Έλεγχος τάσης και ροή ρεύματος σε τρανζίστορ MOSFET

Ένα MOSFET (τρανζίστορ πεδίου-αποτελέσματος πεδίου με μεταλλικό οξείδιο) είναι ένα βασικό συστατικό στα σύγχρονα ηλεκτρονικά συστήματα, γνωστά για τις αποτελεσματικές δυνατότητες μεταγωγής και ενίσχυσης.Χτισμένο σε υπόστρωμα πυριτίου, διαθέτει τρεις ακροδέκτες - πηγή, αποστράγγιση και πύλη που περιορίζει τον ακριβή έλεγχο του ρεύματος μέσω της ρύθμισης τάσης.Αυτό το άρθρο διερευνά την εσωτερική δομή, τους λειτουργικούς τρόπους, τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά και τις λειτουργικές περιοχές των MOSFETs, παράλληλα με τους ρόλους τους σε αναλογικά κυκλώματα, προσφέροντας μηχανικούς λεπτομερείς πληροφορίες για το σχεδιασμό, τον έλεγχο και την εφαρμογή των τεχνολογιών που βασίζονται σε MOSFET.

Κατάλογος

Η δομή των συσκευών MOSFET

Ένα MOSFET, που αναγνωρίζεται ως παραλλαγή του τρανζίστορ πεδίου-αποτελέσματος (FET), παρουσιάζει γενικά ορθογώνια μορφή και κατασκευάζεται σε βάση ημιαγωγών, που κατασκευάζεται κυρίως από πυρίτιο.

Η ανατομία ενός MOSFET με στρώμα οξειδίου του πυριτίου

Εξερευνήστε το σχήμα παραπάνω.Θα παρατηρήσετε ότι ένα MOSFET περιλαμβάνει τρεις κρίσιμες συσκευές τερματικών: τις πηγές (-ες), την αποστράγγιση (d) και την πύλη (g).

Ο ρόλος των τερματικών στο MOSFET

Αυτά τα τερματικά είναι αναπόσπαστα στο υπόστρωμα του MOSFET.Ενεργώντας ως βάση, το υπόστρωμα διευκολύνει το κανάλι που επιτρέπει τη ροή του ρεύματος στο τρανζίστορ.Αυτή η δυναμική οφείλει την προέλευσή της στους ακροδέκτες πηγής και αποστράγγισης, βασικό στη σκηνοθεσία των φορέων φορτίου, ενσωματώνοντας τη ροή του ρεύματος.

Ο νόμος του Ohm σε δράση

Αυτή η λειτουργία καθοδηγείται από το νόμο του Ohm, ο οποίος αρθρώνει τη συσχέτιση μεταξύ της τρέχουσας διασκέδασης ενός αγωγού και της δυναμικής διαφοράς σε όλα τα τερματικά του, υπό σταθερή θερμοκρασία και φυσικές συνθήκες.

Κίνηση ηλεκτρονίων και ρεύματος

Όταν εισάγεται τάση, τα ηλεκτρόνια και η τρέχουσα πρόοδο από την πηγή στην αποστράγγιση εντός του MOSFET.Σύμφωνα με τον νόμο του Ohm: V = IR -WHERE V σημαίνει την εφαρμοζόμενη τάση και το I αντιπροσωπεύει το τρέχον που ταξιδεύει μέσω του MOSFET.Κατά συνέπεια, η αυξημένη τάση έχει ως αποτέλεσμα το αυξημένο ρεύμα.

Μηχανισμός ελέγχου της πύλης

Το στοιχείο πύλης του MOSFET ασκεί τον έλεγχο της τρέχουσας ροής που εκτείνεται από την πηγή στην αποχέτευση.

Παραλλαγές των MOSFET

Το MOSFET βρίσκει την ύπαρξή του σε δύο ξεχωριστές μορφές:

- Λειτουργία εξάντλησης MOSFET

- Λειτουργία βελτίωσης MOSFET

Λειτουργία εξάντλησης MOSFET

Τα MOSFET με εξάντληση μπορούν να κατηγοριοποιηθούν περαιτέρω σε:

- Εξάντληση N-Channel MOSFET

- Εξάντληση του καναλιού P

Διερεύνηση του μοντέλου N-Channel, αποκαλύπτουμε ένα κανάλι υλικού τύπου Ν που εγκλείζεται μέσα σε ένα υπόστρωμα τύπου Ρ.Το N-Channel φιλοξενεί συνδέσεις με την αποχέτευση και την πηγή, ενώ η πύλη παραμένει απομονωμένη λόγω ενός φράγματος SiO2.

