MOSFET som en kontakt

i denne vejledning lærer vi om, hvordan en MOSFET fungerer som en kontakt. I MOSFET-selvstudiet har vi også set det grundlæggende i en MOSFET, dens typer, struktur og et par anvendelser af MOSFET.

en af de vigtige anvendelser af MOSFET inden for effektelektronik er, at den kan konfigureres som en simpel analog kontakt. Ved hjælp af sådanne analoge kontakter kan digitale systemer styre strømmen af signaler i analoge kredsløb.

før jeg går ind i detaljerne om, hvordan en MOSFET fungerer som en omskifter, lad mig tage dig gennem en oversigt over det grundlæggende i en MOSFET, dens driftsområder, intern struktur osv.

For mere information om MOSFET ‘er, Læs”MOSFET Tutorial”.

Introduktion til MOSFET

en MOSFET-eller Metaloksidhalvlederfelteffekttransistor, i modsætning til en bipolær Forbindelsestransistor (BJT) er en unipolær enhed i den forstand, at den kun bruger de fleste bærere i ledningen.

det er en type felteffekttransistor med en isoleret port fra kanalen (derfor undertiden kaldet som isoleret Portfet eller IGFET), og spændingen ved portterminalen bestemmer ledningsevnen.når vi taler om terminaler, er en MOSFET typisk en 3-terminalenhed, som er Gate (G), kilde (er) og afløb (D) (selvom der er en 4.terminal kaldet substrat eller krop, bruges den normalt ikke i hverken input-eller outputforbindelse).

MOSFET Symbol

MOSFET kan klassificeres i Enhancement type MOSFET og Depletion type MOSFET. Hver af disse typer er yderligere opdelt i N-kanal MOSFET og p-kanal MOSFET.

symbolerne for hver af disse typer MOSFET ‘ er vises på billedet nedenfor.

hovedforskellen mellem Forbedringstilstand MOSFET og udtømningstilstand MOSFET er, at kanalen allerede er dannet i udtømningstilstand, dvs.den fungerer som en Normalt lukket (NC) kontakt, og i tilfælde af forbedringstilstand dannes kanalen ikke oprindeligt, dvs. en Normalt åben (ingen) kontakt.

MOSFET struktur

strukturen af en MOSFET varierer baseret på applikationen, dvs.MOSFET ‘er i IC-teknologi er ret laterale, mens strukturen af magt MOSFET’ er er mere af en lodret kanal. Uanset applikationen har en MOSFET dybest set tre terminaler, nemlig Gate, Drain og Source.

Hvis vi overvejer en N-kanal MOSFET, består både kilden og drænet af n-type, der sidder i et p-type substrat.

arbejde med en MOSFET

lad os nu prøve at forstå, hvordan en n-Kanalforbedringstilstand MOSFET fungerer. For at bære en afløbsstrøm skal der være en kanal mellem MOSFETs afløbs-og kildeområder.

en kanal oprettes, når spændingen mellem gate-og kildeterminaler VGS er større end tærskelspændingen VTH.

Når VGS> VTH, enheden siges at være i triode (eller konstant modstand) region eller mætningsområde afhængigt af spændingen over afløb og kildeterminaler VDS.

for enhver VGS, hvis VDS < VGS – VTH, så er enheden i triode region (også kendt som konstant modstand eller lineær region). Hvis VDS > VGS – VTH, går enheden ind i mætningsområdet.

Når VGS< VTH, så er enheden i slukket tilstand. Portstrømmen i begge driftsområder er meget mindre (næsten lig med nul). Derfor er MOSFET kendt som Spændingsdrevet enhed.

MOSFET-Karakteristikskurve

billedet nedenfor viser den karakteristiske kurve for MOSFET i tre driftsområder. Det viser afløbsstrømmen ID versus afløbet til Kildespænding VDS for en given port til Kildespænding VGS.

MOSFET driftsområder

baseret på ovennævnte arbejde med en MOSFET kan det konkluderes, at en MOSFET har tre driftsområder. De er:

• Afskæringsregion
• lineær (eller Triode) Region
• Mætningsregion

a MOSFET opererer i afskæringsregion, når VGS < VTH. I denne region er MOSFET i slukket tilstand, da der ikke er nogen kanal induceret mellem afløb og kilde.

for den kanal, der skal induceres, og MOSFET skal fungere i enten lineær eller mætningsregion, VGS > VTH.

