Komplexný úvod do MOSFET

MOSFET (Metal-Oxid-Semiconductorový poľový tranzistor) je napäťovo riadené zariadenie riadené elektrickým poľom. Slúži ako základná súčiastka v integrovaných obvodoch aj diskrétnych zariadeniach a vďaka svojej jednoduchej štruktúre, rýchlej reakcii a ľahkej integrovateľnosti sa široko používa v rôznych analógových a digitálnych obvodových systémoch.

Vývoj MOSFET-u výrazne pokročil v technológiách výkonovej elektroniky, riadenia energie, návrhu počítačových čipov a automobilovej elektroniky.

1. Podrobná štruktúra

Koreňová štruktúra MOSFET-u pozostáva zo štyroch základných oblastí:

• Zdroj: Bod, kde sú injektované elektróny alebo diery; slúži ako vstupný svorkový bod prúdu.
• Dren: Svorka, cez ktorú nosiče opúšťajú; je to výstupná svorka prúdu.
• Hradlo: Určuje, či sa vytvorí vodivý kanál pôsobením vonkajšieho napätia; funguje ako spínač. Zvyčajne je pokryté tenkou oxidovou vrstvou (SiO₂) s vynikajúcimi izolačnými vlastnosťami.
• Substrát: Základný polovodičový materiál zariadenia, zvyčajne slabé dopovaný P-typ alebo N-typ kremík.

Typ substrátu a vzťah ku kanálu:

• NMOS: Substrát P-typu + zdroj/zberač N-typu; vodivými nosičmi sú elektróny.
• PMOS: Substrát N-typu + zdroj/zberač P-typu; vodivými nosičmi sú diery.
• Rozdiel medzi režimom obohatenia a vyprázdenia:
• Režim obohatenia: Normálne vypnutý; na vedenie je potrebné napätie hradla.
• Režim vyprázdenia: Normálne zapnutý; po aplikovaní napätia hradla sa stáva nevodivým.

2. Princíp činnosti (riadenie poľom)

Činnosť MOSFET tranzistora je založená hlavne na princípe poľového efektu, ktorý riadi rozloženie vodivých nábojových nosičov v polovodiči.

• MOSFET s kanálovým typom zosilnenia (Enhancement-Mode NMOSFET): Keď sa na riadiacu elektrodu (gate) priamo pripojí kladné napätie, P-typový substrát pod hradlom pritiahne elektróny vďaka elektrickému poľu, čím vznikne N-typová inverzná vrstva a vytvorí sa vodivý kanál medzi zdrojom a drenom.
• MOSFET s kanálovým typom zosilnenia (Enhancement-Mode PMOSFET): Ak sa na riadiacu elektrodu (gate) priamo pripojí záporné napätie, diery budú pritiahnuté ku povrchu N-typového substrátu, čo vytvorí P-typový kanál umožňujúci vodivosť medzi zdrojom a drenom.

Ovládanie stavov zapnutia a vypnutia:

Spínacie správanie MOSFET-u je určené napätím medzi hradlom a zdrojom (VGS):

Ak VGS ≥ Vth (prahové napätie), kanál sa vytvorí a zariadenie sa zapne.

Ak VGS < Vth, kanál zmizne a zariadenie sa vypne.

3. Hlavné metódy klasifikácie

MOSFET-y možno kategorizovať rôznymi spôsobmi na základe rôznych kritérií:

NMOS súčiastky sa častejšie používajú v aplikáciách s vysokou frekvenciou a vysokým výkonom vďaka vyššej pohyblivosti elektrónov a nižšiemu odporu v zapnutom stave.

4. Typické oblasti použitia

MOSFET je vhodný pre rôzne scenáre od nízkovýkonového riadenia až po vysokonapäťový pohon:

• Digitálne obvody a logický návrh: CMOS logické hradlá, zložené z komplementárnych NMOS a PMOS, tvoria základ mikroprocesorov, mikrokontrolérov a pamäťových čipov. Moderné SoC (System-on-Chip) integrujú miliardy MOSFET-ov.
• Napájanie a riadenie výkonu: Ako efektívne spínače sa široko používajú v DC-DC konvertoroch, spínaných napájaciach zdrojoch (SMPS), invertoroch a ovládačoch LED. Podporujú mäkké spínanie, nízke EMI a vysokoefektívne návrhy.
• Analogové obvody: MOSFET tranzistory sa používajú ako napäťové zosilňovače, zdroje konštantného prúdu a analogové spínače. Výborne fungujú v audiozosilňovačoch a výkonových spätnoväzbových slučkách.
• Automobilový a priemyselný riadiaci systém: MOSFET tranzistory sa široko používajú v automobilových ECU, ovládačoch motorov a palubných nabíjačkách (OBC). Používajú sa aj v pohonných moduloch, PLC a náhradách relé v priemyselnej automatizácii.
• Snímače a detekčné systémy: MOSFET tranzistory sa používajú na stavbu obvodov pre čítanie signálov v CMOS snímačoch obrazu, infrakamerách a MEMS snímačoch. Slúžia ako predzosilňovače pre detekciu signálov s vysokou citlivosťou.

5. Záver

Vďaka vynikajúcim elektrickým vlastnostiam, jednoduchej štruktúre a vysokému stupňu ovládateľnosti sa MOSFET tranzistory stali neoddeliteľnou súčasťou elektronického priemyslu.

Od spotrebných elektronických zariadení a komunikačných systémov až po priemyselnú automatizáciu a nové energetické elektromobily – ich použitie je všadeprítomné.

Pochopením ich štruktúry, princípov a vlastností použitia možno efektívnejšie vykonať výber zariadenia, návrh systému a optimalizáciu produktov.