Η εφαρμογή μιας θετικής τάσης (VGS) ξυπνά την τάση κατωφλίου (VT), επιτρέποντας σε ένα ρεύμα να διασχίζει από την πηγή στην αποστράγγιση.Αυτή η ροή ενεργοποίησης συνεχίζεται μέχρι να ολοκληρωθούν όλοι οι ελεύθεροι μεταφορείς στην πηγή στο χορό ηλεκτρονίων, με αποτέλεσμα ένα σταθεροποιημένο ρεύμα.Η περίεργη φύση του συμβατικού ρεύματος αντιτίθεται σε αυτόν τον χορό.

Αντιστρόφως, η εισαγωγή μιας αρνητικής τάσης οδηγεί ηλεκτρόνια από το υπόστρωμα της πύλης, προσελκύοντας οπές υποστρώματος προς αυτά.Μια εντατική αρνητική τάση εξαντλεί το Ν-καναλιό των ελεύθερων ηλεκτρονίων, μειώνοντας τη ροή του ρεύματος μέσω της.

Η εξάντληση του καναλιού P-Channel MOSFET είναι το αντίθετο του Ν-καναλιού.Σε αυτή την περίπτωση, το MOSFET αποτελείται από υλικό ημιαγωγού P-Channel και το υπόστρωμα είναι N-Type.

Απέναντι από τη διαμόρφωση, η εξάντληση του καναλιού P-Channel MOSFET ενσωματώνει ένα κανάλι τύπου Ρ με υπόστρωμα τύπου Ν.Με θετική τάση (VGS), οι οπές μεταναστεύουν προς το υπόστρωμα τύπου Ν, καθώς τα ηλεκτρόνια συγκλίνουν στο ρεύμα P-Channel, μειώνοντας το ρεύμα.Αντίθετα, η αρνητική τάση αντλεί οπές και ρεύμα με θλίψη προς το αρνητικό τερματικό του MOSFET.

Λειτουργία βελτίωσης MOSFET

Αυτό το μοντέλο αντικατοπτρίζει τη διπλή κατηγοριοποίηση της λειτουργίας εξάντλησης:

- Ενίσχυση του καναλιού N MOSFET

- Ενίσχυση του καναλιού P MOSFET

Παρουσιάζεται στο σχέδιο N-Channel είναι ένα υπόστρωμα τύπου Ρ που πλαισιώνει το N-Channel στην αποχέτευση και την πηγή.Το τρέχον ψέμα είναι αδρανές σε VGS = 0;Ωστόσο, η εφαρμογή μιας θετικής τάσης την ανακατεύει στη ζωή.Τα ηλεκτρόνια επιθυμούν τον ακροδέκτη της πύλης, πιέζοντας τρύπες στο υπόστρωμα.Η κλιμάκωση των VGs προτρέπει την έναρξη των συνθηκών pinch-off, που χαρακτηρίζονται από ένα κορεσμένο ρεύμα αποστράγγισης και την εμφάνιση τάσης κορεσμού (VDS).

Σε αντίθεση με το αντίστοιχο N-Channel, η ενίσχυση του καναλιού P-Channel MOSFET απαιτεί αρνητικό VGS για το σχηματισμό καναλιών.Εδώ, το pinch-off μεταφέρεται όταν η σχέση μεγέθους | VDS |= | VGS |-| VT |συναντάται.

Η διάκριση μεταξύ της εξάντλησης και της ενίσχυσης των MOSFET βασίζεται στο γεγονός ότι, στο VGS = 0, μόνο η εξάντληση των MOSFET διεξάγουν ρεύμα.

Ενδιαφέρουσα χαρακτηριστικά των mosfets

Τα MOSFETs διαθέτουν αρκετά ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά:

- Αυτές οι συσκευές είναι διακοσμημένες με τάση, μετατρέποντας τα λεπτές ηλεκτρικά σήματα με ακρίβεια.

- παρουσιάζουν υψηλή αντίσταση εισροών, επιτρέποντας την ευαίσθητη ανίχνευση των αλλαγών εισροών.

- Τα MOSFETs χαρακτηρίζονται από την μονοπολικότητά τους, χειριζόμενοι φορείς φορτίου ενός μόνο τύπου.

