Βελτίωση MOSFET: Λειτουργία, Διαφορές & Εφαρμογές του

Ένα MOSFET (μετάλλου-οξειδίου-ημιαγωγού FET) είναι ένα είδος τρανζίστορ φαινομένου πεδίου με μονωμένη πύλη που χρησιμοποιείται κυρίως για την ενίσχυση ή τη μεταγωγή σημάτων. Τώρα στα αναλογικά και ψηφιακά κυκλώματα, τα MOSFET χρησιμοποιούνται πιο συχνά σε σύγκριση με BJTs . Τα MOSFET χρησιμοποιούνται κυρίως σε ενισχυτές λόγω της άπειρης σύνθετης αντίστασης εισόδου τους, επομένως επιτρέπει στον ενισχυτή να συλλαμβάνει σχεδόν όλο το εισερχόμενο σήμα. Το κύριο όφελος του MOSFET σε σύγκριση με το BJT είναι ότι δεν απαιτεί σχεδόν καθόλου ρεύμα εισόδου για τον έλεγχο του ρεύματος φορτίου. Τα MOSFET ταξινομούνται σε δύο τύπους MOSFET βελτίωσης και MOSFET εξάντλησης. Έτσι, αυτό το άρθρο παρέχει σύντομες πληροφορίες για το βελτίωση MOSFET – εργασία με εφαρμογές.

Τι είναι το MOSFET τύπου ενίσχυσης;

Το MOSFET που λειτουργεί σε λειτουργία βελτίωσης είναι γνωστό ως E-MOSFET ή βελτιωτικό mosfet. Η λειτουργία ενίσχυσης σημαίνει ότι κάθε φορά που αυξάνεται η τάση προς τον ακροδέκτη πύλης αυτού του MOSFET, τότε η ροή ρεύματος θα αυξάνεται περισσότερο από την αποχέτευση στην πηγή μέχρι να φτάσει στο υψηλότερο επίπεδο. Αυτό το MOSFET είναι μια συσκευή ελεγχόμενης τάσης τριών ακροδεκτών όπου οι ακροδέκτες είναι πηγή, πύλη και αποστράγγιση.

Τα χαρακτηριστικά αυτών των MOSFET είναι η χαμηλή κατανάλωση ισχύος, η απλή κατασκευή και η μικρή γεωμετρία. Αυτά τα χαρακτηριστικά λοιπόν θα τα κάνουν να χρησιμοποιούνται σε ολοκληρωμένα κυκλώματα. Δεν υπάρχει διαδρομή μεταξύ της αποστράγγισης (D) και της πηγής (S) αυτού του MOSFET όταν δεν εφαρμόζεται τάση μεταξύ των ακροδεκτών πύλης και πηγής. Έτσι, η εφαρμογή τάσης στην πύλη προς την πηγή θα ενισχύσει το κανάλι, καθιστώντας το ικανό να μεταφέρει ρεύμα. Αυτή η ιδιότητα είναι ο κύριος λόγος για να αποκαλέσετε αυτήν τη συσκευή MOSFET λειτουργίας βελτίωσης.

Βελτίωση Σύμβολο MOSFET

Τα βελτιωτικά σύμβολα MOSFET τόσο για το κανάλι P όσο και για το κανάλι N φαίνονται παρακάτω. Στα παρακάτω σύμβολα, μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι μια διακεκομμένη γραμμή συνδέεται απλώς από την πηγή στον ακροδέκτη του υποστρώματος, γεγονός που υποδηλώνει τον τύπο λειτουργίας βελτίωσης.

Η αγωγιμότητα στα EMOSFET ενισχύεται αυξάνοντας το στρώμα οξειδίου, το οποίο προσθέτει τους φορείς φορτίου προς το κανάλι. Συνήθως, αυτό το επίπεδο είναι γνωστό ως στρώμα αντιστροφής.

Το κανάλι σε αυτό το MOSFET σχηματίζεται ανάμεσα στο D (αποχέτευση) και το S (πηγή). Στον τύπο καναλιού Ν, χρησιμοποιείται το υπόστρωμα τύπου Ρ ενώ στον τύπο καναλιού Ρ, χρησιμοποιείται το υπόστρωμα τύπου Ν. Εδώ η αγωγιμότητα του καναλιού λόγω των φορέων φορτίου εξαρτάται κυρίως από κανάλια τύπου Ρ ή τύπου Ν αντίστοιχα.

