Podrobné vysvětlení schématu pracovního principu MOSFET | Analýza vnitřní struktury FET

MOSFET je jednou z nejzákladnějších součástí v polovodičovém průmyslu. V elektronických obvodech se MOSFET obecně používá v obvodech výkonového zesilovače nebo spínacích napájecích obvodech a je široce používán. Níže,OLUKEYvám podrobně vysvětlí princip fungování MOSFET a analyzuje vnitřní strukturu MOSFET.

co jeMOSFET

MOSFET, Metal Oxide Semiconductor Filed Effect Transistor (MOSFET). Je to tranzistor s efektem pole, který lze široce použít v analogových obvodech a digitálních obvodech. Podle rozdílu polarity jeho „kanálu“ (pracovního nosiče) jej lze rozdělit na dva typy: „N-typ“ a „P-typ“, které se často nazývají NMOS a PMOS.

Princip činnosti MOSFET

MOSFET lze rozdělit na typ vylepšení a typ vyčerpání podle pracovního režimu. Typ vylepšení odkazuje na MOSFET, když není aplikováno žádné předpětí a není tam žádný convodivý kanál. Typ vyčerpání se vztahuje na MOSFET, když není aplikováno žádné předpětí. Objeví se vodivý kanál.

Ve skutečných aplikacích existují pouze MOSFETy typu N-channel a P-channel. Protože NMOSFETy mají malý odpor v zapnutém stavu a snadno se vyrábějí, je NMOS ve skutečných aplikacích běžnější než PMOS.

Režim vylepšení MOSFET

Mezi kolektorem D a zdrojem S MOSFET v režimu vylepšení jsou dva PN přechody zády k sobě. Když je napětí hradla-zdroj VGS=0, i když je přidáno napětí kolektor-zdroj VDS, vždy existuje PN přechod ve stavu obráceném předpětí a mezi kolektorem a zdrojem není žádný vodivý kanál (neprotéká žádný proud ). Proto je v tuto chvíli odběrový proud ID=0.

V tomto okamžiku, pokud se mezi bránu a zdroj přidá propustné napětí. To znamená, že VGS>0, pak se v izolační vrstvě Si02 mezi hradlovou elektrodou a křemíkovým substrátem vytvoří elektrické pole s hradlem zarovnaným s křemíkovým substrátem typu P. Protože vrstva oxidu je izolační, napětí VGS aplikované na bránu nemůže produkovat proud. Na obou stranách oxidové vrstvy je generován kondenzátor a ekvivalentní obvod VGS tento kondenzátor (kondenzátor) nabíjí. A generujte elektrické pole, jak VGS pomalu stoupá, přitahované kladným napětím brány. Na druhé straně tohoto kondenzátoru (kondenzátoru) se hromadí velké množství elektronů a vytváří vodivý kanál typu N od svodu ke zdroji. Když VGS překročí zapínací napětí VT elektronky (obecně asi 2 V), N-kanálová elektronka právě začne vést a generuje odtokový proud ID. Napětím brány-zdroje nazýváme, když kanál poprvé začne generovat zapínací napětí. Obecně vyjádřeno jako VT.

Řízení velikosti hradlového napětí VGS mění sílu nebo slabost elektrického pole a lze dosáhnout efektu řízení velikosti ID sběrného proudu. To je také důležitá vlastnost MOSFETů, které používají elektrická pole k řízení proudu, takže se také nazývají tranzistory s efektem pole.

Vnitřní struktura MOSFET

Na křemíkovém substrátu typu P s nízkou koncentrací nečistot jsou vytvořeny dvě oblasti N+ s vysokou koncentrací nečistot a dvě elektrody jsou vytaženy z hliníku, aby sloužily jako odtok d a zdroj s. Poté je povrch polovodiče pokryt extrémně tenkou izolační vrstvou oxidu křemičitého (SiO2) a na izolační vrstvu mezi odtok a zdroj je instalována hliníková elektroda, která slouží jako hradlo g. Elektroda B je také vytažena na substrát, čímž se vytvoří MOSFET v režimu N-kanálového vylepšení. Totéž platí pro vnitřní tvorbu MOSFETů typu vylepšení P-kanálu.

Symboly N-kanálového MOSFET a P-kanálového MOSFET obvodu

Obrázek nahoře ukazuje symbol obvodu MOSFET. Na obrázku je D odtok, S zdroj, G brána a šipka uprostřed představuje substrát. Pokud šipka ukazuje dovnitř, znamená to N-kanálový MOSFET, a pokud šipka ukazuje ven, znamená to P-kanálový MOSFET.

Dvoukanálový N-kanálový MOSFET, dvoukanálový P-kanálový MOSFET a N+P-kanálový MOSFET obvodové symboly

Ve skutečnosti je během výrobního procesu MOSFET substrát připojen ke zdroji před opuštěním továrny. Proto v pravidlech symboliky musí být ke zdroji připojen také symbol šipky představující substrát, aby se rozlišil odtok a zdroj. Polarita napětí používaného MOSFETem je podobná našemu tradičnímu tranzistoru. N-kanál je podobný NPN tranzistoru. Svod D je připojen ke kladné elektrodě a zdroj S je připojen k záporné elektrodě. Když má hradlo G kladné napětí, vytvoří se vodivý kanál a N-kanálový MOSFET začne pracovat. Podobně je P-kanál podobný PNP tranzistoru. Drain D je připojen k záporné elektrodě, zdroj S je připojen ke kladné elektrodě, a když má hradlo G záporné napětí, vytvoří se vodivý kanál a MOSFET P-kanálu začne pracovat.

Princip spínací ztráty MOSFET

Ať už se jedná o NMOS nebo PMOS, po zapnutí vzniká vodivý vnitřní odpor, takže proud bude spotřebovávat energii na tento vnitřní odpor. Tato část spotřebované energie se nazývá spotřeba vedení. Výběr MOSFETu s malým vodivým vnitřním odporem účinně sníží spotřebu vodivosti. Současný vnitřní odpor nízkoenergetických MOSFETů se obecně pohybuje kolem desítek miliohmů a existuje i několik miliohmů.

Když je MOS zapnutý a ukončený, nesmí se to realizovat okamžitě. Napětí na obou stranách MOS bude mít efektivní pokles a proud, který jím protéká, bude mít nárůst. Během této doby je ztráta MOSFETu součinem napětí a proudu, což je spínací ztráta. Obecně řečeno, spínací ztráty jsou mnohem větší než ztráty vedením a čím vyšší je spínací frekvence, tím větší jsou ztráty.

Součin napětí a proudu v okamžiku vedení je velmi velký, což má za následek velmi velké ztráty. Spínací ztráty lze snížit dvěma způsoby. Jedním z nich je snížení spínacího času, což může účinně snížit ztrátu při každém zapnutí; druhým je snížení spínací frekvence, což může snížit počet sepnutí za jednotku času.

Výše uvedené je podrobné vysvětlení diagramu pracovního principu MOSFET a analýza vnitřní struktury MOSFET. Chcete-li se dozvědět více o MOSFET, kontaktujte OLUKEY, abychom vám poskytli technickou podporu MOSFET!