Cos'è un MOSFET: funzionamento e sue applicazioni

Il transistor MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) è un dispositivo a semiconduttore che è ampiamente utilizzato per scopi di commutazione e per l'amplificazione di segnali elettronici in dispositivi elettronici.  Un MOSFET è un nucleo o un circuito integrato in cui è progettato e fabbricato in un singolo chip perché il dispositivo è disponibile in dimensioni molto ridotte. L'introduzione del dispositivo MOSFET ha portato a cambiamento nel campo della commutazione nell'elettronica. Andiamo con una spiegazione dettagliata di questo concetto.

Cos'è il MOSFET?

Un MOSFET è un dispositivo a quattro terminali con terminali di source (S), gate (G), drain (D) e body (B). In generale, il corpo del MOSFET è in connessione con il terminale di sorgente formando così un dispositivo a tre terminali come un transistor ad effetto di campo. Il MOSFET è generalmente considerato come un transistor e impiegato sia nei circuiti analogici che in quelli digitali. Questa è l'introduzione di base al MOSFET. E la struttura generale di questo dispositivo è la seguente:

Dalla struttura MOSFET di cui sopra, la funzionalità del MOSFET dipende dalle variazioni elettriche che si verificano nella larghezza del canale insieme al flusso dei vettori (buchi o elettroni). I portatori di carica entrano nel canale attraverso il terminale della sorgente ed escono dallo scarico.

La larghezza del canale è controllata dalla tensione su un elettrodo chiamato gate e si trova tra la sorgente e lo scarico. È isolato dal canale vicino a uno strato estremamente sottile di ossido di metallo. La capacità MOS che esiste nel dispositivo è la sezione cruciale in cui l'intera operazione è attraverso questo.

Un MOSFET può funzionare in due modi

Modalità miglioramento

Quando non c'è tensione attraverso il terminale di gate, il canale mostra la sua conduttanza massima. Mentre quando la tensione ai capi del terminale di gate è positiva o negativa, la conduttività del canale diminuisce.

Principio di funzionamento del MOSFET

Il principio principale del dispositivo MOSFET è quello di essere in grado di controllare la tensione e il flusso di corrente tra i terminali di sorgente e scarico. Funziona quasi come un interruttore e si basa sulla funzionalità del dispositivo sul condensatore MOS. Il condensatore MOS è la parte principale del MOSFET.

La superficie del semiconduttore in corrispondenza dello strato di ossido sottostante che si trova tra la sorgente e il drenaggio il terminale può essere invertito da tipo p a tipo n mediante l'applicazione di una porta positiva o negativa rispettivamente. Quando applichiamo una forza repulsiva per la tensione di gate positiva, allora i fori presenti sotto lo strato di ossido vengono spinti verso il basso con il substrato.

La regione di esaurimento popolata dalle cariche negative legate associate all'accettore atomi. Quando vengono raggiunti gli elettroni, viene sviluppato un canale. La tensione positiva attrae anche gli elettroni dalla sorgente n + e dalle regioni di drenaggio nel canale. Ora, se viene applicata una tensione tra lo scarico e source, la corrente scorre liberamente tra source e drain e la tensione di gate controlla il elettroni nel canale. Invece della tensione positiva, se applichiamo una tensione negativa, lo farà un canale buco essere formato sotto lo strato di ossido.

MOSFET a canale P.

Il MOSFET a canale P ha una regione di canale P situata tra i terminali di source e drain. È un dispositivo a quattro terminali avente i terminali come gate, drain, source e body. Lo scarico e la fonte sono regione p + fortemente drogata e il corpo o il substrato è di tipo n. Il flusso di corrente è nella direzione di buchi caricati positivamente.Quando applichiamo la tensione negativa con forza repulsiva al terminale di gate, allora gli elettroni sono presenti sotto lo strato di ossido vengono spinti verso il basso nel substrato. La regione di esaurimento popolata da cariche positive legate associate agli atomi del donatore. Anche la tensione di gate negativa attrae i buchi dalla sorgente p + e dalla regione di drenaggio nella regione del canale.Il MOSFET a canale N ha una regione a canale N situata tra i terminali di source e drain. È 

