Kako delujejo MOSFET-ji

Načelo delovanja MOSFET-a temelji predvsem na njegovih edinstvenih strukturnih lastnostih in učinkih električnega polja. Sledi podrobna razlaga delovanja MOSFET-ov:

I. Osnovna zgradba MOSFET-a

MOSFET je sestavljen predvsem iz vrat (G), izvora (S), odtoka (D) in substrata (B, ki je včasih povezan z izvorom, da tvori napravo s tremi priključki). Pri MOSFET-jih za izboljšanje N-kanalov je substrat običajno nizko dopiran silicijev material tipa P, na katerem sta izdelani dve visoko dopirani regiji tipa N, ki služita kot vir oziroma odvod. Površina substrata tipa P je prekrita z zelo tankim oksidnim filmom (silicijev dioksid) kot izolacijska plast, elektroda pa je narisana kot vrata. Zaradi te strukture so vrata izolirana od polprevodniškega substrata tipa P, odtoka in izvora, zato se imenuje tudi cev z učinkom polja z izoliranimi vrati.

II. Načelo delovanja

MOSFET-ji delujejo z uporabo napetosti izvora vrat (VGS) za nadzor odtočnega toka (ID). Natančneje, ko je uporabljena pozitivna napetost izvora vrat, VGS, večja od nič, se bosta na oksidni plasti pod vrati pojavila zgornje pozitivno in spodnje negativno električno polje. To električno polje privlači proste elektrone v P-regiji, zaradi česar se kopičijo pod oksidno plastjo, medtem ko odbija luknje v P-regiji. Z naraščanjem VGS se povečuje moč električnega polja in koncentracija pritegnjenih prostih elektronov. Ko VGS doseže določeno mejno napetost (VT), je koncentracija prostih elektronov, zbranih v območju, dovolj velika, da tvori novo območje N-tipa (N-kanal), ki deluje kot most, ki povezuje odtok in izvor. Na tej točki, če obstaja določena pogonska napetost (VDS) med odtokom in virom, začne teči odtočni tok ID.

III. Nastanek in sprememba prevodnega kanala

Oblikovanje prevodnega kanala je ključ do delovanja MOSFET-a. Ko je VGS večji od VT, se vzpostavi prevodni kanal in na ID odtočnega toka vplivata tako VGS kot VDS. VGS vpliva na ID tako, da nadzira širino in obliko prevodnega kanala, medtem ko VDS vpliva na ID neposredno kot pogonska napetost. Pomembno je upoštevati, da če prevodni kanal ni vzpostavljen (tj. VGS je manjši od VT), se ID odvodnega toka ne prikaže, tudi če je VDS prisoten.

IV. Značilnosti MOSFET-ov

Visoka vhodna impedanca:Vhodna impedanca MOSFET-a je zelo visoka, blizu neskončnosti, ker obstaja izolacijska plast med vrati in območjem izvor-odvod ter le šibek tok vrat.

Nizka izhodna impedanca:MOSFET-ji so napetostno krmiljene naprave, pri katerih se tok izvor-odvod lahko spreminja z vhodno napetostjo, zato je njihova izhodna impedanca majhna.

Konstanten pretok:Pri delovanju v območju nasičenosti na tok MOSFET praktično ne vplivajo spremembe napetosti izvor-odvod, kar zagotavlja odličen konstanten tok.

Dobra temperaturna stabilnost:MOSFET-ji imajo široko temperaturno območje delovanja od -55 °C do približno +150 °C.

V. Aplikacije in klasifikacije

MOSFET-ji se pogosto uporabljajo v digitalnih vezjih, analognih vezjih, močnostnih vezjih in na drugih področjih. Glede na vrsto delovanja lahko MOSFET-je razvrstimo v tipe za izboljšanje in izčrpavanje; glede na vrsto prevodnega kanala jih lahko razvrstimo v N-kanale in P-kanale. Te različne vrste MOSFET-jev imajo svoje prednosti v različnih scenarijih uporabe.

Če povzamemo, načelo delovanja MOSFET-a je krmiljenje nastajanja in spreminjanja prevodnega kanala skozi napetost vira vrat, kar nato nadzoruje pretok odvodnega toka. Zaradi visoke vhodne impedance, nizke izhodne impedance, konstantnega toka in temperaturne stabilnosti so MOSFET-ji pomembna komponenta v elektronskih vezjih.