הסבר מפורט של תרשים עקרונות העבודה של MOSFET | ניתוח המבנה הפנימי של FET

MOSFET הוא אחד הרכיבים הבסיסיים ביותר בתעשיית המוליכים למחצה. במעגלים אלקטרוניים, MOSFET משמש בדרך כלל במעגלי מגבר הספק או מיתוג מעגלי אספקת חשמל ונמצא בשימוש נרחב. לְהַלָן,OLUKEYייתן לך הסבר מפורט על עקרון העבודה של MOSFET וינתח את המבנה הפנימי של MOSFET.

מה זהMOSFET

MOSFET, טרנזיסטור אפקט מוליך למחצה מתכתי (MOSFET). זהו טרנזיסטור אפקט שדה שניתן לשימוש נרחב במעגלים אנלוגיים ומעגלים דיגיטליים. על פי הפרש הקוטביות של ה"ערוץ" שלו (נשא עובד), ניתן לחלק אותו לשני סוגים: "סוג N" ו-"P-type", הנקראים לרוב NMOS ו-PMOS.

עקרון העבודה של MOSFET

ניתן לחלק את MOSFET לסוג שיפור וסוג דלדול בהתאם למצב העבודה. סוג ההשבחה מתייחס ל-MOSFET כאשר לא מופעל מתח הטיה ואין קונסולערוץ דוקטיבי. סוג הדלדול מתייחס ל-MOSFET כאשר לא מופעל מתח הטיה. יופיע ערוץ מוליך.

ביישומים בפועל, יש רק MOSFET מסוג N-channel ושיפור מסוג P-channel. מכיוון של-NMOSFETs יש עמידות קטנה במצב וקל לייצור, NMOS נפוץ יותר מ-PMOS ביישומים בפועל.

מצב שיפור MOSFET

ישנם שני חיבורי PN גב אל גב בין הניקוז D למקור S של MOSFET במצב שיפור. כאשר מתח מקור השער VGS=0, גם אם מתח מקור הניקוז VDS מתווסף, תמיד יש צומת PN במצב מוטה הפוכה, ואין ערוץ מוליך בין הניקוז למקור (לא זורם זרם ). לכן, זרם הניקוז ID=0 בשלב זה.

בשלב זה, אם מתווסף מתח קדימה בין השער למקור. כלומר, VGS>0, אז יווצר שדה חשמלי עם השער מיושר עם מצע הסיליקון מסוג P בשכבת הבידוד SiO2 בין אלקטרודת השער למצע הסיליקון. מכיוון ששכבת התחמוצת מבודדת, המתח VGS המופעל על השער אינו יכול לייצר זרם. נוצר קבל משני צידי שכבת התחמוצת, והמעגל המקביל של VGS מטעין את הקבל (הקבל) הזה. וליצור שדה חשמלי, כאשר VGS עולה לאט, נמשך על ידי המתח החיובי של השער. מספר רב של אלקטרונים מצטבר בצד השני של קבל (קבל) זה ויוצרים תעלה מוליכה מסוג N מניקוז למקור. כאשר VGS חורג ממתח ההדלקה VT של הצינור (בדרך כלל בערך 2V), הצינור N-channel פשוט מתחיל להתנהל, ויוצר מזהה זרם ניקוז. אנו קוראים למתח מקור השער כאשר הערוץ מתחיל לראשונה ליצור את מתח ההדלקה. מתבטא בדרך כלל כ-VT.

שליטה בגודל מתח השער VGS משנה את החוזק או החולשה של השדה החשמלי, וניתן להשיג את ההשפעה של שליטה בגודל מזהה זרם הניקוז. זוהי גם תכונה חשובה של MOSFETs המשתמשים בשדות חשמליים כדי לשלוט בזרם, ולכן הם נקראים גם טרנזיסטורי אפקט שדה.

