Co to jest tranzystor MOSFET - jak działa, jak sprawdzać?

Tranzystory MOSFET to elektroniczne elementy aktywne, których zadaniem jest zmiana natężenia prądu pod wpływem przyłożonego napięcia. Takie sterowanie daje im cały szereg możliwych zastosowań!

Co to jest tranzystor?

Najpierw trzeba uściślić, czym w ogóle jest tranzystor. To półprzewodnikowy podzespół, stosowany w wielu miejscach w układach elektronicznych. Określenie półprzewodnikowy oznacza, że został wykonany na bazie półprzewodnika, czyli materiału posiadającego takie właściwości. Należą do nich zarówno pierwiastki - krzem (Si), german (Ge) - jak i związki, na przykład zdobywający coraz większą popularność azotek galu (GaN).

Domieszkowanie

Wybrany półprzewodnik, którym najczęściej obecnie jest krzem, w procesie produkcyjnym zostaje poddany różnym procesom. Ale najważniejszym spośród nich jest domieszkowanie, czyli “wstrzykiwanie” do tego materiału dodatkowych atomów innych pierwiastków. Takie dodatkowe atomy nie wchodzą z krzemem w reakcję chemiczną, one jedynie wmontowują się w regularną strukturę krystaliczną naszego bohatera.

Półprzewodnik typu n

Jeżeli do krzemu dodamy nieco atomów donorowych, czyli takich, które mają więcej niż cztery elektrony walencyjne, to powstanie półprzewodnik typu n. Dodatkowe elektrony “nie mają co ze sobą zrobić” i mogą swobodnie przemieszczać się w obrębie całej próbki naszego domieszkowanego półprzewodnika. Bardzo często w tej roli wykorzystywany jest fosfor (P). Im silniejsze domieszkowanie, tym więcej fosforu, więc wolnych elektronów jest więcej i taka próbka łatwiej przewodzi prąd.

Półprzewodnik typu p

Skoro możemy naszemu półprzewodnikowy “wbić” dodatkowe elektrony, to można je z niego również zabrać. Tak działa domieszkowanie akceptorowe, w wyniku którego powstają… dziury. Nie należy ich traktować jako fizyczne ubytki w materiale, lecz chodzi o niepołączone wiązanie atomu krzemu, który sąsiaduje z nowym gościem. Owa dziura - jest to jak najbardziej formalny termin! - również może przemieszczać się w obrębie materiału. Wystarczy, że inny atom odda swój elektron walencyjny, tworząc wiązanie, a sam znajdzie się “w potrzebie”. Jako domieszki akceptorowe używa się boru (B) lub indu (In).

Co z tego wynika?

Bardzo ciekawą cechą półprzewodników domieszkowanych jest fakt, że możemy na nie wpływać poprzez przyłożenie do nich pola elektrycznego z zewnątrz. Dziury i elektrony są dosyć swobodne, łatwo się przemieszczają, więc możemy je przyciągnąć lub odepchnąć. Wystarczy do tego pole elektrostatyczne - takie samo, jak to, które roztacza wokół siebie naładowany i “kopiący” sweter.

Tranzystor to takie urządzenie, które zmienia swoje parametry dla płynącego przez niego prądu. Działa w ten sposób, że może ograniczyć jego natężenie lub ułatwić jego przepływ - tak, jakby w obwodzie znalazł się rezystor o zmiennej rezystancji. Zmiana tego parametru następuje pod wpływem napięcia, które pochodzi z innej części układu. Obudowując tranzystor dodatkowymi elementami, możemy zrobić z niego wzmacniacz.

Jak działa tranzystor MOSFET?

Wiemy już, co to jest tranzystor, pora przejść do tego szczególnego. MOSFET to akronim od angielskich słów Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. Tłumacząc dosłownie, mamy tranzystor z efektem polowym, który zawiera metal i tlenek półprzewodnika. Brzmi skomplikowanie? Już wyjaśniam.

Przekrój struktury

Jeżeli strukturę tranzystora MOSFET byśmy przecięli w pionie, to uzyskamy taki obrazek:

Do struktury są podłączone cztery wyprowadzenia. Mają swoje specjalne nazwy, a dla wygody oznacza się je również literami:

• G (gate) - bramka
• D (drain) - dren
• S (source) - źródło
• B (bulk) - podłoże

Bramka to elektroda, którą sterujemy naszym tranzystorem, to jest jego “wejście”. Bramka jest metalową okładziną, naniesioną na izolacyjny tlenek krzemu. Przepływ prądu przez tranzystor, o ile w ogóle zachodzi, może odbywać się na drodze między drenem i źródłem. Podłoże to cała próbka półprzewodnika i ta elektroda najczęściej jest połączona ze źródłem, więc nie będziemy się nią na razie zajmować. Nasz tranzystor, na razie jeszcze niedziałający, ma zatem trzy zaciski: G, D i S (zwarte wewnętrznie z B).

