Kaj je MOSFET: Delo in njegove uporabe

Kaj je MOSFET: Delo in njegove uporabe

Tranzistor MOSFET (tranzistor s polprevodniškim efektom kovinskega oksida) je polprevodniška naprava, ki se pogosto uporablja za preklapljanje in ojačanje elektronskih signalov v elektronskih napravah. MOSFET je bodisi jedro bodisi integrirano vezje, kjer je zasnovan in izdelan v enem čipu, ker je naprava na voljo v zelo majhnih velikostih. Uvedba naprave MOSFET je spremenila domeno preklapljanje v elektroniki . Pojdimo s podrobno razlago tega koncepta.



Kaj je MOSFET?

MOSFET je štiri terminalna naprava, ki ima terminale za vir (S), vrata (G), odtok (D) in telo (B). Na splošno je telo MOSFET-a povezano z izvornim terminalom in tako tvori tri-terminalno napravo, kot je tranzistor s poljskim učinkom. MOSFET se na splošno šteje za tranzistor in se uporablja v analognem in digitalnem vezju. To je osnovno uvod v MOSFET . Splošna zgradba te naprave je naslednja:


MOSFET

MOSFET





Iz zgoraj navedenega Struktura MOSFET-a je funkcionalnost MOSFET-a odvisna od električnih sprememb v širini kanala skupaj s pretokom nosilcev (bodisi lukenj bodisi elektronov). Nosilci polnjenja vstopijo v kanal skozi izvorni terminal in izstopijo skozi odtok.

Širino kanala nadzira napetost na elektrodi, ki se imenuje vrata in se nahaja med izvorom in odtokom. Izoliran je iz kanala blizu izredno tanke plasti kovinskega oksida. Kapaciteta MOS, ki obstaja v napravi, je ključnega pomena, kjer je celotna operacija v zvezi s tem.



MOSFET s terminali

MOSFET s terminali

MOSFET lahko deluje na dva načina

  • Način izpraznitve
  • Način izboljšave

Način izpraznitve

Ko na priključku ni napetosti, kanal prikaže svojo največjo prevodnost. Medtem ko je napetost na sponki vrat pozitivna ali negativna, se prevodnost kanala zmanjša.


Na primer

Način odklonaNačin izboljšave

Ko na sponki vrat ni napetosti, naprava ne deluje. Ko je na vhodni sponki največja napetost, naprava pokaže izboljšano prevodnost.

Način izboljšave

Način izboljšave

Načelo delovanja MOSFET-a

Glavno načelo naprave MOSFET je zmožnost nadzora napetosti in toka med terminali vira in odtoka. Deluje skoraj kot stikalo, funkcionalnost naprave pa temelji na kondenzatorju MOS. MOS kondenzator je glavni del MOSFET-a.

Polprevodniško površino na spodnji oksidni plasti, ki se nahaja med virom in odtočnim priključkom, je mogoče pretvoriti iz p-tipa v n-tip z uporabo bodisi pozitivne bodisi negativne napetosti vrat. Ko uporabimo odbojno silo za pozitivno napetost vrat, se luknje pod oksidno plastjo s podlago potisnejo navzdol.

Območje izčrpavanja, naseljeno z vezanimi negativnimi naboji, ki so povezani z akceptorskimi atomi. Ko dosežemo elektrone, se razvije kanal. Pozitivna napetost privlači tudi elektrone iz vira n + in odtočne regije v kanal. Zdaj, če med odtokom in virom deluje napetost, tok teče prosto med virom in odtokom, napetost vrat pa nadzoruje elektrone v kanalu. Če namesto pozitivne napetosti uporabimo negativno napetost, se pod oksidno plastjo oblikuje luknjasti kanal.

Blok diagram MOSFET

Blok diagram MOSFET

P-Channel MOSFET

P-kanalni MOSFET ima območje P-kanala, ki se nahaja med terminalom vira in odtoka. Gre za štirih terminalno napravo, ki ima terminale kot vrata, odtok, vir in telo. Odtok in vir sta močno dopirana p + regija, telo ali podlaga pa n-tipa. Tok toka je v smeri pozitivno nabitih lukenj.

