Nguyên lý hoạt động của MOSFET

1. Giới thiệu

MOSFET (Transistor Hiệu ứng Trường Bán dẫn Kim loại-Oxit) là một transistor hiệu ứng trường được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử hiện đại. Nó kiểm soát việc chuyển mạch dòng điện bằng cách tạo ra hoặc ngăn chặn kênh dẫn điện thông qua việc áp dụng một trường điện. MOSFET có hiệu quả kiểm soát cao, tiêu thụ điện năng thấp và tốc độ chuyển mạch nhanh, khiến chúng không thể thiếu trong cả hệ thống số và tương tự.

2. Cấu trúc

Một MOSFET điển hình thường bao gồm các phần sau:

Cổng: Một điện cực kim loại hoặc polysilicon được cách ly khỏi chất bán dẫn bởi một lớp dielectric (thường là oxit silic, SiO₂).

Nguồn và Máng: Hai vùng N loại nặng được tích hợp bên trong một nền bán dẫn loại P.

Thân (Nền): Thông thường là một chất bán dẫn loại P. Trong hầu hết các thiết kế mạch, thân được nối với nguồn để duy trì điện thế cố định và giảm nhiễu do hiệu ứng thân.

3. Nguyên lý hoạt động

MOSFET hoạt động bằng cách kiểm soát xem có hình thành kênh dẫn điện giữa nguồn và máng hay không, tùy thuộc vào điện áp cổng.

3.1 Trạng thái tắt

Khi điện áp cổng là 0 V hoặc thấp hơn điện áp ngưỡng (Vth):

Không có kênh dẫn được hình thành trên bề mặt chất nền loại P.

Một trở kháng cao tồn tại giữa nguồn và máng, dẫn đến hầu như không có dòng điện lưu thông.

MOSFET ở trạng thái "tắt", hoạt động giống như một công tắc mở.

3.2 Trạng thái Bật

Khi điện áp cổng (VGS) vượt quá điện áp ngưỡng (VGS > Vth):

Một trường điện dọc hình thành dưới lớp dielectric của cổng.

Trường này thu hút các electron từ substrat P-type đến bề mặt bán dẫn và đẩy lùi các lỗ trống, tạo ra một lớp đảo ngược loại N.

Kênh dẫn điện này kết nối nguồn và cực thoát, cho phép dòng điện chảy từ cực thoát đến nguồn (theo hướng dòng điện thông thường).

4. Đặc trưng chính

MOSFET có các đặc tính điện tử sau đây:

Thiết bị điều khiển bằng điện áp: Dòng điện được điều chỉnh bởi điện áp cổng, và do có lớp oxide cách điện ở cổng, hầu như không có dòng điện cổng chảy qua, dẫn đến mức tiêu thụ công suất tĩnh cực thấp.

Tốc độ chuyển mạch nhanh: Thích hợp cho các mạch tần số cao, bao gồm RF và chuyển mạch số.

Tiêu hao công suất thấp: Công suất chỉ được tiêu thụ trong quá trình chuyển đổi trạng thái, khiến MOSFET phù hợp cho các hệ thống di động và tiết kiệm năng lượng.

5. Ứng dụng

MOSFET thường được sử dụng trong các lĩnh vực sau:

Mạch số: Làm công tắc trong cổng logic, flip-flops và transistor trong CPU.

Mạch tương tự: Chức năng như bộ khuếch đại điện áp, nguồn theo dõi và điều tiết dòng điện.

Quản lý nguồn: Được sử dụng trong bộ chuyển đổi DC-DC, công tắc nguồn và mạch điều khiển động cơ.

6. tóm tắt

Chức năng cốt lõi của MOSFET là kiểm soát dòng điện bằng cách sử dụng trường điện. Bằng cách áp dụng điện áp vào cổng, một kênh dẫn điện tạm thời được tạo ra trên bề mặt chất bán dẫn, từ đó cho phép hoặc ngăn chặn sự dẫn dòng điện. Cơ chế này mang lại khả năng đáp ứng tuyệt vời, tiêu thụ điện năng thấp và tính ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử và điện hiện đại.