Čo je MOSFET: fungovanie a jeho aplikácie

Vyskúšajte Náš Nástroj Na Odstránenie Problémov





Tranzistor MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) je polovodičové zariadenie, ktoré sa široko používa na spínacie účely a na zosilnenie elektronických signálov v elektronických zariadeniach. MOSFET je buď jadro, alebo integrovaný obvod, kde je navrhnutý a vyrobený v jednom čipe, pretože zariadenie je dostupné vo veľmi malých veľkostiach. Zavedenie zariadenia MOSFET prinieslo zmenu v doméne zapojenie elektroniky . Poďme s podrobným vysvetlením tohto konceptu.

Čo je MOSFET?

MOSFET je štvorterminálne zariadenie so svorkami zdroj (S), hradlo (G), odtok (D) a telo (B). Telo MOSFET je všeobecne v spojení so zdrojovým terminálom, čím vytvára trojkoncové zariadenie, ako je tranzistor s efektom poľa. MOSFET sa všeobecne považuje za tranzistor a používa sa v analógových aj digitálnych obvodoch. Toto je základné úvod do MOSFETu . Všeobecná štruktúra tohto zariadenia je uvedená nižšie:




MOSFET

MOSFET

Z vyššie uvedeného MOSFET štruktúra , funkčnosť MOSFET závisí od elektrických variácií prebiehajúcich v šírke kanálu spolu s tokom nosných (buď dier, alebo elektrónov). Nosiče náboja vstupujú do kanála cez zdrojový terminál a vystupujú odtokom.



Šírka kanála je riadená napätím na elektróde, ktorá sa nazýva hradlo a je umiestnená medzi zdrojom a odtokom. Je izolovaný od kanála v blízkosti extrémne tenkej vrstvy oxidu kovu. Kapacita MOS, ktorá v prístroji existuje, je rozhodujúcou časťou, kde sa celá operácia tiahne.

MOSFET s terminálmi

MOSFET s terminálmi

MOSFET môže fungovať dvoma spôsobmi

  • Režim vyčerpania
  • Režim vylepšenia

Režim vyčerpania

Ak na svorke brány nie je napätie, kanál zobrazuje maximálnu vodivosť. Zatiaľ čo keď je napätie na svorke brány buď kladné alebo záporné, potom vodivosť kanála klesá.


Napríklad

Režim vychýleniaRežim vylepšenia

Ak na svorke brány nie je napätie, zariadenie nereaguje. Ak je na svorke brány maximálne napätie, zariadenie vykazuje zvýšenú vodivosť.

Režim vylepšenia

Režim vylepšenia

Pracovný princíp MOSFET

Hlavným princípom zariadenia MOSFET je schopnosť riadiť tok napätia a prúdu medzi svorkami zdroja a odtoku. Funguje takmer ako prepínač a funkčnosť zariadenia je založená na kondenzátore MOS. MOS kondenzátor je hlavnou súčasťou MOSFET.

Polovodičový povrch v spodnej oxidovej vrstve, ktorá je umiestnená medzi zdrojom a odtokovým terminálom, je možné invertovať z typu p na typ n použitím kladného alebo záporného hradlového napätia. Keď na kladné hradlové napätie použijeme odpudivú silu, potom sa otvory pod vrstvou oxidu tlačia smerom dole so substrátom.

Vyčerpávacia oblasť osídlená viazanými negatívnymi nábojmi, ktoré sú spojené s akceptorovými atómami. Po dosiahnutí elektrónov sa vytvorí kanál. Kladné napätie tiež priťahuje elektróny zo zdroja n + a odtokových oblastí do kanála. Teraz, ak je medzi odtokom a zdrojom pripojené napätie, prúd prúdi voľne medzi zdrojom a odtokom a hradlové napätie riadi elektróny v kanáli. Ak použijeme záporné napätie, namiesto kladného napätia sa pod vrstvou oxidu vytvorí otvorový kanál.

Bloková schéma MOSFET

Bloková schéma MOSFET

P-kanál MOSFET

P-kanál MOSFET má oblasť P-kanála umiestnenú medzi zdrojovými a odtokovými svorkami. Jedná sa o štvorvodičové zariadenie, ktoré má svorky ako brána, odtok, zdroj a telo. Odtok a zdroj sú silne dotované oblasťou p + a telo alebo substrát sú typu n. Tok prúdu je v smere kladne nabitých otvorov.

