MOSFET: Definice, pracovní princip a výběr
2024-04-28 27663

MOSFET, neboli tranzistor polovodičového efektu oxidu kovového oxidu, slouží jako důležité zařízení pro přepínání výkonu v energetické elektronice.Vyniká z bipolárního spojovacího tranzistoru (BJT), dalšího běžného zařízení, zejména při manipulaci s vysokým výkonem.Abychom pochopili, jak MOSFETS zvyšuje výkon, je užitečné nejprve porozumět operačním základám BJTS.BJT řídí tok malého počtu nosičů náboje, buď elektronů nebo děr, aby se řídil větší proudový tok přes sběratel a emitor.BJTS, i když jsou účinné v různých prostředích, nedosahují vysoce výkonných scénářů kvůli ztrátám účinnosti a citlivosti na teplo.Naproti tomu MOSFETS používají efekt pole pro současnou kontrolu, což výrazně snižuje ztráty výkonu.Hlubší pochopení statických i dynamických vlastností MOSFET, spolu s tím, jak reagují na různé podmínky napětí a proudu, pomáhá při navrhování stabilních a spolehlivých obvodů.

MOSFET nebo tranzistor polovodičového polního efektu MOSFET nebo oxidu kovového oxidu významně zvyšuje výkon tranzistorů základních polních efektů (FET) řešením problémů, jako je vysoká odolnost proti odtoku, střední impedance vstupu a pomalejší operace.Mosfets se vyvinul jako vyvinutá verze tradičních FET, známá také jako izolované tranzistory efektu brány (IGFETS).

Srdcem MOSFET je jeho výrazná elektroda oxidové brány kovu, která ji odlišuje od konvenčních FET.Tato elektroda brány je oddělena od hlavního polovodičového těla tenkou izolační vrstvou vyrobenou z oxidu křemíku nebo podobného materiálu.Tato izolace je nenahraditelná, protože poskytuje MOSFET velmi vysoký vstupní odpor, často v rozsahu megaohm (MΩ).Vysoký odpor je nezbytný pro operace řízené napětí MOSFET, kde úpravy napětí brány přímo ovlivňují proud proudí mezi odtokem a zdrojem.Provozování MOSFET zahrnuje použití napětí na bránu.Jakmile toto napětí překoná specifickou prahovou hodnotu, vytvoří elektrické pole přes izolační vrstvu.Toto pole je to, co moduluje nosiče náboje v polovodiči, čímž ovládá proudový tok z odtoku ke zdroji.Přesná kontrola nad tímto tokem umožňuje MOSFET efektivně regulovat proud, a to i při nízkém výkonu, což je ideální pro aplikace, které vyžadují vysokou i vysokou frekvenci.

MOSFETS nabízí několik vylepšení oproti tradičním FET, včetně rychlejšího přepínání, snížených netěsných proudů a schopnosti pracovat při vyšších frekvencích.Tato vylepšení jsou důvodem, proč jsou MOSFETS tak převládající v současných elektronických zařízeních a systémech.Jsou zvláště cenné v rolích, které zahrnují zesílení výkonu, zpracování signálu a správu energie.Toto rozšířené využití podtrhuje roli MOSFET jako kritickou složku při rozvíjení moderní elektroniky.

MOSFET (tranzistor oxidu kovového oxidu polovodičového pole) má obvykle čtyři terminály: odtok (d), zdroje (y), brána (g) a tělo (b), také známé jako substrát nebo základní deska.Ve většině aplikací je však tělesná terminál interně spojena se zdrojem, což účinně činí MOSFET tří-terminálním zařízením.Tato konfigurace zjednodušuje jeho použití v různých elektronických obvodech.

Grafické symboly pro MOSFETS zřetelně představují dva typy: n-kanál a p-kanál.U n-kanálového MOSFET obsahuje symbol šipku směřující dovnitř u brány, což znamená, že použití pozitivního napětí na bránu vzhledem ke zdroji zapne zařízení.Naopak, symbol P-kanálu MOSFET má šipku směřující ven, což naznačuje, že pozitivní napětí zařízení zapne, ale toto napětí je ve srovnání s N-kanálem v opačném směru.Tyto symboly jsou důležitými odkazy pro inženýry a techniky k identifikaci typů MOSFET a zajištění správné implementace v návrzích obvodů.

