Оглавление:

Что такое МОS-трубка?

МОS-трубка (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник, MOSFET) — это аббревиатура MOSFET. MOSFET металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор, называемый металлооксидным полуполевым транзистором. Как правило, это полевой транзистор металл-оксид-полупроводник, или его еще называют металл-изолятор-полупроводник. Это полупроводниковый трехполюсный прибор, использующий для управления своим током эффекты электрического поля.Многими характеристиками и направлениями применения он аналогичен триодам. Это устройство не только имеет небольшой размер, легкий вес, низкое энергопотребление и длительный срок службы, но также обладает такими преимуществами, как высокое входное сопротивление, низкий уровень шума, хорошая термическая стабильность и сильная радиационная стойкость.Оно широко используется, особенно в больших интегральных схемах. МОS-трубка имеет три названия контактов: G: затвор; S: исток; D: сток.

Что такое полевой транзистор?

Полевой транзистор (аббревиатура полевого транзистора (FET)) называется полевым транзистором. Это полупроводниковое устройство, которое использует эффект электрического поля входного контура для управления током выходного контура. Поскольку для проведения электричества он опирается только на основные носители в полупроводнике, его также называют униполярным транзистором.

Полевые транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, управляемые напряжением. Он обладает такими преимуществами, как высокое входное сопротивление, низкий уровень шума, низкое энергопотребление, большой динамический диапазон, простота интеграции, отсутствие вторичного пробоя и широкая безопасная рабочая зона.

Существует два основных типа полевых транзисторов:

1. Переход полевого транзистора — JFET

2. Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (сокращенно МОS-транзистор).

Разница между полевой трубкой и МОS-трубкой

А. Различные предметы

Полевой транзистор: полевой МОS-транзистор с V-образной канавкой представляет собой недавно разработанное высокоэффективное устройство переключения мощности после МОS-транзистора.

МОS-трубка: полевая трубка металл-оксид-полупроводник представляет собой изолированный затвор.

B. Правила разные

Полевые транзисторы: сочетают в себе преимущества электронных ламп и силовых транзисторов, поэтому широко используются в усилителях напряжения (усиление напряжения может достигать нескольких тысяч раз), усилителях мощности, импульсных источниках питания и инверторах.

MOS-трубка: Когда VGS=0, трубка находится в состоянии отсечки.После добавления правильного VGS большинство носителей притягиваются к затвору, тем самым «усиливая» носители в этой области и образуя проводящий канал.

C. Различные характеристики

Полевая трубка: она не только унаследовала высокий входной импеданс (≥108 Вт) и малый ток возбуждения (около 0,1 мкА) полевой МОS-трубки, но также обладает характеристиками высокого выдерживаемого напряжения (до 1200 В) и большого рабочего тока. (1,5–100 А), высокая выходная мощность (1–25 Вт), хорошая линейность крутизны и быстрая скорость переключения.

МОS-трубка: Основная особенность заключается в том, что между металлическим затвором и каналом имеется изолирующий слой из диоксида кремния, поэтому он имеет высокое входное сопротивление (до 1015 Ом).

Взаимосвязь между полевой трубкой и МОS-трубкой

МОS-трубки представляют собой полевые трубки.

Структура и классификация МОS-трубок

В зависимости от различных проводящих каналов МОS-трубки можно разделить на две категории: N-канал и P-канал, и каждая категория делится на два типа: режим улучшения и режим истощения. Таким образом, МОS-лампы можно разделить на четыре основные категории: тип потребления N-канала, тип улучшения N-канала, тип потребления P-канала и тип улучшения P-канала. Теперь возьмем N-канальные устройства в качестве примера, чтобы представить принцип работы МОS-ламп.