Ενίσχυση Αρχή εργασίας Mosfet

Βελτιστοποίηση Τα MOSFET τύπου είναι συνήθως απενεργοποιημένα, πράγμα που σημαίνει ότι όταν είναι συνδεδεμένο ένα MOSFET τύπου βελτίωσης, δεν θα υπάρχει ροή ρεύματος από την αποστράγγιση του ακροδέκτη (D) στην πηγή (S) όταν δεν δίνεται τάση στον ακροδέκτη πύλης του. Αυτός είναι ο λόγος για να ονομάσουμε αυτό το τρανζίστορ α κανονικά εκτός συσκευής .

Ομοίως, εάν η τάση δοθεί στον ακροδέκτη πύλης αυτού του MOSFET, τότε το κανάλι της πηγής αποστράγγισης θα γίνει πολύ λιγότερο ανθεκτικό. Όταν η τάση από την πύλη στον ακροδέκτη πηγής αυξάνεται, τότε η ροή του ρεύματος από τον ακροδέκτη αποστράγγισης στον ακροδέκτη πηγής θα αυξηθεί επίσης μέχρι να τροφοδοτηθεί το υψηλότερο ρεύμα από τον ακροδέκτη αποστράγγισης στην πηγή.

Κατασκευή

ο κατασκευή ενισχυτικού MOSFET φαίνεται παρακάτω. Αυτό το MOSFET περιλαμβάνει πύλη τριών στρωμάτων, αποχέτευση και πηγή. Το σώμα του MOSFET είναι γνωστό ως υπόστρωμα που συνδέεται εσωτερικά με την πηγή. Στο MOSFET, ο ακροδέκτης της μεταλλικής πύλης από το στρώμα ημιαγωγού είναι μονωμένος μέσω ενός στρώματος διοξειδίου του πυριτίου διαφορετικά ένα διηλεκτρικό στρώμα.

Αυτό το EMOSFET είναι κατασκευασμένο με δύο υλικά όπως ημιαγωγούς τύπου P και τύπου N. Ένα υπόστρωμα παρέχει φυσική υποστήριξη στη συσκευή. Ένα λεπτό στρώμα SiO και ένας εξαιρετικός ηλεκτρικός μονωτήρας απλώς καλύπτουν την περιοχή μεταξύ των ακροδεκτών πηγής και αποστράγγισης. Στο στρώμα οξειδίου, ένα μεταλλικό στρώμα σχηματίζει το ηλεκτρόδιο πύλης.

Σε αυτή την κατασκευή, οι δύο περιοχές Ν διαχωρίζονται σε απόσταση μερικών μικρομέτρων πάνω από ένα ελαφρώς εμποτισμένο υπόστρωμα τύπου p. Αυτές οι δύο περιοχές N εκτελούνται όπως οι ακροδέκτες πηγής και αποστράγγισης. Στην επιφάνεια, αναπτύσσεται ένα λεπτό στρώμα μόνωσης που είναι γνωστό ως διοξείδιο του πυριτίου. Οι φορείς φόρτισης όπως οι τρύπες που γίνονται σε αυτό το στρώμα θα δημιουργήσουν επαφές αλουμινίου τόσο για την πηγή όσο και για τους ακροδέκτες αποστράγγισης.

Αυτό το στρώμα αγωγιμότητας λειτουργεί όπως η τερματική πύλη που είναι τοποθετημένη στο SiO2 καθώς και σε ολόκληρη την περιοχή του καναλιού. Ωστόσο, για την αγωγιμότητα, δεν περιέχει κανένα φυσικό κανάλι Σε αυτό το είδος ενισχυτικού MOSFET, το υπόστρωμα τύπου p εκτείνεται σε ολόκληρο το στρώμα SiO2.

Εργαζόμενος

Η λειτουργία του EMOSFET είναι όταν το VGS είναι 0V τότε δεν υπάρχει κανάλι που θα συνδέσει την πηγή & την αποστράγγιση. Το υπόστρωμα τύπου p έχει μόνο έναν μικρό αριθμό θερμικά παραγόμενων φορέων μειοψηφίας φορτίου όπως ελεύθερα ηλεκτρόνια, επομένως το ρεύμα αποστράγγισης είναι μηδέν. Για αυτόν τον λόγο, αυτό το MOSFET θα είναι κανονικά ΑΠΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΜΕΝΟ.

