Przed lekturą tej części upewnij się, że znasz materiał z kursu podstaw elektroniki – poziom I, w którym omówiliśmy tranzystory bipolarne. Na tym etapie oczywiste powinno być chociażby to, że element taki posiada trzy wyprowadzenia. Ważne jest też to, że tranzystory bipolarne są elementami sterowanymi prądowo – oznacza to, że w celu „włączenia” elementu podłączonego do tranzystora musimy sprawić, aby przez jego bazę przepłynął prąd o odpowiedniej wartości.

Podział tranzystorów unipolarnych 

Tranzystory unipolarne występują w wielu różnych odmianach, a każda diametralnie różni się od pozostałych. Tym razem omówimy popularne tranzystory MOSFET (ang. metal-oxide semiconductor field-effect transistor), bo to właśnie one są najczęściej wykorzystywane w sytuacjach, gdy konieczne jest sterowanie jakimś podzespołem, który pobiera duży prąd (np. silnikiem).

Warto w tym miejscu od razu nadmienić, że większość układów scalonych jest produkowana właśnie z użyciem wyłącznie tranzystorów unipolarnych (występują one również np. w pamięciach). W dalszej części tego poradnika omówimy właściwości, które sprawiają, że tranzystory tego typu są tak często wykorzystywane w tych zastosowaniach.

Jak jest zbudowany tranzystor MOSFET?

Wewnętrzna budowa tranzystora to trudny temat, ale w skrócie można napisać, że w środku MOSFET-a znajdziemy:

• bramkę, oznaczoną jako G (ang. gate) – jest to metalizowana powłoka,
• izolator z tlenku krzemu – oddzielający bramkę od innych podzespołów,
• podłoże, oznaczone jako B (ang. bulk) – półprzewodnik domieszkowany przeciwnie do rodzaju kanału (za chwilę powiemy sobie, czym są kanały),
• dren, oznaczony jako D (ang. drain), oraz źródło, oznaczone jako S (ang. source) – to obszary o domieszkowaniu przeciwnym do podłoża, na którym się znajdują.

Odrobina teorii (dla dociekliwych)

Jeżeli dodamy do krzemu tzw. donory, czyli atomy posiadające o jeden elektron walencyjny więcej niż krzem (np. fosfor), to uzyskamy półprzewodnik typu N. W takim półprzewodniku nośnikiem prądu stają się wolne elektrony, pochodzące z domieszki. Z kolei półprzewodnik typu P powstaje po dodaniu tzw. akceptorów, czyli atomów posiadających o jeden elektron walencyjny mniej od krzemu (np. aluminium). W ten sposób powstają tzw. dziury, czyli umowne byty o ładunku dodatnim.

Na przykład tranzystory z kanałem typu N (do takich zalicza się BS170, który znajduje się w zestawie do tego kursu) posiadają podłoże typu P, a dren i źródło są typu N. Występują również tranzystory z kanałem typu P – w ich przypadku podłoże jest domieszkowane donorami, a dren i źródło akceptorami.

Zasada działania tranzystora MOSFET

Z uwagi na ich popularność poniżej omówione zostały tzw. tranzystory z kanałem wzbogaconym, w których kanał powstaje po przyłożeniu napięcia między bramkę a źródło. Drugi typ tranzystorów MOSFET, z tzw. kanałem zubożanym, nie będzie tutaj omawiany.

Przez wyłączony tranzystor w obwodzie dren-źródło nie płynie prąd. Dzieje się tak, ponieważ dren znajduje się na potencjale wyższym niż stykające się z nim podłoże (zwarte ze źródłem), co polaryzuje utworzone tam złącze p-n zaporowo. Innymi słowy, znajdująca się tam „niechcący” dioda zostaje zatkana. Ta dioda jest często umieszczana nawet na schematach ideowych, wewnątrz MOSFET-a.

