Hoog vermogen MOSFET's

Een gewone MOSFET bezit een planaire of laterale structuur, d.w.z. drain, source en kanaal bevinden zich in hetzelfde vlak.
Omdat de kanaallengte niet zo precies te bepalen is, bedraagt de kanaallengte minstens 4-5 µm, met als gevolg een hoge Rds en een hoge ingangscapaciteit. In plaats van een laterale structuur, kan men door diffusieprocessen een MOSFET ook realiseren met een verticale structuur. Nu wordt de kanaallengte bepaald door twee nauwkeurig te controleren diffusieprocessen, zodat men de kanaallengte kan begrenzen tot ca. 1 µm. Hierdoor ontstaat een lage Rds en een lage ingangscapaciteit.
Een dergelijke MOSFET noemt met een DMOS.
De DMOS-structuur is uiterst geschikt als vermogen MOSFET die onder verschillende merknamen  VMOS, HEXFET,  SIPMOS wordt aangeboden.
Elektronische componenten
informatie
2        Veldeffect transistoren

De veldeffect transistoren zijn op te delen in twee grote, technologisch verschillende groepen.
1     De junctiefet transistoren                de z.g. JFET
2     De metaaloxidefet transistoren        de z.g. MOSFET

Veldeffect transistoren onderscheiden van junctie transistoren doordat ze spanningsgestuurd zijn in tegenstelling tot junctietransistoren
die stroom gestuurd zijn. Dit heeft uiteraard invloed op de werking, de eigenschappen en de toepassingen van deze groepen
componenten.
2.1  Junction FET transistor

JFET = junction field effect transistor = junctie veld effect transistor of junctiefet transistor

2.2  Aansluitingen

De JFET heeft drie aansluitingen.

Drain
Source
Gate


N-Kanaal en P-Kanaal


JFET transistoren kunnen in twee groepen worden verdeeld.

N-Kanaal = N-Channel JFET
P-Kanaal = P-Channel JFET


Volgende tip is handig om ze te onderscheiden.

PIJL NAAR PLAAT = N-Channel
Junctie FET Behuizingen

Elektronische componenten worden in standaard behuizingen op de markt gebracht. Zo zijn ze compatible met alle gangbare CAD pakketten die voor het ontwerp gebruikt worden.

De pin-out is niet voor elke behuizing en type transistor dezelfde. De pinout moet opgezocht worden in het datablad (datasheet).
1.1.1   Werking van JFET transistoren
Hierboven wordt de bouw van een grenslaag - veldeffecttransistor voorgesteld.

Een JFET bestaat uit een staafje N-halfgeleidermateriaal met aan beide zijden van het staafje twee gebieden van P-halfgeleidermateriaal, die elektrisch met elkaar doorverbonden zijn.

Aan de uiteinden van het N-staafje worden twee aansluitelektroden voorzien,
respectievelijk de bron (source: s) en de afvoer (drain: d).

Tussenin bevindt zich de stuurelektrode (gate: g) die verbonden is met het P-gebied.

Wordt het N-halfgeleidermateriaal vervangen door een P- halfgeleidermateriaal, dan spreekt men van een FET met een P-kanaal.
en is de stuurelektrode g verbonden met het N-Si.
Tussen afvoer d en de bron s bevindt zich een N-kanaal met een bepaalde breedte b. De kanaalweerstand Rds wordt hoofdzakelijk door de verontreinigingsstof concentratie (dopering) en de kanaalbreedte bepaald. Sluiten we tussen afvoer d en de bron s de spanning Uds aan met de aangeduide polariteit, dan vloeit er een stroom ld van afvoer d via het kanaal naar de bron s.

In het N-kanaal zijn de meerderheidsladingsdragers de elektronen, zodat in het N-kanaal de elektronen bewegen van source s naar drain d. Tussen de stuurelektrode g en de bron s wordt een spanning Ugs aangebracht, die de PN-junctie in sperzin polariseert. Als gevolg hiervan wordt tussen het P- en N-halfgeleidermateriaal een sperlaag gevormd, die des te breder wordt naarmate de sperspanning toeneemt. Hoe breder de sperlaag, hoe smaller het kanaal wordt. Deze kanaalvernauwing doet de kanaalstroom ld afnemen.

