Giải thích chi tiết sơ đồ nguyên lý làm việc của MOSFET | Phân tích cấu trúc bên trong của FET

MOSFET là một trong những thành phần cơ bản nhất trong ngành bán dẫn. Trong các mạch điện tử, MOSFET thường được sử dụng trong các mạch khuếch đại công suất hoặc mạch cấp nguồn chuyển mạch và được sử dụng rộng rãi. Dưới,OLUKEYsẽ giải thích chi tiết cho bạn về nguyên lý làm việc của MOSFET và phân tích cấu tạo bên trong của MOSFET.

Là gìMOSFET

MOSFET, Transistor hiệu ứng bán dẫn oxit kim loại (MOSFET). Nó là một bóng bán dẫn hiệu ứng trường có thể được sử dụng rộng rãi trong các mạch tương tự và mạch kỹ thuật số. Theo sự khác biệt về cực tính của "kênh" (sóng mang hoạt động) của nó, nó có thể được chia thành hai loại: "loại N" và "loại P", thường được gọi là NMOS và PMOS.

Nguyên lý làm việc MOSFET

MOSFET có thể được chia thành loại tăng cường và loại suy giảm theo chế độ làm việc. Loại cải tiến đề cập đến MOSFET khi không áp dụng điện áp phân cực và không có khuyết điểm.kênh dẫn điện. Loại suy giảm đề cập đến MOSFET khi không áp dụng điện áp phân cực. Một kênh dẫn điện sẽ xuất hiện.

Trong các ứng dụng thực tế, chỉ có MOSFET loại tăng cường kênh N và MOSFET loại tăng cường kênh P. Vì NMOSFET có điện trở trạng thái nhỏ và dễ sản xuất nên NMOS phổ biến hơn PMOS trong các ứng dụng thực tế.

Chế độ tăng cường MOSFET

Có hai điểm nối PN quay lưng giữa cống D và nguồn S của MOSFET chế độ tăng cường. Khi điện áp nguồn cổng VGS = 0, ngay cả khi thêm điện áp nguồn VDS, vẫn luôn có một điểm nối PN ở trạng thái phân cực ngược và không có kênh dẫn điện giữa cống và nguồn (không có dòng điện chạy qua). ). Do đó, dòng xả ID = 0 tại thời điểm này.

Tại thời điểm này, nếu một điện áp chuyển tiếp được thêm vào giữa cổng và nguồn. Nghĩa là, VGS>0, khi đó một điện trường có cổng thẳng hàng với đế silicon loại P sẽ được tạo ra trong lớp cách điện SiO2 giữa điện cực cổng và đế silicon. Vì lớp oxit có tính cách điện nên điện áp VGS đặt vào cổng không thể tạo ra dòng điện. Một tụ điện được tạo ra ở cả hai phía của lớp oxit và mạch tương đương VGS sẽ sạc tụ điện (tụ điện) này. Và tạo ra một điện trường, khi VGS từ từ tăng lên, bị thu hút bởi điện áp dương của cổng. Một số lượng lớn electron tích tụ ở phía bên kia của tụ điện (tụ điện) này và tạo ra kênh dẫn điện loại N từ cực máng đến nguồn. Khi VGS vượt quá điện áp bật VT của ống (thường là khoảng 2V), ống kênh N mới bắt đầu dẫn điện, tạo ra dòng điện thoát ID. Chúng tôi gọi điện áp nguồn cổng khi kênh lần đầu tiên bắt đầu tạo ra điện áp bật. Nói chung được thể hiện là VT.

Việc kiểm soát kích thước của điện áp cổng VGS sẽ thay đổi cường độ hoặc điểm yếu của điện trường và có thể đạt được hiệu quả kiểm soát kích thước của dòng điện thoát ID. Đây cũng là đặc điểm quan trọng của MOSFET sử dụng điện trường để điều khiển dòng điện nên chúng còn được gọi là tranzito hiệu ứng trường.