Ko negativno napetost z odbojno silo nanašamo na priključek, se elektroni pod oksidno plastjo potisnejo navzdol v podlago. Območje izčrpavanja, naseljeno z vezanimi pozitivnimi naboji, ki so povezani z donorskimi atomi. Negativna napetost vrat privablja tudi luknje iz vira p + in odtočnega območja v območje kanala.

Način izpraznitve P kanal

Način izpraznitve P kanal

Izboljšani način P Channel

Izboljšani način P Channel

N- kanal MOSFET

N-Channel MOSFET ima območje N-kanala, ki se nahaja med terminalom vira in odtoka. Gre za štirih terminalno napravo, ki ima terminale kot vrata, odtok, vir, telo. Pri tej vrsti tranzistorja z efektom polja sta odtok in vir močno dopirana n + regija, podlaga ali telo pa P-tipa.

Tok toka v tej vrsti MOSFET-a se zgodi zaradi negativno nabitih elektronov. Ko pozitivno napetost z odbojno silo nanašamo na priključek vrat, se luknje pod oksidno plastjo potisnejo navzdol v podlago. Območje izčrpavanja naseljujejo vezani negativni naboji, ki so povezani z akceptorskimi atomi.

Po dosegu elektronov nastane kanal. Pozitivna napetost privlači tudi elektrone iz vira n + in odtočne regije v kanal. Zdaj, če med odtokom in izvorom deluje napetost, tok teče prosto med virom in odtokom, napetost vrat pa nadzira elektrone v kanalu. Namesto pozitivne napetosti, če uporabimo negativno napetost, bo pod oksidno plastjo nastal kanal z luknjami.

Način izboljšave N Channel

Način izboljšave N Channel

MOSFET regije delovanja

Na splošno je delovanje te naprave v glavnem v treh regijah, in sicer:

  • Mejna regija - To je območje, kjer bo naprava v izklopljenem stanju in skozi njo ne teče nič toka. Tu naprava deluje kot osnovno stikalo in je tako uporabljena, da kadar je potrebno za delovanje kot električna stikala.
  • Regija nasičenosti - V tem območju bodo imele naprave konstantno vrednost odtoka do vira, ne da bi upoštevale povečanje napetosti na odtoku do vira. To se zgodi le enkrat, ko se napetost na odtoku do priključka vira poveča več kot vrednost napetosti odklopa. V tem primeru naprava deluje kot zaprto stikalo, kamor teče nasičena raven toka skozi odtok do terminalov vira. Zaradi tega je območje nasičenja izbrano, ko naj bi naprave izvajale preklapljanje.
  • Linearna / ohmična regija - To je območje, kjer se tok čez odtok do vira povečuje z naraščanjem napetosti na poti odtoka do vira. Ko naprave MOSFET delujejo v tem linearnem območju, izvajajo funkcijo ojačevalnika.

Oglejmo si zdaj preklopne značilnosti MOSFET-a

Tudi polprevodnik, kot je MOSFET ali bipolarni križni tranzistor, v bistvu deluje kot stikala v dveh scenarijih, eden je v stanju VKLOP in drugi v stanju IZKLOP. Da bi razmislili o tej funkcionalnosti, si oglejmo idealne in praktične značilnosti naprave MOSFET.

Idealne značilnosti stikala

Kadar naj bi MOSFET deloval kot idealno stikalo, bi moral vsebovati spodnje lastnosti in te so

  • V stanju ON mora obstajati trenutna omejitev, ki jo nosi
  • V izklopljenem stanju napetosti blokiranja ne smejo imeti nobenih omejitev
  • Ko naprava deluje v stanju ON, mora biti vrednost padca napetosti nična
  • Upor v izklopljenem stanju mora biti neskončen
  • Hitrost delovanja ne sme biti omejena

Praktične značilnosti stikal

Ker se svet ne drži le idealnih aplikacij, je delovanje MOSFET-a uporabno celo v praktične namene. V praktičnem primeru mora imeti naprava naslednje lastnosti

  • V stanju ON je treba omejiti zmožnosti upravljanja moči, kar pomeni, da je treba omejiti pretok prevodnega toka.
  • V izklopljenem stanju napetosti blokiranja ne smejo biti omejene
  • Vklop in izklop za končni čas omeji omejitveno hitrost naprave in celo omeji funkcionalno frekvenco
  • V stanju VKLOP naprave MOSFET bodo minimalne vrednosti upora, kjer to povzroči padec napetosti pri posredovanju. Obstaja tudi končni upor izklopljenega stanja, ki zagotavlja povratni tok uhajanja
  • Ko naprava deluje v praktičnih lastnostih, izgubi vklop in izklop. To se dogaja tudi v prehodnih državah.

