1.6 MOSFET tranzistor

 

Tranzistore s efektom polja moguće je izvesti i na načine koji se razlikuju od izvedbe spojnog tranzistora s efektom polja. Promatraju se dvije vrste FET tranzistora koje za odvajanje metalne npr. aluminijski nadzorne elektrode, od poluvodičkog dijela FET-a, koriste posebni sloj oksidnog materijala, najčešće kvarca - SiO2. Iz metalo-oksidne poluvodičke izvedbe tog tranzistora slijedi i naziv MOSFET (Metal-Oxid-Semiconductor Field Effect Transistor) tranzistor. MOSFET tranzistor se naziva i FET tranzistorom s odvojenim zasunom ili IGFET (Insulated-Gate Field Effect Transistor) tranzistor. Zavisno o načinu izvedbe i djelovanju kanala razlikuju se osiromašeni i obogaćeni MOSFET tranzistor.

Zbog postojanja izolirajućeg sloja nadzorne elektrode, ulazni otpor MOSFET tranzistora od 1010 do 1015  , je puno veći od ulaznog otpora spojnog FET tranzistora. To znači, kao i u slučaju FET tranzistora, da se za većinu primjena iznos struje u zasunu može zanemariti. Međutim, taj dobitak se ne ostvaruje bez popratnih gubitaka. Pojava statičkih naboja može lako oštetiti izolirajući oksidni sloj. Budući oskidni sloj djeluje kao vrlo tanki dielektrik kondenzatora, mali statički naboj tvori dovoljno veliki naboj koji probija sloj i razara tranzistor. Radi neutralizacije statičkog naboja, MOSFET tranzistor se isporučuje s međusobno vodljivo povezanim stezaljkama. Uporaba zahtjeva pažljivo rukovanje radi sprječavanja uništenja elementa statičkim elektricitetom.

1.6.2 MOSFET tranzistor obogaćenog tipa

 

Tipičnu izvedbu MOSFET tranzistora obogaćenog tipa prikazuje slika 1.6-3(a). Dva jako dopirana područja materijala n+tipa se nanose na tijelo elementa p-tipa, znak + označava jako dopirani poluvodički materijal. Izvodi uvoda S i odvodaD se postavljaju na n+ područja. Nadzorna elektroda G se postavlja iznad sloja izolirajućeg oksida, SiO2. U idealnom slučaju između izolirajućeg sloja i ostalog dijela elementa ne postoji vodljiva veza. U ovoj izvedbi tranzistora ne postoji kanal između uvoda i odvoda. U stvari između uvoda i odvoda postoje dvije diode načinjene od dva pn+ spoja. Kod normalnog rada tranzistora, kada je napon na odvodu pozitivniji od napona na uvodu, radi nepropusno polariziranogpn+spoja odvoda teče struja zanemarivog iznosa. Ta struja teče od uvoda prema odvodu sve dok je napon na nadzornoj elektrodi pozitivniji u odnosu na uvod.

Slika 1.6-3 (a) Izvedba n-kanalnog MOSFET tranzistora obogaćenog tipa i (b) električki simbol. (c) Električki simbol p-kanalnog MOSFET tranzistora obogaćenog

tipa

 

Električki simbol obogaćenog MOSFET tranzistora prikazuje slika 1.6-3(b). Crta između odvoda D, tijela B, i uvoda S je prikazana crtkano čime se naglašava odsutnost kanala. Radi razloga koji će biti navedeni kasnije, tranzistor se naziva nkanalnim. Električki simbol komplementarnog tranzistora (tijelo n tipa, uvod i odvod p+ tipa) prikazuje slika 1.6-3(c). Tranzistor se naziva p-kanalnim. Radi manje veličine, veće brzine prebacivanja i usklađenosti s digitalnim logičkim krugovima, n-kanalni MOSFET tranzistor se koristi više od p-kanalnog MOSFET tranzistora. Zato se u daljnjem izlaganju opisuju rad i karakteristike n-kanalnog MOSFET tranzistora.

Slika 1.6-4 Građa n-kanalnog MOSFET tranzistora obogaćenog tipa kada je (a) uGS < UGS0, (b)uGS > UGS0 i uDS < uGS - UGS0 i (c) uGS > UGS0 i uDS  uGS - UGS0

Kada je uDS  uGS - UGS0, kanal je sužen, prema slici 1.6-4(c). Budući je uDS = uGS - uGD, suženje kanala je jednako suženju kada je uGD  UGS0, što kazuje da je napon između zasuna i odvoda nedovoljan za održavanje kanala na strani odvoda. Praktična posljedica toga je stanje kada povećanje napona uDS iznad napona uGS - UGS0 ne mijenja oblik kanala i iznos struje odvoda iD ostaje približno stalnim.

 

U omskom području gdje je:

                                                                                                         (1.6-5)

 

                                                                                                 (1.6-6)

 

izraz za struju odvoda glasi

 

                                                                                 (1.6-7)

 

pri čemu je K konstanta jedinice A/V2.

