שיפור MOSFET: עבודה, הבדלים ויישומיו

MOSFET (FET של מתכת–אוקסיד–מוליכים למחצה) הוא סוג אחד של טרנזיסטור אפקט שדה עם שער מבודד המשמש בעיקר להגברה או מיתוג אותות. כעת במעגלים אנלוגיים ודיגיטליים, משתמשים ב-MOSFET בתדירות גבוהה יותר בהשוואה ל BJTs . MOSFETs משמשים בעיקר במגברים בגלל עכבת הכניסה האינסופית שלהם ולכן זה מאפשר למגבר ללכוד כמעט את כל האות הנכנס. היתרון העיקרי של MOSFET בהשוואה ל-BJT הוא שהוא לא דורש כמעט זרם כניסה לשליטה בזרם העומס. MOSFETs מסווגים לשני סוגים MOSFET שיפור ו-MOSFET דלדול. אז מאמר זה מספק מידע קצר על שיפור MOSFET - עבודה עם אפליקציות.

מהו MOSFET מסוג Enhancement?

ה-MOSFET שעובד במצב שיפור ידוע בשם E-MOSFET או שיפור mosfet. מצב שיפור פירושו, שבכל פעם שהמתח כלפי מסוף השער של ה-MOSFET הזה גדל, זרימת הזרם תגדל יותר מניקוז למקור עד שתגיע לרמה הגבוהה ביותר. ה-MOSFET הזה הוא התקן מבוקר מתח עם שלושה טרמינלים, כאשר המסופים הם מקור, שער וניקוז.

התכונות של MOSFETs אלה הן פיזור הספק נמוך, ייצור פשוט וגיאומטריה קטנה. אז תכונות אלה יגרמו לשימוש במעגלים משולבים. אין מסלול בין הניקוז (D) למקור (S) של MOSFET זה כאשר לא מופעל מתח בין מסופי השער והמקור. אז, הפעלת מתח בשער למקור תשפר את הערוץ, מה שיהפוך אותו ליכול להוליך זרם. מאפיין זה הוא הסיבה העיקרית לקרוא להתקן זה MOSFET במצב שיפור.

סמל MOSFET שיפור

סמלי ה-MOSFET המשופרים הן עבור ערוץ P והן עבור ערוץ N מוצגים להלן. בסמלים שלהלן, אנו יכולים לשים לב שקו שבור פשוט מחובר מהמקור למסוף המצע, מה שמסמל את סוג מצב השיפור.

המוליכות ב-EMOSFETs מוגברת על ידי הגדלת שכבת התחמוצת, מה שמוסיף את נושאי המטען לעבר התעלה. בדרך כלל, שכבה זו ידועה בשם שכבת היפוך.

הערוץ ב-MOSFET זה נוצר בין ה-D (הנקז) ל-S (המקור). בסוג N-channel, נעשה שימוש במצע מסוג P ואילו בסוג P-channel, נעשה שימוש במצע מסוג N. כאן מוליכות הערוץ בגלל נושאי המטען תלויה בעיקר בערוצים מסוג P או N בהתאמה.

עיקרון העבודה של מוסף לשיפור

הַגבָּרָה MOSFET מסוג MOSFET בדרך כלל כבוי, כלומר כאשר MOSFET מסוג השבחה מחובר, לא תהיה זרימת זרם מהניקוז של המסוף (D) למקור (S) כאשר לא ניתן מתח למסוף השער שלו. זו הסיבה לקרוא לטרנזיסטור הזה a מכשיר כבוי בדרך כלל .

באופן דומה, אם המתח ניתן למסוף השער של ה-MOSFET הזה, ערוץ מקור הניקוז יהפוך להיות פחות התנגדות. כאשר המתח מהשער למסוף המקור עולה אזי זרימת הזרם ממסוף למקור תגדל גם היא עד שהזרם הגבוה ביותר יסופק ממסוף הניקוז למקור.