Keď na terminál brány použijeme záporné napätie s odpudivou silou, potom sa elektróny prítomné pod vrstvou oxidu zatlačia smerom dole do substrátu. Vyčerpávacia oblasť osídlená naviazanými kladnými nábojmi, ktoré sú spojené s donorovými atómami. Záporné hradlové napätie tiež priťahuje otvory zo zdroja p + a odtokovej oblasti do oblasti kanála.

Kanál režimu vyčerpania P.

Kanál režimu vyčerpania P.

Vylepšený režim kanálu P.

Vylepšený režim kanálu P.

N- kanálový MOSFET

N-kanálový MOSFET má oblasť N-kanála umiestnenú medzi zdrojovými a odtokovými svorkami. Jedná sa o štvorvodičové zariadenie, ktoré má svorky ako brána, odtok, zdroj, telo. V tomto type tranzistora s efektom poľa sú odtok a zdroj silne dopované v oblasti n + a substrát alebo telo sú typu P.

Tok prúdu v tomto type MOSFET nastáva kvôli záporne nabitým elektrónom. Keď na terminál brány použijeme kladné napätie s odpudivou silou, potom sa otvory nachádzajúce sa pod vrstvou oxidu zatlačia smerom dole do substrátu. Depléčná oblasť je osídlená viazanými negatívnymi nábojmi, ktoré sú spojené s akceptorovými atómami.

Po dosahu elektrónov sa vytvorí kanál. Kladné napätie tiež priťahuje elektróny zo zdroja n + a odtokových oblastí do kanála. Teraz, ak je medzi odtokom a zdrojom napájané napätie, prúd prúdi voľne medzi zdrojom a odtokom a hradlové napätie riadi elektróny v kanáli. Ak použijeme záporné napätie, namiesto kladného napätia sa pod vrstvou oxidu vytvorí otvorový kanál.

Režim vylepšenia N kanál

Režim vylepšenia N kanál

Prevádzkové oblasti MOSFET

V najobecnejšom scenári sa prevádzka tohto zariadenia deje hlavne v troch regiónoch, ktoré sú nasledujúce:

  • Cut-off Region - Je to oblasť, v ktorej bude zariadenie v stave VYPNUTÉ a bude ním pretekať nulové množstvo prúdu. Prístroj tu funguje ako základný spínač a používa sa tak, ako keď je potrebné pracovať ako elektrický spínač.
  • Región sýtosti - V tejto oblasti budú mať zariadenia prúdovú hodnotu odtoku k zdroju ako konštantnú bez toho, aby zvážili zvýšenie napätia v odtoku k zdroju. Stane sa to iba raz, keď napätie na odtokovej svorke k zdrojovej svorke stúpne viac ako hodnota odtrhávacieho napätia. V tomto scenári zariadenie funguje ako uzavretý spínač, kde preteká nasýtená úroveň prúdu cez odtok k svorkám zdroja. Z tohto dôvodu sa oblasť nasýtenia vyberie, keď sa má vykonať prepínanie zariadení.
  • Lineárna / ohmická oblasť - Je to oblasť, kde sa prúd cez svorku odtoku k zdroju zvyšuje s prírastkom napätia cez cestu odtoku k zdroju. Keď zariadenia MOSFET fungujú v tejto lineárnej oblasti, vykonávajú funkčnosť zosilňovača.

Uvažujme teraz o spínacích charakteristikách MOSFET

Polovodič, napríklad MOSFET alebo bipolárny tranzistor, je v zásade funkčný ako prepínače v dvoch scenároch, jeden je zapnutý a druhý vypnutý. Aby sme zvážili túto funkcionalitu, pozrime sa na ideálne a praktické vlastnosti zariadenia MOSFET.

Ideálne charakteristiky prepínača

Keď má MOSFET fungovať ako ideálny prepínač, mal by obsahovať nižšie uvedené vlastnosti a tie sú

  • V stave ZAPNUTÉ musí existovať súčasné obmedzenie, ktoré prenáša
  • V stave VYPNUTÉ by blokovanie úrovní napätia nemalo obsahovať žiadne obmedzenia
  • Keď zariadenie pracuje v stave ZAPNUTÉ, hodnota poklesu napätia by mala byť nulová
  • Odpor vo vypnutom stave by mal byť nekonečný
  • Nemali by existovať žiadne obmedzenia týkajúce sa rýchlosti prevádzky

Praktické charakteristiky prepínača

Pretože svet nezostáva iba pri ideálnych aplikáciách, fungovanie MOSFET je dokonca použiteľné aj na praktické účely. V praktickom scenári by malo zariadenie obsahovať nasledujúce vlastnosti

