איך MOSFETs עובדים

עקרון העבודה של MOSFET מבוסס בעיקר על המאפיינים המבניים הייחודיים שלו והשפעות השדה החשמלי שלו. להלן הסבר מפורט כיצד פועלים מכשירי MOSFET:

 

I. מבנה בסיסי של MOSFET

MOSFET מורכב בעיקר משער (G), מקור (S), ניקוז (D) ומצע (B, לפעמים מחובר למקור ליצירת התקן שלושה טרמינלים). ב-MOSFETs לשיפור ערוץ N, המצע הוא בדרך כלל חומר סיליקון מסוג P בעל סימום נמוך שעליו מיוצרים שני אזורים מסוג N מסוממים במיוחד כדי לשמש כמקור וניקוז, בהתאמה. פני השטח של המצע מסוג P מכוסים בסרט תחמוצת דק מאוד (סיליקון דו חמצני) כשכבה מבודדת, ואלקטרודה נמשכת בתור השער. מבנה זה הופך את השער למבודד ממצע המוליך למחצה מסוג P, הניקוז והמקור, ולכן נקרא גם צינור אפקט שדה מבודד-שער.

II. עקרון הפעולה

MOSFETs פועלים על ידי שימוש במתח מקור השער (VGS) כדי לשלוט בזרם הניקוז (ID). באופן ספציפי, כאשר מתח מקור השער החיובי המופעל, VGS, גדול מאפס, יופיע שדה חשמלי חיובי ותחתון שלילי עליון בשכבת התחמוצת שמתחת לשער. שדה חשמלי זה מושך אלקטרונים חופשיים באזור ה-P, וגורם להם להצטבר מתחת לשכבת התחמוצת, תוך דחיית חורים באזור ה-P. ככל ש-VGS עולה, עוצמת השדה החשמלי עולה וריכוז האלקטרונים החופשיים הנמשכים עולה. כאשר VGS מגיע למתח סף מסוים (VT), ריכוז האלקטרונים החופשיים הנאספים באזור גדול מספיק כדי ליצור אזור חדש מסוג N (N-channel), שמתנהג כמו גשר המחבר בין הניקוז למקור. בשלב זה, אם קיים מתח נהיגה מסוים (VDS) בין הניקוז למקור, מזהה זרם הניקוז מתחיל לזרום.

III. גיבוש ושינוי ערוץ ניהול

היווצרות הערוץ המוליך הוא המפתח לפעולת ה-MOSFET. כאשר VGS גדול מ-VT, ערוץ המוליך נוצר ומזהה זרם הניקוז מושפע הן מ-VGS והן מ-VDS.VGS משפיע על זיהוי על ידי שליטה ברוחב ובצורה של הערוץ המוליך, בעוד ש-VDS משפיע על זיהוי ישירות כמתח ההנעה. חשוב לציין שאם הערוץ המוליך אינו מבוסס (כלומר, VGS הוא פחות מ-VT), אז גם אם VDS קיים, מזהה זרם הניקוז לא מופיע.

IV. מאפיינים של MOSFETs

עכבת כניסה גבוהה:עכבת הכניסה של ה-MOSFET גבוהה מאוד, קרובה לאינסוף, מכיוון שישנה שכבת בידוד בין השער לאזור ה-source-drain ורק זרם שער חלש.

עכבת פלט נמוכה:MOSFETs הם מכשירים מבוקרי מתח שבהם זרם המקור-ניקוז יכול להשתנות עם מתח הכניסה, ולכן עכבת המוצא שלהם קטנה.

זרימה מתמדת:כאשר פועלים באזור הרוויה, הזרם של ה-MOSFET כמעט ואינו מושפע משינויים במתח המקור-ניקוז, המספק זרם קבוע מעולה.

 

יציבות טמפרטורה טובה:ל-MOSFETs יש טווח טמפרטורות הפעלה רחב מ-55°C עד כ-150°C+.

V. יישומים וסיווגים

MOSFETs נמצאים בשימוש נרחב במעגלים דיגיטליים, מעגלים אנלוגיים, מעגלי חשמל ותחומים אחרים. על פי סוג הפעולה, ניתן לסווג רכיבי MOSFET לסוגי שיפור ודלדול; לפי סוג הערוץ המוליך, ניתן לסווג אותם לערוץ N וערוץ P. לסוגים שונים אלה של MOSFETs יש יתרונות משלהם בתרחישי יישומים שונים.

לסיכום, עקרון העבודה של MOSFET הוא לשלוט על היווצרות ושינוי של הערוץ המוליך דרך מתח מקור השער, אשר בתורו שולט בזרימת זרם הניקוז. עכבת הכניסה הגבוהה שלו, עכבת המוצא הנמוכה, הזרם הקבוע והיציבות הטמפרטורה הופכים את ה-MOSFET למרכיב חשוב במעגלים אלקטרוניים.