Jakie są różne rodzaje tranzystorów polowych (FET)?

Tranzystory polowe (FET) są obecnie końmi roboczymi dla logiki cyfrowej, ale znajdują zastosowanie również poza układami scalonymi cyfrowymi, począwszy od sterowników silników, przez regulatory napięcia, aż po specjalistyczne wzmacniacze mogą wykorzystywać różne typy FETów, które posiadają pewne użyteczne zalety sprawiające, że dyskretne FETy są bardziej pożądane w porównaniu do ich kuzynów - tranzystorów bipolarnych (BJT).

Mimo że zaawansowane komponenty i aplikacje nieustannie koncentrują się na fundamentalnych modyfikacjach i optymalizacji architektury FET, dyskretne BJT i FETy pozostają na rynku. Każdy z różnych typów FETów ma swoje miejsce w różnych systemach, a projektanci mogą znaleźć dokładnie te FETy, których potrzebują, korzystając z najlepszego zestawu narzędzi łańcucha dostaw. Jeśli nie jesteś pewien, który typ FETu powinieneś użyć, przeczytaj nasz przewodnik, aby dowiedzieć się więcej o różnych FETach i które specyfikacje są najważniejsze.

Typy FETów i ich zastosowania

Tranzystory polowe, czyli po prostu FETy, stanowią podstawę nowoczesnych cyfrowych układów scalonych. Podobnie jak wcześniejsze BJT, FETy są trójzłączowymi przełącznikami (cztery, jeśli uwzględnisz złącze ciała w MOSFET), gdzie napięcie jest stosowane do bramki w celu kontrolowania prądu płynącego między źródłem a drenem. Gdy napięcie jest stosowane do regionu bramki, oporność kanału zmienia stany w funkcji napięcia wejściowego. To są podstawy różnych typów FETów.

FETy są podzielone na trzy różne typy: izolowane bramki FET (lepiej znane jako MOSFETy), połączone FET (JFETy) i metalo-półprzewodnikowe FET (MESFET). Poniższy schemat blokowy krótko podsumowuje te trzy typy FETów i ich podtypy. Spośród różnych typów MOSFETów, wybór FETów typu wzbogacającego lub zubożającego daje projektantom pewną elastyczność w sposobie implementacji przełączania w ich systemach (np. w regulatorach mocy).

Przy tak wielu różnych typach FETów do wyboru, który jest najlepszy i jak wypadają na tle BJT? Spróbujmy zagłębić się nieco głębiej, aby zobaczyć, które typy FETów mają znaczenie dla różnych aplikacji.

Zastosowania MESFET

MESFETy często są używane jako sterowniki lub przełączniki w aplikacjach RF wymagających wysokiej mocy wyjściowej. Komercyjne komponenty MESFET są dostępne w różnych obudowach; komponenty w obudowach SO/SOIC/SOP są dostępne z pasmem sięgającym ~8 GHz, podczas gdy wysokie częstotliwości do ~30 GHz można uzyskać w obudowach QFN. Wysokoczęstotliwościowe MESFETy są zwykle wykonane z SiGe (dla umiarkowanej mocy wyjściowej) lub GaAs (dla wysokiej mocy wyjściowej), i znajdziesz te struktury zintegrowane w wysokoczęstotliwościowych SoC.

Zastosowania MOSFET

Wśród różnych typów tranzystorów polowych, MOSFETy prawdopodobnie cieszą się najszerszym zakresem praktycznych zastosowań. Te komponenty znajdują swoje miejsce w wielu zastosowaniach elektroniki mocy, ponieważ mogą obsługiwać przełączanie mocy sięgające poziomów kW. Oczywiście każdy, kto jest zaznajomiony z nowoczesnymi układami logiki CMOS, powinien wiedzieć, że MOSFETy stanowią podstawę dla urządzeń CMOS.

Jeśli potrzebujesz wybrać dyskretny MOSFET do aplikacji przełączającej, to sposób, w jaki urządzenie jest przełączane, jest dość ważny, ponieważ będziesz musiał wybrać odpowiednią polaryzację napięcia stosowanego do obszaru bramki. Typ NMOS z wzbogaceniem jest często używany jako element przełączający w aplikacjach takich jak regulacja i kondycjonowanie mocy przy wysokim napięciu/prądzie; uważam, że ułatwia to uziemienie i układ na płytce, ponieważ potrzebujesz tylko źródła dodatnich napięć wokół płytki.

