Tranzystor MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) to urządzenie półprzewodnikowe, które jest szeroko stosowane do celów przełączania i do wzmacniania sygnałów elektronicznych w urządzeniach elektronicznych. MOSFET jest rdzeniem lub układem scalonym, w którym jest zaprojektowany i wykonany w jednym chipie, ponieważ urządzenie jest dostępne w bardzo małych rozmiarach. Wprowadzenie urządzenia MOSFET przyniosło zmianę w domenie przełączanie w elektronice . Przejdźmy do szczegółowego wyjaśnienia tego pojęcia.

Co to jest MOSFET?

MOSFET to czterozaciskowe urządzenie z zaciskami źródła (S), bramki (G), drenu (D) i korpusu (B). Ogólnie rzecz biorąc, korpus tranzystora MOSFET jest połączony z zaciskiem źródłowym, tworząc w ten sposób urządzenie trójzaciskowe, takie jak tranzystor polowy. MOSFET jest ogólnie uważany za tranzystor i stosowany zarówno w obwodach analogowych, jak i cyfrowych. To jest podstawa wprowadzenie do MOSFET . Ogólna struktura tego urządzenia jest następująca:

MOSFET

Z góry Struktura MOSFET funkcjonalność MOSFET zależy od zmian elektrycznych zachodzących w szerokości kanału wraz z przepływem nośników (dziur lub elektronów). Nośniki ładunku wchodzą do kanału przez terminal źródłowy i wychodzą przez odpływ.

Szerokość kanału jest kontrolowana przez napięcie na elektrodzie zwanej bramką i znajduje się pomiędzy źródłem a odpływem. Jest izolowany od kanału w pobliżu wyjątkowo cienkiej warstwy tlenku metalu. Pojemność MOS, która istnieje w urządzeniu, jest kluczową sekcją, w której odbywa się cała operacja.

MOSFET z zaciskami

MOSFET może działać na dwa sposoby

Tryb wyczerpywania
Tryb wzmocnienia

Tryb wyczerpywania

Gdy na zacisku bramki nie ma napięcia, kanał pokazuje swoją maksymalną przewodność. Podczas gdy napięcie na zacisku bramki jest dodatnie lub ujemne, wówczas przewodność kanału spada.

Na przykład

Tryb wzmocnienia

Gdy na zacisku bramki nie ma napięcia, urządzenie nie przewodzi. Gdy na zacisku bramki występuje maksymalne napięcie, urządzenie wykazuje zwiększoną przewodność.

Tryb wzmocnienia

Zasada działania MOSFET

Główną zasadą działania urządzenia MOSFET jest możliwość sterowania przepływem napięcia i prądu między źródłem a zaciskami drenu. Działa niemal jak włącznik, a funkcjonalność urządzenia bazuje na kondensatorze MOS. Kondensator MOS jest główną częścią MOSFET-u.

Powierzchnia półprzewodnika w dolnej warstwie tlenku, która znajduje się między źródłem a końcówką drenu, może być odwrócona z typu p na typ n przez zastosowanie odpowiednio dodatniego lub ujemnego napięcia bramki. Kiedy przykładamy siłę odpychającą dla dodatniego napięcia bramki, wówczas otwory znajdujące się pod warstwą tlenku są wypychane w dół wraz z podłożem.

Obszar zubożenia wypełniony związanymi ładunkami ujemnymi, które są związane z atomami akceptora. Kiedy dochodzi do elektronów, rozwija się kanał. Dodatnie napięcie przyciąga również elektrony ze źródła n + i drenuje obszary do kanału. Teraz, jeśli napięcie jest przyłożone między drenem a źródłem, prąd swobodnie przepływa między źródłem a drenem, a napięcie bramki kontroluje elektrony w kanale. Jeśli zamiast napięcia dodatniego zastosujemy napięcie ujemne, pod warstwą tlenku utworzy się kanał dziurowy.

Schemat blokowy MOSFET

MOSFET z kanałem P.

Tranzystor MOSFET z kanałem P ma region kanału P znajdujący się pomiędzy zaciskami źródła i drenu. Jest to urządzenie czterozaciskowe z zaciskami jako wrotami, odpływem, źródłem i korpusem. Dren i źródło są silnie domieszkowane w regionie p +, a korpus lub podłoże jest typu n. Przepływ prądu odbywa się w kierunku dodatnio naładowanych otworów.

