к.т.н., Сапа Владимир Юрьевич

Костанайский государственный университет им. А. Байтурсынова, Казахстан

Мощные полевые транзисторы и их использование в импульсной технике

Полевые транзисторы сегодня широко используются во всех областях электронной техники: в усилителях, передающих устройствах, приемниках, аналоговых и цифровых микросхемах. Создано много разновидностей полевых транзисторов, разработана теоретическая расчетная база. Чем принципиально MOSFET отличается от биполярного транзистора? Биполярный транзистор – токовый прибор. То есть управление им осуществляется при помощи тока, подаваемого в базу. Полевой транзистор внешне очень похож на транзистор биполярный. Он имеет три электрода, такой же корпус, однако уже само название электродов говорит о том, что это другой тип силового прибора. Управление транзистором осуществляется через затвор, который намеренно изолирован от силового р-n перехода тонким слоем окисла, следовательно, сопротивление постоянному току цепи управления очень велико. Условное обозначение транзисторов MOSFET показано на рисунке 1. Полевой транзистор не токовый, а потенциальный прибор [1, 2].

Рисунок 1 – Условное обозначение транзисторов MOSFET

Первое преимущество полевого транзистора – это управление не током, а напряжением, что значительно упрощает схему и снижает затрачиваемую на управление мощность.

Второе преимущество полевого транзистора заключается в том, что в полевых транзисторах нет неосновных носителей, поэтому они могут переключаться с гораздо более высокой скоростью. В биполярном транзисторе, помимо основных носителей тока, существуют также и неосновные, которые прибор «набирает», благодаря току базы. С наличием неосновных носителей связано время рассасывания, что в конечном итоге обуславливает задержку выключения транзистора.

Третье преимущество обусловлено повышенной теплоустойчивостью. Рост температуры полевого транзистора при подаче на него напряжения приведет, согласно закону Ома, к увеличению сопротивления открытого транзистора и, соответственно, к уменьшению тока. Поведение биполярного транзистора более сложно, повышение его температуры ведет к увеличению тока. Это означает, что биполярные транзисторы не являются термоустойчивыми приборами. В них может возникнуть очень опасный саморазогрев, который легко выводит транзистор из строя. Термоустойчивость полевого транзистора помогает разработчику при параллельном соединении приборов для увеличения нагрузочной способности. Можно включать параллельно достаточно большое число MOSFETов без выравнивающих резисторов в силовых цепях и при этом не опасаться рассимметрирования токов, что очень опасно для биполярных транзисторов.

Последнее преимущество полевого транзистора связано с его тепловыми свойствами – полное отсутствие вторичного пробоя. Это преимущество позволяет эффективнее использовать полевой транзистор по передаваемой мощности. На рисунке 2 обозначены области безопасной работы мощного биполярного и полевого транзисторов, максимальные токи и напряжения которых выбраны примерно одинаковыми [1, 2, 3].

Не следует думать, что полевой транзистор является идеальным ключевым прибором. Это далеко не так. Правильное применение полевых транзисторов имеет свои особенности, которые разработчик обязан хорошо знать.

Рисунок 2 – Сравнительная характеристика областей безопасной работы полевого и биполярного транзисторов

Во-первых, полевой транзистор в открытом состоянии имеет, пусть небольшое, но все же, активное сопротивление. Это сопротивление мало только у транзисторов с допустимым напряжением «сток-исток» не более 250…300 В, то есть составляет десятки миллиом. Далее, с повышением допустимого напряжения «сток-исток», наблюдается значительный рост сопротивления в открытом состоянии. Это обстоятельство заставляет разработчика соединять приборы параллельно, ограничивать мощность, приходящуюся на один транзистор, то есть работать «с недогрузкой», тщательно прорабатывать тепловой режим.

Второй недостаток полевого транзистора связан с технологией его изготовления. До настоящего времени технологически не удастся изготовить мощный полевой транзистор без некоторых паразитных элементов, одним из которых является паразитный биполярный транзистор, который показан на рисунке 3.

Рисунок 3 – Паразитные элементы в составе полевого транзистора

Паразитный биполярный транзистор оказывается включенным параллельно силовым электродам полезного полевого транзистора. База биполярного транзистора подключена к технологическому основанию, на котором расположен р-n переход (называется это основание подложкой). Между подложкой и истоком есть некоторое омическое сопротивление R, между подложкой и стоком – паразитный конденсатор С*. Ёмкость этого конденсатора, к счастью, невелика. Для включения паразитного транзистора может оказаться достаточным быстрый спад или рост напряжения «сток-исток». Для обеспечения нормальной работы полевого транзистора необходимо исключить паразитный транзистор. Подключив на стадии изготовления технологической проводящей перемычкой подложку к истоку, значительно ослабляется влияние этого элемента. Данная связь отражена в условном обозначении MOSFET стрелочкой. Таким простым методом гарантированно исключается опасность неконтролируемого поведения паразитного элемента.

К сожалению, вред от наличия паразитного элемента полностью исключить не удается. В результате подключения подложки к истоку в транзисторе появляется паразитный антипараллельный диод VD, образованный переходом «база-эмиттер». Параметры этого диода производители элементной базы стремятся контролировать, однако подавляющее большинство выпускаемых на сегодняшний день полевых транзисторов имеют диоды с достаточно большим временем обратного восстановления [1, 2, 3, 4].

Литература:

1. Семенов Б.Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов. М.: Изд. «Солон-Р», 2001.

2. Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. М.: Изд. Дом Додэка-XXI, 2001.

3. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. М.: Энергоатомиздат, 1992.

4. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1982.