Power Electronic Switching-komponenter som BJT, MOSFET, IGBT, SCR, TRIAC osv. er vigtige enheder, der anvendes i designet af mange kredsløb, lige fra et simpelt driverkredsløb til komplekse strømrettere og invertere. Den mest grundlæggende af dem alle er BJT’en, og vi har allerede lært, hvordan BJT-transistorer fungerer. Ved siden af BJT er MOSFET’erne de mest anvendte strømkontakter. Sammenlignet med BJT kan MOSFET’er håndtere høj spænding og høj strøm, og derfor er de populære blandt applikationer med høj effekt. I denne artikel vil vi lære det grundlæggende om MOSFET, dens interne opbygning, hvordan den fungerer, og hvordan du kan bruge den i dine kredsløbsdesigns. Hvis du vil springe teorien over, kan du læse artiklen om populære MOSFET’er, og hvor du kan bruge dem for at fremskynde dit valg af dele og din designproces.
Hvad er en MOSFET?
MOSFET står for Metal Oxide Field Effect Transistor, MOSFET blev opfundet for at overvinde de ulemper, der er til stede i FET’er som f.eks. høj drænmodstand, moderat indgangsimpedans og langsommere drift. Så en MOSFET kan kaldes den avancerede form for FET. I nogle tilfælde kaldes MOSFET’er også for IGFET (Insulated Gate Field Effect Transistor). I praksis er MOSFET en spændingsstyret enhed, hvilket betyder, at MOSFET’en begynder at lede gennem Drain- og Source-stiften ved at påføre en nominel spænding på gate-stiften. Vi vil komme ind på detaljerne senere i denne artikel.
Den væsentligste forskel mellem FET og MOSFET er, at MOSFET har en metaloxid-gateelektrode, der er elektrisk isoleret fra hovedhalvlederens n-kanal eller p-kanal af et tyndt lag siliciumdioxid eller glas. Isolationen af den styrende Gate øger MOSFET’ens indgangsmodstand ekstremt højt i værdien af Mega-ohms (MΩ).
Symbolikken for MOSFET
Generelt er MOSFET’en en fire-terminal enhed med en Drain (D), Source (S), Gate (G) og en Body (B) / Substrate terminaler. Kropsterminalen vil altid være forbundet med kildeterminalen, hvorfor MOSFET’en vil fungere som en tre-terminal enhed. På nedenstående billede er symbolet for N-kanal-MOSFET vist til venstre og symbolet for P-kanal-MOSFET vist til højre.
Den mest almindeligt anvendte pakke til MOSFET er To-220. Lad os for en bedre forståelse tage et kig på pinoutet for den berømte IRF540N MOSFET (vist nedenfor). Som du kan se, er Gate-, Drain- og Source-stiften anført nedenfor, husk dog, at rækkefølgen af disse stifter vil ændre sig afhængigt af producenten. De andre populære MOSFET’er er IRFZ44N, BS170, IRF520, 2N7000 osv.
MOSFET som switch
Den mest almindelige anvendelse af en MOSFET er at bruge den som switch. Nedenstående kredsløb viser MOSFET’en, der fungerer som en switching-enhed til at tænde og slukke for lampen. GATE-indgangsspændingen VGS påføres ved hjælp af en indgangsspændingskilde. Når den påførte spænding er positiv, vil motoren være i ON-tilstand, og hvis den påførte spænding er nul eller negativ, vil lampen være i OFF-tilstand.
Når man tænder en Mosfet ved at tilføre den nødvendige spænding til gate-pinden, forbliver den tændt, medmindre man tilfører 0V til gaten. For at undgå dette problem skal vi altid bruge en pull-down-modstand (R1), her har jeg brugt en værdi på 10k. I applikationer som f.eks. styring af motorens hastighed eller dæmpning af lyset vil vi bruge et PWM-signal til hurtig omskiftning, i dette scenarie vil MOSFET’s gatekapacitet skabe en omvendt strøm på grund af parasitvirkning. For at tackle dette bør vi bruge en strømbegrænsende kondensator, jeg har brugt en værdi på 470 her.
