El transistor MOSFET (Transistor d'efecte de camp de semiconductors d'òxid de metall) és un dispositiu semiconductor que s'utilitza àmpliament per a commutació i per a l'amplificació de senyals electrònics en dispositius electrònics. Un MOSFET és un circuit central o integrat on es dissenya i fabrica en un sol xip perquè el dispositiu està disponible en mides molt petites. La introducció del dispositiu MOSFET ha comportat un canvi en el domini de canvi d’electrònica . Anem amb una explicació detallada d’aquest concepte.

Què és MOSFET?

Un MOSFET és un dispositiu de quatre terminals que té terminals font (S), porta (G), drenatge (D) i cos (B). En general, el cos del MOSFET està en connexió amb el terminal font, formant així un dispositiu de tres terminals com un transistor d’efecte de camp. MOSFET es considera generalment com un transistor i s’utilitza tant en els circuits analògics com en els digitals. Aquest és el bàsic introducció a MOSFET . I l'estructura general d'aquest dispositiu és la següent:

MOSFET

De l’anterior Estructura MOSFET , la funcionalitat de MOSFET depèn de les variacions elèctriques que succeeixin a l'amplada del canal juntament amb el flux de portadors (forats o electrons). Els portadors de càrrega entren al canal a través del terminal d'origen i surten pel desguàs.

L’amplada del canal està controlada per la tensió d’un elèctrode que s’anomena porta i es troba entre la font i el desguàs. Està aïllat del canal prop d’una capa extremadament fina d’òxid de metall. La capacitat MOS que existeix al dispositiu és la secció crucial on hi ha tota l’operació.

MOSFET amb terminals

Un MOSFET pot funcionar de dues maneres

Mode d’esgotament
Mode de millora

Mode d’esgotament

Quan no hi ha cap tensió a través del terminal de la porta, el canal mostra la seva conductància màxima. Mentre que quan la tensió a través del terminal de la porta és positiva o negativa, la conductivitat del canal disminueix.

Per exemple

Mode de millora

Quan no hi ha voltatge a través del terminal de la porta, el dispositiu no funciona. Quan hi ha la tensió màxima a través del terminal de la porta, el dispositiu mostra una conductivitat millorada.

Mode de millora

Principi de funcionament de MOSFET

El principi principal del dispositiu MOSFET és poder controlar el flux de tensió i corrent entre els terminals de font i de drenatge. Funciona gairebé com un commutador i la funcionalitat del dispositiu es basa en el condensador MOS. El condensador MOS és la part principal de MOSFET.

La superfície de semiconductor de la capa inferior d’òxid situada entre la font i el terminal de drenatge es pot invertir de tipus p a tipus n mitjançant l’aplicació de tensions de porta positives o negatives respectivament. Quan apliquem una força de repulsió per a la tensió positiva de la porta, els forats presents sota la capa d’òxid s’empenyen cap avall amb el substrat.

La regió d’esgotament poblada per les càrregues negatives vinculades associades als àtoms acceptors. Quan s’arriba als electrons, es desenvolupa un canal. El voltatge positiu també atrau electrons de la font n + i drenen regions cap al canal. Ara, si s’aplica una tensió entre el drenatge i la font, el corrent flueix lliurement entre la font i el drenatge i la tensió de la porta controla els electrons del canal. En lloc del voltatge positiu, si apliquem un voltatge negatiu, es formarà un canal de forat sota la capa d’òxid.

Diagrama de blocs MOSFET

MOSFET de canal P

El MOSFET del canal P té una regió del canal P situada entre els terminals font i drenatge. És un dispositiu de quatre terminals que té els terminals com a porta, drenatge, font i cos. El drenatge i la font tenen una regió p + fortament dopada i el cos o substrat és de tipus n. El flux de corrent es troba en la direcció de forats carregats positivament.

