Componenti di commutazione elettronici di potenza come BJT, MOSFET, IGBT, SCR, TRIAC, ecc. sono dispositivi essenziali utilizzati nella progettazione di molti circuiti che vanno da un semplice circuito driver a complessi raddrizzatori di potenza e inverter. Il più elementare di tutti è il BJT, e abbiamo già imparato il funzionamento dei transistor BJT. Accanto ai BJT, gli interruttori di potenza ampiamente utilizzati sono i MOSFET. Rispetto a BJT, MOSFET può gestire alta tensione e alta corrente, quindi è popolare tra le applicazioni ad alta potenza. In questo articolo, impareremo le basi del MOSFET, la sua costruzione interna, come funziona, e come usarli nei vostri progetti di circuiti. Se volete saltare la teoria, potete dare un’occhiata all’articolo sui MOSFET popolari e dove usarli per accelerare la vostra selezione di parti e il processo di progettazione.
Che cos’è un MOSFET?
MOSFET sta per Metal Oxide Field Effect Transistor, MOSFET è stato inventato per superare gli svantaggi presenti nei FET come l’alta resistenza di drenaggio, moderata impedenza di ingresso, e il funzionamento più lento. Quindi un MOSFET può essere chiamato la forma avanzata di FET. In alcuni casi, i MOSFET sono anche chiamati IGFET (Insulated Gate Field Effect Transistor). In pratica, il MOSFET è un dispositivo controllato dalla tensione, il che significa che applicando una tensione nominale al pin del gate, il MOSFET inizierà a condurre attraverso i pin di drenaggio e di sorgente. Entreremo nei dettagli più avanti in questo articolo.
La differenza principale tra FET e MOSFET è che il MOSFET ha un elettrodo di Gate in ossido di metallo isolato elettricamente dal canale n o p del semiconduttore principale da un sottile strato di biossido di silicio o vetro. L’isolamento del Gate di controllo aumenta la resistenza d’ingresso del MOSFET estremamente alta nel valore dei Mega-ohm (MΩ).
Simbolo del MOSFET
In generale, il MOSFET è un dispositivo a quattro terminali con un Drain (D), Source (S), gate (G) e un Body (B) / Substrate terminals. Il terminale del corpo sarà sempre collegato al terminale di origine, quindi il MOSFET funzionerà come un dispositivo a tre terminali. Nell’immagine sottostante, il simbolo del MOSFET a canale N è mostrato a sinistra e il simbolo del MOSFET a canale P è mostrato a destra.
Il package più comunemente usato per i MOSFET è il To-220, per una migliore comprensione diamo un’occhiata al pinout del famoso MOSFET IRF540N (mostrato sotto). Come potete vedere i pin di Gate, Drain e Source sono elencati qui sotto, ricordate che l’ordine di questi pin cambia in base al produttore. Gli altri MOSFET popolari sono IRFZ44N, BS170, IRF520, 2N7000, ecc
MOSFET come interruttore
L’applicazione più comune di un MOSFET è usarlo come interruttore. Il seguente circuito mostra il MOSFET che funziona come un dispositivo di commutazione per accendere e spegnere la lampada. La tensione di ingresso del gate VGS viene applicata con l’aiuto di una fonte di tensione di ingresso. Quando la tensione applicata è positiva, il motore sarà in stato ON e se la tensione applicata è zero o negativa, la lampada sarà in stato OFF.
Quando si accende un Mosfet fornendo la tensione richiesta al pin del gate, esso rimarrà acceso a meno che non si fornisca 0V al gate. Per evitare questo problema, dovremmo sempre usare una resistenza pull-down (R1), qui ho usato un valore di 10k. In applicazioni come il controllo della velocità del motore o l’oscuramento della luce, useremmo un segnale PWM per la commutazione veloce, durante questo scenario la capacità di gate del MOSFET creerà una corrente inversa a causa dell’effetto parassita. Per affrontare questo, dovremmo usare un condensatore di limitazione della corrente, ho usato un valore di 470 qui.
Il carico di cui sopra è considerato come un carico resistivo, quindi il circuito è molto semplice, e nel caso in cui abbiamo bisogno di utilizzare un carico induttivo o capacitivo, dobbiamo usare qualche tipo di protezione per evitare che il MOSFET si danneggi. Per esempio, se usiamo un carico capacitivo senza una carica elettrica è considerato come un corto circuito, questo si tradurrà in un alto “inrush” di corrente e quando la tensione applicata viene rimossa da un carico induttivo, ci sarà una grande quantità di accumulo di tensione inversa nel circuito quando il campo magnetico collassa, porterà ad un back-emf indotto nell’avvolgimento dell’induttore.