Sytuacja zaczyna się zmieniać, jeżeli do bramki zaczniemy przykładać napięcie dodatnie względem źródła. Bramka jest odizolowana od pozostałych elementów tranzystora, dlatego nie płynie przez nią prąd. Naprzeciw bramki, po drugiej stronie izolatora, znajduje się podłoże zawierające dużo nośników dodatnich. Dodatni potencjał bramki odpycha je w głąb podłoża, przez co w obszarze pod bramką pozostają atomy domieszek i elektrony, przyciągnięte z całego podłoża.

Skąd się wzięły te elektrony? W półprzewodniku typu P znajdują się one w sposób naturalny (pochodzą od krzemu), ale ich liczebność jest wiele tysięcy razy mniejsza niż dziur. Kiedy warstwa elektronów robi się odpowiednio „gruba”, tworzy się kanał, przez który może płynąć prąd między drenem a źródłem. Kanał ten jest typu N, ponieważ tworzą go elektrony – stąd drugi człon nazwy.

Kiedy tranzystor zaczyna przewodzić?

Zasadne jest postawienie pytania: przy jakim napięciu bramka-źródło przez tranzystor może płynąć prąd? Parametr ten nazywany jest napięciem progowym (U_GSth) – po jego przyłożeniu w tranzystorze tworzy się kanał. W rzeczywistości prąd przez tranzystor płynie przy dowolnym napięciu bramka-źródło, jednak może on mieć bardzo, ale to bardzo małą wartość.

Producenci zawsze podają napięcie progowe przy ustalonym prądzie drenu (ID). Uznaje się wtedy, że płynący prąd jest już „znaczący”, co jest kwestią umowną. Niestety, każdy producent inaczej definiuje napięcie progowe, tj. przy wygodnym dla niego prądzie drenu. Najlepiej sprawdzić to „dla treningu” w dokumentacjach kilku tranzystorów. Na przykład poniższy zrzut jest fragmentem noty katalogowej układu 2N7000, który jest bardzo podobny do BS170.

Najważniejsze parametry tranzystorów MOS

Tranzystory MOSFET mają, podobnie jak bipolarne, całe mnóstwo rozmaitych parametrów. Skupimy się jednak na tych, które są najistotniejsze z punktu widzenia „sterowanego włącznika”, czyli zastosowania, do którego najczęściej wykorzystują je majsterkowicze.

• Rezystancja otwartego kanału – kiedy napięcie bramka-źródło (UGS) jest kilkukrotnie wyższe od progowego, wówczas utworzony kanał jest na tyle szeroki, że dalsze jego poszerzanie niczego nie zmienia, ponieważ w grę wchodzą inne ograniczenia, takie jak szerokość obszaru drenu czy rezystancja kontaktów. W tym stanie tranzystor zachowuje się jak rezystor o rezystancji od kilku omów do kilku miliomów.

• Maksymalne napięcie bramka-źródło – bramkę od źródła oddziela bardzo cienka warstwa dielektryka, który może zostać przebity, jeżeli przyłoży się do niego zbyt wysokie napięcie.

• Maksymalny prąd drenu – czyli maksymalny prąd, jakim można sterować za pomocą tranzystora.
• Maksymalne napięcie dren-źródło – tak jak przy maksymalnym UGS – przekroczenie dopuszczalnego UDS może zniszczyć tranzystor.
• Maksymalna moc strat – wynika z nagrzewania tranzystora podczas przepływu prądu.

Jak szybko uszkodzić MOSFET-a?

W przeciwieństwie do tranzystorów bipolarnych tranzystory MOSFET są bardzo wrażliwe na ładunki elektrostatyczne. Ładunki takie gromadzą się wszędzie, również na powierzchni naszego ciała. Charakterystyczne „kopanie prądem” człowiek wyczuwa przy różnicach potencjałów rzędu tysięcy woltów. Takie same napięcia mogą odkładać się w strukturze tranzystora, bo przecież jego bramka jest doskonale odizolowana od drenu i źródła.

