Spis treści:
- 1 Historie tranzistoru
- 2 Struktura typického unipolárního tranzistoru
- 3 MOSFET - základní informace a konstrukce
- 4 Parametry tranzistorů MOSFET
- 5 Rozdíly - MOSFET versus bipolární tranzistor
- 6 Pozor! Příčiny poškození tranzistorů MOSFET
- 7 Kde použít unipolární tranzistory MOSFET?
- 8 Provozní podmínky tranzistoru
- 9 Když dojde k tranzistorovému vedení
- 10 Použití tranzistorů MOSFET
- 11 Nejoblíbenější tranzistory MOSFET
- 12 Unipolární tranzistory (MOSFET) – Často kladené dotazy
V unipolárním tranzistoru se proud řídí pomocí elektrického pole a základní součástí jeho konstrukce je polovodičový krystal spolu se dvěma diodami. Tyto tranzistory, nazývané také tranzistory s efektem pole, jsou polovodiče a řídí velikost proudu, který jimi protéká. Existuje několik typů a variant unipolárních tranzistorů, ale nejčastěji se používají tranzistory MOSFET. Jejich hlavním účelem je fungovat jako spínací klíč pro součástky, které spotřebovávají velký výkon.
Historie tranzistoru
Historie tranzistorů začala v roce 1925, kdy byl v několika zemích světa udělen první patent na toto zařízení. Zajímavé je, že původní návrh Julia Edgara Lilienfelda (polského fyzika židovského původu) byl tranzistor podobný strukturou tranzistorům typu MOSFET. Tento model však zůstal pouze ve fázi návrhu, a to především kvůli nedostatku technologických možností pro jeho výrobu. První řádně vyrobené tranzistory spatřily světlo světa až po roce 1950.
Struktura typického unipolárního tranzistoru
Pro začátek je vhodné seznámit se s přesnou strukturou unipolárního tranzistoru. Jeho hlavní součástí je dopovaný polovodičový krystal se dvěma elektrodami. Jednou z nich je zdroj, označovaný písmenem S, a druhou je odvod, označovaný písmenem D. Mezi těmito dvěma elektrodami je vytvořen tzv. kanál. Mezi těmito elektrodami je vytvořen tzv. kanál, kterým protéká proud. Podél kanálu se nachází třetí elektroda, hradlo, označené písmenem G (anglicky: gate).
MOSFET - základní informace a konstrukce
MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) je varianta unipolárního tranzistoru s největší popularitou. Je sestaven z několika základních prvků, které jsou specifické pouze pro toto zařízení. Patří k nim hradlo G, zdroj S, odtok D, substrát B a také pomocné části v podobě polovodiče P a izolantu nebo prostoru pro kanál N.
Na substrátu v podobě polovodičové destičky typu P nebo N jsou dvě oblasti N+ nebo P+, které díky vysokému dopování tvoří drain a source. Právě na ně jsou přivedeny kontakty. Mezi drainem a zdrojem je povrch polovodiče, který je pokryt vrstvou izolantu tenkou několik nanometrů. Hráz je tvořena kovem naprášeným na izolátor. Zajímavé je, že velký elektrostatický náboj (může dosahovat až několika desítek kilovoltů!) je schopen poškodit zařízení tím, že fyzicky propálí tenkou izolační vrstvu. Aby se tomu zabránilo, je mnoho elektronických tranzistorů MOS uloženo ve vodivých fóliích. Tento bezpečnostní prvek vždy zabraňuje přímému průniku statické elektřiny do obvodů.
V kanálu protéká proud mezi drainem a zdrojem a změna napětí na vedení source-gate je zodpovědná za jeho řízení. V elektronice se setkáváme se dvěma typy tranzistorů MOS: s obohaceným kanálem a s ochuzeným kanálem. Obohacený kanál, známý také jako indukovaný kanál, se vytvoří pouze tehdy, když napětí na linii hradlo-stroj překročí prahové napětí Ut. Naproti tomu u ochuzeného kanálu existuje kanál i tehdy, když je napětí na linii hradlo-zdroj nulové. MOSFETy jsou navíc velmi rychlé, zejména ve srovnání s bipolárními tranzistory, a to především díky tomu, že jevy, které v nich probíhají, jsou čistě elektrostatické.
