Wat is een MOSFET: werken en zijn toepassingen

Wat is een MOSFET: werken en zijn toepassingen

De MOSFET-transistor (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) is een halfgeleiderapparaat dat veel wordt gebruikt voor schakeldoeleinden en voor de versterking van elektronische signalen in elektronische apparaten. Een MOSFET is een kern- of geïntegreerd circuit waarbij het is ontworpen en gefabriceerd in een enkele chip, omdat het apparaat in zeer kleine afmetingen verkrijgbaar is. De introductie van het MOSFET-apparaat heeft een verandering gebracht op het gebied van schakelen in elektronica ​Laten we beginnen met een gedetailleerde uitleg van dit concept.



Wat is MOSFET?

Een MOSFET is een apparaat met vier aansluitingen met source (S), gate (G), drain (D) en body (B) -aansluitingen. In het algemeen staat het lichaam van de MOSFET in verbinding met de source-aansluiting en vormt zo een apparaat met drie aansluitingen, zoals een veldeffecttransistor. MOSFET wordt algemeen beschouwd als een transistor en gebruikt in zowel de analoge als digitale schakelingen. Dit is de basis inleiding tot MOSFET ​En de algemene structuur van dit apparaat is als volgt:


MOSFET

MOSFET





Uit het bovenstaande MOSFET-structuur , de functionaliteit van MOSFET hangt af van de elektrische variaties die plaatsvinden in de kanaalbreedte samen met de stroom van dragers (gaten of elektronen). De ladingsdragers komen het kanaal binnen via de source-terminal en verlaten ze via de drain.

De breedte van het kanaal wordt geregeld door de spanning op een elektrode die de poort wordt genoemd en deze bevindt zich tussen de bron en de afvoer. Het is geïsoleerd van het kanaal nabij een extreem dunne laag metaaloxide. De MOS-capaciteit die in het apparaat aanwezig is, is het cruciale gedeelte waar de hele operatie zich overheen bevindt.



MOSFET met terminals

MOSFET met terminals

Een MOSFET kan op twee manieren functioneren

  • Uitputtingsmodus
  • Verbeteringsmodus

Uitputtingsmodus

Als er geen spanning over de poortaansluiting is, toont het kanaal zijn maximale geleiding. Terwijl wanneer de spanning over de poortterminal positief of negatief is, de kanaalgeleiding afneemt.


Bijvoorbeeld

Doorbuiging modusVerbeteringsmodus

Staat er geen spanning op de gate-aansluiting, dan geleidt het apparaat niet. Wanneer er de maximale spanning over de gate-aansluiting is, vertoont het apparaat verbeterde geleidbaarheid.

Verbeteringsmodus

Verbeteringsmodus

Werkingsprincipe van MOSFET

Het belangrijkste principe van het MOSFET-apparaat is om de spanning en stroom tussen de source- en drainaansluitingen te kunnen regelen. Het werkt bijna als een schakelaar en de functionaliteit van het apparaat is gebaseerd op de MOS-condensator. De MOS-condensator is het belangrijkste onderdeel van MOSFET.

Het halfgeleideroppervlak op de onderliggende oxidelaag die zich tussen de source- en drain-aansluiting bevindt, kan worden omgekeerd van p-type naar n-type door het aanleggen van respectievelijk een positieve of negatieve poortspanningen. Wanneer we een afstotende kracht uitoefenen op de positieve poortspanning, dan worden de gaten die zich onder de oxidelaag bevinden met het substraat naar beneden gedrukt.

Het depletiegebied dat wordt bevolkt door de gebonden negatieve ladingen die zijn geassocieerd met de acceptoratomen. Wanneer elektronen worden bereikt, wordt een kanaal ontwikkeld. De positieve spanning trekt ook elektronen aan van de n + source- en draingebieden in het kanaal. Als er nu een spanning wordt aangelegd tussen de afvoer en de bron, stroomt de stroom vrij tussen de bron en de afvoer en regelt de poortspanning de elektronen in het kanaal. In plaats van de positieve spanning zal, als we een negatieve spanning aanleggen, een gatenkanaal onder de oxidelaag worden gevormd.

MOSFET-blokschema

MOSFET-blokschema

P-kanaal MOSFET

De P-kanaal MOSFET heeft een P-kanaalgebied dat zich tussen de source- en drainaansluitingen bevindt. Het is een apparaat met vier aansluitingen met de aansluitingen als poort, afvoer, bron en lichaam. De afvoer en bron zijn zwaar gedoteerd p + -gebied en het lichaam of substraat is van het n-type. De stroom vloeit in de richting van positief geladen gaten.

