Vermogenselektronische schakelcomponenten zoals BJT, MOSFET, IGBT, SCR, TRIAC, enz. zijn essentiële apparaten die worden gebruikt in het ontwerp van vele circuits, gaande van een eenvoudige driverschakeling tot complexe vermogensgelijkrichters en inverters. De meest eenvoudige van allemaal is de BJT, en we hebben reeds de werking van BJT Transistoren geleerd. Naast BJT zijn MOSFET’s de meest gebruikte vermogensschakelaars. Vergeleken met BJT kan de MOSFET een hoge spanning en een hoge stroomsterkte aan, waardoor hij populair is bij toepassingen met een hoog vermogen. In dit artikel zullen we de basisprincipes van MOSFET’s leren, hun interne constructie, hoe ze werken, en hoe ze te gebruiken in uw circuitontwerpen. Als u de theorie wilt overslaan, kunt u het artikel over populaire MOSFET’s bekijken en waar u ze kunt gebruiken om uw onderdeelkeuze en ontwerpproces te versnellen.
Wat is een MOSFET?
MOSFET staat voor Metal Oxide Field Effect Transistor, MOSFET werd uitgevonden om de nadelen van FET’s, zoals hoge afvoerweerstand, matige ingangsimpedantie en langzamere werking, te ondervangen. Een MOSFET kan dus de geavanceerde vorm van een FET worden genoemd. In sommige gevallen worden MOSFET’s ook IGFET (Insulated Gate Field Effect Transistor) genoemd. Praktisch gesproken is een MOSFET een spanningsgestuurd apparaat, wat betekent dat door een nominale spanning op de poortpen aan te brengen, de MOSFET begint te geleiden via de Drain en Source pen. We zullen later in dit artikel op de details ingaan.
Het belangrijkste verschil tussen een FET en een MOSFET is dat een MOSFET een metaaloxide-gate-elektrode heeft die elektrisch is geïsoleerd van de n-kanalen of p-kanalen van de hoofdhalfgeleider door een dunne laag siliciumdioxide of glas. De isolatie van de controlerende Gate verhoogt de ingangsweerstand van de MOSFET extreem hoog in de waarde van de Mega-ohms (MΩ).
Symbool van MOSFET
In het algemeen is de MOSFET een vier-terminal apparaat met een Drain (D), Source (S), gate (G) en een Body (B) / Substrate terminals. De lichaamsklem is altijd verbonden met de bronklem, zodat de MOSFET werkt als een drie-terminal apparaat. In de onderstaande afbeelding staat links het symbool van de N-kanaal MOSFET en rechts het symbool van de P-kanaal MOSFET.
Het meest gebruikte pakket voor MOSFET is To-220, laten we voor een beter begrip eens kijken naar de pinout van de beroemde IRF540N MOSFET (hieronder afgebeeld). Zoals je kan zien zijn de Gate, Drain, en Source pin hieronder opgesomd, denk er wel aan dat de volgorde van deze pinnen zal veranderen afhankelijk van de fabrikant. De andere populaire MOSFETs zijn IRFZ44N, BS170, IRF520, 2N7000, enz
MOSFET als schakelaar
De meest gebruikte toepassing van een MOSFET is deze te gebruiken als schakelaar. De onderstaande schakeling toont de MOSFET die werkt als een schakelapparaat voor het in- en uitschakelen van de lamp. De ingangsspanning van de gate VGS wordt aangelegd met behulp van een ingangsspanningsbron. Als de toegepaste spanning positief is, zal de motor in de AAN-toestand zijn en als de toegepaste spanning nul of negatief is, zal de lamp in de UIT-toestand zijn.
Wanneer u een Mosfet inschakelt door de vereiste spanning aan de gate-pen te leveren, zal deze aan blijven tenzij u 0V aan de gate levert. Om dit probleem te voorkomen, moeten we altijd een pull-down weerstand (R1) gebruiken, hier heb ik een waarde van 10k gebruikt. In toepassingen zoals het regelen van de snelheid van de motor of het dimmen van het licht, zouden we een PWM-signaal gebruiken voor snel schakelen, tijdens dit scenario zal de gate-capaciteit van de MOSFET een omgekeerde stroom creëren als gevolg van parasitaire effecten. Om dit te voorkomen, moeten we een stroombeperkende condensator gebruiken, ik heb hier een waarde van 470 gebruikt.
