Pracovný princíp MOSFET

1. Úvod

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) je polový-efektový tranzistor, ktorý sa široko používa v moderných elektronických obvodoch. Ovláda prepínanie prúdu formovaním alebo blokovaním vodivého kanála prostredníctvom aplikácie elektrického poľa. MOSFET majú vysokú účinnosť riadenia, nízku spotrebu energie a rýchlu rýchlosť prepínania, čo ich robí nevyhnutnými v digitálnych aj analógových systémoch.

2. Vráť sa. Štruktúra

Typicky MOSFET sa skladá z nasledujúcich častí:

Vratko (Gate): Elektrod z kovu alebo polysilikónu, izolovaná od polovodiča dielektrickou vrstvou (obvykle oxidom kremnía, SiO₂).

Zdroj a Odvod: Dve veľmi dozavané N-typové oblasti zabudované v P-typovom polovodičovom podloží.

Tieleso (Substrate): Obvykle P-typový polovodič. V väčšine schémat je tieleso spojené s zdrojom, aby sa udržal fixný potenciál a znížilo sa rušenie spôsobené tielesovým efektom.

3. Operačný princíp

MOSFET funguje tak, že riadi utváranie alebo neutváranie vodiacej cesty medzi zdrojom a stokom, v závislosti od napätia na bránke.

3.1 Vypnutý stav

Keď je napätie na bránke 0 V alebo nižšie ako prahové napätie (Vth):

Na povrchu P-typového substrátu sa nevytvára žiadna vodiaca cesta.

Medzi zdrojom a stokom existuje veľká impedance, čo spôsobuje, že priebeh prúdu je prakticky nulový.

MOSFET je vo stavu "vypnuté", funkčne ako otvorené preklapovače.

3.2 Zapnutý stav

Keď sa napätie na bráne (VGS) pripustí hranicnému napätí (VGS > Vth):

Vznikne zvislé elektrické pole pod dielektrickou vrstvou brány.

Toto pole pritiahne elektróny z P-typového substrátu na povrch polovodiča a odbuduje diely, vytvárajuce pri tom N-typovú inverznú vrstvu.

Tento vodičský kanál pripojuje zdroj a odvod, čo umožňuje tok prúdu z odvodu do zdroja (podľa konvencionalnej smerovosti prúdu).

4. Základné charakteristiky

MOSFETs majú nasledujúce elektrické charakteristiky:

Zariadenie riadené napätím: Prúd je regulovaný bránkovým napätím a kvôli izolujúcemu bránkovému oxidu takmer netečie žiadny bránkový prúd, čo spôsobuje ultra-nízku statickú spotrebu energie.

Rýchla prechodová rýchlosť: Ideálna na vysokočastotné obvody vrátane RF a digitálneho prepinania.

Nízke spotrebovanie energie: Energiu spotrebuje iba počas prechodových stavov, čo robí MOSFETy vhodnými pre prenosné a energeticky úsporné systémy.

5. Aplikácie

MOSFETy sa bežne používajú v nasledujúcich oblastiach:

Digitálne obvody: Slúžia ako prepínače v logických bránkach, flip-flopoch a tranzistoroch v CPU.

Analogové obvody: Fungujú ako zosilňovače napätia, zdrojové nasledovatele a regulačné obvody prúdu.

Správa energie: Používané v konverzoroch DC-DC, prepínačoch energie a obvodoch na riadenie motorov.

6. Záver

Základnou funkciou MOSFET je riadenie toku prúdu pomocou elektrického poľa. Použitím napätia na bránu sa na povrchu polovodiča indukoval dočasný vodivý kanál, čím sa umožnilo alebo zakázalo vedenie prúdu. Tento mechanizmus dáva MOSFET vynikajúcu citlivosť, nízku spotrebu energie a širokú uplatniteľnosť v moderných elektronických a energetických zariadeniach.