MOSFET ist eine der grundlegendsten Komponenten in der Halbleiterindustrie. In elektronischen Schaltkreisen werden MOSFETs im Allgemeinen in Leistungsverstärkerschaltungen oder Schaltnetzteilschaltungen verwendet und sind weit verbreitet. Unten,OLUKEYwird Ihnen das Funktionsprinzip des MOSFET ausführlich erläutern und die interne Struktur des MOSFET analysieren.
Was istMOSFET
MOSFET, Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET). Es handelt sich um einen Feldeffekttransistor, der in analogen und digitalen Schaltkreisen weit verbreitet eingesetzt werden kann. Je nach Polaritätsunterschied seines „Kanals“ (Arbeitsträger) kann er in zwei Typen unterteilt werden: „N-Typ“ und „P-Typ“, die oft als NMOS und PMOS bezeichnet werden.
Funktionsprinzip des MOSFET
MOSFETs können je nach Arbeitsmodus in Anreicherungstyp und Verarmungstyp unterteilt werden. Der Anreicherungstyp bezieht sich auf den MOSFET, wenn keine Vorspannung angelegt wird und keine Verbindung bestehtduktiver Kanal. Der Verarmungstyp bezieht sich auf den MOSFET, wenn keine Vorspannung angelegt wird. Es erscheint ein leitfähiger Kanal.
In tatsächlichen Anwendungen gibt es nur MOSFETs vom N-Kanal-Anreicherungstyp und vom P-Kanal-Anreicherungstyp. Da NMOSFETs einen kleinen Durchlasswiderstand haben und einfach herzustellen sind, sind NMOS in tatsächlichen Anwendungen häufiger anzutreffen als PMOS.
Anreicherungsmodus-MOSFET
Es gibt zwei Back-to-Back-PN-Übergänge zwischen Drain D und Source S des Anreicherungs-MOSFET. Wenn die Gate-Source-Spannung VGS = 0 ist, selbst wenn die Drain-Source-Spannung VDS hinzugefügt wird, gibt es immer einen PN-Übergang in einem umgekehrt vorgespannten Zustand und es gibt keinen leitenden Kanal zwischen Drain und Source (es fließt kein Strom). ). Daher ist der Drain-Strom ID zu diesem Zeitpunkt = 0.
Zu diesem Zeitpunkt wird zwischen Gate und Source eine Durchlassspannung hinzugefügt. Das heißt, VGS > 0, dann wird in der SiO2-Isolierschicht zwischen der Gate-Elektrode und dem Siliziumsubstrat ein elektrisches Feld erzeugt, wobei das Gate mit dem Siliziumsubstrat vom P-Typ ausgerichtet ist. Da die Oxidschicht isolierend ist, kann die am Gate angelegte Spannung VGS keinen Strom erzeugen. Auf beiden Seiten der Oxidschicht entsteht ein Kondensator, den das VGS-Ersatzschaltbild auflädt. Und erzeugen Sie ein elektrisches Feld, während VGS langsam ansteigt, angezogen von der positiven Spannung des Gates. Auf der anderen Seite dieses Kondensators (Kondensators) sammeln sich viele Elektronen an und bilden einen leitenden Kanal vom N-Typ vom Drain zur Source. Wenn VGS die Einschaltspannung VT der Röhre (im Allgemeinen etwa 2 V) überschreitet, beginnt die N-Kanal-Röhre gerade zu leiten und erzeugt einen Drainstrom ID. Wir nennen die Gate-Source-Spannung, wenn der Kanal zum ersten Mal beginnt, die Einschaltspannung zu erzeugen. Im Allgemeinen ausgedrückt als VT.
Durch die Steuerung der Größe der Gate-Spannung VGS ändert sich die Stärke oder Schwäche des elektrischen Feldes, und der Effekt der Steuerung der Größe des Drain-Stroms ID kann erzielt werden. Dies ist auch ein wichtiges Merkmal von MOSFETs, die elektrische Felder zur Stromsteuerung nutzen, weshalb sie auch Feldeffekttransistoren genannt werden.