Cấu trúc bên trong MOSFET

Trên đế silicon loại P có nồng độ tạp chất thấp, hai vùng N+ có nồng độ tạp chất cao được tạo ra và hai điện cực được rút ra từ nhôm kim loại để đóng vai trò là cực máng d và nguồn s tương ứng. Sau đó, bề mặt bán dẫn được phủ một lớp cách điện silicon dioxide (SiO2) cực mỏng và một điện cực nhôm được lắp đặt trên lớp cách điện giữa cống và nguồn để làm cổng g. Một điện cực B cũng được kéo ra trên đế, tạo thành MOSFET chế độ tăng cường kênh N. Điều này cũng đúng đối với sự hình thành bên trong của MOSFET loại tăng cường kênh P.

Ký hiệu mạch MOSFET kênh N và MOSFET kênh P

Hình trên cho thấy ký hiệu mạch của MOSFET. Trong hình, D là cống, S là nguồn, G là cổng và mũi tên ở giữa tượng trưng cho chất nền. Nếu mũi tên hướng vào trong thì nó biểu thị MOSFET kênh N và nếu mũi tên hướng ra ngoài thì nó biểu thị MOSFET kênh P.

Ký hiệu mạch MOSFET kênh N kép, MOSFET kênh P kép và ký hiệu mạch MOSFET kênh N+P

Trên thực tế, trong quá trình sản xuất MOSFET, đế được kết nối với nguồn trước khi rời khỏi nhà máy. Vì vậy, trong quy tắc ký hiệu, ký hiệu mũi tên tượng trưng cho chất nền cũng phải được nối với nguồn để phân biệt nguồn và cống. Cực tính của điện áp mà MOSFET sử dụng tương tự như bóng bán dẫn truyền thống của chúng ta. Kênh N tương tự như bóng bán dẫn NPN. Cống D được nối với điện cực dương và nguồn S được nối với điện cực âm. Khi cổng G có điện áp dương, kênh dẫn điện được hình thành và MOSFET kênh N bắt đầu hoạt động. Tương tự, kênh P tương tự như bóng bán dẫn PNP. Cống D nối với cực âm, nguồn S nối với cực dương, khi cổng G có điện áp âm thì kênh dẫn điện được hình thành và MOSFET kênh P bắt đầu hoạt động.

Nguyên lý mất chuyển mạch MOSFET

Cho dù đó là NMOS hay PMOS, đều có một điện trở trong dẫn điện được tạo ra sau khi nó được bật, do đó dòng điện sẽ tiêu thụ năng lượng trên điện trở trong này. Phần năng lượng tiêu thụ này được gọi là tiêu thụ dẫn. Việc chọn MOSFET có điện trở trong dẫn điện nhỏ sẽ giảm mức tiêu thụ dẫn điện một cách hiệu quả. Điện trở trong hiện tại của MOSFET công suất thấp thường vào khoảng hàng chục miliohm, và cũng có vài miliohm.

Khi MOS được bật và kết thúc, nó không được nhận ra ngay lập tức. Điện áp ở cả hai phía của MOS sẽ giảm đi một cách hiệu quả và dòng điện chạy qua nó sẽ tăng lên. Trong khoảng thời gian này, tổn thất của MOSFET là tích của điện áp và dòng điện, tức là tổn thất chuyển mạch. Nói chung, tổn thất chuyển mạch lớn hơn nhiều so với tổn thất dẫn truyền và tần số chuyển mạch càng nhanh thì tổn thất càng lớn.

Tích của điện áp và dòng điện tại thời điểm dẫn điện rất lớn dẫn đến tổn thất rất lớn. Tổn thất chuyển mạch có thể được giảm theo hai cách. Một là giảm thời gian chuyển đổi, điều này có thể giảm tổn thất trong mỗi lần bật một cách hiệu quả; cách khác là giảm tần số chuyển mạch, có thể giảm số lượng công tắc trên một đơn vị thời gian.

Trên đây là giải thích chi tiết về sơ đồ nguyên lý làm việc của MOSFET và phân tích cấu trúc bên trong của MOSFET. Để tìm hiểu thêm về MOSFET, vui lòng liên hệ với OLUKEY để cung cấp cho bạn hỗ trợ kỹ thuật MOSFET!