หลักการทำงานของ MOSFET

1.การนําเสนอ

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) เป็นทรานซิสเตอร์แบบฟิลด์-เอฟเฟกต์ที่ใช้อย่างแพร่หลายในวงจรอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ มันควบคุมการสลับกระแสไฟฟ้าโดยการสร้างหรือปิดกั้นช่องทางนำไฟฟ้าผ่านการใช้สนามไฟฟ้า MOSFET มีประสิทธิภาพในการควบคุมสูง ใช้พลังงานต่ำ และมีความเร็วในการสลับสูง ทำให้เป็นองค์ประกอบที่ขาดไม่ได้ในระบบดิจิทัลและอะนาล็อก

2. โครงสร้าง

MOSFET ทั่วไปประกอบด้วยส่วนต่าง ๆ ดังนี้:

เกต: อิเล็กโทรดโลหะหรือโพลีซิลิคอนที่แยกจากเซมิคอนดักเตอร์โดยชั้นฉนวน (มักเป็นออกไซด์ของซิลิคอน, SiO₂)

แหล่งที่มาและตัวระบายน้ำ: พื้นที่ประเภท N ที่โดปหนักสองแห่งฝังอยู่ภายในตัวกลางกึ่งตัวนำประเภท P

ตัวกลาง (ตัวกลาง): ส่วนใหญ่มักเป็นกึ่งตัวนำประเภท P ในการออกแบบวงจรส่วนใหญ่ ตัวกลางจะถูกเชื่อมต่อกับแหล่งที่มาเพื่อรักษาศักย์ไฟฟ้าคงที่และลดการรบกวนจากผลของตัวกลาง

หลักการทำงาน

MOSFET ทำงานโดยการควบคุมว่าจะมีช่องทางนำกระแสเกิดขึ้นระหว่างแหล่งที่มาและตัวระบายน้ำหรือไม่ ขึ้นอยู่กับแรงดันที่ประตู

สถานะปิด 3.1

เมื่อแรงดันเกตเป็น 0 V หรือต่ำกว่าแรงดันขีดจำกัด (Vth):

ไม่มีช่องนำไฟฟ้าเกิดขึ้นบนผิวของพื้นที่ชนิด P-type

มีความต้านทานสูงระหว่างซอร์สและดรีน ส่งผลให้เกือบจะไม่มีกระแสไหล

MOSFET อยู่ในสถานะ "ปิด" ทำงานเหมือนสวิตช์ที่เปิดอยู่

3.2 สถานะเปิด

เมื่อแรงดันเกต (VGS) เกินกว่าแรงดัน порог (VGS > Vth):

สนามไฟฟ้าแนวตั้งจะก่อตัวขึ้นใต้ชั้นฉนวนเกต

สนามนี้ดึงอิเล็กตรอนจากพื้นที่ P-type มาที่ผิวของสารiconductor และผลักดันรูกลับ ทำให้เกิดชั้น inversion ประเภท N

ช่องทางการนำไฟฟ้านี้เชื่อมต่อระหว่างแหล่งที่มาและตัวระบายน้ำ ซึ่งช่วยให้กระแสไหลจากตัวระบายน้ำไปยังแหล่งที่มา (ตามทิศทางกระแสไฟฟ้าแบบปกติ)

4. ลักษณะสำคัญ

MOSFETs มีลักษณะทางไฟฟ้าดังนี้:

อุปกรณ์ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า: กระแสไฟฟ้าถูกควบคุมโดยแรงดันที่เกต และเนื่องจากมีออกไซด์ฉนวนที่เกต กระแสไฟฟ้าที่เกตจึงไหลแทบจะไม่เลย ส่งผลให้มีการบริโภคพลังงานสถิตต่ำมาก

ความเร็วในการสลับสูง: เหมาะสำหรับวงจรความถี่สูง เช่น RF และการสลับดิจิทัล

การสูญเสียพลังงานต่ำ: พลังงานถูกใช้เฉพาะในช่วงการเปลี่ยนการสลับ ส่งผลให้ MOSFETs เหมาะสำหรับระบบพกพาและประหยัดพลังงาน

5. การใช้งาน

MOSFETs ถูกใช้งานอย่างแพร่หลายในด้านต่อไปนี้:

วงจรดิจิทัล: ทำหน้าที่เป็นสวิตช์ในเกตตรรกะ ฟลิป-ฟลอป และทรานซิสเตอร์ในซีพียู

วงจรอนาล็อก: ทำงานเป็นแอมพลิฟายเออร์แรงดันไฟฟ้า เซอร์สฟอลโลว์ และตัวควบคุมกระแสไฟฟ้า

การจัดการพลังงาน: ใช้งานในคอนเวอร์เตอร์ DC-DC สวิตช์พลังงาน และวงจรควบคุมมอเตอร์

6. สรุป

หน้าที่หลักของ MOSFET คือการควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้าโดยใช้สนามไฟฟ้า โดยการประยุกต์แรงดันไฟฟ้าไปยังเกต จะสร้างช่องทางนำไฟฟ้าชั่วคราวบนผิวของสารกึ่งตัวนำ ซึ่งจะเปิดหรือปิดการนำกระแสไฟฟ้า กลไกนี้ทำให้ MOSFET มีความตอบสนองยอดเยี่ยม การบริโภคพลังงานต่ำ และสามารถนำไปใช้งานได้อย่างกว้างขวางในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และพลังงานสมัยใหม่