Bóng bán dẫn MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) là một linh kiện bán dẫn được sử dụng rộng rãi cho mục đích chuyển mạch và khuếch đại tín hiệu điện tử trong các thiết bị điện tử. MOSFET là một mạch lõi hoặc mạch tích hợp trong đó nó được thiết kế và chế tạo trong một chip duy nhất vì thiết bị này có kích thước rất nhỏ. Sự ra đời của thiết bị MOSFET đã mang lại sự thay đổi trong lĩnh vực chuyển đổi trong điện tử . Hãy cùng chúng tôi giải thích chi tiết về khái niệm này.

MOSFET là gì?

MOSFET là một thiết bị bốn đầu cuối có các đầu cuối nguồn (S), cổng (G), cống (D) và thân (B). Nói chung, phần thân của MOSFET được kết nối với cực nguồn do đó tạo thành một thiết bị ba đầu như bóng bán dẫn hiệu ứng trường. MOSFET thường được coi là một bóng bán dẫn và được sử dụng trong cả mạch tương tự và kỹ thuật số. Đây là điều cơ bản giới thiệu về MOSFET . Và cấu tạo chung của thiết bị này như sau:

MOSFET

Từ trên Cấu trúc MOSFET , chức năng của MOSFET phụ thuộc vào các biến thể điện xảy ra trong độ rộng kênh cùng với dòng chảy của hạt tải điện (lỗ trống hoặc electron). Các sóng mang điện tích đi vào kênh thông qua thiết bị đầu cuối nguồn và thoát ra qua cống.

Chiều rộng của kênh được điều khiển bởi điện áp trên một điện cực được gọi là cổng và nó nằm ở giữa nguồn và cống. Nó được cách nhiệt với kênh gần một lớp oxit kim loại cực kỳ mỏng. Dung lượng MOS tồn tại trong thiết bị là phần quan trọng mà toàn bộ hoạt động diễn ra trong đó.

MOSFET với thiết bị đầu cuối

MOSFET có thể hoạt động theo hai cách

Chế độ cạn kiệt
Chế độ nâng cao

Chế độ cạn kiệt

Khi không có điện áp trên đầu cuối cổng, kênh hiển thị độ dẫn tối đa của nó. Trong khi đó khi điện áp qua cực cổng là dương hoặc âm thì độ dẫn kênh giảm.

Ví dụ

Chế độ nâng cao

Khi không có điện áp trên đầu nối cổng, thì thiết bị không dẫn điện. Khi có điện áp tối đa qua thiết bị đầu cuối cổng, khi đó thiết bị cho thấy độ dẫn điện được tăng cường.

Chế độ nâng cao

Nguyên lý làm việc của MOSFET

Nguyên tắc chính của thiết bị MOSFET là có thể điều khiển dòng điện áp và dòng điện giữa các cực nguồn và cực cống. Nó hoạt động gần giống như một công tắc và chức năng của thiết bị dựa trên tụ điện MOS. Tụ điện MOS là bộ phận chính của MOSFET.

Bề mặt bán dẫn ở lớp oxit bên dưới nằm giữa cực nguồn và cực cống có thể được đảo ngược từ loại p sang loại n bằng cách áp dụng điện áp cổng dương hoặc âm tương ứng. Khi chúng ta tác dụng một lực đẩy đối với điện áp cổng dương, khi đó các lỗ trống bên dưới lớp oxit bị đẩy xuống cùng với chất nền.

Vùng cạn kiệt được tạo bởi các điện tích âm liên kết với các nguyên tử chất nhận. Khi đạt đến các điện tử, một kênh được phát triển. Điện áp dương cũng thu hút các điện tử từ nguồn n + và thoát vùng vào kênh. Bây giờ, nếu một điện áp được đặt giữa cống và nguồn, dòng điện chạy tự do giữa nguồn và cống và điện áp cổng sẽ điều khiển các điện tử trong kênh. Thay vì điện áp dương, nếu chúng ta đặt một điện áp âm, một kênh lỗ sẽ được hình thành dưới lớp oxit.

Sơ đồ khối MOSFET

MOSFET kênh P

MOSFET kênh P có vùng Kênh P nằm giữa các đầu nối nguồn và đầu nối cống. Nó là một thiết bị bốn đầu cuối có các đầu cuối là cổng, cống, nguồn và thân. Cống và nguồn là vùng p + được pha tạp nhiều và cơ thể hoặc chất nền thuộc loại n. Chiều dòng điện có hướng của các lỗ trống tích điện dương.

Khi chúng ta đặt điện áp âm với lực đẩy ở cực cổng, thì các điện tử có mặt dưới lớp oxit bị đẩy xuống dưới chất nền. Vùng cạn kiệt được tạo bởi các điện tích dương liên kết với các nguyên tử cho. Điện áp cổng âm cũng thu hút các lỗ từ nguồn p + và vùng thoát vào vùng kênh.