Quan apliquem la tensió negativa amb força repulsiva al terminal de la porta, els electrons presents sota la capa d’òxid s’enfonsen cap avall cap al substrat. La regió d’esgotament poblada per les càrregues positives lligades associades als àtoms del donant. El voltatge negatiu de la porta també atrau forats de la font p + i la regió de drenatge cap a la regió del canal.

Mode d’esgotament Canal P.

Mode millorat de canal P

MOSFET de canal N

El MOSFET de canal N té una regió de canal N situada entre els terminals font i drenatge. És un dispositiu de quatre terminals que té els terminals com a porta, drenatge, font, cos. En aquest tipus de transistor d'efecte de camp, el drenatge i la font estan fortament dopats a la regió n + i el substrat o el cos són de tipus P.

El flux de corrent en aquest tipus de MOSFET passa a causa d’electrons carregats negativament. Quan apliquem la tensió positiva amb força repulsiva al terminal de la porta, els forats presents sota la capa d’òxid s’enfonsen cap avall cap al substrat. La regió d’esgotament està poblada per les càrregues negatives vinculades associades als àtoms acceptors.

A l'abast dels electrons, es forma el canal. El voltatge positiu també atrau electrons de la font n + i drenen regions cap al canal. Ara, si s’aplica una tensió entre el drenatge i la font, el corrent flueix lliurement entre la font i el drenatge i el voltatge de la porta controla els electrons del canal. En lloc de tensió positiva si apliquem tensió negativa, es formarà un canal de forat sota la capa d’òxid.

“multiplicador de tensió de CC a CC ”

Mode de millora del canal N.

Regions d'operació MOSFET

Per a l'escenari més general, el funcionament d'aquest dispositiu es produeix principalment en tres regions i són les següents:

Regió de tall: És la regió on el dispositiu estarà en estat OFF i hi haurà una quantitat nul·la de corrent a través d'ell. Aquí, el dispositiu funciona com a commutador bàsic i s’utilitza tant com quan són necessaris per funcionar com a interruptors elèctrics.
Regió de saturació - En aquesta regió, els dispositius tindran el seu valor de corrent de sortida a font com constant sense considerar la millora de la tensió a través de la xarxa de sortida a font. Això passa només una vegada quan la tensió a través del desguàs al terminal de font augmenta més que el valor de tensió de pessicitat. En aquest escenari, el dispositiu funciona com un commutador tancat on flueix un nivell saturat de corrent a través del desguàs cap als terminals font. A causa d'això, la regió de saturació es selecciona quan se suposa que els dispositius realitzen commutacions.
Regió lineal / òhmica - És la regió on augmenta el corrent a través del desguàs fins al terminal font amb l’increment de la tensió a través del camí de desguàs fins a la font. Quan els dispositius MOSFET funcionen en aquesta regió lineal, realitzen una funcionalitat d'amplificador.

Considerem ara les característiques de commutació de MOSFET

Un semiconductor també, com ara el MOSFET o el transistor de connexió bipolar, bàsicament funciona com a commutadors en dos escenaris, un està en estat ON i l’altre està en estat OFF. Per considerar aquesta funcionalitat, vegem les característiques pràctiques i ideals del dispositiu MOSFET.

Característiques del commutador ideal

Quan se suposa que un MOSFET funciona com un commutador ideal, hauria de contenir les propietats següents i aquestes són

En la condició ON, hi ha d’haver la limitació actual que comporta
En estat OFF, el bloqueig dels nivells de tensió no hauria de contenir cap tipus de limitació
Quan el dispositiu funciona en estat ON, el valor de caiguda de tensió ha de ser nul
La resistència en estat OFF hauria de ser infinita
No hi ha d’haver restriccions en la velocitat d’operació

Característiques pràctiques del commutador

Com que el món no només s’enganxa a les aplicacions ideals, el funcionament de MOSFET és fins i tot aplicable a efectes pràctics. En l’escenari pràctic, el dispositiu hauria de contenir les propietats següents

En la condició ON, les capacitats de gestió d'energia haurien de ser limitades, cosa que significa que s'ha de restringir el flux de corrent de conducció.
En estat OFF, els nivells de tensió de bloqueig no s’han de limitar
Si activeu i desactiveu durant temps finits, restringiu la velocitat limitant del dispositiu i fins i tot limiteu la freqüència funcional
En la condició ON del dispositiu MOSFET, hi haurà valors de resistència mínims on això doni lloc a la caiguda de tensió en el biaix d’enviament. A més, existeix una resistència d’estat OFF finit que proporciona un corrent invers de fuita
Quan el dispositiu funciona amb característiques pràctiques, perd les condicions d’encesa i d’encesa. Això passa fins i tot en els estats de transició.

