MOSFET parazitní dioda, nebo ochranná? / Habr

Izolovaný tranzistor s hradlovým polem (IGFET, tranzistor s izolovaným hradlem a polním efektem), také známý jako tranzistor s polním efektem typu kov-oxid-polovodič (MOSFET) je typ tranzistoru s efektem pole. V dnešní době většina MOSFETů slouží jako součásti digitálních integrovaných obvodů. Pokud jde o diskrétní součástky, bipolární tranzistory jsou početnější než MOSFETy. Počet MOSFETů v integrovaném obvodu se může blížit stovkám milionů. Jednotlivé MOSFETy mají velikost řádu mikronu a každých 18 měsíců se zmenšují. Mnohem větší MOSFETy dokáží spínat proudy až 100 ampérů při nízkých napětích; některé pracují při napětí téměř 1000 voltů při nízkých proudech. Tato zařízení mohou zabírat až 1 centimetr čtvereční křemíku. MOSFETy našly širší uplatnění než konvenční tranzistory s efektem pole. Výkonové MOSFETy však nejsou tak široce používány jako bipolární tranzistory.

MOSFET má zdrojový, hradlový a odtokový vývody, stejně jako tranzistor s polním efektem. Hradlový vývod však není přímo připojen ke křemíku, na rozdíl od hradla v tranzistoru s polním efektem. Hradlo v MOSFETu je kovová vrstva nebo vrstva polykrystalického křemíku na izolantu z oxidu křemičitého. Hradlo je podobné kondenzátoru se strukturou kov-oxid-polovodič (MOS) znázorněný na obrázku níže. Po nabití desky kondenzátoru zaujmou polaritu odpovídajících pólů baterie. Spodní deska je z křemíku typu P, ze kterého jsou elektrony tlačeny záporným (-) pólem baterie směrem k oxidu a přitahovány kladným (+) horním pólem. Tento přebytek elektronů v blízkosti oxidu vytváří inverzní kanál pod vrstvou oxidu (inverzní znamená, že vodivost v této oblasti je určena koncentrací minoritních nosičů náboje v polovodiči). Tento kanál je také doprovázen oblastí ochuzení, která kanál izoluje od zbytku křemíkového substrátu.

Na obrázku níže (a) je MOSFET kondenzátor umístěn mezi dvojicí difuzních oblastí typu N v substrátu typu P. Pokud v kondenzátoru není žádný náboj, tj. žádné předpětí na hradle, difuzní oblasti typu N, zdroj a odtok zůstávají od sebe navzájem izolované.

Kladné předpětí přivedené na hradlo nabíjí kondenzátor (hradlo). Hradlo nad oxidovou vrstvou se kladně nabije baterií předpětí hradla. Substrát typu P pod hradlem se nabije záporně. Pod oxidovou vrstvou hradla se vytvoří inverzní oblast s přebytkem elektronů. Tato oblast nyní spojuje oblasti typu N zdroje a odtoku a vytváří tak spojitou oblast N od zdroje k odtoku. MOSFET je tedy, stejně jako konvenční tranzistor s polním efektem, unipolární součástka. Jeden typ nosiče náboje je zodpovědný za vedení. Toto je příklad MOSFETu s N-kanálovým kanálem. Když je mezi zdroj a odtok přivedeno napětí, může mezi těmito svorkami protékat velký proud. Praktický obvod by měl zátěž zapojenou sériově s baterií odtoku, jak je znázorněno na obrázku výše (b).

MOSFET tranzistor zobrazený na obrázku výše je známý jako MOSFET tranzistor pracující v režim obohaceníNevodivý, mimokanálový úsek se zapne obohacením kanálu pod hradlem při aplikaci předpětí. Toto je nejběžnější typ zařízení. Jiný typ MOSFET tranzistoru zde není popsán. Podrobnosti o zařízení pracujícím v štíhlý režim, viz kapitola 6 o tranzistorech s polním efektem a izolovanou hradlou.

MOSFET, stejně jako jednoduchý tranzistor s polním efektem, je napěťově řízené zařízení. Vstupní napětí na hradle řídí tok proudu ze zdroje do odtoku. Hradlo nevede proud nepřetržitě. Hradlo však vede krátce, když je kapacita hradla nabita.

