Spiegazione dettagliata del diagramma del principio di funzionamento del MOSFET | Analisi della struttura interna del FET

Il MOSFET è uno dei componenti più basilari nell'industria dei semiconduttori. Nei circuiti elettronici, il MOSFET è generalmente utilizzato nei circuiti dell'amplificatore di potenza o nei circuiti di alimentazione a commutazione ed è ampiamente utilizzato. Sotto,OLUKEYti fornirà una spiegazione dettagliata del principio di funzionamento del MOSFET e analizzerà la struttura interna del MOSFET.

Cosa èMOSFET

MOSFET, transistor a effetto archiviato a semiconduttore a ossido di metallo (MOSFET). È un transistor ad effetto di campo che può essere ampiamente utilizzato nei circuiti analogici e nei circuiti digitali. In base alla differenza di polarità del suo "canale" (portante funzionante), può essere diviso in due tipi: "tipo N" e "tipo P", che sono spesso chiamati NMOS e PMOS.

Principio di funzionamento del MOSFET

Il MOSFET può essere suddiviso in tipo di potenziamento e tipo di esaurimento in base alla modalità di lavoro. Il tipo di potenziamento si riferisce al MOSFET quando non viene applicata alcuna tensione di polarizzazione e non vi è alcun controllocanale deduttivo. Il tipo di svuotamento si riferisce al MOSFET quando non viene applicata alcuna tensione di polarizzazione. Apparirà un canale conduttivo.

Nelle applicazioni reali, esistono solo MOSFET di tipo con miglioramento del canale N e MOSFET di tipo con miglioramento del canale P. Poiché gli NMOSFET hanno una piccola resistenza nello stato attivo e sono facili da produrre, gli NMOS sono più comuni dei PMOS nelle applicazioni reali.

MOSFET in modalità potenziamento

Sono presenti due giunzioni PN consecutive tra il drain D e la source S del MOSFET in modalità potenziamento. Quando la tensione gate-source VGS=0, anche se viene aggiunta la tensione drain-source VDS, c'è sempre una giunzione PN in uno stato di polarizzazione inversa e non vi è alcun canale conduttivo tra drain e source (non scorre corrente ). Pertanto, l'ID corrente di drenaggio in questo momento è pari a 0.

In questo momento, se viene aggiunta una tensione diretta tra il gate e la sorgente. Cioè, VGS>0, verrà generato un campo elettrico con il gate allineato con il substrato di silicio di tipo P nello strato isolante SiO2 tra l'elettrodo di gate e il substrato di silicio. Poiché lo strato di ossido è isolante, la tensione VGS applicata al gate non può produrre corrente. Su entrambi i lati dello strato di ossido viene generato un condensatore e il circuito equivalente VGS carica questo condensatore (condensatore). E genera un campo elettrico, mentre VGS sale lentamente, attratto dalla tensione positiva del gate. Un gran numero di elettroni si accumula sull'altro lato di questo condensatore (condensatore) e crea un canale conduttivo di tipo N dallo scarico alla sorgente. Quando VGS supera la tensione di accensione VT del tubo (generalmente circa 2 V), il tubo a canale N inizia semplicemente a condurre, generando una corrente di drain ID. Chiamiamo tensione gate-source quando il canale inizia per la prima volta a generare la tensione di accensione. Generalmente espresso come VT.

Il controllo della dimensione della tensione di gate VGS modifica l'intensità o la debolezza del campo elettrico ed è possibile ottenere l'effetto di controllo della dimensione della corrente di drain ID. Questa è anche una caratteristica importante dei MOSFET che utilizzano campi elettrici per controllare la corrente, per questo sono anche chiamati transistor ad effetto di campo.

Struttura interna del MOSFET

Su un substrato di silicio di tipo P con una bassa concentrazione di impurità, vengono realizzate due regioni N+ con un'elevata concentrazione di impurità e due elettrodi vengono ricavati dall'alluminio metallico per fungere rispettivamente da drain d e da source s. Quindi la superficie del semiconduttore viene ricoperta con uno strato isolante estremamente sottile di biossido di silicio (SiO2) e un elettrodo di alluminio viene installato sullo strato isolante tra il drain e la source per fungere da gate g. Un elettrodo B viene anche estratto sul substrato, formando un MOSFET in modalità di potenziamento a canale N. Lo stesso vale per la formazione interna di MOSFET di tipo potenziamento del canale P.

Simboli circuitali del MOSFET a canale N e del MOSFET a canale P

L'immagine sopra mostra il simbolo del circuito del MOSFET. Nella figura, D è il drenaggio, S è la sorgente, G è il gate e la freccia al centro rappresenta il substrato. Se la freccia punta verso l'interno, indica un MOSFET a canale N, mentre se la freccia punta verso l'esterno indica un MOSFET a canale P.

Simboli del circuito MOSFET doppio canale N, MOSFET doppio canale P e MOSFET canale N+P

Infatti, durante il processo di produzione del MOSFET, il substrato viene collegato alla sorgente prima di lasciare la fabbrica. Pertanto, nelle regole della simbologia, il simbolo della freccia che rappresenta il substrato deve essere collegato anche alla sorgente per distinguere lo scarico e la sorgente. La polarità della tensione utilizzata dal MOSFET è simile al nostro transistor tradizionale. Il canale N è simile a un transistor NPN. Lo scarico D è collegato all'elettrodo positivo e la sorgente S è collegata all'elettrodo negativo. Quando il gate G ha una tensione positiva, si forma un canale conduttivo e il MOSFET a canale N inizia a funzionare. Allo stesso modo, il canale P è simile a un transistor PNP. Il drain D è collegato all'elettrodo negativo, la sorgente S è collegata all'elettrodo positivo e quando il gate G ha una tensione negativa, si forma un canale conduttivo e il MOSFET a canale P inizia a funzionare.

Principio della perdita di commutazione del MOSFET

Che si tratti di NMOS o PMOS, c'è una resistenza interna di conduzione generata dopo l'accensione, in modo che la corrente consumerà energia su questa resistenza interna. Questa parte dell'energia consumata è chiamata consumo di conduzione. La selezione di un MOSFET con una resistenza interna di conduzione ridotta ridurrà efficacemente il consumo di conduzione. L'attuale resistenza interna dei MOSFET a bassa potenza è generalmente di circa decine di milliohm, ma esistono anche diversi milliohm.

Quando il MOS viene acceso e terminato, non deve essere realizzato in un istante. La tensione su entrambi i lati del MOS subirà una diminuzione effettiva e la corrente che lo attraversa aumenterà. Durante questo periodo, la perdita del MOSFET è il prodotto della tensione e della corrente, ovvero la perdita di commutazione. In generale, le perdite di commutazione sono molto maggiori delle perdite di conduzione e quanto più veloce è la frequenza di commutazione, tanto maggiori sono le perdite.

Diagramma delle perdite di commutazione MOS

Il prodotto tra tensione e corrente al momento della conduzione è molto elevato, con conseguenti perdite molto elevate. Le perdite di commutazione possono essere ridotte in due modi. Uno è ridurre il tempo di commutazione, il che può ridurre efficacemente la perdita durante ogni accensione; l'altro è ridurre la frequenza di commutazione, il che può ridurre il numero di commutazioni per unità di tempo.

Quanto sopra è una spiegazione dettagliata del diagramma del principio di funzionamento del MOSFET e l'analisi della struttura interna del MOSFET. Per saperne di più su MOSFET, non esitare a consultare OLUKEY per fornirti il supporto tecnico MOSFET!