Пълно въведение в MOSFET

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) е управляван от напрежение компонент, който се контролира чрез електрическо поле. Той служи като основен компонент както в интегрални схеми, така и в дискретни устройства и се използва широко в различни аналогови и цифрови схемни системи поради простата си конструкция, бърза реакция и леснота при интегриране.

Развитието на MOSFET значително е подтикнало напред технологиите в областта на силовата електроника, управлението на захранването, проектирането на компютърни чипове и автомобилната електроника.

1. Подробна структура

Основната структура на MOSFET включва четири базови области:

• Източник: Точката, където електроните или дупките се инжектират; това е входният терминал на ток.
• Дренаж: Терминалът, през който носителите напускат; това е изходният терминал на тока.
• Затвор: Контролира дали се образува проводим канал чрез прилагане на външно напрежение; действа като ключ. Обикновено е покрит с тънък оксиден слой (SiO₂) с отлични изолационни свойства.
• Субстрат: Основният полупроводников материал на устройството, обикновено слабо легиран с P-тип или N-тип силиций.

Връзка между типа субстрат и канала:

• NMOS: Субстрат от P-тип + източник/дренаж от N-тип; носители на заряда са електроните.
• PMOS: Субстрат от N-тип + източник/дренаж от P-тип; носители на заряда са дупките.
• Разлика между режимите Усиление и Изчерпване:
• Режим Усиление (Enhancement): Нормално изключен; изисква напрежение на затвора за провеждане.
• Режим Изчерпване (Depletion): Нормално включен; става непроводим, когато се приложи напрежение на затвора.

2. Принцип на работа (управление чрез електрическо поле)

Принципът на работа на MOSFET се основава предимно на ефекта на електрическото поле, което контролира разпределението на носителите на заряд в полупроводника.

• MOSFET с режим на усилване: Когато положително напрежение се подава към електродната врата, P-тип подложката под нея привлича електрони поради електрическото поле, формирайки N-тип инверсионен слой и създавайки проводящ канал между източника и дренажа.
• MOSFET с режим на усилване (PMOS): Когато отрицателно напрежение се подава към електродната врата, дупките се привличат към повърхността на N-тип подложката, формирайки P-тип канал, който позволява провеждането между източника и дренажа.

Контрол на включено и изключено състояние:

Превключвателното поведение на MOSFET се определя от напрежението между вратичка и източник (VGS):

Когато VGS ≤ Vth (прагово напрежение), каналът се формира и устройството се включва.

Когато VGS < Vth, каналът изчезва и устройството се изключва.

3. Основни методи за класификация

MOSFET транзисторите могат да бъдат категоризирани по различни начини въз основа на различни критерии:

NMOS устройствата се използват по-широко в приложения с висока честота и високи параметри, поради по-високата подвижност на електроните и по-ниското съпротивление в отворено състояние.

4. Типични области на приложение

MOSFET транзисторите са подходящи за различни сценарии, вариращи от управление с ниско потребление на енергия до управление с високо напрежение:

• Цифрови вериги и логическо проектиране: CMOS логически елементи, съставени от комплементарни NMOS и PMOS, формират основата на микропроцесорите, микроконтролерите и чиповете за памет.Съвременните SoC (системи на един чип) интегрират милиарди MOSFET транзистори.
• Електрозахранване и управление на мощност: Като ефективни превключващи устройства те широко се използват в DC-DC преобразуватели, превключващи захранвания (SMPS), инвертори и драйвери за LED осветление.Поддържат мекото превключване, ниския ЕМП и високата ефективност при проектирането.
• Аналогови вериги: MOSFET транзисторите се използват като усилватели на напрежение, източници на постоянен ток и аналогови ключове. Те се представят отлично в аудиоусилватели и обратни връзки за захранване.
• Автомобилна и индустриална автоматика: MOSFET транзисторите се използват широко в автомобилни ЕCU, контролери за електродвигатели и бордови зарядни устройства (OBC). Те намират приложение също в модули за задвижване, програмируеми логически контролери и релсни замени в индустриалната автоматизация.
• Сензори и системи за детекция: MOSFET транзисторите се използват за изграждане на вериги за четене на сигнали в CMOS сензори за изображения, инфрачервени сензори и MEMS сензори. Те служат като предварителни усилватели за високочувствително откриване на сигнали.

5. Заключение

Поради отличните си електрически характеристики, простата конструкция и високата управляемост MOSFET транзисторите са станали незаменими компоненти в електронната индустрия.

От потребителска електроника и комуникационно оборудване до индустриална автоматизация и нови енергийни електромобили, приложенията им са навсякъде.

Чрез разбирането на тяхната структура, принципи и функционални особености, човек може по-ефективно да извърши избор на устройство, проектиране на система и оптимизация на продукта.