De bovenstaande belasting wordt beschouwd als een resistieve belasting, vandaar dat de schakeling zeer eenvoudig is, en in het geval dat we een inductieve of capacitieve belasting moeten gebruiken, moeten we een soort beveiliging gebruiken om te voorkomen dat de MOSFET beschadigd raakt. Bijvoorbeeld, als wij een capacitieve lading zonder elektrische last gebruiken wordt het beschouwd als een kortsluiting, dit zal in een hoge “inrush” van stroom resulteren en wanneer de toegepaste spanning van een inductieve lading wordt verwijderd, zal er een grote hoeveelheid omgekeerde voltageopbouw in de kring zijn wanneer het magnetische veld ineenstort, het zal tot een geïnduceerde back-emf in de wikkeling van de inductor leiden.
Classificatie van MOSFET
De MOSFET is geclassificeerd in twee typen op basis van het type bewerking, namelijk Enhancement mode MOSFET (E-MOSFET) en Depletion mode MOSFET (D-MOSFET), deze MOSFET’s zijn verder geclassificeerd op basis van het materiaal dat wordt gebruikt voor de bouw als n-kanaal en p-kanaal. In het algemeen zijn er dus 4 verschillende soorten MOSFET’s
- N-kanaal Depletion mode MOSFET
- P-kanaal Depletion mode MOSFET
- N-kanaal Enhancement mode MOSFET
- P-kanaal Enhancement mode MOSFET
De N-kanaal MOSFET’s worden NMOS genoemd en zij worden weergegeven met de volgende symbolen.
Volgens de interne constructie van een MOSFET zijn de pinnen Gate (G), Drain (D) en Source (S) fysiek verbonden in een Depletion Mode MOSFET, terwijl ze fysiek gescheiden zijn in Enhancement Mode, dit is de reden waarom het symbool onderbroken lijkt voor een Enhancement Mode MOSFET. De P-kanaal MOSFET’s worden PMOS genoemd en worden weergegeven door de volgende symbolen.
Van de beschikbare types is de N-kanaal Enhancement MOSFET de meest gebruikte MOSFET. Maar laten we omwille van de kennis proberen in te gaan op het verschil. Het belangrijkste verschil tussen de N-kanaals MOSFET en de P-kanaals MOSFET is dat bij een N-kanaals, de MOSFET schakelaar open blijft totdat een poortspanning wordt geleverd. Wanneer de poortpen de spanning ontvangt, wordt de schakelaar (tussen Drain en Source) gesloten en in een P-kanaals MOSFET blijft de schakelaar gesloten totdat een poortspanning wordt geleverd.
Op dezelfde manier is het belangrijkste verschil tussen de Enhancement Mode en Depletion Mode MOSFET dat de op de E-MOSFET toegepaste poortspanning altijd positief moet zijn en dat hij een drempelspanning heeft waarboven hij volledig inschakelt. Bij een D-MOSFET kan de gatespanning zowel positief als negatief zijn en schakelt hij nooit volledig in. Een D-MOSFET kan zowel in Enhancement- als in Depletion-modus werken, terwijl een E-MOSFET alleen in Enhancement-modus kan werken.
Bouw van de MOSFET
De onderstaande afbeelding toont de typische interne structuur van de MOSFET. Hoewel de MOSFET een geavanceerde vorm van FET is en met dezelfde drie aansluitingen werkt als een FET, verschilt de inwendige structuur van de MOSFET toch echt van de algemene FET.
Als u de structuur bekijkt, kunt u zien dat de gate terminal is bevestigd op de dunne metaallaag die is geïsoleerd door een laag siliciumdioxide (SiO2) van de halfgeleider, en u kunt twee N-type halfgeleiders zien die zijn bevestigd in het kanaalgebied waar de drain- en source-terminals zijn geplaatst. Het kanaal tussen de drain en de source van de MOSFET is van het N-type, daartegenover is het substraat van het P-type. Dit helpt bij de biasing van de MOSFET in beide polariteiten, positief of negatief. Als de gate-terminal van de MOSFET geen voorspanning heeft, blijft hij in de niet-geleidende toestand, vandaar dat de MOSFET meestal wordt gebruikt bij het ontwerpen van schakelaars en logische poorten.
Werkingsprincipe van MOSFET
In het algemeen werkt de MOSFET als een schakelaar, de MOSFET regelt de spanning en de stroom tussen de bron en de afvoer. De werking van de MOSFET hangt af van de MOS-condensator, die het halfgeleideroppervlak is onder de oxidelagen tussen de bron- en de afnameterminal. Hij kan worden omgekeerd van p-type naar n-type, eenvoudigweg door respectievelijk positieve of negatieve poortspanning toe te passen. De onderstaande afbeelding toont het blokschema van de MOSFET.
Wanneer een drain-source spanning (VDS) wordt aangesloten tussen de drain en de source, wordt een positieve spanning aangelegd op de Drain, en een negatieve spanning op de Source. Hier is de PN-junctie aan de drain omgekeerd en de PN-junctie aan de source voorwaarts gericht. In dit stadium zal er geen stroom lopen tussen de drain en de source.