Tranzistory MOSFET jsou polarizovány tak, že jedna nosná proudí ve směru od zdroje ke spádu, takže existují dva pracovní rozsahy: nasycený a nenasycený. Rozsah je určen napětím vyvinutým ve směru od zdroje ke stoce, a pokud je větší než saturační napětí, tranzistor je v nasyceném rozsahu.
Tranzistory s přechodovým polem
Tranzistory s přechodovým polem, známé také jako JFET, se vyznačují zcela odlišnou strukturou než tranzistory MOSFET. Skládají se z polovodiče typu N nebo P a dopované polovodičové vrstvy opačného typu (P+ a N+), čímž vzniká p-n přechod. Tři zakončení jsou vyvedena ven v podobě zdroje S, spádu D a hradla G. Polní tranzistor může díky svým vlastnostem pracovat ve třech rozsazích. Lineární, kde proud drainem závisí na napětí, a proto se chová jako rezistor. Nasycení, kdy proud drain závisí pouze na napětí na vedeních gate-source a napětí source-drain musí překročit určitou hodnotu, a lavinové násobení.
Tranzistory s přechodovým polem, známé také jako JFET, se vyznačují zcela odlišnou strukturou než tranzistory MOSFET. Skládají se z polovodiče typu N nebo P a dopované polovodičové vrstvy opačného typu (P+ a N+), čímž vzniká p-n přechod. Tři zakončení jsou vyvedena ven v podobě zdroje S, spádu D a hradla G. Polní tranzistor může díky svým vlastnostem pracovat ve třech rozsazích. Lineární, kde proud drainem závisí na napětí, a proto se chová jako rezistor. Nasycení, kdy proud drain závisí pouze na napětí na vedeních gate-source a napětí source-drain musí překročit určitou hodnotu, a lavinové násobení.
Tranzistory s izolovaným hradlem
U izolovaných modelů je hradlo od kanálu odděleno dielektrikem neboli izolační vrstvou. Tyto tranzistory se skládají ze tří elektrod, a to hradla G (někdy více než 1), odvodu D a zdroje S, a v některých případech také ze substrátu B v roli čtvrté elektrody. Polní tranzistory se velmi často používají jako rychlé spínače ve spínaných zdrojích, v integrovaných obvodech a také jako diskrétní součástky. Zajímavé je, že existují dva typy tranzistorů s izolovaným hradlem, které se liší technikou výroby. MISFET nebo MOSFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor nebo Metal Oxide Semiconductor Field Effect Insulator) je model vyrobený z monokrystalického vodiče s izolantem z oxidu křemičitého. Naproti tomu tranzistor s izolovaným hradlem TFT (Thin Film Transistor) je vyroben z polykrystalického polovodiče.
Parametry tranzistorů MOSFET
Každý tranzistor MOSFET je charakterizován řadou parametrů, které je třeba vzít v úvahu při výběru konkrétního modelu.
Mezi nejdůležitější z nich patří přípustné napětí drain-source, označované symbolem UDSmax. Příliš vysoká hodnota tohoto parametru může způsobit poruchy, které mohou vést k úplnému a nevratnému poškození tranzistoru.
Druhým parametrem, stejně důležitým a nezbytným, je maximální odtokový proud, označovaný symbolem IDmax. Pokud je proud v MOSFETu příliš vysoký, může se stát, že se spálí jeho struktura i vnitřní spoje.
Třetím parametrem je otevírací prahové napětí, které se symbolizuje jako UGSth a je poměrně snadno pochopitelné. Je to napětí hradlo-zdroj, při kterém se tranzistor začíná otevírat, tj. když proud odtoku nabývá hodnoty 1 mA. Lze tedy předpokládat, že pro napětí na hradle menší než UGSth zůstává tranzistor zcela uzavřen, tj. drainem neprotéká žádný proud, a odpor je velmi vysoký. S postupným zvyšováním napětí se odpor snižuje a tranzistor se začíná stále více otevírat. Tento jev souvisí se čtvrtým parametrem označeným RDSon, což je odpor mezi drainem a zdrojem.