Zo vloeit in bovenstaand voorbeeld bij een Ugs = -1 V een stroom ld= 6 mA.
Bij Ugs = -2 V daalt de kanaalstroom tot ld= 2,5 mA.
Bij een hoge Ugs = -4 V, wordt ld = 0.De veldeffecttransistor is dan afgeknepen
(pinch off voltage).

Omdat de PN-junctie tussen stuurelektrode en bron altijd in sperrichting gepolariseerd is, loopt er geen stroom naar de gate.
De JFET is spanning gestuurd

Bij de overdracht of transfer van ingang naar uitgang is er geen stroomversterkingsfactor zoals bij de bipolaire transistor.
Er loop immers geen stroom naar de gate.

Door de ingangsspanning Ugs ontstaat een elektrisch veld in de FET.
Dit beďnvloedt de kanaalbreedte en dus de uitgangsstroom ld.

Dus een spanningsvariatie aan de ingang veroorzaakt een stroomvariatie in de uitgangsketen.
De transferkarakteristiek illustreert grafisch het verband tussen de uitgangsstroom
ld en de ingangsspanning Ugs bij een constante Uds-waarde.

Ugs(off) is de afknijpspanning of de gate-source cutoff voltage.
Dit is de waarde van Ugs waarvoor ld = 0.

Idss    is de verzadigingsstroom van de drainstroom wanneer Ugs = 0 V
of wanneer de gate kortgesloten is met de source
(drain current with the gate shorted to the source).

S is de steilheid van de transferkarakteristiek

1.1.1  JFET als schakelaar
Met Vgs -2V of lager is de spanning over R1 slechts enkele µV. Dit wil zeggen dat de kanaalweerstand
enkele Megaohm groot is.

De stroom die in de gate vloeit is een lekstroom, te vergelijken met deze van een diode in sper geschakeld.
Deze stroom ligt in de orde van grootte van Ig 100pA, zeer klein dus.

Als de spanning Vgs stijgt tot 0V, stijgt de spanning over R1 tot 3V. De kanaalweerstand neemt dus af, maar blijft 4787
?.

Als we de spanning Vgs boven 0V laten stijgen zal de gate-stroom snel oplopen en  boven de 0.6V, als de gate diode in geleiding is, zal de stroom nog sneller toenemen. De stroom zal snel zo groot worden dat de FET vernietigd wordt.

De JFET is dus verre van een ideale schakelaar en als R1 niet zeer groot is t.o.v. de kanaalweerstand (Ron) van de JFET, is hij al helemaal niet als schakelelement in te zetten.

In tegenstelling tot junctie transistoren wordt de JFET aangestuurd met een spanning. De gate-stroom is in vergelijking met deze laatste verwaarloosbaar klein.

P-channel JFET’s werken hetzelfde, zij het dat de polariteiten omgekeerd zijn.
1.1 MOSFET transistoren

MOSFET = Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (metaaloxide halfgeleider veldeffect transistor)

Een meer algemene benaming voor deze componenten is “Insulated Gate FET”, wat  in een letterwoord als IGFET wordt geschreven.
1.1.1 Aansluitingen

De MOSFET heeft drie aansluitingen.

Drain
Source
Gate
1.1.2 Vier soorten MOSFET’s

Er zijn enhancement (verrijking) en depletion (verarming) MOSFET's.

Elk type is beschikbaar in N-kanaal en P-kanaal.

In totaal zijn er dus vier typen MOSFET’s.
1.1.1 MOSFET behuizingen

MOSFET’s worden als discrete componenten voor zowel “true hole”
als “SMD” in de gangbare transistorbehuizingen geleverd.