Chế độ cạn kiệt Kênh P

Chế độ nâng cao kênh P

N- MOSFET kênh

MOSFET kênh N có vùng kênh N nằm ở giữa các đầu nối nguồn và đầu nối cống. Nó là một thiết bị bốn đầu cuối có các đầu cuối là cổng, cống, nguồn, thân. Trong loại Transistor hiệu ứng trường này, bộ thoát và nguồn là vùng n + được pha tạp nhiều và chất nền hoặc thân là loại P.

Dòng điện trong loại MOSFET này xảy ra do các electron mang điện tích âm. Khi chúng ta đặt điện áp dương với lực đẩy tại cực cổng thì các lỗ hiện diện dưới lớp oxit sẽ bị đẩy xuống bề mặt nền. Vùng cạn kiệt được tạo bởi các điện tích âm liên kết với các nguyên tử chất nhận.

Khi tiếp cận các điện tử, kênh được hình thành. Điện áp dương cũng thu hút các điện tử từ nguồn n + và thoát vùng vào kênh. Bây giờ, nếu một điện áp được đặt giữa cống và nguồn thì dòng điện chạy tự do giữa nguồn và cống và điện áp cổng sẽ điều khiển các điện tử trong kênh. Thay vì điện áp dương nếu chúng ta áp dụng điện áp âm thì một kênh lỗ sẽ được hình thành dưới lớp oxit.

“mạch sạc ắc quy axit chì ”

Chế độ nâng cao Kênh N

MOSFET Khu vực hoạt động

Theo kịch bản chung nhất, hoạt động của thiết bị này chủ yếu xảy ra ở ba khu vực và những khu vực đó như sau:

Vùng giới hạn - Đây là vùng mà thiết bị sẽ ở điều kiện TẮT và không có lượng dòng điện chạy qua nó. Ở đây, thiết bị hoạt động như một công tắc cơ bản và được sử dụng khi chúng cần thiết để hoạt động như công tắc điện.
Vùng bão hòa - Trong khu vực này, các thiết bị sẽ có giá trị dòng chảy đến nguồn là không đổi mà không tính đến việc tăng cường điện áp trên cống đến nguồn. Điều này chỉ xảy ra một lần khi điện áp trên đầu ra của đầu nối nguồn tăng nhiều hơn giá trị điện áp ngắt. Trong trường hợp này, thiết bị hoạt động như một công tắc đóng, nơi dòng điện bão hòa qua cống đến các đầu nối nguồn chảy qua. Do đó, vùng bão hòa được chọn khi các thiết bị được cho là thực hiện chuyển mạch.
Vùng tuyến tính / Ohmic - Đó là vùng mà dòng điện qua đầu nối cống đến nguồn tăng lên cùng với sự gia tăng điện áp trên đường dẫn từ cống đến nguồn. Khi các thiết bị MOSFET hoạt động trong vùng tuyến tính này, chúng thực hiện chức năng khuếch đại.

Bây giờ chúng ta hãy xem xét các đặc điểm chuyển mạch của MOSFET

Một chất bán dẫn cũng như MOSFET hoặc Bipolar Junction Transistor về cơ bản hoạt động như các công tắc trong hai trường hợp một là trạng thái BẬT và một là trạng thái TẮT. Để xem xét chức năng này, chúng ta hãy xem xét các đặc điểm lý tưởng và thực tế của thiết bị MOSFET.

Đặc điểm công tắc lý tưởng

Khi một MOSFET được cho là hoạt động như một công tắc lý tưởng, nó phải chứa các thuộc tính dưới đây và đó là

Trong điều kiện BẬT, phải có giới hạn hiện tại mà nó mang
Trong điều kiện TẮT, mức điện áp chặn không được có bất kỳ loại giới hạn nào
Khi thiết bị hoạt động ở trạng thái BẬT, giá trị sụt áp phải bằng rỗng
Điện trở ở trạng thái TẮT phải là vô hạn
Không có giới hạn về tốc độ hoạt động

Đặc điểm công tắc thực tế

Vì thế giới không chỉ bị mắc kẹt vào các ứng dụng lý tưởng, hoạt động của MOSFET thậm chí còn có thể áp dụng cho các mục đích thực tế. Trong trường hợp thực tế, thiết bị phải giữ các thuộc tính dưới đây

Trong điều kiện BẬT, khả năng quản lý công suất phải bị hạn chế, có nghĩa là dòng điện dẫn phải bị hạn chế.
Ở trạng thái TẮT, mức điện áp chặn không được giới hạn
BẬT và TẮT trong thời gian hữu hạn sẽ hạn chế tốc độ giới hạn của thiết bị và thậm chí giới hạn tần số chức năng
Trong điều kiện BẬT của thiết bị MOSFET, sẽ có các giá trị điện trở tối thiểu mà điều này dẫn đến giảm điện áp trong phân cực chuyển tiếp. Ngoài ra, tồn tại điện trở trạng thái TẮT hữu hạn cung cấp dòng điện rò ngược
Khi thiết bị đang hoạt động trong các đặc điểm thực tế, nó sẽ mất nguồn ở các điều kiện BẬT và TẮT. Điều này xảy ra ngay cả trong các trạng thái chuyển tiếp.