Jedním z běžných balíčků pro MOSFETS je TO-220.Tento formát balíčku, který vezme jako příklad IRF9540N MOSFET, obvykle umístí kolík brány ve středu, lemovaný odtokem a zdrojovými kolíky.Je však nezbytné si uvědomit, že uspořádání PIN se mohou mezi výrobci lišit.Proto vždy ověřte konfiguraci PIN z datového listu před integrací MOSFET do obvodu.To platí nejen pro IRF9540N, ale také jiné často používané MOSFETS, jako jsou IRFZ44N, BS170, IRF520 a 2N7000.Konzultace s konkrétním datovým listem nebo specifikačním listem je rozhodující, aby se zabránilo nesprávnému připojení, což by mohlo vést k selhání obvodu nebo suboptimálnímu výkonu.

MOSFETS nebo Tranzistory polního účinku oxidu kovového oxidu jsou kategorizovány do dvou primárních typů na základě toho, jak fungují: Mosfets-režim Mosfets (E-MOSFETS) a MOSFET deplece-režim (D-MOSFETS).Každý typ je dále rozdělen na N-kanálový a P-kanál v závislosti na použitém polovodičovém materiálu, což vede ke čtyřem odlišným kategoriím MOSFET:

N-kanálový vyčerpání MOSFET

P-kanálový vyčerpání MOSFET

N-kanálové vylepšení MOSFET

P-kanálové vylepšení MOSFET

U n-kanálových MOSFETS (NMOS) nese tok elektronů primárně proud, proto jsou označovány jako „n-kanál“.Naopak, P-kanálové MOSFETS (PMOS) se spoléhají na pohyb děr pro proudový tok, odtud na název „P-kanály“.

Vnitřní struktura MOSFET se liší mezi dvěma režimy.V MOSFETS s deplečním režimem jsou brána, odtok a zdroj fyzicky spojeny, což umožňuje proudění proudu i bez napětí brány.Tento režim obvykle umožňuje zařízení ve výchozím nastavení a vyžaduje vypnutí konkrétního napětí brány.

Na druhé straně Mosfets-režim MOSFETS vyžaduje, aby brána, odtok a zdroj byly fyzicky oddělené, což znamená, že k zahájení provádění potřebují pozitivní napětí brány.Tyto MOSFETS zůstává vypnuté, dokud není tento prahová hodnota napětí splněna, a proto se běžně používají v aplikacích vyžadujících přepínač, který se aktivuje pouze za určitých podmínek.Nejčastěji používaným typem je mezi nimi N-kanálový model Mode MOSFET.Liší se od p-kanálu v tom, že N-kanálový MOSFET zůstává na tom, dokud bude použito napětí brány, zatímco typ P-kanálu zůstane vypnuté, dokud se nenaplní napětí brány.

Zatímco MOSFET (E-MOSFET) v režimu vylepšení musí mít vždy pozitivní napětí brány nad určitým prahem, aby mohla provádět, může mosfet deplece-režim (D-MOSFET) fungovat buď pozitivním nebo negativním napětím brány a není zcela zavřenývypnuto.D-MOSFET může pracovat v režimech vylepšení i vyčerpání, což poskytuje flexibilitu, zatímco e-MOSFET je omezen pouze na režim vylepšení.

Vnitřní struktura MOSFET (tranzistor oxidu oxidu kovového polovodiče) představuje pokročilou verzi konvenčního tranzistoru (FET) konvenčního polního efektu (FET), a to i přes sdílení stejné tří-terminální konfigurace.Při zkoumání MOSFET si všimnete několika klíčových strukturálních funkcí.