Czy to działa?

Jednak przez taki tranzystor prąd nie chce płynąć. Dlaczego? Dren i źródło mają postać “wysp” wykonanych w podłożu, które ma inny rodzaj przewodnictwa. W podłożu dominują dziury, ponieważ wskutek domieszkowania stało się półprzewodnikiem typu p. Z kolei w obszarze drenu i źródła możemy znaleźć nadmiar elektronów, gdyż mają przewodnictwo elektronowe (typu n). Dwa różne światy, tu elektrony, tam dziury, nie do pogodzenia… Czyżby?

Kanał

A gdyby chwilowo zmienić rodzaj przewodnictwa podłoża z dziurowego na elektronowy, czyli z p na n? Wtedy między drenem i źródłem powstałby “most” z elektronów, który połączyłby te dwa obszary. Owszem, da się. Do tego służy bramka. Trzeba ją tylko naładować dodatnio.

Jej rolą jest wytworzenie odpowiednio silnego pola elektrostatycznego, które odepchnie w głąb podłoża dziury znajdujące się tuż pod nią. Jednocześnie, przyciągnie do siebie luźno krążące elektrony, które samoistnie odrywają się od atomów krzemu. W ten sposób powstaje kanał: obszar tuż pod izolacyjną warstwą dielektryka, który ma ten sam typ przewodnictwa, co dren i źródło.

Teraz przepływ prądu jest możliwy. Jeżeli między dren i źródło przyłożymy napięcie, to popłynie prąd. Im szerszy kanał, tym więcej elektronów może przez niego przepływać, czyli przez tranzystor może płynąć prąd o większym natężeniu. Aby poszerzyć kanał, trzeba bardziej dodatnio naładować bramkę (G), czyli zwiększyć napięcie przyłożone między nią i źródło (S).

W większości układów elektronicznych, źródło jest połączone z masą. Względem niego są również polaryzowane pozostałe dwie elektrody - bramka i dren.

Kiedy przewodzi, a kiedy nie?

W ramach podsumowania:

• kiedy bramka nie jest spolaryzowana, prąd między drenem i źródłem nie płynie
• kanał zaczyna tworzyć się, kiedy bramka będzie odpowiednio silnie naładowana dodatnio
• im silniejsze oddziaływanie bramki, im większe natężenie prądu może płynąć przez dren

Inne rodzaje tranzystorów

Istnieją również tranzystory o przeciwnym typie przewodnictwa - z kanałem typu p. Zasada działania jest taka sama, tylko zamienione zostają typy półprzewodników: podłoże jest typu n, a dren i źródło typu p. Bramka ładuje się ujemnie, przez co przyciąga dziury, odpychając jednocześnie elektron. Źródło jest podłączone do potencjału dodatniego, a bramka i dren do ujemnego.

Omówione dotychczas tranzystory MOSFET są z kanałem wzbogacanym - między bramkę i źródło trzeba podać napięcie, aby je załączyć. TYmczasem, są również tranzystory z kanałem zubożanym, które ulegają wyłączeniu po podaniu napięcia z zewnątrz, a w normalnym stanie (bez polaryzacji) przewodzą. Jednak są one bardzo rzadko stosowane, dlatego nie będziemy ich szerzej omawiać.

Jak użyć tranzystora MOSFET?

Tranzystory MOSFET bardzo chętnie są używane w roli “elektronicznych przełączników”, czyli przewodzą prąd z minimalnymi możliwymi stratami albo nie przewodzą go wcale. Sytuacja pośrednia, kiedy kanał jest w trakcie poszerzania lub zwężania, również występuje, ale powinna trwać możliwie krótko. W tym czasie tranzystor przewodzi “trochę” - jak nie do końca otwarty lub całkowicie zamknięty zawór z wodą.

To jedno z wielu zastosowań tranzystora MOSFET, ale najczęściej spotykane. Do tego stopnia, że zdecydowana większość produkowanych dzisiaj elementów jest specjalizowana do pracy właśnie w tej roli.

