Als MOS -Lieferant wurde ich oft nach dem Betriebsprinzip eines MOSFET gefragt. Das Verständnis dafür ist für alle, die an der Elektronik beteiligt sind, egal ob Sie Ingenieur, Hobbyist oder jemand, der sich für die Technologie hinter modernen Geräten interessiert, interessiert. In diesem Blog -Beitrag werde ich mich mit den Details der Funktionsweise eines MOSFET, seiner Struktur und seiner Anwendungen befassen.
Struktur eines MOSFET
Ein MOSFET- oder Metalloxid-Sämiener-Feld-Effekt-Transistor ist eine Art Transistor, der ein elektrisches Feld zum Steuern des Stromflusses verwendet. Es besteht aus drei Hauptterminals: der Quelle (n), dem Abfluss (d) und dem Tor (g). Es gibt auch ein Substrat, das typischerweise ein Halbleitermaterial wie Silizium ist.
Die Grundstruktur eines MOSFET kann in zwei Arten unterteilt werden: N-Kanal und P-Kanal. In einem N-Kanal-MOSFET bestehen Quelle und Abfluss aus N-Typ-Halbleitermaterial, während das Substrat P-Typ ist. Umgekehrt sind in einem P-Kanal-MOSFET die Quelle und der Abfluss P-Typ, und das Substrat ist N-Typ.
Das Tor wird durch eine dünne Isolierschicht aus Oxid, normalerweise Siliziumdioxid, vom Substrat getrennt. Diese Isolierschicht gibt dem MOSFET seine hohe Eingangsimpedanz, was bedeutet, dass sie nur sehr wenig Strom aus dem Eingangssignal zeichnet.
Betriebsmodi
Ein MOSFET kann in zwei Hauptmodi betrieben werden: den Verbesserungsmodus und den Depletion -Modus.
Verbesserungsmodus
Im Verbesserungsmodus ist das MOSFET normalerweise ausgeschaltet, was bedeutet, dass zwischen der Quelle und dem Abfluss kein Strom fließt, wenn keine Spannung auf das Tor angelegt wird. Wenn eine positive Spannung (für ein N-Kanal-MOSFET) oder eine negative Spannung (für ein P-Kanal-MOSFET) auf das Gate aufgetragen wird, wird ein elektrisches Feld über die Isolierschicht erzeugt.
Dieses elektrische Feld zieht Ladungsträger (Elektronen in einem N-Kanal-MOSFET und Löcher in einem P-Kanal-MOSFET) zum Bereich unter dem Tor an und bildet einen leitenden Kanal zwischen der Quelle und dem Abfluss. Mit zunehmender Gate -Spannung steigt die Anzahl der Ladungsträger im Kanal, und die Leitfähigkeit des Kanals steigt auch, wodurch mehr Strom zwischen der Quelle und dem Abfluss fließen kann.
Depletion -Modus
Im Depletion -Modus ist das MOSFET normalerweise eingeschaltet, was bedeutet, dass zwischen der Quelle und dem Abfluss auch ein Strom fließt, selbst wenn keine Spannung auf das Tor angelegt wird. Wenn eine Spannung der entgegengesetzten Polarität auf das Tor angelegt wird, stellt das vom Gate -Spannung erzeugte Elektrofeld die Ladungsträger aus dem Kanal ab, wodurch die Leitfähigkeit des Kanals verringert und den Stromfluss zwischen der Quelle und dem Abfluss verringert wird.
Schaltvorgang
Eine der häufigsten Anwendungen eines MOSFET ist als Schalter. In einem Schaltkreis wird das MOSFET verwendet, um eine Last (z. B. eine Glühbirne oder einen Motor) ein- und auszuschalten.
Wenn das MOSFET als Schalter verwendet wird, arbeitet er entweder im Grenzbereich oder im Sättigungsbereich. Im Grenzbereich befindet sich die Gate -Spannung unter der Schwellenspannung, und das MOSFET ist ausgeschaltet, was bedeutet, dass zwischen der Quelle und dem Abfluss kein Strom fließt. Im Sättigungsbereich befindet sich die Gatespannung über der Schwellenspannung, und das MOSFET ist eingeschaltet, was bedeutet, dass zwischen der Quelle und dem Abfluss ein niedriger Widerstandsweg besteht, wodurch der Strom durch die Last fließen kann.
Der Vorteil der Verwendung eines MOSFET als Schalter ist die hohe Schaltgeschwindigkeit und ein geringer Stromverbrauch. MOSFets können sehr schnell ein- und ausschalten, was sie für hochfrequente Anwendungen geeignet ist. Darüber hinaus ziehen sie aufgrund ihrer hohen Eingangsimpedanz nur sehr geringe Strom aus dem Kontrollsignal, wodurch der Stromverbrauch verringert wird.
Verstärkungsvorgang
MOSFETs können auch als Verstärker verwendet werden. In einer Verstärkerschaltung wird das MOSFET verwendet, um ein kleines Eingangssignal für ein größeres Ausgangssignal zu verstärken.
Wenn ein kleines Eingangssignal auf das Tor des MOSFET angelegt wird, führt dies zu einer kleinen Änderung der Gate -Spannung. Diese Änderung der Gate -Spannung führt zu einer entsprechenden Änderung der Leitfähigkeit des Kanals, was wiederum zu einer Änderung des Stroms zwischen der Quelle und dem Abfluss führt. Das Ausgangssignal, das aus dem Abfluss entnommen wird, ist eine verstärkte Version des Eingangssignals.
Die Verstärkung eines MOSFET -Verstärkers wird durch die Transkonduktanz des MOSFET bestimmt, was ein Maß dafür ist, wie viel der Abflussstrom für eine gegebene Änderung der Gate -Spannung ändert.
Anwendungen
MOSFETs werden in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, darunter Netzteile, Motorsteuerung, Audioverstärker und digitale Schaltkreise.
In Netzteilen werden MOSFETs als Schalter verwendet, um den Stromfluss zur Last zu steuern. Sie können Hochspannungen und Ströme bewältigen, wodurch sie für Hochleistungsanwendungen geeignet sind.
Bei motorischer Steuerung werden MOSFETs verwendet, um die Geschwindigkeit und die Motorrichtung zu steuern. Durch das Einschalten der MOSFETs zu unterschiedlichen Zeiten kann der Strom, der durch den Motor fließt, gesteuert werden, sodass der Motor mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und in unterschiedliche Richtungen laufen kann.
Bei Audioverstärkern werden MOSFETs verwendet, um das Audiosignal zu verstärken. Sie können eine qualitativ hochwertige Verstärkung mit geringer Verzerrung anbieten, was sie für Audiosysteme mit hohem Fesselungssystem geeignet ist.
In digitalen Schaltkreisen werden MOSFETs als Logik -Tore verwendet, um digitale Operationen auszuführen. Sie können verwendet werden, um komplexe digitale Schaltkreise wie Mikroprozessoren und Speicherchips zu erstellen.
Abschluss
Zusammenfassend basiert das Betriebsprinzip eines MOSFET auf der Kontrolle der Leitfähigkeit eines Kanals zwischen der Quelle und dem Abfluss durch ein elektrisches Feld, das durch die Gate -Spannung erzeugt wurde. MOSFETs können entweder im Verbesserungsmodus oder im Depletion -Modus arbeiten und können als Schalter oder Verstärker in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden.
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Referenzen
- Streetman, BG & Banerjee, SK (2006). Solid State Electronic Devices. Prentice Hall.
- Sedra, AS & Smith, KC (2010). Mikroelektronische Schaltungen. Oxford University Press.
