Power Electronic Switching-komponenter som BJT, MOSFET, IGBT, SCR, TRIAC etc. är viktiga enheter som används i konstruktionen av många kretsar, från en enkel drivkrets till komplexa strömriktare och växelriktare. Den mest grundläggande av dem alla är BJT, och vi har redan lärt oss hur BJT-transistorer fungerar. Vid sidan av BJT är MOSFETs de mest använda strömbrytarna. Jämfört med BJT kan MOSFET hantera hög spänning och hög ström, och därför är de populära bland tillämpningar med hög effekt. I den här artikeln kommer vi att lära oss grunderna för MOSFET, dess interna konstruktion, hur den fungerar och hur man använder dem i sina kretsar. Om du vill hoppa över teorin kan du läsa artikeln om populära MOSFETs och var du kan använda dem för att påskynda ditt val av delar och din konstruktionsprocess.
Vad är en MOSFET?
MOSFET står för Metal Oxide Field Effect Transistor, MOSFET uppfanns för att övervinna de nackdelar som finns i FET:er som hög dräneringsmotstånd, måttlig ingångsimpedans och långsammare drift. En MOSFET kan därför kallas en avancerad form av FET. I vissa fall kallas MOSFET också IGFET (Insulated Gate Field Effect Transistor). I praktiken är MOSFET en spänningsstyrd anordning, vilket innebär att om en nominell spänning läggs på gate-stiftet kommer MOSFET att börja leda genom Drain- och Source-stiftet. Vi kommer att gå in på detaljer senare i den här artikeln.
Den största skillnaden mellan FET och MOSFET är att MOSFET har en metalloxid-gateelektrod som är elektriskt isolerad från den huvudsakliga halvledaren n-kanal eller p-kanal genom ett tunt skikt av kiseldioxid eller glas. Isoleringen av den styrande grinden ökar MOSFET:s ingångsmotstånd extremt högt i värdet Mega-ohms (MΩ).
Symbol för MOSFET
I allmänhet är MOSFET en anordning med fyra terminaler med en dränering (D), källa (S), grind (G) och en kropp (B)/substratterminaler. Kroppsterminalen kommer alltid att vara ansluten till källterminalen, vilket innebär att MOSFET:n fungerar som en treterminal enhet. I bilden nedan visas symbolen för N-kanals MOSFET till vänster och symbolen för P-kanals MOSFET till höger.
Det vanligaste paketet för MOSFET är To-220. För att få en bättre förståelse tar vi en titt på pinouten för den berömda IRF540N MOSFET (visas nedan). Som du kan se är Gate-, Drain- och Source-stiftet listat nedan, kom ihåg att ordningen på dessa stift kommer att ändras beroende på tillverkaren. De andra populära MOSFET:erna är IRFZ44N, BS170, IRF520, 2N7000, etc
MOSFET som switch
Den vanligaste tillämpningen av en MOSFET är att använda den som switch. Nedanstående krets visar MOSFET som fungerar som en omkopplare för att tända och släcka lampan. Gateingångsspänningen VGS appliceras med hjälp av en ingångsspänningskälla. När den applicerade spänningen är positiv kommer motorn att vara påslagen och om den applicerade spänningen är noll eller negativ kommer lampan att vara avstängd.
När du slår på en Mosfet genom att tillföra den erforderliga spänningen till gate-stiftet kommer den att förbli på om du inte tillför 0V till gaten. För att undvika detta problem bör vi alltid använda ett pull-down motstånd (R1), här har jag använt ett värde på 10k. I tillämpningar som att styra motorns hastighet eller dimma ljuset använder vi en PWM-signal för snabb omkoppling, under detta scenario kommer MOSFET:s grindkapacitans att skapa en omvänd ström på grund av den parasitära effekten. För att hantera detta bör vi använda en strömbegränsande kondensator, jag har använt ett värde på 470 här.
