Il transistor MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) è un dispositivo semiconduttore ampiamente utilizzato per scopi di commutazione e per l'amplificazione di segnali elettronici in dispositivi elettronici. Un MOSFET è un nucleo o un circuito integrato in cui è progettato e fabbricato in un singolo chip perché il dispositivo è disponibile in dimensioni molto piccole. L'introduzione del dispositivo MOSFET ha portato un cambiamento nel dominio di commutazione in elettronica . Andiamo con una spiegazione dettagliata di questo concetto.

Cos'è il MOSFET?

Un MOSFET è un dispositivo a quattro terminali con terminali di source (S), gate (G), drain (D) e body (B). In generale, il corpo del MOSFET è in connessione con il terminale di sorgente formando così un dispositivo a tre terminali come un transistor ad effetto di campo. Il MOSFET è generalmente considerato come un transistor e impiegato sia nei circuiti analogici che in quelli digitali. Questa è la base introduzione al MOSFET . E la struttura generale di questo dispositivo è la seguente:

MOSFET

Dall'alto Struttura MOSFET , la funzionalità del MOSFET dipende dalle variazioni elettriche che si verificano nella larghezza del canale insieme al flusso dei portatori (buchi o elettroni). I portatori di carica entrano nel canale attraverso il terminale della sorgente ed escono dallo scarico.

La larghezza del canale è controllata dalla tensione su un elettrodo chiamato gate e si trova tra la sorgente e lo scarico. È isolato dal canale vicino a uno strato estremamente sottile di ossido di metallo. La capacità MOS che esiste nel dispositivo è la sezione cruciale in cui l'intera operazione è attraverso questo.

MOSFET con terminali

Un MOSFET può funzionare in due modi

Modalità esaurimento
Modalità miglioramento

Modalità esaurimento

Quando non c'è tensione attraverso il terminale di gate, il canale mostra la sua conduttanza massima. Mentre quando la tensione ai capi del terminale di gate è positiva o negativa, la conduttività del canale diminuisce.

Per esempio

Modalità miglioramento

Quando non c'è tensione attraverso il terminale di gate, il dispositivo non conduce. Quando è presente la tensione massima sul terminale di gate, il dispositivo mostra una maggiore conduttività.

Modalità miglioramento

Principio di funzionamento del MOSFET

Il principio principale del dispositivo MOSFET è quello di poter controllare il flusso di tensione e corrente tra i terminali di source e drain. Funziona quasi come un interruttore e la funzionalità del dispositivo si basa sul condensatore MOS. Il condensatore MOS è la parte principale del MOSFET.

La superficie del semiconduttore in corrispondenza dello strato di ossido sottostante che si trova tra il terminale di sorgente e di pozzo può essere invertita da tipo p a tipo n mediante l'applicazione di tensioni di gate rispettivamente positive o negative. Quando applichiamo una forza repulsiva per la tensione di gate positiva, i fori presenti sotto lo strato di ossido vengono spinti verso il basso con il substrato.

La regione di svuotamento popolata dalle cariche negative legate associate agli atomi accettori. Quando vengono raggiunti gli elettroni, viene sviluppato un canale. La tensione positiva attrae anche gli elettroni dalle regioni di source e drain n + nel canale. Ora, se viene applicata una tensione tra drain e source, la corrente scorre liberamente tra source e drain e la tensione di gate controlla gli elettroni nel canale. Al posto della tensione positiva, se applichiamo una tensione negativa, si formerà un canale bucato sotto lo strato di ossido.

Schema a blocchi MOSFET

MOSFET a canale P.

Il MOSFET a canale P ha una regione a canale P situata tra i terminali di source e drain. È un dispositivo a quattro terminali con i terminali come gate, drain, source e body. Lo scarico e la sorgente sono nella regione p + fortemente drogata e il corpo o substrato è di tipo n. Il flusso di corrente è nella direzione di buchi caricati positivamente.

Quando applichiamo la tensione negativa con forza repulsiva al terminale di gate, gli elettroni presenti sotto lo strato di ossido vengono spinti verso il basso nel substrato. La regione di svuotamento popolata dalle cariche positive legate associate agli atomi del donatore. La tensione di gate negativa attrae anche buchi dalla regione di source e drain p + nella regione del canale.