Průřez N-kanálovým diskrétním MOSFETem je znázorněn na obrázku níže (a). Diskrétní součástky jsou obvykle optimalizovány pro spínání vysokého výkonu. N+ znamená, že zdroj a odtok jsou silně dopované oblasti typu N. To minimalizuje odporové ztráty v cestě vysokého proudu od zdroje k odtoku. N- znamená lehké dopování. Oblast typu P pod hradlem, mezi zdrojem a odtokem, lze invertovat aplikací kladného předpětí. Dopovací profil může mít hadovitý obrys napříč průřezem křemíkového čipu. To výrazně zvětšuje plochu a tím i množství proudu, které součástka zvládne.

Symbol MOSFETu na obrázku výše (b) znázorňuje „plovoucí“ hradlo, což značí, že neexistuje přímé spojení s křemíkovým substrátem. Tečkovaná čára od zdroje k odtoku ukazuje, že součástka je vypnutá, nevede a na hradle je nulové předpětí. Normálně „vypnutý“ MOSFET je součástka s vylepšeným režimem. „Indikační“ (Pšipka substrátu odpovídá materiálu typu P, který ukazuje na kanál typu N, „ne směřuje“ (N(směřující na) konec. Toto je symbol pro N-kanálový MOSFET. U P-kanálového zařízení šipka ukazuje opačným směrem (není znázorněno). MOSFETy jsou čtyřpólové zařízení: zdroj, hradlo, odtok a substrát. U diskrétního MOSFETu je substrát připojen ke zdroji, což z něj činí třípólové pouzdro. U MOSFETů, které jsou součástí integrovaného obvodu, je substrát společný pro všechna zařízení, pokud nejsou záměrně izolována. Toto společné připojení lze vyvést z čipu a připojit k zemi nebo ke zdroji předpětí.

V-MOS Zařízení (na obrázku výše) je pokročilý výkonový MOSFET tranzistor s dopingovým profilem, který má za následek nižší odpor v sepnutém stavu mezi zdrojem a odtokem. Tranzistor VMOS dostal svůj název podle hradlové oblasti ve tvaru V, která zvětšuje plochu průřezu kanálu zdroj-odtok. To minimalizuje ztráty a umožňuje spínání vyššího výkonu. Varianta UMOS tohoto typu tranzistoru, která používá drážku ve tvaru U, je opakovatelnější, což ji činí vhodnější pro výrobu.

Shrnout

• MOSFET tranzistory jsou unipolární součástky, jejichž vodivost je způsobena jedním typem nosiče náboje, podobně jako jednoduché tranzistory s polním efektem, ale liší se v tom od bipolárních tranzistorů.
• MOSFET je napěťově řízené zařízení, podobně jako jednoduchý tranzistor s polním efektem. Vstupní napětí na hradle řídí proud mezi zdrojem a odtokem.
• Hradlo MOSFET tranzistoru nevede žádný trvalý proud kromě svodového proudu. Pro počáteční nabití kapacity hradla je však zapotřebí značný proudový impuls.

MOSFET (metal-oxid-polovodičový polní tranzistor) je tranzistor využívající technologii polního efektu metal-oxid-polovodič. Tento typ tranzistoru s jistotou vstoupil do používání ve všech oblastech použití jako nejúčinnější řešení mnoha problémů. Pravděpodobně víte, že se používá jako klíč ve výkonové elektronice, a to nejen v „čisté“ podobě, ale také jako součást IGB tranzistorů. Zejména ve výpočetní technice jsou všechny napájecí obvody postaveny na bázi MOSFETů.

Článek se ale netýká samotného tranzistoru, na kterém je mnoho materiálů, ale jeho malé části – vestavěné diody, která se někdy nazývá ochranná a někdy parazitní. Tato dioda je typická pro nejběžnější tranzistory s indukovaným kanálem (tranzistory s vestavěným kanálem jsou tak vzácné, že jsem kdysi hledal příklad jejich existence v природе v prodeji několik dní).

Původní podstata této diody spočívá ve vnitřní struktuře samotného tranzistoru. Má oblasti s různou vodivostí, což lze považovat za normální bipolární tranzistor, který se zase skládá ze dvou diod. V tomto případě lze diodu ve „správném“ směru ignorovat – odpor indukovaného kanálu je mnohem menší než odpor této diody a tou druhou bude procházet minimální proud. Ale obrácená dioda, tady je – parazit!

Proč je tato dioda parazitní? Jde o to, že vede proud, i když je tranzistor zavřený. Přesněji řečeno, v rozsahu stavů, kdy je hlavní kanál již zavřený a téměř nevede proud. Pro návrháře obvodů je to velká bolest hlavy. Jedna radost – vede proud „špatným“ směrem, tj. během normálního provozu tranzistoru na něj prostě není přivedeno napětí „špatným“ směrem a je vždy zavřený.