Wanneer we de negatieve spanning met afstotende kracht aan de poortaansluiting aanleggen, dan worden de elektronen die onder de oxidelaag aanwezig zijn naar beneden in het substraat gedrukt. Het uitputtingsgebied dat wordt bevolkt door de gebonden positieve ladingen die zijn geassocieerd met de donoratomen. De negatieve poortspanning trekt ook gaten aan van het p + source- en draingebied naar het kanaalgebied.

Uitputtingsmodus P-kanaal

Uitputtingsmodus P-kanaal

P-kanaal verbeterde modus

P-kanaal verbeterde modus

N-kanaal MOSFET

De N-kanaal MOSFET heeft een N-kanaalgebied tussen de source- en drainaansluitingen. Het is een apparaat met vier aansluitingen met de aansluitingen als poort, afvoer, bron, lichaam. Bij dit type veldeffecttransistor zijn de afvoer en de bron sterk gedoteerd n + -gebied en zijn het substraat of lichaam van het P-type.

De stroom die in dit type MOSFET vloeit, wordt veroorzaakt door negatief geladen elektronen. Wanneer we de positieve spanning met afstotende kracht aan de gate-aansluiting aanleggen, worden de gaten onder de oxidelaag naar beneden in het substraat gedrukt. Het uitputtingsgebied wordt bevolkt door de gebonden negatieve ladingen die zijn geassocieerd met de acceptoratomen.

Bij het bereiken van elektronen wordt het kanaal gevormd. De positieve spanning trekt ook elektronen aan van de n + source- en draingebieden in het kanaal. Als er nu een spanning wordt aangelegd tussen de afvoer en de bron, stroomt de stroom vrij tussen de bron en de afvoer en regelt de poortspanning de elektronen in het kanaal. In plaats van een positieve spanning als we een negatieve spanning aanleggen, zal er een gatenkanaal onder de oxidelaag worden gevormd.

Enhancement Mode N Channel

Enhancement Mode N Channel

MOSFET-werkgebieden

Voor het meest algemene scenario gebeurt de werking van dit apparaat voornamelijk in drie regio's en die zijn als volgt:

  • Afgesneden regio - Het is het gebied waar het apparaat in de UIT-toestand zal zijn en er geen stroom doorheen stroomt. Hier functioneert het apparaat als een basisschakelaar en wordt zo gebruikt als wanneer ze nodig zijn om als elektrische schakelaars te werken.
  • Verzadigingsgebied - In dit gebied hebben de apparaten hun drain-to-source-stroomwaarde als constant zonder rekening te houden met de verbetering van de spanning over de drain-to-source. Dit gebeurt slechts één keer wanneer de spanning over de afvoer naar de source-aansluiting meer stijgt dan de afknijpspanningswaarde. In dit scenario functioneert het apparaat als een gesloten schakelaar waar een verzadigd stroomniveau over de afvoer naar bronterminals stroomt. Hierdoor wordt het verzadigingsgebied geselecteerd wanneer de apparaten moeten schakelen.
  • Lineair / Ohmse regio - Het is het gebied waar de stroom over de afvoer naar de bronterminal toeneemt met de toename van de spanning over het pad van de afvoer naar de bron. Wanneer de MOSFET-apparaten in dit lineaire gebied functioneren, voeren ze versterkerfunctionaliteit uit.

Laten we nu eens kijken naar de schakelkarakteristieken van MOSFET

Ook een halfgeleider zoals MOSFET of Bipolar Junction Transistor functioneert in principe als schakelaars in twee scenario's, de ene is AAN en de andere is UIT. Laten we, om deze functionaliteit te overwegen, eens kijken naar de ideale en praktische kenmerken van het MOSFET-apparaat.

Ideale schakelkarakteristieken

Wanneer een MOSFET geacht wordt te functioneren als een ideale schakelaar, moet deze de onderstaande eigenschappen bevatten en die zijn

  • In de AAN-toestand moet er de huidige beperking zijn die het met zich meebrengt
  • In de UIT-toestand mogen blokkerende spanningsniveaus geen enkele beperking hebben
  • Wanneer het apparaat in de AAN-status werkt, moet de waarde van de spanningsval nul zijn
  • De weerstand in de UIT-toestand moet oneindig zijn
  • Er mogen geen beperkingen zijn aan de snelheid van werken

Praktische schakelkarakteristieken

Omdat de wereld niet alleen vastzit aan ideale toepassingen, is de werking van MOSFET zelfs toepasbaar voor praktische doeleinden. In het praktische scenario zou het apparaat de onderstaande eigenschappen moeten hebben