Modalità di esaurimento P Canale

Modalità avanzata canale P.

MOSFET a canale N.

Il MOSFET a canale N ha una regione a canale N situata tra i terminali di source e drain. È un dispositivo a quattro terminali avente i terminali come gate, drain, source, body. In questo tipo di transistor ad effetto di campo, il drain e il source sono nella regione n + fortemente drogata e il substrato o il corpo sono di tipo P.

Il flusso di corrente in questo tipo di MOSFET avviene a causa di elettroni caricati negativamente. Quando applichiamo la tensione positiva con forza repulsiva al terminale di gate, i fori presenti sotto lo strato di ossido vengono spinti verso il basso nel substrato. La regione di svuotamento è popolata dalle cariche negative legate che sono associate agli atomi accettori.

Alla portata degli elettroni, il canale si forma. La tensione positiva attrae anche gli elettroni dalle regioni di source e drain n + nel canale. Ora, se viene applicata una tensione tra il drain e il source, la corrente scorre liberamente tra il source e il drain e la tensione di gate controlla gli elettroni nel canale. Invece di una tensione positiva, se applichiamo una tensione negativa, verrà formato un canale di foro sotto lo strato di ossido.

“tensione di lavoro di un condensatore ”

Modalità potenziamento Canale N

Regioni di funzionamento MOSFET

Nello scenario più generale, il funzionamento di questo dispositivo avviene principalmente in tre regioni e quelle sono le seguenti:

Regione di cut-off - È la regione in cui il dispositivo sarà in condizione OFF e la quantità di corrente che lo attraversa è pari a zero. Qui, il dispositivo funziona come un interruttore di base ed è così impiegato come quando sono necessari per funzionare come interruttori elettrici.
Regione di saturazione - In questa regione, i dispositivi avranno il loro valore di corrente da drain a source costante senza considerare l'aumento della tensione attraverso il drain a source. Ciò accade solo una volta quando la tensione attraverso il terminale da drain a source aumenta più del valore della tensione di pinch-off. In questo scenario, il dispositivo funziona come un interruttore chiuso in cui scorre un livello saturo di corrente attraverso i terminali di drain e source. A causa di ciò, la regione di saturazione viene selezionata quando i dispositivi dovrebbero eseguire la commutazione.
Regione lineare / ohmica - È la regione in cui la corrente attraverso il terminale da drain a source aumenta con l'incremento della tensione attraverso il percorso da drain a source. Quando i dispositivi MOSFET funzionano in questa regione lineare, eseguono la funzionalità dell'amplificatore.

Consideriamo ora le caratteristiche di commutazione del MOSFET

Anche un semiconduttore come MOSFET o transistor a giunzione bipolare funziona fondamentalmente come interruttori in due scenari uno è in stato ON e l'altro è in stato OFF. Per considerare questa funzionalità, diamo uno sguardo alle caratteristiche ideali e pratiche del dispositivo MOSFET.

Caratteristiche ideali dell'interruttore

Quando si suppone che un MOSFET funzioni come un interruttore ideale, dovrebbe mantenere le proprietà seguenti e quelle sono

Nella condizione ON, deve esserci la limitazione di corrente che trasporta
Nella condizione OFF, i livelli di tensione di blocco non dovrebbero contenere alcun tipo di limitazione
Quando il dispositivo funziona in stato ON, il valore della caduta di tensione deve essere nullo
La resistenza nello stato OFF dovrebbe essere infinita
Non dovrebbero esserci restrizioni sulla velocità di funzionamento

Caratteristiche pratiche dell'interruttore

Poiché il mondo non è solo bloccato alle applicazioni ideali, il funzionamento del MOSFET è applicabile anche per scopi pratici. Nello scenario pratico, il dispositivo dovrebbe mantenere le proprietà seguenti

