Szczegółowe wyjaśnienie schematu zasady działania MOSFET-u | Analiza struktury wewnętrznej FET

MOSFET jest jednym z najbardziej podstawowych komponentów w przemyśle półprzewodników. W obwodach elektronicznych MOSFET jest powszechnie stosowany w obwodach wzmacniaczy mocy lub obwodach zasilaczy impulsowych i jest szeroko stosowany. Poniżej,OLUKEYszczegółowo wyjaśni zasadę działania MOSFET-u i przeanalizuje wewnętrzną strukturę MOSFET-u.

Co jestMOSFET

MOSFET, tranzystor półprzewodnikowy z tlenkiem metalu (MOSFET). Jest to tranzystor polowy, który może być szeroko stosowany w obwodach analogowych i obwodach cyfrowych. Zgodnie z różnicą polaryzacji jego „kanału” (nośnika roboczego) można go podzielić na dwa typy: „typ N” i „typ P”, które często nazywane są NMOS i PMOS.

Zasada działania MOSFET-u

MOSFET można podzielić na typ wzmocnienia i typ wyczerpania w zależności od trybu pracy. Typ wzmocnienia odnosi się do MOSFET-u, gdy nie jest przyłożone napięcie polaryzacji i nie ma połączeniakanał przewodzący. Typ wyczerpania odnosi się do MOSFET-u, gdy nie jest przyłożone żadne napięcie polaryzacji. Pojawi się kanał przewodzący.

W rzeczywistych zastosowaniach dostępne są tylko tranzystory MOSFET z ulepszonym kanałem N i typem ulepszonego kanału P. Ponieważ NMOSFET mają małą rezystancję w stanie włączenia i są łatwe w produkcji, w rzeczywistych zastosowaniach NMOS jest bardziej powszechny niż PMOS.

Tryb wzmocnienia MOSFET

Pomiędzy drenem D i źródłem S tranzystora MOSFET w trybie wzmocnienia znajdują się dwa złącza PN typu back-to-back. Gdy napięcie bramka-źródło VGS=0, nawet po dodaniu napięcia dren-źródło VDS, złącze PN zawsze znajduje się w stanie spolaryzowanym zaporowo, a pomiędzy drenem a źródłem nie ma kanału przewodzącego (prąd nie przepływa ). Dlatego w tym momencie prąd drenu ID = 0.

W tym momencie, jeśli między bramką a źródłem zostanie dodane napięcie przewodzenia. Oznacza to, że VGS>0, wówczas w warstwie izolacyjnej SiO2 pomiędzy elektrodą bramki a podłożem krzemowym wygenerowane zostanie pole elektryczne z bramką wyrównaną z podłożem krzemowym typu P. Ponieważ warstwa tlenku ma charakter izolacyjny, napięcie VGS przyłożone do bramki nie może wytworzyć prądu. Po obu stronach warstwy tlenku generowany jest kondensator, a obwód zastępczy VGS ładuje ten kondensator (kondensator). I generuj pole elektryczne, gdy VGS powoli rośnie, przyciągane przez dodatnie napięcie bramki. Duża liczba elektronów gromadzi się po drugiej stronie tego kondensatora (kondensatora) i tworzy kanał przewodzący typu N od drenu do źródła. Kiedy VGS przekracza napięcie włączenia VT lampy (zwykle około 2 V), lampa z kanałem N zaczyna przewodzić, generując identyfikator prądu drenu. Napięcie bramki-źródła nazywamy wtedy, gdy kanał po raz pierwszy zaczyna generować napięcie włączenia. Ogólnie wyrażane jako VT.

Sterowanie wielkością napięcia bramki VGS zmienia siłę lub osłabienie pola elektrycznego i można uzyskać efekt kontrolowania wielkości prądu drenu. Jest to również ważna cecha tranzystorów MOSFET, które wykorzystują pola elektryczne do sterowania prądem, dlatego nazywane są one również tranzystorami polowymi.

