Kas ir MOSFET — definīcija un darbības princips

Kas ir MOSFET — definīcija un darbības princips: saprotams skaidrojums par MOSFET darbību, pielietojumiem un to lomu mūsdienu elektronikā.

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.

Teorija

MOSFET pusvadītāju izgatavošanai ir daudz dažādu veidu. Vienkāršākā metode ir parādīta diagrammā šī teksta labajā pusē. Zilā daļa attēlo P tipa silīciju, bet sarkanā daļa - N tipa silīciju. Abu tipu krustpunkts veido diodi. Silīcija pusvadītājos ir īpatnība, ko sauc par "noplicināšanas apgabalu". Dopētajā silīcijā, kur viena daļa ir dopēta N tipa un viena daļa ir dopēta P tipa silīcija, krustpunktā starp abiem dabiski veidojas noplicināšanas apgabals. Tas ir tāpēc, ka tajos ir akceptori un donori. P tipa silīcijam ir akceptori, pazīstami arī kā caurumi, kas piesaista elektronus. N tipa silīcijam ir donori jeb elektroni, kas piesaista caurumus. Robežā starp šiem diviem elementiem N tipa elektroni aizpilda P tipa caurumus. Tā rezultātā akceptoru jeb P tipa atomi kļūst negatīvi lādēti, un, tā kā negatīvie lādiņi piesaista pozitīvos lādiņus, akceptori jeb caurumi plūst uz "krustojumu". N tipa pusē ir pozitīvs lādiņš, kā rezultātā donori jeb elektroni plūst uz "krustojumu". Kad tie tur nonāks, tos atbaidīs negatīvais lādiņš, kas atrodas savienojuma otrā pusē, jo līdzīgi lādiņi atbaida. Tas pats notiks P tipa pusē, donorus jeb caurumus atbaidīs pozitīvais laukums N tipa pusē. Starp abām pusēm nevar plūst elektrība, jo elektroni nevar pārvietoties uz otru pusi.

MOSFET to izmanto savā labā. MOSFET "ķermenis" tiek darbināts negatīvi, kas paplašina iztukšošanas apgabalu, jo caurumi tiek aizpildīti ar jauniem elektroniem, tāpēc pretējais spēks elektroniem N pusē kļūst daudz lielāks. MOSFET "Avots" tiek darbināts negatīvi, kas pilnībā sašaurina N tipa noplicināšanas zonu, jo ir pietiekami daudz elektronu, lai aizpildītu pozitīvo noplicināšanas zonu. "Drain" ir ar pozitīvu jaudu. Kad "Gate" tiek pievadīts ar pozitīvu jaudu, tas radīs nelielu elektromagnētisko lauku, kas likvidēs noplicināšanas zonu tieši zem vārtiem, jo izveidosies caurumu "izsmidzināšana", kas veidos kaut ko tādu, ko sauc par "N kanālu". N-kanāls ir pagaidu apgabals P tipa silīcija apgabalā, kurā nav noplicināšanas zonas. Pozitīvais elektriskais lauks neitralizēs visus brīvos elektronus, kas veido noplicināšanas zonu. Tad elektroniem avota apgabalā būs brīvs ceļš, lai pārvietotos uz "Drain", kas nodrošinās elektrības plūsmu no avota uz drenāžu.

Vienkārša MOSFET shēma

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir MOSFET?

Q: Kādiem nolūkiem izmanto tranzistorus?

J: Kā darbojas MOSFET?

J: Ko apzīmē nosaukums "MOSFET"?

J: Kur izmanto gandrīz visus MOSFET?

Jautājums: Cik daudz tranzistoru var ievietot integrētajā shēmā šodien, salīdzinot ar 1970. gadu?

Meklēt pēc burta