Zastosowania JFET

JFETy również występują w wariantach z kanałem n i p, gdzie kanał n jest zwykle używany, ponieważ elektrony mają większą mobilność niż dziury. JFETy mają również obszar przebicia, gdy napięcie dren-źródło jest wystarczająco wysokie (analogicznie do przebicia diody pn). W porównaniu z MOSFETami, JFETy mają następujące cechy:

• Tylko tryb wyczerpania

• Niższe dryfowanie częstotliwości

• Niższa impedancja wejściowa

• Wysoka rezystancja drenu daje płaskie krzywe transferu

• Wyższa pojemność wejściowa

Ich niższe dryfowanie częstotliwości sprawia, że są bardziej pożądane w oscylatorach lub precyzyjnych obwodach czasowych. Wyższa pojemność wejściowa prowadzi do nieco dłuższych czasów załączania, gdy są używane jako przełączniki. Chociaż mogą być przydatne w oscylatorach, gdy są używane w wzmacniaczach, mają tendencję do posiadania stosunkowo niskiego produktu wzmocnienia-pasmo w porównaniu z MOSFETami i znacznie niższego niż porównywalne MESFETy.

Zastosowania HEMT

Tranzystory o wysokiej ruchliwości elektronów (HEMT) odnoszą się bardziej do materiałów używanych w tranzystorach polowych, niż do zupełnie innej struktury czy typu obwodu. HEMTy mogą być używane w urządzeniach RF, które muszą dostarczać moc przy wysokich częstotliwościach, lub które przełączają się z szybkimi prędkościami zboczy. Typowe materiały używane w tych urządzeniach to GaAs i GaN, oba są używane w komponentach dostępnych komercyjnie. Te urządzenia są zaprojektowane do dostarczania wysokiej mocy wyjściowej na częstotliwościach sięgających zakresu mmWave. Inne materiały III-V, takie jak InP, były badane pod kątem użycia w HEMTach. Jednak te materiały nie są jeszcze produkowane w standardowych procesach komponentowych na dużą skalę.

Ponieważ zastosowania HEMT pokrywają się z MESFETami, jest to uczciwe pytanie, jaka jest różnica między tymi materiałami. Różnica pojawia się w warstwie epitaksjalnej tranzystora. HEMTy to urządzenia heterostrukturalne, które używają warstw materiału o różnym składzie, ułożonych na sobie, z wyższą ruchliwością elektronów niż materiał masowy w urządzeniu. W HEMTach GaAs, powszechnie używanym materiałem w warstwie epitaksjalnej jest niestechiometryczny AlGaAs. Nie widzimy tych samych struktur czy materiałów w MESFETach.

Podobne podejście z warstwą niestechiometryczną jest stosowane w GaN HEMT, gdzie warstwą epitaksjalną jest AlGaN. Przykładowa struktura HEMT na podłożu SiC jest pokazana poniżej. W tej strukturze warstwa AlGaN może być strukturą wielowarstwową z domieszkami, a kanał przewodzenia będzie formowany w tej części urządzenia.

Wysoka mobilność elektronów w kanale przewodzącym zapewnia znacznie bardziej efektywną dostawę mocy przy wysokich częstotliwościach GHz. Te systemy zapewniają wyższą moc obsługi, wyższe częstotliwości i lepsze odprowadzanie ciepła (szczególnie z SiC) w porównaniu do skalowanych tranzystorów MOSFET Si działających w pasmach mmWave. Z tych powodów GaN HEMT znalazły również zastosowanie w elektronice mocy jako wysoce przewodzący ciepło zamiennik dla tranzystorów MOSFET Si.

Ważne specyfikacje dla FET

Chociaż chcielibyśmy wymienić każdą specyfikację znajdującą się na karcie danych, nie wszystkie specyfikacje są istotne dla każdej aplikacji. Istnieje jednak kilka, które są uniwersalne dla prawie każdej aplikacji:

• Oporność w stanie załączenia: Jest to jedna z najważniejszych specyfikacji, ponieważ określa efektywność FET w dostarczaniu mocy i przełączaniu.