בְּנִיָה

ה בניית MOSFET שיפור מוצג להלן. MOSFET זה כולל שלוש שכבות שער, ניקוז ומקור. הגוף של MOSFET ידוע כמצע המחובר באופן פנימי למקור. ב-MOSFET, מסוף השער המתכתי משכבת ​​המוליכים למחצה מבודד דרך שכבת סיליקון דו חמצני אחרת שכבה דיאלקטרית.

EMOSFET זה בנוי משני חומרים כמו מוליכים למחצה מסוג P ו-N. מצע נותן תמיכה פיזית למכשיר. שכבת SiO דקה ומבודד חשמלי יוצא דופן פשוט מכסים את האזור שבין מסופי המקור והניקוז. על שכבת התחמוצת, שכבה מתכתית יוצרת את אלקטרודת השער.

בבנייה זו, שני אזורי ה-N מופרדים במרחק של כמה מיקרומטרים על פני מצע מסוג p מסומם קלות. שני אזורי N אלה מבוצעים כמו מסופי המקור והניקוז. על פני השטח מתפתחת שכבת בידוד דקה המכונה סיליקון דו חמצני. נושאי המטען כמו חורים שנעשו בשכבה זו יקימו מגעי אלומיניום הן עבור מסופי המקור והן עבור מסופי הניקוז.

שכבת הולכה זו פועלת כמו שער הטרמינל אשר מונח על ה- SiO2 כמו גם השטח השלם של הערוץ. עם זאת עבור הולכה, הוא אינו מכיל שום ערוץ פיזי בסוג זה של שיפור MOSFET, המצע מסוג p מורחב על כל שכבת SiO2.

עובד

העבודה של EMOSFET היא כאשר VGS הוא 0V אז אין ערוץ שיחבר את המקור והניקוז. למצע מסוג p יש רק מספר קטן של נושאי מיעוט המיוצרים תרמית כמו אלקטרונים חופשיים ולכן זרם הניקוז הוא אפס. בגלל סיבה זו, MOSFET זה יהיה כבוי בדרך כלל.

ברגע שהשער (G) חיובי (+ve), אז הוא מושך נושאי מטען מיעוט כמו אלקטרונים ממצע p-שם נושאי המטען הללו יתחברו דרך החורים מתחת לשכבת SiO2. עוד יותר ה-VGS מוגדל ואז לאלקטרונים יהיה מספיק פוטנציאל להתגבר ולהיקשר  ועוד נושאי מטען, כלומר אלקטרונים מושקעים בערוץ.

כאן, הדיאלקטרי משמש כדי למנוע את תנועת האלקטרון על פני שכבת הסיליקון הדו-חמצני. הצטברות זו תגרום להיווצרות n-channel בין מסופי Drain ו-Source. אז זה יכול להוביל לזרימת זרם הניקוז שנוצר לאורך הערוץ. זרם הניקוז הזה הוא פשוט פרופורציונלי להתנגדות הערוץ שתלויה עוד בנושאי המטען הנמשכים למסוף +ve של השער.

סוגי שיפור סוג MOSFET

הם זמינים בשני סוגים N Channel Enhancement MOSFET ו שיפור ערוץ P MOSFET .

בסוג שיפור תעלות N, נעשה שימוש במצע p המסומם קלות ושני אזורים מסוג n מסוממים בכבדות ייצרו את מסופי המקור והניקוז. בסוג זה של E-MOSFET, רוב נושאי המטען הם אלקטרונים. אנא עיין בקישור זה כדי לדעת יותר על - MOSFET N-channel.

בסוג ערוץ P, נעשה שימוש במצע N המסומם קלות ושני אזורים מסוג p מסוממים בכבדות ייצור את מסופי המקור והניקוז. בסוג זה של E-MOSFET, רוב נושאי המטען הם חורים. אנא עיין בקישור זה כדי לדעת יותר על - MOSFET ערוץ P .