מבנה פנימי של MOSFET

על מצע סיליקון מסוג P עם ריכוז זיהומים נמוך, נוצרים שני אזורי N+ עם ריכוז זיהומים גבוה, ושתי אלקטרודות נשלפות מאלומיניום מתכתי כדי לשמש כנקז d והמקור s בהתאמה. לאחר מכן מכוסה משטח המוליך למחצה בשכבת בידוד סיליקון דו חמצני דקה במיוחד (SiO2), ואלקטרודת אלומיניום מותקנת על שכבת הבידוד בין הניקוז למקור שתשמש כשער g. אלקטרודה B נמשכת גם על המצע, ויוצרת MOSFET במצב שיפור N-channel. הדבר נכון לגבי היווצרות פנימית של MOSFETs מסוג שיפור ערוץ P.

סמלי מעגל MOSFET N-ערוץ ו-P-channel MOSFET

התמונה למעלה מציגה את סמל המעגל של MOSFET. בתמונה, D הוא הניקוז, S הוא המקור, G הוא השער, והחץ באמצע מייצג את המצע. אם החץ מצביע פנימה, הוא מציין MOSFET N-channel, ואם החץ מצביע כלפי חוץ, הוא מציין MOSFET של ערוץ P.

סמלים של MOSFET כפול N-ערוץ, MOSFET כפול ערוץ P ו-N+P-ערוץ MOSFET

למעשה, במהלך תהליך הייצור של MOSFET, המצע מחובר למקור לפני היציאה מהמפעל. לכן, בכללי הסמליות, יש לחבר גם את סמל החץ המייצג את המצע למקור כדי להבחין בין הניקוז למקור. הקוטביות של המתח המשמש את MOSFET דומה לטרנזיסטור המסורתי שלנו. ערוץ N דומה לטרנזיסטור NPN. הניקוז D מחובר לאלקטרודה החיובית והמקור S מחובר לאלקטרודה השלילית. כאשר לשער G יש מתח חיובי, נוצרת ערוץ מוליך וה-MOSFET בערוץ N מתחיל לעבוד. באופן דומה, ערוץ P דומה לטרנזיסטור PNP. הניקוז D מחובר לאלקטרודה השלילית, המקור S מחובר לאלקטרודה החיובית, וכאשר לשער G יש מתח שלילי, נוצרת תעלה מוליכה וה-P-channel MOSFET מתחיל לעבוד.

עקרון אובדן מיתוג MOSFET

בין אם זה NMOS או PMOS, נוצרת התנגדות פנימית הולכה לאחר הפעלתו, כך שהזרם יצרוך אנרגיה על ההתנגדות הפנימית הזו. חלק זה של האנרגיה הנצרכת נקרא צריכת הולכה. בחירת MOSFET עם התנגדות פנימית הולכה קטנה תפחית ביעילות את צריכת ההולכה. ההתנגדות הפנימית הנוכחית של MOSFETs בהספק נמוך היא בדרך כלל בסביבות עשרות מיליאוהם, ויש גם כמה מיליאוהם.

כאשר MOS מופעל ומסתיים, אסור לממש אותו ברגע. המתח משני צידי ה-MOS יהיה ירידה אפקטיבית, והזרם שזורם דרכו תהיה עלייה. במהלך תקופה זו, אובדן ה-MOSFET הוא התוצר של המתח והזרם, שהוא אובדן המיתוג. באופן כללי, הפסדי המיתוג גדולים בהרבה מהפסדי ההולכה, וככל שתדירות המיתוג מהירה יותר, כך ההפסדים גדולים יותר.

התוצר של מתח וזרם ברגע ההולכה הוא גדול מאוד, וכתוצאה מכך הפסדים גדולים מאוד. ניתן לצמצם את הפסדי המיתוג בשתי דרכים. האחת היא להפחית את זמן ההחלפה, מה שיכול למעשה להפחית את ההפסד במהלך כל הפעלה; השני הוא להפחית את תדירות המיתוג, מה שיכול להפחית את מספר המתגים ליחידת זמן.

האמור לעיל הוא הסבר מפורט של תרשים עקרונות העבודה של MOSFET וניתוח המבנה הפנימי של MOSFET. כדי ללמוד עוד על MOSFET, מוזמן להתייעץ עם OLUKEY כדי לספק לך תמיכה טכנית של MOSFET!