MOSFET เป็นหนึ่งในองค์ประกอบพื้นฐานที่สุดในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ โดยทั่วไป MOSFET จะใช้ในวงจรขยายกำลังหรือวงจรจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง และใช้กันอย่างแพร่หลายด้านล่าง,โอลูกี้จะให้คำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับหลักการทำงานของ MOSFET และวิเคราะห์โครงสร้างภายในของ MOSFET
คืออะไรมอสเฟต
MOSFET, ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์ไฟล์เมทัลออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ (MOSFET)เป็นทรานซิสเตอร์แบบ field effect ที่สามารถนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในวงจรแอนะล็อกและวงจรดิจิทัลตามความแตกต่างของขั้วของ "ช่อง" (พาหะที่ทำงาน) มันสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: "ชนิด N" และ "ชนิด P" ซึ่งมักเรียกว่า NMOS และ PMOS
หลักการทำงานของมอสเฟต
MOSFET สามารถแบ่งออกเป็นประเภทการปรับปรุงและประเภทการพร่องตามโหมดการทำงานประเภทการปรับปรุงหมายถึง MOSFET เมื่อไม่มีการใช้แรงดันไบแอสและไม่มีการควบคุมช่องทางอุปนัยประเภทพร่องหมายถึง MOSFET เมื่อไม่มีการใช้แรงดันไบแอสช่องทางสื่อกระแสไฟฟ้าจะปรากฏขึ้น
ในการใช้งานจริง มีเพียงประเภทการปรับปรุง N-channel และ MOSFET ประเภทการปรับปรุงช่อง P-channelเนื่องจาก NMOSFET มีความต้านทานในสถานะเพียงเล็กน้อยและง่ายต่อการผลิต NMOS จึงพบได้ทั่วไปมากกว่า PMOS ในการใช้งานจริง
โหมดเพิ่มประสิทธิภาพ MOSFET
มีจุดเชื่อมต่อ PN แบบแบ็คทูแบ็คสองจุดระหว่างเดรน D และแหล่ง S ของ MOSFET ในโหมดเพิ่มประสิทธิภาพเมื่อแรงดันเกต-แหล่งกำเนิด VGS=0 แม้ว่าจะเพิ่มแรงดันไฟฟ้าระหว่างเดรน-แหล่งกำเนิด VDS ก็จะมีจุดเชื่อมต่อ PN ในสถานะเอนเอียงย้อนกลับเสมอ และไม่มีช่องนำไฟฟ้าระหว่างเดรนและแหล่งกำเนิด (ไม่มีกระแสไหล ).ดังนั้นกระแสระบาย ID=0 ในเวลานี้
ในเวลานี้หากมีการเพิ่มแรงดันไปข้างหน้าระหว่างเกตและแหล่งกำเนิดนั่นคือ VGS>0 จากนั้นสนามไฟฟ้าที่มีเกตอยู่ในแนวเดียวกับซับสเตรตซิลิกอนชนิด P จะถูกสร้างขึ้นในชั้นฉนวน SiO2 ระหว่างอิเล็กโทรดเกตและซับสเตรตซิลิกอนเนื่องจากชั้นออกไซด์เป็นฉนวน แรงดันไฟฟ้า VGS ที่ใช้กับเกตจึงไม่สามารถสร้างกระแสไฟฟ้าได้ตัวเก็บประจุจะถูกสร้างขึ้นทั้งสองด้านของชั้นออกไซด์ และวงจรสมมูล VGS จะเรียกเก็บประจุตัวเก็บประจุ (ตัวเก็บประจุ) นี้และสร้างสนามไฟฟ้าในขณะที่ VGS เพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ โดยถูกดึงดูดโดยแรงดันบวกของเกตอิเล็กตรอนจำนวนมากสะสมอยู่ที่อีกด้านหนึ่งของตัวเก็บประจุ (ตัวเก็บประจุ) นี้ และสร้างช่องนำไฟฟ้าชนิด N จากท่อระบายน้ำไปยังแหล่งกำเนิดเมื่อ VGS เกินแรงดันเปิด VT ของท่อ (โดยทั่วไปประมาณ 2V) ท่อ N-channel จะเริ่มดำเนินการ สร้าง ID กระแสเดรนเราเรียกแรงดันไฟฟ้าเกต-แหล่งที่มาเมื่อช่องสัญญาณเริ่มสร้างแรงดันไฟฟ้าเปิดเครื่องเป็นครั้งแรกโดยทั่วไปแสดงเป็น VT
การควบคุมขนาดของแรงดันเกต VGS จะเปลี่ยนความแรงหรือจุดอ่อนของสนามไฟฟ้า และสามารถควบคุมขนาดของ ID กระแสเดรนได้นี่เป็นคุณลักษณะที่สำคัญของ MOSFET ที่ใช้สนามไฟฟ้าเพื่อควบคุมกระแสไฟฟ้า ดังนั้นจึงเรียกอีกอย่างว่าทรานซิสเตอร์สนามผล
โครงสร้างภายใน MOSFET
