توضیح مفصل نمودار اصل کار ماسفت | تجزیه و تحلیل ساختار داخلی FET

ماسفت یکی از اساسی ترین قطعات در صنعت نیمه هادی است. در مدارهای الکترونیکی، ماسفت عموماً در مدارهای تقویت کننده قدرت یا مدارهای منبع تغذیه سوئیچینگ استفاده می شود و کاربرد فراوانی دارد. در زیر،اولوکیبه شما توضیح مفصلی از اصل کار ماسفت می دهد و ساختار داخلی ماسفت را تحلیل می کند.

چیستماسفت

ماسفت، ترانزیستور اثر نیمه هادی اکسید فلز (MOSFET). این یک ترانزیستور اثر میدانی است که می تواند به طور گسترده در مدارهای آنالوگ و مدارهای دیجیتال استفاده شود. با توجه به تفاوت قطبی "کانال" آن (حامل کار) آن را می توان به دو نوع "نوع N" و "نوع P" تقسیم کرد که اغلب NMOS و PMOS نامیده می شوند.

اصل کار ماسفت

ماسفت را می توان با توجه به حالت کار به نوع بهبود و نوع تخلیه تقسیم کرد. نوع ارتقاء به ماسفت اشاره دارد که ولتاژ بایاس اعمال نمی شود و مشکلی وجود نداردکانال مجرای نوع تخلیه زمانی به ماسفت اشاره دارد که ولتاژ بایاس اعمال نشود. یک کانال رسانا ظاهر می شود.

در کاربردهای واقعی، فقط ماسفت‌های نوع ارتقاء کانال N و نوع ارتقاء کانال P وجود دارد. از آنجایی که NMOSFET ها دارای مقاومت در حالت اندکی هستند و ساخت آنها آسان است، NMOS در کاربردهای واقعی رایج تر از PMOS است.

حالت بهبود ماسفت

دو اتصال PN پشت سر هم بین تخلیه D و منبع S MOSFET با حالت بهبود وجود دارد. هنگامی که ولتاژ منبع گیت VGS=0، حتی اگر ولتاژ منبع تخلیه VDS اضافه شود، همیشه یک اتصال PN در حالت بایاس معکوس وجود دارد و هیچ کانال رسانایی بین تخلیه و منبع وجود ندارد (جریان نمی‌رود ). بنابراین، در این زمان، ID فعلی تخلیه = 0.

در این زمان اگر یک ولتاژ رو به جلو بین گیت و منبع اضافه شود. یعنی VGS> 0، سپس یک میدان الکتریکی با گیت تراز با بستر سیلیکونی نوع P در لایه عایق SiO2 بین الکترود گیت و بستر سیلیکونی ایجاد می‌شود. از آنجایی که لایه اکسید عایق است، ولتاژ VGS اعمال شده به گیت نمی تواند جریان تولید کند. یک خازن در دو طرف لایه اکسیدی تولید می شود و مدار معادل VGS این خازن (خازن) را شارژ می کند. و با افزایش آهسته VGS که توسط ولتاژ مثبت دروازه جذب می شود، یک میدان الکتریکی ایجاد کنید. تعداد زیادی الکترون در طرف دیگر این خازن (خازن) جمع می شوند و یک کانال رسانای نوع N از درین به منبع ایجاد می کنند. هنگامی که VGS از ولتاژ روشن VT لوله (معمولاً حدود 2 ولت) فراتر رود، لوله کانال N تازه شروع به هدایت می کند و یک شناسه جریان تخلیه تولید می کند. زمانی که کانال برای اولین بار شروع به تولید ولتاژ روشن می کند، ولتاژ منبع گیت را می نامیم. به طور کلی به عنوان VT بیان می شود.

کنترل اندازه ولتاژ گیت VGS قدرت یا ضعف میدان الکتریکی را تغییر می دهد و اثر کنترل اندازه شناسه جریان تخلیه را می توان به دست آورد. این نیز یکی از ویژگی های مهم ماسفت هایی است که از میدان های الکتریکی برای کنترل جریان استفاده می کنند، بنابراین به آنها ترانزیستور اثر میدان نیز می گویند.

