprezentat tranzistorul MOSFET canal P, iar pe rândul 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 săgeții arată tipul joncțiunii care se formează între substrat şi sursă.

În a doua coloană sunt alte tipuri de simboluri, simplificate. A se observa că sensul săgeții este invers. Aceasta este o reprezentare mai intuitivă, având 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

Corespondența între pinii celor 2 tranzistoare este: bază-poartă, emitor-sursă, colector-drenă. Atât tranzistorul MOS cât şi cel bipolar funcționează ca surse de curent comandate. La bipolar curentul de colector este proporțional cu cel de bază, iar la MOS, curentul de drenă este proporțional cu pătratul tensiunii de poartă.

a. O diferență 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 staționar, nu circulă curent de la terminalul de comandă, așa cum se întâmplă în cazul tranzistoarelor bipolare. Practic un MOSFET poate să țină sute de amperi cu curent de poartă zero, pe când un bipolar de putere, are nevoie de cel puțin a suta parte din curentul de drenă să fie aplicat pe bază.

b. Deși nu trebuie comandate în curent, capacitatea capacitorului MOS nu trebuie neglijată. Poate ajunge chiar la 10 nF în cazul tranzistoarelor de putere. Aceasta poate să întârzie intrarea în saturație a tranzistorului, sau să afecteze semnalul la intrarea acestuia. De aceea tranzistoarele MOS de putere trebuie atacate cu circuite speciale de „gate driver”. Acestea sunt totuși de putere mai mică decât în cazul bipolarelor.

c. Oxidul de poartă al tranzistorul-ui MOS este subțire şi se poate străpunge ușor în tensiune, datorează descărcărilor electrostatice. Tranzistorul MOSFET 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 protecție ESD din interiorul capsulei au eliminat această problemă. Personal nu mi s-a întâmplat niciodată să ard un MOS la lipire sau la manevrare.

d. Tranzistoarele MOS pot fi puse în paralel deoarece nu intră în ambalare termică, așa cum este cazul bipolarelor.

e. În regiunea liniară, căderea de tensiune între drenă şi sursă poate fi oricât de mică, depinzând doar de curent. Asta din cauză că tranzistorul MOSFET 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 comutație, unde scad pierderile de conducție.

Parametrii specifici de catalog ai tranzistorul-ui MOSFET

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 subțire, de ordinul zecilor de nano-metri, şi se poate străpunge la o tensiune mică. În general Vgs, max este de +/-20V.

Rds on este rezistența canalului când tranzistorul este deschis. Acest parametru este important la funcționarea în comutație, unde acest parametru determină pierderile datorate conducției. Valorile tipice se întind de la sute de ohmi, la tranzistoarele de semnal, până 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 transconductanţa, adică raportul între variația curentului de drenă şi variația corespunzătoare a tensiunii de poartă. Tranzistoarele MOSFET din circuitele integrate digitale au transconductanţe de microamperi pe volt, tranzistoarele de putere ating ușor valori de zeci de amperi pe volt.

Cin este capacitatea de intrare.

Aș fi vrut să mai povestesc câte ceva despre scheme tipice, dar mi-e că devine un articol prea lung şi plictisitor. Pentru mai multe detalii, şi întrebări vorbim în secțiunea 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.

14 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!

  10. Un articol excelent

  11. caut un echivalent al tranzistorului d880t sunt doua bucati parte in alimentarea deck dual c824 unul se incinge foarte tare iar celalalt este rece amandoi sunt pe radiatoare.Ce imi recomandati va multumesc!!!!!!

Lasă un răspuns

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