МОП-структура

МОП-структура (металл — оксид — полупроводник) — наиболее широко используемый тип полевых транзисторов. Структура состоит из металла и полупроводника, разделённых слоем оксида кремния SiO₂. В общем случае структуру называют МДП (металл — диэлектрик — полупроводник).

Транзисторы на основе МОП-структур называют полевыми, или МОП-транзисторами (англ. metall-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET).

Транзисторы на основе МОП-структур, в отличие от биполярных, управляются напряжением, а не током и называются униполярными транзисторами, так как для их работы необходимо наличие носителей заряда только одного типа.

Базовая классификация

Тип канала

Наиболее распространены транзисторы с индуцированным каналом (англ. enhancement mode transistor): у них канал закрыт при нулевом напряжении исток-затвор. Именно их имеют в виду, когда не упоминают тип канала.

Гораздо реже встречаются транзисторы со встроенным каналом (англ. depletion mode transistor): у них канал открыт при нулевом напряжении исток-затвор.

Тип проводимости

Существует два типа проводимости канала: n-канальные и p-канальные. Тип проводимости определяется типом носителя заряда в канале: электрон либо "дырка".

Если транзистор n-канальный:

• он открывается положительным напряжением на затворе по отношению к истоку.
• паразитный диод в структуре канала катодом подсоединен к стоку, анодом — к истоку.
• канал обычно подсоединяют так, что на стоке более положительное напряжение, чем на истоке.

Если транзистор p-канальный:

• он открывается отрицательным напряжением на затворе по отношению к истоку.
• паразитный диод в структуре канала анодом подсоединен к стоку, катодом — к истоку.
• канал обычно подсоединяют так, что на стоке более отрицательное напряжение, чем на истоке.

Особые случаи

Существуют транзисторы с несколькими затворами.

Некоторые виды мощных переключательных транзисторов снабжаются специальным отводом от части канала с целью контроля тока через транзистор. Такой прием позволяет избежать дополнительных потерь на внешних токоизмерительных шунтах.

Условные графические обозначения

		P-канал
		N-канал
Индуцированный канал	Встроенный канал

G-ЗАТВОР S-ИСТОК D-СТОК

Хотя формально разделение индуцированного и встроенного каналов предусмотрено на условном графическом обозначении, на практике оно довольно часто не соблюдается.

Особенности работы МОП транзисторов

Вольт-амперная характеристика изменения тока стока в зависимости от изменения напряжения на входе.

В униполярных транзисторах управляющим сигналом является разность потенциалов на участке затвор-исток.

$I_c = I_u\,$

$I_3\to 0\,$

При изменении входного напряжения ($U_{3u}\,$) изменяется состояние транзистора и $I_c\,$

1. Транзистор закрыт $U_{3u} < U_{nop}\,, I_c=0\,$
2. Крутой участок. $U_{3u} > U_{nop}\,$

   $I_c=K_n[(U_{3u}-U_{nop})U_{cu} - \frac{U_{cu}^2}{2}]\,$

   $K_n\,$ — удельная крутизна характеристики транзистора.

3. Дальнейшее увеличение $U_{3u}\,$ приводит к переходу на пологий участок.

   $I_c=\frac{K_n}{2}[U_{3u}-U_{nop}]^2\,$ — Уравнение Ховстайна.

Ссылки

• Принципы работы мощных MOSFET- и IGBT-транзисторов
• Терещук Д. С. Логическое моделирование СБИС на переключательном уровне
• Егоров А. Применение MOSFET-транзисторов NXP Semiconductors в электронике

Замечания

При подключении мощных MOSFET-транзисторов (особенно работающих на высоких частотах на пределе своих возможностей) используется стандартная обвязка транзистора:

1) RC-цепочка (снаббер), включённая параллельно истоку-стоку, для подавления высокочастотных колебаний и мощных импульсов тока, возникающих при переключении транзистора из-за индуктивности подводящих шин. Высокочастотные колебания и импульсные токи увеличивают нагрев транзистора и могут вывести его из строя.

2) Быстрый защитный диод, включённый параллельно истоку-стоку (обратное включение), для шунтирования импульса тока, образующегося при отключении индуктивной нагрузки.

3) Если транзисторы работают в мостовой или полумостовой схеме на высокой частоте (сварочные инверторы, индукционные нагреватели, импульсные источники питания), то помимо защитного диода в цепь стока встречно включается диод Шоттки для блокирования паразитного диода. Паразитный диод имеет большое время запирания, что может привести к сквозным токам.

3) Резистор, включённый между истоком и затвором, для сброса заряда с затвора. Затвор удерживает электрический заряд и после снятия управляющего сигнала MOSFET-транзистор может не закрыться (или закрыться частично, что приведёт к повышению его сопротивления, нагреву и выходу из строя). Величина резистора подбирается таким образом, чтобы не мешать управлению транзистором, но в то же время как можно быстрее сбрасывать электрический заряд с затвора.

4) Резистор, включённый в цепь затвора, для уменьшения тока заряда затвора. Затвор мощного полевого транзистора обладает достаточно высокой ёмкостью, представляет из себя фактически конденсатор ёмкостью несколько десятков нФ, что приводит к значительным импульсным токам в момент зарядки затвора (единицы ампер). Большие импульсные токи могут повредить схему управления.

5) Управление мощным MOSFET-транзистором на высоких частотах осуществляют с помощью драйвера - специальной микросхемы, усиливающей управляющий сигнал и обеспечивающей большой импульсный ток для быстрой зарядки затвора транзистора. Это увеличивает скорость работы транзистора.