Tabla de contenido:

Qué es un tubo MOS?

El tubo MOS (Transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico, MOSFET) es la abreviatura de MOSFET. Transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico MOSFET, denominado transistor de efecto de semicampo de óxido metálico. Generalmente, es un transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico, o también se le llama semiconductor aislante de metal. Es un dispositivo semiconductor de tres terminales que utiliza efectos de campo eléctrico para controlar su corriente. Muchas características y direcciones de aplicación son similares a los triodos. Este dispositivo no sólo es de tamaño pequeño, liviano, de bajo consumo de energía y de larga duración, sino que también tiene las ventajas de una alta impedancia de entrada, bajo nivel de ruido, buena estabilidad térmica y una fuerte resistencia a la radiación. especialmente en circuitos integrados de gran escala. El tubo MOS tiene tres nombres de pines: G: puerta; S: fuente; D: drenaje.

Qué es un transistor de efecto de campo?

El transistor de efecto de campo (abreviatura de transistor de efecto de campo (FET)) se conoce como transistor de efecto de campo. Es un dispositivo semiconductor que utiliza el efecto del campo eléctrico del bucle de entrada para controlar la corriente del bucle de salida. Debido a que solo depende de los portadores mayoritarios del semiconductor para conducir la electricidad, también se le llama transistor unipolar.

Los transistores de efecto de campo son dispositivos semiconductores controlados por voltaje. Tiene las ventajas de alta resistencia de entrada, bajo nivel de ruido, bajo consumo de energía, amplio rango dinámico, fácil integración, sin fenómenos de avería secundaria y amplia área de trabajo segura.

Hay dos tipos principales de transistores de efecto de campo:

1. Unión FET—JFET .

2. FET semiconductor de óxido metálico (MOS-FET para abreviar)

La diferencia entre el tubo de efecto de campo y el tubo MOS

A. Diferentes temas

Transistor de efecto de campo: el transistor de efecto de campo MOS con ranura en V es un dispositivo de conmutación de potencia de alta eficiencia recientemente desarrollado después del MOSFET.

Tubo MOS: El tubo de efecto de campo semiconductor de óxido metálico es del tipo puerta aislada.

B.Las reglas son diferentes

Transistores de efecto de campo: combinan las ventajas de los tubos de electrones y los transistores de potencia, por lo que se utilizan ampliamente en amplificadores de voltaje (la amplificación de voltaje puede alcanzar varios miles de veces), amplificadores de potencia, fuentes de alimentación conmutadas e inversores.

Tubo MOS: cuando VGS = 0, el tubo está en un estado de corte. Después de agregar el VGS correcto, la mayoría de los portadores son atraídos hacia la puerta, "mejorando" así los portadores en esta área y formando un canal conductor.

C. Diferentes características

Tubo de efecto de campo: no solo hereda la alta impedancia de entrada (≥108W) y la pequeña corriente de conducción (aproximadamente 0,1μA) del tubo de efecto de campo MOS, sino que también tiene las características de alto voltaje soportado (hasta 1200V) y gran corriente de operación. (1,5 A ~ 100 A), alta potencia de salida (1 ~ 25 W), buena linealidad de transconductancia y velocidad de conmutación rápida.

Tubo MOS: La característica principal es que hay una capa aislante de dióxido de silicio entre la puerta metálica y el canal, por lo que tiene una alta resistencia de entrada (hasta 1015Ω)

La relación entre el tubo de efecto de campo y el tubo MOS.

Los tubos MOS son tubos de efecto de campo.

Estructura y clasificación del tubo MOS.

Según los diferentes canales conductores, los tubos MOS se pueden dividir en dos categorías: canal N y canal P, y cada categoría se divide en dos tipos: modo de mejora y modo de agotamiento. Por lo tanto, los tubos MOS se pueden dividir en cuatro categorías principales: tipo de consumo de canal N, tipo de mejora de canal N, tipo de consumo de canal P y tipo de mejora de canal P. Ahora tomemos los dispositivos de canal N como ejemplo para presentar el principio de funcionamiento de los tubos MOS.