Primer MOSFET-a kot stikala

V spodnji razporeditvi vezij se za preklop vzorčne žarnice s pogoji VKLOP in IZKLOP uporabljata izboljšani način in N-kanalni MOSFET. Pozitivna napetost na vhodni sponki deluje na dno tranzistorja in svetilka se premakne v stanje ON in tukaj VGS= + v ali pri ničelni ravni napetosti se naprava preklopi v stanje IZKLOP, kjer je VGS= 0.

MOSFET kot stikalo

MOSFET kot stikalo

Če bi bilo treba uporovno obremenitev žarnice nadomestiti z induktivno obremenitvijo in jo priključiti na rele ali diodo, ki je zaščitena pred obremenitvijo. V zgornjem vezju gre za zelo preprosto vezje za preklop uporovne obremenitve, kot je žarnica ali LED. Toda če uporabljate MOSFET kot stikalo bodisi z induktivno obremenitvijo ali kapacitivno obremenitvijo, je potrebna zaščita naprave MOSFET.

Če v primeru, ko MOSFET ni zaščiten, lahko pride do poškodbe naprave. Da bi MOSFET deloval kot analogna preklopna naprava, ga je treba preklopiti med njegovo mejno območje, kjer je VGS= 0 in območje nasičenja, kjer je VGS= + v.

Video Opis

MOSFET lahko deluje tudi kot tranzistor in je okrajšan kot tranzistor s silicijevim poljskim učinkom iz kovinskega oksida. Že samo ime je tu nakazovalo, da lahko napravo upravljamo kot tranzistor. Imel bo P-kanal in N-kanal. Naprava je na tak način povezana s štirimi virskimi, vratnimi in odtočnimi terminali, uporovna obremenitev 24Ω pa je zaporedno povezana z ampermetrom, merilnik napetosti pa preko MOSFET-a.

V tranzistorju je tok toka v vratih v pozitivni smeri in izvorni priključek je povezan z maso. Medtem ko je v bipolarnih priključnih tranzistorskih napravah trenutni tok čez pot od osnove do oddajnika. Toda v tej napravi ni toka, ker je na začetku vrat kondenzator, potrebuje le napetost.

To se lahko zgodi tako, da nadaljujete s postopkom simulacije in vklopite / izklopite. Ko je stikalo vklopljeno, skozi vezje ne teče tok toka, ko sta priključena upor 24Ω in 0,29 napetosti ampermetra, ugotovimo zanemarljiv padec napetosti na viru, ker je v tej napravi + 0,21V.

Odpornost med odtokom in izvorom se imenuje RDS. Zaradi tega RDS se padec napetosti pojavi, ko v tokokrogu teče tok. RDS se razlikuje glede na vrsto naprave (glede na vrsto napetosti se lahko razlikuje med 0,001, 0,005 in 0,05).

Nekaj ​​konceptov, ki se jih je treba naučiti, je:

1). Kako izbrati MOSFET kot stikalo ?

Pri izbiri MOSFET-a kot stikala je treba upoštevati le nekaj pogojev:

  • Uporaba polarnosti bodisi P bodisi N kanala
  • Najvišja vrednost obratovalne napetosti in tokovnih vrednosti
  • Povečana Rds ON, kar pomeni, da je upor na odtoku do terminala Drain to Source popolnoma odprt
  • Izboljšana delovna frekvenca
  • Vrsta pakiranja je To-220 in DPAck ter številna druga.

2). Kaj je učinkovitost stikala MOSFET?

Glavna omejitev v času delovanja MOSFET-a kot preklopne naprave je povečana vrednost odtočnega toka, ki jo naprava lahko zmore. To pomeni, da je RDS v stanju ON ključni parameter, ki odloča o preklopni sposobnosti MOSFET-a. Predstavljeno je kot razmerje med napetostjo odtočnega vira in napetostjo odtočnega toka. Izračunati ga je treba samo v stanju vklopa tranzistorja.

