Kompleksowe wprowadzenie do technologii MOSFET

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) to element sterowany napięciem, kontrolowany polem elektrycznym. Stanowi podstawowy komponent zarówno w układach scalonych, jak i w układach dyskretnych i jest powszechnie stosowany w różnych systemach obwodów analogowych i cyfrowych dzięki prostej strukturze, szybkiej reakcji oraz łatwości integracji.

Rozwój technologii MOSFET znacząco przyczynił się do postępu technologicznego w elektronice mocy, zarządzaniu energią, projektowaniu układów scalonych komputerowych oraz w elektronice samochodowej.

1. Szczegółowa struktura

Główna struktura tranzystora MOSFET składa się z czterech podstawowych obszarów:

• Źródło: Punkt, w którym elektrony lub dziury są iniektowane; służy jako zacisk wejścia prądu.
• Dren: Zacisk, przez który nośniki opuszczają układ; jest zaciskiem wyjścia prądu.
• Bramka: Steruje powstawaniem kanału przewodzącego poprzez przyłożenie zewnętrznego napięcia; działa jak przełącznik. Zwykle pokryta cienką warstwą tlenku (SiO₂) o doskonałych właściwościach izolacyjnych.
• Podłoże: Podstawowy materiał półprzewodnikowy urządzenia, zazwyczaj lekko domieszkowany krzem typu P lub N.

Typ podłoża i zależność z kanałem:

• NMOS: Podłoże typu P + źródło/dren typu N; nośnikami przewodzenia są elektrony.
• PMOS: Podłoże typu N + źródło/dren typu P; nośnikami przewodzenia są dziury.
• Różnica między trybem indukcyjnym a ubytkowym:
• Tryb indukcyjny (enhancement): Domyślnie wyłączony; wymaga napięcia bramki do przewodzenia.
• Tryb ubytkowy (depletion): Domyślnie włączony; staje się nieprzewodzący po przyłożeniu napięcia bramki.

2. Zasada działania (sterowana polem)

Działanie tranzystora MOSFET opiera się głównie na efekcie polowym, który kontroluje rozkład nośników ładunku w półprzewodniku.

• Tranzystor NMOSFET w trybie wzbogacania: Gdy dodatnie napięcie jest przyłożone do bramki, podłoże typu P pod bramką przyciąga elektrony dzięki polu elektrycznemu, tworząc odwróconą warstwę typu N i powstaje kanał przewodzący pomiędzy źródłem a drenem.
• Tranzystor PMOSFET w trybie wzbogacania: Gdy ujemne napięcie jest przyłożone do bramki, dziury są przyciągane do powierzchni podłoża typu N, tworząc kanał typu P, który umożliwia przewodzenie między źródłem a drenem.

Kontrola stanów włączony/wyłączony:

Zachowanie przełączające tranzystora MOSFET zależy od napięcia bramka-źródło (VGS):

Gdy VGS ≤ Vth (napięcie progowe), kanał powstaje i urządzenie włącza się.

Gdy VGS ＜ Vth, kanał znika i urządzenie wyłącza się.

3. Główne metody klasyfikacji

Tranzystory MOSFET mogą być klasyfikowane na różne sposoby w zależności od różnych kryteriów:

Urządzenia typu NMOS są powszechniej stosowane w aplikacjach o wysokiej częstotliwości i wysokiej wydajności ze względu na większą ruchliwość elektronów i niższą rezystancję w stanie przewodzenia.

4. Typowe obszary zastosowań

Tranzystory MOSFET są odpowiednie dla różnych scenariuszy, od sterowania małą mocą po napędzanie wysokim napięciem:

• Cyfrowe obwody i projektowanie logiki: bramki logiczne CMOS, składające się z komplementarnych tranzystorów NMOS i PMOS, stanowią podstawę mikroprocesorów, mikrokontrolerów i układów pamięci. Nowoczesne SoC (System-on-Chip) integrują miliardy tranzystorów MOSFET.
• Zasilanie i kontrola mocy: jako wydajne elementy przełączające, są szeroko stosowane w przetwornicach DC-DC, zasilaczach impulsowych (SMPS), falownikach i sterownikach LED. Obsługują przełączanie miękkie, niski poziom zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) oraz projektowanie o wysokiej sprawności.
• Obwody analogowe: tranzystory MOSFET są używane jako wzmacniacze napięcia, źródła prądu stałą i przełączniki analogowe. Doskonale sprawdzają się we wzmacniaczach audio i pętlach sprzężenia zwrotnego zasilania.
• Automatyka samochodowa i przemysłowa: tranzystory MOSFET są szeroko stosowane w jednostkach sterujących pojazdów (ECU), kontrolerach silników i ładowarkach pokładowych (OBC). Są również wykorzystywane w modułach napędowych, sterownikach PLC i zastępczych układach przekaźników w automatyce przemysłowej.
• Czujniki i systemy wykrywania: Tranzystory MOSFET są stosowane przy budowie obwodów odczytujących sygnały w czujnikach obrazu CMOS, czujnikach podczerwieni oraz czujnikach MEMS. Pełnią funkcję wzmacniaczy front-end do wykrywania sygnałów o wysokiej czułości.

5. wniosek

Dzięki doskonałym właściwościom elektrycznym, prostemu układowi oraz wysokiej kontrolowalności, tranzystory MOSFET stały się nieodzownymi elementami w przemyśle elektronicznym.

Od elektroniki użytkowej i urządzeń komunikacyjnych po automatykę przemysłową i nowe energochłonne pojazdy elektryczne – ich zastosowanie jest powszechne.

Poprzez zrozumienie ich struktury, zasady działania i cech aplikacyjnych można skuteczniej realizować dobór elementów, projektowanie systemów oraz optymalizację produktów.