V jádru MOSFET je terminál brány připojen k tenké kovové vrstvě.Tato kovová vrstva je rozhodující, jak sedí výše a je izolována od zbytku polovodiče tenkou vrstvou oxidu křemíku (SIO2).Tato izolace je kritická, protože zabraňuje jakémukoli přímému elektrickému spojení mezi bránou a polovodičovým tělem, což umožňuje bráně ovládat zařízení s minimální ztrátou energie.Touření této vrstvy brány jsou dvě oblasti vyrobené z polovodičového materiálu typu N v polovodičovém těle.Tyto oblasti jsou v souladu s odtokovými a zdrojovými terminály a formou tzv. Kanálu.Kanál se používá pro tok elektronů ze zdroje do odtoku, když je MOSFET v provozu.

Substrát, na rozdíl od kanálu, je vyroben z materiálu typu p a dokončuje základní strukturu MOSFET.Tato kombinace materiálů typu N a P a p je nejen zásadní pro provoz MOSFET, ale také umožňuje zařízení zvládnout pozitivní nebo negativní zkreslení napětí, což zvyšuje jeho všestrannost napříč různými aplikacemi.Z praktického hlediska, když na bránu není aplikováno žádné napětí, MOSFET zůstává nevodivá.Tato charakteristika je obzvláště výhodná pro aplikace vyžadující přesnou kontrolu nad proudovým tokem, například v elektronických spínačích a logických branách.Schopnost MOSFET zůstat inertní, dokud se aktivuje, z něj činí nedílnou součást v návrhu digitálního a analogového obvodu, kde náhlé posuny ve stavu mohou efektivně spustit nebo zastavit různé funkce.

Tranzistor Effect Effect Effect MOSFET (kovový oxid polovodičový efekt) funguje primárně jako spínač, řídí se napětí a proud mezi terminály zdroje a odtoku.Využívá vlastnosti kondenzátoru MOS, umístěných pod oxidovou vrstvou, která spojuje tyto dva terminály.Uvnitř MOSFET je klíčový kondenzátor MOS.Pokud na bránu není aplikováno žádné napětí, tranzistor zůstává vypnutý a blokuje tok elektřiny.Díky tomu je MOSFET účinnou součástí aplikací, jako jsou přepínače a logické brány, kde je důležitá aktivace na vyžádání.

Režim vyčerpání: MOSFET zpočátku přirozeně provádí (otevřeno).Použití pozitivního napětí na bránu zvyšuje toto vedení rozšířením kanálu vytvořeného polovodičovým oblastem typu N v substrátu typu p.Tento širší kanál umožňuje proudění více elektronů a zvyšuje proud (odtokový proud, ID).Naopak negativní napětí brány zužuje kanál, snižuje tok a potenciálně jej zastaví, což vede MOSFET do nevodivého (mezního) stavu.

Režim vylepšení: MOSFET zde začíná jako nevolný.Použití pozitivního napětí brány (VGS), které přesahuje prahové napětí (VTH), aktivuje zařízení.Toto napětí vyvolává dostatečný počet nosičů náboje (elektrony) za vzniku vodivého kanálu.Čím větší jsou VGS, tím více nosičů se hromadí, zvyšuje vodivost kanálu a tím i současný tok.

Při integraci MOSFET do obvodu je třeba zvážit jeho režim - deplece nebo vylepšení - a podle toho použít napětí.Například připojení pozitivního napětí k bráně n-kanálového MOSFET vylepšení vede k akumulaci elektronů a iniciuje vodivost.V obvodech je třeba poznamenat přesnost napětí, příliš vysoká může mosfet překročit a příliš nízká ji nemusí vůbec zapnout.Pozorování změn proudového toku vzhledem k napětí brány poskytuje přímou zpětnou vazbu na provozní stav MOSFET a pomáhá při jemném doladění systému pro požadovaný elektrický výkon.

Ohmic Region: MOSFET se chová téměř jako rezistor.Zde zařízení umožňuje zvyšování proudu se zvyšujícím se napětím, ale zůstává závislé na tom, že napětí brány je dostatečně pozitivní.

Nasycená oblast: Jakmile napětí odtokového zdroje (VDS) dosáhne úrovně, která plně aktivuje kanál, MOSFET vstupuje do nasycení.V tomto stavu se odtokový proud stabilizuje a nezvyšuje se s dalším stoupáním VDS, což znamená maximální vodivost pod proudovým napětím brány.