  • In de AAN-toestand moeten de vermogensbeheercapaciteiten beperkt zijn, wat betekent dat de stroom van geleidingsstroom moet worden beperkt.
  • In de UIT-toestand mogen blokkerende spanningsniveaus niet worden beperkt
  • In- en uitschakelen voor eindige tijden beperkt de beperkende snelheid van het apparaat en beperkt zelfs de functionele frequentie
  • In de AAN-toestand van het MOSFET-apparaat zullen er minimale weerstandswaarden zijn waar dit resulteert in de spanningsval in de doorstuurvoorspanning. Er bestaat ook een eindige UIT-toestandweerstand die tegengestelde lekstroom levert
  • Wanneer het apparaat presteert in praktische kenmerken, verliest het vermogen aan en uit. Dit gebeurt zelfs in de overgangstoestanden.

Voorbeeld van MOSFET als switch

In de onderstaande schakelingsopstelling worden een verbeterde modus en N-kanaal MOSFET gebruikt om een ​​monsterlamp met de voorwaarden AAN en UIT te schakelen. De positieve spanning op de gate-aansluiting wordt op de basis van de transistor aangelegd en de lamp gaat in AAN-toestand en hier VGS= + v of op nulspanningsniveau, het apparaat schakelt naar de UIT-toestand waarin VGS= 0.

MOSFET als schakelaar

MOSFET als schakelaar

Als de ohmse belasting van de lamp vervangen zou worden door een inductieve belasting en aangesloten zou worden op het relais of de diode die beschermd is tegen de belasting. In de bovenstaande schakeling is het een zeer eenvoudige schakeling voor het schakelen van een ohmse belasting zoals een lamp of led. Maar wanneer MOSFET als schakelaar wordt gebruikt met inductieve belasting of capacitieve belasting, is bescherming vereist voor het MOSFET-apparaat.

Als in het geval dat de MOSFET niet is beschermd, kan dit leiden tot schade aan het apparaat. Om de MOSFET te laten werken als een analoog schakelapparaat, moet het worden geschakeld tussen het afsnijgebied waar VGS= 0 en verzadigingsgebied waar VGS= + v.

video beschrijving

MOSFET kan ook functioneren als een transistor en wordt afgekort als Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor. Hier gaf de naam zelf aan dat het apparaat als transistor kan worden gebruikt. Het heeft een P-kanaal en een N-kanaal. Het apparaat is op zo'n manier verbonden met behulp van de vier source-, gate- en drain-aansluitingen en een weerstandsbelasting van 24Ω is in serie verbonden met een ampèremeter en een spanningsmeter is over de MOSFET aangesloten.

In de transistor loopt de stroom in de poort in een positieve richting en is de source-aansluiting verbonden met aarde. Terwijl in bipolaire junctie-transistorapparaten de stroom over het basis-naar-emitterpad loopt. Maar in dit apparaat loopt er geen stroom omdat er een condensator aan het begin van de poort zit, deze heeft alleen spanning nodig.

Dit kan gebeuren door verder te gaan met het simulatieproces en door AAN / UIT te schakelen. Als de schakelaar AAN is, loopt er geen stroom over het circuit, wanneer de weerstand van 24Ω en 0,29 van de ampèremeterspanning zijn aangesloten, vinden we de verwaarloosbare spanningsval over de bron omdat er + 0,21 V over dit apparaat is.

De weerstand tussen afvoer en bron wordt RDS genoemd. Vanwege deze RDS treedt de spanningsval op wanneer er stroom in het circuit loopt. RDS varieert afhankelijk van het type apparaat (het kan variëren tussen 0,001, 0,005 en 0,05, afhankelijk van het type spanning.

Enkele van de concepten om te leren zijn:

1). Hoe MOSFET als schakelaar te kiezen

Er zijn enkele voorwaarden waaraan moet worden voldaan bij het selecteren van de MOSFET als schakelaar en dat zijn de volgende:

  • Gebruik van polariteit P- of N-kanaal
  • Een maximale classificatie van bedrijfsspanning en stroomwaarden
  • Verhoogde Rds AAN, wat betekent dat weerstand bij de afvoer naar de bronterminal wanneer het kanaal volledig open is
  • Verbeterde operationele frequentie
  • Het soort verpakking is van To-220 en DPAck en vele anderen.

2). Wat is MOSFET Switch-efficiëntie?