Como se muestra en la figura anterior, el diagrama estructural del tubo MOS de mejora del canal N. Utiliza un material de silicio tipo P poco dopado como sustrato, crea dos regiones tipo N altamente dopado en él y saca dos electrodos respectivamente como electrodo fuente s y electrodo de drenaje d, cubriendo la superficie del P. -tipo sustrato Una capa aislante de película de óxido muy delgada (dióxido de silicio) y un cable de electrodo como puerta g. La puerta g de este transistor de efecto de campo está aislada del sustrato semiconductor tipo P, el drenaje d y la fuente s, por lo que también se le llama transistor de efecto de campo de puerta aislada.

Principio de funcionamiento del tubo MOS.

El principio de funcionamiento básico del tubo MOS es utilizar el voltaje de la puerta-fuente para controlar la corriente de drenaje, pero no existe un canal conductor original entre el drenaje y la fuente, por lo que es necesario establecerlo primero durante la operación.

①Establecer canales conductores

Como se muestra en la figura, cuando se aplica un voltaje positivo de puerta-fuente VGS>0, aparece un campo eléctrico positivo superior y negativo inferior en la capa de óxido debajo de la puerta. Este campo eléctrico atraerá los electrones libres en la región P y causará La acumulación debajo también repelerá los agujeros en el área P, provocando que abandonen el área. Cuanto mayor es el VGS, mayor es la intensidad del campo eléctrico y más evidente es este efecto. Cuando VGS alcanza VT, la concentración de electrones libres acumulados en esta región es lo suficientemente grande como para formar una nueva región de tipo N, como un puente que conecta el drenaje y la fuente. Esta área se llama canal conductor tipo N, o canal N para abreviar, y Vt se llama voltaje de encendido. VGS>VT es una condición necesaria para establecer el canal conductor.

②Establecer corriente de drenaje

Una vez establecido el canal, si hay un cierto voltaje de conducción VDS entre los drenajes. Cuando aparece el voltaje de drenaje VDS, el potencial de drenaje es mayor que el de la fuente, por lo que VGS>VGD, por lo que la distribución del campo eléctrico en la capa de óxido es desigual. La intensidad es fuerte cerca de la fuente y débil cerca del drenaje, y el conductor correspondiente zanja El canal también cambia en consecuencia: es más ancho cerca de la fuente y más estrecho cerca del drenaje.

Por lo tanto, la corriente de drenaje Id del tubo MOS se ve afectada principalmente por el voltaje VGS y VDS: el primero afecta a Id al controlar el canal conductor y el segundo afecta directamente a Id como controlador. Pero es necesario enfatizar nuevamente que si no se establece el canal conductor, solo habrá VDS y no aparecerá la corriente de drenaje.

Ventajas de los tubos MOS

1. Se puede aplicar a la ampliación. Dado que la impedancia de entrada del amplificador FET es muy alta, el condensador de acoplamiento puede ser pequeño y no es necesario utilizar condensadores electrolíticos.

2. La impedancia de entrada muy alta es muy adecuada para la transformación de impedancia. A menudo se utiliza para la transformación de impedancia en la etapa de entrada de amplificadores de múltiples etapas.

3. Se puede utilizar como resistencia variable.

4. Puede utilizarse cómodamente como fuente de corriente constante.

5. Se puede utilizar como interruptor electrónico.

6. Gran flexibilidad en el diseño de circuitos. La polarización de la puerta puede ser positiva, negativa o cero. Los transistores solo pueden funcionar con polarización directa y los tubos de electrones solo pueden funcionar con polarización negativa. Además, la impedancia de entrada es alta, lo que puede reducir la carga de la fuente de señal y facilitar la adaptación a la etapa anterior.

Uso del tubo MOS

Muchos circuitos de amplificación de señales pequeñas existentes están compuestos por circuitos de amplificación de transistores o tubos MOS, su potencia es limitada y la potencia del circuito no puede aumentarse mucho. Con la madurez gradual de la tecnología de inversor moderna, especialmente la tecnología de inversor SPWM, la forma de onda de la señal se puede reproducir bien en el extremo de salida y se puede lograr alto voltaje, alta corriente y alta potencia. Hay dos formas de implementar la tecnología SPWM: una es utilizar circuitos integrados analógicos para comparar la onda modulada sinusoidal y la portadora de onda triangular para generar señales SPWM y la otra es utilizar métodos digitales. Con la profundización de las aplicaciones y el desarrollo de la tecnología de integración, los circuitos integrados de aplicaciones específicas (ASIC), los microcontroladores de propósito especial (8X196/MC/MD/MH) y los DSP comercializados pueden simplificar la estructura del circuito de control y lograr una alta integración. Dado que los chips digitales son generalmente más caros, aquí se utilizan circuitos integrados analógicos. El circuito principal adopta una estructura de inversor de puente completo, la onda SPWM se genera utilizando el chip de control PWM dual UC3637 y se utiliza el módulo integrado de unidad flotante de alto voltaje IR2110 lanzado por American IR Company, reduciendo así el tamaño del dispositivo. reduciendo el costo y mejorando la eficiencia y confiabilidad del sistema. Después de la amplificación mediante este circuito, la señal puede alcanzar los 3 kV y mantener una buena forma de onda de salida.