Как показано на рисунке выше, структурная схема N-канальной MOS-трубки. Он использует низколегированный кремниевый материал P-типа в качестве подложки, создает на нем две высоколегированные области N-типа и выводит два электрода соответственно в качестве истокового электрода s и электрода стока d, покрывая поверхность P-типа. Подложка -типа Очень тонкий изолирующий слой оксидной пленки (диоксида кремния) и электродный вывод в качестве затвора g. Затвор g этого полевого транзистора изолирован от полупроводниковой подложки P-типа, стока d и истока s, поэтому его также называют полевым транзистором с изолированным затвором.

Принцип работы МОS-трубки

Основной принцип работы МОS-лампы заключается в использовании напряжения затвор-исток для управления током стока, но между стоком и истоком нет исходного проводящего канала, поэтому его необходимо сначала установить во время работы.

①Установить проводящие каналы

Как показано на рисунке, при приложении положительного напряжения затвор-исток VGS>0 на оксидном слое под затвором возникает верхнее положительное и нижнее отрицательное электрическое поле, которое будет притягивать свободные электроны в P-области и вызывать Накопление ниже также будет отталкивать дыры в области P, заставляя их покидать эту область. Чем больше ВГС, тем больше напряженность электрического поля и тем очевиднее этот эффект. Когда VGS достигает VT, концентрация свободных электронов, накопленных в этой области, достаточно велика, чтобы образовать новую область N-типа, подобную мосту, соединяющему сток и исток. Эта область называется проводящим каналом N-типа или сокращенно N-каналом, а Vt называется напряжением включения.VGS>VT является необходимым условием для создания проводящего канала.

②Установить ток стока

После установления канала, если между стоками имеется определенное управляющее напряжение VDS. Когда появляется напряжение стока VDS, потенциал стока выше, чем истока, поэтому VGS>VGD, поэтому распределение электрического поля на оксидном слое неравномерно.Интенсивность сильная вблизи истока и слабая вблизи стока, и соответствующая проводящая Соответственно меняется и русло траншеи: оно шире возле истока и уже возле стока.

Следовательно, на ток стока Id МОS-лампы в основном влияют напряжения VGS и VDS: первое влияет на Id, управляя проводящим каналом, а второе напрямую влияет на Id как драйвер. Но нужно еще раз подчеркнуть, что если проводящий канал не установлен, то будет только ВДС и ток стока не появится.

Преимущества МОS-трубок

1. Может применяться для увеличения. Поскольку входное сопротивление усилителя на полевом транзисторе очень велико, конденсатор связи может быть небольшим, и нет необходимости использовать электролитические конденсаторы.

2. Очень высокий входной импеданс очень подходит для преобразования импеданса. Его часто используют для преобразования импеданса во входном каскаде многокаскадных усилителей.

3. Может использоваться как переменный резистор.

4. Может быть удобно использован в качестве источника постоянного тока.

5. Может использоваться как электронный переключатель.

6. Большая гибкость в проектировании схем. Смещение затвора может быть положительным, отрицательным или нулевым.Транзисторы могут работать только при прямом смещении, а электронные лампы - только при отрицательном смещении. Кроме того, входное сопротивление высокое, что позволяет снизить нагрузку источника сигнала и облегчить согласование с предыдущим каскадом.

Использование МОS-трубки

Многие существующие схемы усиления малых сигналов состоят из схем усиления на транзисторах или МОS-лампах.Их мощность ограничена, и мощность схемы не может быть сделана очень большой. С постепенным развитием современной инверторной технологии, особенно технологии инвертора SPWM, форма сигнала может быть хорошо воспроизведена на выходе, и могут быть достигнуты высокое напряжение, большой ток и высокая мощность. Существует два способа реализации технологии SPWM: один — использовать аналоговые интегральные схемы для сравнения синусоидальной модулированной волны и треугольной несущей волны для генерации сигналов SPWM; другой — использовать цифровые методы. С углублением приложений и развитием технологий интеграции коммерческие интегральные схемы для конкретных приложений (ASIC), микроконтроллеры специального назначения (8X196/MC/MD/MH) и DSP могут упростить структуру схемы управления и достичь высокой степени интеграции. Поскольку цифровые микросхемы, как правило, дороже, здесь используются аналоговые интегральные схемы. Основная схема имеет полномостовую инверторную структуру, волна SPWM генерируется с помощью микросхемы управления двойной ШИМ UC3637, а также используется высоковольтный интегрированный модуль плавающего привода IR2110, выпущенный американской компанией IR, что позволяет уменьшить размер устройства. снижение стоимости и повышение эффективности и надежности системы. После усиления этой схемой сигнал может достигать 3 кВ и сохранять хорошую форму выходного сигнала.

