Kompletna upotreba MOSFET-a

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) je uređaj upravljan naponom koji se kontroliše električnim poljem. On predstavlja osnovni komponent u integrisanim kolima i diskretnim uređajima i široko se koristi u različitim analognim i digitalnim sistemima kola zahvaljujući svojoj jednostavnoj strukturi, brzom odgovoru i lakoći integracije.

Razvoj MOSFET-a značajno je unapredio tehnologije u oblasti energetske elektronike, upravljanja snagom, dizajna računarskih čipova i automobilske elektronike.

1. Detaljna struktura

Osnovnu strukturu MOSFET-a četiri osnovne oblasti:

• Izvor: Tačka u koju se ubacuju elektroni ili šupljine; predstavlja ulazni terminal struje.
• Odvod: Terminal kroz koji izlaze nosioci; to je izlazni terminal struje.
• Gates: Kontrolisuje da li se formira provodni kanal primenom spoljašnjeg napona; deluje kao prekidač. Obično je prekriven tankim slojem oksida (SiO₂) koji ima izvrsna izolaciona svojstva.
• Supstrat: Osnovni poluprovodnički materijal uređaja, obično slabo dopiran silicijum P-tipa ili N-tipa.

Tip supstrata i odnos kanala:

• NMOS: Supstrat P-tipa + izvor/dren N-tipa; elektroni su nosioci struje.
• PMOS: Supstrat N-tipa + izvor/dren P-tipa; šupljine su nosioci struje.
• Razlika između pojačavajućeg i iscrpljujućeg režima rada:
• Režim pojačanja: Normalno isključen; zahteva napon na gejtu kako bi došlo do provođenja.
• Režim iscrpljenja: Normalno uključen; postaje neprovodan kada se primeni napon na gejt.

2. Princip rada (kontrolisanje poljem)

Princip rada MOSFET tranzistora zasniva se prvenstveno na efektu električnog polja, koje kontroliše raspodelu nosilaca naelektrisanja u poluprovodniku.

• Побољшани режим NMOSFET-а: Када се позитиван напон приложи на гејт, П-типови супстрат испод гејта привлачи електроне услед електричног поља, формирајући Н-тип инверзног слоја и успостављајући проводни канал између извора и дренаже.
• Побољшани режим PMOSFET-а: Када се негативан напон приложи на гејт, убаци се привлаче ка површини Н-типа супстрата, формирајући П-тип канала који омогућава проводњу између извора и дренаже.

Контрола стања укључено/искључено:

Прекидачко понашање MOSFET-а одређује напон гејт-извор (VGS):

Када је VGS ≤ Vth (напон прага), канал се формира и уређај се укључује.

Када је VGS < Vth, канал нестаје и уређај се искључује.

3. Главне класификационе методе

MOSFET-ови могу бити категорисани на различите начине на основу различитих критеријума:

NMOS уређаји су чешће у употреби у високофреквентним и високоперформантним применама због веће покретљивости електрона и нижег отпора у укљученом стању.

4. Типичне области примене

MOSFET-ови су погодни за разне сценарије, од контроле мале снаге до високонапонског погона:

• Дигитални кола и логички дизајн: CMOS логичка кола, сачињена од комплементарних NMOS и PMOS транзистора, чине основе микропроцесора, микроконтролера и меморијских чипова. Модерни SoC (System-on-Chip) интегришу милијарде MOSFET-ова.
• Напајање и контрола снаге: Као ефикасни прекидачки уређаји, широко се користе у DC-DC конверторима, прекидачким напајањима (SMPS), инверторима и драјверима ЛЕД диода. Омогућавају меко пребацивање, низак ЕМИ и високо ефикасне конструкције.
• Analogna kola: MOSFET tranzistori se koriste kao pojačavači napona, izvori konstantne struje i analogni prekidači. Oni odlično funkcionišu u audio pojačavačima i energetskim petljama sa povratnom spregom.
• Automobilska i industrijska kontrola: MOSFET tranzistori široko se koriste u automobilskim ECU jedinicama, kontrolerima motora i punjačima na vozilu (OBC). Takođe se primenjuju u modulima pogona, PLC sistemima i kao zamena za releje u industrijskoj automatizaciji.
• Senzori i sistemi za detekciju: MOSFET tranzistori se koriste za izgradnju kola za čitanje signala u CMOS senzorima slike, infracrvenim senzorima i MEMS senzorima. Oni služe kao pojačavači na ulazu za detekciju signala visoke osetljivosti.

5. Zaključak

Zahvaljujući izcellentnim električnim karakteristikama, jednostavnoj strukturi i visokoj upravljivosti, MOSFET tranzistori su postali nezaobilazni elementi u elektronskoj industriji.

Od potrošačke elektronike i telekomunikacione opreme do industrijske automatizacije i električnih vozila na obnovljive energije, njihova primena je svuda prisutna.

Razumevanjem njihove strukture, principa i karakteristika primene, moguće je efikasnije izvršiti izbor uređaja, projektovanje sistema i optimizaciju proizvoda.