un dispositivo a quattro terminali avente i terminali come gate, drain, source, body. In questo tipo di effetto di campo Il transistor, il drain e il source sono nella regione n + fortemente drogata e il substrato o il corpo sono di tipo P.Il flusso di corrente in questo tipo di MOSFET avviene a causa di elettroni caricati negativamente. Quando noi applicare la tensione positiva con forza repulsiva al terminale di gate quindi ai fori presenti sotto l'ossido strato vengono spinti verso il basso nel substrato. La regione di svuotamento è popolata dal negativo legato cariche associate agli atomi accettori.Alla portata degli elettroni, si forma il canale. La tensione positiva attrae anche elettroni dal n + regioni di sorgente e drenaggio nel canale. Ora, se viene applicata una tensione tra lo scarico e la sorgente la corrente scorre liberamente tra la sorgente e il drenaggio e la tensione di gate controlla gli elettroni nel canale. Invece di una tensione positiva se applichiamo una tensione negativa, verrà formato un canale buco sotto lo strato di ossido.

MOSFET a canale N.
Il MOSFET a canale N ha una regione a canale N situata tra i terminali di source e drain. È un dispositivo a quattro terminali avente i terminali come gate, drain, source, body. In questo tipo di transistor ad effetto di campo, il drain e il source sono nella regione n + fortemente drogati e il substrato o il corpo sono di tipo P.

Il flusso di corrente in questo tipo di MOSFET avviene a causa di elettroni caricati negativamente. Quando applichiamo la tensione positiva con forza repulsiva al terminale di gate, i fori presenti sotto lo strato di ossido vengono spinti verso il basso nel substrato. La regione di svuotamento è popolata dalle cariche negative legate che sono associate agli atomi accettori.

Alla portata degli elettroni, si forma il canale. La tensione positiva attrae anche gli elettroni dalle regioni di source e drain n + nel canale. Ora, se viene applicata una tensione tra il drain e il source, la corrente scorre liberamente tra il source e il drain e la tensione di gate controlla gli elettroni nel canale. Invece di una tensione positiva, se applichiamo una tensione negativa, verrà formato un canale bucato sotto lo strato di ossido.

Regioni di funzionamento MOSFET

Per lo scenario più generale, il funzionamento di questo dispositivo avviene principalmente in tre regioni e quelle sono come segue:

Regione di cut-off - È la regione in cui il dispositivo sarà in condizione OFF e la quantità zero di flusso di corrente attraverso di essa. Qui, il dispositivo funziona come un interruttore di base ed è così utilizzato come quando lo sono necessario per funzionare come interruttori elettrici.

Regione di saturazione - In questa regione, i dispositivi avranno il loro valore di corrente assorbito come costante senza considerare l'aumento della tensione attraverso lo scarico alla sorgente. Questo accade solo una volta quando la tensione attraverso il terminale da drain a source aumenta più del valore della tensione di pinch-off. Nel questo scenario, il dispositivo funziona come un interruttore chiuso in cui un livello di corrente saturo attraverso lo scarico flussi terminali di origine. A causa di ciò, la regione di saturazione viene selezionata quando i dispositivi dovrebbero eseguire la commutazione.

Regione lineare / ohmica: è la regione in cui la corrente attraverso il terminale di drenaggio e sorgente aumenta con l'incremento della tensione attraverso il percorso da drain a source. Quando i dispositivi MOSFET funzionano in questa regione lineare, svolgono la funzionalità dell'amplificatore.

Consideriamo ora le caratteristiche di commutazione del MOSFET Anche un semiconduttore come MOSFET o transistor a giunzione bipolare funziona fondamentalmente come interruttori due scenari uno è in stato ON e l'altro è in stato OFF. Per considerare questa funzionalità, diamo un'occhiata alle caratteristiche ideali e pratiche del dispositivo MOSFET.

Caratteristiche ideali dell'interruttore

Quando si suppone che un MOSFET funzioni come un interruttore ideale, dovrebbe mantenere le proprietà seguenti e quelle sono

Nella condizione ON, deve esserci la limitazione di corrente che trasporta
Nella condizione OFF, i livelli di tensione di blocco non dovrebbero contenere alcun tipo di limitazione
Quando il dispositivo funziona in stato ON, il valore della caduta di tensione deve essere nullo
La resistenza nello stato OFF dovrebbe essere infinita
Non dovrebbero esserci restrizioni sulla velocità di funzionamento

Caratteristiche pratiche dell'interruttore

Poiché il mondo non è solo bloccato alle applicazioni ideali, il funzionamento del MOSFET è applicabile anche per scopi pratici. Nello scenario pratico, il dispositivo dovrebbe mantenere le proprietà seguenti

Nella condizione ON, le capacità di gestione dell'alimentazione dovrebbero essere limitate, il che significa che il flusso di la corrente di conduzione deve essere limitata.