Při spínání indukční zátěže, jako je relé, tlumivka nebo vinutí motoru, však vždy dochází k přepětí v zpětném směru, které je spojeno s vlastní indukční elektromotorickou silou, která se hromadí v magnetickém poli cívky (samostatné téma, pokud vůbec). To znamená, že tato dioda bude vést proud právě tohoto zpětného přepětí. V 99 % případů je to dobré a uhasí to parazitní impuls. Ale! Tato dioda má velmi „špatné“ vlastnosti – vysoký úbytek napětí na ní, a proto – vysoký odpor, což vede k vysokému zahřívání a zahřívání může vyvolat selhání tranzistoru. Samostatně je nutné poznamenat, že tato dioda není příliš tolerantní k vysokým napětím a přepětí v zpětném směru, když je procházející proud náhle odpojen, je vždy mnohem vyšší než jmenovité napájecí napětí této indukčnosti (na které jsou postaveny všechny zvyšující DC-DC měniče). Co dělat?

Vývojáři MOSFETů dlouho nepřemýšleli a dovnitř samotného tranzistoru nalepili další diodu, tentokrát však speciální „ochrannou“, která je umístěna ve stejném směru jako parazitní, ale již má docela slušné vlastnosti. Často se jedná o Schottkyho diodu, která má nízký úbytek napětí (nízký odpor). V datových listech MOSFETů jsou vždy uvedeny vlastnosti této diody. Z nich lze snadno určit, zda je dioda parazitní nebo ochranná. Pokud je úbytek napětí na ní vysoký (kolem jednoho voltu), je dioda parazitní, nízký (méně než půl voltu), je ochranná.

Ještě pár slov k „nesprávnému“ režimu fungování MOSFETu. Existují topologie, kde je nutné zapojit tranzistor tak, aby ochranná dioda pracovala v propustném směru. Například při přepínání dvou zdrojů napájení:

Zde je p-kanálový MOSFET zapojen tak, aby se na výstup TP5 nedostalo 4056 voltů napájení, což by vedlo k odpojení baterie od nabíjení (kvůli zvláštnostem topologie TP4056). Tento obvod má několik drobných nevýhod, ale o to teď nejde. Pokud pro realizaci tohoto obvodu zvolíte tranzistor s ochrannou diodou, pak bude vše fungovat podle očekávání. Pokud se ale dioda ukáže jako „parazitní“, je vysoká pravděpodobnost, že v okamžiku, kdy napětí na vstupu zdroje zmizí, dojde k „poklesu“ proudu, což povede k restartu vašeho Arduina, routeru nebo zařízení, které jste se snažili chránit před výpadkem napájení.

Proč se to může stát? — Napájení 5 voltů nezmizí okamžitě, protože na výstupu zdroje jsou kapacitní kondenzátory, což povede k plynulému poklesu napětí, když se tyto kondenzátory vybijí do zátěže. Podmínkou pro otevření p-kanálového MOSFETu je záporný potenciál na hradle (G) vzhledem ke zdroji (S). Pro různé tranzistory je odlišný (viz datasheet, parametr „Vgs(th)“), ale jde o to, že i když není příliš velký, můžeme se dostat do „mrtvé zóny“. Například Vgs(th) = -1.5V a napětí na zdroji již kleslo na dva volty a na výstupu TP4056 řekněme na 3.4V (baterie se ještě nestihly plně nabít). tj. rozdíl napětí je pouze 1.4 voltu, což nestačí k otevření tranzistoru a MT3608 v tomto případě již nebude schopen zajistit provoz zátěže, pokud nebude k dispozici dioda, která propustí proud „kolem“ tranzistoru. Pokud budeme mít „ochrannou“ diodu, bude fungovat správně – úbytek napětí na ní je malý a zátěž bude v pořádku, ale parazitní dioda „sežere“ pořádný volt z 3.4, na vstupu zesilovače (MT2.4) zůstane 3608V a ten s největší pravděpodobností již nebude schopen správně fungovat, i když je deklarováno, že pracuje od dvou voltů, ale s čistou zátěží to rozhodně neplatí – již při třech voltech takové zesilovače neudrží proud větší než 200 mA.

Doufám, že jsem vše srozumitelně vysvětlil/a a že vám to bylo užitečné.