Ovanstående belastning betraktas som en resistiv belastning, därför är kretsen mycket enkel, och om vi behöver använda en induktiv eller kapacitiv belastning måste vi använda någon form av skydd för att förhindra att MOSFET:n skadas. Om vi till exempel använder en kapacitiv belastning utan elektrisk laddning betraktas den som en kortslutning, vilket kommer att resultera i en hög ”inrush”-ström, och när den applicerade spänningen avlägsnas från en induktiv belastning kommer en stor mängd omvänd spänning att byggas upp i kretsen när magnetfältet kollapsar, vilket kommer att leda till en inducerad motspänning i induktorns lindning.
Klassificering av MOSFET
MOSFET:n klassificeras i två typer baserat på driftstypen, nämligen Enhancement mode MOSFET (E-MOSFET) och Depletion mode MOSFET (D-MOSFET), dessa MOSFET:er klassificeras vidare baserat på det material som används för konstruktionen som n-kanal och p-kanal. Så i allmänhet finns det 4 olika typer av MOSFETs
- N-kanals MOSFET
- P-kanals MOSFET
- N-kanals MOSFET
- P-kanals MOSFET
- P-kanals MOSFET
N-kanals MOSFETs kallas NMOS och de representeras av följande symboler.
Enligt den interna konstruktionen av en MOSFET är gate (G), drain (D) och source (S) stiften fysiskt anslutna i en MOSFET i uttömningsläge, medan de är fysiskt åtskilda i förbättringsläge, detta är anledningen till att symbolen verkar bruten för en MOSFET i förbättringsläge. P-kanaliga MOSFET:er kallas PMOS och representeras av följande symboler.
Av de tillgängliga typerna är N-kanaliga Enhancement MOSFET:er den mest använda MOSFET:en. Men för kunskapens skull ska vi försöka sätta oss in i skillnaden. Den viktigaste skillnaden mellan N-kanals MOSFET och P-kanals MOSFET är att i en N-kanal förblir MOSFET-omkopplaren öppen tills en grindspänning tillhandahålls. När gate-stiftet får spänning stängs brytaren (mellan Drain och Source) och i en P-kanalig MOSFET förblir brytaren stängd tills en gate-spänning tillhandahålls.
Samma är den huvudsakliga skillnaden mellan Enhancement Mode och Depletion Mode MOSFET att Gate-spänningen som appliceras på E-MOSFET alltid ska vara positiv och att den har en tröskelspänning ovanför vilken den slår på helt och hållet. För en D-MOSFET kan grindspänningen antingen vara positiv eller negativ och den slår aldrig på helt. Observera också att en D-MOSFET kan arbeta i förstärknings- och utarmningsläge, medan en E-MOSFET endast kan arbeta i förstärkningsläge.
Byggnad av MOSFET
Den nedanstående bilden visar den typiska inre strukturen hos en MOSFET. Även om MOSFET är en avancerad form av FET och fungerar med samma tre terminaler som en FET är MOSFET:s inre struktur verkligen annorlunda än den allmänna FET:n.
Om man tittar på strukturen kan man se att grindterminalen är fixerad på det tunna metallskiktet som är isolerat av ett skikt kiseldioxid (SiO2) från halvledaren, och man kommer att kunna se två halvledare av N-typ fixerade i kanalområdet där drän- och källterminalerna är placerade. Kanalen mellan MOSFET:s dränering och källa är av N-typ, medan substratet är av P-typ. Detta bidrar till att MOSFET kan polariseras i båda polariteterna, antingen positiv eller negativ. Om MOSFET:s grindterminal inte är polariserad kommer den att förbli i det icke-ledande tillståndet, och därför används MOSFET oftast vid utformning av switchar och logiska grindar.
MOSFET:s arbetsprincip
I allmänhet fungerar MOSFET:n som en brytare, MOSFET:n kontrollerar spännings- och strömflödet mellan källan och dränet. MOSFET:s funktion beror på MOS-kondensatorn, som är halvledarytan under oxidskikten mellan käll- och dränterminalen. Den kan inverteras från p-typ till n-typ helt enkelt genom att applicera positiv eller negativ spänning vid grinden. Nedanstående bild visar blockdiagrammet för MOSFET.