Classificazione dei MOSFET
Il MOSFET è classificato in due tipi in base al tipo di operazioni, cioè MOSFET in modalità di potenziamento (E-MOSFET) e MOSFET in modalità di esaurimento (D-MOSFET), questi MOSFET sono ulteriormente classificati in base al materiale usato per la costruzione come canale n e canale p. Quindi, in generale, ci sono 4 diversi tipi di MOSFET
- MOSFET a canale N in modalità Depletion
- MOSFET a canale P in modalità Depletion
- MOSFET a canale N in modalità Enhancement
- MOSFET a canale P in modalità Enhancement
I MOSFET a canale N sono chiamati NMOS e sono rappresentati dai seguenti simboli.
Secondo la costruzione interna di un MOSFET, i pin di Gate (G), Drain (D), e Source (S) sono fisicamente collegati in un MOSFET in Depletion Mode, mentre sono fisicamente separati in Enhancement Mode, questo è il motivo per cui il simbolo appare rotto per un MOSFET Enhancement Mode. I MOSFET a canale P sono chiamati PMOS e sono rappresentati dai seguenti simboli.
Tra i tipi disponibili, il MOSFET a canale N Enhancement è il MOSFET più usato. Ma per amor di conoscenza cerchiamo di approfondire la differenza. La differenza principale tra il MOSFET a canale N e il MOSFET a canale P è che in un canale N, l’interruttore MOSFET rimane aperto finché non viene fornita una tensione di gate. Quando il pin del gate riceve la tensione, l’interruttore (tra il drenaggio e la sorgente) si chiuderà e nel MOSFET a canale P l’interruttore rimarrà chiuso fino a quando non viene fornita una tensione di gate.
Similmente, la differenza principale tra il MOSFET in modalità di potenziamento e quello in modalità di esaurimento è che la tensione di gate applicata all’E-MOSFET deve essere sempre positiva e ha una tensione di soglia oltre la quale si attiva completamente. Per un D-MOSFET la tensione di gate può essere sia positiva che negativa e non si accende mai completamente. Si noti inoltre che un D-MOSFET può lavorare in modalità di potenziamento e di esaurimento, mentre un E-MOSFET può lavorare solo in modalità di potenziamento.
Costruzione del MOSFET
L’immagine sottostante mostra la tipica struttura interna del MOSFET. Anche se il MOSFET è una forma avanzata di FET e funziona con gli stessi tre terminali di un FET, la struttura interna del MOSFET è davvero diversa dal FET generale.
Se guardate la struttura, potreste vedere che il terminale di gate è fissato sul sottile strato di metallo che è isolato da uno strato di biossido di silicio (SiO2) dal semiconduttore, e sarete in grado di vedere due semiconduttori di tipo N fissati nella regione del canale dove sono posti i terminali di drain e source. Il canale tra il drenaggio e la sorgente del MOSFET è di tipo N, di fronte a questo, il substrato è implementato come tipo P. Questo aiuta a polarizzare il MOSFET in entrambe le polarità, sia positive che negative. Se il terminale di gate del MOSFET non è polarizzato, rimarrà nello stato non conduttivo, quindi il MOSFET è usato principalmente nella progettazione di interruttori e porte logiche.
Principio di funzionamento del MOSFET
In generale, il MOSFET funziona come un interruttore, il MOSFET controlla la tensione e il flusso di corrente tra la fonte e il drenaggio. Il funzionamento del MOSFET dipende dal condensatore MOS, che è la superficie del semiconduttore sotto gli strati di ossido tra la sorgente e il terminale di scarico. Può essere invertito da tipo p a tipo n, semplicemente applicando una tensione di gate positiva o negativa rispettivamente. L’immagine seguente mostra lo schema a blocchi del MOSFET.
Quando una tensione drenaggio-sorgente (VDS) è collegata tra il drenaggio e la sorgente, una tensione positiva è applicata al drenaggio, e la tensione negativa è applicata alla sorgente. Qui la giunzione PN al drenaggio è polarizzata all’inverso e la giunzione PN alla sorgente è polarizzata in avanti. In questa fase, non ci sarà alcun flusso di corrente tra il drain e il source.
