Jak fungují MOSFETy

Princip činnosti MOSFETu je založen především na jeho jedinečných strukturálních vlastnostech a účincích elektrického pole. Následuje podrobné vysvětlení toho, jak fungují MOSFETy:

I. Základní struktura MOSFET

MOSFET se skládá hlavně z hradla (G), zdroje (S), svodu (D) a substrátu (B, někdy připojeného ke zdroji, aby vytvořilo třísvorkové zařízení). V N-kanálových vylepšených MOSFETech je substrát obvykle nízko dopovaný křemíkový materiál typu P, na kterém jsou vyrobeny dvě vysoce dotované oblasti typu N, aby sloužily jako zdroj a odvod. Povrch substrátu typu P je pokryt velmi tenkým oxidovým filmem (oxid křemičitý) jako izolační vrstvou a jako brána je nakreslena elektroda. Díky této struktuře je hradlo izolováno od polovodičového substrátu typu P, odtoku a zdroje, a proto se také nazývá trubice s efektem pole s izolovaným hradlem.

II. Princip činnosti

MOSFETy fungují pomocí hradlového zdrojového napětí (VGS) k řízení odtokového proudu (ID). Konkrétně, když je aplikované kladné napětí zdroje hradla, VGS, větší než nula, objeví se na vrstvě oxidu pod hradlem horní kladné a spodní záporné elektrické pole. Toto elektrické pole přitahuje volné elektrony v P-oblasti, což způsobuje, že se hromadí pod vrstvou oxidu a zároveň odpuzuje díry v P-oblasti. S rostoucí VGS se zvyšuje síla elektrického pole a zvyšuje se koncentrace přitahovaných volných elektronů. Když VGS dosáhne určitého prahového napětí (VT), koncentrace volných elektronů shromážděných v oblasti je dostatečně velká, aby vytvořila novou oblast typu N (N-kanál), která funguje jako most spojující odtok a zdroj. V tomto okamžiku, pokud mezi kolektorem a zdrojem existuje určité řídicí napětí (VDS), začne proudit ID kolektoru.

III. Vznik a změna vedení

Vytvoření vodivého kanálu je klíčem k provozu MOSFET. Když je VGS větší než VT, je vytvořen vodivý kanál a ID odběrového proudu je ovlivněno VGS i VDS. VGS ovlivňuje ID řízením šířky a tvaru vodivého kanálu, zatímco VDS ovlivňuje ID přímo jako řídicí napětí. Je důležité si uvědomit, že pokud není vodivý kanál vytvořen (tj. VGS je menší než VT), pak i když je přítomen VDS, ID odtokového proudu se nezobrazí.

IV. Charakteristika MOSFETů

Vysoká vstupní impedance:Vstupní impedance MOSFETu je velmi vysoká, blízko nekonečnu, protože mezi hradlem a oblastí zdroje a svodu je izolační vrstva a pouze slabý hradlový proud.

Nízká výstupní impedance:MOSFETy jsou napěťově řízená zařízení, ve kterých se může zdroj-odtokový proud měnit se vstupním napětím, takže jejich výstupní impedance je malá.

Konstantní průtok:Při provozu v oblasti nasycení není proud tranzistoru MOSFET prakticky ovlivněn změnami napětí zdroje-odvod, což poskytuje vynikající konstantní proud.

Dobrá teplotní stabilita:MOSFETy mají široký rozsah provozních teplot od -55°C do cca +150°C.

V. Aplikace a klasifikace

MOSFETy jsou široce používány v digitálních obvodech, analogových obvodech, silových obvodech a dalších oborech. Podle typu operace lze MOSFETy rozdělit na typy vylepšení a vyčerpání; podle typu vodivého kanálu je lze rozdělit na N-kanál a P-kanál. Tyto různé typy MOSFETů mají své vlastní výhody v různých aplikačních scénářích.

Stručně řečeno, pracovním principem MOSFETu je řídit tvorbu a změnu vodivého kanálu přes napětí zdroje hradla, které zase řídí tok svodového proudu. Jeho vysoká vstupní impedance, nízká výstupní impedance, konstantní proud a teplotní stabilita činí z MOSFETů důležitou součást elektronických obvodů.