Dlaczego o tym wspominamy? Wystarczy zajrzeć do jakiejkolwiek noty katalogowej tranzystora tego typu, aby dowiedzieć się, że maksymalne napięcie UGS to zaledwie 20 V!

Z tego powodu tranzystory te powinno przechowywać się w antystatycznych woreczkach, które łatwo poznać po tym, że wykonane są z metalicznie wyglądającego materiału. Alternatywnie można je też wetknąć w specjalną gąbkę przewodzącą, która zewrze ze sobą wszystkie trzy wyprowadzenia. Zwarcie między nóżkami rozładuje bramkę i zniweluje zagrożenie.

Jeśli nie mamy dostępu do woreczków antystatycznych lub specjalnej gąbki, to wyprowadzenia tych tranzystorów można zewrzeć np. folią aluminiową. Z kolei gdy budujemy jakiś większy układ, np. lutując go na płytce, to tranzystory MOSFET warto zamontować na samym końcu (o ile jest to możliwe).

Oczywiście nie warto też popadać w skrajności. Podczas ćwiczeń możesz dotykać tego elementu tak samo jak wszystkich innych. Szansa, że go uszkodzisz, jest stosunkowo mała. Warto jednak mieć na uwadze, że teoretycznie jest to możliwe i może się kiedyś zdarzyć, że taki tranzystor nie będzie działał poprawnie. Warto wtedy rozładować zgromadzone w sobie ładunki i zabrać się za eksperymenty z nowym tranzystorem.

Tranzystor MOSFET – wpływ rezystora bramki

Z tranzystorów MOSFET najczęściej korzysta się tak, jakby były to przełączniki sterowane napięciem. Elementy te są bardzo popularne w tym zastosowaniu z dwóch powodów. Po pierwsze, ich bramka nie pobiera żadnego prądu. Po drugie, w związku z niską rezystancją otwartego kanału występują tu bardzo małe straty (a to zawsze jest dużą zaletą).

Najlepiej sprawdzić to w praktyce. Tym razem do wykonania ćwiczenia potrzebne są:

• 1 × buzzer z generatorem,
• 1 × tranzystor BS170,
• 1 × rezystor 100 R,
• 1 × rezystor 1 kΩ,
• 1 × rezystor 1 M,
• 4 × bateria AA,
• 1 × koszyk na 4 baterie AA,
• 1 × płytka stykowa,
• komplet przewodów połączeniowych.

Musimy złożyć teraz prosty układ, w którym będziemy podmieniać rezystor połączony z bramką – na początek niech ma on 10 kΩ. Jeśli chcesz, to dla bezpieczeństwa przy składaniu układu możesz zewrzeć sreberkiem nóżki tranzystora – pamiętaj tylko, aby zdjąć je tuż przed podłączeniem baterii.

W praktyce układ może wyglądać następująco:

Jeśli układ został poprawnie zmontowany, to buzzer powinien piszczeć. W takiej sytuacji warto zmierzyć, jaki prąd płynie przez buzzer oraz jakie jest napięcie między drenem i źródłem tranzystora. Warto też zmierzyć napięcie między wyprowadzeniami rezystora.

Gdy pomiary są gotowe, wymieniamy rezystor na większy, czyli na 1 MΩ, i ponawiamy pomiary, później to samo dla rezystora 100 Ω. Na koniec warto też sprawdzić, co stanie się, jeśli podłączymy bramkę przez rezystor do masy.

W tym doświadczeniu za każdym razem tranzystor był sterowany bardzo silnie – jego napięcie UGS przekraczało wartość napięcia progowego. Stało się tak, ponieważ źródło podłączono do masy, a bramkę do napięcia zbliżonego do +6 V, podczas gdy napięcie progowe tego tranzystora wynosiło od 2 do 3 V. Z kolei połączenie bramki z masą (czyli przy okazji ze źródłem) spowodowało zanik kanału i brak przepływu prądu, ponieważ UGS = 0.

