Leistungselektronische Schaltkomponenten wie BJT, MOSFET, IGBT, SCR, TRIAC usw. sind wichtige Bauelemente, die bei der Entwicklung vieler Schaltungen verwendet werden, von einfachen Treiberschaltungen bis hin zu komplexen Leistungsgleichrichtern und Wechselrichtern. Der einfachste von ihnen ist der BJT, dessen Funktionsweise wir bereits kennen gelernt haben. Neben dem BJT sind MOSFETs die am häufigsten verwendeten Leistungsschalter. Im Vergleich zu BJTs können MOSFETs hohe Spannungen und hohe Ströme verarbeiten und sind daher bei Hochleistungsanwendungen sehr beliebt. In diesem Artikel lernen wir die Grundlagen der MOSFETs, ihren internen Aufbau, ihre Funktionsweise und ihre Verwendung in Ihren Schaltkreisen kennen. Wenn Sie die Theorie überspringen möchten, können Sie sich den Artikel über beliebte MOSFETs und deren Einsatzmöglichkeiten ansehen, um Ihre Bauteilauswahl und Ihren Entwurfsprozess zu beschleunigen.
Was ist ein MOSFET?
MOSFET steht für Metal Oxide Field Effect Transistor, MOSFET wurde erfunden, um die Nachteile von FETs wie hoher Drain-Widerstand, mäßige Eingangsimpedanz und langsamerer Betrieb zu überwinden. Daher kann ein MOSFET als eine Weiterentwicklung des FET bezeichnet werden. In einigen Fällen werden MOSFETs auch als IGFET (Insulated Gate Field Effect Transistor) bezeichnet. Praktisch gesehen ist ein MOSFET ein spannungsgesteuertes Bauelement, d. h. durch Anlegen einer Nennspannung an den Gate-Pin beginnt der MOSFET über den Drain- und Source-Pin zu leiten. Wir werden später in diesem Artikel auf Einzelheiten eingehen.
Der Hauptunterschied zwischen FET und MOSFET besteht darin, dass der MOSFET eine Metalloxid-Gate-Elektrode hat, die durch eine dünne Siliziumdioxid- oder Glasschicht vom n- oder p-Kanal des Haupthalbleiters elektrisch isoliert ist. Die Isolierung des steuernden Gates erhöht den Eingangswiderstand des MOSFET extrem hoch in den Wert der Mega-Ohm (MΩ).
Symbol des MOSFET
Im Allgemeinen ist der MOSFET ein Gerät mit vier Anschlüssen mit einem Drain (D), Source (S), Gate (G) und einem Body (B) / Substratanschlüsse. Der Body-Anschluss ist immer mit dem Source-Anschluss verbunden, so dass der MOSFET wie ein Gerät mit drei Anschlüssen funktioniert. In der folgenden Abbildung ist das Symbol eines n-Kanal-MOSFETs links und das Symbol eines p-Kanal-MOSFETs rechts abgebildet.
Das am häufigsten verwendete Gehäuse für MOSFETs ist das To-220-Gehäuse. Zum besseren Verständnis werfen wir einen Blick auf die Pinbelegung des berühmten IRF540N-MOSFET (siehe unten). Wie Sie sehen können, sind die Gate-, Drain- und Source-Pins unten aufgelistet. Denken Sie daran, dass sich die Reihenfolge dieser Pins je nach Hersteller ändern kann. Andere gängige MOSFETs sind IRFZ44N, BS170, IRF520, 2N7000 usw.
MOSFET als Schalter
Die häufigste Anwendung eines MOSFETs ist seine Verwendung als Schalter. Die folgende Schaltung zeigt den MOSFET als Schalter zum Ein- und Ausschalten der Lampe. Die Gate-Eingangsspannung VGS wird mit Hilfe einer Eingangsspannungsquelle angelegt. Wenn die angelegte Spannung positiv ist, befindet sich der Motor im EIN-Zustand und wenn die angelegte Spannung Null oder negativ ist, befindet sich die Lampe im AUS-Zustand.
Wenn Sie einen Mosfet einschalten, indem Sie die erforderliche Spannung an den Gate-Pin anlegen, bleibt er eingeschaltet, solange Sie nicht 0 V an das Gate anlegen. Um dieses Problem zu vermeiden, sollten wir immer einen Pull-Down-Widerstand (R1) verwenden, hier habe ich einen Wert von 10k verwendet. In Anwendungen wie der Steuerung der Motordrehzahl oder dem Dimmen von Licht würden wir ein PWM-Signal für schnelles Schalten verwenden. In diesem Szenario erzeugt die Gate-Kapazität des MOSFET aufgrund eines parasitären Effekts einen Rückstrom. Um dies zu verhindern, sollten wir einen strombegrenzenden Kondensator verwenden, ich habe hier einen Wert von 470 verwendet.