Z analýzy výše popsaných parametrů lze odvodit, že nejlepší model MOSFETu by měl mít co nejvyšší napětí UDSmax a zároveň co nejnižší odpor RDSon.
Tři klíčové parametry
Každý tranzistor MOSFET je charakterizován řadou parametrů, které je třeba vzít v úvahu při výběru konkrétního modelu.
Mezi nejdůležitější z nich patří přípustné napětí drain-source, označované symbolem UDSmax. Zbyt duża wartość tego parametru może spowodować przebicia, które mogą doprowadzić do całkowitego i nieodwracalnego uszkodzenia tranzystora.
Druhým parametrem, stejně důležitým a nezbytným, je maximální odtokový proud, označovaný symbolem IDmax. Pokud je proud v MOSFETu příliš vysoký, může se stát, že se spálí jeho struktura i vnitřní spoje.
Třetím parametrem je otevírací prahové napětí, které se symbolizuje jako UGSth a je poměrně snadno pochopitelné. Je to napětí hradlo-zdroj, při kterém se tranzistor začíná otevírat, tj. když proud odtoku nabývá hodnoty 1 mA. Lze tedy předpokládat, že pro napětí na hradle menší než UGSth zůstává tranzistor zcela uzavřen, tj. drainem neprotéká žádný proud, a odpor je velmi vysoký. S postupným zvyšováním napětí se odpor snižuje a tranzistor se začíná stále více otevírat. Tento jev souvisí se čtvrtým parametrem označeným RDSon, což je odpor mezi drainem a zdrojem.
Z analýzy výše popsaných parametrů lze odvodit, že nejlepší model MOSFETu by měl mít co nejvyšší napětí UDSmax a zároveň co nejnižší odpor RDSon.
Rozdíly - MOSFET versus bipolární tranzistor
Je třeba vědět, že popsané tranzistory MOSFET se od bipolárních tranzistorů liší jednou vlastností, a sice tím, že u nich s rostoucí teplotou roste i kolektorový proud, což může znemožnit přímé paralelní zapojení několika tranzistorů. V takovém případě bude nutné použít vyvažovací rezistory v emitoru, protože bez toho budou jednotlivé tranzistory při velkém zatížení postupně vyhořívat, což povede k jejich úplnému a nevratnému poškození.
Pozor! Příčiny poškození tranzistorů MOSFET
Tranzistory MOSFET (unipolární) jsou vzhledem ke své technické konstrukci velmi citlivé na elektrostatický náboj, což je opak velmi odolných bipolárních tranzistorů. Maximální napětí UGS se u většiny modelů obvykle pohybuje kolem 20 V, což znamená, že může být snadno překročeno bez jakéhokoli povědomí, a to i dotykem tranzistoru ve zcela suché místnosti. Tranzistory se z nějakého důvodu skladují v antistatických sáčcích, někdy také v černé vodivé houbě.
Kde použít unipolární tranzistory MOSFET?
Podívejme se, v jakých situacích budou MOSFETy fungovat nejlépe. Zaprvé záleží na napájení. MOSFETy fungují nejlépe, když jsou napájeny velmi nízkým napětím. Jejich konstrukce jim to umožňuje – ke své činnosti potřebují napětí pouze 0,7 V, při kterém však unipolární tranzistor ještě nebude zcela otevřený.