ساختار داخلی ماسفت

روی یک بستر سیلیکونی نوع P با غلظت ناخالصی کم، دو ناحیه N+ با غلظت ناخالصی بالا ساخته می‌شود و دو الکترود از آلومینیوم فلزی بیرون کشیده می‌شوند تا به ترتیب به عنوان تخلیه d و منبع s عمل کنند. سپس سطح نیمه هادی با یک لایه عایق بسیار نازک دی اکسید سیلیکون (SiO2) پوشانده می شود و یک الکترود آلومینیومی روی لایه عایق بین تخلیه و منبع نصب می شود تا به عنوان دروازه g عمل کند. یک الکترود B نیز روی زیرلایه کشیده می شود و یک ماسفت با حالت افزایش کانال N را تشکیل می دهد. همین امر در مورد تشکیل داخلی ماسفت های نوع افزایش دهنده کانال P نیز صادق است.

نمادهای مدار MOSFET کانال N و MOSFET کانال P

تصویر بالا نماد مدار ماسفت را نشان می دهد. در تصویر، D زهکش، S منبع، G دروازه، و فلش در وسط نشان دهنده زیرلایه است. اگر فلش به سمت داخل باشد نشان دهنده ماسفت کانال N و اگر فلش به سمت بیرون باشد نشان دهنده ماسفت کانال P است.

نمادهای مدار ماسفت دو کاناله N، ماسفت دو کاناله P و ماسفت کانال N+P

در واقع در طی فرآیند ساخت ماسفت، بستر قبل از خروج از کارخانه به منبع متصل می شود. بنابراین، در قوانین نمادشناسی، علامت فلش نشان دهنده بستر نیز باید به منبع متصل شود تا زهکش و منبع تشخیص داده شود. قطبیت ولتاژ استفاده شده توسط ماسفت مشابه ترانزیستور سنتی ما است. کانال N شبیه ترانزیستور NPN است. تخلیه D به الکترود مثبت و منبع S به الکترود منفی متصل می شود. هنگامی که گیت G دارای ولتاژ مثبت است، یک کانال رسانا تشکیل می شود و ماسفت کانال N شروع به کار می کند. به طور مشابه، کانال P مشابه ترانزیستور PNP است. تخلیه D به الکترود منفی، منبع S به الکترود مثبت وصل می شود و زمانی که گیت G دارای ولتاژ منفی است، یک کانال رسانا تشکیل می شود و ماسفت کانال P شروع به کار می کند.

اصل تلفات سوئیچینگ ماسفت

چه NMOS باشد و چه PMOS، پس از روشن شدن، یک مقاومت داخلی رسانایی ایجاد می شود، به طوری که جریان انرژی را در این مقاومت داخلی مصرف می کند. این بخش از انرژی مصرفی را مصرف رسانایی می نامند. انتخاب یک ماسفت با مقاومت داخلی رسانایی کوچک به طور موثر مصرف رسانایی را کاهش می دهد. مقاومت داخلی فعلی ماسفت های کم مصرف معمولاً حدود ده ها میلی اهم است و چندین میلی اهم نیز وجود دارد.

هنگامی که MOS روشن و خاتمه می یابد، نباید در یک لحظه متوجه شود. ولتاژ دو طرف MOS کاهش موثری خواهد داشت و جریان عبوری از آن افزایش می یابد. در این مدت تلفات ماسفت حاصل ضرب ولتاژ و جریان است که همان تلفات سوئیچینگ است. به طور کلی، تلفات سوئیچینگ بسیار بزرگتر از تلفات هدایت است و هر چه فرکانس سوئیچینگ سریعتر باشد، تلفات بیشتر است.

حاصلضرب ولتاژ و جریان در لحظه رسانش بسیار زیاد است و در نتیجه تلفات بسیار زیادی ایجاد می شود. تلفات سوئیچینگ را می توان به دو روش کاهش داد. یکی کاهش زمان سوئیچینگ است که می تواند به طور موثری تلفات را در طول هر روشن شدن کاهش دهد. مورد دیگر کاهش فرکانس سوئیچینگ است که می تواند تعداد سوئیچ ها را در واحد زمان کاهش دهد.

در بالا توضیح مفصلی از نمودار اصل کار ماسفت و تحلیل ساختار داخلی ماسفت ارائه شده است. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد MOSFET، خوش آمدید با OLUKEY مشورت کنید تا پشتیبانی فنی ماسفت را به شما ارائه دهد!