บนพื้นผิวซิลิกอนชนิด P ที่มีความเข้มข้นของสารเจือปนต่ำ จะมีการสร้างบริเวณ N+ สองบริเวณที่มีความเข้มข้นของสารเจือปนสูง และอิเล็กโทรดสองตัวจะถูกดึงออกจากโลหะอลูมิเนียมเพื่อทำหน้าที่เป็นท่อระบาย d และแหล่งกำเนิด s ตามลำดับจากนั้นพื้นผิวเซมิคอนดักเตอร์ถูกหุ้มด้วยชั้นฉนวนซิลิกอนไดออกไซด์ (SiO2) ที่บางมาก และติดตั้งอิเล็กโทรดอะลูมิเนียมบนชั้นฉนวนระหว่างท่อระบายน้ำและแหล่งกำเนิดเพื่อทำหน้าที่เป็นประตู gนอกจากนี้ อิเล็กโทรด B ยังถูกดึงออกมาบนซับสเตรต ทำให้เกิดเป็น MOSFET โหมดเพิ่มประสิทธิภาพ N-channelเช่นเดียวกับการสร้างภายในของ MOSFET ชนิดเพิ่มประสิทธิภาพ P-channel
สัญลักษณ์วงจร MOSFET N-channel และ P-channel MOSFET
ภาพด้านบนแสดงสัญลักษณ์วงจรของ MOSFETในภาพ D คือท่อระบายน้ำ S คือแหล่งที่มา G คือประตู และลูกศรตรงกลางแสดงถึงวัสดุพิมพ์หากลูกศรชี้เข้าด้านใน 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 วัสดุพิมพ์จะเชื่อมต่อกับแหล่งกำเนิดก่อนออกจากโรงงานดังนั้นในกฎสัญลักษณ์วิทยา สัญลักษณ์ลูกศรที่แสดงถึงวัสดุพิมพ์จะต้องเชื่อมต่อกับแหล่งที่มาด้วยเพื่อแยกแยะความแตกต่างของท่อระบายและแหล่งที่มาขั้วของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้โดย MOSFET นั้นคล้ายคลึงกับทรานซิสเตอร์แบบเดิมของเราN-channel คล้ายกับทรานซิสเตอร์ NPNท่อระบาย D เชื่อมต่อกับอิเล็กโทรดบวก และแหล่งกำเนิด S เชื่อมต่อกับอิเล็กโทรดลบเมื่อเกต G มีแรงดันไฟฟ้าเป็นบวก จะเกิดช่องนำไฟฟ้าขึ้น และ MOSFET แบบ N-channel จะเริ่มทำงานในทำนองเดียวกัน P-channel ก็คล้ายกับทรานซิสเตอร์ PNPท่อระบายน้ำ D เชื่อมต่อกับอิเล็กโทรดเชิงลบ แหล่งกำเนิด S เชื่อมต่อกับอิเล็กโทรดบวก และเมื่อเกต G มีแรงดันไฟฟ้าเป็นลบ ช่องนำไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้น และ MOSFET ช่อง P จะเริ่มทำงาน
หลักการสูญเสียการสลับ MOSFET
ไม่ว่าจะเป็น NMOS หรือ PMOS จะมีความต้านทานการนำภายในเกิดขึ้นหลังจากเปิดเครื่อง ดังนั้นกระแสไฟฟ้าจะใช้พลังงานจากความต้านทานภายในนี้พลังงานที่ใช้ส่วนนี้เรียกว่าปริมาณการใช้การนำไฟฟ้าการเลือก MOSFET ที่มีความต้านทานการนำไฟฟ้าภายในน้อยจะช่วยลดการใช้การนำไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพความต้านทานภายในปัจจุบันของ MOSFET พลังงานต่ำโดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณหลายสิบมิลลิโอห์ม และยังมีอีกหลายมิลลิโอห์มด้วย
เมื่อเปิดและยกเลิก MOS จะต้องไม่รับรู้มันในทันทีแรงดันไฟฟ้าทั้งสองด้านของ MOS จะลดลงอย่างมีประสิทธิผล และกระแสที่ไหลผ่านจะเพิ่มขึ้นในช่วงเวลานี้ การสูญเสีย MOSFET เป็นผลคูณของแรงดันและกระแส ซึ่งเป็นการสูญเสียการสวิตชิ่งโดยทั่วไปแล้ว การสูญเสียจากการสวิตชิ่งจะมีขนาดใหญ่กว่าการสูญเสียการนำไฟฟ้า และยิ่งความถี่ของการสวิตชิ่งเร็วเท่าไร การสูญเสียก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น
ผลคูณของแรงดันและกระแส ณ ขณะการนำไฟฟ้ามีขนาดใหญ่มาก ส่งผลให้เกิดการสูญเสียอย่างมากการสูญเสียจากการสลับสามารถลดลงได้สองวิธีหนึ่งคือการลดเวลาในการเปลี่ยนซึ่งสามารถลดการสูญเสียระหว่างการเปิดเครื่องแต่ละครั้งได้อย่างมีประสิทธิภาพอีกประการหนึ่งคือการลดความถี่ในการสลับซึ่งสามารถลดจำนวนสวิตช์ต่อหน่วยเวลาได้
ข้างต้นเป็นคำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับแผนภาพหลักการทำงานของ MOSFET และการวิเคราะห์โครงสร้างภายในของ MOSFETหากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับ MOSFET โปรดปรึกษา OLUKEY เพื่อให้การสนับสนุนทางเทคนิคของ MOSFET แก่คุณ!
เวลาโพสต์: Dec-16-2023