Nella condizione ON, le capacità di gestione della potenza dovrebbero essere limitate, il che significa che il flusso di corrente di conduzione deve essere limitato.
Nello stato OFF, i livelli di tensione di blocco non dovrebbero essere limitati
L'accensione e lo spegnimento per tempi finiti limita la velocità limite del dispositivo e limita anche la frequenza funzionale
Nella condizione ON del dispositivo MOSFET, ci saranno valori di resistenza minimi dove ciò si traduce in una caduta di tensione nella polarizzazione di inoltro. Inoltre, esiste una resistenza allo stato OFF finito che fornisce corrente di dispersione inversa
Quando il dispositivo funziona nelle caratteristiche pratiche, perde potenza nelle condizioni ON e OFF. Ciò accade anche negli stati di transizione.

Esempio di MOSFET come interruttore

Nella disposizione del circuito sottostante, una modalità avanzata e un MOSFET a canale N vengono utilizzati per accendere una lampada campione con le condizioni ON e OFF. La tensione positiva al terminale di gate viene applicata alla base del transistor e la lampada si porta in condizione ON e qui V_GS= + vo a livello di tensione zero, il dispositivo si porta in condizione di OFF dove V_GS= 0.

“circuito di controllo remoto per elettrodomestici ”

MOSFET come interruttore

Se il carico resistivo della lampada dovesse essere sostituito da un carico induttivo e collegato al relè o diodo che è protetto al carico. Nel circuito sopra, è un circuito molto semplice per la commutazione di un carico resistivo come una lampada o un LED. Ma quando si utilizza MOSFET come interruttore con carico induttivo o carico capacitivo, è necessaria la protezione per il dispositivo MOSFET.

Se nel caso in cui il MOSFET non sia protetto, potrebbe causare danni al dispositivo. Affinché il MOSFET funzioni come un dispositivo di commutazione analogico, deve essere commutato tra la sua regione di taglio in cui V_GS= 0 e regione di saturazione dove V_GS= + v.

Descrizione video

MOSFET può anche funzionare come transistor ed è abbreviato come Transistor ad effetto di campo in silicio e ossido di metallo. Qui, il nome stesso indicava che il dispositivo può essere utilizzato come transistor. Avrà canale P e canale N. Il dispositivo è collegato in questo modo utilizzando i quattro terminali di source, gate e drain e un carico resistivo di 24 Ω è collegato in serie con un amperometro e un misuratore di tensione è collegato attraverso il MOSFET.

Nel transistor, il flusso di corrente nel gate è in direzione positiva e il terminale di source è collegato a massa. Mentre nei dispositivi a transistor a giunzione bipolare, il flusso di corrente è attraverso il percorso dalla base all'emettitore. Ma in questo dispositivo non c'è flusso di corrente perché c'è un condensatore all'inizio del gate, richiede solo tensione.

Ciò può avvenire procedendo con il processo di simulazione e accendendo / spegnendo. Quando l'interruttore è su ON non c'è flusso di corrente attraverso il circuito, quando sono collegate la resistenza di 24Ω e 0,29 della tensione dell'amperometro, troviamo la caduta di tensione trascurabile attraverso la sorgente perché c'è + 0,21V su questo dispositivo.

La resistenza tra drain e source è definita RDS. A causa di questo RDS, la caduta di tensione appare quando c'è un flusso di corrente nel circuito. RDS varia in base al tipo di dispositivo (può variare tra 0,001, 0,005 e 0,05 in base al tipo di tensione.

Alcuni dei concetti da imparare sono:

1). Come scegliere MOSFET come interruttore ?

Ci sono poche condizioni da osservare quando si seleziona il MOSFET come interruttore e quelle sono le seguenti:

Utilizzo della polarità del canale P o N.
Un valore massimo di tensione di esercizio e valori di corrente
Aumento Rds ON che significa che la resistenza al terminale Drain to Source quando il canale è completamente aperto
Frequenza operativa migliorata
Il tipo di imballaggio è To-220 e DPAck e molti altri.

2). Cos'è l'efficienza dello switch MOSFET?

