W moich projektach często przewijają się tranzystory mocy MOSFET i zagadnienia dotyczące ich sterowania. Postanowiłem więc dokładnie przedstawić tranzystor tego typu, jego budowę, zasadę działania, podstawowe parametry oraz sposoby prawidłowego wysterowania w aplikacjach mocy. W opracowaniu przedstawię najpopularniejszy tranzystor typu N z kanałem wzbogacany.

MOSFET czyli Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor to tranzystor polowy z izolowaną bramką. Wykonany jest on z kryształu odpowiednio domieszkowanego półprzewodnika z obszarami dwóch elektrod: źródła - S (od angielskiego source - odpowiednik emitera w tranzystorze bipolarnym), oraz drenu - D (od Drain, odpowiednik kolektora). Wzdłuż elektrod umieszczona jest warstwa izolatora a na niej napylona jest trzecia elektroda - bramka - G (od Gate, odpowiednik bazy). Warstwa izolatora wykonywana jest z tlenku metalu lub półmetalu, jest ona niezwykle cienka, w niektórych tranzystorach stosowanych w bramkach logicznych procesorów ma ona grubość zaledwie 5 atomów tlenu. Napylona na izolator elektroda wykonywana jest z bardzo dobrze przewodzącego metalu, często złota.

Rys. 1 Poglądowy przekrój tranzystora MOSFET gdy polaryzacja bramki i drenu jest zerowa.

Zasada działania takiego tranzystora jest zupełnie inna niż tradycyjnego tranzystora bipolarnego. Zachodzące tu zjawiska o których napiszę mają charakter czysto elektrostatyczny. Jak sama nazwa wskazuje jest to tranzystor polowy, sterowany jest on polem elektrycznym wytwarzanym przez bramkę. Warstwa izolatora sprawia, że przez bramkę nie płynie żaden prąd - dla prądu stałego oporność wejściowa jest nieskończenie duża.
Na rysunku pierwszym przedstawiony jest schemat poglądowy tranzystora w sytuacji, gdy polaryzacja bramki i drenu jest zerowa. W tej sytuacji struktura złożona z obszarów półprzewodnika typu n⁺ rozdzielonych półprzewodnikiem typu p zachowuje się tak jak dwie połączone ze sobą szeregowo diody ustawione w przeciwnych kierunkach. Wokół obszarów źródła i drenu występuje typowy dla złączy p-n obszar ładunku ujemnych jonów. W takiej sytuacji brak jest połączenia elektrycznego pomiędzy drenem i źródłem - tranzystor jest "zatkany".

Rys. 2 Poglądowy przekrój tranzystora mosfet gdy polaryzacja bramki jest dodatnia a drenu zerowa.

Na rysunku nr 2 pokazana jest sytuacja, w której bramka zostaje zasilona napięciem U_GS>0. W tej sytuacji wytworzone przez elektrodę (bramkę) pole elektryczne oddziałuje poprzez izolator na półprzewodnik - indukuje w nim warstwę tzw. ładunku przestrzennego. Warstwa ta nazywana jest warstwą inwersyjną i składa się z elektronów swobodnych. Podstawową właściwością tej warstwy jest jej przewodność elektryczna - w ten sposób dren i źródło połączone zostały elektrycznie. Tranzystor uzyskuje zdolność przewodności elektrycznej tym większą im wyższe jest napięcie polaryzujące bramkę.

Rys. 3 Poglądowy przekrój tranzystora mosfet gdy polaryzacja bramki i drenu jest dodatnia.

Gdy teraz zaczniemy zasilać dren tranzystora z utworzoną warstwą inwersyjną, przez tranzystor zacznie płynąć prąd I_D tym większy im większe będzie napięcie zasilające dren U_DS. Wartość płynącego przez tranzystor prądu nie jest jednak liniowo zależna od napięcia drenu. Jest to spowodowane tym, że wzrost napięcia drenu zmienia także stan polaryzacji bramki. Im bliżej drenu tym różnica potencjałów pomiędzy bramką a podłożem jest mniejsza a kanał staje się płytszy.

Rys. 4 Poglądowy przekrój tranzystora mosfet gdy polaryzacja bramki i drenu jest dodatnia - U_DS = U_GS.

Wraz ze wzrostem napięcia zasilającego dren rośnie wartość prądu ale zwiększa się także sumaryczna rezystancja utworzonego kanału inwersyjnego spowodowana jego zwężaniem. W wyniku tego wzrost wartości prądu nie jest liniowy i zgodny z Prawem Ohma. W sytuacji, gdy napięcie bramki jest równe napięciu drenu kanał w jego pobliżu zanika całkowicie i następuje nasycenie prądu drenu. Teraz napięcie można już zwiększać dowolnie do wartości granicznych a prąd pozostanie bez zmian. Sytuację taką przedstawia rys. nr 4. Pracę takiego tranzystora możemy podzielić zasadniczo na dwa obszary - obszar nasycenia i obszar nienasycenia.

Rys. 5 Charakterystyka wyjściowa tranzystora MOSFET.

W obszarze nasycenia tranzystor polowy zachowuje się jak bardzo dobry element transkonduktancyjny, tzn. taki dla którego prąd I_D jest praktycznie stały dla różnych napięć U_DS. Dla małych wartości U_DS, czyli w obszarze nienasycenia, zachowuje się on jak rezystor, tzn. prąd drenu jest proporcjonalny do napięcia drenu. Oczywiście dla obu obszarów prąd drenu jest funkcją napięcia bramka-źródło U_GS.
W energoelektronice praktycznie nie stosuje się obszaru nienasycenia takiego tranzystora, wręcz przeciwnie - jest on wysoce niepożądany. Przy przełączaniu tranzystorów stosuje się tylko obszary nasycenia - czyli takie, w których rezystancja tranzystora ma wartość najmniejszą. Ta rezystancja złącza w stanie nasycenia jest nawet jednym z głównych parametrów tranzystora MOSFET, gdyż określa jak dużą moc będzie tracił na ciepło, które z kolei trzeba będzie skutecznie odprowadzić ze struktury. Wartość ta określana jest jako R_DS(ON). Im mniejsza tym lepiej bo na tranzystorze wystąpi mniejszy spadek napięcia i wydzieli się mniej ciepła, a urządzenie, w którym tranzystor pracuje będzie bardziej sprawne.