Principales características del tubo MOS.

① Alta impedancia de entrada: hay una capa aislante entre el electrodo de puerta del tubo MOS y las regiones de fuente y drenaje, y solo hay una corriente de puerta débil, por lo que la impedancia de entrada del tubo MOS es muy alta, cercana al infinito.

②Baja impedancia de salida: dado que el tubo MOS es un dispositivo controlado por voltaje, su corriente de fuente a drenaje puede cambiar con los cambios en el voltaje de entrada, por lo que su impedancia de salida es muy pequeña.

③Propiedad de corriente constante: cuando el tubo MOS funciona en la zona de saturación, incluso si el voltaje de fuente-drenaje cambia, su corriente casi no cambia, por lo que el tubo MOS tiene una buena propiedad de corriente constante.

Características de diferentes tubos MOS resistentes al voltaje

Los tubos MOS con diferentes voltajes soportados tienen diferentes proporciones de resistencia en cada parte de su resistencia. Por ejemplo, la resistencia de la capa epitaxial de un tubo MOS con un voltaje de 30 V es solo el 29% de la resistencia total, y la resistencia de la capa epitaxial de un tubo MOS con un voltaje de 600 V es el 96,5% de la resistencia total. .

La principal diferencia entre los diferentes tubos MOS resistentes a la presión es que la velocidad de reacción de los tubos MOS resistentes a alta presión es más lenta que la de los tubos MOS resistentes a bajo voltaje, por lo que sus características también muestran diferencias en aplicaciones prácticas, como media - y tubos MOS resistentes a baja presión. El tubo solo requiere una carga de compuerta extremadamente baja para cumplir con las fuertes capacidades de procesamiento de corriente y alta potencia. Además de una velocidad de conmutación rápida, también tiene las características de una baja pérdida de conmutación, que es especialmente adecuado para aplicaciones de modo de salida PWM, mientras que los tubos MOS de alto voltaje tienen impedancia de entrada Tiene altas características y se usa ampliamente en balastos electrónicos, transformadores electrónicos y fuentes de alimentación conmutadas.

Parámetros comunes de los tubos MOS.

Vgs: el voltaje de accionamiento máximo de la puerta y la fuente, un parámetro límite del tubo MOS, que indica el voltaje de accionamiento máximo que el tubo MOS puede soportar. Una vez que el voltaje de conducción excede este límite, causará daños permanentes a la capa de óxido de la puerta del tubo MOS.

VDS: Voltaje drenaje-fuente, que representa el voltaje máximo que puede soportar el tubo MOS entre su drenaje y fuente. Este parámetro está relacionado con la temperatura de la unión. Generalmente, cuanto mayor es la temperatura de la unión, mayor es el valor VDS.

RDS (encendido): resistencia de encendido de la fuente de drenaje, que es la resistencia equivalente entre el drenaje y la fuente cuando el tubo MOS está completamente encendido. Este parámetro está relacionado con la temperatura de la unión y el voltaje de conducción Vgs. Dentro de un cierto rango, cuanto mayor sea la temperatura de la unión, mayor será la Rds; cuanto mayor sea el voltaje de conducción, menor será la Rds.

La impedancia del tubo MOS cuando está en estado conductor. Cuanto mayor sea la resistencia, mayor será la pérdida en el estado activado. Por tanto, la resistencia de conducción del tubo MOS debe reducirse tanto como sea posible.