Μόλις η πύλη (G) είναι θετική (+ve), τότε έλκει φορείς μειοψηφίας φορτίου όπως τα ηλεκτρόνια από το p-υπόστρωμα όπου αυτοί οι φορείς φορτίου θα ενωθούν μέσω των οπών κάτω από το στρώμα του SiO2. Περαιτέρω το VGS αυξάνεται, τότε τα ηλεκτρόνια θα έχουν αρκετό δυναμικό για να έρθουν και να συνδεθούν και να εναποτεθούν περισσότεροι φορείς φορτίου, δηλαδή ηλεκτρόνια στο κανάλι.

Εδώ, το διηλεκτρικό χρησιμοποιείται για να αποτρέψει την κίνηση του ηλεκτρονίου στο στρώμα του διοξειδίου του πυριτίου. Αυτή η συσσώρευση θα έχει ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό n-καναλιών μεταξύ των τερματικών αποστράγγισης και πηγής. Έτσι, αυτό μπορεί να οδηγήσει στη ροή του παραγόμενου ρεύματος αποστράγγισης σε όλο το κανάλι. Αυτό το ρεύμα αποστράγγισης είναι απλώς ανάλογο με την αντίσταση του καναλιού, η οποία εξαρτάται περαιτέρω από τους φορείς φορτίου που έλκονται στον ακροδέκτη +ve της πύλης.

Τύποι ενίσχυσης Τύπος MOSFET

Διατίθενται σε δύο τύπους N Channel Enhancement MOSFET και P MOSFET Βελτίωση καναλιού .

Στον τύπο βελτίωσης καναλιού Ν, χρησιμοποιείται το ελαφρώς ντοπαρισμένο υπόστρωμα p και δύο περιοχές βαρέως ντοπαρισμένου τύπου n θα δημιουργήσουν τους ακροδέκτες πηγής και αποστράγγισης. Σε αυτόν τον τύπο E-MOSFET, η πλειοψηφία των φορέων φορτίου είναι ηλεκτρόνια. Ανατρέξτε σε αυτόν τον σύνδεσμο για να μάθετε περισσότερα σχετικά με - MOSFET Ν καναλιών.

Στον τύπο καναλιού P, χρησιμοποιείται το ελαφρά ντοπαρισμένο Ν-υπόστρωμα και δύο περιοχές βαρέως ντοπαρισμένου τύπου p θα δημιουργήσουν τους ακροδέκτες πηγής και αποστράγγισης. Σε αυτόν τον τύπο E-MOSFET, η πλειονότητα των φορέων φορτίου είναι τρύπες. Ανατρέξτε σε αυτόν τον σύνδεσμο για να μάθετε περισσότερα σχετικά με - MOSFET καναλιού P .

Χαρακτηριστικά

Τα χαρακτηριστικά VI και drain της βελτίωσης MOSFET n καναλιών και βελτίωσης καναλιών p συζητούνται παρακάτω.

Χαρακτηριστικά αποχέτευσης

ο Χαρακτηριστικά αποστράγγισης Mosfet βελτίωσης καναλιών N φαίνονται παρακάτω. Σε αυτά τα χαρακτηριστικά, μπορούμε να παρατηρήσουμε τα χαρακτηριστικά αποστράγγισης που απεικονίζονται μεταξύ του Id και του Vds για διαφορετικές τιμές Vgs, όπως φαίνεται στο διάγραμμα, Όπως μπορείτε να δείτε ότι όταν αυξηθεί η τιμή Vgs, τότε θα αυξηθεί και το τρέχον «Id».

Η παραβολική καμπύλη στα χαρακτηριστικά θα δείξει τον τόπο του VDS όπου το Id (ρεύμα αποστράγγισης) θα κορεστεί. Σε αυτό το γράφημα, εμφανίζεται η γραμμική ή ωμική περιοχή. Σε αυτήν την περιοχή, το MOSFET μπορεί να λειτουργήσει ως αντίσταση ελεγχόμενη από τάση. Έτσι, για τη σταθερή τιμή Vds, μόλις αλλάξουμε την τιμή τάσης Vgs, τότε θα αλλάξει το πλάτος του καναλιού ή μπορούμε να πούμε ότι θα αλλάξει η αντίσταση του καναλιού.

Η ωμική περιοχή είναι μια περιοχή όπου το τρέχον «IDS» αυξάνεται με αύξηση της τιμής VDS. Μόλις σχεδιαστούν τα MOSFET να λειτουργούν στην ωμική περιοχή, τότε μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ενισχυτές .