Nello stato OFF, i livelli di tensione di blocco non dovrebbero essere limitatiL'accensione e lo spegnimento per tempi finiti limita la velocità limite del dispositivo e limita anche il frequenza funzionale

Alla portata degli elettroni, si forma il canale. La tensione positiva attrae anche gli elettroni dalle regioni di source e drain n + nel canale. Ora, se viene applicata una tensione tra il drain e il source, la corrente scorre liberamente tra il source e il drain e la tensione di gate controlla gli elettroni nel canale. Invece di una tensione positiva, se applichiamo una tensione negativa, verrà formato un canale bucato sotto lo strato di ossido.

Nella condizione ON del dispositivo MOSFET, ci saranno valori di resistenza minimi dove ciò si traduce in una caduta di tensione nella polarizzazione di inoltro. Inoltre, esiste una resistenza allo stato OFF finito che fornisce corrente di dispersione inversa

Quando il dispositivo funziona nelle caratteristiche pratiche, perde potenza nelle condizioni ON e OFF. Ciò accade anche negli stati di transizione.

Esempio di MOSFET come interruttore

Nella disposizione del circuito sottostante, una modalità avanzata e un MOSFET a canale N vengono utilizzati per commutare a lampada campione con le condizioni ON e OFF. La tensione positiva al terminale di gate viene applicata a la base del transistor e la lampada si sposta in condizione ON e qui VGS = + vo a livello di tensione zero, il dispositivo si porta in condizione di OFF dove VGS = 0.   

Se il carico resistivo della lampada dovesse essere sostituito da un carico induttivo e collegato al relè o diodo protetto dal carico. Nel circuito sopra, è un circuito molto semplice per la commutazione di un resistivo carico come una lampada o un LED. Ma quando si utilizza MOSFET come interruttore con carico induttivo o capacitivo carico, quindi è necessaria la protezione per il dispositivo MOSFET.

Se nel caso in cui il MOSFET non sia protetto, potrebbe causare danni al dispositivo. Per il MOSFET a funziona come un dispositivo di commutazione analogico, deve essere commutato tra la sua regione di taglio dove VGS = 0 e regione di saturazione dove VGS = + v.

Descrizione video

MOSFET può anche funzionare come transistor ed è abbreviato in Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor. Qui, il nome stesso indicava che il dispositivo può essere utilizzato come transistor. Avrà P-canale e canale N. Il dispositivo è collegato in questo modo utilizzando i quattro sorgenti, gate e drain terminali e un carico resistivo di 24Ω è collegato in serie con un amperometro e un voltmetro lo è collegato attraverso il MOSFET.

Nel transistor, il flusso di corrente nel gate è in una direzione positiva e il terminale di source è collegato a terra. Mentre nei dispositivi a transistor a giunzione bipolare, il flusso di corrente è attraverso la basepercorso verso l'emettitore. Ma in questo dispositivo non c'è flusso di corrente perché all'inizio c'è un condensatore del cancello, richiede solo solo tensione.

Questo può essere fatto procedendo con il processo di simulazione e accendendo / spegnendo. Quando il l'interruttore è su ON non c'è flusso di corrente attraverso il circuito, quando la resistenza di 24Ω e 0.29 dell'amperometro sono collegati, quindi troviamo la caduta di tensione trascurabile ai capi della sorgente perché c'è + 0.21V attraverso questo dispositivo.

La resistenza tra drain e source è definita RDS. A causa di questo RDS, appare la caduta di tensione quando c'è flusso di corrente nel circuito. RDS varia in base al tipo di dispositivo (può variare in tra 0.001, 0.005 e 0.05 in base al tipo di tensione.