Protože ovladač může přivádět vysoký potenciál pouze do tranzistoru MOSFET, nikoliv samotný proud, budou tato zařízení nejlépe fungovat pro řízení zátěží odebírajících mnoho ampérů. K úplnému otevření tranzistoru je třeba přiložit napětí několikanásobně vyšší (tzv. zapínací napětí), než je prahové napětí, které se pak přiloží mezi hradlo a zdroj. Unipolární tranzistory se skvěle hodí pro konstrukce, kde záleží na odběru proudu, protože v některých obvodech napájených z baterie může odběr proudu o několik mikrometrů znamenat obrovský rozdíl. V tranzistoru MOSFET je uloženo přibližně 0,2 V pevného napětí, které se však u výkonných modelů někdy mnohonásobně zvyšuje. Toto napětí je uloženo mezi kolektorem a emitorem a v tomto okamžiku je tranzistor MOSFET plně nasycen. Úbytek napětí na tomto typu tranzistoru závisí na protékajícím proudu, protože jejich charakteristikou je pouze odpor otevřeného kanálu.
Provozní podmínky tranzistoru
Podmínky pro správnou funkci tranzistoru jsou obecně omezeny různými faktory. Za zmínku stojí přípustné kolektorové napětí a proud a také maximální ztrátový výkon, jehož překročení může vést k vyhoření tranzistoru. Neméně důležitý je však i jev tzv. druhého průrazu, který se u tranzistorů MOSFET nevyskytuje. Jejich trvanlivost znamená, že mohou pracovat v náročných podmínkách a mají vysokou odolnost proti poškození.
Když dojde k tranzistorovému vedení
Mnoho lidí se ptá, kdy začíná vedení proudu – jaké musí být napětí na hradle a zdroji, aby k tomuto jevu došlo? Rozhodujícím parametrem je v tomto případě prahové napětí označované symbolem UT. Výrobci tranzistorů tento parametr udávají vždy při pevně daném proudu na odtoku, který se označuje jako ID. Na základě této informace můžeme usuzovat, že proud začne téct, ale nemůžeme si to úplně přiblížit. Proč? Inu, každá firma vyrábějící tranzistory definuje prahové napětí jiným způsobem.
Použití tranzistorů MOSFET
Použití tranzistorů MOSFET je velmi široké, ale nejčastěji se používají jako zesilovače nebo spínače pro regulaci napětí, protože mají velmi nízkou spotřebu energie. Jejich výhodou při takovém použití je absence odběru proudu hradlem a nízký odpor otevřeného kanálu, což se projevuje mnohem nižšími ztrátami. Kromě toho se tranzistory MOSFET doporučují také pro nízkonapěťové obvody. Neméně typickou oblastí použití popsaných prvků jsou mikroprocesory, paměti a také hradla CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), což je technologie výroby integrovaných obvodů.
Použití tranzistorů MOSFET je velmi široké, ale nejčastěji se tyto prvky používají jako zesilovače nebo spínače pro regulaci napětí, protože mají velmi nízké energetické nároky. Jejich výhodou při takovém použití je absence spotřeby proudu hradlem a nízký odpor otevřeného kanálu, což se projevuje mnohem nižšími ztrátami. Kromě toho se tranzistory MOSFET doporučují také pro nízkonapěťové obvody. Neméně typickou oblastí použití popsaných prvků jsou mikroprocesory, paměti a také hradla CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), což je technologie výroby integrovaných obvodů.
Zajímavé je, že tranzistory MOSFET lze použít jak ke spínání LED diod, které vyžadují jen několik miliampér, tak i k řízení motorů pracujících s vyšším napětím, které navíc odebírají mnohem větší proud. To však není vše. Tranzistory MOSFET se používají také při konstrukci frekvenčních měničů a pro obvody generátorů napětí, kde slouží jako potenciometry řízené napětím. Je to proto, že unipolární tranzistory se dokáží chovat jako napěťově řízené rezistory. Kromě toho jsou tyto prvky ideální jako zdroje konstantního proudu, takže je lze použít v rádiových systémech a silnoproudých sítích. Díky své vysoké impedanci a rychlosti spínání se tranzistory MOSFET ideálně hodí do oblasti digitální elektroniky.
Použití tranzistorů MOSFET je velmi široké, ale nejčastěji se tyto prvky používají jako zesilovače nebo spínače pro regulaci napětí, protože mají velmi nízké energetické nároky. Jejich výhodou při takovém použití je absence spotřeby proudu hradlem a nízký odpor otevřeného kanálu, což se projevuje mnohem nižšími ztrátami. Kromě toho se tranzistory MOSFET doporučují také pro nízkonapěťové obvody. Neméně typickou oblastí použití popsaných prvků jsou mikroprocesory, paměti a také hradla CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), což je technologie výroby integrovaných obvodů.
