Explicație detaliată a diagramei principiului de funcționare a MOSFET | Analiza structurii interne a FET

MOSFET este una dintre cele mai de bază componente din industria semiconductoarelor. În circuitele electronice, MOSFET este utilizat în general în circuitele amplificatoare de putere sau în circuitele de alimentare cu comutare și este utilizat pe scară largă. De mai jos,OLUKEYvă va oferi o explicație detaliată a principiului de funcționare al MOSFET și va analiza structura internă a MOSFET.

Ce esteMOSFET

MOSFET, tranzistor cu efect cu semiconductor cu oxid de metal (MOSFET). Este un tranzistor cu efect de câmp care poate fi utilizat pe scară largă în circuite analogice și circuite digitale. În funcție de diferența de polaritate a „canalului” său (purtător de lucru), acesta poate fi împărțit în două tipuri: „tip N” și „tip P”, care sunt adesea numite NMOS și PMOS.

Principiul de funcționare MOSFET

MOSFET poate fi împărțit în tip de îmbunătățire și tip de epuizare în funcție de modul de lucru. Tipul de îmbunătățire se referă la MOSFET atunci când nu este aplicată nicio tensiune de polarizare și nu există nicio contracanal ductiv. Tipul de epuizare se referă la MOSFET atunci când nu este aplicată nicio tensiune de polarizare. Va apărea un canal conductiv.

În aplicațiile reale, există doar MOSFET-uri de tip de îmbunătățire a canalului N și de tip de îmbunătățire a canalului P. Deoarece NMOSFET-urile au o rezistență mică la stare și sunt ușor de fabricat, NMOS este mai comun decât PMOS în aplicațiile reale.

Modul de îmbunătățire MOSFET

Există două joncțiuni PN spate în spate între drenajul D și sursa S a MOSFET-ului în modul de îmbunătățire. Când tensiunea poartă-sursă VGS=0, chiar dacă se adaugă tensiunea dren-sursă VDS, există întotdeauna o joncțiune PN într-o stare polarizată inversă și nu există un canal conductor între dren și sursă (nu curge curent ). Prin urmare, curentul de scurgere ID=0 în acest moment.

În acest moment, dacă se adaugă o tensiune directă între poartă și sursă. Adică, VGS>0, apoi un câmp electric cu poarta aliniată cu substratul de siliciu de tip P va fi generat în stratul izolator SiO2 dintre electrodul de poartă și substratul de siliciu. Deoarece stratul de oxid este izolator, tensiunea VGS aplicată porții nu poate produce curent. Un condensator este generat pe ambele părți ale stratului de oxid, iar circuitul echivalent VGS încarcă acest condensator (condensator). Și generează un câmp electric, pe măsură ce VGS crește încet, atras de tensiunea pozitivă a porții. Un număr mare de electroni se acumulează pe cealaltă parte a acestui condensator (condensator) și creează un canal conductiv de tip N de la scurgere la sursă. Când VGS depășește tensiunea de pornire VT a tubului (în general aproximativ 2 V), tubul cu canal N începe să conducă, generând un ID de curent de drenaj. Numim tensiunea poarta-sursa atunci cand canalul incepe sa genereze tensiunea de pornire. Exprimat în general ca VT.

Controlul mărimii tensiunii porții VGS modifică puterea sau slăbiciunea câmpului electric, iar efectul de control al mărimii ID curentului de scurgere poate fi atins. Aceasta este, de asemenea, o caracteristică importantă a MOSFET-urilor care utilizează câmpuri electrice pentru a controla curentul, așa că sunt numiți și tranzistori cu efect de câmp.

Structura internă MOSFET

Pe un substrat de siliciu de tip P cu o concentrație scăzută de impurități, sunt realizate două regiuni N+ cu o concentrație mare de impurități și doi electrozi sunt extrași din aluminiu metalic pentru a servi drept drenaj d și, respectiv, sursă s. Apoi suprafața semiconductorului este acoperită cu un strat izolator extrem de subțire de dioxid de siliciu (SiO2), iar pe stratul izolator dintre dren și sursă este instalat un electrod de aluminiu pentru a servi drept poartă g. Un electrod B este, de asemenea, tras pe substrat, formând un MOSFET în modul de îmbunătățire a canalului N. Același lucru este valabil și pentru formarea internă a MOSFET-urilor de tip îmbunătățire a canalului P.

Simboluri de circuit MOSFET cu canal N și MOSFET cu canal P

Imaginea de mai sus arată simbolul circuitului MOSFET. În imagine, D este scurgerea, S este sursa, G este poarta, iar săgeata din mijloc reprezintă substratul. Dacă săgeata este îndreptată spre interior, indică un MOSFET cu canal N, iar dacă săgeata este îndreptată spre exterior, indică un MOSFET cu canal P.

Simboluri de circuit MOSFET cu canal N dublu, MOSFET cu canal P dublu și MOSFET cu canal N+P

De fapt, în timpul procesului de fabricație MOSFET, substratul este conectat la sursă înainte de a părăsi fabrica. Prin urmare, în regulile de simbologie, simbolul săgeată care reprezintă substratul trebuie, de asemenea, conectat la sursă pentru a distinge scurgerea și sursa. Polaritatea tensiunii utilizate de MOSFET este similară cu tranzistorul nostru tradițional. Canalul N este similar cu un tranzistor NPN. Drenul D este conectat la electrodul pozitiv, iar sursa S este conectată la electrodul negativ. Când poarta G are o tensiune pozitivă, se formează un canal conductiv și MOSFET-ul cu canal N începe să funcționeze. În mod similar, canalul P este similar cu un tranzistor PNP. Drenul D este conectat la electrodul negativ, sursa S este conectată la electrodul pozitiv, iar când poarta G are o tensiune negativă, se formează un canal conductiv și MOSFET-ul cu canal P începe să funcționeze.

Principiul pierderii de comutare MOSFET

Fie că este NMOS sau PMOS, există o rezistență internă de conducție generată după ce este pornită, astfel încât curentul va consuma energie pe această rezistență internă. Această parte a energiei consumate se numește consum de conducție. Selectarea unui MOSFET cu o rezistență internă de conducție mică va reduce efectiv consumul de conducție. Rezistența internă actuală a MOSFET-urilor de putere redusă este în general de aproximativ zeci de miliohmi și există, de asemenea, câțiva miliohmi.

Când MOS este pornit și terminat, nu trebuie să fie realizat într-o clipă. Tensiunea de pe ambele părți ale MOS va avea o scădere efectivă, iar curentul care trece prin acesta va avea o creștere. În această perioadă, pierderea MOSFET-ului este produsul dintre tensiune și curent, care este pierderea de comutare. În general, pierderile de comutare sunt mult mai mari decât pierderile de conducție și cu cât frecvența de comutare este mai rapidă, cu atât pierderile sunt mai mari.

Produsul tensiunii și curentului în momentul conducției este foarte mare, rezultând pierderi foarte mari. Pierderile de comutare pot fi reduse în două moduri. Una este reducerea timpului de comutare, ceea ce poate reduce efectiv pierderea în timpul fiecărei porniri; celălalt este reducerea frecvenței de comutare, ceea ce poate reduce numărul de comutatoare pe unitatea de timp.

Cele de mai sus sunt o explicație detaliată a diagramei principiului de funcționare a MOSFET și o analiză a structurii interne a MOSFET. Pentru a afla mai multe despre MOSFET, vă rugăm să consultați OLUKEY pentru a vă oferi suport tehnic MOSFET!