Tranzystor jako przełącznik

Tranzystory z kanałem typu n są podłączone do układu w taki sposób:

• źródło (S): do masy układu
• dren (D): w szereg z obciążeniem, podłączonym na stałe do dodatniego zasilania
• bramka (G): do sygnału sterującego, np. z mikrokontrolera lub przycisku

Powyższa konfiguracja nosi nazwę wspólnego źródła, ponieważ ta elektroda jest na stałe zwarta z potencjałem, który się nie zmienia. Jeżeli napięcie VG, będące np. wyjściem układu cyfrowego, zwiększy swoją wartość do kilku-kilkunastu woltów, tranzystor zacznie przewodzić prąd, który popłynie od VDD przez obciążenie, kanał, aż do masy.

Wyłączenie tranzystora również jest proste: wystarczy zewrzeć bramkę do masy, czyli nadać jej potencjał zerowy względem źródła. Pole elektrostatyczne, którym oddziaływała dotychczas na podłoże, zaniknie i zniknie również kanał przewodzący prąd.

Tranzystor p-kanałowy

Nieco inaczej to wygląda w przypadku tranzystora z kanałem typu p. Źródło jest na stałe zwarte z linią zasilającą zaś obciążenie zostało włączone poprzez dren do masy układu. Bramkę trzeba spolaryzować ujemnie względem źródła (np. zewrzeć z masą), aby tranzystor się załączył i zewrzeć z nim, by uległ wyłączeniu.

Rozróżnienie wyprowadzeń

Każdy tranzystor MOSFET ma 3 wyprowadzenia. Ich obudowy również, chociaż niekiedy więcej. Skąd dowiedzieć się, że dany tranzystor ma tutaj wyprowadzoną bramkę, a tutaj dren i źródło? To bardzo proste: wystarczy zajrzeć do jego karty katalogowej, zwanej również notą katalogową. To taki “paszport” elementu elektronicznego, w którym producent umieszcza wszystkie jego parametry: minimalne, deklarowane, oczekiwane, maksymalne i inne.

Jak odczytać symbol?

Aby odnaleźć odpowiednią notę katalogową, trzeba odczytać oznaczenie elementu, które zostało naniesione na jego obudowę. Ten etap zazwyczaj jest trudniejszy, ponieważ literki są małe i nie zawsze wyraźne. Ale wprawne oko lub szkło powiększające dadzą sobie z tym radę.

Literek będą dwa lub trzy rzędy, ale tylko jeden z nich to właściwy symbol elementu. Pozostałe oznaczają partię produkcyjną, datę produkcji, kraj pochodzenia, producenta i tak dalej - generalnie, rzeczy mało istotne dla elektronika-hobbysty. Odróżnienie jednej sekwencji od drugiej jest trudne, a nawet doświadczonym elektronikom zdarzają się pomyłki - coś, co traktują jako pozornie bezsensowny ciąg znaków, w rzeczywistości jest zakodowanym oznaczeniem. Najprościej będzie wszystkie odczytane znaki umieścić w internetowej wyszukiwarce, która może również podpowiedzieć który z nich został źle odczytany.

Powyższy tranzystor to popularny BUZ11. Informacji na jego temat nie brakuje - internet powie o nim wszystko, co tylko chcemy wiedzieć.

Karta katalogowa

Pierwsza z brzegu nota katalogowa, akurat firmy ON Semiconductor. Dosyć krótka (6 stron), ale zawiera wszystko, co niezbędne.

https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/buz11-d.pdf

Obudowa

Między innymi, na pierwszej stronie ma poszukiwany obrazek:

Układając tranzystor w ten sam sposób przed sobą na biurku, układ połączeń elektrod z wyprowadzeniami stanie się oczywisty. Tranzystor MOSFET (ale nie tylko one) zawsze są sprzedawane w obudowach, ponieważ rozmiary samej struktury są naprawdę małe - kawałeczek krzemu ma średnicę rzędu milimetra, czasem mniej, czasem więcej. Przylutowanie czegokolwiek przy użyciu zwykłej lutownicy byłoby niemożliwe. “Gołe” tranzystory są we wnętrzach układów scalonych.

BUZ11 ma standardową obudowę typu TO220. Metalowa wkładka jest połączona z drenem i ułatwia odprowadzanie ciepła z elementu.

Inne ciekawe parametry

Karta katalogowa to nie tylko jeden rysunek. Zawiera wiele tabel i wykresów. Zawarte są w nich parametry oraz ich zależność od różnych czynników, np. temperatury. W przypadku tranzystorów MOSFET charakterystyczne są dwa: rezystancja otwartego kanału i napięcie progowe.