Kiedy przyłożymy ujemne napięcie z siłą odpychania na zacisk bramki, wówczas elektrony znajdujące się pod warstwą tlenku są wypychane w dół do podłoża. Obszar zubożenia wypełniony związanymi ładunkami dodatnimi, które są związane z atomami dawcy. Ujemne napięcie bramki przyciąga również dziury ze źródła p + i regionu drenu do obszaru kanału.

Kanał P w trybie zubożenia

Tryb rozszerzony kanału P.

N-kanałowy MOSFET

Tranzystor MOSFET z kanałem N ma region kanału N umieszczony pomiędzy zaciskami źródła i drenu. Jest to urządzenie czterozaciskowe posiadające wyprowadzenia jako zasuwę, odpływ, źródło, korpus. W tego typu tranzystorze polowym dren i źródło są silnie domieszkowane w obszarze n +, a podłoże lub korpus są typu P.

Przepływ prądu w tego typu tranzystorze MOSFET jest spowodowany ujemnie naładowanymi elektronami. Kiedy przyłożymy dodatnie napięcie z siłą odpychającą do zacisku bramki, wówczas otwory znajdujące się pod warstwą tlenku są wypychane w dół do podłoża. Obszar zubożenia jest wypełniony związanymi ładunkami ujemnymi, które są związane z atomami akceptora.

W momencie dotarcia do elektronów tworzy się kanał. Dodatnie napięcie przyciąga również elektrony ze źródła n + i drenuje obszary do kanału. Teraz, jeśli napięcie jest przyłożone między drenem a źródłem, prąd przepływa swobodnie między źródłem a drenem, a napięcie bramki kontroluje elektrony w kanale. Zamiast napięcia dodatniego, jeśli zastosujemy napięcie ujemne, pod warstwą tlenku utworzy się kanał dziury.

“jak zbudować generator darmowej energii w domu? ”

Kanał N trybu wzmocnienia

Regiony działania MOSFET

W najbardziej ogólnym scenariuszu działanie tego urządzenia odbywa się głównie w trzech regionach i są to:

Region odcięcia - Jest to region, w którym urządzenie będzie w stanie WYŁĄCZENIA i przez nie przepływa zerowa ilość prądu. Tutaj urządzenie działa jako przełącznik podstawowy i jest tak wykorzystywane, jak wtedy, gdy są niezbędne do działania jako przełączniki elektryczne.
Region nasycenia - W tym regionie urządzenia będą miały stałą wartość prądu drenu do źródła bez uwzględnienia wzrostu napięcia w drenach do źródła. Dzieje się tak tylko raz, gdy napięcie na drenu do zacisku źródła wzrośnie bardziej niż wartość napięcia zaciskowego. W tym scenariuszu urządzenie działa jako zamknięty przełącznik, przez który przepływa nasycony poziom prądu przez dren do zacisków źródła. Z tego powodu obszar nasycenia jest wybierany, gdy urządzenia mają wykonywać przełączanie.
Region liniowy / omowy - Jest to region, w którym prąd przepływający przez dren do zacisku źródła zwiększa się wraz ze wzrostem napięcia na ścieżce drenu do źródła. Gdy urządzenia MOSFET działają w tym liniowym regionie, pełnią funkcję wzmacniacza.

Rozważmy teraz charakterystykę przełączania tranzystora MOSFET

Półprzewodnik również, taki jak MOSFET lub tranzystor bipolarny, działa zasadniczo jako przełączniki w dwóch scenariuszach, jeden jest w stanie włączenia, a drugi jest w stanie wyłączonym. Aby wziąć pod uwagę tę funkcjonalność, przyjrzyjmy się idealnej i praktycznej charakterystyce urządzenia MOSFET.

Idealna charakterystyka przełącznika

Gdy tranzystor MOSFET ma działać jako idealny przełącznik, powinien posiadać poniższe właściwości i to są

W stanie ON musi istnieć ograniczenie prądu, które niesie
W stanie WYŁĄCZENIA poziomy napięcia blokującego nie powinny mieć żadnych ograniczeń
Gdy urządzenie działa w stanie ON, spadek napięcia powinien być zerowy
Opór w stanie WYŁĄCZONY powinien być nieskończony
Nie powinno być ograniczeń dotyczących szybkości działania

Praktyczna charakterystyka przełącznika

Ponieważ świat nie jest skazany tylko na idealne aplikacje, działanie MOSFET-u ma nawet zastosowanie do celów praktycznych. W praktyce urządzenie powinno mieć poniższe właściwości

