Το MOSFET είναι ένα από τα πιο βασικά εξαρτήματα στη βιομηχανία ημιαγωγών. Στα ηλεκτρονικά κυκλώματα, το MOSFET χρησιμοποιείται γενικά σε κυκλώματα ενισχυτών ισχύος ή κυκλώματα τροφοδοσίας μεταγωγής και χρησιμοποιείται ευρέως. Παρακάτω,OLUKEYθα σας δώσει μια λεπτομερή εξήγηση της αρχής λειτουργίας του MOSFET και θα αναλύσει την εσωτερική δομή του MOSFET.
Τι είναιMOSFET
MOSFET, τρανζίστορ εφέ ημιαγωγού οξειδίου μετάλλου (MOSFET). Είναι ένα τρανζίστορ εφέ πεδίου που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ευρέως σε αναλογικά κυκλώματα και ψηφιακά κυκλώματα. Σύμφωνα με τη διαφορά πολικότητας του "καναλιού" του (φορέας εργασίας), μπορεί να χωριστεί σε δύο τύπους: "N-type" και "P-type", που συχνά ονομάζονται NMOS και PMOS.
Αρχή λειτουργίας MOSFET
Το MOSFET μπορεί να χωριστεί σε τύπο βελτίωσης και τύπο εξάντλησης ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας. Ο τύπος βελτίωσης αναφέρεται στο MOSFET όταν δεν εφαρμόζεται τάση πόλωσης και δεν υπάρχει conαγωγό κανάλι. Ο τύπος εξάντλησης αναφέρεται στο MOSFET όταν δεν εφαρμόζεται τάση πόλωσης. Θα εμφανιστεί ένα αγώγιμο κανάλι.
Σε πραγματικές εφαρμογές, υπάρχουν μόνο MOSFET τύπου βελτίωσης καναλιού N και τύπου βελτίωσης καναλιού P. Δεδομένου ότι τα NMOSFET έχουν μικρή αντίσταση στην κατάσταση και είναι εύκολο να κατασκευαστούν, το NMOS είναι πιο κοινό από το PMOS στις πραγματικές εφαρμογές.
Λειτουργία βελτίωσης MOSFET
Υπάρχουν δύο συνδέσεις PN back-to-back μεταξύ της αποστράγγισης D και της πηγής S του MOSFET της λειτουργίας βελτίωσης. Όταν η τάση πύλης-πηγής VGS=0, ακόμα κι αν προστεθεί η τάση πηγής αποστράγγισης VDS, υπάρχει πάντα μια διασταύρωση PN σε κατάσταση ανάστροφης πόλωσης και δεν υπάρχει αγώγιμο κανάλι μεταξύ της αποστράγγισης και της πηγής (δεν ρέει ρεύμα ). Επομένως, το αναγνωριστικό ρεύματος αποστράγγισης=0 αυτή τη στιγμή.
Αυτή τη στιγμή, εάν προστεθεί μια τάση προς τα εμπρός μεταξύ της πύλης και της πηγής. Δηλαδή, VGS>0, τότε θα δημιουργηθεί ένα ηλεκτρικό πεδίο με την πύλη ευθυγραμμισμένη με το υπόστρωμα πυριτίου τύπου P στο μονωτικό στρώμα SiO2 μεταξύ του ηλεκτροδίου πύλης και του υποστρώματος πυριτίου. Επειδή το στρώμα οξειδίου είναι μονωτικό, η τάση VGS που εφαρμόζεται στην πύλη δεν μπορεί να παράγει ρεύμα. Ένας πυκνωτής δημιουργείται και στις δύο πλευρές του στρώματος οξειδίου και το ισοδύναμο κύκλωμα VGS φορτίζει αυτόν τον πυκνωτή (πυκνωτή). Και δημιουργήστε ένα ηλεκτρικό πεδίο, καθώς το VGS ανεβαίνει αργά, έλκεται από τη θετική τάση της πύλης. Ένας μεγάλος αριθμός ηλεκτρονίων συσσωρεύεται στην άλλη πλευρά αυτού του πυκνωτή (πυκνωτής) και δημιουργεί ένα αγώγιμο κανάλι τύπου Ν από την αποχέτευση στην πηγή. Όταν το VGS υπερβαίνει την τάση ενεργοποίησης VT του σωλήνα (γενικά περίπου 2 V), ο σωλήνας του καναλιού Ν μόλις αρχίζει να αγώγει, δημιουργώντας ένα αναγνωριστικό ρεύματος αποστράγγισης. Καλούμε την τάση πύλης-πηγής όταν το κανάλι αρχίζει για πρώτη φορά να παράγει την τάση ενεργοποίησης. Γενικά εκφράζεται ως VT.
Ο έλεγχος του μεγέθους της τάσης πύλης VGS αλλάζει την ισχύ ή την αδυναμία του ηλεκτρικού πεδίου και μπορεί να επιτευχθεί το αποτέλεσμα του ελέγχου του μεγέθους του αναγνωριστικού ρεύματος αποστράγγισης. Αυτό είναι επίσης ένα σημαντικό χαρακτηριστικό των MOSFET που χρησιμοποιούν ηλεκτρικά πεδία για τον έλεγχο του ρεύματος, επομένως ονομάζονται επίσης τρανζίστορ εφέ πεδίου.