Die obige Last wird als ohmsche Last betrachtet, daher ist die Schaltung sehr einfach, und für den Fall, dass wir eine induktive oder kapazitive Last verwenden müssen, müssen wir eine Art Schutz verwenden, um zu verhindern, dass der MOSFET beschädigt wird. Wenn wir zum Beispiel eine kapazitive Last ohne elektrische Ladung verwenden, wird sie als Kurzschluss betrachtet, was zu einem hohen „Inrush“ von Strom führt, und wenn die angelegte Spannung von einer induktiven Last entfernt wird, gibt es eine große Menge an Rückwärtsspannung in der Schaltung, wenn das Magnetfeld zusammenbricht, was zu einer induzierten Gegen-EMK in der Wicklung des Induktors führt.
Klassifizierung von MOSFET
Der MOSFET wird in zwei Typen unterteilt, die auf der Art des Betriebs beruhen, nämlich Enhancement mode MOSFET (E-MOSFET) und Depletion mode MOSFET (D-MOSFET), diese MOSFETs werden weiter auf der Grundlage des für die Konstruktion verwendeten Materials als n-Kanal und p-Kanal klassifiziert. Im Allgemeinen gibt es also 4 verschiedene Arten von MOSFETs
- N-Kanal-MOSFET im Verarmungsmodus
- P-Kanal-MOSFET im Verarmungsmodus
- N-Kanal-MOSFET im Anreicherungsmodus
- P-Kanal-MOSFET im Anreicherungsmodus
Die N-Kanal-MOSFETs werden NMOS genannt und durch die folgenden Symbole dargestellt.
Aufgrund des internen Aufbaus eines MOSFETs sind die Pins Gate (G), Drain (D) und Source (S) bei einem Verarmungs-MOSFET physisch verbunden, während sie bei einem Anreicherungs-MOSFET physisch getrennt sind, weshalb das Symbol bei einem Anreicherungs-MOSFET unterbrochen erscheint. Die P-Kanal-MOSFETs werden als PMOS bezeichnet und durch die folgenden Symbole dargestellt:
Von den verfügbaren Typen ist der N-Kanal-Anreicherungs-MOSFET der am häufigsten verwendete MOSFET. Aber um des Wissens willen wollen wir versuchen, den Unterschied herauszuarbeiten. Der Hauptunterschied zwischen einem N-Kanal-MOSFET und einem P-Kanal-MOSFET besteht darin, dass bei einem N-Kanal-MOSFET der Schalter offen bleibt, bis eine Gate-Spannung angelegt wird. Wenn der Gate-Pin die Spannung erhält, wird der Schalter (zwischen Drain und Source) geschlossen, und bei einem P-Kanal-MOSFET bleibt der Schalter geschlossen, bis eine Gate-Spannung anliegt.
Der Hauptunterschied zwischen einem Enhancement-Mode- und einem Depletion-Mode-MOSFET besteht darin, dass die an den E-MOSFET angelegte Gate-Spannung immer positiv sein sollte und er eine Schwellenspannung hat, oberhalb derer er sich vollständig einschaltet. Bei einem D-MOSFET kann die Gate-Spannung entweder positiv oder negativ sein, und er schaltet sich nie vollständig ein. Beachten Sie auch, dass ein D-MOSFET im Anreicherungs- und Verarmungsmodus arbeiten kann, während ein E-MOSFET nur im Anreicherungsmodus arbeiten kann.
Aufbau eines MOSFET
Die folgende Abbildung zeigt den typischen inneren Aufbau eines MOSFET. Obwohl der MOSFET eine fortschrittliche Form des FET ist und mit den gleichen drei Anschlüssen wie ein FET arbeitet, unterscheidet sich die interne Struktur des MOSFET deutlich von der eines allgemeinen FET.
Wenn man sich die Struktur ansieht, kann man erkennen, dass der Gate-Anschluss auf einer dünnen Metallschicht befestigt ist, die durch eine Schicht aus Siliziumdioxid (SiO2) vom Halbleiter isoliert ist, und man kann zwei N-Typ-Halbleiter im Kanalbereich sehen, wo die Drain- und Source-Anschlüsse platziert sind. Der Kanal zwischen Drain und Source des MOSFET ist ein N-Typ, das Substrat dagegen ist als P-Typ ausgeführt. Dies hilft bei der Vorspannung des MOSFET in beiden Polaritäten, entweder positiv oder negativ. Wenn der Gate-Anschluss des MOSFETs nicht vorgespannt ist, bleibt er im nicht-leitenden Zustand, daher wird der MOSFET meist bei der Entwicklung von Schaltern und logischen Gattern verwendet.
Arbeitsprinzip des MOSFET
Im Allgemeinen funktioniert der MOSFET als Schalter, der MOSFET steuert den Spannungs- und Stromfluss zwischen Source und Drain. Die Funktionsweise des MOSFET hängt vom MOS-Kondensator ab, der die Halbleiteroberfläche unter den Oxidschichten zwischen dem Source- und dem Drain-Anschluss darstellt. Er kann durch Anlegen einer positiven bzw. negativen Gate-Spannung vom p-Typ in den n-Typ umgeschaltet werden. Die folgende Abbildung zeigt das Blockdiagramm des MOSFET.