- Με τρία τερματικά, προσφέρουν ευέλικτες επιλογές συνδεσιμότητας για διάφορα σχέδια κυκλώματος.

Δυναμική μεταφοράς MOSFET

Αυτό το δυναμικό γράφημα εμφανίζει τον τρόπο με τον οποίο το VDS ποικίλλει ως απόκριση στις αλλαγές στο ρεύμα αποστράγγισης (ID) και στην τάση της πηγής πύλης (VGS).

Ειδικά, το παρακάτω γράφημα απεικονίζει τη δυναμική μεταφοράς τόσο για τους τρόπους εξάντλησης όσο και για τη βελτίωση:

Η καμπύλη ανεβαίνει, αποκαλύπτοντας περιοχές που επηρεάζονται από VGS.Ένα θετικό VGS σας τοποθετεί στον τομέα της βελτίωσης, ενώ τα αρνητικά VGs σας μεταφέρουν σε εξάντληση.

Η αλληλεπίδραση μεταξύ του ρεύματος αποστράγγισης και του VGS οριοθετείται ως εξής:

- , όπου VP αντιπροσωπεύει την τάση pinch-off.

- Εναλλακτικά, , όπου το "k" υποδηλώνει τη συσκευή σταθερή.

Αρχές λειτουργίας MOSFET

Το MOSFET λειτουργεί σε τρεις ξεχωριστές περιοχές, καθένα από τα οποία εξυπηρετεί μια μοναδική λειτουργία στη συμπεριφορά του:

- Οχμική περιοχή

- Περιοχή κορεσμού

- Περιοχή αποκοπής

Ωμική περιοχή

Συνήθως αναφέρεται ως γραμμική περιοχή, αυτή η φάση χαρακτηρίζεται από την οικεία σχέση μεταξύ της τάσης της πηγής αποστράγγισης και του ρεύματος αποστράγγισης, γεγονός που υποδηλώνει μια μοναδική συνέργεια.Καθώς η τάση πύλης-πηγής (VGS) κυμαίνεται, διεγείρει έμμεσα τις αλλαγές στο ρεύμα αποστράγγισης (ID), αντανακλώντας τη συμπεριφορά που μοιάζει με αντίσταση του MOSFET.

Μαθηματικά, αυτός ο περίπλοκος χορός συλλαμβάνεται ως:

Περιοχή κορεσμού

Γνωστή σε ορισμένους κύκλους ως ενεργή περιοχή, εδώ, η γοητεία του MOSFET είναι η ικανότητά του να σταθεροποιεί το ρεύμα.Μόλις η τάση της πηγής αποστράγγισης (VDS) ξεπεράσει το κατώφλι του pinch-off (VP), το ρεύμα παρουσιάζει μια ήρεμη σταθερότητα.

Η συμπεριφορά αυτής της περιοχής μπορεί να εκφραστεί κομψά ως:

Περιοχή αποκοπής

Στη ζώνη αποκοπής, το MOSFET αγκαλιάζει τη μοναξιά, ενεργώντας ως ανοιχτό κύκλωμα χωρίς ροή ρεύματος.Εδώ, είναι ένας θεατής, που κατοικεί στην κατάσταση pinch-off και επιτρέποντας την ηρεμία να επικρατήσει πάνω από το κανάλι του.

Πηγή εικόνας: Πρακτικό-Buddy

Ο ρόλος του MOSFET σε αναλογικά ολοκληρωμένα κυκλώματα

Το MOSFET χρησιμεύει ως βασικό συστατικό εντός των αναλογικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, συμβάλλοντας σε διάφορες λειτουργίες που καλύπτουν τις ανθρώπινες ανάγκες και τις επιθυμίες όπως η σταθερότητα, η αποτελεσματικότητα και η δημιουργικότητα.Περιλαμβάνει τις ακόλουθες εφαρμογές:

- Διευκόλυνση του σχεδιασμού αναλογικών ενισχυτών

- Ενεργοποίηση της μεταγωγής της τάσης εξόδου

- Διαμόρφωση λειτουργικών ενισχυτών

- Διαμόρφωση της απόδοσης του κινητήρα DC

- Ερμηνεία και επεξεργασία αναλογικών σημάτων

- Ανάπτυξη ταλαντωτών σε αναλογικά πλαίσια

- Εποπτεία των διαδικασιών φόρτισης και εκφόρτισης των πυκνωτών