Работен принцип на MOSFET

1. Въведение

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) е полев транзистор, широко използван в съвременните електронни кръгове. Той контролира преминаването на ток чрез образуване или блокиране на проводещ канал чрез прилагане на електрическо поле. MOSFET-ите разполагат с висока ефективност на управление, ниска энергопотребление и бърза скорост на комутация, което ги прави незаменими както в цифровите, така и в аналоговите системи.

2. Да се съобразяваме. Структура

Типичен MOSFET се състои от следните части:

Врата: Метална или полиsilicon електрод, изолирана от полупроводника чрез диелектричен слой (обикновено двуокис силициум, SiO₂).

Източник и дрен: Две силно допирани N-тип региони, вградени в P-тип полупроводников субстрат.

Тяло (Субстрат): Обикновено е P-типов полупроводник. В повечето схемни проекти тялото е свързано с източника, за да се поддържа фиксиран потенциал и да се намали влиянието на тяловия ефект.

3. Принцип на функциониране

MOSFET работи чрез контролиране дали се формира проводещ канал между източника и дренaта, в зависимост от напрежението на вратата.

3.1 Статус Изключен

Когато напрежението на вратата е 0 В или по-ниско от праговото напрежение (Vth):

Няма образуван проводен канал върху повърхността на P-типа субстрат.

Има висока импеданса между източника и дренажа, което води до почти нулев ток.

MOSFET е в "изключен" режим, функционирайки като отворен ключ.

3.2 Включен състояние

Когато гейтовото напрежение (VGS) надхвърля граничното напрежение (VGS > Vth):

Вертикално електрическо поле се формира под диелектричния слой на вратовият.

Това поле привлича електрони от P-тип субстрат към повърхнината на полупроводника и отблъсква дупки, създавайки N-тип инверсионен слой.

Този проводещ канал свързва източника и дренажа, позволявайки ток да протича от дренажа до източника (според традиционното посока на тока).

4. Ключови характеристики

MOSFET-ите имат следните електрически характеристики:

Устройство с управление по напрежение: Тока се регулира чрез вратовото напрежение, а благодарение на изолиращия вратов ксида, почти няма вратов ток, което води до екстремно ниско статично разходване на енергия.

Бърза скорост на комутация: Идеални за високочестотни кръгове, включително РЧ и цифрови комутации.

Ниско разходване на мощност: Мощност се разхваща само по време на фазите на комутация, което прави МОСФЕТ-ите подходящи за переносими и енергийно ефективни системи.

5. Приложения

МОСФЕТ-ите се използват често в следните области:

Цифрови кръгове: Действат като ключове в логически вратове, тригери и транзистори в ЦПУ-та.

Аналогови кръгове: Функционират като напрегателни усилватели, източници на последователност и регулатори на тока.

Управление на енергията: Използват се в DC-DC преобразувачи, енергийни ключове и кръгове за управление на мотори.

6. Резюме

Основната функция на MOSFET е да контролира потока на тока чрез електрическо поле. Прилагането на напрежение към вратата индуцира временен проводен канал на повърхността на полупроводника, което позволява или блокира преминаването на ток. Този механизъм дава на MOSFET неговите отлични реакция, ниско потребление на енергия и широка приложимост в модерните електронни и енергийни устройства.