Wenn eine Drain-Source-Spannung (VDS) zwischen Drain und Source angeschlossen ist, wird eine positive Spannung an den Drain und eine negative Spannung an die Source angelegt. In diesem Fall ist der PN-Übergang am Drain in Sperrichtung und der PN-Übergang an der Source in Durchlassrichtung vorgespannt. In diesem Stadium findet kein Stromfluss zwischen Drain und Source statt.
Wenn wir eine positive Spannung (VGG) an den Gate-Anschluss anlegen, beginnen die Minoritätsladungsträger (Elektronen) im P-Substrat aufgrund der elektrostatischen Anziehung, sich am Gate-Kontakt zu sammeln, der eine leitende Brücke zwischen den beiden n+-Bereichen bildet. Die Anzahl der freien Elektronen, die sich am Gate-Kontakt ansammeln, hängt von der Stärke der angelegten positiven Spannung ab. Je höher die angelegte Spannung ist, desto breiter wird der durch die Elektronenansammlung gebildete n-Kanal, wodurch sich die Leitfähigkeit erhöht und der Drain-Strom (ID) zwischen Source und Drain zu fließen beginnt.
Wenn keine Spannung an den Gate-Anschluss angelegt wird, fließt abgesehen von einer geringen Strommenge aufgrund von Minoritätsladungsträgern kein Strom. Die Mindestspannung, bei der der MOSFET zu leiten beginnt, wird als Schwellenspannung bezeichnet.
Betrieb eines MOSFET im Verarmungsmodus:
Die MOSFETs im Verarmungsmodus werden in der Regel als „Switched ON“-Geräte bezeichnet, da sie sich im Allgemeinen im geschlossenen Zustand befinden, wenn keine Vorspannung am Gate-Anschluss anliegt. Wenn wir die an das Gate angelegte Spannung im positiven Bereich erhöhen, wird die Kanalbreite im Verarmungsmodus vergrößert. Dadurch wird der Drainstrom ID durch den Kanal erhöht. Wenn die angelegte Gatespannung stark negativ ist, wird die Kanalbreite geringer und der MOSFET kann in den Sperrbereich eintreten.
VI-Kennlinien:
Die V-I-Kennlinien des MOSFET-Transistors im Verarmungsmodus werden zwischen der Drain-Source-Spannung (VDS) und dem Drainstrom (ID) gezeichnet. Die geringe Spannung am Gate-Anschluss steuert den Stromfluss durch den Kanal. Der zwischen Drain und Source gebildete Kanal ist ein guter Leiter, wenn am Gate-Anschluss keine Vorspannung anliegt. Die Kanalbreite und der Drain-Strom nehmen zu, wenn eine positive Spannung an das Gate angelegt wird, während sie abnehmen, wenn eine negative Spannung an das Gate angelegt wird.
Betrieb des MOSFET im Anreicherungsmodus:
Der Betrieb des MOSFET im Anreicherungsmodus ähnelt dem Betrieb des offenen Schalters, er beginnt nur dann zu leiten, wenn eine positive Spannung (+VGS) an den Gate-Anschluss angelegt wird und der Drain-Strom durch das Gerät zu fließen beginnt. Die Kanalbreite und der Drainstrom nehmen zu, wenn die Vorspannung steigt. Wenn die angelegte Vorspannung jedoch null oder negativ ist, bleibt der Transistor selbst im AUS-Zustand.
VI-Kennlinien:
VI-Kennlinien des Enhancement-MOSFET werden zwischen dem Drainstrom (ID) und der Drain-Source-Spannung (VDS) gezeichnet. Die VI-Kennlinien werden in drei verschiedene Bereiche unterteilt, nämlich in den ohmschen Bereich, den Sättigungsbereich und den Sperrbereich. Der Sperrbereich ist der Bereich, in dem sich der MOSFET im AUS-Zustand befindet, wenn die angelegte Vorspannung Null ist. Wenn die Vorspannung angelegt wird, geht der MOSFET langsam in den leitenden Zustand über, und der langsame Anstieg der Leitfähigkeit findet im ohmschen Bereich statt. Der Sättigungsbereich schließlich ist der Bereich, in dem die positive Spannung konstant anliegt und der MOSFET im leitenden Zustand verbleibt.
Gehäuse von MOSFET
MOSFETs sind in verschiedenen Gehäusen, Größen und Bezeichnungen für ihre Verwendung in unterschiedlichen Anwendungen erhältlich. Im Allgemeinen werden MOSFETs in 4 verschiedenen Gehäusen geliefert, nämlich Surface Mount, Thru-Hole, PQFN und DirectFET
Die MOSFETs sind in jeder Art von Gehäuse wie folgt mit einem anderen Namen erhältlich:
Surface Mount: TO-263, TO-252, MO-187, SO-8, SOT-223, SOT-23, TSOP-6, etc.
Thru-Hole: TO-262, TO-251, TO-274, TO-220, TO-247, etc.
PQFN: PQFN 2×2, PQFN 3×3, PQFN 3.3×3.3, PQFN 5×4, PQFN 5×6, usw.
DirectFET : DirectFET M4, DirectFET MA, DirectFET MD, DirectFET ME, DirectFET S1, DirectFET SH, usw.