171. Полевой транзистор: принцип, режимы, порог и сопротивление канала, плато Миллера, паразитный диод

Раздел 52 разобрал полевой транзистор как ключ: затвор — конденсатор, медленный фронт — тепло, верхний и нижний ключ. Здесь — сам прибор: что происходит при разных напряжениях на затворе, почему «порог 2 В» не значит «открыт при 3,3 В», откуда берётся плато в осциллограмме затвора, как канал ведёт себя с нагревом и почему полевой транзистор не умеет запирать ток в обратную сторону.

Все числа ниже — модели ngspice двух N-канальных транзисторов с явно заданными параметрами: с логическим уровнем (порог 1,6 В) и обычного (порог 3,5 В), в остальном одинаковых.

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
gate / drain / source	затвор / сток / исток
gate threshold voltage VGS(th)	пороговое напряжение затвор-исток
on-state resistance RDS(on)	сопротивление открытого канала
cutoff / ohmic (linear, triode) / saturation region	отсечка / омическая / область насыщения
logic-level MOSFET	транзистор с логическим уровнем управления
output characteristics	выходные характеристики
total gate charge (Qg)	полный заряд затвора
gate-drain charge (Qgd), Miller plateau	заряд затвор-сток, плато Миллера
normalized on-resistance vs temperature	нормированное сопротивление канала по температуре
paralleling	параллельное включение
linear mode operation	работа в линейном режиме
body diode	паразитный (внутренний) диод
reverse conduction	обратная проводимость
back-to-back MOSFETs	встречно включённые транзисторы

171.1 Принцип и режимы

Затвор отделён от канала тонким слоем окисла — это конденсатор. Когда напряжение затвор-исток выше порога, у поверхности под затвором собираются носители, и между стоком и истоком появляется проводящий канал. Постоянного тока затвор не берёт; управляет напряжение.

⚠️ Путаница в словах. «Насыщение» полевого транзистора — это аналог активного режима биполярного: ток задаёт управляющий вывод. А ключ работает в омической области — там, где у биполярного было бы насыщение. Ключ, который «вошёл в насыщение» полевого, открыт не полностью и греется.

У дискретного транзистора подложка внутри корпуса соединена с истоком, а сток образует с ней p-n переход. Это и есть паразитный диод: анод — исток, катод — сток (у N-канального).

171.2 Выходные характеристики

Ток стока транзистора с логическим уровнем от напряжения сток-исток:

При малом Uси прямые идут из нуля — это омическая область: транзистор — резистор, и чем выше Uзи, тем он меньше. При большом Uси ток перестаёт расти с напряжением на стоке и задаётся затвором — область насыщения, и растёт он быстрее, чем линейно: 9,5 → 31,1 → 80,6 А.

171.3 Порог — не «открыт»

Нагрузка 12 Ом от 12 В (ток до 1 А), затвор от 2,5 до 10 В:

Пороговое напряжение в документации — это напряжение, при котором течёт ничтожный ток, обычно четверть миллиампера: транзистор на пороге только начинает открываться. Рабочим является сопротивление канала при вашем напряжении на затворе. У транзистора с логическим уровнем от вывода 3,3 В — 43,8 мОм и 43,4 мВт тепла на ампере; обычный от того же вывода пропускает 2,25 мА — нагрузка не включается вовсе. При 10 В на затворе оба почти одинаковы.

Правило из раздела 52.4 отсюда и берётся: выбирать транзистор по строке сопротивления канала при 2,5…4,5 В, а не по порогу.

171.4 Заряд затвора и плато Миллера

Затвор заряжают постоянным током 1 мА; нагрузка 12 Ом от 12 В. Время в микросекундах численно равно заряду в нанокулонах:

Пока падает напряжение на стоке, почти весь ток затвора уходит на перезаряд ёмкости затвор-сток, и напряжение на затворе стоит на месте — плато Миллера. От порога до конца плато — 2,24 нКл, и всё это время транзистор одновременно проводит ток и держит напряжение: греется.

Как это выглядит от вывода МК: 3,3 В через 470 Ом, на плато ток затвора (3,3 − 1,78) / 470 = 3,2 мА, и плато длится 0,69 мкс. От драйвера затвора с током в сотни миллиампер — наносекунды (раздел 52.3). И второе следствие: заряд до 3,3 В — 7,16 нКл, до 10 В — 19,2 нКл, в 2,7 раза больше; «полный заряд затвора» из документации дан при 10 В.