  • V ZAPNUTOM stave by mali byť obmedzené schopnosti riadenia napájania, čo znamená, že musí byť obmedzený tok vodivého prúdu.
  • V stave VYPNUTÉ by nemali byť blokované úrovne napätia obmedzené
  • Zapnutie a vypnutie na konečnú dobu obmedzuje obmedzujúcu rýchlosť zariadenia a dokonca obmedzuje funkčnú frekvenciu
  • V ZAPNUTOM stave zariadenia MOSFET budú minimálne hodnoty odporu, kde to bude mať za následok pokles napätia v predpätí smerovania. Existuje tiež konečný odpor stavu OFF, ktorý dodáva reverzný zvodový prúd
  • Ak má prístroj praktické vlastnosti, stráca napájanie pri zapnutom a vypnutom stave. To sa deje aj v prechodných štátoch.

Príklad MOSFET ako prepínača

V usporiadaní nižšie uvedeného obvodu sa na prepnutie vzorkovej žiarovky s podmienkami ZAPNUTÉ a VYPNUTÉ používa vylepšený režim a N-kanálový MOSFET. Kladné napätie na svorke brány sa privádza na základňu tranzistora a lampa sa presunie do stavu ZAPNUTÉ a tu VGS= + v alebo pri nulovej úrovni napätia sa zariadenie prepne do stavu VYPNUTÉ, kde VGS= 0.

MOSFET ako prepínač

MOSFET ako prepínač

Ak by sa odporová záťaž svietidla mala nahradiť indukčnou záťažou a pripojiť sa k relé alebo dióde, ktorá je na záťaž chránená. Vo vyššie uvedenom obvode je to veľmi jednoduchý obvod na spínanie odporovej záťaže, ako je žiarovka alebo LED. Ak ale používate MOSFET ako prepínač buď s indukčným alebo kapacitným zaťažením, potom je pre zariadenie MOSFET potrebná ochrana.

Ak v prípade, že MOSFET nie je chránený, môže to viesť k poškodeniu zariadenia. Aby MOSFET fungoval ako analógové spínacie zariadenie, musí sa prepínať medzi svojou medznou oblasťou, kde VGS= 0 a oblasť nasýtenia, kde VGS= + v.

Popis videa

MOSFET môže fungovať aj ako tranzistor a označuje sa ako tranzistor s efektom kremíkového poľa na báze oxidu kovu. Tu samotný názov naznačoval, že zariadenie je možné prevádzkovať ako tranzistor. Bude mať P-kanál a N-kanál. Zariadenie je pripojené takým spôsobom pomocou štyroch svoriek zdroja, brány a odtoku a odporová záťaž 24 Ω je zapojená do série s ampérmetrom a cez MOSFET je pripojený merač napätia.

V tranzistore je tok prúdu v bráne v kladnom smere a zdrojová svorka je pripojená k zemi. Zatiaľ čo v bipolárnych spojovacích tranzistorových zariadeniach je tok prúdu cez cestu medzi základňou a vysielačom. Ale v tomto zariadení nie je žiadny prúdový prúd, pretože na začiatku brány je kondenzátor, vyžaduje iba napätie.

To sa môže stať pokračovaním v simulačnom procese a zapnutím / vypnutím. Keď je prepínač v polohe ON, obvodom neprúdi žiadny prúd, keď je pripojený odpor 24 Ω a 0,29 ampérmetrového napätia, potom zistíme zanedbateľný pokles napätia na zdroji, pretože na tomto zariadení je + 0,21 V.

Odpor medzi odtokom a zdrojom sa nazýva RDS. Kvôli tomuto RDS sa pokles napätia objaví, keď v obvode prúdi prúd. RDS sa líši v závislosti od typu zariadenia (môže sa líšiť v rozmedzí od 0,001 do 0,005 do 0,05 v závislosti od typu napätia.

Niekoľko konceptov, ktoré sa treba naučiť, je:

1). Ako zvoliť MOSFET ako prepínač ?

Pri výbere spínača MOSFET ako prepínača je potrebné dodržať niekoľko podmienok:

  • Použitie polarity buď P alebo N kanál
  • Maximálne hodnotenie hodnôt prevádzkového napätia a prúdu
  • Zvýšené Rds ON, čo znamená, že odpor na termináli Drain to Source, keď je kanál úplne otvorený
  • Zvýšená prevádzková frekvencia
  • Balenie je To-220 a DPAck a mnoho ďalších.

2). Čo je účinnosť MOSFET prepínačov?

Hlavným obmedzením v čase fungovania MOSFET ako spínacieho zariadenia je zvýšená hodnota odtokového prúdu, ktorej môže byť zariadenie schopné. To znamená, že RDS v stave ON je rozhodujúcim parametrom, ktorý rozhoduje o schopnosti prepínania MOSFET. Predstavuje sa ako pomer napätia odtokového zdroja k odtokovému prúdu. Musí sa počítať iba v zapnutom stave tranzistora.