Dikwijls gaat het om componenten die behoorlijk grote stromen kunnen
verdragen en daardoor grote vermogens in warmte omzetten.
In voorkomend geval zijn de behuizingen hierop voorzien. (TO3, TO220)


MOSFET's worden op grote schaal in geďntegreerde schakelingen toegepast.
Hier vormen ze een schakel in het gehele circuit.
Dikwijls vindt je ze ook terug in de uitgangen van digitale schakelingen en
microcontrollers.
Het is dus bijzonder interessant de eigenschappen van deze componenten goed te kennen om ze succesvol te kunnen toepassen.
1.1.1 Werking van een MOSFET
Een MOSFET is een FET waarbij de gate elektrisch geďsoleerd is van drain en source.
Een meer algemene benaming voor deze componenten is “Insulated Gate FET”, wat  in een letterwoord als IGFET wordt geschreven.

Bij een MOSFET bestaat de isolatie tussen de gate en het kanaal uit een zeer dun laagje silicium oxide (SiO2)

Bij een MOSFET ontstaat de isolatie tussen gate en kanaal dus niet langer door een polariteitafhankelijke diodewerking zoals bij de JFET, maar isoleert het isolatielaagje voor zowel de positieve als negatieve gate spanningen. Er kan dus nooit stroom van de gate
in het kanaal vloeien. Het door de gate veroorzaakte elektrisch veld beďnvloed de geleidbaarheid van het kanaal. Dit effect is merkbaar als een verandering van de kanaalweerstand.

De DC-ingangsweerstand is nog veel hoger dan bij een JFET, en dit zowel voor positieve als voor negatieve gatespanningen UGS.

De DC-gatestroom van een MOSFET is overeenkomstig veel kleiner dan bij een JFET.

De aansluiting b verbind het substraat met de source.
Deze verbinding wordt niet naar buiten gebracht als een aansluiting. Er zijn dus maar drie aansluitingen:
Gate (stuurelectrode), drain (afvoer van elektronen), source (bron van elektronen)
Werking van het verrijkingstype MOSFET

Vereenvoudigde voorstelling
N-kanaal verrijkingstype
Het kanaal heeft een hoge weerstand      Het kanaal heeft een lage weerstand
er vloeit geen stroom door het kanaal     Er vloeit stroom door het kanaal
Bij MOSFET's van het verrijkingstype is het kanaal standaard volledig afgesloten. Er kan dus geen stroom door het kanaal vloeien wanneer er een spanning aangelegd wordt tussen source en drain.
Wanneer de gate voldoende spanning voert t.o.v. de source gaat de weerstand van het kanaal verkleinen. Door het kanaal gaat stroom kunnen vloeien ten gevolge van de spanning over het kanaal.
De polariteiten van een N-type kanaal MOSFET en van een P-type kanaal MOSFET zijn omgekeerd.

De karakteristiek toont dat er een drempelspanning is van ongeveer 1,5 V.Naarmate UGS stijgt, wordt er een breder N-kanaal gevormd en stijgt ID.
ID mag nooit boven de toegelaten maximum waarde IDmax stijgen.
Overeenkomsten tussen JFET's en MOSFET's

JFET’s en MOSFET’s vertonen veel overeenkomsten:

beide hebben een zeer hoge ingangsweerstand.

beide hebben drie aansluitingen: Drain, Gate en Source.

Beide kunnen zich als een spanning gestuurde stroombron gedragen.
De stroom die door Drain en Source vloeit wordt gestuurd door de spanning over Gate en Source.

Beide kunnen zich ook als een spanning gestuurde weerstand gedragen.

Ze hebben soortgelijke behuizingen en zijn slechts van elkaar te onderscheiden door de type aanduiding op de behuizing.

JFET's en depletion-MOSFET's hebben zelfs nog meer gemeen:

Bij VGS=0V, is het D-S-kanaal geleidend.
(Enhancement-MOSFET's hebben een bepaalde G-S-spanning nodig voordat er Drainstroom kan lopen.)

Om een N-kanaal te sluiten, moet VGS negatief zijn. Een toename van VGS zal ID laten toenemen.

Natuurlijk zijn er ook verschillen tussen JFET's en MOSFET's.