La principale restrizione al momento del funzionamento del MOSFET come dispositivo di commutazione è il valore di corrente di drain potenziato di cui il dispositivo può essere capace. Significa che RDS in condizione ON è il parametro cruciale che decide la capacità di commutazione del MOSFET. È rappresentato come il rapporto tra la tensione drain-source e quella della corrente di drain. Deve essere calcolato solo nello stato ON del transistor.

3). Perché l'interruttore MOSFET viene utilizzato nel convertitore boost?

In generale, un convertitore boost necessita di un transistor di commutazione per il funzionamento del dispositivo. Quindi, come vengono utilizzati MOSFET a transistor di commutazione. Questi dispositivi vengono utilizzati per conoscere il valore corrente e i valori di tensione. Inoltre, considerando la velocità e il costo di commutazione, questi sono ampiamente utilizzati.

Allo stesso modo, MOSFET può anche essere utilizzato in più modi. e quelli sono

MOSFET come interruttore per LED
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MOSFET come interruttore per Arduino
Interruttore MOSFET per carico CA.
Interruttore MOSFET per motore cc
Interruttore MOSFET per tensione negativa
MOSFET come interruttore con Arduino
MOSFET come interruttore con microcontrollore
Interruttore MOSFET con isteresi
MOSFET come diodo interruttore e resistenza attiva
MOSFET come equazione di commutazione
Interruttore MOSFET per softair
MOSFET come resistenza del gate dell'interruttore
MOSFET come solenoide di commutazione
Interruttore MOSFET che utilizza un fotoaccoppiatore
Interruttore MOSFET con isteresi

Applicazione del MOSFET come interruttore

Uno dei principali esempi di questo dispositivo è che viene utilizzato come interruttore per il controllo automatico della luminosità nei lampioni. Oggigiorno, molte delle luci che osserviamo sulle autostrade sono costituite da lampade a scarica ad alta intensità. Ma l'utilizzo di lampade HID consuma maggiori livelli di energia.

La luminosità non può essere limitata in base alle esigenze e per questo motivo deve esserci un interruttore per il metodo di illuminazione alternativo ed è LED. L'utilizzo del sistema LED supererà gli svantaggi delle lampade ad alta intensità. Il concetto principale alla base della costruzione di questo è stato quello di controllare le luci direttamente sulle autostrade facendo uso di un microprocessore.

Applicazione MOSFET come interruttore

Ciò può essere ottenuto semplicemente modificando gli impulsi di clock. In base alla necessità, questo dispositivo viene utilizzato per l'accensione delle lampade. Consiste in una scheda Raspberry Pi in cui è incluso un processore per la gestione. Qui, i LED possono essere sostituiti al posto degli HID e questi hanno una connessione con il processore tramite MOSFET. Il microcontrollore fornisce cicli di lavoro corrispondenti e quindi passa a MOSFET per fornire un alto livello di intensità.

Vantaggi

Alcuni dei vantaggi sono:

Genera una maggiore efficienza anche quando funziona a livelli di tensione minimi
Non c'è presenza di corrente di gate, questo crea una maggiore impedenza di ingresso che fornisce ulteriormente una maggiore velocità di commutazione per il dispositivo
Questi dispositivi possono funzionare a livelli di potenza minimi e utilizzano una corrente minima

Svantaggi

Alcuni degli svantaggi sono:

Quando questi dispositivi funzionano a livelli di tensione di sovraccarico, crea instabilità del dispositivo
Poiché i dispositivi hanno un sottile strato di ossido, questo può creare danni al dispositivo quando stimolato dalle cariche elettrostatiche

Applicazioni

Le applicazioni del MOSFET sono

Gli amplificatori fatti di MOSFET sono estremamente impiegati in applicazioni di frequenza estese
La regolazione per i motori DC è fornita da questi dispositivi
Poiché questi hanno velocità di commutazione migliorate, si comporta come perfetto per la costruzione di amplificatori chopper
Funziona come un componente passivo per vari elementi elettronici.

Alla fine, si può concludere che il transistor richiede corrente mentre il MOSFET richiede una tensione. Il requisito di guida per il MOSFET è molto migliore, molto più semplice rispetto a un BJT. E anche sapere Come collego un Mosfet a un interruttore?

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