מאפיינים

מאפייני ה-VI והניקוז של שיפור ערוץ n MOSFET ושיפור ערוץ p נדונים להלן.

מאפייני ניקוז

ה מאפייני ניקוז מוסף לשיפור ערוץ N מוצגים להלן. במאפיינים אלה, אנו יכולים לראות את מאפייני הניקוז המתוווים בין ה-Id ל-Vds עבור ערכי Vgs שונים כפי שמוצג בתרשים, כפי שניתן לראות שכאשר ערך ה-Vgs גדל, אזי ה-'ID' הנוכחי יוגדל גם הוא.

העקומה הפרבולית על המאפיינים תראה את המיקום של VDS שבו ה-Id (זרם הניקוז) יהיה רווי. בגרף זה, האזור הליניארי או האוהמי מוצג. באזור זה, ה-MOSFET יכול לתפקד כנגד מבוקר מתח. אז, עבור ערך ה-Vds הקבוע, ברגע שנשנה את ערך מתח ה-Vgs, רוחב הערוץ ישתנה או שנוכל לומר שההתנגדות של הערוץ תשתנה.

האזור האוהמי הוא אזור שבו ה-IDS הנוכחי עולה עם עלייה בערך ה-VDS. ברגע ש-MOSFET מתוכננים לעבוד באזור האוהמי, אז ניתן להשתמש בהם כמגברים .

מתח השער שבו הטרנזיסטור נדלק ומתחיל להזרים זרם לאורך הערוץ ידוע כמתח סף (VT או VTH). עבור ערוץ N, ערך מתח סף זה נע בין 0.5V – 0.7V ואילו עבור התקני ערוץ P הוא נע בין -0.5V ל-0.8V.

בכל פעם שה-Vds Vt, במקרה זה, ה-MOSFET יפעל באזור ליניארי. אז באזור זה, זה יכול לתפקד כ נגד מבוקר מתח .

באזור הניתוק, כאשר המתח Vgs

בכל פעם שהמוסף מופעל בצד ימין של הלוקוס אז אפשר לומר שהוא מופעל ב אזור הרוויה . אז, מבחינה מתמטית, בכל פעם שמתח Vgs הוא > או = Vgs-Vt אז הוא פועל באזור רוויה. אז זה הכל על מאפייני הניקוז באזורים שונים של מוסף שיפור.

מאפייני העברה

ה מאפייני העברה של מוסף לשיפור ערוץ N מוצגים להלן. מאפייני ההעברה מראים את הקשר בין מתח הכניסה 'Vgs' לבין זרם ניקוז המוצא 'Id'. מאפיינים אלה מראים בעצם כיצד ה-'id' משתנה כאשר ערכי Vgs משתנים. אז מהמאפיינים האלה, אנו יכולים לראות שזרם הניקוז 'Id' הוא אפס עד למתח הסף. לאחר מכן, כאשר נעלה את ערך ה-Vgs, ה-'Id' יגדל.

היחס בין ה-'Id' הנוכחי ל-Vgs יכול להינתן בתור Id = k(Vgs-Vt)^2. כאן, ה-'K' הוא קבוע המכשיר שתלוי בפרמטרים הפיזיים של המכשיר. אז על ידי שימוש בביטוי זה, נוכל לגלות את ערך זרם הניקוז עבור ערך ה-Vgs הקבוע.

שיפור ערוץ P MOSFET

ה מאפייני ניקוז מוסף לשיפור ערוץ P מוצגים להלן. כאן, ה-Vds וה-Vgs יהיו שליליים. זרם הניקוז 'Id' יספק מהמקור למסוף הניקוז. כפי שאנו יכולים להבחין מהגרף הזה, כאשר Vgs יהפכו שליליים יותר, זרם הניקוז 'Id' יגדל גם הוא.

כאשר ה-Vgs>VT, אז ה-MOSFET הזה יפעל באזור הניתוק. באופן דומה, אם תבחין במאפייני ההעברה של MOSFET זה, זו תהיה תמונת מראה של ערוץ N.