Zo zijn MOSFET's geschikt om als schakelaar gebruikt te worden.
De kanaalweerstand in de 'aan stand' is zeer laag, gewoonlijk minder dan 1 ohm.

Om een N-kanaal MOSFET aan te zetten moeten we een bepaalde spanning over de Gate en Source te zetten.
Bij een (N-kanaal) JFET moet VGS negatief t.o.v. de gate kunnen worden.

Wanneer VGS positief is, zal de G-S-diode niet langer in sperrichting staan en wordt de ingangsweerstand dus drastisch lager!

Hoewel MOSFET's prima geschikt zijn voor schakeldoeleinden, kunnen we er ook hoogvermogen audioversterkers en ruisarme HF
versterkers mee maken.
De N kanaal verrijking MOSFET als schakelaar

(De karakteristieke data is afgeleid van de component BUZ11)                                                           (vereenvoudigd principeschema)
Werking van het verarmingstype MOSFET

Vereenvoudigde voorstelling
N-kanaal verarmingstype                          Het kanaal heeft een lage weerstand           Het kanaal heeft een hoge weerstand         Er vloeit stroom door het kanaal
Er vloeit geen stroom door het kanaal
Bij MOSFET's van het verarmingstype is het kanaal standaard volledig open. De kanaalweerstand is zeer laag en er kan stroom door het kanaal vloeien wanneer er een spanning aangelegd wordt tussen source en drain.
Wanneer de gate voldoende spanning voert t.o.v. de source gaat de weerstand van het kanaal vergroten.
De kanaalweerstand vergroot en de kanaalstroom t.g.v. de spanning over source en drain verkleint.
De polariteiten van een N-type kanaal MOSFET en van een P-type kanaal MOSFET zijn omgekeerd.
Om de N-Kanaal verrijking MOSFET in geleiding te brengen moet een VGS (gatespanning) hoger dan de drempelspanning aangelegd worden.

Om het door de MOSFET opgenomen vermogen te beperken moet RDS laag zijn.
De laagste waarde voor RDS bij een gegeven type MOSFET is gedocumenteerd als RDS(on).

In de karakteristiek is de relatie tussen ID (kanaalstroom), VGS (gatespanning) en VDS ( de spanning over het kanaal) te zien.

Rekenvoorbeelden:

Bij een VGS van 5.0V kan ID maximum ong. 8A bedragen  terwijl alle spanning over VDS valt.
Bij een VGS van 8.0V en ID van 8A verlaagd de spanning VDS tot iets minder dan 0.5V
Bij een VGS van 8.0V en ID van 30A verhoogd VDS tot ong. 1.3V

Bij een VGS van 10V mag ID maximum 43A bedragen, dan zal VDS 1.74V zijn en het opgenomen vermogen (43A x 1.74V) = 75W
Bij een VGS van 7.6V mag ID maximum 30A bedragen, dan zal VDS 2.5V zijn en het opgenomen vermogen (30A x 2.5V) = 75W
Het theoretisch maximaal toegelaten vermogen is beperkt tot PD 75W vandaar de gebogen stippellijn die deze greswaarden aangeeft.

In de parameters die door de fabrikant opgegeven worden wordt RDS(on) gespecifieerd onder bepaalde voorwaarden.
Je kan RDS(on) voor een gegeven instelling berekenen uit VDS en ID.
Stel ID=20A en VDS=1V (bij VGS ong. 6.4V) RDS=1V/20A = 0.05R
Stel ID=30A en VDS=2.5V (bij VGS ong. 7.6V) RDS=2.5V/30A = 0.08R
Stel ID=15A en VDS=0.5V (bij VGS 10V) RDS=0.5V/15A = 0.03R (deze waarde vindt je terug in de datasheet van de fabrikant)

We berekenen de instellingen van de schakeling

GEGEVEN : U(V2)=24V           R(L1)=2.4R           P(L1)=240W          MOSFET=BUZ11

Bereken eerst de vereiste ID. ID=I(L1)=P(L1)/U(V2)=10A
Het door de MOSFET opgenomen vermogen moet zo klein mogelijk zijn.
We zouden daarvoor VGS maximaal kunnen kiezen. VGS(max)=20V
Met deze gegevens wordt in de tabel VDS gevonden: VDS=0.25V
Het door de MOSFET opgenomen vermogen is P(T1)= 0.25V x 10A =2.5W (ongeveer 1 percent van het geschakelde vermogen!)