Основные характеристики МОS-трубки

① Высокое входное сопротивление: между электродом затвора МОS-трубки и областями истока и стока имеется изолирующий слой, а ток затвора очень слабый, поэтому входное сопротивление МОS-трубки очень велико, близко к бесконечности.

②Низкий выходной импеданс: поскольку МОS-трубка представляет собой устройство, управляемое напряжением, ее ток истока-стока может меняться с изменениями входного напряжения, поэтому ее выходное сопротивление очень мало.

③Свойство постоянного тока: когда МОS-трубка работает в зоне насыщения, даже если напряжение исток-сток изменяется, ее ток практически не изменяется, поэтому МОS-трубка имеет хорошие свойства постоянного тока.

Характеристики различных устойчивых к напряжению МОS-трубок

МОS-лампы с разным выдерживаемым напряжением имеют разные пропорции сопротивления в каждой части сопротивления открытого состояния. Например, сопротивление эпитаксиального слоя МОS-трубки с напряжением 30 В составляет всего 29% от общего сопротивления открытого состояния, а сопротивление эпитаксиального слоя МОS-трубки с напряжением 600 В составляет 96,5% от общего сопротивления открытого состояния. .

Основное различие между различными устойчивыми к давлению МОS-трубками заключается в том, что скорость реакции МОS-трубок, устойчивых к высокому давлению, ниже, чем у МОS-трубок, устойчивых к низкому напряжению. Поэтому их характеристики также демонстрируют различия в практических применениях, таких как средние - и МОS-трубки, устойчивые к низкому давлению. Трубка требует только чрезвычайно низкого заряда затвора, чтобы соответствовать возможностям обработки сильного тока и высокой мощности. Помимо быстрой скорости переключения, она также обладает характеристиками низких потерь при переключении, что особенно важно подходит для приложений с режимом вывода ШИМ, в то время как высоковольтные МОS-лампы имеют входное сопротивление, он имеет высокие характеристики и широко используется в электронных балластах, электронных трансформаторах и импульсных источниках питания.

//

Общие параметры МОS-трубок

Vgs: максимальное напряжение возбуждения затвора и истока, предельный параметр МОS-трубки, указывающий максимальное напряжение возбуждения, которое может выдержать МОS-трубка. Как только напряжение возбуждения превысит этот предел, это приведет к необратимому повреждению оксидного слоя затвора МОS-трубки.

VDS: напряжение сток-исток, которое представляет собой максимальное напряжение, которое может выдержать МОS-трубка между стоком и истоком. Этот параметр связан с температурой перехода.Как правило, чем выше температура перехода, тем больше значение VDS.

RDS(on): Сопротивление открытого состояния сток-исток, которое представляет собой эквивалентное сопротивление между стоком и истоком, когда МОS-трубка полностью включена. Этот параметр связан с температурой перехода и напряжением Vgs. В определенном диапазоне, чем выше температура перехода, тем больше Rds; чем выше напряжение возбуждения, тем меньше Rds.

Импеданс МОS-трубки, когда она находится в проводящем состоянии. Чем больше сопротивление включения, тем больше потери во включенном состоянии. Поэтому сопротивление проводимости МОS-трубки следует уменьшить как можно больше.