W stanie włączonym zdolności zarządzania mocą powinny być ograniczone, co oznacza, że należy ograniczyć przepływ prądu przewodzenia.
W stanie WYŁĄCZONY poziom napięcia blokującego nie powinien być ograniczany
Włączanie i wyłączanie na określony czas ogranicza prędkość graniczną urządzenia, a nawet ogranicza częstotliwość funkcjonalną
W stanie włączonym urządzenia MOSFET będą minimalne wartości rezystancji, w przypadku których spowoduje to spadek napięcia w polaryzacji przewodzenia. Istnieje również ograniczona rezystancja w stanie WYŁĄCZENIA, która zapewnia zwrotny prąd upływu
Gdy urządzenie zachowuje się w warunkach praktycznych, traci zasilanie w stanach włączenia i wyłączenia. Dzieje się tak nawet w stanach przejściowych.

Przykład MOSFET jako przełącznik

W poniższym układzie obwodów, tryb rozszerzony i N-kanałowy tranzystor MOSFET są używane do przełączania lampy próbki w warunkach WŁ. I WYŁ. Dodatnie napięcie na zacisku bramki jest przykładane do podstawy tranzystora i lampa przechodzi w stan ON, a tutaj V._GS= + v lub przy zerowym poziomie napięcia, urządzenie przechodzi w stan WYŁĄCZONY, gdzie V_GS= 0.

“zmodyfikowany obwód falownika sinusoidalnego ”

MOSFET jako przełącznik

Jeżeli obciążenie rezystancyjne lampy miało zostać zastąpione obciążeniem indukcyjnym i podłączone do przekaźnika lub diody, która jest zabezpieczona przed obciążeniem. W powyższym obwodzie jest to bardzo prosty obwód do przełączania obciążenia rezystancyjnego, takiego jak lampa lub dioda LED. Ale gdy używasz MOSFET jako przełącznika z obciążeniem indukcyjnym lub obciążeniem pojemnościowym, wymagana jest ochrona dla urządzenia MOSFET.

Jeżeli w przypadku, gdy MOSFET nie jest zabezpieczony, może to doprowadzić do uszkodzenia urządzenia. Aby tranzystor MOSFET działał jako analogowe urządzenie przełączające, musi być przełączany między regionem odcięcia, w którym V_GS= 0 i region nasycenia, gdzie V_GS= + v.

Opis wideo

MOSFET może również działać jako tranzystor i jest w skrócie nazywany tranzystorem polowym z tlenkiem metalu i krzemem. Tutaj sama nazwa wskazywała, że urządzenie może działać jako tranzystor. Będzie miał kanał P i kanał N. Urządzenie podłącza się w ten sposób za pomocą czterech zacisków źródła, bramki i drenu, a obciążenie rezystancyjne 24 Ω łączy się szeregowo z amperomierzem, a przez tranzystor MOSFET podłącza się miernik napięcia.

W tranzystorze przepływ prądu w bramce jest w kierunku dodatnim, a zacisk źródła jest połączony z masą. Podczas gdy w bipolarnych tranzystorach złączowych przepływ prądu odbywa się wzdłuż ścieżki baza-emiter. Ale w tym urządzeniu nie ma przepływu prądu, ponieważ na początku bramki znajduje się kondensator, wymaga tylko napięcia.

Można to zrobić kontynuując proces symulacji i włączając / wyłączając. Gdy przełącznik jest włączony, nie ma przepływu prądu w obwodzie, po podłączeniu rezystancji 24 Ω i 0,29 napięcia amperomierza, wówczas znajdujemy pomijalny spadek napięcia na źródle, ponieważ na tym urządzeniu jest + 0,21V.

Opór między drenem a źródłem jest określany jako RDS. Z powodu tego RDS spadek napięcia pojawia się, gdy w obwodzie płynie prąd. RDS różni się w zależności od typu urządzenia (może się wahać między 0,001, 0,005 i 0,05 w zależności od rodzaju napięcia.

Kilka pojęć, których należy się nauczyć, to:

1). Jak wybrać MOSFET jako przełącznik ?

Jest kilka warunków, które należy spełnić, wybierając MOSFET jako przełącznik, a są to następujące:

Zastosowanie polaryzacji kanału P lub N.
Maksymalna wartość napięcia roboczego i wartości prądu
Zwiększony Rds ON, co oznacza, że opór na zacisku Drain to Source, gdy kanał jest całkowicie otwarty
Zwiększona częstotliwość operacyjna
Rodzaj opakowania to To-220 i DPAck i wiele innych.

2). Co to jest wydajność przełącznika MOSFET?