Wewnętrzna struktura MOSFET-u

Na podłożu krzemowym typu P o niskim stężeniu zanieczyszczeń tworzone są dwa obszary N+ o wysokim stężeniu zanieczyszczeń, a następnie z metalicznego aluminium wyciągane są dwie elektrody, które służą odpowiednio jako dren d i źródło s. Następnie powierzchnię półprzewodnika pokrywa się niezwykle cienką warstwą izolacyjną z dwutlenku krzemu (SiO2), a na warstwie izolacyjnej między drenem a źródłem instaluje się elektrodę aluminiową, która służy jako bramka g. Elektroda B jest również wyciągana na podłoże, tworząc N-kanałowy MOSFET w trybie wzmocnienia. To samo dotyczy wewnętrznego tworzenia tranzystorów MOSFET typu wzmocnionego z kanałem P.

Symbole obwodów MOSFET z kanałem N i MOSFET z kanałem P

Powyższy obrazek pokazuje symbol obwodu MOSFET. Na zdjęciu D to dren, S to źródło, G to brama, a strzałka pośrodku przedstawia podłoże. Jeśli strzałka skierowana jest do wewnątrz, oznacza to MOSFET z kanałem N, a jeśli strzałka skierowana jest na zewnątrz, oznacza MOSFET z kanałem P.

Symbole obwodów MOSFET z podwójnym kanałem N, podwójnym MOSFET z kanałem P i MOSFET z kanałem N+P

W rzeczywistości podczas procesu produkcji MOSFET-u podłoże jest podłączane do źródła przed opuszczeniem fabryki. Dlatego zgodnie z zasadami symboliki symbol strzałki reprezentujący podłoże musi być również połączony ze źródłem, aby odróżnić dren od źródła. Polaryzacja napięcia stosowanego przez MOSFET jest podobna do polaryzacji naszego tradycyjnego tranzystora. Kanał N jest podobny do tranzystora NPN. Drenaż D jest podłączony do elektrody dodatniej, a źródło S jest podłączone do elektrody ujemnej. Kiedy bramka G ma napięcie dodatnie, tworzy się kanał przewodzący i N-kanałowy MOSFET zaczyna działać. Podobnie kanał P jest podobny do tranzystora PNP. Drenaż D jest podłączony do elektrody ujemnej, źródło S jest podłączone do elektrody dodatniej, a gdy bramka G ma napięcie ujemne, tworzy się kanał przewodzący i zaczyna działać MOSFET z kanałem P.

Zasada strat przełączania MOSFET

Niezależnie od tego, czy jest to NMOS, czy PMOS, po włączeniu powstaje opór wewnętrzny przewodzenia, tak że prąd będzie zużywał energię na tym oporze wewnętrznym. Ta część zużywanej energii nazywana jest zużyciem przewodzenia. Wybór tranzystora MOSFET o małej rezystancji wewnętrznej przewodzenia skutecznie zmniejszy zużycie przewodzenia. Obecna rezystancja wewnętrzna tranzystorów MOSFET małej mocy wynosi zazwyczaj około kilkudziesięciu miliomów, ale jest też kilka miliomów.

Kiedy MOS jest włączony i zakończony, nie może to nastąpić w jednej chwili. Napięcie po obu stronach MOS będzie efektywnie spadać, a przepływający przez niego prąd będzie wzrastał. W tym okresie strata MOSFET-u jest iloczynem napięcia i prądu, co stanowi stratę przełączania. Ogólnie rzecz biorąc, straty przełączania są znacznie większe niż straty przewodzenia, a im większa częstotliwość przełączania, tym większe straty.

Iloczyn napięcia i prądu w momencie przewodzenia jest bardzo duży, co powoduje bardzo duże straty. Straty przełączania można zmniejszyć na dwa sposoby. Jednym z nich jest skrócenie czasu przełączania, co może skutecznie zmniejszyć straty podczas każdego włączenia; drugim jest zmniejszenie częstotliwości przełączania, co może zmniejszyć liczbę przełączeń w jednostce czasu.

Powyżej znajduje się szczegółowe wyjaśnienie schematu zasady działania MOSFET-u i analiza wewnętrznej struktury MOSFET-u. Aby dowiedzieć się więcej o MOSFET-ie, zapraszamy do skonsultowania się z firmą OLUKEY w celu zapewnienia wsparcia technicznego dotyczącego MOSFET-u!