Tranzistoare MOSFET

n Fig.2.18 sunt prezentate simbolul i structura semiconductoare ale celui mai utilizat tranzistor MOSFET de putere, cel cu canal de tip n.

Fig. 2.18: Simbolul (a) i structura semiconductoare (b) a tranzistorului MOSFET de tip n.

Referitor la Fig.2.18 s-au utilizat urmtoarele notaii - pentru terminalele de for: D-dren, S-surs, G-gril; - pentru mrimile electrice: iD curentul de dren, uSD tensiunea surs dren, uGS tensiunea gril surs.

n Fig.2.19 este prezentat simbolul tranzistorului de putere MOSFET cu canal de

tip p.

Fig. 2.19: Simbolul tranzistorului MOSFET de tip p.

Caracteristicile statice ale tranzistorului MOSFET de putere

Datorit prezenei diodei parazite (n+ - n- - p) ce apare ntre dren i surs, tranzistorul MOSFET nu poate bloca tensiuni inverse, fapt pentru care

caracteristicile statice tensiune curent vor fi prezentate doar pentru cadranul I al sistemului de axe u i. Caracteristicile statice reprezint dependenele dintre curentul de dren (iD) i tensiunea dren-surs (uDS) pentru diferite tensiuni de comand gril-surs (uGS), fapt ce este desenat n Fig.2.20.

Fig. 2.20: Caracteristicile statice reale (a) i ideale (b) ale tranzistorului MOSFET de putere.

Referitor la Fig.2.20, se pot face urmtoarele observaii: a) tranzistorul MOSFET nu se deschide n urmtoarele dou situaii - dac tranzistorul nu este comandat, - dac tranzistorul este comandat cu o tensiune gril-surs (uGS) sub valoarea tensiunii de prag UGS(prag) (notat n cataloage cu VGS(th) Gate Threshold Voltage). n acest caz, punctul de funcionare se plaseaz pe caracteristica de blocare direct (ID = 0), n condiiile n care tensiunea de alimentare dren-surs (uDS) nu depete o limit maxim. Dac aceast tensiune depete valoarea maxim (uDS > UDS(max)), tranzistorul este strpuns i curentul iD poate crete pn la o valoare limitat de circuitul de sarcin. Tensiunea de strpungere direct este notat n cataloage cu BVDSS (Drain-Source Breakdown Voltage, gate-source Short

circuited) i este dat pentru situaia n care tensiunea de comand este zero (terminalele gril-surs scurtcircuitate). b) deschiderea controlat a MOSFET-ului se produce atunci cnd tensiunea uGS depete valoarea de prag (UGS(prag)). n Fig.2.20a sunt reprezentate mai multe

caracteristici statice pentru diferite valori ale tensiunii de comand (UGS) cuprinse ntr-un interval recomandat de firma productoare a tranzistorului:

max121 .............. GSnGSnGSGSGSpragGS UUUUUU . (2.26)

Pentru ca pelicula de SiO2 a pastilei semiconductoare s nu se strpung, firmele productoare recomand ca tensiunile de comand s nu depeasc valoarea UGS(max) = 20V.

c) deschiderea complet a tranzistorului are loc pentru tensiuni UGS = (10 15)V. De obicei valoarea standard este cea de 15V.

d) caracteristicile statice ale MOSFET-ului prezint urmtoarele dou zone de funcionare: - zona activ (de curent iD constant) n care valoarea curentului prin tranzistor este controlat prin intermediul variabilei de comand (uGS) i n care apar cderi importante de tensiune pe tranzistor;

- zona ohmic (de rezisten constant) n care tranzistorul este total deschis (prin inducerea canalului conductor), iar tensiunea UDS(on) este mic i puin dependent de curent.

d) mrimile caracteristice ale MOSFET-ului sunt urmtoarele:

pierderile n conducie

DonDSon IUP . (2.27)

Aceste pierderi sunt caracteristice punctului A de funcionare de pe caracteristica static (Fig.2.20a).

cderea de tensiune pe dispozitiv n starea de conducie

DonDSonDS IrU , (2.28)

unde rDS(on) este rezistena de conducie a MOSFET-ului pe care curentul de dren o ntlnete pe traseul dren (n+) regiune drift (n-) canal (p) surs (n+).

rezistena de conducie (rDS(on))

sursacanaldriftdrenaonDS RRRRr . (2.29)

Se apreciaz c aproximativ 70% din pierderile n conducie au loc pe rezistena Rdrift. n urma experimentelor, literatura de specialitate recomand pentru calculul rezistenei de conducie urmtoarea relaie:

5,2

maxDSonDSUkr , (2.30)

unde k este o constant de material. Tranzistoarele MOSFET construite pentru tensiuni mari (aproximativ 1000V) au o

rezisten rDS(on) mare care la rndul ei determin cderi de tensiune de zeci de voli. Aceste cderi mari de tensiune impun limitarea curentului de dren la valori de ordinul amperilor.

e) curentul de dren maxim pe care tranzistorul l poate susine n mod continuu fr s se distrug termic se noteaz n cataloage cu ID , iar curentul maxim de impuls este notat cu IDM. Tranzistorul MOSFET nu se poate distruge prin ambalare

termic, deci nu prezint fenomenul de strpungere secundar, datorit coeficientului pozitiv de temperatur. Astfel se poate neglija tensiunea de pe tranzistorul aflat n conducie, cu punctul de funcionare n zona ohmic, punct ce se poate considera c se afl pe o caracteristic ideal de conducie (Fig.2.20b). Considernd caracteristica de blocare direct, ct i faptul c trecerea de pe o caracteristic (de blocare) pe cealalt (de conducie) se poate face n ambele sensuri prin comand, se obin trsturile unui comutator static ideal (Fig.2.20b). Suprafaa cuprins ntre caracteristica de blocare, caracteristica de conducie i limitele impuse de curentul maxim continuu ID, respectiv tensiunea de strpungere direct BVDS , formeaz aria de funcionare sigur (SOA) sau suprafaa de funcionare permis a MOSFET-ului (Fig.2.20b-suprafaa haurat). Dac MOSFET-ul funcioneaz n comutaie cu o anumit frecven i cu o anumit durat relativ de conducie, aria SOA sufer o extensie odat cu creterea frecvenei de lucru, n sensul indicat de sgeata din Fig.2.20b. f) comportarea n regim de comutaie a MOSFET-ului este influenat de elementele capacitive parazite prezente n circuitul su echivalent simplificat prezentat n Fig.2.21.

Fig. 2.21: Circuitul echivalent simplificat al tranzistorului MOSFET.

Capacitile din figura de mai sus pot fi caracterizate astfel:

- capacitatea dren-surs (CDS) are o valoare intermediar, puternic neliniar, i depinde invers proporional de tensiunea dren-surs (UDS ); - capacitatea gril-surs (CGS) are o valoare nare i nu variaz cu tensiunea aplicat (UDS );

- capacitatea gril-dren (CGD) are o valoare mic i este puternic neliniar.