Dane zebrane w tabeli wyraźnie przedstawiają stan zatkania i nasycenia tranzystora. W stanie nasycenia (gdy UGS jest znacznie większe od UGSth) rezystancja pomiędzy drenem a źródłem jest znikoma, stąd spadek napięcia jest rzędu kilu mV, zaś do drenu wpływa prąd ograniczany jedynie przez buzzer. W stanie zatkania opór jest na tyle wysoki, że prąd drenu praktycznie nie płynie, zaś prawie całe napięcie odkłada się pomiędzy drenem a źródłem. Wszystkie te obserwacje są niezależne od zastosowanego rezystora bramki (sytuacja wyglądałaby inaczej w przypadku bazy tranzystorów bipolarnych).

Jeżeli w działającym układzie zostanie wyjęty rezystor (czego nie polecamy robić z uwagi na możliwość uszkodzenia tranzystora), to buzzer może nadal piszczeć. Dlaczego? Bramka jest oddzielona od kanału izolatorem – tworzy się więc tam pojemność, czyli jest tam mały, wewnętrzny kondensator. Jeśli został on raz naładowany za pośrednictwem rezystora, to po jego wyjęciu będzie nadal utrzymywał to napięcie. Dopiero po pewnym czasie, wskutek nieidealności izolatora, ulegnie on rozładowaniu.

Tranzystor MOSFET – wpływ napięcia bramki

Wiemy już, że rezystor przy bramce MOSFET-a nie wpływa na działanie układu, bo bramka nie pobiera praktycznie żadnego prądu. W takiej sytuacji zmiana rezystora, który ogranicza maksymalny prąd w tej gałęzi, nic tu nie zmienia. Tutaj kluczowe jest napięcie bramka-źródło.

Dlatego tym razem sprawdzimy, jak zachowa się ten układ, gdy na bramkę będziemy podawać różne napięcie. W tym celu wykorzystamy oczywiście potencjometr w roli dzielnika napięcia. Kręcąc główką potencjometru, będziemy mogli regulować płynnie napięcie, które trafia na bramkę.

Układ w praktyce może wyglądać następująco:

Po włączeniu zasilania buzzer może piszczeć lub nie – wszystko zależy od ustawienia potencjometru. Na początek warto skręcić go maksymalnie w jedną stronę, aby układ nie wydawał żadnego dźwięku. W takiej sytuacji na bramkę trafia bardzo małe napięcie, więc nic się nie dzieje. Zaczynamy więc powoli przekręcać główkę potencjometru w drugą stronę. W pewnym momencie buzzer zacznie wydawać cichy dźwięk – to znak, że tranzystor zaczyna przewodzić (bo przekroczono napięcie progowe).

Warto w tej sytuacji zmierzyć, jakie napięcie występuje między bramką a źródłem (czyli masą). Podczas wykonywania tego eksperymentu buzzer zaczynał u nas piszczeć, gdy napięcie to wynosiło 1,86 V.

Dalsze przekręcanie potencjometru sprawia, że buzzer piszczy głośniej. Jesteśmy więc w obszarze liniowym – wzrost napięcia dopływającego do bramki sprawia, że między źródłem a drenem przepływa większy prąd. W pewnym momencie dojdziemy jednak do punktu, w którym dalsza zmiana ustawień potencjometru nie wpłynie już na głośność buzzera – to tzw. obszar nasycenia, który występuje, gdy na bramkę podajemy ponad 2,6 V. W tej sytuacji prąd płynący przez MOSFET jest ograniczany tylko przez buzzer połączony szeregowo z drenem.

Kiedy warto stosować MOSFET-y?

Tranzystory bipolarne i unipolarne to wdzięczne elementy, ale pojawia się pytanie: kiedy je stosować? Oba rodzaje mają swoje wady i zalety, dlatego w niektórych aplikacjach jedne zyskują przewagę nad drugimi. Używanie tranzystorów bipolarnych jest z pewnością warte uwagi, gdy układ zasilany jest niskim napięciem (np. 1,5 V czy 3,3 V), ponieważ do działania wystarczy mu napięcie rzędu 0,7 V. Tranzystor unipolarny może jeszcze nie być w pełni otwarty w takich warunkach.