Bij lagere waarden van VGS zal VDS niet noemenswaardig stijgen en kunnen we in veel gevallen de schakeling vereenvoudigen.
Wanneer de voeding van de stuurschakeling (V1) 12V bedraagt, kan VGS met beperkt vermogenverlies tot deze waarde verlaagd worden.
De P kanaal verrijking MOSFET als schakelaar

(vereenvoudigd principeschema)
De P kanaal verrijking MOSFET kan ingezet worden als z.g. HI-drive. De verbruiker blijft op die manier met GND (negatief referentie punt) verbonden. Voor het schakelen van een lamp is dit onbelangrijk en beide schakelingen werken even goed al heeft voor het schakelen van een lamp, moter, relais spoel e.d. de LOW-drive variant met N-kanaal verrijking MOSFET de voorkeur vanwege de meestal eenvoudigere schakeling.

Let op de polariteiten en bedenk dat L1 brand wanneer S1 het middelpunt van de spanningsdeler R1 en R2 verbind met de gate.
De spanningsdeler is dikwijls nodig omdat -VGS beperkt is (meestal 20V of lager wat je terugvind in de datasheet).
Voorbeeldschakeling

Deze schakeling toont bijkomende aspecten waarmee bij het schakelen met MOSFET's rekening moet worden gehouden.
SD1 kan nodig zijn bij het schakelen van inductieve belastingen zoals motoren, relais, transformatoren enz. om de MOSFET te beschermen tegen te hoge VDS spanningen.

R2 kan bijdragen aan de vermindering van EMI (EMC) omdat de schakelsnelheid hiermee verlaagd wordt.
Let wel op dat de verliezen tijdens het schakelen toenemen wat vooral bij voortdurend met hoge frequentie schakelen zoals in PWM sturingen belangrijk wordt.

R3 en R4 vormen een spanningsdeler zodat de gate spanning eenvoudig van de voedingsspanning kan worden afgeleid zonder de VGS(max) te overschrijden.

R1 zorgt dat de gate "vast" ligt aan GND tijdens het omschakelen van schakelaar S1.

R5 heeft geen invloed op de werking van deze schakeling maar zou een alternatief kunnen zijn voor R2 met soortgelijke functie.
1.1.1 ESD en FET’s

Het menselijk lichaam heeft een capaciteit van
100pF tot 200 pF.

Hierdoor is het mogelijk dat de mens lading ophoopt
waarbij er spanningen kunnen optreden van 10.000 V
en meer.

Staat men geďsoleerd opgesteld, dan zal men van deze
oplading niets merken. Raakt men een elektronische
schakeling aan, dan kan de ontlading gebeuren via een
halfgeleider.

Vooral MOSFET's zijn zeer kwetsbaar. Wanneer op de gate een te hoge spanning wordt toegepast, dan zal de oxydelaag doorslaan en de MOSFET vernietigen.

In de elektronische industrie zal men de statische ladingen neutraliseren door te werken in een elektrostatisch veilige werkzone.
Zo een gecontroleerde werkzone bevat een tafelmat en vloermat uit zwakgeleidend materiaal die verbonden zijn met de aarde.

De elektronicus zal op zijn werkplek met een zwak geleidende  armband, die een hoogohmige verbinding verzekert tussen de operator en de aarde, ESD voorkomen.

Wil men MOSFET's transporteren, dan worden deze best verpakt in ESD veilig materiaal.

Dikwijls is de gate van vermogen MOSFET's d.m.v. zenerdioden beveiligd tegen ESD. Toch is het aanbevolen minimale voorzorgen te nemen tegen ESD.
Menu