Η τάση πύλης στο οποίο το τρανζίστορ ανοίγει και αρχίζει να ρέει ρεύμα σε όλο το κανάλι είναι γνωστή ως τάση κατωφλίου (VT ή VTH). Για το κανάλι Ν, αυτή η τιμή κατωφλίου κυμαίνεται από 0,5 V – 0,7 V, ενώ για συσκευές καναλιού P κυμαίνεται από -0,5 V έως -0,8 V.

Όποτε τα Vds Vt τότε, σε αυτήν την περίπτωση, το MOSFET θα λειτουργεί σε μια γραμμική περιοχή. Άρα σε αυτή την περιοχή, μπορεί να λειτουργήσει ως α αντίσταση ελεγχόμενη από τάση .

Στην περιοχή αποκοπής, όταν η τάση Vgs

Όποτε το mosfet λειτουργεί στη δεξιά πλευρά του τόπου, τότε μπορούμε να πούμε ότι λειτουργεί σε περιοχή κορεσμού . Έτσι, μαθηματικά, όποτε η τάση Vgs είναι > ή = Vgs-Vt τότε λειτουργεί σε μια περιοχή κορεσμού. Επομένως, όλα αυτά αφορούν τα χαρακτηριστικά αποστράγγισης σε διάφορες περιοχές του βελτιωτικού mosfet.

Χαρακτηριστικά Μεταφοράς

ο χαρακτηριστικά μεταφοράς του Mosfet βελτίωσης καναλιών Ν φαίνονται παρακάτω. Τα χαρακτηριστικά μεταφοράς δείχνουν τη σχέση μεταξύ της τάσης εισόδου «Vgs» και του ρεύματος αποστράγγισης εξόδου «Id». Αυτά τα χαρακτηριστικά δείχνουν βασικά πώς αλλάζει το «Id» όταν αλλάζουν οι τιμές Vgs. Έτσι, από αυτά τα χαρακτηριστικά, μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι το ρεύμα αποστράγγισης «Id» είναι μηδέν μέχρι την τάση κατωφλίου. Μετά από αυτό, όταν αυξήσουμε την τιμή Vgs, τότε το 'Id' θα αυξηθεί.

Η σχέση μεταξύ του τρέχοντος «Id» και του Vgs μπορεί να δοθεί ως Id = k(Vgs-Vt)^2. Εδώ, το «K» είναι η σταθερά της συσκευής που εξαρτάται από τις φυσικές παραμέτρους της συσκευής. Έτσι, χρησιμοποιώντας αυτήν την έκφραση, μπορούμε να βρούμε την τιμή ρεύματος αποστράγγισης για τη σταθερή τιμή Vgs.

P MOSFET Βελτίωση καναλιού

ο Χαρακτηριστικά αποστράγγισης Mosfet βελτίωσης καναλιού P φαίνονται παρακάτω. Εδώ, τα Vds και Vgs θα είναι αρνητικά. Το ρεύμα αποστράγγισης «Id» θα τροφοδοτείται από την πηγή στο τερματικό αποστράγγισης. Όπως μπορούμε να παρατηρήσουμε από αυτό το γράφημα, όταν το Vgs γίνει πιο αρνητικό, τότε το ρεύμα αποστράγγισης «Id» θα αυξηθεί επίσης.

Όταν το Vgs >VT, τότε αυτό το MOSFET θα λειτουργεί στην περιοχή αποκοπής. Ομοίως, εάν παρατηρήσετε τα χαρακτηριστικά μεταφοράς αυτού του MOSFET, τότε θα είναι μια κατοπτρική εικόνα του καναλιού N.

Εφαρμογές

Πόλωση του MOSFET ενίσχυσης

Γενικά, το Enhancement MOSFET (E-MOSFET) είναι πολωμένο είτε με πόλωση διαιρέτη τάσης διαφορετικά μεροληψία ανάδρασης αποστράγγισης. Αλλά το E-MOSFET δεν μπορεί να είναι προκατειλημμένο με αυτοπροκατάληψη & μηδενική προκατάληψη.

Πόλωση διαιρέτη τάσης

Η πόλωση του διαιρέτη τάσης για το κανάλι N E-MOSFET φαίνεται παρακάτω. Η πόλωση διαιρέτη τάσης είναι παρόμοια με το κύκλωμα διαιρέτη που χρησιμοποιεί BJT. Στην πραγματικότητα, το MOSFET βελτίωσης καναλιών Ν χρειάζεται τον ακροδέκτη πύλης που είναι υψηλότερος από την πηγή του, ακριβώς όπως το NPN BJT χρειάζεται μια βασική τάση που είναι υψηλότερη σε σύγκριση με τον πομπό του.