Overstående belastning betragtes som en resistiv belastning, og derfor er kredsløbet meget enkelt, og hvis vi skal bruge en induktiv eller kapacitiv belastning, skal vi bruge en form for beskyttelse for at forhindre, at MOSFET’en bliver beskadiget. Hvis vi f.eks. anvender en kapacitiv belastning uden elektrisk ladning, betragtes det som en kortslutning, hvilket vil resultere i en høj “indstrømning” af strøm, og når den påførte spænding fjernes fra en induktiv belastning, vil der blive opbygget en stor mængde omvendt spænding i kredsløbet, når magnetfeltet kollapser, hvilket vil føre til en induceret modspænding i spolingen af induktoren.
Klassifikation af MOSFET
MOSFET’en er klassificeret i to typer baseret på typen af operationer, nemlig Enhancement mode MOSFET (E-MOSFET) og Depletion mode MOSFET (D-MOSFET), disse MOSFET’er er yderligere klassificeret baseret på det materiale, der anvendes til konstruktion som n-kanal og p-kanal. Så generelt er der 4 forskellige typer MOSFETs
- N-kanals udtømningsmodus MOSFET
- P-kanals udtømningsmodus MOSFET
- N-kanals forstærkningsmodus MOSFET
- P-kanals forstærkningsmodus MOSFET
De N-kanals MOSFETs kaldes NMOS, og de er repræsenteret ved følgende symboler.
I henhold til den interne opbygning af en MOSFET er Gate(G), Drain (D) og Source(S) pins fysisk forbundet i en Depletion Mode MOSFET, mens de er fysisk adskilt i Enhancement Mode, dette er årsagen til, at symbolet vises brudt for en Enhancement Mode MOSFET. P-kanals-MOSFET’er kaldes PMOS, og de er repræsenteret ved følgende symboler:
Af de tilgængelige typer er N-kanals Enhancement MOSFET’en den mest almindeligt anvendte MOSFET. Men lad os for kundskabens skyld forsøge at komme ind på forskellen. Den væsentligste forskel mellem N-kanals-MOSFET og P-kanals-MOSFET er, at i en N-kanal forbliver MOSFET-switchen åben, indtil der leveres en gatespænding. Når gate-stiften modtager spænding, lukkes kontakten (mellem Drain og Source), og i P-kanal-MOSFET forbliver kontakten lukket, indtil der leveres en gate-spænding.
Sådan er den vigtigste forskel mellem Enhancement Mode og Depletion Mode MOSFET, at Gate-spændingen, der påføres E-MOSFET, altid skal være positiv, og at den har en tærskelspænding, over hvilken den tænder helt. For en D-MOSFET kan gatespændingen enten være positiv eller negativ, og den slår aldrig helt til. Bemærk også, at en D-MOSFET kan fungere i Enhancement- og Depletion-tilstand, mens en E-MOSFET kun kan fungere i Enhancement-tilstand.
Bygning af MOSFET
Det nedenstående billede viser den typiske interne struktur af MOSFET’en. Selv om MOSFET’en er en avanceret form for FET og fungerer med de samme tre terminaler som en FET, er MOSFET’ens indre struktur virkelig forskellig fra den almindelige FET.
Hvis man ser på strukturen, kan man se, at gate-terminalen er fastgjort på det tynde metallag, som er isoleret af et lag siliciumdioxid (SiO2) fra halvlederen, og man vil kunne se to N-type halvledere fastgjort i kanalområdet, hvor dræn- og source-terminalerne er placeret. Kanalen mellem MOSFET’ens dræn og source er en N-type, modsat er substratet implementeret som P-type. Dette er med til at biase MOSFET’en i begge polariteter, enten positiv eller negativ. Hvis MOSFET’ens gate-terminal ikke er polariseret, vil den forblive i den ikke-ledende tilstand, og derfor anvendes MOSFET’en oftest til at designe afbrydere og logiske porte.
Arbejdsprincip for MOSFET
Generelt fungerer MOSFET’en som en switch, MOSFET’en styrer spændings- og strømstrømmen mellem kilde og dræn. MOSFET’ens funktion afhænger af MOS-kondensatoren, som er halvlederoverfladen under oxidlagene mellem kilde- og drænterminalen. Den kan inverteres fra p-type til n-type ved blot at påføre henholdsvis positiv eller negativ gate-spænding. Nedenstående billede viser blokdiagrammet for MOSFET’en.