Потребляемая мощность во время проведения:

Qg: Заряд затвора, который представляет собой заряд, необходимый для увеличения напряжения затвора от 0 В до напряжения завершения под действием управляющего сигнала. То есть заряд, который должна обеспечить схема возбуждения, когда МОS-трубка переходит из выключенного состояния в полностью проводящее состояние. Это основной параметр, используемый для оценки возможностей возбуждения схемы возбуждения МОS-трубки.

Id: ток стока, что означает, что когда температура корпуса достигает определенного значения, если рабочий ток МОS-трубки равен вышеупомянутому максимальному току стока, температура перехода достигнет максимального значения. Этот параметр также связан с комплектацией устройства и температурой окружающей среды.

Eoss: энергия выходного конденсатора, указывающая количество энергии, запасенной в МОS-трубке выходным конденсатором Coss.

В соответствии с принципом работы и характеристиками МОS-лампы нетрудно обнаружить, что ее характеристики очень похожи на характеристики триода, и оба могут использоваться в качестве усилительных устройств, например, для формирования обратного усилителя, повторителя напряжения и т. д. повторитель тока и т. д. Схема усилителя, состоящая из двух устройств, имеет свои особенности. Есть преимущества. Схема лампового усилителя МОS имеет высокий входной импеданс и низкий уровень шума, а схема триодного усилителя имеет сильную способность усиления. В практических приложениях эти два часто используются в сочетании.

Трехполюсный метод оценки МОS-трубки

Три полюса МОS-трубки: G (затвор), D (сток), S (исток).Напряжение между затвором и истоком должно быть больше определенного значения, прежде чем сток и исток смогут включиться.

1) Определить ворота G

Драйвер МОS в основном играет роль формирования сигнала и улучшения управления: если форма сигнала G МОS-трубки недостаточно крутая, это приведет к большим потерям мощности на этапе переключения. Побочным эффектом является уменьшение схемы. эффективность преобразования.МОS-трубка будет иметь серьезную лихорадку, а МОS-трубка GS будет легко повреждена от тепла.Между ними существует определенная емкость.Если способность управления сигналом G недостаточна, это серьезно повлияет на время скачка сигнала.

Закоротите полюс G-S, выберите уровень R×1 мультиметра, подключите черный измерительный провод к полюсу S, а красный измерительный провод к полюсу D. Сопротивление должно составлять от нескольких Ом до более десяти Ом. Если обнаруживается, что сопротивление определенного контакта и двух его контактов бесконечно и остается бесконечным после замены измерительных проводов, подтверждается, что этот контакт является полюсом G, поскольку он изолирован от двух других контактов.

2) Определить источник S и сток D.

Установите мультиметр на R×1k и измерьте сопротивление между тремя контактами соответственно. Используйте метод замены измерительного провода, чтобы дважды измерить сопротивление. Тот, у которого меньшее значение сопротивления (обычно от нескольких тысяч Ом до более чем десяти тысяч Ом), является прямым сопротивлением. В это время черный измерительный провод - это S-полюс, а красный измерительный провод подключен к полюсу D. Из-за различных условий испытаний измеренное значение RDS(on) выше типичного значения, указанного в руководстве.

3) Измерьте сопротивление RDS во включенном состоянии сток-исток.

Между истоком и стоком имеется PN-переход, поэтому полюс S и полюс D можно идентифицировать по разнице в прямом и обратном сопротивлении PN-перехода. Например, при использовании шкалы R×1 мультиметра типа 500 для измерения трубки VMOS IRFPC50 RDS (вкл.) = 3,2 Вт, что превышает 0,58 Вт (типичное значение).

Этапы тестирования:

Обнаружение МОS-трубок в основном предназначено для определения утечки, короткого замыкания, обрыва цепи и усиления МОS-трубок.

Шаги следующие:

Если значение сопротивления не измерено, в трубке МОS есть утечка.

1. Удалите резистор, соединяющий затвор и исток. Красно-черная ручка мультиметра останется неизменной. Если стрелка медленно возвращается к высокому сопротивлению или бесконечному значению после удаления резистора, трубка МОS протекает. Если она остается неизменной, он цел.