171.5 Температура: сопротивление растёт — и это хорошо

С нагревом сопротивление открытого канала растёт: и сам канал, и толща кристалла под ним горячими проводят хуже. Тот же транзистор с логическим уровнем, нагрузка 12 Ом от 12 В:

К 125 °C сопротивление при 10 В на затворе выросло в 1,66 раза, при 3,3 В — в 1,46 раза. В документации сопротивление канала дают при 25 °C, а горячий кристалл — обычное рабочее состояние: тепло считают по сопротивлению при рабочей температуре, с графика нормированного сопротивления из той же документации.

Зато параллельные транзисторы сами делят ток. Два одинаковых на общей нагрузке 6 Ом от 12 В (2,00 А), затвор 10 В, один на 60 °C горячее:

Горячий берёт меньше тока и остывает — ток выравнивается сам. У диодов и биполярных транзисторов наоборот: горячий открыт сильнее и перетягивает ток на себя (169.2).

Но только открытые полностью. У самого порога работает другое: порог с нагревом снижается, и при Uзи 1,65 В ток через тот же транзистор при 25 °C — 130 мА, а при 85 °C — 815 мА, в 6,3 раза больше. В линейном режиме — плавный пуск на ёмкость, источник тока, электронная нагрузка — горячий транзистор открывается сильнее и перетягивает ток, как биполярный. Параллельно в таком режиме полевые транзисторы без выравнивающих резисторов в истоках не ставят.

171.6 Паразитный диод и обратный ток

Пустим через транзистор ток 1 А в обратную сторону — из истока в сток:

С закрытым каналом ток всё равно идёт — через паразитный диод, с его 0,755 В и 0,755 Вт тепла. С открытым каналом тот же ток идёт через канал: канал проводит в обе стороны, и потери в 30,5 раза меньше.

Три следствия: - полевой транзистор не запирает обратный ток — чтобы запереть обе стороны (защита аккумулятора, коммутация между двумя источниками), ставят два транзистора встречно, истоками друг к другу; - «идеальный диод» и защита от переполюсовки используют открытый канал в обратном направлении: 24,8 мВ вместо 0,755 В диода; - в мосту на время «мёртвой паузы», пока оба ключа закрыты, ток нагрузки идёт через паразитные диоды.

171.7 Грабли

Транзистор с порогом 2 В не открывается от 3,3 В. Порог — ток в доли миллиампера; смотреть сопротивление канала при 2,5 или 4,5 В.

Ключ горячий, хотя транзистор «открыт». Работает в области насыщения, а не в омической: мало напряжения на затворе.

Тепло на ключе больше расчёта. Считали по сопротивлению канала при 25 °C, а при 125 °C оно в 1,66 раза больше.

На осциллограмме затвора «ступенька», фронт затянут. Плато Миллера: перезаряд ёмкости затвор-сток; от вывода МК через 470 Ом — 0,69 мкс.

Драйвер рассчитан по «полному заряду затвора», а фронт хуже. Фронт задаёт не полный заряд, а заряд Миллера при вашем напряжении стока, делённый на ток затвора на плато, (Uупр − Uплато) / R, — не на пиковый ток драйвера. От вывода 3,3 В через 470 Ом пиковый ток 7,0 мА дал бы плато 0,32 мкс, а на плато течёт 3,2 мА, и оно длится 0,69 мкс. Если сток выше, чем в строке документации, заряд Миллера ещё больше.

Параллельные транзисторы в плавном пуске: один сгорел. У порога горячий открывается сильнее; в линейном режиме — резисторы в истоках или один транзистор с запасом.

Выключенный ключ пропускает ток при обратной полярности. Паразитный диод; два транзистора встречно или «идеальный диод» на полевом транзисторе.

Путают «насыщение» полевого с насыщением биполярного. У полевого ключ — омическая область.

171.8 Итоги

• Режимы полевого: отсечка, омическая область (резистор — ключ), область насыщения (источник тока — не ключ).
• С логическим уровнем при 1 А: 65,8 / 43,8 / 33,8 / 24,8 мОм при Uзи 2,5 / 3,3 / 4,5 / 10 В; обычный от 3,3 В пропускает 2,25 мА.
• Заряд затвора: порог 2,11 нКл, плато Миллера 1,78 В до 4,34 нКл, до 3,3 В — 7,16 нКл, до 10 В — 19,2 нКл.
• Температура: при 10 В на затворе 24,8 мОм при 25 °C и 41,0 мОм при 125 °C; открытые параллельные делят ток сами (1,16 и 0,83 А), у порога — наоборот.
• Обратный ток 1 А: через паразитный диод −0,755 В, через открытый канал −24,8 мВ.

Дальше: раздел 172 «Ключи».