Як мультиметром перевірити польовий транзистор (мосфети)

В сучасній електроніці MOSFET-транзистори є одними з найбільш широко застосовуваних радіоелементів. Незважаючи на свою надійність, вони нерідко виходять з ладу, що пов'язано з порушеннями режиму в їх роботі. При цьому пошук несправного елемента в зв'язку зі специфікою пристрою польового транзистора викликає певні труднощі. Але знаючи принцип роботи радіодеталі, перевірити мосфети мультиметром не так вже й складно.

Особливості роботи MOSFET

Відмінність польового транзистора від класичного біполярного полягає в тому, що його робота залежить від прикладеної напруги, а не струму. У літературі часто такий радіоелемент називають МОП-транзистор (метал-оксид-напівпровідник) або МДП-транзистор (метал-діелектрик-напівпровідник). В англійському варіанті його назва звучить як мосфети, утворене від MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor).

Польові транзистори є активними елементами, тобто їх робота неможлива без додатка до висновків напруги. Вперше ідея створення приладу, потік носіїв заряду в якому управляється величиною прикладеної напруги, була запропонована австро-угорським вченим Юлієм Лилиенфельд. Однак відсутність технологій створення такого пристрою дозволило випустити прототип лише в 1960 році. З 1977 році мосфети почали застосовувати при виробництві електронно-обчислювальних машин, тим самим збільшуючи продуктивність останніх.

Різні вчені світу постійно ведуть дослідження щодо поліпшення роботи електронного приладу, тому на сьогоднішній день винайдено і впроваджено у виробництво кілька видів польових транзисторів. Кожен з них має свої переваги й недоліки, але загальний принцип роботи у них однаковий.

Види і конструкція

Розділяють мосфети на дві групи. Залежно від виду керуючого електрода вони можуть бути: з p-n переходом і ізольованим затвором. Останнім часом першого виду елементи починають використовувати все рідше. Транзистори з керуючим p-n переходом конструктивно представляють собою напівпровідниковий підставу, основними носіями заряду якого можуть бути як дірки (p-тип) так і електрони (n-тип).

На кінцях підстави виконуються висновки, звані стік і джерело. До цих контактах підключається керована частина схеми. Управління ж приладом відбувається через третій висновок транзистора (затвор), утворений шляхом з'єднання з підставою провідника зворотного провідності. Таким чином, p-n транзистор має три висновки:

1. Исток – вхід, через який надходять основні носії енергії.
2. Сток – вихід пристрою, через який йдуть основні носії енергії.
3. Затвор – висновок керуючий проходженням зарядів через прилад.

Залежно від типу провідності керуючого електрода такі мосфети діляться на n і p типу.

Радіоелемент з ізольованим затвором влаштований інакше. Його затвор відділений від основи шаром діелектрика. При виготовленні приладу використовується напівпровідник, що володіє високим питомим опором. Його називають підкладкою або затвором. На ньому створюються дві зони зі зворотним типом провідності – стік і джерело. Таким чином, виходить три області. Відстань між керованими електродами дуже мало, а відокремлюваний від них затвор покривається шаром діелектрика близько 0,1 мікрометра. Зазвичай в якості діелектрика використовується з'єднання SiO2.

Залежно від способу виготовлення пристрою з ізольованим контактом поділяють на два типи: збіднені і збагачені. Перші випускаються тільки n-типу і можуть мати два затвора, а другі бувають як n, так і p-типу.

Збагаченого типу пристрою називаються транзисторами з індукованим каналом. У них керовані контакти не пов'язані проводять шаром.Тому струм на стоці з'являється тільки при додатку певної різниці потенціалів до затвору щодо витоку. Збіднені транзистори в своїй конструкції містять вбудований канал, через що транзистор реагує на напругу як позитивної, так і негативної полярності.

характеристики радіоелементу

На схемах і в літературі прийнято позначати мосфети латинськими буквами VT, після яких йде його порядковий номер в схемі. Графічно польовий елемент зображується колом, в середині якого малюються прямі лінії, що позначають шлях проходження струму. На виведення затвора вказується у вигляді стрілки тип провідності. Затвор, стік і джерело підписуються відповідно буквами латинського алфавіту – S, D, G.

Польові пристрої характеризуються безліччю параметрів. Але серед основних виділяють наступні характеристики:

1. Напруга між керованими електродами. Показує величину напруги, яке може витримати транзистор без погіршення своїх параметрів. Тобто практично це максимальне напруга джерела живлення, на роботу з яким розрахований транзистор.
2. Сила струму стоку. Зазвичай вказується максимальне значення для певної величини постійної напруги, прикладеного до затвора – витоку.
3. Імпеданс каналу стік-витік у відкритому стані. Чим це значення буде більше, тим гірше працює транзистор, так як на опорі виникають втрати енергії, і збільшується нагрів мосфети.
4. Потужність розсіювання. Залежить від температури навколишнього середовища. Цей параметр зображується у вигляді характеристики, яка б показала залежність потужності від температури.
5. Рівень насичення каналу витік-затвор. Позначає граничну величину різниці потенціалів, при подоланні якої струм через канал не проходить.
6. Поріг включення. Це мінімальне напруження, яке необхідно докласти до транзистора для відкриття його провідного каналу.
7. Ємність затвора. Істотний недолік польових транзисторів пов'язаний саме з цим параметром. Так, через паразитного ємності обмежити сферу застосування пристроїв в високочастотних ланцюгах, знижуючи швидкість перемикання режимів роботи.