3). Prečo sa v Boost Converter používa prepínač MOSFET?

Prevodník zosilňovača všeobecne potrebuje pre činnosť prístroja spínací tranzistor. Ako spínací tranzistor sa teda používajú MOSFETy. Tieto zariadenia slúžia na poznanie aktuálnej hodnoty a hodnoty napätia. Vzhľadom na rýchlosť a náklady na prepínanie sú tiež značne využívané.

Rovnakým spôsobom možno MOSFET použiť aj viacerými spôsobmi. a tie sú

  • MOSFET ako prepínač pre LED
  • remove_circle_outline
  • MOSFET ako prepínač pre Arduino
  • MOSFET prepínač pre striedavé zaťaženie
  • Spínač MOSFET pre jednosmerný motor
  • Spínač MOSFET pre záporné napätie
  • MOSFET ako prepínač s Arduino
  • MOSFET ako prepínač s mikrokontrolérom
  • Prepínač MOSFET s hysteréziou
  • MOSFET ako spínacia dióda a aktívny odpor
  • MOSFET ako spínacia rovnica
  • MOSFET prepínač pre airsoft
  • MOSFET ako odpor hradla prepínača
  • MOSFET ako spínací solenoid
  • Prepínač MOSFET pomocou optočlenu
  • Prepínač MOSFET s hysteréziou

Aplikácia MOSFET ako prepínača

Jedným z najdôležitejších príkladov tohto zariadenia je, že sa ako prepínač používa automatická regulácia jasu v pouličnom osvetlení. V dnešnej dobe pozostáva veľa svetiel, ktoré pozorujeme na diaľniciach, z vysoko intenzívnych výbojok. Používanie žiaroviek HID však spotrebováva zvýšené energetické hladiny.

Jas nie je možné obmedziť na základe požiadavky a z tohto dôvodu musí existovať prepínač pre alternatívny spôsob osvetlenia, ktorým je LED. Použitie LED systému prekoná nevýhody vysoko svietivých žiaroviek. Hlavnou koncepciou, ktorá stála za touto výstavbou, bolo riadenie svetiel priamo na diaľniciach pomocou mikroprocesora.

Aplikácia MOSFET ako prepínač

Aplikácia MOSFET ako prepínač

To sa dá dosiahnuť iba úpravou hodinových impulzov. Podľa potreby sa toto zariadenie používa na spínanie žiaroviek. Skladá sa z malinovej dosky pi, kde je dodávaný s procesorom na správu. Tu môžu byť namiesto HID nahradené LED diódy, ktoré majú spojenie s procesorom cez MOSFET. Mikrokontrolér poskytuje zodpovedajúce pracovné cykly a potom prepne na MOSFET, aby zabezpečil vysokú úroveň intenzity.

Výhody

Niekoľko výhod je:

  • Generuje zvýšenú účinnosť aj pri fungovaní na minimálnych úrovniach napätia
  • Nie je prítomný žiadny hradlový prúd, čo vytvára väčšiu vstupnú impedanciu, čo ďalej poskytuje zvýšenú rýchlosť spínania zariadenia
  • Tieto zariadenia môžu fungovať pri minimálnych úrovniach výkonu a používajú minimálny prúd

Nevýhody

Niekoľko nevýhod je:

  • Keď sú tieto zariadenia funkčné na úrovniach napätia preťaženia, vytvára to nestabilitu zariadenia
  • Pretože prístroje majú tenkú vrstvu oxidu, môže to spôsobiť poškodenie prístroja, keď sú stimulované elektrostatickými nábojmi

Aplikácie

Aplikácie MOSFET sú

  • Zosilňovače vyrobené z MOSFET sa mimoriadne používajú v rozsiahlych frekvenčných aplikáciách
  • Reguláciu pre jednosmerné motory poskytujú tieto zariadenia
  • Pretože tieto majú zvýšenú spínaciu rýchlosť, funguje to perfektne pre konštrukciu chopperových zosilňovačov
  • Funguje ako pasívny komponent pre rôzne elektronické prvky.

Nakoniec možno dospieť k záveru, že tranzistor vyžaduje prúd, zatiaľ čo MOSFET vyžaduje napätie. Požiadavky na riadenie pre MOSFET sú oveľa lepšie, oveľa jednoduchšie v porovnaní s BJT. A tiež vedieť Ako pripojím Mosfet k prepínaču?

Fotoúvery