2. Затем провод соединяет затвор и исток трубки МОS. Если указатель немедленно возвращается к бесконечности, МОS исправен.

3. Подключите красную ручку к истоку S МОS, а черную ручку к стоку трубки МОS. Хороший индикатор должен быть бесконечностью.

4. Подключите резистор 100–200 кОм к затвору и стоку, затем подключите красную ручку к истоку S MOS, а черную ручку к стоку трубки MOS. В это время значение, указанное стрелкой, равно нормально. равно 0. В это время заряд заряжает затвор МОS-трубки через этот резистор, создавая электрическое поле затвора. Поскольку электрическое поле создает проводящий канал, сток и исток соединены, поэтому стрелка мультиметра отклоняется на Большой угол отклонения.Тем лучше производительность разгрузки.

Разница между МОS-лампой и триодом

Полное название триода — полупроводниковый триод, его основная функция — усиление крошечных сигналов. МОS-лампы и триоды имеют много общего, но и много различий.

Во-первых, это разница в скорости переключения. Когда транзистор работает, оба PN-перехода будут индуцировать заряды. Когда трубка переключателя находится в проводящем состоянии, транзистор находится в состоянии насыщения. Если предположить, что транзистор в это время выключен, заряд, индуцированный PN-переходом, будет вернуться в сбалансированное состояние.Этот процесс требует времени. MOS, с другой стороны, не требует времени на восстановление из-за различных методов работы, поэтому его можно использовать в качестве высокоскоростной переключающей трубки.

Во-вторых, методы контроля разные. МОS-лампы являются компонентами управления напряжением, а транзисторы — компонентами управления током. Когда от источника сигнала можно брать только небольшой ток, следует выбрать МОS-лампу; а когда напряжение сигнала низкое и от источника сигнала можно брать большой ток, следует использовать триод. использоваться.

Затем существует разница в количестве видов носителей. Униполярные устройства, упомянутые в технологии силовой электроники, относятся к устройствам, которые используют только один тип носителя для проведения электричества, тогда как биполярные устройства относятся к устройствам, которые используют два типа носителей для проведения электричества. В МОS-лампах для проведения электричества используется только один тип основных носителей, поэтому их еще называют униполярными устройствами; в то время как в транзисторах для проведения электричества используются как основные, так и неосновные носители; они являются биполярными устройствами.

В-третьих, разница в гибкости. Исток и сток некоторых МОS-ламп можно использовать взаимозаменяемо, а напряжение затвора может быть положительным или отрицательным, что более гибко, чем у триодов.

Четвертое — разница в возможностях интеграции. МОS-трубки могут работать в условиях очень низкого тока и низкого напряжения, а процесс их производства позволяет легко интегрировать множество МОS-трубок на одном кремниевом чипе.Поэтому МОS-трубки широко используются в широком спектре интегральных схем.

В-пятых, входное сопротивление и шумовые возможности различны. МОS-лампы обладают такими преимуществами, как высокое входное сопротивление и низкий уровень шума, и широко используются в различных электронных устройствах. В частности, использование МОS-ламп в качестве входного каскада всего электронного устройства позволяет добиться производительности, которую трудно достичь с помощью обычных триодов.

Наконец, энергопотребление отличается. При тех же обстоятельствах при использовании МОS-ламп энергопотребление невелико, при использовании транзисторов энергопотребление значительно выше.

Конечно, с точки зрения стоимости использования МОS-трубки выше, чем триоды, поэтому по характеристикам двух компонентов МОS-трубки часто используются в высокочастотных и высокоскоростных цепях, в местах с сильным током и в центральных зонах. которые чувствительны к токам управления базой или стоком; Транзисторы используются в недорогих местах, а МОS-трубки будут рассматриваться для замены только тогда, когда эффект не может быть достигнут.