Consumo de energía durante la conducción:

Qg: Carga de puerta, que es la carga de carga necesaria para aumentar el voltaje de puerta de 0 V al voltaje de terminación bajo la acción de la señal del variador. Es decir, la carga que el circuito de accionamiento debe proporcionar cuando el tubo MOS cambia del estado apagado al estado totalmente conductor. Es un parámetro principal utilizado para evaluar la capacidad de accionamiento del circuito de accionamiento del tubo MOS.

Id: corriente de drenaje, lo que significa que cuando la temperatura de la caja está en un cierto valor, si la corriente de operación del tubo MOS es la corriente de drenaje máxima mencionada anteriormente, la temperatura de la unión alcanzará el valor máximo. Este parámetro también está relacionado con el embalaje del dispositivo y la temperatura ambiente.

Eoss: energía del condensador de salida, que indica la cantidad de energía almacenada en el tubo MOS por el condensador de salida Coss.

Según el principio de funcionamiento y las características del tubo MOS, no es difícil encontrar que sus características son muy similares a las del triodo, y ambos pueden usarse como dispositivos amplificadores, como formar un amplificador inverso, un seguidor de voltaje, un seguidor de corriente, etc. El circuito amplificador compuesto por los dos dispositivos tiene sus propias características. Hay ventajas. El circuito amplificador de tubo MOS tiene alta impedancia de entrada y bajo ruido, y el circuito amplificador triodo tiene una fuerte capacidad de amplificación. En aplicaciones prácticas, Los dos se utilizan a menudo en combinación.

Método de evaluación tripolar del tubo MOS

Los tres polos del tubo MOS son: G (compuerta), D (drenaje), S (fuente). El voltaje entre la compuerta y la fuente debe ser mayor que un cierto valor antes de que se puedan encender el drenaje y la fuente.

1) Determinar la puerta G

El controlador MOS desempeña principalmente el papel de dar forma a la forma de onda y mejorar la conducción: si la forma de onda de la señal G del tubo MOS no es lo suficientemente pronunciada, causará una gran pérdida de energía durante la etapa de conmutación. El efecto secundario es reducir el circuito. Eficiencia de conversión. El tubo MOS tendrá fiebre grave y el tubo MOS GS se dañará fácilmente con el calor. Hay una cierta capacitancia entre ellos. Si la capacidad de conducción de la señal G es insuficiente, afectará seriamente el tiempo de salto de la forma de onda.

Cortocircuite el polo G-S, seleccione el nivel R×1 del multímetro, conecte el cable de prueba negro al polo S y el cable de prueba rojo al polo D. La resistencia debe ser de unos pocos ohmios a más de diez ohmios. Si se descubre que la resistencia de un determinado pin y sus dos pines es infinita, y sigue siendo infinita después de intercambiar los cables de prueba, se confirma que este pin es el polo G, porque está aislado de los otros dos pines.

2) Determinar la fuente S y el drenaje D.

Configure el multímetro en R×1k y mida la resistencia entre los tres pines respectivamente. Utilice el método de intercambio de cables de prueba para medir la resistencia dos veces. La que tiene un valor de resistencia más bajo (generalmente entre unos pocos miles de ohmios y más de diez mil ohmios) es la resistencia directa. En este momento, el cable de prueba negro es el polo S y el cable de prueba rojo está conectado al polo D. Debido a las diferentes condiciones de prueba, el valor RDS(on) medido es mayor que el valor típico indicado en el manual.

3) Mida la resistencia RDS en estado encendido de la fuente de drenaje

Hay una unión PN entre la fuente y el drenaje, por lo que el polo S y el polo D se pueden identificar en función de la diferencia en la resistencia directa e inversa de la unión PN. Por ejemplo, utilizando la escala R×1 de un multímetro tipo 500 para medir un tubo VMOS IRFPC50, RDS (encendido) = 3,2 W, que es mayor que 0,58 W (valor típico).

Pasos de prueba:

La detección de tubos MOS consiste principalmente en determinar fugas, cortocircuitos, circuitos abiertos y amplificación de tubos MOS.

Los pasos son los siguientes:

Si hay un valor de resistencia que no se mide, el tubo MOS tiene fugas.

1. Retire la resistencia que conecta la puerta y la fuente. Los bolígrafos rojo y negro del multímetro permanecerán sin cambios. Si la aguja vuelve lentamente a una resistencia alta o infinita después de quitar la resistencia, el tubo MOS tiene una fuga. Si permanece sin cambios, está intacto.