MOSFET-y są zalecane do sterowania obciążeniami pobierającymi prądy rzędu amperów, ponieważ element sterujący (np. Arduino) praktycznie nie musi dostarczać im prądu – wystarczy ustawienie odpowiednio wysokiego potencjału. Aby w pełni otworzyć tranzystor, należy między bramkę a źródło przyłożyć napięcie kilkukrotnie wyższe od progowego (jest to napięcie włączenia).

Stosowanie tranzystorów unipolarnych jest zalecane tam, gdzie liczy się pobór prądu. W niektórych zastosowaniach, zwłaszcza w układach zasilanych z małych baterii, nawet te kilka mikroamperów pobieranych przez bazę tranzystora bipolarnego potrafi wyraźnie skrócić czas pracy urządzenia.

Między emiterem i kolektorem w pełni włączonego (nasyconego) tranzystora bipolarnego odkłada się ustalone napięcie – typowo 0,2 V, ale wartość ta może być większa dla tranzystorów dużej mocy. Tranzystory unipolarne cechują się jedynie rezystancją otwartego kanału, przez co spadek napięcia na nich jest zależny od płynącego prądu.

Na koniec jeszcze jedna uwaga praktyczna. Jeżeli musimy wysterować np. 10 tzw. superjasnych diod świecących, każdą przez odrębny tranzystor, to tranzystorów bipolarnych należałoby użyć 10, wraz z 10 rezystorami, po jednym do bazy każdego z nich. Tymczasem użycie MOSFET-ów wyeliminuje konieczność stosowania dodatkowych rezystorów, co zaoszczędzi miejsce na płytce.

Multiwibrator astabilny na tranzystorach MOSFET

Tranzystory MOSFET mają podobne działanie do swoich bipolarnych „kolegów”, więc można z nich tworzyć podobne układy. W ramach kolejnego eksperymentu praktycznego zbudujemy multiwibrator astabilny na bazie tranzystorów MOSFET. Podczas pierwszego kursu elektroniki opisywaliśmy taki układ na bazie tranzystorów bipolarnych. Wtedy schemat wyglądał następująco:

Tym razem musimy wykonać jednak drobną zmianę. Nowy schemat będzie wyglądał w taki sposób:

Oprócz zmiany samych tranzystorów zmienił się także układ połączeń. Rezystory R1 i R2 mają tę samą rolę co poprzednio, czyli ograniczają prąd płynący przez diody świecące. Jednak rezystory R3 i R4, które wcześniej zasilały bazy tranzystorów wprost z baterii, teraz polaryzują bramki prosto z drenów. Oba tranzystory mają oddzielną polaryzację – potencjał drenu jest „przenoszony” przez rezystor na bramkę.

W stanie ustalonym, bez kondensatorów, każda z diod świeciłaby się lekko. Na bramkach ustaliłyby się (poprzez rezystory R3 i R4) pewne potencjały: mniejsze od zasilania (6 V) i większe od 0 V. Mniejsze od 6 V, ponieważ przyłożenie 6 V do bramki spowodowałoby pełne otwarcie takiego tranzystora i spadek potencjału jego drenu do zera. Większe od 0 V, ponieważ przyłożenie 0 V do bramki spowodowałoby zatkanie tranzystora i wzrost potencjału jego drenu do 6 V.

Kondensatory C1 i C2 sprzęgają te tranzystory ze sobą. Zatykanie jednego (spadek potencjału bramki) powoduje samoczynne otwieranie drugiego (wzrost potencjału bramki). Im bardziej otwarty jest tranzystor, tym jaśniej świeci dioda. Wtedy też silniej zatykany jest jego sąsiad. W tym układzie szybko wykształca się stan, w którym tranzystory pracują praktycznie dwustanowo: jeden z nich przewodzi prąd, potem drugi i cykl się zamyka.