Zajímavé je, že tranzistory MOSFET lze použít jak ke spínání LED diod, které vyžadují jen několik miliampér, tak i k řízení motorů pracujících s vyšším napětím, které navíc odebírají mnohem větší proud. To však není vše. Tranzistory MOSFET se používají také při konstrukci frekvenčních měničů a pro obvody generátorů napětí, kde slouží jako potenciometry řízené napětím. Je to proto, že unipolární tranzistory se dokáží chovat jako napěťově řízené rezistory. Kromě toho jsou tyto prvky ideální jako zdroje konstantního proudu, takže je lze použít v rádiových systémech a silnoproudých sítích. Díky své vysoké impedanci a rychlosti spínání se tranzistory MOSFET ideálně hodí do oblasti digitální elektroniky.
Nejoblíbenější tranzistory MOSFET
Na trhu je široká škála různých typů tranzistorů MOSFET, z nichž nejoblíbenější jsou modely IRFZ44N, IRL2703 a BSS123. Každý z nich má své přednosti, které stojí za to prozkoumat, aby bylo možné vybrat variantu dokonale vyhovující individuálním potřebám.
Tranzistor MOSFET IRFZ44N
V případě mosfetového tranzistoru IRFZ44N je největší výhodou nízký odpor otevřeného kanálu 17,5 mΩ a schopnost vést vysoký proud, až 49 A. Slabinou tohoto modelu je však poměrně vysoké prahové napětí, proto se doporučuje řídit jej vyšším napětím (12 V).
Tranzistor MOSFET IRL2703
Tranzistor MOSFET IRL2703 je slabší než výše uvedený model, protože jeho maximální proud na odtoku je 24 A, ale má vyšší odpor otevřeného kanálu 40 mΩ. Tato varianta má navíc prahové napětí přibližně 1V, takže ji lze ovládat přímo z mikrokontroléru napájeného napětím 5V.
Tranzistor MOSFET BSS123
BSS123 má odpor otevřeného kanálu 10 Ω (napětí mezi hradlem a zdrojem), maximální proud odtoku je 170 mA. Tranzistor je k dispozici v malém plochém pouzdře SMD (Surface Mount Device) pro povrchovou montáž s pájecími koncovkami po stranách.
Shrnutí
Unipolární tranzistory MOSFET jsou skupinou velmi praktických součástek, které se rozhodně vyplatí používat. Jejich silnou stránkou je vysoká odolnost a nenáchylnost k poškození, díky čemuž zaručují efektivní provoz ve většině případů, a to i v náročných a obtížných provozních podmínkách. V případě výkonových tranzistorů MOSFET je poškození způsobené statickým nábojem velmi vzácné. V případě malých tranzistorů MOSFET je naopak třeba mít na paměti, že se jedná o poměrně choulostivá zařízení, která se snadno poškodí, takže je vhodné s nimi zacházet opatrně a především je správně skladovat. Nejlepší je použít černou vodivou houbu. Před jejich instalací je důležité uzemnit pracovní stanici i hrot páječky a také vybít své tělo. Taková velká opatrnost jistě zabrání případnému poškození. Dále je nejdůležitější fakt, že tranzistory MOSFET patří do obvodů, ve kterých protékající proud závisí na hodnotě napětí, které je na ně přivedeno, protože tyto prvky prakticky neodebírají proud z řídicího zdroje.
Ve výše uvedeném článku jsme se snažili uvést všechny informace, které potřebuje každý elektronik ke správnému použití tranzistorů MOSFET. Poznatky o jejich specifických vlastnostech budou jistě užitečné pro každého zájemce, protože jak kutilové, tak konstruktéři mohou tranzistory MOSFET použít jako spínače pro řízení napětí prakticky ve většině druhů zařízení nebo strojů.