2. Luego, un cable conecta la puerta y la fuente del tubo MOS. Si el puntero regresa al infinito inmediatamente, el MOS está intacto.

3. Conecte el bolígrafo rojo a la fuente S del MOS y el bolígrafo negro al drenaje del tubo MOS. Un buen indicador debe ser infinito.

4. Conecte una resistencia de 100KΩ-200KΩ a la compuerta y drene, luego conecte el bolígrafo rojo a la fuente S del MOS y el bolígrafo negro al drenaje del tubo MOS. En este momento, el valor indicado por la aguja es normal. es 0. En este momento, la carga carga la puerta del tubo MOS a través de esta resistencia, generando un campo eléctrico de puerta. Debido a que el campo eléctrico genera un canal conductor, el drenaje y la fuente están conectados, por lo que el puntero del multímetro se desvía en Cuanto mayor sea el ángulo de desviación, mejor será el rendimiento de descarga.

La diferencia entre tubo MOS y triodo.

El nombre completo del triodo es triodo semiconductor y su función principal es amplificar señales diminutas. Los tubos y triodos MOS tienen muchas similitudes, pero también muchas diferencias.

La primera es la diferencia en la velocidad de cambio. Cuando el transistor está funcionando, ambas uniones PN inducirán cargas. Cuando el tubo del interruptor está en estado conductor, el transistor está en un estado saturado. Suponiendo que el transistor está apagado en este momento, la carga inducida por la unión PN volver a un estado de equilibrio. Este proceso lleva tiempo. MOS, por otro lado, no requiere tiempo de recuperación debido a sus diferentes métodos de trabajo, por lo que puede usarse como un tubo de conmutación de alta velocidad.

En segundo lugar, los métodos de control son diferentes. Los tubos MOS son componentes de control de voltaje, mientras que los transistores son componentes de control de corriente. Cuando sólo se permite tomar una pequeña cantidad de corriente de la fuente de señal, se debe seleccionar un tubo MOS; y cuando el voltaje de la señal es bajo y se permite tomar una gran cantidad de corriente de la fuente de señal, se debe utilizar un triodo. ser usado.

Luego está la diferencia en el número de especies portadoras. Los dispositivos unipolares mencionados en la tecnología de electrónica de potencia se refieren a dispositivos que solo dependen de un tipo de portador para conducir electricidad, mientras que los dispositivos bipolares se refieren a dispositivos que dependen de dos tipos de portadores para conducir electricidad. Los tubos MOS solo usan un tipo de portador mayoritario para conducir electricidad, por lo que también se les llama dispositivos unipolares; mientras que los transistores usan tanto portadores mayoritarios como minoritarios para conducir electricidad; son dispositivos bipolares.

La tercera es la diferencia en flexibilidad. La fuente y el drenaje de algunos tubos MOS se pueden usar indistintamente y el voltaje de la compuerta puede ser positivo o negativo, lo cual es más flexible que los triodos.

El cuarto es la diferencia en las capacidades de integración. Los tubos MOS pueden funcionar en condiciones de corriente y voltaje muy bajos, y su proceso de fabricación puede integrar fácilmente muchos tubos MOS en un chip de silicio. Por lo tanto, los tubos MOS se utilizan ampliamente en una amplia gama de circuitos integrados.

Quinto, la impedancia de entrada y las capacidades de ruido son diferentes. Los tubos MOS tienen las ventajas de alta impedancia de entrada y bajo ruido, y se utilizan ampliamente en diversos dispositivos electrónicos. En particular, el uso de tubos MOS como etapa de entrada de todo el dispositivo electrónico puede lograr un rendimiento que es difícil de lograr con triodos comunes.

Finalmente, el consumo de energía es diferente. En las mismas circunstancias, cuando se utilizan tubos MOS, el consumo de energía es bajo; cuando se utilizan transistores, el consumo de energía es mucho mayor.

Por supuesto, en términos de costo de uso, los tubos MOS son más altos que los triodos, por lo que, de acuerdo con las características de los dos componentes, los tubos MOS se usan a menudo en circuitos de alta frecuencia y alta velocidad, lugares de alta corriente y áreas centrales. que son sensibles a las corrientes de control de base o drenaje; los transistores se utilizan en lugares de bajo costo y los tubos MOS se considerarán para reemplazo solo cuando no se pueda lograr el efecto.