Dodatkowy rezystor przy bramce?

Na wielu schematach można zobaczyć następujący obrazek: w szereg z bramką tranzystora MOSFET włączony jest stosunkowo mały rezystor (o wartości kilkunastu, kilkudziesięciu omów). Przykładowy schemat tego typu widoczny jest na kolejnej ilustracji – na razie nieważne, co to dokładnie za obwód. Skupmy się jedynie na analizie fragmentu z tranzystorem.

Mimo że prąd stały praktycznie nie płynie przez bramkę (minimalny przepływ wynika jedynie z niedoskonałości dielektryka), to prąd zmienny robi to z wielką przyjemnością. Dzieje się tak, bo między bramką a pozostałymi elektrodami znajduje się izolator. Skutkuje to pojawieniem się tam pojemności o całkiem znaczącej wartości.

Te kondensatory trzeba naładować podczas włączania tranzystora oraz rozładować, chcąc tranzystor wyłączyć. Producenci starają się, by pojemności te były jak najmniejsze, ponieważ tylko wtedy można szybko je przeładować. Dla omawianego BS170 producent podaje 40 pF pojemności wejściowej, czyli zsumowaną wartość obydwu wyróżnionych kondensatorów.

Z kolei popularny BUZ11 ma pojemność wejściową na poziomie 2 nF, czyli aż 50-krotnie większą! Dodanie rezystora wydłuża wprawdzie czas przeładowywania tej pojemności, lecz zmniejsza prąd płynący przez wyjście sterownika.

Najpopularniejsze tranzystory MOSFET

W sklepach dostępnych jest kilkaset rodzajów tranzystorów MOSFET, a liczba ogółem produkowanych typów jest wielokrotnie większa. Dla początkujących przydatne będą jednak te, które są tanie i łatwo dostępne w handlu detalicznym. Przykładowe, które warto znać, to:

IRFZ44N – można go łatwo przykręcić do radiatora, cechuje się niską rezystancją otwartego kanału (17,5 mΩ) i potrafi przewodzić duże prądy (do 49 A). Niestety ma wysokie napięcie progowe (2–4 V), dlatego zalecamy sterowanie nim z wyższego napięcia, np. 12 V.

IRL2703 – jest nieco słabszy (maksymalny prąd drenu 24 A) i posiada wyższą rezystancję otwartego kanału (40 mΩ), za to jego napięcie progowe wynosi około 1 V, a zatem można się pokusić o sterowanie nim wprost z mikrokontrolera zasilanego napięciem 5 V.

BSS123 – dostępny jest w niewielkiej obudowie montowanej powierzchniowo (SMD), co może utrudnić montaż początkującym elektronikom. Jego parametry nie są zachwycające: rezystancja otwartego kanału 10 Ω (przy U_GS = 4,5 V) i maksymalny prąd drenu 170 mA. Doskonale nadaje się jednak do bezpośredniego sterowania z mikrokontrolerów zasilanych napięciem 5 V.

Podsumowanie

Tranzystory unipolarne to olbrzymi zbiór elementów, które bez wątpienia są przydatne. Niniejszy artykuł miał na celu tylko przekrojowe omówienie najistotniejszej dla majsterkowiczów grupy, czyli tranzystorów typu MOSFET z kanałem wzbogacanym.

Minimum, jakie należy zapamiętać z tej lekcji, to informacja, że tranzystory MOSFET to elementy, w których płynący prąd zależy od wartości przyłożonego napięcia, a nie od prądu bazy. Dzięki temu MOSFET-y nie pobierają praktycznie żadnego prądu z układu, który steruje ich pracą.

Autorzy kursu: Damian Szymański, Michał Kurzela, ilustracje: Piotr Adamczyk. Zakaz kopiowania treści kursów oraz grafik bez zgody FORBOT.pl. Data ostatniego sprawdzenia tego wpisu: 12.01.2025.

elektronika, kurs, kursElektroniki2, mosfet, tranzystory