MOSFET hoạt động như thế nào

Nguyên lý làm việc của MOSFET chủ yếu dựa trên đặc tính cấu trúc độc đáo và hiệu ứng điện trường của nó. Sau đây là giải thích chi tiết về cách thức hoạt động của MOSFET:

 

I. Cấu trúc cơ bản của MOSFET

MOSFET bao gồm chủ yếu là cổng (G), nguồn (S), cống (D) và đế (B, đôi khi được kết nối với nguồn để tạo thành thiết bị ba cực). Trong MOSFET tăng cường kênh N, chất nền thường là vật liệu silicon loại P có độ pha tạp thấp, trên đó hai vùng loại N có độ pha tạp cao được chế tạo để đóng vai trò tương ứng là nguồn và cống. Bề mặt của chất nền loại P được phủ một lớp màng oxit rất mỏng (silicon dioxide) làm lớp cách điện và một điện cực được vẽ làm cổng. Cấu trúc này làm cho cổng được cách ly với chất nền bán dẫn loại P, cực máng và nguồn, do đó còn được gọi là ống hiệu ứng trường cổng cách điện.

II. Nguyên lý hoạt động

MOSFET hoạt động bằng cách sử dụng điện áp nguồn cổng (VGS) để điều khiển dòng thoát (ID). Cụ thể, khi điện áp nguồn cổng dương VGS lớn hơn 0, điện trường dương phía trên và điện trường âm dưới sẽ xuất hiện trên lớp oxit bên dưới cổng. Điện trường này thu hút các electron tự do trong vùng P, khiến chúng tích tụ bên dưới lớp oxit, đồng thời đẩy lùi các lỗ trống trong vùng P. Khi VGS tăng, cường độ điện trường tăng và nồng độ electron tự do bị thu hút cũng tăng. Khi VGS đạt đến một ngưỡng điện áp (VT) nhất định, nồng độ electron tự do tập trung trong vùng đủ lớn để hình thành vùng loại N mới (kênh N), hoạt động giống như cầu nối nối cực máng và nguồn. Tại thời điểm này, nếu tồn tại một điện áp điều khiển nhất định (VDS) giữa cực máng và nguồn, ID dòng cực máng bắt đầu chảy.

III. Sự hình thành và thay đổi kênh dẫn

Sự hình thành kênh dẫn là chìa khóa cho hoạt động của MOSFET. Khi VGS lớn hơn VT, kênh dẫn được thiết lập và ID dòng thoát bị ảnh hưởng bởi cả VGS và VDS.VGS ảnh hưởng đến ID bằng cách kiểm soát độ rộng và hình dạng của kênh dẫn, trong khi VDS ảnh hưởng trực tiếp đến ID dưới dạng điện áp điều khiển. Điều quan trọng cần lưu ý là nếu kênh dẫn không được thiết lập (tức là VGS nhỏ hơn VT), thì ngay cả khi có VDS, ID dòng thoát sẽ không xuất hiện.

IV. Đặc điểm của MOSFET

Trở kháng đầu vào cao:Trở kháng đầu vào của MOSFET rất cao, gần như vô cực, do giữa cổng và vùng nguồn-cống có một lớp cách điện và chỉ có dòng điện qua cổng yếu.

Trở kháng đầu ra thấp:MOSFET là thiết bị được điều khiển bằng điện áp trong đó dòng điện nguồn-cực có thể thay đổi theo điện áp đầu vào, do đó trở kháng đầu ra của chúng nhỏ.

Dòng chảy không đổi:Khi hoạt động ở vùng bão hòa, dòng điện của MOSFET hầu như không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi điện áp nguồn-cống, cung cấp dòng điện không đổi tuyệt vời.

 

Ổn định nhiệt độ tốt:MOSFET có dải nhiệt độ hoạt động rộng từ -55°C đến khoảng +150°C.

V. Ứng dụng và phân loại

MOSFET được sử dụng rộng rãi trong các mạch kỹ thuật số, mạch tương tự, mạch điện và các lĩnh vực khác. Theo loại hoạt động, MOSFET có thể được phân thành loại tăng cường và loại cạn kiệt; theo loại kênh dẫn, chúng có thể được phân loại thành kênh N và kênh P. Các loại MOSFET khác nhau này có những ưu điểm riêng trong các tình huống ứng dụng khác nhau.

Tóm lại, nguyên lý làm việc của MOSFET là điều khiển sự hình thành và thay đổi của kênh dẫn thông qua điện áp nguồn cổng, từ đó điều khiển dòng điện thoát. Trở kháng đầu vào cao, trở kháng đầu ra thấp, dòng điện không đổi và ổn định nhiệt độ khiến MOSFET trở thành một thành phần quan trọng trong các mạch điện tử.