Głównym ograniczeniem w czasie używania tranzystora MOSFET jako urządzenia przełączającego jest zwiększona wartość prądu drenu, do którego może być zdolne urządzenie. Oznacza to, że RDS w stanie ON jest kluczowym parametrem decydującym o zdolności przełączania tranzystora MOSFET. Jest reprezentowany jako stosunek napięcia źródła drenu do prądu drenu. Musi być obliczany tylko w stanie włączonym tranzystora.

3). Dlaczego przełącznik MOSFET jest używany w konwerterze doładowania?

Ogólnie rzecz biorąc, przetwornica podwyższająca napięcie wymaga tranzystora przełączającego do działania urządzenia. Tak więc, jako tranzystor przełączający MOSFET są używane. Urządzenia te służą do poznania wartości prądu i napięcia. Ponadto, biorąc pod uwagę szybkość przełączania i koszt, są one szeroko stosowane.

W ten sam sposób MOSFET może być również używany na wiele sposobów. i to są

MOSFET jako przełącznik do diod LED
remove_circle_outline
MOSFET jako przełącznik dla Arduino
Przełącznik MOSFET dla obciążenia AC
Przełącznik MOSFET do silnika prądu stałego
Przełącznik MOSFET dla napięcia ujemnego
MOSFET jako przełącznik z Arduino
MOSFET jako przełącznik z mikrokontrolerem
Przełącznik MOSFET z histerezą
MOSFET jako dioda przełączająca i rezystor aktywny
MOSFET jako równanie przełącznika
Przełącznik MOSFET do airsoftu
MOSFET jako rezystor bramki przełączającej
MOSFET jako elektromagnes przełączający
Przełącznik MOSFET za pomocą transoptora
Przełącznik MOSFET z histerezą

Zastosowanie MOSFET jako przełącznika

Jednym z głównych przykładów tego urządzenia jest to, że jest używany jako przełącznik do automatycznej regulacji jasności w oświetleniu ulicznym. Obecnie wiele świateł, które obserwujemy na autostradach, to lampy wyładowcze dużej intensywności. Ale używanie lamp HID zużywa zwiększony poziom energii.

Jasności nie można ograniczać w zależności od wymagań i dlatego musi być przełącznik alternatywnej metody oświetlenia i jest to dioda LED. Zastosowanie systemu LED pozwoli przezwyciężyć wady lamp o dużej intensywności. Główną koncepcją konstrukcji było sterowanie światłami bezpośrednio na autostradach za pomocą mikroprocesora.

Aplikacja MOSFET jako przełącznik

Można to osiągnąć po prostu modyfikując impulsy zegara. W zależności od potrzeby urządzenie to służy do przełączania lamp. Składa się z płytki raspberry pi, na której jest dołączony procesor do zarządzania. Tutaj diody LED można zastąpić w miejsce HID-ów i mają one połączenie z procesorem poprzez MOSFET. Mikrokontroler zapewnia odpowiednie cykle pracy, a następnie przełącza się na MOSFET, aby zapewnić wysoki poziom intensywności.

Zalety

Kilka zalet to:

Generuje zwiększoną wydajność nawet podczas pracy przy minimalnych poziomach napięcia
Brak prądu bramki powoduje wzrost impedancji wejściowej, co dodatkowo zwiększa prędkość przełączania urządzenia
Urządzenia te mogą działać przy minimalnych poziomach mocy i zużywają minimalny prąd

Niedogodności

Kilka wad to:

Kiedy te urządzenia działają przy poziomach napięcia przeciążenia, powoduje to niestabilność urządzenia
Ponieważ urządzenia mają cienką warstwę tlenku, może to spowodować uszkodzenie urządzenia, gdy zostanie pobudzone przez ładunki elektrostatyczne

Aplikacje

Zastosowania MOSFET to

Wzmacniacze wykonane z MOSFET są niezwykle wykorzystywane w szerokich zastosowaniach częstotliwościowych
Regulację dla silników prądu stałego zapewniają te urządzenia
Ponieważ mają one zwiększoną prędkość przełączania, działa tak samo idealnie do budowy wzmacniaczy przerywacza
Działa jako element pasywny dla różnych elementów elektronicznych.

W końcu można wywnioskować, że tranzystor wymaga prądu, podczas gdy MOSFET wymaga napięcia. Wymagania dotyczące jazdy dla MOSFET są znacznie lepsze, znacznie prostsze w porównaniu do BJT. I też wiem Jak podłączyć mosfet do przełącznika?

Kredyty fotograficzne