คำอธิบายโดยละเอียดของแผนภาพหลักการทำงานของ MOSFET

MOSFET เป็นหนึ่งในองค์ประกอบพื้นฐานที่สุดในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ โดยทั่วไป MOSFET จะใช้ในวงจรขยายกำลังหรือวงจรจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง และใช้กันอย่างแพร่หลาย ด้านล่าง,โอลูกี้จะให้คำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับหลักการทำงานของ MOSFET และวิเคราะห์โครงสร้างภายในของ MOSFET

คืออะไรมอสเฟต

MOSFET, ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์ไฟล์เมทัลออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ (MOSFET) เป็นทรานซิสเตอร์แบบ field effect ที่สามารถนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในวงจรแอนะล็อกและวงจรดิจิทัล ตามความแตกต่างของขั้วของ "ช่อง" (พาหะที่ทำงาน) มันสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: "ชนิด N" และ "ชนิด P" ซึ่งมักเรียกว่า NMOS และ PMOS

หลักการทำงานของมอสเฟต

MOSFET สามารถแบ่งออกเป็นประเภทการปรับปรุงและประเภทการพร่องตามโหมดการทำงาน ประเภทการปรับปรุงหมายถึง MOSFET เมื่อไม่มีการใช้แรงดันไบแอสและไม่มีการควบคุมช่องทางอุปนัย ประเภทพร่องหมายถึง MOSFET เมื่อไม่มีการใช้แรงดันไบแอส ช่องทางสื่อกระแสไฟฟ้าจะปรากฏขึ้น

ในการใช้งานจริง มีเพียงประเภทการปรับปรุง N-channel และ MOSFET ประเภทการปรับปรุงช่อง P-channel เนื่องจาก NMOSFET มีความต้านทานในสถานะเพียงเล็กน้อยและง่ายต่อการผลิต NMOS จึงพบได้ทั่วไปมากกว่า PMOS ในการใช้งานจริง

โหมดเพิ่มประสิทธิภาพ MOSFET

มีจุดเชื่อมต่อ PN แบบแบ็คทูแบ็คสองจุดระหว่างเดรน D และแหล่ง S ของ MOSFET ในโหมดเพิ่มประสิทธิภาพ เมื่อแรงดันเกต-แหล่งกำเนิด VGS=0 แม้ว่าจะเพิ่มแรงดันไฟฟ้าระหว่างเดรน-แหล่งกำเนิด VDS ก็จะมีจุดเชื่อมต่อ PN ในสถานะเอนเอียงย้อนกลับเสมอ และไม่มีช่องนำไฟฟ้าระหว่างเดรนและแหล่งกำเนิด (ไม่มีกระแสไหล ). ดังนั้นกระแสระบาย ID=0 ในเวลานี้

ในเวลานี้หากมีการเพิ่มแรงดันไปข้างหน้าระหว่างเกตและแหล่งกำเนิด นั่นคือ VGS>0 จากนั้นสนามไฟฟ้าที่มีเกตอยู่ในแนวเดียวกับซับสเตรตซิลิกอนชนิด P จะถูกสร้างขึ้นในชั้นฉนวน SiO2 ระหว่างอิเล็กโทรดเกตและซับสเตรตซิลิกอน เนื่องจากชั้นออกไซด์เป็นฉนวน แรงดันไฟฟ้า VGS ที่ใช้กับเกตจึงไม่สามารถสร้างกระแสไฟฟ้าได้ ตัวเก็บประจุจะถูกสร้างขึ้นทั้งสองด้านของชั้นออกไซด์ และวงจรสมมูล VGS จะเรียกเก็บประจุตัวเก็บประจุ (ตัวเก็บประจุ) นี้ และสร้างสนามไฟฟ้าในขณะที่ VGS เพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ โดยถูกดึงดูดโดยแรงดันบวกของเกต อิเล็กตรอนจำนวนมากสะสมอยู่ที่อีกด้านหนึ่งของตัวเก็บประจุ (ตัวเก็บประจุ) นี้ และสร้างช่องนำไฟฟ้าชนิด N จากท่อระบายน้ำไปยังแหล่งกำเนิด เมื่อ VGS เกินแรงดันเปิด VT ของท่อ (โดยทั่วไปประมาณ 2V) ท่อ N-channel จะเริ่มดำเนินการ สร้าง ID กระแสเดรน เราเรียกแรงดันไฟฟ้าเกต-แหล่งที่มาเมื่อช่องสัญญาณเริ่มสร้างแรงดันไฟฟ้าเปิดเครื่องเป็นครั้งแรก โดยทั่วไปแสดงเป็น VT

การควบคุมขนาดของแรงดันเกต VGS จะเปลี่ยนความแรงหรือจุดอ่อนของสนามไฟฟ้า และสามารถควบคุมขนาดของ ID กระแสเดรนได้ นี่เป็นคุณลักษณะที่สำคัญของ MOSFET ที่ใช้สนามไฟฟ้าเพื่อควบคุมกระแสไฟฟ้า ดังนั้นจึงเรียกอีกอย่างว่าทรานซิสเตอร์สนามผล