Ví dụ về MOSFET làm Switch

Trong bố trí mạch bên dưới, chế độ nâng cao và MOSFET kênh N đang được sử dụng để chuyển đổi đèn mẫu với các điều kiện BẬT và TẮT. Điện áp dương tại cực cổng được đặt vào đế của bóng bán dẫn và đèn chuyển sang trạng thái BẬT và ở đây là V_GS= + v hoặc ở mức điện áp 0, thiết bị chuyển sang trạng thái TẮT trong đó V_GS= 0.

“Tự làm sạc pin lithium ion ”

MOSFET dưới dạng công tắc

Nếu tải điện trở của bóng đèn được thay thế bằng tải cảm ứng và được nối với rơ le hoặc điốt được bảo vệ với tải. Trong mạch trên, nó là một mạch rất đơn giản để chuyển đổi một tải điện trở như đèn hoặc LED. Nhưng khi sử dụng MOSFET như một công tắc với tải cảm ứng hoặc tải điện dung, thì cần có bảo vệ cho thiết bị MOSFET.

Nếu trong trường hợp MOSFET không được bảo vệ có thể dẫn đến hư hỏng thiết bị. Để MOSFET hoạt động như một thiết bị chuyển mạch tương tự, nó cần được chuyển đổi giữa vùng cắt của nó nơi V_GS= 0 và vùng bão hòa trong đó V_GS= + v.

Mô tả video

MOSFET cũng có thể hoạt động như một bóng bán dẫn và nó được viết tắt là Bóng bán dẫn hiệu ứng trường Silicon Oxit kim loại. Ở đây, chính cái tên đã chỉ ra rằng thiết bị có thể hoạt động như một bóng bán dẫn. Nó sẽ có kênh P và kênh N. Thiết bị được kết nối theo cách như vậy bằng cách sử dụng bốn đầu nối nguồn, cổng và đầu nối cống và tải điện trở 24Ω được mắc nối tiếp với ampe kế và đồng hồ đo điện áp được kết nối qua MOSFET.

Trong bóng bán dẫn, dòng điện trong cổng theo chiều dương và cực nguồn được nối với đất. Trong khi đó ở các thiết bị bóng bán dẫn điểm nối lưỡng cực, dòng điện đi qua đường dẫn từ gốc đến cực phát. Nhưng trong thiết bị này không có dòng điện chạy qua vì đầu cổng có tụ điện, chỉ cần điện áp là được.

Điều này có thể xảy ra bằng cách tiếp tục quá trình mô phỏng và bằng cách chuyển đổi BẬT / TẮT. Khi công tắc BẬT không có dòng điện chạy qua mạch, khi mắc điện trở 24Ω và 0,29 của hiệu điện thế ampe kế thì ta thấy điện áp trên nguồn giảm không đáng kể vì có + 0,21V qua thiết bị này.

Điện trở giữa cống và nguồn được gọi là RDS. Do RDS này, sụt áp xuất hiện khi có dòng điện chạy trong mạch. RDS thay đổi tùy theo loại thiết bị (nó có thể thay đổi trong khoảng 0,001, 0,005 và 0,05 dựa trên loại điện áp.

Một số khái niệm cần học là:

1). Cách chọn MOSFET làm công tắc ?

Có một số điều kiện cần được quan sát khi chọn MOSFET làm công tắc và đó là những điều kiện sau:

Sử dụng phân cực kênh P hoặc N
Đánh giá tối đa của các giá trị điện áp và dòng điện hoạt động
Tăng Rds BẬT có nghĩa là điện trở tại đầu cuối Xả vào Nguồn khi kênh hoàn toàn mở
Tần suất hoạt động nâng cao
Loại đóng gói là To-220 và DPAck và nhiều loại khác.

2). Hiệu suất chuyển mạch MOSFET là gì?

Hạn chế chính tại thời điểm vận hành MOSFET như một thiết bị chuyển mạch là giá trị dòng xả nâng cao mà thiết bị có thể có. Có nghĩa là RDS ở điều kiện ON là thông số quan trọng quyết định khả năng chuyển mạch của MOSFET. Nó được biểu diễn bằng tỷ số giữa điện áp nguồn xả với điện áp của dòng xả. Nó chỉ được tính toán ở trạng thái ON của bóng bán dẫn.