Interne Struktur des MOSFET
Auf einem P-Typ-Siliziumsubstrat mit geringer Verunreinigungskonzentration werden zwei N+-Bereiche mit hoher Verunreinigungskonzentration hergestellt und zwei Elektroden aus metallischem Aluminium gezogen, die als Drain d bzw. Source s dienen. Dann wird die Halbleiteroberfläche mit einer extrem dünnen Isolierschicht aus Siliziumdioxid (SiO2) bedeckt, und auf der Isolierschicht zwischen Drain und Source wird eine Aluminiumelektrode installiert, die als Gate g dient. Auf dem Substrat ist außerdem eine Elektrode B herausgezogen, die einen N-Kanal-Anreicherungs-MOSFET bildet. Das Gleiche gilt für die interne Bildung von MOSFETs vom P-Kanal-Anreicherungstyp.
N-Kanal-MOSFET- und P-Kanal-MOSFET-Schaltsymbole
Das Bild oben zeigt das Schaltsymbol des MOSFET. Im Bild ist D der Drain, S die Source, G das Gate und der Pfeil in der Mitte stellt das Substrat dar. Zeigt der Pfeil nach innen, handelt es sich um einen N-Kanal-MOSFET, zeigt der Pfeil nach außen, handelt es sich um einen P-Kanal-MOSFET.
Schaltungssymbole für Dual-N-Kanal-MOSFET, Dual-P-Kanal-MOSFET und N+P-Kanal-MOSFET
Tatsächlich wird während des MOSFET-Herstellungsprozesses das Substrat mit der Quelle verbunden, bevor es das Werk verlässt. Daher muss in den Symbologieregeln das Pfeilsymbol, das das Substrat darstellt, auch mit der Quelle verbunden werden, um den Drain und die Quelle zu unterscheiden. Die Polarität der vom MOSFET verwendeten Spannung ähnelt der unseres herkömmlichen Transistors. Der N-Kanal ähnelt einem NPN-Transistor. Der Drain D ist mit der positiven Elektrode verbunden und der Source S ist mit der negativen Elektrode verbunden. Wenn am Gate G eine positive Spannung anliegt, wird ein leitender Kanal gebildet und der N-Kanal-MOSFET beginnt zu arbeiten. Ebenso ähnelt der P-Kanal einem PNP-Transistor. Der Drain D ist mit der negativen Elektrode verbunden, die Source S ist mit der positiven Elektrode verbunden, und wenn am Gate G eine negative Spannung anliegt, wird ein leitender Kanal gebildet und der P-Kanal-MOSFET beginnt zu arbeiten.
MOSFET-Schaltverlustprinzip
Unabhängig davon, ob es sich um NMOS oder PMOS handelt, wird nach dem Einschalten ein leitender Innenwiderstand erzeugt, sodass der Strom an diesem Innenwiderstand Energie verbraucht. Dieser Teil der verbrauchten Energie wird als Leitungsverbrauch bezeichnet. Durch die Auswahl eines MOSFET mit einem kleinen Leitungsinnenwiderstand wird der Leitungsverbrauch effektiv reduziert. Der aktuelle Innenwiderstand von Low-Power-MOSFETs liegt im Allgemeinen bei etwa zehn Milliohm, es gibt aber auch mehrere Milliohm.
Wenn MOS eingeschaltet und beendet wird, darf dies nicht sofort realisiert werden. Die Spannung auf beiden Seiten des MOS nimmt effektiv ab und der durch ihn fließende Strom nimmt zu. Während dieser Zeit ist der Verlust des MOSFET das Produkt aus Spannung und Strom, also der Schaltverlust. Im Allgemeinen sind Schaltverluste viel größer als Leitungsverluste, und je schneller die Schaltfrequenz, desto größer sind die Verluste.
Das Produkt aus Spannung und Strom im Moment der Leitung ist sehr groß, was zu sehr großen Verlusten führt. Schaltverluste können auf zwei Arten reduziert werden. Eine besteht darin, die Schaltzeit zu verkürzen, wodurch der Verlust bei jedem Einschalten effektiv reduziert werden kann. Die andere besteht darin, die Schaltfrequenz zu verringern, wodurch die Anzahl der Schaltvorgänge pro Zeiteinheit verringert werden kann.
Das Obige ist eine detaillierte Erläuterung des Funktionsprinzipdiagramms des MOSFET und eine Analyse der internen Struktur des MOSFET. Um mehr über MOSFET zu erfahren, wenden Sie sich bitte an OLUKEY, um Ihnen technischen MOSFET-Support zu bieten!
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 16. Dezember 2023
