MOSFET ir metāla oksīdu pusvadītāju lauka tranzistors. Tranzistori ir nelielas elektriskās ierīces, ko cita starpā izmanto modinātājos, kalkulatoros un, iespējams, vispazīstamākajos datoros; tie ir vieni no mūsdienu elektronikas pamatelementiem. Daži MOSFET pastiprina vai apstrādā analogos signālus, tomēr lielākā daļa tiek izmantota digitālajā elektronikā, īpaši CMOS tehnoloģijā.

Kā darbojas MOSFET

MOSFET darbojas kā elektrības vārsti. Tam ir trīs galvenie izvadi: vārti (gate), avots (source) un drenāža (drain). Elektriskais signāls tiek sūtīts uz vārtu, kas rada elektrisko lauku caur plānu oksīda slāni. Šis lauks maina vadītspēju starp avotu un drenāžu — tātad vārti kontrolē strāvas plūsmu, gluži kā slēdzis kontrolē lampas strāvu.

Nosaukums MOSFET apraksta ierīces būvi: MOS (metāla–oksīda–pusvadītāja) norāda, ka vārti atrodas virs izolējoša oksīda slāņa uz pusvadītāja plāksnes, bet FET (field-effect transistor) apzīmē to, ka ierīce strādā, izmantojot lauka efektu.

Galvenie veidi un režīmi

  • N-kanāla un P-kanāla MOSFET: n-kanāli vadīt, izmantojot negatīvi vadītājus (elektronus), p-kanāli vadīt, izmantojot pozitīvos lāciņus (caurumus). Digitālajā CMOS tehnikā šie divi tipa tranzistori strādā kopā.
  • Pastiprinošā (enhancement) režīms: tipisks diskretajiem un lielākajai daļai integrēto MOSFET — kanāls veidojas tikai tad, kad vārtu spriegums pārsniedz sliekšņa spriegumu (Vth).
  • Atvieglinošā (depletion) režīms: kanāls pastāv jau pie Vgs = 0, un vārti to var "aizvērt". Šis tips ir retāks.

Darbības reģioni

Darbojoties, MOSFET parasti tiek klasificēts trīs reģionos:

  • Izkropļojums / izgriezums (cut-off): Vgs < Vth — ierīce ir praktiski izslēgta, liela pretestība starp avotu un drenāžu.
  • Lineārais / ohmiskā reģions (triode / linear): zemā sprieguma starp drain un source, MOSFET uzvedas kā maināma pretestība — piemērots slēģis vai strāvas regulēšanai.
  • Saturācijas / aktīvais reģions (saturation / active): pieaugot Vds, ierīce darbojas kā pastiprinātājs (analogā darbībā) vai kā pilnīgi atvērts slēdzis digitālajā režīmā.

Tehniskās īpašības, ko saprast projektēšanā

  • Sliekšņa spriegums (Vth) — vārtu un avota spriegums, pie kura sāk veidoties vadošs kanāls.
  • Rds(on) — iekšējā pretestība, kad MOSFET ir pilnībā "ieslēgts"; svarīga parametrs jaudas lietojumos (zems Rds(on) nozīmē zemākas zudumus).
  • Gate capacitance — vārtu kapacitāte, kas ietekmē ātrumu un nepieciešamo vadības enerģiju; lieli jaudas tranzistori prasa spēcīgākus vārtu draiverus ātrai pārslēgšanai.
  • Body diode un substrāta saistība — diskretajiem MOSFET bieži ir iebūvēta diode starp drain un source, kas jāņem vērā barošanas un maiņstrāvas shēmās.
  • Termiskā vadība — MOSFET darbības laikā izdalās siltums; nepieciešama dzesēšana/piesūce, lai nepieļautu termisko bojājumu.

Kur MOSFET izmanto

  • Digitālā loģika (CMOS mikroprocesori un atmiņas) — gan n-, gan p-kanāla tranzistori veido logikas elementus.
  • Strāvas pārslēgšana un barošanas konvertori (DC–DC pārveidotāji, invertori) — īpaši jaudas MOSFET ar zemu Rds(on).
  • Motoru vadība un elektromehāniskas ierīces — ātra pārslēgšana un augsta efektivitāte.
  • Analogā pastiprināšana un RF lietojumi — speciāli small‑signal MOSFET ar labu linearitāti.
  • Jaunākas materiālu tehnoloģijas (SiC, GaN) nodrošina labāku veiktspēju augstos spriegumos un temperatūrās, tādēļ tās tiek izmantotas jaudas elektronikas risinājumos.

Kādēļ izvēlēties MOSFET salīdzinājumā ar BJT

MOSFET parasti piedāvā:

  • Augstu ieejas pretestību (praktiski neplūst strāva pa vārtiem), tādēļ vārtu vadība prasa ļoti maz enerģijas.
  • Labāku efektivitāti pārslēgšanās režīmā (īpaši ar zemu Rds(on)).
  • Lielāku integrācijas līmeni — MOSFET tehnoloģija ir piemērota miljoniem vai miljardiem tranzistoru uz vienas mikroshēmas (CMOS).

Praktiski padomi dizainā

  • Izvēlieties MOSFET ar piemērotu Vth, Rds(on) un maksimālo spriegumu jūsu pielietojumam.
  • Aprēķiniet vārtu vadības jaudu, ņemot vērā gate capacitance un pārslēgšanās ātrumu.
  • Rūpējieties par dzesēšanu un termālo ceļu, īpaši strāvas lietojumos.
  • Ja nepieciešams ātrs maiņsprieguma darbs vai darbība augstos spriegumos/temperatūrās, apsveriet SiC vai GaN ierīces.

Gandrīz visi MOSFET tiek izmantoti integrālās shēmās. Kopš 2008. gada vienā integrētajā shēmā ir iespējams ievietot 2 000 000 000 000 tranzistoru. Mūsdienās dažādas mikroshēmas satur miljardiem līdz desmitiem miljardu tranzistoru, kas ļauj veidot arvien jaudīgākas un energoefektīvākas ierīces.