3). Zakaj se MOSFET stikalo uporablja v Boost Converterju?

Na splošno boost pretvornik za delovanje naprave potrebuje preklopni tranzistor. Torej se kot preklopni tranzistorski MOSFET uporabljajo. Te naprave se uporabljajo za poznavanje trenutne vrednosti in vrednosti napetosti. Tudi glede na hitrost preklopa in stroške so ti v veliki meri zaposleni.

Na enak način se MOSFET lahko uporablja tudi na več načinov. in to so

  • MOSFET kot stikalo za LED
  • remove_circle_outline
  • MOSFET kot stikalo za Arduino
  • MOSFET stikalo za izmenično obremenitev
  • MOSFET stikalo za enosmerni motor
  • MOSFET stikalo za negativno napetost
  • MOSFET kot stikalo z Arduinom
  • MOSFET kot stikalo z mikrokrmilnikom
  • MOSFET stikalo s histerezo
  • MOSFET kot stikalna dioda in aktivni upor
  • MOSFET kot enačba stikala
  • MOSFET stikalo za airsoft
  • MOSFET kot preklopni upor
  • MOSFET kot preklopni elektromagnet
  • Stikalo MOSFET z uporabo optičnega sklopnika
  • MOSFET stikalo s histerezo

Uporaba MOSFET-a kot stikala

Eden najpomembnejših primerov te naprave je, da se uporablja kot stikalo za samodejni nadzor svetlosti v uličnih lučeh. Danes so številne luči, ki jih opazimo na avtocestah, sestavljene iz visokointenzivnih žarnic za praznjenje. Toda uporaba HID žarnic porabi več energije.

Svetlosti ni mogoče omejiti glede na zahteve, zato mora obstajati stikalo za alternativni način osvetlitve in je LED. Uporaba LED sistema bo premagala slabosti visokointenzivnih svetilk. Glavni koncept tega je bil nadzor luči neposredno na avtocestah z uporabo mikroprocesorja.

MOSFET aplikacija kot stikalo

MOSFET aplikacija kot stikalo

To lahko dosežemo samo s spreminjanjem urnih impulzov. Glede na potrebo se ta naprava uporablja za vklop svetilk. Sestavljen je iz maline pi plošče, kjer je priložen procesorju za upravljanje. Tu lahko namesto HID-ov nadomestimo LED-je, ki imajo povezavo s procesorjem prek MOSFET-a. Mikrokrmilnik zagotavlja ustrezne delovne cikle in nato preklopi na MOSFET, da zagotovi visoko stopnjo intenzivnosti.

Prednosti

Nekaj ​​prednosti je:

  • Ustvari večjo učinkovitost tudi pri delovanju pri minimalni napetosti
  • Vratnega toka ni, to ustvarja večjo vhodno impedanco, kar dodatno zagotavlja povečano hitrost preklopa naprave
  • Te naprave lahko delujejo pri minimalni moči in porabijo minimalni tok

Slabosti

Nekaj ​​pomanjkljivosti je:

  • Ko te naprave delujejo pri preobremenitvenih napetostnih stopnjah, to ustvari nestabilnost naprave
  • Ker imajo naprave tanko oksidno plast, lahko to povzroči škodo na napravi, če jo spodbudijo elektrostatični naboji

Aplikacije

Aplikacije MOSFET-a so

  • Ojačevalniki iz MOSFET-a so izjemno uporabni v obsežnih frekvenčnih aplikacijah
  • Te naprave zagotavljajo regulacijo za enosmerne motorje
  • Ker imajo te izboljšane preklopne hitrosti, deluje kot nalašč za izdelavo sekalnih ojačevalnikov
  • Deluje kot pasivna komponenta za različne elektronske elemente.

Na koncu lahko sklepamo, da tranzistor potrebuje tok, MOSFET pa napetost. Vozne zahteve za MOSFET so v primerjavi z BJT veliko boljše in enostavnejše. In tudi vem Kako povežem Mosfet na stikalo?

Foto krediti