Se applichiamo una tensione positiva (VGG) al terminale di gate, a causa dell’attrazione elettrostatica i portatori di carica minoritari (elettroni) nel substrato P inizieranno ad accumularsi sul contatto di gate che forma un ponte conduttivo tra le due regioni n+. Il numero di elettroni liberi accumulati sul contatto di gate dipende dalla forza della tensione positiva applicata. Più alta è la tensione applicata, maggiore è la larghezza del canale n che si forma a causa dell’accumulo di elettroni, questo alla fine aumenta la conduttività e la corrente di drenaggio (ID) inizierà a scorrere tra la sorgente e il drenaggio.
Quando non c’è tensione applicata al terminale di gate, non ci sarà alcun flusso di corrente a parte una piccola quantità di corrente dovuta ai portatori di carica minoritari. La tensione minima alla quale il MOSFET inizia a condurre è chiamata tensione di soglia.
Funzionamento del MOSFET in modalità di esaurimento:
I MOSFET in modalità di esaurimento sono solitamente chiamati dispositivi “Switched ON” in quanto sono generalmente nello stato chiuso quando non c’è tensione di polarizzazione al terminale di gate. Quando aumentiamo la tensione applicata al gate in positivo, la larghezza del canale sarà aumentata in modalità di esaurimento. Questo aumenterà la corrente di drenaggio ID attraverso il canale. Se la tensione applicata al gate è altamente negativa, allora la larghezza del canale sarà inferiore e il MOSFET potrebbe entrare nella regione di cutoff.
Caratteristiche V-I:
Le caratteristiche V-I del transistor MOSFET in modalità di esaurimento sono disegnate tra la tensione drenaggio-risorsa (VDS) e la corrente di drenaggio (ID). La piccola quantità di tensione al terminale di gate controllerà il flusso di corrente attraverso il canale. Il canale formato tra il drenaggio e la sorgente agirà come un buon conduttore con tensione di polarizzazione zero al terminale di gate. La larghezza del canale e la corrente di drenaggio aumenteranno se la tensione positiva viene applicata al gate, mentre diminuiranno quando applichiamo una tensione negativa al gate.
Funzionamento del MOSFET in modalità Enhancement:
Il funzionamento del MOSFET in modalità Enhancement è simile al funzionamento dell’interruttore aperto, inizierà a condurre solo se la tensione positiva (+VGS) viene applicata al terminale del gate e la corrente di drenaggio inizia a scorrere attraverso il dispositivo. La larghezza del canale e la corrente di drenaggio aumentano quando la tensione di polarizzazione aumenta. Ma se la tensione di polarizzazione applicata è zero o negativa, il transistor rimarrà nello stato OFF.
Caratteristiche VI:
Le caratteristiche VI del MOSFET in modalità di potenziamento sono disegnate tra la corrente di drenaggio (ID) e la tensione di drenaggio-sorgente (VDS). Le caratteristiche VI sono suddivise in tre regioni diverse, vale a dire le regioni ohmica, di saturazione e di taglio. La regione di cut-off è la regione in cui il MOSFET si trova nello stato OFF dove la tensione di bias applicata è zero. Quando la tensione di polarizzazione viene applicata, il MOSFET si sposta lentamente verso la modalità di conduzione, e il lento aumento della conduttività avviene nella regione ohmica. Infine, la regione di saturazione è quella in cui la tensione positiva viene applicata costantemente e il MOSFET rimane nello stato di conduzione.
Pacchetti di MOSFET
I MOSFET sono disponibili in diversi pacchetti, dimensioni e nomi per il loro utilizzo in diversi tipi di applicazioni. In generale, i MOSFET sono forniti in 4 diversi pacchetti, vale a dire, montaggio superficiale, Thru-Hole, PQFN e DirectFET
I MOSFET sono disponibili con un nome diverso in ogni tipo di pacchetti come segue:
Montaggio superficiale: TO-263, TO-252, MO-187, SO-8, SOT-223, SOT-23, TSOP-6, ecc.
Thru-Hole: TO-262, TO-251, TO-274, TO-220, TO-247, ecc.
PQFN: PQFN 2×2, PQFN 3×3, PQFN 3.3×3.3, PQFN 5×4, PQFN 5×6, ecc.
DirectFET: DirectFET M4, DirectFET MA, DirectFET MD, DirectFET ME, DirectFET S1, DirectFET SH, ecc.