Rezystancja otwartego kanału r_DS(ON)

Ten parametr określa rezystancję, jaką wprowadza do obwodu (między drenem i źródłem) w pełni otwarty, przewodzący tranzystor. Jest tutaj pewna pułapka: zazwyczaj, mając na myśli otwarty obwód elektryczny, mówimy o takim, w którym prąd nie płynie. Tymczasem tutaj jest odwrotnie: otwarty tranzystor przewodzi, a zamknięty (zatkany) nie.

40mΩ to bardzo mało, miedziane połączenia na płytce potrafią mieć więcej o ile są odpowiednio cienkie i długie. Jednak są dzisiaj produkowane tranzystory o rezystancji otwartego kanału nawet mniejszej niż 1mΩ. Im mniejsza rezystancja, tym mniejsze straty wprowadza taki element, ale zazwyczaj cena jest wyższa i inne parametry również są pogorszone.

Napięcie progowe V_GS(TH)

To napięcie bramka-źródło, przy którym w tranzystorze zaczyna się tworzyć kanał. Jednak nie mamy możliwości “zajrzenia” do środka tranzystora, aby sprawdzić, czy nośniki w dostatecznym stopniu poodsuwały się w głąb podłoża. Dlatego jako kryterium jest przyjmowany pewien minimalny prąd drenu, na przykład 1mA - wtedy uznajemy, że tranzystor “zaczyna” przewodzić.

Napięcie progowe silnie zależy od konkretnego egzemplarza tranzystora (ma duże rozrzuty produkcyjne) oraz temperatury. Nad tą tabelą jest adnotacja, że pomiary wykonano w temperaturze otoczenia 25°C, więc ten przedział (2,1 - 4V) wynika jedynie z procesu produkcyjnego. Jednak nie ma się co złościć na producenta - to jest dobrze znany problem, z którym ludzkość próbuje walczyć od lat.

Jak przetestować tranzystor MOSFET?

Jeżeli wiemy już, gdzie tranzystor ma dren, bramkę i źródło, możemy sprawdzić, czy działa.

Testy omomierzem

Bramka jest odizolowana elektrycznie od kanału, więc przewodzenie prądu między nią a którąkolwiek inną elektrodą powinno być niemożliwe. Omomierz ustawiony na test ciągłości (tzw. piszczyk) powinien milczeć, kiedy przykłada się jego wyprowadzenia między bramkę i pozostałe nóżki. Jeżeli wykryje zwarcie - tranzystor jest uszkodzony i nie nadaje się do użytku.

Również między drenem a źródłem nie powinno być przepływu prądu. Może się tak okazać, że multimetr wskazujący napięcia przewodzenia diody (ta funkcja często jest zintegrowana z piszczykiem) wykryje diodę między tymi elektrodami. To prawidłowe - ona znalazła się tam z powodów technologicznych, niejako “przypadkowo”, jako obszar między drenem a podłożem. Powinna przewodzić tylko w jedną stronę.

Tester elementów elektronicznych

Jeżeli omomierz nie wykrył nieprawidłowości, albo nie chce nam się go wyciągać, możemy posłużyć się testerem elementów elektronicznych. Wkładamy w jego zaciski tranzystor, wciskamy przycisk i po kilku sekundach z ekranu odczytujemy układ wyprowadzeń i podstawowe parametry elementu. Proste, szybkie i skuteczne rozwiązanie.

Testy w układzie

Jeżeli nie dysponujemy testerem elementów elektronicznych, możemy tranzystor podłączyć w układzie wspólnego źródła, jaki był pokazany wcześniej. Zależnie, czy jest to tranzystor p-kanałowy, czy n-kanałowy, trzeba odpowiednio podłączyć elementy.

Zasilanie napięciem rzędu 9V nie uszkodzi żadnego tranzystora, a użycie w roli obciążenia diody LED z rezystorem 1kΩ w szeregu nie spowoduje jego przeciążenia. Przełączając bramkę między zasilaniem (VDD) i masą powinniśmy widzieć załączanie się i wyłączanie diody LED.

Podsumowanie

Tranzystory MOSFET to elementy elektroniczne, które do działania wykorzystują pole elektrostatyczne. Dzięki temu, z układu sterującego nie pobierają żadnego prądu - ich elektroda sterująca, czyli bramka, jest niemal idealnie odizolowana.