Alcuni dei concetti da imparare sono:
1). Come scegliere MOSFET come interruttore?
Ci sono poche condizioni da osservare quando si seleziona il MOSFET come interruttore e quelle sono le seguenti:Utilizzo della polarità del canale P o N.Un valore massimo di tensione di esercizio e valori di correnteAumento Rds ON che significa che la resistenza al terminale Drain to Source quando il canale è completamente apertoFrequenza operativa migliorataIl tipo di imballaggio è To-220 e DPAck e molti altri.
2). Cos'è l'efficienza dello switch MOSFET?
La principale restrizione al momento del funzionamento del MOSFET come dispositivo di commutazione è la corrente di drain potenziata valore di cui il dispositivo può essere capace. Significa che RDS in condizione ON è il parametro cruciale che decide la capacità di commutazione del MOSFET. È rappresentato come il rapporto tra la tensione drain-source e quello della corrente di drenaggio. Deve essere calcolato solo nello stato ON del transistor.
3). Perché l'interruttore MOSFET viene utilizzato nel convertitore boost?In generale, un convertitore boost necessita di un transistor di commutazione per il funzionamento del dispositivo. Quindi, come il passaggio 
vengono utilizzati MOSFET a transistor. Questi dispositivi vengono utilizzati per conoscere il valore corrente e i valori di tensione. Anche, considerando la velocità e il costo di commutazione, questi sono ampiamente utilizzati.Allo stesso modo, MOSFET può anche essere utilizzato in più modi. e quelli sonoMOSFET come interruttore per LEDrimuovi_cerchio_contorno
MOSFET come interruttore per Arduino
Interruttore MOSFET per carico CA.
Interruttore MOSFET per motore cc
Interruttore MOSFET per tensione negativa
MOSFET come interruttore con Arduino
MOSFET come interruttore con microcontrollore
Interruttore MOSFET con isteresi
MOSFET come diodo interruttore e resistenza attiva
MOSFET come equazione di commutazione
Interruttore MOSFET per softair
MOSFET come resistenza del gate dell'interruttore
MOSFET come solenoide di commutazione
Interruttore MOSFET che utilizza un fotoaccoppiatore

Interruttore MOSFET con isteresi

Applicazione del MOSFET come interruttore

Uno dei principali esempi di questo dispositivo è che viene utilizzato come interruttore per il controllo automatico della luminosità luci stradali. In questi giorni, molte delle luci che osserviamo sulle autostrade sono ad alta intensità lampade a scarica. Ma l'utilizzo di lampade HID consuma maggiori livelli di energia.

La luminosità non può essere limitata in base alle esigenze e per questo motivo deve esserci un interruttore per il metodo di illuminazione alternativo ed è LED. L'utilizzo del sistema LED supererà gli svantaggi di lampade ad alta intensità. Il concetto principale alla base della costruzione di questo era quello di controllare direttamente le luci sulle autostrade utilizzando un microprocessore.

Ciò può essere ottenuto semplicemente modificando gli impulsi di clock. In base alla necessità, questo dispositivo viene utilizzato per lampade di commutazione. Consiste in una scheda Raspberry Pi in cui è incluso un processore per la gestione. Qui, i LED possono essere sostituiti al posto degli HID e questi hanno una connessione con il processore tramite MOSFET. Il microcontrollore fornisce i cicli di lavoro corrispondenti e quindi passa a MOSFET a fornire un alto livello di intensità.

Vantaggi

Alcuni dei vantaggi sono:

Genera una maggiore efficienza anche quando funziona a livelli di tensione minimi.

Non c'è presenza di corrente di gate questo crea più impedenza di ingresso che fornisce ulteriormente maggiore velocità di commutazione per il dispositivo.

Questi dispositivi possono funzionare a livelli di potenza minimi e utilizzano una corrente minimaSvantaggi.

svantaggi

Alcuni degli svantaggi sono:

Quando questi dispositivi funzionano a livelli di tensione di sovraccarico, si crea instabilità del dispositivo

Poiché i dispositivi hanno un sottile strato di ossido, questo può creare danni al dispositivo quando stimolato da le cariche elettrostatiche

Applicazioni

Le applicazioni del MOSFET sono:

Gli amplificatori realizzati in MOSFET sono estremamente impiegati in applicazioni di frequenza esteseLa regolazione per i motori DC è fornita da questi dispositivi

Poiché questi hanno velocità di commutazione migliorate, si comporta come perfetto per la costruzione di chopper amplificatori

Funziona come un componente passivo per vari elementi elettronici.

Alla fine, si può concludere che il transistor richiede corrente mentre il MOSFET richiede una tensione. Il requisito di guida per il MOSFET è molto migliore, molto più semplice rispetto a un BJT.

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