De belangrijkste beperking op het moment dat MOSFET als schakelapparaat wordt gebruikt, is de verbeterde afvoerstroomwaarde waartoe het apparaat in staat kan zijn. Het betekent dat RDS in AAN-toestand de cruciale parameter is die de schakelcapaciteit van de MOSFET bepaalt. Het wordt weergegeven als de verhouding tussen de drain-source-spanning en die van de drain-stroom. Het hoeft alleen te worden berekend in de AAN-toestand van de transistor.

3). Waarom wordt MOSFET-schakelaar gebruikt in Boost Converter?

Over het algemeen heeft een boost-omzetter een schakeltransistor nodig voor de werking van het apparaat. Dus als schakeltransistor worden MOSFET's gebruikt. Deze apparaten worden gebruikt om de huidige waarde en spanningswaarden te kennen. Gezien de schakelsnelheid en kosten, worden deze ook op grote schaal gebruikt.

Op dezelfde manier kan MOSFET ook op meerdere manieren worden gebruikt. en dat zijn

  • MOSFET als schakelaar voor LED
  • remove_circle_outline
  • MOSFET als schakelaar voor Arduino
  • MOSFET-schakelaar voor AC-belasting
  • MOSFET-schakelaar voor gelijkstroommotor
  • MOSFET-schakelaar voor negatieve spanning
  • MOSFET als schakelaar met Arduino
  • MOSFET als een schakelaar met een microcontroller
  • MOSFET-schakelaar met hysterese
  • MOSFET als schakeldiode en actieve weerstand
  • MOSFET als een schakelaarvergelijking
  • MOSFET-schakelaar voor airsoft
  • MOSFET als schakelpoortweerstand
  • MOSFET als schakelsolenoïde
  • MOSFET-schakelaar met behulp van een optocoupler
  • MOSFET-schakelaar met hysterese

Toepassing van MOSFET als switch

Een van de belangrijkste voorbeelden van dit apparaat is dat het wordt gebruikt als schakelaar voor automatische helderheidsregeling in straatverlichting. Tegenwoordig bestaan ​​veel van de lichten die we op snelwegen waarnemen uit hogedrukgasontladingslampen. Maar het gebruik van HID-lampen verbruikt hogere energieniveaus.

De helderheid kan niet worden beperkt op basis van de behoefte en daarom moet er een schakelaar zijn voor de alternatieve verlichtingsmethode en dit is LED. Het gebruik van een LED-systeem zal de nadelen van hogedruklampen overwinnen. Het belangrijkste concept achter de constructie hiervan was om de lichten direct op snelwegen te bedienen door gebruik te maken van een microprocessor.

MOSFET-applicatie als switch

MOSFET-applicatie als switch

Dit kan worden bereikt door de klokpulsen te wijzigen. Op basis van de noodzaak wordt dit apparaat gebruikt voor het schakelen van lampen. Het bestaat uit een Raspberry Pi-bord waar het wordt meegeleverd met een processor voor beheer. Hier kunnen LED's worden vervangen in plaats van HID's en deze hebben een verbinding met de processor via MOSFET. De microcontroller levert overeenkomstige werkcycli en schakelt vervolgens over naar MOSFET om een ​​hoge intensiteit te bieden.

Voordelen

Enkele voordelen zijn:

  • Het genereert een verbeterde efficiëntie, zelfs bij gebruik op minimale spanningsniveaus
  • Er is geen aanwezigheid van poortstroom, dit creëert meer ingangsimpedantie die verder zorgt voor een hogere schakelsnelheid voor het apparaat
  • Deze apparaten kunnen op minimale vermogensniveaus functioneren en gebruiken minimale stroom

Nadelen

Enkele van de nadelen zijn:

  • Wanneer deze apparaten op overbelastingsspanningsniveaus werken, ontstaat er instabiliteit van het apparaat
  • Omdat de apparaten een dunne oxidelaag hebben, kan dit schade aan het apparaat veroorzaken wanneer het wordt gestimuleerd door de elektrostatische ladingen

Toepassingen

De toepassingen van MOSFET zijn

  • Versterkers gemaakt van MOSFET worden extreem gebruikt in uitgebreide frequentietoepassingen
  • De regeling voor DC-motoren wordt verzorgd door deze apparaten
  • Omdat deze verbeterde schakelsnelheden hebben, fungeert het als perfect voor de constructie van chopperversterkers
  • Functioneert als een passieve component voor verschillende elektronische elementen.

Uiteindelijk kan worden geconcludeerd dat de transistor stroom nodig heeft, terwijl MOSFET een spanning vereist. De rijvereiste voor de MOSFET is veel beter, veel eenvoudiger in vergelijking met een BJT. En ook weten Hoe sluit ik een Mosfet aan op een schakelaar?

Fotocredits