Do granice između omskog i aktivnog područja se dolazi, na temelju izraza (1.6-6), kada je uDS = uGS - UGS0. Za veće iznose uDS struja odvoda je, na temelju izraza (1.6-7), u idealnom slučaju stalne vrijednosti K(uGS -UGS0)2. Međutim, ako se doprinos utjecaja uDS na iD opiše dodatnim članom, za struju odvoda slijedi

 

                                                                                     (1.6-8)

 

kada je

 

                                                                                                         (1.6-9)

 

                                                                                                 (1.6-10)

 

određeno je aktivno područje. Vrijednost konstante UA je u rasponu od 30 do 200 V.

Slika 1.6-5 prikazuje karakteristike n-kanalnog MOSFET tranzistora obogaćenog tipa kod kojeg je Ut = 4 V, UA = 200 V, a K = 0.4 mA/V2.

Slika 1.6-5 Karakteristike MOSFET tranzistora obogaćenog tipa: (a) struja odvoda na početku područja suženog kanala i (b) struja odvoda prema naponu uDS uz

različite vrijednosti naponauGS

 

1.6.3 Modeli MOSFET tranzistora u režimu malih signala

 

Modeli MOSFET tranzistora osiromašenog i obogaćenog tipa u režimu malih signala su oblikom jednaki modelima spojnog FET tranzistora prikazanog na slikama 1.5-5(a) i (b). Budući izraz za struju odvoda spojnog FET tranzistora, (1.5-10), i izraz za struju odvoda osiromašenog MOSFET tranzistora, (1.6-4), imaju jednaki oblik, jednadžbe koje određuju vrijednosti strminegm (1.5-12) i izlaznog otpora riz (1.5-13)za spojni FET vrijede i za osiromašeni MOSFET.

 

Za određivanje strmine i izlaznog otpora obogaćenog MOSFET tranzistora koristi se izraz (1.6-8), te je

                                                     (1.6-11)

                                                             (1.6-12)

 

Definicije strmine i izlaznog otpora MOSFET tranzistora odgovaraju prethodno navedenim definicijama kod spojnog FET tranzistor.

 

MOSFET sklop s aktivnim kočenjem ima sljedeću funkciju u AEG:

- propušta struju neposredno od baterije do motora u trenutku kad se kontakti okidača spoje; kroz kontakte okidača teče vrlo slaba struja koja ima funkciju pobuđivanja MOSFET prekidača; ovime se uklanja velika boljka klasičnih AEG koji su preko kontakata okidača puštali prejaku struju koja je iste kontakte s vremenom trošila i nakon određenog perioda okidač čak i onesposobila (pogotovo su rizične bile puške s kojima se često puca na single)

- zaobilazi se protok struje od baterije do motora preko okidača koji u pravilu ima veći otpor nego samo vodiči (ovo se pogoršava s trošenjem okidača), čime se podiže ROF

- aktivno kočenje u trenutku okidanja i prestanke protoka struje brzo zaustavlja motor. čime se rasterećuje opruga i motor kod sljedećeg okidanja

Prvi prototip koji smo testirali bio je pravljen za struje do 20A, što je ipak premalo za većinu replika. Podosta se grijao, a bio je i popriličnih dimenzija pa ga se nije tako lako moglo ugurati u AEG. Dobra odlika mu je bila što pri aktivnom kočenju nije dolazilo do iskrenja na četkicama motora, što je npr. boljka Extrem Fire MOSFET elemenata. 

Na temelju testiranog, predložio sam da dimenzije novog modela ne budu veće od 50x15x10mm, dakle formata kutije osigurača na većini AEG. 

(http://i425.photobucket.com/albums/pp336/ntomlino/m1.jpg)

Novi model ja ček i nešto manji, što se vidi na sljedećoj slici. Za razliku od starog, u stanju je izdržati i 100A, što je više nego dovoljno za bilo koji AEG (tipične struje u

AEG su 10-30A). Također je u stanju izdržati temeperaturu od 160 st C (vrlo brzo okidanje na single, kroz period od 30 sekundi, zagrijalo ga je "tek" na 100 st C; ovakvo okidanje je esktremno i nije realno očekivati da će ga netko ponoviti na terenu).

Ugradnja je jednostavna, ali opet nije za osobe koje se ne razumiju u AEG. Potrebno je otvoriti gearbox i "preokrenuti" kontakte kako bi radili s ovim sklopom. Jako pohvalno je da iz samog sklopa idu svega 4 žice, što je rezultat logičkog razmišljanja (drugi komercijalni modeli imaju 5 ili 6 žica).

Ugrađen u pušku, sklop zauzima vrlo malo prostora. Bez problema stanje i u CAR-15, koja ima jedan od manjih prostora za bateriju uopće.

Okidanje je čisto, a klip se uvijek vraća u prednji položaj, čime se rasterećuje opruge i sprečava prekomjerno i naglo opterećenje motora kod idućeg okidanja.