Exemple de MOSFET com a commutador

A la disposició del circuit següent, s’utilitza un mode millorat i un MOSFET de canal N per canviar una làmpada de mostra amb les condicions ON i OFF. La tensió positiva al terminal de la porta s'aplica a la base del transistor i la làmpada es mou en estat ON i aquí V_GS= + v o a un nivell de tensió zero, el dispositiu passa a la condició OFF quan V_GS= 0.

“com fer un robot espia ”

MOSFET com a commutador

Si s'havia de substituir la càrrega resistiva de la làmpada per una càrrega inductiva i connectar-la al relé o al díode protegit a la càrrega. En el circuit anterior, és un circuit molt senzill per canviar una càrrega resistiva com una llum o un LED. Però quan s’utilitza MOSFET com a commutador amb càrrega inductiva o capacitiva, es requereix protecció per al dispositiu MOSFET.

Si no es protegeix el MOSFET, pot provocar danys al dispositiu. Perquè el MOSFET funcioni com a dispositiu de commutació analògic, cal canviar-lo entre la regió de tall on V_GS= 0 i regió de saturació on V_GS= + v.

Descripció del vídeo

MOSFET també pot funcionar com a transistor i s’abreuja com a transistor d’efecte de camp de silici d’òxid de metall. Aquí, el propi nom indicava que el dispositiu es podia operar com a transistor. Tindrà canal P i canal N. El dispositiu es connecta de tal manera mitjançant els quatre terminals de font, porta i drenatge i una càrrega resistiva de 24Ω es connecta en sèrie amb un amperímetre i es connecta un mesurador de tensió a través del MOSFET.

Al transistor, el flux de corrent a la porta es troba en una direcció positiva i el terminal font està connectat a terra. Mentre que en dispositius de transistors de juntes bipolars, el flux de corrent es troba a través del recorregut de base a emissor. Però en aquest dispositiu no hi ha flux de corrent perquè hi ha un condensador al principi de la porta, només requereix tensió.

Això pot passar si es continua amb el procés de simulació i si s’activa / desactiva. Quan l’interruptor està ON, no hi ha flux de corrent a través del circuit, quan es connecten la resistència de 24Ω i 0,29 de voltatge de l’amperímetre, llavors trobem la caiguda de tensió insignificant a la font perquè hi ha + 0,21V a través d’aquest dispositiu.

La resistència entre el drenatge i la font es denomina RDS. A causa d’aquest RDS, la caiguda de tensió apareix quan hi ha flux de corrent al circuit. RDS varia segons el tipus de dispositiu (pot variar entre 0,001, 0,005 i 0,05 en funció del tipus de tensió.

Alguns dels conceptes a aprendre són:

1). Com triar el MOSFET com a commutador ?

Hi ha poques condicions a observar en seleccionar el MOSFET com a commutador i aquestes són les següents:

Ús de polaritat ja sigui canal P o N.
Una valoració màxima dels valors de corrent i tensió de funcionament
Augment de Rds ON que significa que hi ha resistència al terminal Drain to Source quan el canal està completament obert
Freqüència operativa millorada
El tipus d’embalatge és de To-220, DPAck i molts altres.

2). Què és l'eficiència del commutador MOSFET?

La principal restricció en el moment d’operar el MOSFET com a dispositiu de commutació és el valor de corrent de drenatge millorat del que pot ser capaç. Vol dir que RDS en estat ON és el paràmetre crucial que decideix la capacitat de commutació del MOSFET. Es representa com la proporció del voltatge de la font de drenatge a la del corrent de drenatge. S’ha de calcular només en estat ON del transistor.

