Išsamus paaiškinimas apie MOSFET

MOSFET (Metal-Oksido puslaidininkio lauko efekto tranzistorius) yra įtampa valdoma įranga, kuriai valdyti naudojamas elektrinis laukas. Ji tarnauja kaip pagrindinė dalis integruotuose grandinėse ir atskirose įrangose bei dėl paprastos struktūros, greito atsako ir lengvos integracijos yra plačiai naudojama įvairiose analoginėse ir skaitmeninėse grandinėse.

MOSFET plėtra reikšmingai prisideda prie technologijų vystymosi galios elektronikoje, energijos valdyme, kompiuterių mikroschemų kūrimo srityse ir automobilių elektronikoje.

1. Išsami struktūra

MOSFET branduolį sudaro keturios bazinės sritys:

• Šaltinis: taškas, kuriame injektuojami elektronai arba skylės; tai yra elektros srovės įvesties terminalas.
• Drena: terminalas, per kurį išeina krūvininkai; tai yra elektros srovės išvesties terminalas.
• Vartai: Valdo, arba sukuria laidą kanalą taikant išorinę įtampą; veikia kaip jungiklis. Paprastai yra padengti plona oksido sluoksniu (SiO₂), kuris turi puikią izoliacijos savybę.
• Pagrindas: Pagrindinė puslaidininkio medžiaga, iš kurios pagaminta įranga, paprastai silpnai legiruotas P tipo arba N tipo silicis.

Pagrindo tipas ir kanalo sąryšis:

• NMOS: P tipo pagrindas + N tipo šaltinis/drenažas; laidumo nešėjai yra elektronai.
• PMOS: N tipo pagrindas + P tipo šaltinis/drenažas; laidumo nešėjai yra skylės.
• Skirtumas tarp stiprinimo ir ištuštinimo režimų:
• Stiprinimo režimas: Normaliai išjungtas; reikalinga vartų įtampa laidumui užtikrinti.
• Ištuštinimo režimas: Normaliai įjungtas; tampa nepralaidus, kai pritaikoma vartų įtampa.

2. Veikimo principas (lauko valdymo)

MOSFET veikimas daugiausiai grindžiamas lauko efektu, kuris kontroliuoja krūvio nešėjų pasiskirstymą puslaidininkyje.

• Pagalbos režimo NMOSFET: Kai prie vartų pritaikomas teigiamas įtampa, po vartų esantis P tipo pagrindas traukia elektronus dėl elektrinio lauko, sukurdamas N tipo inversijos sluoksnį ir tarp šaltinio bei nutekėjimo formuojant laidumo kanalą.
• Pagalbos režimo PMOSFET: Kai prie vartų pritaikoma neigiama įtampa, skylės yra traukiamos į N tipo pagrindo paviršių, sukuriant P tipo kanalą, kuris leidžia kurti srovę tarp šaltinio ir nutekėjimo.

Įjungimo ir išjungimo būsenų valdymas:

MOSFET jungiklio elgseną nulemia vartų-šaltinio įtampa (VGS):

Kai VGS ≤ Vth (slenkstinė įtampa), susidaro kanalas ir prietaisas įsijungia.

Kai VGS < Vth, kanalas dingsta ir prietaisas išsijungia.

3. Pagrindiniai klasifikavimo metodai

MOSFET tranzistorius galima klasifikuoti įvairiais būdais pagal skirtingus kriterijus:

Dėl didesnio elektronų judumo ir mažesnės įtampos NMOS įrenginiai dažniau naudojami aukštos kokybės ir aukštos dažninės aplikacijose.

4. Tipinės taikymo sritys

MOSFET tranzistoriai tinka įvairioms situacijoms – nuo mažos galios valdymo iki aukštos įtampos varomųjų sistemų:

• Skaitmeninės grandinės ir loginis projektavimas: CMOS loginiai vartai, sudaryti iš komplementarių NMOS ir PMOS, yra mikroprocesorių, mikrovaldiklių ir atminties mikroschemų pagrindas. Šiuolaikiniuose SoC (System-on-Chip) integruojami milijardai MOSFET tranzistorių.
• Maitinimo šaltinis ir galios valdymas: kaip efektyvūs jungiamieji įrenginiai, jie plačiai naudojami DC-DC keitikliuose, impulsiniuose maitinimo šaltiniuose (SMPS), invertoruose ir LED apšvietimo įrenginiuose. Jie palaiko minkštą perjungimą, mažą EMI ir aukšto efektyvumo konstrukcijas.
• Analoginės grandinės: MOSFET tranzistoriai naudojami kaip įtampos stiprintuvai, pastoviųjų srovių šaltiniai ir analoginiai jungikliai. Jie puikiai veikia garso stiprintuvuose ir galios grįžtamųjų ryšių kilpose.
• Automobiliai ir pramonės valdymas: MOSFET tranzistoriai plačiai naudojami automobilių valdymo vienetuose (ECU), variklių valdikliuose ir borto įkrovikliuose (OBC). Taip pat jie taikomi variklių moduliuose, programuojamuosiuose loginės kontrolės įrenginiuose (PLC) ir relės keitimuose pramonės automatizacijoje.
• Jutikliai ir detekcijos sistemos: MOSFET tranzistoriai naudojami kaip signalų nuskaitymo grandinės sudarymui CMOS vaizdo jutikliuose, infraraudonųjų spindulių jutikliuose ir MEMS jutikliuose. Jie tarnauja kaip priekinių stiprintuvų elementai aukštos jautrumo signalų detekcijai.

5. Išvados

Turėdami puikią elektrinę kokybę, paprastą struktūrą ir didelį kontroliuojamumą, MOSFET tranzistoriai tapo nepakeičiamomis komponentėmis elektronikos pramonėje.

Nuo vartotojiškų elektroninių prietaisų ir ryšių įrangos iki pramonės automatizacijos ir naujųjų energijų elektrinių automobilių – jų panaudojimas yra visur.

Supratus jų struktūrą, principus ir pritaikymo savybes galima veiksmingiau atlikti įrenginių pasirinkimą, sistemos projektavimą bei produkto optimizavimą.