יישומים

הטיה של שיפור MOSFET

באופן כללי, MOSFET לשיפור (E-MOSFET) מוטה עם הטיית מחלק מתח אחרת הטיית משוב ניקוז. אבל ה-E-MOSFET לא ניתן להטות עם הטיה עצמית ואפס הטיה.

הטיית מחלק מתח

הטיית מחלק המתח עבור N ערוץ E-MOSFET מוצגת להלן. הטיית מחלק מתח דומה למעגל המחלק באמצעות BJTs. למעשה, MOSFET לשיפור ערוץ N צריך את מסוף השער שהוא גבוה מהמקור שלו בדיוק כמו שה-NPN BJT צריך מתח בסיס גבוה יותר בהשוואה לפולט שלו.

במעגל זה, הנגדים כמו R1 ו-R2 משמשים לייצור מעגל המחלק להקמת מתח השער.

כאשר המקור של E-MOSFET מחובר ישירות ל-GND אז VGS = VG. אז, הפוטנציאל על פני הנגד R2 צריך להיות מוגדר מעל VGS(th) עבור פעולה תקינה עם משוואה אופיינית E-MOSFET כמו I _ד = K (V _GS -IN _GS (ה))^2.

על ידי הכרת ערך VG, המשוואה האופיינית של E-MOSFET משמשת לביסוס זרם הניקוז. אבל קבוע המכשיר 'K' הוא הגורם החסר היחיד שניתן לחשב עבור כל מכשיר מסוים בהתאם לצמד הקואורדינטות VGS (מופעל), וזיהוי (מופעל).

הקבוע 'K' נגזר מהמשוואה האופיינית של E-MOSFET כמו K = I _ד /(IN _GS -IN _GS (ה))^2.

K = I _ד /(IN _GS -IN _GS (ה))^2.

אז, ערך זה משמש לנקודות הטיה אחרות.

ניקוז הטיית משוב

הטיה זו משתמשת בנקודת הפעולה 'הדלקה' על העקומה האופיינית שהוזכרה לעיל. הרעיון הוא להגדיר זרם ניקוז באמצעות בחירה מתאימה של ספק הכוח ונגד הניקוז. אב הטיפוס של מעגל משוב הניקוז מוצג להלן.

זהו מעגל די פשוט שמשתמש בכמה רכיבים בסיסיים. פעולה זו מובנת על ידי יישום KVL.

IN _DD = V _{מחקר ופיתוח} + V _RG + V _GS

IN _DD = אני _ד ר _ד + אני _G ר _G + V _GS

כאן, זרם השער אינו משמעותי ולכן המשוואה לעיל תהפוך

IN _DD =אני _ד ר _ד +V _GS

וגם V _{DS =} IN _GS

לכן,

IN _GS =V _DS = V _DD - אני _ד ר _ד

ניתן להשתמש במשוואה זו כבסיס לתכנון מעגל ההטיה.

שיפור MOSFET לעומת דלדול MOSFET

ההבדל בין מוסף שיפור לבין מוסף דלדול כולל את הדברים הבאים.

אנא עיין בקישור זה כדי לדעת יותר על - מצב דלדול MOSFET .

ה יישומים של Enhancement MOSFET כלול את הבאים.

• בדרך כלל, MOSFETs לשיפור משמשים במעגלי מיתוג, מגבר ומהפך.
• אלה משמשים בדרייברים שונים של מנועים, בקרים דיגיטליים ו-ICs ​​של אלקטרונית כוח.
• הוא משמש באלקטרוניקה דיגיטלית.

לפיכך, מדובר בסך הכל בסקירה כללית של שיפור MOSFET - עובד עם יישומים. ניתן להשיג את ה-E-MOSFET הן בגרסאות גבוהות והן בגירסאות נמוכות הפועלות במצב שיפור בלבד. הנה שאלה בשבילך, מה זה דלדול MOSFET?