מדוע מבוקרים מתח של MOSFET?

MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) נקראים התקנים נשלטי מתח בעיקר בגלל שעיקרון הפעולה שלהם מסתמך בעיקר על השליטה במתח השער (Vgs) על זרם הניקוז (Id), במקום להסתמך על הזרם כדי לשלוט בו, שכן זה המקרה עם טרנזיסטורים דו-קוטביים (כגון BJTs). להלן הסבר מפורט של ה-MOSFET כהתקן מבוקר מתח:

עקרון עבודה

בקרת מתח שער:ליבו של MOSFET נמצא במבנה שבין השער, המקור והניקוז שלו, ושכבת בידוד (בדרך כלל סיליקון דו חמצני) מתחת לשער. כאשר מתח מופעל על השער, נוצר שדה חשמלי מתחת לשכבת הבידוד, ושדה זה משנה את המוליכות של האזור בין המקור לניקוז.

גיבוש ערוץ מוליך:עבור MOSFETs עם ערוצי N, כאשר מתח השער Vgs גבוה מספיק (מעל ערך ספציפי הנקרא מתח הסף Vt), אלקטרונים במצע מסוג P מתחת לשער נמשכים אל הצד התחתון של שכבת הבידוד, ויוצרים N- סוג תעלה מוליכה המאפשרת מוליכות בין המקור לניקוז. לעומת זאת, אם Vgs נמוך מ-Vt, הערוץ המוליך לא נוצר וה-MOSFET נמצא בניתוק.

בקרת זרם ניקוז:גודל זרם הניקוז Id נשלט בעיקר על ידי מתח השער Vgs. ככל שה-Vgs גבוה יותר, כך נוצרת התעלה המוליכה רחבה יותר, ו-ID זרם הניקוז גדול יותר. קשר זה מאפשר ל-MOSFET לפעול כהתקן זרם מבוקר מתח.

יתרונות אפיון פיזו

עכבת כניסה גבוהה:עכבת הכניסה של ה-MOSFET גבוהה מאוד בגלל הבידוד של השער ואזור ה-source-drain על ידי שכבת בידוד, וזרם השער הוא כמעט אפס, מה שהופך אותו לשימושי במעגלים שבהם נדרשת עכבת כניסה גבוהה.

רעש נמוך:MOSFETs מייצרים רעש נמוך יחסית במהלך הפעולה, בעיקר בשל עכבת הכניסה הגבוהה ומנגנון הולכת הנשא החד-קוטבי שלהם.

מהירות מיתוג מהירה:מכיוון שמכשירי MOSFET הם מכשירים נשלטי מתח, מהירות המיתוג שלהם היא בדרך כלל מהירה יותר מזו של טרנזיסטורים דו-קוטביים, אשר צריכים לעבור תהליך של אחסון ושחרור מטען במהלך המיתוג.

צריכת חשמל נמוכה:במצב מופעל, התנגדות מקור הניקוז (RDS(on)) של ה-MOSFET נמוכה יחסית, מה שעוזר להפחית את צריכת החשמל. כמו כן, במצב חיתוך, צריכת החשמל הסטטית נמוכה מאוד מכיוון שזרם השער כמעט אפסי.

לסיכום, MOSFETs נקראים התקנים מבוקרי מתח מכיוון שעקרון הפעולה שלהם מסתמך במידה רבה על בקרת זרם הניקוז על ידי מתח השער. מאפיין מבוקר מתח זה הופך את ה-MOSFET למבטיחים עבור מגוון רחב של יישומים במעגלים אלקטרוניים, במיוחד כאשר נדרשים עכבת כניסה גבוהה, רעש נמוך, מהירות מיתוג מהירה וצריכת חשמל נמוכה.