Budowa tranzystora MOSFET

Tranzystor MOSFET jest – jak wskazuje angielska nazwa, opisująca dosyć pobieżnie jego budowę – tranzystorem polowym, w którego strukturze oprócz półprzewodnika wykorzystano tlenek metalu. W odróżnieniu od elementów, które omawialiśmy wcześniej (NPN, a także tranzystorów polowych), w tranzystorach MOSFET zastosowane zostały bowiem nie tylko trzy obszary półprzewodnika (np. dwa obszary N i obszar typu P), ale także warstwa izolatora – czyli właśnie tlenku metalu. Stanowi on swego rodzaju dielektryk pomiędzy obszarem półprzewodnika a podłączeniem elektrody sterującej tranzystorem. Elektrody czy też wyprowadzenia tranzystorów MOSFET otrzymały zresztą własne nazwy: źródło, dren i bramka. Źródło jest w pewnym sensie odpowiednikiem emitera w tranzystorach bipolarnych, dren możemy uznać za odpowiednik kolektora, natomiast bramkę – za odpowiednik bazy.

Jednoznacznej analogii przeprowadzić się tu nie da, ponieważ elektrody w MOSFET-ach pełnią nieco inną funkcję. W przeciwieństwie do bazy tranzystorów bipolarnych przez bramkę tranzystora MOSFET nie płynie w stanie ustalonym żaden prąd. Można sobie wyobrazić, że warstwa tlenku metalu, która oddziela bramkę od struktury półprzewodnikowej, jest niejako dielektrykiem kondensatora, a jak wiemy – prąd stały nie jest w stanie płynąć przez kondensator. Krótkie impulsy prądowe mogą natomiast z powodzeniem przepływać przez bramkę w przypadku sterowania impulsowego, np. w układach wykorzystujących tak zwaną modulację PWM. Dzięki takiej budowie tranzystory MOSFET zyskują szereg bardzo ciekawych i przydatnych z punktu widzenia praktycznej elektroniki właściwości.

Parametry elektryczne tranzystorów MOSFET

Tranzystory MOSFET, podobnie jak wszystkie inne elementy elektroniczne, mają pewne ściśle określone, maksymalne wartości prądów i napięć, z którymi mogą pracować. W przypadku tranzystorów MOSFET mówimy o maksymalnym napięciu dren-źródło, czyli UDS. Napięcia tego nie wolno przekraczać w trakcie pracy, czyli przede wszystkim w momencie, gdy tranzystor jest wyłączony (nie przewodzi prądu pomiędzy drenem a źródłem). Dla tranzystorów MOSFET, nawet najmniejszych, napięcie to wynosi przynajmniej kilkadziesiąt woltów, a niejednokrotnie osiąga wartości rzędu nawet kilkuset woltów. Z tego względu tranzystory MOSFET są chętnie stosowane w układach energetycznych czy sterownikach dużych silników i serwonapędów przemysłowych.

Dla każdego tranzystora producent określa także maksymalny prąd drenu, czyli prąd obciążenia, który może załączać i wyłączać tranzystor. Do włączenia tranzystora MOSFET konieczne jest, aby napięcie na jego bramce było wyższe od napięcia na źródle przynajmniej o pewną określoną wartość progową (mowa tutaj o tranzystorach z kanałem N, gdyż polaryzacja tranzystorów MOSFET z kanałem P jest dokładnie przeciwna). Dla małych tranzystorów „logicznych” (czyli takich, które mogą być sterowane bezpośrednio przez wyjścia układów cyfrowych, jak choćby mikrokontrolery) minimalne napięcia niezbędne do otwarcia bramki mogą wynosić np. 2 V. Czasem wartość ta jest niższa, w przypadku tranzystorów o dużej mocy sięga zaś najczęściej kilku woltów – wtedy też do pełnego otwarcia konieczne jest podanie napięcia rzędu nawet kilkunastu woltów. Warto wiedzieć, że tranzystor MOSFET w stanie otwarcia, czyli przewodzenia, stanowi swego rodzaju „rezystor” o niskiej wartości – tak przynajmniej można sobie wyobrazić działanie obwodu dren-źródło w rzeczywistym układzie.

Co bardzo ważne, jeżeli tranzystor zostanie w pełni otwarty (napięcie bramki uzyska wystarczająco wysoki poziom), wtedy rezystancja obwodu dren-źródło będzie bardzo niska i wyniesie – w zależności od modelu tranzystora nawet ułamek oma. Nie trzeba tutaj dodawać, że tak doskonały elektroniczny wyłącznik jest szczególnie przydatny zarówno we wspomnianych wcześniej układach sterowania silników, jak i systemach oświetlenia dużej mocy. Niska rezystancja obwodu dren-źródło oznacza niewielkie straty mocy, przez co tranzystor nagrzewa się w czasie pracy znacznie słabiej niż tranzystor bipolarny czy nawet „darlington”, zastosowany w jego miejsce.

Polaryzacja tranzystorów MOSFET

Podobnie jak w przypadku tranzystorów bipolarnych, także tranzystory MOSFET występują w dwóch głównych odmianach: z kanałem N oraz z kanałem P. MOSFET z kanałem N ma układ pracy zbliżony – pod względem polaryzacji napięć i prądów – do tranzystorów bipolarnych NPN. Źródło jest elektrodą, która w czasie otwarcia pracuje na najniższym potencjale, natomiast prąd obciążenia wpływa do drenu i wypływa przez źródło z powrotem do zasilania. Nie mówimy tutaj o prądzie bramki z uwagi na fakt, że przy zasilaniu prądem stałym nie zauważymy przepływu przez bramkę – natomiast krótkie impulsy, które pojawiają się podczas sterowania bramką tranzystora w układach wysokiej częstotliwości, także wypływają przez źródło. W przypadku tranzystorów MOSFET z kanałem P konfiguracja jest dokładnie odwrotna, tzn. elektrodą o najwyższym potencjalne przy pracy w czasie otwarcia jest źródło, natomiast dren i bramka muszą pracować na potencjałach odpowiednio niższych.

Zastosowania tranzystorów MOSFET

Oprócz wspomnianych wcześniej zastosowań (w sterownikach) tranzystory MOSFET są często wykorzystywane np. w przetwornicach impulsowych, gdzie służą do kluczowania w układach mających na celu obniżanie lub podwyższanie napięcia zasilania. Tranzystory MOSFET są także podstawowym budulcem prawie wszystkich stosowanych obecnie układów cyfrowych i to nie tylko prostych, jak bramki logiczne czy też liczniki, ale także bardziej zaawansowanych – mikrokontrolerów oraz układów pamięci, a nawet procesorów komputerowych. Szczególnie istotną zaletą tranzystorów MOSFET, pozwalającą na stosowanie ich w układach cyfrowych, okazuje się zawsze wspomniany już brak poboru prądu przez bramkę w stanie otwarcia (z wyjątkiem krótkich momentów przełączania). Jest to najprostsze wyjaśnienie zjawiska zwiększania poboru prądu układów cyfrowych w miarę podwyższania częstotliwości ich pracy. Dlatego też na rynku trwa ciągła batalia producentów półprzewodników o obniżanie poboru mocy takich elementów, ponieważ właśnie od tego parametru zależy dłuższa praca urządzeń mobilnych (jak smartfony czy smartwatche), bez konieczności ponownego ładowania akumulatora.