Cut-off oblast: Pokud napětí brány klesne pod prahovou hodnotu, nebo VDS překročí provozní limity, MOSFET přestane provádět a účinně vypnout aktuální tok.Odpor zařízení je velmi vysoký, téměř nekonečný.

MOSFETS se běžně používá jako spínače v elektronických obvodech k řízení elektrických zatížení, jako jsou světla a motory.Tato funkce je prováděna manipulací napětí brány (VGS), které přímo ovlivňuje, zda proud protéká zatížením.

V základním přepínacím obvodu mění pozitivní napětí brány MOSFET, což umožňuje projít proudem a připojené zatížení (jako je světlo nebo motor).Naopak, když je napětí brány nulové nebo negativní, MOSFET se vypne a zastaví tok proudu a deaktivuje zátěž.Aby bylo zajištěno, že MOSFET zůstane vypnutá, když není aktivně zapojena, je běžné integrovat rezistor roztahování (R1) mezi bránu a zemí.Tento rezistor pomáhá vypustit jakýkoli zbytkový náboj na bráně a pevně nastavit MOSFET do svého stavu, když není přítomno žádné vstupní napětí.Hodnota odporu pro R1 se obvykle pohybuje od několika kilo-ohm po desítky kilo-ohm, v závislosti na specifických potřebách obvodu.

Pro více nuanční kontroly, jako je nastavení rychlosti motoru nebo stmívací světla, se používají signály modulace šířky pulsu (PWM).Tyto signály rychle zapnou a vypínají MOSFET a ovládejte účinný výkon dodávaný do zátěže.Rychlé přepínání však může vzrušit kapacitu brány, což potenciálně vede k nežádoucím zpětným proudům.Aby se tomu potlačilo, mezi bránou a zdrojem je umístěn kondenzátor omezující proud (C1).Tento kondenzátor pomáhá zmírnit účinky těchto reverzních proudů a je obecně vybrán jako několik stovek pikofaradů na několik nanofaradů.Ve scénářích, kde je zatížení induktivní (jako jsou motory nebo induktory), jsou vyžadovány zvláštní úvahy kvůli potenciálu pro reverzní proudy generované indukčními vlastnostmi.K těmto proudům dochází, když je napětí, které zatížení zatížení náhle odřízne, což způsobuje zadní elektromotorovou sílu.K ochraně MOSFET před potenciálním poškozením těmito zpětným napětím se do obvodu přidávají ochranné prvky, jako jsou diody potlačení zpětného napětí (diody dálnice) nebo další kondenzátory.

Při navrhování a implementaci těchto obvodů zahrnují praktické kroky výběr vhodných hodnot pro rezistory a kondenzátory na základě charakteristik zatížení a požadované dynamiky řízení.Inženýři musí pečlivě vyrovnat citlivost na stabilitu a ochranu, aby zajistili spolehlivý a efektivní provoz.

Balení MOSFET hraje roli při ovlivňování manipulace s výkonem, tepelné správy a fyzické montážní schopnosti zařízení.

Tyto balíčky jsou navrženy pro rozvržení desky s vysokou hustotou tištěných obvodů (PCB) a jsou známé pro jejich účinné tepelné řízení.Mezi běžné typy patří TO-263, TO-252, MO-187, SO-8, SOT-223, SOT-23 a TSOP-6.Obvykle jsou vybírány pro aplikace, kde je prostor s prémií a požadavky na energii jsou mírné, například v mobilních zařízeních, komunikačním vybavení a spotřební elektronice.Technologie povrchových montáží umožňuje snadnější a rychlejší sestavení na PCB a zvyšuje efektivitu výroby.

Tento typ balení je preferován pro aplikace, které vyžadují vyšší schopnosti síly a současné manipulace s robustní mechanickou podporou a zvýšenou rozptylem tepla.Standardní balíčky pro přes otvory, jako jsou TO-262, TO-251, TO-274, TO-220 a TO-247, se často vyskytují v průmyslovém vybavení, energetickém systémech a automobilové elektronice.Olověné vodiče balíčků pro přes otvory jsou vloženy do vrtaných otvorů na PCB a poté pájeny, poskytují silnou mechanickou vazbu a lepší tepelné spojení pro tepelný únik, což je ideální pro vysoce výkonné aplikace.

