Πώς λειτουργούν τα MOSFET

Η αρχή λειτουργίας του MOSFET βασίζεται κυρίως στις μοναδικές δομικές του ιδιότητες και στις επιδράσεις του ηλεκτρικού πεδίου. Ακολουθεί μια λεπτομερής εξήγηση του τρόπου λειτουργίας των MOSFET:

I. Βασική δομή MOSFET

Ένα MOSFET αποτελείται κυρίως από μια πύλη (G), μια πηγή (S), μια αποχέτευση (D) και ένα υπόστρωμα (Β, μερικές φορές συνδεδεμένο με την πηγή για να σχηματίσει μια συσκευή τριών ακροδεκτών). Στα MOSFET βελτίωσης καναλιών Ν, το υπόστρωμα είναι συνήθως ένα υλικό πυριτίου τύπου Ρ χαμηλής πρόσμιξης στο οποίο κατασκευάζονται δύο περιοχές τύπου Ν υψηλής πρόσμιξης για να χρησιμεύουν ως πηγή και αποστράγγιση, αντίστοιχα. Η επιφάνεια του υποστρώματος τύπου P καλύπτεται με ένα πολύ λεπτό φιλμ οξειδίου (διοξείδιο του πυριτίου) ως μονωτικό στρώμα, και ένα ηλεκτρόδιο τραβιέται ως πύλη. Αυτή η δομή καθιστά την πύλη μονωμένη από το υπόστρωμα ημιαγωγού τύπου P, την αποστράγγιση και την πηγή, και επομένως ονομάζεται επίσης σωλήνας εφέ πεδίου με μόνωση πύλης.

II. Αρχή λειτουργίας

Τα MOSFET λειτουργούν χρησιμοποιώντας την τάση της πηγής πύλης (VGS) για τον έλεγχο του ρεύματος αποστράγγισης (ID). Συγκεκριμένα, όταν η εφαρμοζόμενη θετική τάση πηγής πύλης, VGS, είναι μεγαλύτερη από το μηδέν, ένα ανώτερο θετικό και ένα χαμηλότερο αρνητικό ηλεκτρικό πεδίο θα εμφανιστεί στο στρώμα οξειδίου κάτω από την πύλη. Αυτό το ηλεκτρικό πεδίο έλκει ελεύθερα ηλεκτρόνια στην περιοχή P, προκαλώντας τη συσσώρευσή τους κάτω από το στρώμα οξειδίου, ενώ απωθεί οπές στην περιοχή P. Καθώς το VGS αυξάνεται, η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου αυξάνεται και η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων αυξάνεται. Όταν το VGS φτάσει σε μια συγκεκριμένη οριακή τάση (VT), η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων που συγκεντρώνονται στην περιοχή είναι αρκετά μεγάλη ώστε να σχηματίσει μια νέα περιοχή τύπου Ν (κανάλι N), η οποία λειτουργεί σαν γέφυρα που συνδέει την αποχέτευση και την πηγή. Σε αυτό το σημείο, εάν υπάρχει μια συγκεκριμένη τάση οδήγησης (VDS) μεταξύ της αποστράγγισης και της πηγής, το αναγνωριστικό ρεύματος αποστράγγισης αρχίζει να ρέει.

III. Σχηματισμός και αλλαγή καναλιού αγωγής

Ο σχηματισμός του αγώγιμου καναλιού είναι το κλειδί για τη λειτουργία του MOSFET. Όταν το VGS είναι μεγαλύτερο από το VT, το αγώγιμο κανάλι δημιουργείται και το αναγνωριστικό ρεύματος αποστράγγισης επηρεάζεται τόσο από το VGS όσο και από το VDS. Το VGS επηρεάζει το ID ελέγχοντας το πλάτος και το σχήμα του αγώγιμου καναλιού, ενώ το VDS επηρεάζει το ID απευθείας ως τάση οδήγησης. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι εάν το κανάλι αγωγιμότητας δεν έχει δημιουργηθεί (δηλαδή, το VGS είναι μικρότερο από το VT), τότε ακόμη και αν υπάρχει VDS, το αναγνωριστικό ρεύματος αποστράγγισης δεν εμφανίζεται.

IV. Χαρακτηριστικά των MOSFET

Υψηλή αντίσταση εισόδου:Η σύνθετη αντίσταση εισόδου του MOSFET είναι πολύ υψηλή, κοντά στο άπειρο, επειδή υπάρχει ένα μονωτικό στρώμα μεταξύ της πύλης και της περιοχής πηγής-αποχέτευσης και μόνο ένα ασθενές ρεύμα πύλης.

Χαμηλή αντίσταση εξόδου:Τα MOSFET είναι συσκευές ελεγχόμενης τάσης στις οποίες το ρεύμα πηγής-αποχέτευσης μπορεί να αλλάξει με την τάση εισόδου, επομένως η αντίσταση εξόδου τους είναι μικρή.

Σταθερή ροή:Όταν λειτουργεί στην περιοχή κορεσμού, το ρεύμα του MOSFET ουσιαστικά δεν επηρεάζεται από αλλαγές στην τάση πηγής-αποχέτευσης, παρέχοντας εξαιρετικό σταθερό ρεύμα.

Καλή σταθερότητα θερμοκρασίας:Τα MOSFET έχουν μεγάλο εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας από -55°C έως περίπου +150°C.

V. Εφαρμογές και ταξινομήσεις

Τα MOSFET χρησιμοποιούνται ευρέως σε ψηφιακά κυκλώματα, αναλογικά κυκλώματα, κυκλώματα ισχύος και άλλα πεδία. Ανάλογα με τον τύπο λειτουργίας, τα MOSFET μπορούν να ταξινομηθούν σε τύπους βελτίωσης και εξάντλησης. Ανάλογα με τον τύπο του αγώγιμου καναλιού, μπορούν να ταξινομηθούν σε Ν-κανάλι και Ρ-κανάλι. Αυτοί οι διαφορετικοί τύποι MOSFET έχουν τα δικά τους πλεονεκτήματα σε διαφορετικά σενάρια εφαρμογής.

Συνοπτικά, η αρχή λειτουργίας του MOSFET είναι ο έλεγχος του σχηματισμού και της αλλαγής του αγώγιμου καναλιού μέσω της τάσης της πηγής πύλης, η οποία με τη σειρά της ελέγχει τη ροή του ρεύματος αποστράγγισης. Η υψηλή σύνθετη αντίσταση εισόδου, η χαμηλή αντίσταση εξόδου, το σταθερό ρεύμα και η σταθερότητα θερμοκρασίας καθιστούν τα MOSFET ένα σημαντικό εξάρτημα στα ηλεκτρονικά κυκλώματα.