3). Per què s’utilitza el commutador MOSFET a Boost Converter?

En general, un convertidor boost necessita un transistor de commutació per al funcionament del dispositiu. Per tant, com transistor de commutació s’utilitzen MOSFET. Aquests dispositius s’utilitzen per conèixer el valor actual i els valors de tensió. A més, tenint en compte la velocitat i el cost de commutació, s’utilitzen àmpliament.

De la mateixa manera, MOSFET també es pot utilitzar de diverses maneres. i aquests són

MOSFET com a interruptor per a LED
remove_circle_outline
MOSFET com a commutador per Arduino
Commutador MOSFET per a càrrega de corrent altern
Interruptor MOSFET per a motor de corrent continu
Interruptor MOSFET per tensió negativa
MOSFET com a commutador amb Arduino
MOSFET com a commutador amb microcontrolador
Interruptor MOSFET amb histèresi
MOSFET com a díode de commutació i resistència activa
MOSFET com a equació de commutador
Interruptor MOSFET per airsoft
MOSFET com a resistència de porta de commutació
MOSFET com a solenoide de commutació
Canvia el MOSFET mitjançant un optoacoblador
Interruptor MOSFET amb histèresi

Aplicació de MOSFET com a commutador

Un dels exemples més destacats d’aquest dispositiu és que s’utilitza ja que un interruptor és el control automàtic de la brillantor als llums públics. Actualment, moltes de les llums que observem a les autopistes consisteixen en làmpades de descàrrega d’alta intensitat. Però l’ús de làmpades HID consumeix nivells d’energia augmentats.

La brillantor no es pot limitar en funció del requisit i, per això, hi ha d’haver un commutador per al mètode d’il·luminació alternatiu i és LED. L'ús del sistema LED superarà els desavantatges de les làmpades d'alta intensitat. El concepte principal darrere de la seva construcció era controlar els llums directament a les autopistes fent ús d’un microprocessador.

Aplicació MOSFET com a commutador

Això es pot aconseguir només modificant els impulsos del rellotge. En funció de la necessitat, aquest dispositiu s’utilitza per canviar làmpades. Consisteix en una placa pi raspberry on s’inclou amb un processador per gestionar-la. Aquí, els LED es poden substituir en lloc dels HID i aquests tenen una connexió amb el processador mitjançant MOSFET. El microcontrolador proporciona els cicles de treball corresponents i després canvia a MOSFET per proporcionar un alt nivell d'intensitat.

Avantatges

Alguns dels avantatges són:

Genera una eficiència millorada fins i tot quan funciona a nivells mínims de tensió
No hi ha presència de corrent de porta, cosa que crea més impedància d’entrada, cosa que proporciona una major velocitat de commutació del dispositiu
Aquests dispositius poden funcionar a nivells mínims de potència i fan servir un corrent mínim

Desavantatges

Alguns dels desavantatges són:

Quan aquests dispositius funcionen a nivells de tensió de sobrecàrrega, es crea inestabilitat del dispositiu
Com que els dispositius tenen una fina capa d’òxid, això pot causar danys al dispositiu quan s’estimula per les càrregues electrostàtiques

Aplicacions

Les aplicacions de MOSFET són

Els amplificadors fabricats amb MOSFET s’utilitzen extremadament en aplicacions de freqüència extensa
Aquests dispositius proporcionen la regulació dels motors de corrent continu
Com que aquests tenen velocitats de commutació millorades, actua com a perfecte per a la construcció d'amplificadors de picador
Funcions com a component passiu de diversos elements electrònics.

Al final, es pot concloure que el transistor requereix corrent mentre que el MOSFET requereix una tensió. El requisit de conducció del MOSFET és molt millor, molt més senzill en comparació amb un BJT. I també sap Com puc connectar un Mosfet a un commutador?

Crèdits fotogràfics