Balíčky PQFN nabízejí kompaktní stopu a jsou nákladově efektivní, takže jsou ideální pro situace, kdy je prostor na PCB omezený, ale je nutná vysoká hustota výkonu.Velikosti se liší, s běžnými možnostmi včetně PQFN 2x2, PQFN 3x3, PQFN 3.3x3.3, PQFN 5X4 a PQFN 5x6.Aplikace obvykle zahrnují přenosná zařízení, bezdrátové komunikační systémy, průmyslové ovládání, osvětlení LED atd.

Balíčky DirectFET, známé pro svou nízkou odpor a nízkou indukčnost, jsou vynikající pro vysoce výkonné a vysokofrekvenční aplikace.Varianty jako DirectFET M4, DirectFet MA, DirectFet MD, Directfet ME, DirectFet S1 a DirectFet SH se často používají v energetických převaděčích, motorových jednotkách a dalších vysoce výkonných systémech, kde je důležité minimalizovat přepínací ztráty a maximalizace účinnosti.Návrh DirectFET se dobře integruje s chladicími dřezy a dále pomáhá tepelné správě.

Výběr příslušného balení MOSFET zahrnuje zvažování provozního prostředí, požadované správy energie a tepelného řízení, omezení fyzického prostoru a specifické potřeby aplikací.Například v spotřební elektronice, kde jsou kompaktní velikost a nízká energie priority, může být malý balíček povrchu montáž ideální.Naproti tomu průmyslové nebo automobilové nastavení, které zpracovávají vyšší výkon a vyžadují robustnější systémy, by mohly prospět více z balíčků pro přes díru nebo DirectFet.Každý typ balení nabízí jedinečné výhody a měl by být pečlivě přiřazen požadavkům aplikace, aby se zajistil optimální výkon a trvanlivost.

Výběr správného MOSFET pro vaši aplikaci zahrnuje několik klíčových kroků, které ovlivňují výkon a vhodnost zařízení pro váš návrh.Zde je návod, jak můžete přistupovat k tomuto procesu výběru.

Začněte stanovením, zda je pro váš design nejvhodnější nejvhodnější N-kanál nebo P-kanálový MOSFET.Pokud nastavujete přepínač s nízkým bokem, který spojuje MOSFET k zemi a zatížení na síťové napětí, je obvykle výhodnější n-kanálový MOSFET, protože k aktivaci vyžaduje nižší napětí.Naopak ve vysokém nastavení přepínače, kde se MOSFET připojuje k výkonové sběrnici a zatížení k zemi, je P-kanálový MOSFET často vybrán pro podobné úvahy o napětí.Klíčem je porozumění napětí potřebné k zapnutí a vypnutí MOSFET a jak se to integruje do vašeho designu.Další krok zahrnuje kontrolu maximálního napětí, které MOSFET zvládne (VD).Toto napětí by mělo být vyšší než maximum vašeho systému, aby se zajistila bezpečnost proti neočekávaným hrotům.Návrháři musí toto hodnocení zvážit při různých teplotách, protože výkon MOSFET se může lišit podle změn teploty.

Další fází je vybrat MOSFET, který zvládne maximální proud, který vaše aplikace bude požadovat.To zahrnuje zvážení nejen běžného proudu proudu, ale také potenciální hroty v proudu.To by mohlo být v nepřetržitém provozu nebo jako puls.Zajištění toho, aby MOSFET mohl zvládnout tyto požadavky, zahrnuje kontrolu jeho současného hodnocení a jeho ztráty vedení, ke kterým dochází, protože MOSFET působí poněkud jako rezistor, když je zapnuto.

Začněte pomocí nejhoršího scénáře k vytvoření bezpečného rozpětí.Klíčové údaje o datovém listu MOSFET, jako je tepelná odolnost a maximální teplota spojení, pomáhají v těchto výpočtech.Vypočítáte maximální rozptyl výkonu, který je určen rovnicí teploty spojení: maximální teplota okolí plus produktem tepelného odporu a rozptylu energie.Tento výpočet povede návrh systému, aby se zabránilo přehřátí, což by mohlo vést k selhání zařízení.