• Prąd upływu: Nawet w stanie wyłączenia, występuje pewna niewielka ilość prądu płynącego między źródłem a drenem, prowadząca do pewnej straty mocy w stanie OFF.

• Pojemności zacisków: Te wartości pojemności będą ograniczać czas przełączania w urządzeniu. Nie jest to zwykle ważne, chyba że projektujesz produkt analogowy wysokiej częstotliwości.

• Absolutna maksymalna temperatura: FETy zawiodą, jeśli temperatura kanału osiągnie swoją maksymalną wartość znamionową. Zazwyczaj jest tu mały margines bezpieczeństwa, ale te komponenty muszą być wybierane, biorąc pod uwagę środowisko, w którym będą wdrażane.

• Ocena napięcia/prądu: Ta para wartości jest określona dla określonej metody sterowania (DC, pulsacyjne lub harmoniczne) i będzie określać bezpieczny obszar pracy FET. Gdy te specyfikacje zostaną przekroczone dla danego FET, urządzenie może doświadczyć przebicia i zawiedzie.

Ostatni punkt jest ważny, ponieważ dotyczy bezpiecznego obszaru pracy FET. Wszystkie FETy mają kombinację napięcia źródło-do-drenu (V(DS)) i prądu drenu (I(D)), w których FET może być eksploatowany bez awarii. Ta kombinacja napięć, prądów i metod sterowania tworzy bezpieczny obszar pracy dla MOSFET, który można przedstawić na wykresie.

Przykład bezpiecznego obszaru pracy MOSFET (FDD7N25LZTM od ON Semiconductor) jest pokazany poniżej. Na tym wykresie porównywane jest sterowanie DC z AC przy różnych warunkach (w tym przypadku, sterowanie pulsacyjne). Dla sterowania DC granica bezpiecznego obszaru pracy będzie bliżej początku w porównaniu do sterowania krótszymi impulsami. Powodem, dla którego bezpieczny obszar pracy rozszerza się, gdy czas trwania impulsu jest krótszy, jest to, że średni prąd będzie niższy, zakładając tę samą częstotliwość powtarzania impulsów.

W sumie istnieją trzy główne czynniki, które określają bezpieczny obszar pracy tranzystora FET:

• Stała temperatura złącza

• Rezystancja w stanie ON

• Metoda sterowania (DC, AC itp.)

Generalnie, każde sterowanie AC, które odpowiada średniemu prądowi sterownika DC, będzie miało podobny bezpieczny obszar pracy. Gdy średni prąd w sterowaniu AC maleje, bezpieczny obszar pracy się rozszerza. Można to wykorzystać jako prostą metrykę do wyboru MOSFET do zastosowań w dostarczaniu mocy: wystarczy porównać średni prąd podczas sterowania AC z prądem sterowania DC przy podobnych parametrach pracy (V(DS) i I(D)), aby określić, czy MOSFET będzie niezawodny przy sterowaniu AC.

Inny czynnik, który jest trudniejszy do adresowania, to temperatura MOSFET, a konkretnie temperatura złącza. Jeśli temperatura złącza jest zbyt wysoka, wówczas MOSFET jest zagrożony awarią. Dla dokładnego porównania z bezpiecznym obszarem pracy, konieczne jest określenie strat mocy w stanie ON i użycie termicznej rezystancji komponentu do przewidzenia temperatury równowagi. Generalnie, wyższa temperatura złącza prowadzi do mniejszego bezpiecznego obszaru pracy.

Niezależnie od tego, jakiego typu tranzystory FET potrzebujesz do swojego nowego produktu, możesz użyć zaawansowanych funkcji wyszukiwania i filtracji w Octopart, aby znaleźć potrzebne części. Korzystając z wyszukiwarki elektroniki Octopart, uzyskasz dostęp do danych dystrybutorów i specyfikacji części, wszystko to w przyjaznym dla użytkownika interfejsie. Zobacz naszą stronę z układami scalonymi liniowymi, aby znaleźć potrzebne komponenty.

Bądź na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.