3). Tại sao MOSFET Switch được sử dụng trong Boost Converter?

Nói chung, một bộ chuyển đổi tăng áp cần một bóng bán dẫn chuyển đổi cho hoạt động của thiết bị. Vì vậy, khi MOSFET bóng bán dẫn chuyển đổi được sử dụng. Các thiết bị này được sử dụng để biết giá trị hiện tại và giá trị điện áp. Ngoài ra, xem xét tốc độ chuyển mạch và chi phí, chúng được sử dụng rộng rãi.

Theo cách tương tự, MOSFET cũng có thể được sử dụng theo nhiều cách. và đó là

MOSFET làm công tắc cho đèn LED
remove_circle_outline
MOSFET làm công tắc cho Arduino
Công tắc MOSFET cho tải xoay chiều
Công tắc MOSFET cho động cơ dc
Công tắc MOSFET cho điện áp âm
MOSFET làm công tắc với Arduino
MOSFET như một công tắc với một bộ vi điều khiển
Công tắc MOSFET có độ trễ
MOSFET làm diode chuyển mạch và điện trở hoạt động
MOSFET như một phương trình chuyển đổi
Công tắc MOSFET cho airsoft
MOSFET làm điện trở cổng chuyển mạch
MOSFET như một điện từ chuyển mạch
Chuyển đổi MOSFET bằng cách sử dụng bộ ghép quang
Công tắc MOSFET có độ trễ

Ứng dụng MOSFET làm công tắc

Một trong những ví dụ quan trọng nhất của thiết bị này là nó được sử dụng như một công tắc điều khiển độ sáng tự động trong đèn đường. Ngày nay, nhiều đèn chiếu sáng mà chúng ta quan sát trên đường cao tốc bao gồm đèn phóng điện cường độ cao. Nhưng sử dụng đèn HID tiêu thụ mức năng lượng tăng lên.

Độ sáng không thể bị giới hạn dựa trên yêu cầu và do đó phải có một công tắc cho phương pháp chiếu sáng thay thế và đó là đèn LED. Sử dụng hệ thống đèn LED sẽ khắc phục được nhược điểm của đèn cường độ cao. Ý tưởng chính đằng sau việc xây dựng công trình này là điều khiển đèn trực tiếp trên đường cao tốc bằng cách sử dụng bộ vi xử lý.

Ứng dụng MOSFET dưới dạng công tắc

Điều này có thể đạt được chỉ bằng cách thay đổi xung đồng hồ. Dựa trên sự cần thiết, thiết bị này được sử dụng để chuyển đổi đèn. Nó bao gồm một bảng pi raspberry, nơi nó được bao gồm một bộ xử lý để quản lý. Ở đây, các đèn LED có thể được thay thế cho các HID và chúng có kết nối với bộ xử lý thông qua MOSFET. Bộ vi điều khiển cung cấp các chu kỳ nhiệm vụ tương ứng và sau đó chuyển sang MOSFET để cung cấp mức cường độ cao.

Ưu điểm

Một số lợi thế là:

Nó tạo ra hiệu quả nâng cao ngay cả khi hoạt động ở mức điện áp tối thiểu
Không có sự hiện diện của dòng cổng, điều này tạo ra nhiều trở kháng đầu vào hơn giúp tăng tốc độ chuyển mạch cho thiết bị
Các thiết bị này có thể hoạt động ở mức công suất tối thiểu và sử dụng dòng điện tối thiểu

Nhược điểm

Một số nhược điểm là:

Khi các thiết bị này hoạt động ở mức điện áp quá tải sẽ tạo ra sự mất ổn định của thiết bị
Vì các thiết bị có một lớp oxit mỏng, điều này có thể tạo ra hư hỏng cho thiết bị khi bị kích thích bởi các điện tích tĩnh điện

Các ứng dụng

Các ứng dụng của MOSFET là

Bộ khuếch đại làm bằng MOSFET được sử dụng rất nhiều trong các ứng dụng tần số rộng
Quy định cho động cơ DC được cung cấp bởi các thiết bị này
Bởi vì chúng có tốc độ chuyển mạch nâng cao, nó hoạt động như một cách hoàn hảo cho việc xây dựng bộ khuếch đại chopper
Chức năng như một thành phần thụ động cho các phần tử điện tử khác nhau.

Cuối cùng, có thể kết luận rằng bóng bán dẫn yêu cầu dòng điện trong khi MOSFET yêu cầu điện áp. Yêu cầu lái xe đối với MOSFET tốt hơn nhiều, đơn giản hơn nhiều so với BJT. Và cũng biết Làm cách nào để nối một Mosfet với một công tắc?

Tín ảnh