Nakonec posouďte přepínací výkon, který je ovlivněn faktory, jako je brána, odtok a kapacita zdroje.Tyto kondenzátory vytvářejí ztráty pokaždé, když přepínají MOSFET, což ovlivňuje jak rychlost, tak efektivitu.Pokroky v technologii MOSFET, jako je SuperFet, se snaží optimalizovat tyto faktory snížením RDS (ON) a brány), čímž se zvyšuje jak účinnost vedení, tak i přepínací výkon.

MOSFETS vynikají jako vysoce efektivní zařízení pro přepínání energie a nabízejí významné výhody oproti tradičním BJT, zejména ve vysoce výkonných a vysokofrekvenčních aplikacích.Jejich operační mechanismus, který využívá elektrická pole místo injekce nosiče pro kontrolu proudu, umožňuje rychlejší přepínací rychlosti a snížené ztráty výkonu.MOSFET jsou k dispozici v různých typech, jako je režim vylepšení a režim vyčerpání, jakož i možnosti n-kanálů a p-kanálů.Tato rozmanitost nabízí návrhářům flexibilitu, aby jejich výběr přizpůsobil konkrétní potřeby aplikací, zejména ve scénářích, které vyžadují robustní napětí a aktuální manipulaci, spolu s účinným tepelným řízením a výkonem přepínání.

Při výběru MOSFET je zásadní zvážit nejen základní parametry, jako je maximální napětí odtokového zdroje (VDS), odtokový proud (ID) a na rezistenci (RDS (ON)), ale také posoudit další kritické faktory.Patří sem balení MOSFET, schopnosti rozptylu tepla a náboj brány, které přispívají ke spolehlivosti a účinnosti konečného návrhu.Pokroky v technologii nadále zvyšují výkon MOSFET.Inovace, jako je SuperFet, optimalizují vnitřní struktury a výrobní procesy, zlepšují výkon zařízení, zmenšují velikost a minimalizují ztráty přepínání.Tato vylepšení umožňují MOSFETS pracovat na vyšších frekvencích a ve náročnějších prostředích a rozšířit jejich řadu aplikací.

MOSFET se primárně používá jako spínací zařízení nebo jako zesilovač v různých typech elektronických obvodů.To zahrnuje napájení, počítačové základní desky a motorové ovladače, které efektivně řídí tok napájení a zesilují signály.

Obecně jsou MOSFETS považovány za lepší než tradiční FET, protože mají vyšší účinnost, větší škálovatelnost v elektronických aplikacích a rychlejší přepínání.MOSFETS také nabízí lepší výkon, pokud jde o manipulaci s energií a škálování v technologii.

MOSFET provozuje pomocí elektrického pole vytvořeného napětím aplikovaným na jeho terminál brány k řízení proudu mezi jeho zdrojovým a vypouštěcím terminály.Toto napětí brány mění vodivost polovodičového kanálu mezi zdrojem a odtokem, což umožňuje nebo blokuje tok proudu.

Vysoká vstupní impedance, minimalizující proud nakreslený z hnacího obvodu.

Nízká spotřeba energie, zejména užitečná v aplikacích citlivých na energii.

Rychlá rychlost přepínání, zvyšování výkonu ve vysokofrekvenčních aplikacích.

Dobrá tepelná stabilita, což je činí vhodnými pro různé provozní podmínky.

MOSFETS může selhat kvůli několika faktorům:

Přehřátí je způsobeno nadměrným rozptylem energie.

Přepětí, které může překročit napěťové hodnocení MOSFET a poškodit jej.

Elektrostatický výboj (ESD) během manipulace může zničit oxid brány.

Nesprávné napětí pohonu, ať už příliš vysoké nebo příliš nízké, může vést k neúplnému přepínání a následnému přehřátí.

Aplikace zpětné polarity, zejména pro bránu, může také vést k selhání.