Als we een positieve spanning (VGG) op de gate terminal aanbrengen, zullen door elektrostatische aantrekkingskracht de minderheids ladingdragers (elektronen) in het P-substraat zich beginnen op te hopen op het gate contact dat een geleidende brug vormt tussen de twee n+ gebieden. Het aantal vrije elektronen dat zich op het poortcontact ophoopt, hangt af van de sterkte van de aangelegde positieve spanning. Hoe hoger de toegepaste spanning, hoe breder het n-kanaal dat door de accumulatie van elektronen wordt gevormd, waardoor uiteindelijk het geleidingsvermogen toeneemt en de afvoerstroom (ID) tussen de bron en de afvoer begint te vloeien.
Wanneer er geen spanning op het poortcontact wordt toegepast, zal er geen stroom vloeien, afgezien van een kleine hoeveelheid stroom als gevolg van minderheids-ladingdragers. De minimale spanning waarbij de MOSFET begint te geleiden wordt de drempelspanning genoemd.
Werking van MOSFET in depletion mode:
De MOSFET’s in depletion-mode worden gewoonlijk de “Switched ON”-apparaten genoemd, omdat zij zich in het algemeen in gesloten toestand bevinden wanneer er geen voorspanning op de poortterminal staat. Wanneer we de toegepaste spanning op de gate in positieve richting verhogen, zal de kanaalbreedte in de depletion mode toenemen. Hierdoor zal de drainstroom ID door het kanaal toenemen. Als de toegepaste spanning op de gate zeer negatief is, dan zal de kanaalbreedte minder zijn en de MOSFET zou in het cutoff gebied kunnen komen.
VI karakteristieken:
De V-I karakteristieken van de depletion-mode MOSFET transistor worden getekend tussen de drain-source spanning (VDS) en de drainstroom (ID). De kleine hoeveelheid spanning aan de gate-terminal zal de stroom door het kanaal regelen. Het kanaal dat gevormd wordt tussen de drain en de source zal zich gedragen als een goede geleider met nul voorspanning aan de gate terminal. De kanaalbreedte en de afvoerstroom zullen toenemen als het positieve voltage op de gate wordt toegepast terwijl zij zullen verminderen als wij een negatief voltage op de gate.
Werking van MOSFET in Verbeteringswijze:
De verrichting van MOSFET in Verbeteringswijze is gelijkaardig aan de verrichting van de open schakelaar, zal het beginnen slechts te leiden als het positieve voltage (+VGS) op de poortterminal wordt toegepast en de afvoerstroom begint door het apparaat te stromen. De kanaalbreedte en de afvoerstroom zullen toenemen wanneer de voorspanning toeneemt. Maar als de toegepaste voorspanning nul of negatief is, zal de transistor zelf in de UIT-toestand blijven.
VI Kenmerken:
VI karakteristieken van de enhancement-mode MOSFET worden getekend tussen de drainstroom (ID) en de drain-bron spanning (VDS). De VI-karakteristieken worden verdeeld in drie verschillende regio’s, namelijk het ohmse, het verzadigings- en het uitschakelgebied. Het afsnijgebied is het gebied waar de MOSFET zich in de uit-toestand bevindt wanneer de toegepaste voorspanning nul is. Wanneer de voorspanning wordt aangelegd, gaat de MOSFET langzaam naar de geleidingsmodus, en de langzame toename van de geleiding vindt plaats in het ohmse gebied. Tenslotte is er het verzadigingsgebied, waar de positieve spanning constant wordt aangelegd en de MOSFET in de geleidingsstand blijft.
Verpakkingen van MOSFET
MOSFET’s zijn verkrijgbaar in verschillende verpakkingen, afmetingen en namen voor hun gebruik in verschillende soorten toepassingen. In het algemeen worden MOSFET’s geleverd in 4 verschillende pakketten, namelijk opbouw, Thru-Hole, PQFN en DirectFET
De MOSFET’s zijn beschikbaar met een andere naam in elk soort pakket als volgt:
Oppervlakte Mount: TO-263, TO-252, MO-187, SO-8, SOT-223, SOT-23, TSOP-6, enz.
Thru-Hole: TO-262, TO-251, TO-274, TO-220, TO-247, enz.
PQFN: PQFN 2×2, PQFN 3×3, PQFN 3..3×3.3, PQFN 5×4, PQFN 5×6, enz.
DirectFET : DirectFET M4, DirectFET MA, DirectFET MD, DirectFET ME, DirectFET S1, DirectFET SH, enz.