Εσωτερική δομή MOSFET
Σε ένα υπόστρωμα πυριτίου τύπου P με χαμηλή συγκέντρωση ακαθαρσιών, κατασκευάζονται δύο περιοχές N+ με υψηλή συγκέντρωση ακαθαρσιών και δύο ηλεκτρόδια εξάγονται από μεταλλικό αλουμίνιο για να χρησιμεύσουν ως αποχέτευση d και πηγή s αντίστοιχα. Στη συνέχεια, η επιφάνεια του ημιαγωγού καλύπτεται με ένα εξαιρετικά λεπτό μονωτικό στρώμα διοξειδίου του πυριτίου (SiO2) και ένα ηλεκτρόδιο αλουμινίου τοποθετείται στο μονωτικό στρώμα μεταξύ του αγωγού και της πηγής για να χρησιμεύσει ως πύλη g. Ένα ηλεκτρόδιο Β τραβιέται επίσης έξω στο υπόστρωμα, σχηματίζοντας ένα MOSFET λειτουργίας βελτίωσης καναλιών Ν. Το ίδιο ισχύει για τον εσωτερικό σχηματισμό MOSFET τύπου βελτίωσης καναλιού P.
Σύμβολα κυκλώματος MOSFET N καναλιών και MOSFET καναλιών P
Η παραπάνω εικόνα δείχνει το σύμβολο του κυκλώματος του MOSFET. Στην εικόνα, D είναι η αποχέτευση, S είναι η πηγή, G είναι η πύλη και το βέλος στη μέση αντιπροσωπεύει το υπόστρωμα. Εάν το βέλος δείχνει προς τα μέσα, υποδεικνύει MOSFET καναλιού N και εάν το βέλος δείχνει προς τα έξω, υποδεικνύει MOSFET καναλιού P.
Σύμβολα κυκλώματος MOSFET δύο καναλιών N, MOSFET δύο καναλιών P και MOSFET N+P καναλιών
Μάλιστα, κατά τη διαδικασία κατασκευής του MOSFET, το υπόστρωμα συνδέεται με την πηγή πριν φύγει από το εργοστάσιο. Επομένως, στους κανόνες συμβολολογίας, το σύμβολο βέλους που αντιπροσωπεύει το υπόστρωμα πρέπει επίσης να συνδέεται με την πηγή για να διακρίνει την αποχέτευση και την πηγή. Η πολικότητα της τάσης που χρησιμοποιείται από το MOSFET είναι παρόμοια με το παραδοσιακό τρανζίστορ μας. Το κανάλι N είναι παρόμοιο με ένα τρανζίστορ NPN. Η αποστράγγιση D συνδέεται με το θετικό ηλεκτρόδιο και η πηγή S συνδέεται με το αρνητικό ηλεκτρόδιο. Όταν η πύλη G έχει θετική τάση, σχηματίζεται ένα αγώγιμο κανάλι και το MOSFET του καναλιού Ν αρχίζει να λειτουργεί. Ομοίως, το κανάλι P είναι παρόμοιο με ένα τρανζίστορ PNP. Η αποστράγγιση D συνδέεται με το αρνητικό ηλεκτρόδιο, η πηγή S συνδέεται με το θετικό ηλεκτρόδιο και όταν η πύλη G έχει αρνητική τάση, σχηματίζεται ένα αγώγιμο κανάλι και το MOSFET του καναλιού P αρχίζει να λειτουργεί.
Αρχή απώλειας μεταγωγής MOSFET
Είτε πρόκειται για NMOS είτε για PMOS, δημιουργείται μια εσωτερική αντίσταση αγωγιμότητας μετά την ενεργοποίησή του, έτσι ώστε το ρεύμα να καταναλώνει ενέργεια σε αυτήν την εσωτερική αντίσταση. Αυτό το μέρος της ενέργειας που καταναλώνεται ονομάζεται κατανάλωση αγωγιμότητας. Η επιλογή ενός MOSFET με μικρή εσωτερική αντίσταση αγωγιμότητας θα μειώσει αποτελεσματικά την κατανάλωση αγωγιμότητας. Η τρέχουσα εσωτερική αντίσταση των MOSFET χαμηλής ισχύος είναι γενικά περίπου δεκάδες milliohms, και υπάρχουν επίσης αρκετά milliohms.
Όταν το MOS ενεργοποιείται και τερματίζεται, δεν πρέπει να πραγματοποιηθεί σε μια στιγμή. Η τάση και στις δύο πλευρές του MOS θα έχει ουσιαστική μείωση και το ρεύμα που ρέει μέσα από αυτό θα έχει αύξηση. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, η απώλεια του MOSFET είναι το γινόμενο της τάσης και του ρεύματος, που είναι η απώλεια μεταγωγής. Γενικά, οι απώλειες μεταγωγής είναι πολύ μεγαλύτερες από τις απώλειες αγωγιμότητας και όσο πιο γρήγορη είναι η συχνότητα μεταγωγής, τόσο μεγαλύτερες είναι οι απώλειες.
Το γινόμενο της τάσης και του ρεύματος τη στιγμή της αγωγιμότητας είναι πολύ μεγάλο, με αποτέλεσμα πολύ μεγάλες απώλειες. Οι απώλειες μεταγωγής μπορούν να μειωθούν με δύο τρόπους. Το ένα είναι να μειωθεί ο χρόνος ενεργοποίησης, ο οποίος μπορεί να μειώσει αποτελεσματικά την απώλεια κατά τη διάρκεια κάθε ενεργοποίησης. το άλλο είναι η μείωση της συχνότητας μεταγωγής, η οποία μπορεί να μειώσει τον αριθμό των διακοπτών ανά μονάδα χρόνου.
Τα παραπάνω είναι μια λεπτομερής εξήγηση του διαγράμματος αρχής λειτουργίας του MOSFET και ανάλυση της εσωτερικής δομής του MOSFET. Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με το MOSFET, καλώς ήρθατε να συμβουλευτείτε την OLUKEY για να σας παρέχει τεχνική υποστήριξη MOSFET!
Ώρα δημοσίευσης: Δεκ-16-2023