Når en dræn-kilde-spænding (VDS) er tilsluttet mellem dræn og kilde, påføres en positiv spænding på drænet, og den negative spænding påføres kilden. Her er PN-forbindelsen ved drænet omvendt forspændt, og PN-forbindelsen ved kilden er fremadrettet forspændt. På dette stadium vil der ikke være nogen strømgennemstrømning mellem drænet og kilden.
Hvis vi tilfører en positiv spænding (VGG) til gate-terminalen, vil minoritetsladningsbærerne (elektroner) i P-substratet på grund af elektrostatisk tiltrækning begynde at akkumulere sig på gate-kontakten, som danner en ledende bro mellem de to n+-regioner. Antallet af frie elektroner, der akkumuleres ved gate-kontakten, afhænger af styrken af den positive spænding, der påføres. Jo højere den påførte spænding er, jo større er bredden af den n-kanal, der dannes som følge af elektronakkumulering, hvilket i sidste ende øger ledningsevnen, og drænstrømmen (ID) begynder at løbe mellem Source og Drain.
Når der ikke påføres nogen spænding på gate-terminalen, vil der ikke løbe nogen strøm bortset fra en lille mængde strøm som følge af minoritetsladningsbærere. Den minimumsspænding, ved hvilken MOSFET’en begynder at lede, kaldes tærskelspændingen.
Drift af MOSFET i depletionstilstand:
MOSFET’er i depletionstilstand kaldes normalt for “Switched ON”-enheder, da de generelt er i lukket tilstand, når der ikke er nogen bias-spænding ved gate-terminalen. Når vi øger den påførte spænding til gaten i positiv, vil kanalbredden øges i depletionstilstand. Dette vil øge drænstrømmen ID gennem kanalen. Hvis den påførte gatespænding er meget negativ, vil kanalbredden blive mindre, og MOSFET’en kan komme ind i cutoff-området.
VI-karakteristika:
V-I-karakteristikken for MOSFET-transistoren i depletionstilstand er tegnet mellem dræn-source-spændingen (VDS) og drænstrømmen (ID). Den lille mængde spænding ved gate-terminalen styrer strømmen gennem kanalen. Den kanal, der dannes mellem drænet og kilden, vil fungere som en god leder med nul bias-spænding ved gate-terminalen. Kanalbredden og drænstrømmen vil stige, hvis der påføres positiv spænding på gaten, mens de vil blive reduceret, når vi påfører en negativ spænding på gaten.
Drift af MOSFET i Enhancement Mode:
Driften af MOSFET i Enhancement Mode svarer til driften af den åbne switch, den vil kun begynde at lede, hvis der påføres positiv spænding (+VGS) på gate-terminalen, og drænstrømmen begynder at løbe gennem enheden. Kanalbredden og drænstrømmen vil stige, når forspændingen øges. Men hvis den påførte bias-spænding er nul eller negativ, forbliver transistoren selv i OFF-tilstand.
VI-karakteristika:
VI-karakteristika for Enhancement-mode MOSFET’en er tegnet mellem drænstrømmen (ID) og dræn-source-spændingen (VDS). VI-karakteristikken er opdelt i tre forskellige områder, nemlig ohmsk område, mætningsområde og cut-off-område. Cutoff-området er det område, hvor MOSFET’en vil være i OFF-tilstand, hvor den påførte bias-spænding er nul. Når forspændingen påføres, bevæger MOSFET’en sig langsomt mod ledningstilstand, og den langsomme stigning i ledningsevnen finder sted i det ohmske område. Endelig er mætningsområdet det område, hvor den positive spænding påføres konstant, og MOSFET’en forbliver i ledningstilstand.
Pakninger af MOSFET
MOSFET’er fås i forskellige pakninger, størrelser og navne til brug i forskellige former for applikationer. Generelt leveres MOSFET’er i 4 forskellige pakninger, nemlig overflademontering, Thru-Hole, PQFN og DirectFET
MOSFET’erne fås med et forskelligt navn i hver slags pakninger som følger:
Overflademontering:
Side: TO-263, TO-252, MO-187, SO-8, SOT-223, SOT-23, TSOP-6, osv.
Thru-Hole: TO-262, TO-251, TO-274, TO-220, TO-247, osv.
PQFN: PQFN 2×2, PQFN 3×3, PQFN 3.3×3.3, PQFN 5×4, PQFN 5×6, osv.
DirectFET : DirectFET M4, DirectFET MA, DirectFET MD, DirectFET ME, DirectFET S1, DirectFET SH, osv.