Komplexní úvod do MOSFETů

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) je napěťově řízené zařízení ovládané elektrickým polem. Slouží jako základní komponenta v integrovaných obvodech i diskrétních zařízeních a díky své jednoduché struktuře, rychlé odezvě a snadné integraci se široce používá v různých analogových a digitálních obvodových systémech.

Vývoj MOSFET výrazně přispěl k pokroku technologií v oblasti výkonové elektroniky, správy energie, návrhu počítačových čipů a automobilové elektroniky.

1. Podrobná struktura

Základní struktura MOSFETu se skládá ze čtyř základních oblastí:

• Zdroj: Místo, kde jsou elektrony nebo díry injektovány; slouží jako vstupní svorka proudu.
• Sdírání: Svorka, jíž nosiče opouštějí; je to výstupní svorka proudu.
• GATE: Umožňuje vytvoření vodivého kanálu pomocí vnějšího napětí; funguje jako spínač. Obvykle je pokryt tenkou oxidovou vrstvou (SiO₂) s vynikajícími izolačními vlastnostmi.
• SUBSTRÁT: Základní polovodičový materiál součástky, obvykle slabě legovaný P-typ nebo N-typ křemík.

Typ substrátu a vztah k kanálu:

• NMOS: Substrát P-typ + zdroj/drain N-typ; vodivostní nosiče jsou elektrony.
• PMOS: Substrát N-typ + zdroj/drain P-typ; vodivostní nosiče jsou díry.
• Rozdíl mezi režimy obohacení a vyčerpání:
• Režim obohacení: Normálně vypnutý; pro vedení proudu je potřeba napětí na řídicí elektrodě.
• Režim vyčerpání: Normálně zapnutý; při aplikaci napětí na řídicí elektrodu se stává nevodivým.

2. Princip činnosti (řízení elektrickým polem)

Činnost MOSFET tranzistoru je založena hlavně na principu elektrického pole, které řídí rozložení vodivých nábojových nosičů v polovodiči.

• MOSFET s kanálem v režimu obohacení: Při aplikaci kladného napětí na hradlo přitahuje elektrické pole elektrony z P-typového substrátu pod hradlem, čímž vzniká inverzní N-typová vrstva a vytváří se vodivý kanál mezi source a drain.
• MOSFET s kanálem v režimu vyčerpání: Při aplikaci záporného napětí na hradlo jsou do povrchu N-typového substrátu přitahovány díry, které vytvářejí P-typový kanál umožňující vodivost mezi source a drain.

Řízení zapnutého a vypnutého stavu:

Spínací chování MOSFETu je určeno napětím mezi hradlem a zdrojem (VGS):

Je-li VGS ≥ Vth (prahové napětí), vytvoří se kanál a zařízení se zapne.

Je-li VGS < Vth, kanál zmizí a zařízení se vypne.

3. Hlavní způsoby klasifikace

MOSFETy lze klasifikovat různými způsoby podle různých kritérií:

NMOS součástky jsou široce používány v aplikacích s vysokou frekvencí a vysokým výkonem díky vyšší pohyblivosti elektronů a nižšímu odporu v sepnutém stavu.

4. Typické aplikační oblasti

MOSFETy jsou vhodné pro různorodé scénáře od řízení nízkého výkonu po ovládání vysokého napětí:

• Digitální obvody a návrh logiky: CMOS logické členy, složené z komplementárních NMOS a PMOS, tvoří základ mikroprocesorů, mikrořadičů a paměťových čipů. Moderní SoC (System-on-Chip) integrují miliardy MOSFETů.
• Zdroje napájení a řízení výkonu: Jako efektivní spínací součástky jsou široce používány v DC-DC měničích, spínaných zdrojích (SMPS), měničích a řadičích LED diod. Podporují měkké spínání, nízké EMI a návrhy s vysokou účinností.
• Analogové obvody: MOSFETy se používají jako napěťové zesilovače, zdroje konstantního proudu a analogové spínače. Výborně fungují v audiozesilovačích a výkonových zpětnovazebních smyčkách.
• Automobilové a průmyslové řízení: MOSFETy jsou široce využívány v automobilových řídicích jednotkách (ECU), řídicích obvodech motorů a palubních nabíječkách (OBC). Používají se také v pohonných modulech, PLC a náhradách relé v průmyslové automatizaci.
• Senzory a detekční systémy: MOSFETy se používají pro konstrukci obvodů pro čtení signálů v CMOS snímačích obrazu, infradetektorech a MEMS senzorech. Fungují jako předzesilovače pro detekci vysoce citlivých signálů.

5. Závěr

Díky vynikajícím elektrickým vlastnostem, jednoduché struktuře a vysoké řiditelnosti se MOSFETy staly nezbytnými součástkami v elektronickém průmyslu.

Od spotřební elektroniky a komunikačních zařízení po průmyslovou automatizaci a elektromobily s novými energetickými zdroji – jejich použití je všudypřítomné.

Pochoopením jejich struktury, principů a aplikačních vlastností lze efektivněji dokončit výběr zařízení, návrh systému a optimalizaci produktu.