Zasada działania MOSFET

1. wprowadzenie

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) to tranzystor o działaniu pola szeroko stosowany w nowoczesnych obwodoch elektronicznych. Kontroluje przełączanie prądu poprzez tworzenie lub blokowanie kanału przewodzącego poprzez zastosowanie pola elektrycznego. MOSFET charakteryzują się wysoką wydajnością sterowania, niskim zużyciem energii i szybką prędkością przełączania, co czyni je niezbędnymi zarówno w systemach cyfrowych, jak i analogowych.

2. Struktura

MOSFET składa się zazwyczaj z następujących części:

Wrota: Elektroda metalowa lub polikrzemowa izolowana od półprzewodnika warstwą dielektryczną (zwykle dwutlenkiem krzemu, SiO2).

Źródło i odpływ: dwa silnie dopingowane obszary typu N osadzone w podłożu półprzewodnikowym typu P.

Ciała (substrat): zazwyczaj półprzewodnik typu P. W większości projektów obwodu, ciało jest skrócone do źródła, aby utrzymać stały potencjał i zmniejszyć zakłócenia efektów ciała.

3. Zasada działania

MOSFET działa przez kontrolowanie, czy powstaje przewodzący kanał między źródłem a ujściem, w zależności od napięcia bramki.

3.1 Stan wyłączony

Gdy napięcie bramki wynosi 0 V lub jest niższe niż próg napięcia (Vth):

Na powierzchni podłoża P-typu nie powstaje przewodzący kanał.

Istnieje wysoki impedans między źródłem a drenem, co prowadzi do prawie braku przepływu prądu.

MOSFET jest w stanie „wyłączonym”, funkcjonując jak otwarty przekaźnik.

3.2 Stan włączony

Gdy napięcie na bramce (VGS) przekracza napięcie prógowe (VGS > Vth):

Powstaje pionowe pole elektryczne pod warstwą dielektryka bramki.

To pole przyciąga elektrony z podłoża typu P do powierzchni półprzewodnika i odpędza dziury, tworząc warstwę inwersyjną typu N.

Ten kanał przewodzący łączy źródło i ujecie, pozwalając na przepływ prądu od ujecia do źródła (zgodnie z konwencjonalnym kierunkiem przepływu prądu).

4. Kluczowe Charakterystyki

MOSFETy mają następujące właściwości elektryczne:

Urządzenie sterowane napięciem: prąd jest regulowany przez napięcie bramki, a ze względu na izolujący tlenek bramkowy prawie nie przepływa prąd bramkowy, co prowadzi do nadzwyczaj niskiego zużycia mocy w stanie statycznym.

Szybka prędkość przekazywania: Idealne dla obwodów wysokoczęstotliwościowych, w tym RF i cyfrowego przekazywania.

Niska dissypacja mocy: Energię zużywają tylko podczas przejść przekazywania, co czyni MOSFET-y odpowiednimi dla urządzeń przenośnych i oszczędzających energię.

5. Zastosowania

MOSFET-y są powszechnie używane w następujących obszarach:

Obwody cyfrowe: Działają jako przekaźniki w bramkach logicznych, flip-flopach i tranzystorach w CPU.

Obwody analogowe: Funkcjonują jako wzmacniacze napięcia, followers źródła oraz regulatory prądu.

Zarządzanie energią: Używane w przekonwertowaniach DC-DC, przełącznikach mocy oraz obwodach sterowania silnikiem.

6. podsumowanie

Głównym zadaniem MOSFET jest kontrolowanie przepływu prądu za pomocą pola elektrycznego. Stosując napięcie do bramki, indukuje się tymczasowy kanał przewodzący na powierzchni półprzewodnika, co umożliwia włączenie lub wyłączenie przepływu prądu. Ten mechanizm nadaje MOSFETowi doskonałą reaktywność, niskie zużycie energii i szeroką zastosowalność w nowoczesnych urządzeniach elektronicznych i elektroenergetycznych.