När en dräneringskällspänning (VDS) är ansluten mellan dränering och källa, läggs en positiv spänning till dräneringen och den negativa spänningen till källan. Här är PN-övergången vid dräneringen omvänt förspänd och PN-övergången vid källan är framåtförspänd. I detta skede kommer det inte att finnas något strömflöde mellan drain och källa.
Om vi applicerar en positiv spänning (VGG) på grindterminalen kommer minoritetsladdningsbärarna (elektroner) i P-substratet på grund av elektrostatisk attraktion att börja ackumuleras på grindkontakten som bildar en ledande bro mellan de två n+-områdena. Antalet fria elektroner som ackumuleras vid grindkontakten beror på hur stark den positiva spänningen är. Ju högre den applicerade spänningen är, desto större blir bredden på den n-kanal som bildas på grund av elektronackumulationen, vilket så småningom ökar ledningsförmågan och dräneringsströmmen (ID) kommer att börja flöda mellan källan och dräneringen.
När det inte finns någon spänning applicerad på gate-terminalen kommer det inte att finnas något strömflöde bortsett från en liten mängd ström på grund av minoritetsladdningsbärare. Den lägsta spänning vid vilken MOSFET:n börjar leda kallas tröskelspänning.
Drift av MOSFET i uttömningsläge:
MOSFETs i utarmningsläge brukar kallas ”Switched ON”-enheter eftersom de i allmänhet är stängda när det inte finns någon förspänning vid grindterminalen. När vi ökar den applicerade spänningen till grinden i positiv riktning kommer kanalbredden att öka i utarmningsläget. Detta kommer att öka dräneringsströmmen ID genom kanalen. Om den applicerade grindspänningen är starkt negativ kommer kanalbredden att bli mindre och MOSFET:n kan komma att gå in i cutoff-regionen.
VI-egenskaper:
V-I-egenskaperna för MOSFET-transistorn i uttömningsläge ritas mellan dräneringskällspänningen (VDS) och dräneringsströmmen (ID). Den lilla spänningen vid grindterminalen styr strömflödet genom kanalen. Den kanal som bildas mellan drain och källa kommer att fungera som en god ledare med noll förspänning vid grindterminalen. Kanalbredden och dränströmmen kommer att öka om den positiva spänningen appliceras på grinden medan de kommer att minska när vi applicerar en negativ spänning på grinden.
Drift av MOSFET i förbättringsläget:
Driften av MOSFET i förbättringsläget liknar driften av en öppen brytare, den kommer att börja leda endast om den positiva spänningen (+VGS) appliceras på grindterminalen och dränströmmen börjar flöda genom enheten. Kanalbredden och dränströmmen ökar när förspänningen ökar. Men om den tillämpade förspänningen är noll eller negativ kommer transistorn själv att förbli i det avstängda tillståndet.
VI-karaktäristik:
VI-karaktäristik för MOSFET i förstärkningsläge ritas mellan dränströmmen (ID) och spänningen mellan drän och källa (VDS). VI-egenskaperna delas in i tre olika områden, nämligen ohmsk, mättnads- och avgränsningsområden. Avstängningsområdet är det område där MOSFET:n kommer att befinna sig i det avstängda tillståndet där den applicerade förspänningen är noll. När förspänningen läggs på rör sig MOSFET:n långsamt mot ledningsläge, och den långsamma ökningen av ledningsförmågan sker i det ohmska området. Slutligen är mättnadsregionen där den positiva spänningen appliceras konstant och MOSFET kommer att stanna i ledningstillstånd.
Packningar av MOSFET
MOSFETs finns i olika förpackningar, storlekar och namn för att kunna användas i olika typer av tillämpningar. I allmänhet levereras MOSFETs i 4 olika förpackningar, nämligen ytmontering, Thru-Hole, PQFN och DirectFET
MOSFETs finns med olika namn i varje typ av förpackningar enligt följande:
Oppvärmningsmontering:
Tomthål: 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, etc.
DirectFET : DirectFET M4, DirectFET MA, DirectFET MD, DirectFET ME, DirectFET S1, DirectFET SH, etc.