Werking van MOSFET

1. Inleiding

Een MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) is een veld-effecttransistor die breed wordt gebruikt in moderne elektronische schakelingen. Het regelt het schakelen van stroom door een geleiderskanaal te vormen of te blokkeren door toepassing van een elektrisch veld. MOSFETs onderscheiden zich door hoge controle-efficiëntie, lage energieverbruik en snelle schakelsnelheid, waardoor ze onmisbaar zijn in zowel digitale als analoge systemen.

2. Structuur

Een MOSFET bestaat doorgaans uit de volgende onderdelen:

Poort: Een metaal- of polysiliconen elektrode, geïsoleerd van de halvegeleider door een dielectrische laag (meestal silicondioxide, SiO₂).

Bron en Drain: Twee zwaar gedopeerde N-typeregio's ingebed in een P-type halvegeleidersubstraat.

Lichaam (Substraat): Meestal een P-type halvegeleider. In de meeste schakelontwerpen wordt het lichaam verbonden met de bron om een vaste potentiaal te behouden en storing door het lichaamseffect te verminderen.

3. Werking

De MOSFET werkt door te bepalen of er een geleidende kanaal ontstaat tussen de bron en de drain, afhankelijk van de poortspanning.

3.1 Uitgeschakelde Toestand

Wanneer de poortspanning 0 V is of lager dan de drempelspanning (Vth):

Ontstaat er geen geleidend kanaal op het oppervlak van het P-type substraat.

Er bestaat een hoge impedantie tussen de bron en de drain, waardoor er bijna geen stroomvloeien is.

De MOSFET is in de "uit" staat, functionerend als een open schakelaar.

3.2 Aan staat

Wanneer de poortspanning (VGS) de drempelspanning overschrijdt (VGS > Vth):

Er ontstaat een verticaal elektrisch veld onder de poortisolatielaag.

Dit veld trekt elektronen van het P-type substraat naar het oppervlak van de halvegeleider en stoott gaten weg, waardoor een N-type omkeerlaag ontstaat.

Deze geleidende kanaal verbindt de bron en de afvoer, zodat stroom kan vloeien van de afvoer naar de bron (volgens de conventionele stroomrichting).

4. Belangrijke Kenmerken

MOSFETs hebben de volgende elektrische kenmerken:

Spanningsgecontroleerd apparaat: De stroom wordt gereguleerd door de poortspanning, en door het isolerende poortoxide stroomt er vrijwel geen poortstroom, wat resulteert in ultra-lage statische energieverbruik.

Hoge Schakelsnelheid: Ideaal voor hoogfrequentiecircuits, inclusief RF en digitale schakelingen.

Lage Energieverbruik: Energie wordt alleen verbruikt tijdens de schakelovergangen, wat MOSFETs geschikt maakt voor draagbare en energie-efficiënte systemen.

5. Toepassingen

MOSFETs worden vaak gebruikt in de volgende gebieden:

Digitale Circuits: Fungeren als schakelaars in logische poorten, flip-flops en transistors in CPUs.

Analoge Circuits: Fungeren als spanningversterkers, source followers en stroomregelaars.

Energiebeheer: Gebruikt in DC-DC converters, krachtswitches en motorbesturingsschakelingen.

6. samenvatting

De kernfunctie van een MOSFET is om de stroomstroom te beheersen met behulp van een elektrisch veld. Door spanning toe te passen op de poort, wordt er een tijdelijke geleidingskanaal op het oppervlak van de halvegeleider geïnduceerd, waardoor de stroomgeleiding wordt ingeschakeld of uitgeschakeld. Deze werking geeft de MOSFET zijn uitstekende respons, lage energieverbruik en brede toepasbaarheid in moderne elektronische en krachtapparaten.