โครงสร้างภายใน MOSFET

บนพื้นผิวซิลิกอนชนิด P ที่มีความเข้มข้นของสารเจือปนต่ำ จะมีการสร้างบริเวณ N+ สองบริเวณที่มีความเข้มข้นของสารเจือปนสูง และอิเล็กโทรดสองตัวจะถูกดึงออกจากโลหะอลูมิเนียมเพื่อทำหน้าที่เป็นท่อระบาย d และแหล่งกำเนิด s ตามลำดับ จากนั้นพื้นผิวเซมิคอนดักเตอร์ถูกหุ้มด้วยชั้นฉนวนซิลิกอนไดออกไซด์ (SiO2) ที่บางมาก และติดตั้งอิเล็กโทรดอะลูมิเนียมบนชั้นฉนวนระหว่างท่อระบายน้ำและแหล่งกำเนิดเพื่อทำหน้าที่เป็นประตู g นอกจากนี้ อิเล็กโทรด B ยังถูกดึงออกมาบนซับสเตรต ทำให้เกิดเป็น MOSFET โหมดเพิ่มประสิทธิภาพ N-channel เช่นเดียวกับการสร้างภายในของ MOSFET ชนิดเพิ่มประสิทธิภาพ P-channel

สัญลักษณ์วงจร MOSFET N-channel และ P-channel MOSFET

ภาพด้านบนแสดงสัญลักษณ์วงจรของ MOSFET ในภาพ D คือท่อระบายน้ำ S คือแหล่งที่มา G คือประตู และลูกศรตรงกลางแสดงถึงวัสดุพิมพ์ หากลูกศรชี้เข้าด้านใน แสดงว่า MOSFET แบบ N-channel และหากลูกศรชี้ออกไปด้านนอก แสดงว่า MOSFET แบบ P-channel

สัญลักษณ์วงจร MOSFET N-channel แบบคู่, MOSFET แบบ P-channel แบบคู่ และ MOSFET แบบ N+P-channel

ในความเป็นจริง ในระหว่างกระบวนการผลิต MOSFET วัสดุพิมพ์จะเชื่อมต่อกับแหล่งกำเนิดก่อนออกจากโรงงาน ดังนั้นในกฎสัญลักษณ์วิทยา สัญลักษณ์ลูกศรที่แสดงถึงวัสดุพิมพ์จะต้องเชื่อมต่อกับแหล่งที่มาด้วยเพื่อแยกแยะความแตกต่างของท่อระบายและแหล่งที่มา ขั้วของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้โดย MOSFET นั้นคล้ายคลึงกับทรานซิสเตอร์แบบเดิมของเรา N-channel คล้ายกับทรานซิสเตอร์ NPN ท่อระบาย D เชื่อมต่อกับอิเล็กโทรดบวก และแหล่งกำเนิด S เชื่อมต่อกับอิเล็กโทรดลบ เมื่อเกต G มีแรงดันไฟฟ้าเป็นบวก ช่องนำไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้น และ MOSFET แบบ N-channel จะเริ่มทำงาน ในทำนองเดียวกัน P-channel ก็คล้ายกับทรานซิสเตอร์ PNP ท่อระบายน้ำ D เชื่อมต่อกับอิเล็กโทรดเชิงลบ แหล่งกำเนิด S เชื่อมต่อกับอิเล็กโทรดบวก และเมื่อเกต G มีแรงดันไฟฟ้าเป็นลบ ช่องนำไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้น และ MOSFET ช่อง P จะเริ่มทำงาน

หลักการสูญเสียการสลับ MOSFET

ไม่ว่าจะเป็น NMOS หรือ PMOS จะมีความต้านทานการนำภายในเกิดขึ้นหลังจากเปิดเครื่อง ดังนั้นกระแสไฟฟ้าจะใช้พลังงานจากความต้านทานภายในนี้ พลังงานที่ใช้ส่วนนี้เรียกว่าปริมาณการใช้การนำไฟฟ้า การเลือก MOSFET ที่มีความต้านทานการนำไฟฟ้าภายในน้อยจะช่วยลดการใช้การนำไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ ความต้านทานภายในปัจจุบันของ MOSFET พลังงานต่ำโดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณหลายสิบมิลลิโอห์ม และยังมีอีกหลายมิลลิโอห์มด้วย

เมื่อเปิดและยกเลิก MOS จะต้องไม่รับรู้มันในทันที แรงดันไฟฟ้าทั้งสองด้านของ MOS จะลดลงอย่างมีประสิทธิผล และกระแสที่ไหลผ่านจะเพิ่มขึ้น ในช่วงเวลานี้ การสูญเสีย MOSFET เป็นผลคูณของแรงดันและกระแส ซึ่งเป็นการสูญเสียการสวิตชิ่ง โดยทั่วไปแล้ว การสูญเสียจากการสวิตชิ่งจะมีขนาดใหญ่กว่าการสูญเสียการนำไฟฟ้า และยิ่งความถี่ของการสวิตชิ่งเร็วเท่าไร การสูญเสียก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

ผลคูณของแรงดันและกระแส ณ ขณะการนำไฟฟ้ามีขนาดใหญ่มาก ส่งผลให้เกิดการสูญเสียอย่างมาก การสูญเสียจากการสลับสามารถลดลงได้สองวิธี หนึ่งคือการลดเวลาในการเปลี่ยนซึ่งสามารถลดการสูญเสียระหว่างการเปิดเครื่องแต่ละครั้งได้อย่างมีประสิทธิภาพ อีกประการหนึ่งคือการลดความถี่ในการสลับซึ่งสามารถลดจำนวนสวิตช์ต่อหน่วยเวลาได้

ข้างต้นเป็นคำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับแผนภาพหลักการทำงานของ MOSFET และการวิเคราะห์โครงสร้างภายในของ MOSFET หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับ MOSFET โปรดปรึกษา OLUKEY เพื่อให้การสนับสนุนทางเทคนิคของ MOSFET แก่คุณ!