Gate – Drain bias spænding VGD vil afgøre, om MOSFET er i lineær eller mætningsområde. I begge disse regioner er MOSFET i ON-tilstand, men forskellen er i lineær region, kanalen er kontinuerlig, og afløbsstrømmen er proportional med kanalens modstand.

kommer til mætningsregion, som VDS> VGS – VTH, kanalen klemmer af, dvs.udvides, hvilket resulterer i en konstant Drænstrøm.

skift i elektronik

halvleder skift i elektronisk kredsløb er et af de vigtige aspekter. En halvlederindretning som en BJT eller en MOSFET drives generelt som afbrydere, dvs.de er enten i tændt tilstand eller i slukket tilstand.

ideelle Omskifteregenskaber

for at en halvlederanordning som en MOSFET skal fungere som en ideel kontakt, skal den have følgende funktioner:

• under ON-tilstand bør der ikke være nogen grænse for mængden af strøm, den kan bære.
• i slukket tilstand bør der ikke være nogen grænse for blokeringsspændingen.
• når enheden er i ON-tilstand, skal der være nul spændingsfald.
• OFF-tilstandsmodstand bør være uendelig.
• enhedens driftshastighed har ingen grænser.

praktiske Omskifteregenskaber

men verden er ikke ideel, og den gælder også for vores halvlederkontakter. I en praktisk situation har en halvlederindretning som en MOSFET følgende egenskaber.

• under ON-tilstand er strømhåndteringsfunktionerne begrænsede, dvs. begrænset ledningsstrøm. Blokeringsspændingen under slukket tilstand er også begrænset.
• endelig tænd og sluk tider, der begrænser skiftehastigheden. Maksimal driftsfrekvens er også begrænset.
• når enheden er tændt, vil der være en endelig tilstandsmodstand, hvilket resulterer i et spændingsfald fremad. Der vil også være en endelig off-tilstandsmodstand, som resulterer i en omvendt lækstrøm.
• en praktisk kontakt oplever, at strømmen taber under tændt tilstand, slukket tilstand og også under overgangstilstanden (tændt til slukket eller slukket til tændt).

arbejde af en MOSFET som en kontakt

Hvis du forstod MOSFET ‘ s arbejde og dets driftsområder, ville du sandsynligvis have gættet, hvordan en MOSFET fungerer som en kontakt. Vi vil forstå driften af en MOSFET som en kontakt ved at overveje et simpelt eksempel kredsløb.

Dette er et simpelt kredsløb, hvor en n-Kanalforbedringstilstand MOSFET vil tænde eller slukke for et lys. For at betjene en MOSFET som en afbryder skal den betjenes i afskåret og lineær (eller triode) region.

Antag, at enheden oprindeligt er slukket. VGS gøres passende positiv (teknisk set VGS > VTH), MOSFET går ind i lineært område, og kontakten er tændt. Dette får lyset til at tænde.

Hvis indgangsspændingen er 0V (eller teknisk < VTH), går MOSFET ind i afskæringstilstand og slukker. Dette vil igen gøre lyset til at slukke.

eksempel på MOSFET som en kontakt

overvej en situation, hvor du vil styre en 12V LED (12V @ 1A) digitalt ved hjælp af en mikrocontroller. Når du trykker på en knap, der er tilsluttet mikrocontrolleren, skal LED ‘ en tænde. Når du trykker på den samme knap igen, skal LED ‘ en slukke.

det er indlysende, at du ikke direkte kan styre LED ‘ en ved hjælp af mikrocontrolleren. Du har brug for en enhed, der bygger bro mellem mikrocontrolleren og LED ‘ en.

denne enhed skal tage et styresignal fra mikrocontrolleren (normalt er spændingen af dette signal i mikrocontrollerens arbejdsspændingsområde, 5V for eksempel) og levere strøm til LED ‘ en, som i dette tilfælde er fra en 12V forsyning.

den enhed, som jeg skal bruge, er en MOSFET. Opsætningen af ovennævnte scenario er vist i det følgende kredsløb.

Når en logik 1 (forudsat en 5v mikrocontroller, logik 1 er 5V og logik 0 er 0V) leveres til porten til MOSFET, tændes den og tillader afløbsstrøm at strømme. Som følge heraf er LED ‘ en tændt.

tilsvarende, når en logik 0 er givet til MOSFET-porten, slukker den og slukker igen LED ‘ en.

således kan du digitalt styre en højeffektenhed med kombinationen af mikrocontroller og MOSFET.

vigtig Note

en vigtig faktor at overveje er MOSFETs strømafledning. Overvej en MOSFET med et afløb til Kildemodstand på 0,1 liter. I ovenstående tilfælde, dvs. en 12V LED drevet af en 12V forsyning vil føre til en afløbsstrøm på 1a.

derfor er den strøm, der spredes af MOSFET, P = I2 * R = 1 * 0,1 = 0,1 B.

dette synes at være en lav værdi, men hvis du kører en motor ved hjælp af samme MOSFET, er situationen lidt anderledes. Startstrømmen (også kaldet in-rush strøm) af en motor vil være meget høj.

så selv med RDS på 0,1 liter vil strømmen, der spredes under opstart af en motor, stadig være betydeligt høj, hvilket kan føre til termisk overbelastning. Derfor vil RDS være en nøgleparameter for at vælge en MOSFET til din applikation.

Når du kører en motor, er bagsiden emf også en vigtig faktor, der skal overvejes, når du designer kredsløbet.

en af de største fordele ved at køre en motor med MOSFET er, at et indgangssignal kan bruges til jævnt at styre motorens hastighed.