Princip fungování MOSFET

1. Úvod

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) je poleový tranzistor široce používaný v moderních elektronických obvodech. Ovládá přepínání proudu tím, že vytváří nebo blokuje vodivý kanál pomocí aplikace elektrického pole. MOSFETy mají vysokou účinnost ovládání, nízkou spotřebu energie a rychlé přepínání, což je dělá nezbytnými jak v digitálních, tak i v analogových systémech.

2. Struktura

Typický MOSFET se skládá z následujících částí:

Vrat: Metální nebo polysilicová elektroda izolovaná od polovodiče dielektrickou vrstvou (obvykle oxidem křemičitým, SiO₂).

Zdroj a dren: Dvě silně dozované N-typové oblasti zabudované v P-typovém polovodičovém podloží.

Tělo (Podloží): Obvykle P-typový polovodič. Ve většině schémat je tělo spojeno s zdrojem, aby se udržela fiktivní potenciál a snížila interference tělesného efektu.

3. Operační princip

MOSFET funguje řízením, zda se mezi zdrojem a drenem vytvoří vodivá cesta, v závislosti na napětí na brance.

3.1 Vypnutý stav

Když je napětí na brance 0 V nebo nižší než prahové napětí (Vth):

Na povrchu P-typového substrátu se nevytvoří žádný vodivý kanál.

Mezi zdrojem a drenem existuje vysoká impedanc, což způsobuje téměř nulový proud.

MOSFET je ve "vypnutém" stavu a funguje jako otevřený spínač.

3.2 Zapnutý stav

Když napětí na vratu (VGS) překročí prahové napětí (VGS > Vth):

Vznikne vertikální elektrické pole pod dielektrickou vrstvou vratu.

Toto pole přitahuje elektrony z P-typového substrátu na povrch polovodiče a odhání díry, čímž vytváří N-typovou inverzní vrstvu.

Tento vodivý kanál spojuje zdroj a spotřebič, což umožňuje prouditému toku proudit ze spotřebiče do zdroje (podle konvenčního směru proudu).

4. Klíčové charakteristiky

MOSFETy mají následující elektrické vlastnosti:

Zařízení řízené napětím: Proud je regulován napětím na brance a kvůli izolační branné oxidové vrstvě téměř netekou branné proudy, což vede k extrémně nízké statické spotřebě energie.

Rychlá přepínací rychlost: Ideální pro vysokočastotné obvody, včetně RF a digitálního přepínání.

Nízká disipace výkonu: Energie je spotřebovávána pouze během přepínacích přechodů, čímž jsou MOSFETy vhodné pro přenosné a energeticky úsporné systémy.

5. Aplikace

MOSFETy se často používají v následujících oblastech:

Digitální obvody: Slouží jako spínače v logických brankách, flip-flopůch a tranzistorech v CPU.

Analogue obvody: Funkčně působí jako zesilovače napětí, zdroje následovníky a regulátory proudu.

Správa energie: Používá se v převodících DC-DC, energetických spínačích a obvodech řízení motorů.

6. Shrnutí

Hlavní funkce MOSFETu je ovládat proudový tok pomocí elektrického pole. Aplikací napětí na vratko se na povrchu polovodiče vytvoří dočasný provedení kanál, kterým je povolen nebo zakázán proudový tok. Tento mechanismus dává MOSFETu vynikající odezvu, nízkou spotřebu energie a širokou použitelnost v moderních elektronických a energetických zařízeních.