Понятие сопротивления сток-исток MOSFET транзистора в открытом состоянии

В данном техническом обзоре рассматриваются некоторые полезные подробности, касающиеся одного из основных параметров MOSFET транзисторов, называемого сопротивлением канала сток-исток в открытом состоянии (или в англоязычной литературе, «on-state resistance»).

Вспомогательная информация

• Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET)

Одной из наиболее заметных спецификаций в технических описаниях на дискретные MOSFET транзисторы является сопротивление сток-исток в открытом состоянии, сокращенно обозначаемое как R_СИ(on) (R_DS(on)). Идея R_СИ(on) кажется очень простой: когда полевой транзистор находится в режиме отсечки, сопротивление между истоком и стоком чрезвычайно велико – настолько велико, что мы предполагаем нулевой ток. Когда напряжение на затворе (V_ЗИ, V_GS) полевого транзистора превышает пороговое напряжение (V_порог, V_TH), он находится в «открытом» (во «включенном») состоянии, а сток и исток соединяются каналом с сопротивлением, равным R_СИ(on) (R_DS(on)). Однако, если вы знакомы с реальным электрическим поведением MOSFET транзисторов, вы должны признать, что эта модель не соответствует реальности.

Во-первых, полевой транзистор не имеет «открытого состояния». Когда полевой транзистор не находится в режиме отсечки (здесь мы игнорируем подпороговую проводимость), он может быть в триодной (линейной) области или в области насыщения. Каждая из этих областей имеет свои соотношения между током и напряжением. Тем не менее, мы можем с уверенностью предположить, что «открыт» соответствует триодной (линейной) области, потому что R_СИ(on) (R_DS(on)) имеет значение в контексте схем ключей, а не усилителей малых сигналов, и схемы ключей (например, для управления двигателем или реле) используют область отсечки и триодную (линейную) область.

Но всё же триодная (линейная) область определяется не просто сопротивлением, а довольно сложным уравнением:

\[I_С=\mu_nC_{ox}\frac{W}{L}\left(\left(V_{ЗИ}-V_{порог}\right)V_{СИ}-\frac{1}{2}V_{СИ}^2\right)\]

Это для MOSFET транзистора с каналом N-типа (NMOS транзистора); MOSFET транзистора с каналом P-типа (PMOS транзистор) будет использовать значение µ_p вместо µ_n.

Однако если мы проигнорируем член \(V_{СИ}^2\), формулу можно упростить следующим образом:

\[I_С=\mu_nC_{ox}\frac{W}{L}\left(V_{ЗИ}-V_{порог}\right)V_{СИ}\]

Теперь у нас есть действительно линейная (т. е. резистивная) зависимость между током сток-исток (I_С, I_D) и напряжением сток-исток (V_СИ, V_DS). Однако это «сопротивление» не является постоянным, как в случае с простым резистором; вернее, это сопротивление равно:

\[\frac{1}{\mu_nC_{ox}\frac{W}{L}\left(V_{ЗИ}-V_{порог}\right)}\]

Это подводит нас к важному вопросу о сопротивлении R_СИ(on) (R_DS(on)): на него влияет напряжение затвор-исток. Вот пример из технического описания на MOSFET транзистор Fairchild NDS351AN:

Типовое пороговое напряжение для этого компонента указано как 2,1 В. Если вы посмотрите быстро на спецификацию V_порог (V_TH) и очень быстро на спецификацию R_DS(on), вы можете подумать, что сможете управлять этим полевым транзистором с помощью логического сигнала 3,3 В и достичь рекламируемых характеристик сопротивления в открытом состоянии. Это было бы немного легкомысленно, учитывая, что в техническом описании четко указано напряжение затвор-исток, соответствующее спецификации R_СИ(on) (R_DS(on)); однако одна или две точки взаимосвязи R_СИ(on)/V_ЗИ не передают информации об экстремальном увеличении сопротивления в открытом состоянии, которое соответствует напряжениям затвор-исток, которые фактически намного выше типового V_порог. Таким образом, мораль истории такова: 1) помните, что сопротивление в открытом состоянии (то есть в линейной области) зависит от V_ЗИ, и 2) для получения подробной информации смотрите график зависимости R_СИ(on) (R_DS(on)) от V_ЗИ (V_GS).

Кроме того, сопротивление в открытом состоянии не равно сопротивлению, выраженному формулой триодной (линейной) области, приведенной выше. Эта формула показывает сопротивление канала MOSFET транзистора, тогда как сопротивление в открытом состоянии охватывает и другие источники сопротивления (соединительные провода, эпитаксиальный слой и т.д.). На характеристики сопротивления влияет технология изготовления, и соответствующие вклады различных составляющих в R_СИ(on) варьируются в зависимости от диапазона напряжений, для которого предназначено конкретное устройство.

Два дополнительных фактора, которые влияют на сопротивление в открытом состоянии, это температура перехода и ток стока, как показано на двух графиках, приведенных ниже, из технического описания NDS351AN:

Таким образом, вам, возможно, придется пройтись по магазинам и провести некоторое время за изучением нескольких технических описаний, прежде чем вы найдете подходящий MOSFET транзистор для схемы конкретного коммутатора.

Теги