Σε αυτό το κύκλωμα, οι αντιστάσεις όπως οι R1 & R2 χρησιμοποιούνται για την κατασκευή του κυκλώματος διαιρέτη για τον καθορισμό της τάσης πύλης.

Όταν η πηγή του E-MOSFET συνδέεται απευθείας με το GND τότε VGS = VG. Έτσι, το δυναμικό κατά μήκος της αντίστασης R2 πρέπει να τεθεί πάνω από το VGS(th) για σωστή λειτουργία με χαρακτηριστική εξίσωση E-MOSFET όπως το I _ρε = K (V _Γ.Σ -ΣΕ _Γ.Σ (θ))^2.

Γνωρίζοντας την τιμή VG, η χαρακτηριστική εξίσωση του E-MOSFET χρησιμοποιείται για τον καθορισμό του ρεύματος αποστράγγισης. Αλλά η σταθερά συσκευής «K» είναι ο μόνος παράγων που λείπει που μπορεί να υπολογιστεί για οποιαδήποτε συγκεκριμένη συσκευή ανάλογα με το ζεύγος συντεταγμένων VGS (ενεργό) και ID (ενεργό).

Η σταθερά «K» προέρχεται από τη χαρακτηριστική εξίσωση του E-MOSFET όπως K = I _ρε /(ΣΕ _Γ.Σ -ΣΕ _Γ.Σ (θ))^2.

Κ = Ι _ρε /(ΣΕ _Γ.Σ -ΣΕ _Γ.Σ (θ))^2.

Έτσι, αυτή η τιμή χρησιμοποιείται για άλλα σημεία πόλωσης.

Αποστράγγιση μεροληψίας ανάδρασης

Αυτή η πόλωση χρησιμοποιεί το σημείο λειτουργίας «on» στη χαρακτηριστική καμπύλη που αναφέρθηκε παραπάνω. Η ιδέα είναι να ρυθμίσετε ένα ρεύμα αποστράγγισης μέσω μιας κατάλληλης επιλογής της αντίστασης τροφοδοσίας και αποστράγγισης. Το πρωτότυπο του κυκλώματος ανάδρασης αποχέτευσης φαίνεται παρακάτω.

Αυτό είναι ένα αρκετά απλό κύκλωμα που χρησιμοποιεί μερικά βασικά εξαρτήματα. Αυτή η λειτουργία γίνεται κατανοητή με την εφαρμογή KVL.

ΣΕ _DD = V _RD + V _RG + V _Γ.Σ

ΣΕ _DD = εγώ _ρε R _ρε + Ι _σολ R _σολ + V _Γ.Σ

Εδώ, το ρεύμα πύλης είναι ασήμαντο, οπότε θα γίνει η παραπάνω εξίσωση

ΣΕ _DD =Ι _ρε R _ρε +V _Γ.Σ

και επίσης V _{DS =} ΣΕ _Γ.Σ

Ετσι,

ΣΕ _Γ.Σ = V _DS = V _DD − Ι _ρε R _ρε

Αυτή η εξίσωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως βάση για το σχεδιασμό του κυκλώματος πόλωσης.

Βελτίωση MOSFET εναντίον MOSFET εξάντλησης

Η διαφορά μεταξύ του Mosfet βελτίωσης και του Mosfet εξάντλησης περιλαμβάνει τα ακόλουθα.

Ανατρέξτε σε αυτόν τον σύνδεσμο για να μάθετε περισσότερα σχετικά με - Λειτουργία εξάντλησης MOSFET .

ο εφαρμογές Βελτίωσης MOSFET περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.

• Γενικά, τα βελτιωτικά MOSFET χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα μεταγωγής, ενισχυτή και μετατροπέα.
• Αυτά χρησιμοποιούνται σε διαφορετικούς οδηγούς κινητήρα, ψηφιακούς ελεγκτές και IC ηλεκτρονικών ισχύος.
• Χρησιμοποιείται στα ψηφιακά ηλεκτρονικά.

Επομένως, όλα αυτά αφορούν μια επισκόπηση μιας Βελτίωσης MOSFET – λειτουργεί με εφαρμογές. Το E-MOSFET είναι διαθέσιμο τόσο σε εκδόσεις υψηλής όσο και σε χαμηλής κατανάλωσης που λειτουργούν μόνο σε λειτουργία βελτίωσης. Εδώ είναι μια ερώτηση για εσάς, τι είναι το MOSFET εξάντλησης;