Важливо також знати, що мосфети чутливі до статичної електрики, особливо це стосується приладів з ізольованим затвором. Тому проводячи перевірку польового транзистора мультиметром, слід надіти на обидві руки антистатичні браслети, при цьому також не варто надягати на себе вовняний одяг.

Принцип роботи

Суть роботи радіоелементу з ізольованим затвором полягає в управлінні величиною струму, що проходить через нього, за допомогою зміни різниці потенціалів. Коли до витоку і затвору прикладається напруга, то в приладі утворюється електричне поле поперечне додається. Це поле збільшує число вільних носіїв заряду в приповерхневому шарі.

Через це біля діелектрика починає накопичуватися значна кількість носіїв заряду, в результаті чого формується зона провідності. Через цю область починає протікати струм, тобто між керованими висновками. При знятті напруги з відкритого затвора провідність зникне, і протягом струму припиниться.

Трохи інші процеси відбуваються в роботі польового транзистора з p-n переходом. Якщо на цей перехід подається напруга зворотне основних носіїв заряду, його область починає розширюватися. Збільшення переходу призводить до звуження товщини провідного каналу, а значить, збільшення опору. В результаті проходить між стоком і витоком струм зменшується. Таким чином, змінюючи рівень напруги, змінюється і сила струму, що проходить через транзистор.

способи вимірювання

Для вимірювання параметрів польових транзисторів застосовуються спеціалізовані прилади. В основі їх роботи лежить використання мікроконтролера і вбудованого генератора.Сигнал певного виду подається на контакти транзистора, в результаті чого змінюється. За допомогою вбудованого аналізатора пристрій оцінює ці зміни і перетворює дані в зручну для сприйняття інформацію. Вся суть користування таким вимірником зводиться до встановлення мосфети в спеціальні контактні площадки і натисканні кнопки запуск.

У побуті ж радіоаматорами часто застосовуються саморобні пристрої. Так, найпростішого виду пристосування з декількох елементів дозволяє виміряти опір каналів. Для цього використовується: вольтметр, автомобільна лампочка, джерело напруги і резистор номіналом близько 100 Ом. Зібравши таку схему, можна без праці виміряти Rds радіоелементу, тим самим перевірити мосфети на працездатність.

Але найпростіше і швидше для діагностики радіоелементу використовувати мультиметр. З його допомогою нескладно перевірити мосфети на здатність роботи в ключовому режимі. І якщо за результатами перевірки він нормально відкривається і закривається, то ймовірність його справності дуже велика.

Транзистор з керуючим електродом

Для кращого розуміння процесу перевірки мосфети його можна представити у вигляді еквівалентної схеми як трикутник. Дві сторони такого трикутника є два діода, а третя – резистор. При цьому точка з'єднання діодів вважається затвором, а з'єднання їх з резистором – стоком і витоком.

Представивши еквівалентну схему, можна приступити до перевірки елемента. Для прикладу зручно розглянути один з типів провідності, наприклад, n-тип:

1. Вимірювання опір каналу. Для цього за допомогою перемикача вибору вимірювань мультиметр встановлюється в режим перевірки опору. Межа вимірювання вибирається близько двох мегом. Щупами приладу стосуються стоку і витоку транзистора. В результаті на екрані мультиметра з'явиться число, що дорівнює опору переходу. Після змінюється полярність щупів, і знову вимірюється опір. При справному мосфети ці значення повинні бути приблизно однаковими. Таке підключення на еквівалентній схемі відповідає положенню, коли вимірювалася б величина опору резистора.
2. Перевірка переходу затвор-витік. Для цього мультиметр перемикається в режим прозвонки діодів. Вимірювальним проводом, підключеним до плюса тестера, торкаються до затвору, а мінусовим – до витоку. Підсумком такої дії буде вимір мультиметром падіння напруги на відкритому переході. Його значення має становити приблизно 600-700 мілівольт. На наступному етапі змінюється полярність прикладених дротів. Якщо мосфети справний, тестер покаже нескінченність. Це буде означати, що перехід закритий.
3. Дослідження переходу стік-затвор. Мультиметр залишається в режимі прозвонки діодів. Але позитивним щупом торкаються до затвору, а негативним до стоку. В цьому випадку тестер повинен показати падіння напруги на переході близько 600-700 мілівольт. При зміні полярності в разі працездатності транзистора тестер покаже нескінченність.

Якщо всі три пункти виконалися правильно, мосфети вважається працездатним. Перевірка радіоелементу іншого типу здійснюється аналогічно, тільки змінюється полярність підключення щупів.

Мосфети з ізольованим затвором

Такий виду транзистора має в своєму корпусі вбудований діод, що розташовується між джерелом і стоком, тому спочатку на справність перевіряється саме він. Для його перевірки мультиметр перемикається в режим перевірки діодів, а його щупи підключаються до стоку і витоку. У прямому напрямку прилад повинен показати падіння напруги, а в разі зміни полярності – нескінченність.

Основна перевірка транзистора полягає в імітації його роботи в режимі ключа. У разі радіоелементу n-типу його діагностика здійснюється наступним чином:

1. Мультиметр перемикається на перевірку діодів.
2. Щупом, підключеним до мінуса, доторкаються до витоку, а до плюса – до затвора.
3. Плюсової провід переноситься до стоку. Якщо мосфети робочий, то опір переходу буде дуже низьким, тобто канал стане відкритим.
4. Далі, позитивний щуп підключається до джерела, а негативний – до затвору. Після цих дій транзистор закриється.

За результатами вимірювання робиться висновок про працездатність елемента. Таким чином, дотримуючись послідовність наведених дій, можна перевірити мосфети будь-якого типу на працездатність за допомогою мультиметра.