Wie MOSFETs funktionieren

Das Funktionsprinzip des MOSFET basiert hauptsächlich auf seinen einzigartigen Struktureigenschaften und elektrischen Feldeffekten. Nachfolgend finden Sie eine ausführliche Erläuterung der Funktionsweise von MOSFETs:

 

I. Grundstruktur des MOSFET

Ein MOSFET besteht hauptsächlich aus einem Gate (G), einer Source (S), einem Drain (D) und einem Substrat (B, manchmal mit der Source verbunden, um ein Gerät mit drei Anschlüssen zu bilden). Bei N-Kanal-Anreicherungs-MOSFETs ist das Substrat normalerweise ein niedrig dotiertes P-Typ-Siliziummaterial, auf dem zwei hochdotierte N-Typ-Bereiche hergestellt sind, die jeweils als Source und Drain dienen. Die Oberfläche des P-Typ-Substrats ist mit einem sehr dünnen Oxidfilm (Siliziumdioxid) als Isolierschicht bedeckt und eine Elektrode wird als Gate gezeichnet. Durch diese Struktur ist das Gate vom P-Typ-Halbleitersubstrat, dem Drain und der Source isoliert und wird daher auch als Feldeffektröhre mit isoliertem Gate bezeichnet.

II. Funktionsprinzip

MOSFETs nutzen die Gate-Source-Spannung (VGS), um den Drain-Strom (ID) zu steuern. Insbesondere wenn die angelegte positive Gate-Source-Spannung VGS größer als Null ist, erscheint ein oberes positives und ein unteres negatives elektrisches Feld auf der Oxidschicht unter dem Gate. Dieses elektrische Feld zieht freie Elektronen in der P-Region an, wodurch sie sich unterhalb der Oxidschicht ansammeln, während Löcher in der P-Region abgestoßen werden. Mit zunehmender VGS nimmt die Stärke des elektrischen Feldes zu und die Konzentration angezogener freier Elektronen nimmt zu. Wenn VGS eine bestimmte Schwellenspannung (VT) erreicht, ist die Konzentration der in der Region gesammelten freien Elektronen groß genug, um eine neue N-Typ-Region (N-Kanal) zu bilden, die wie eine Brücke zwischen Drain und Source wirkt. Wenn an diesem Punkt eine bestimmte Antriebsspannung (VDS) zwischen Drain und Source anliegt, beginnt der Drain-Strom ID zu fließen.

III. Bildung und Wechsel des Leitungskanals

Die Bildung des leitenden Kanals ist der Schlüssel zum Betrieb des MOSFET. Wenn VGS größer als VT ist, wird der leitende Kanal eingerichtet und der Drainstrom-ID wird sowohl von VGS als auch von VDS beeinflusst. VGS beeinflusst ID durch Steuerung der Breite und Form des leitenden Kanals, während VDS ID direkt als Ansteuerspannung beeinflusst Es ist wichtig zu beachten, dass der Drain-Strom ID nicht angezeigt wird, wenn der leitende Kanal nicht eingerichtet ist (dh VGS ist kleiner als VT), selbst wenn VDS vorhanden ist.

IV. Eigenschaften von MOSFETs

Hohe Eingangsimpedanz:Die Eingangsimpedanz des MOSFET ist sehr hoch, nahe unendlich, da sich zwischen dem Gate und dem Source-Drain-Bereich eine Isolierschicht befindet und nur ein schwacher Gate-Strom fließt.

Niedrige Ausgangsimpedanz:MOSFETs sind spannungsgesteuerte Geräte, bei denen sich der Source-Drain-Strom mit der Eingangsspannung ändern kann, sodass ihre Ausgangsimpedanz klein ist.

Konstanter Durchfluss:Beim Betrieb im Sättigungsbereich bleibt der Strom des MOSFET praktisch unbeeinflusst von Änderungen der Source-Drain-Spannung und sorgt für einen hervorragenden Konstantstrom.

 

Gute Temperaturstabilität:Die MOSFETs haben einen weiten Betriebstemperaturbereich von -55 °C bis etwa +150 °C.

V. Anwendungen und Klassifizierungen

MOSFETs werden häufig in digitalen Schaltkreisen, analogen Schaltkreisen, Leistungsschaltkreisen und anderen Bereichen eingesetzt. Je nach Betriebstyp können MOSFETs in Anreicherungs- und Verarmungstypen eingeteilt werden; Je nach Art des leitenden Kanals können sie in N-Kanal und P-Kanal eingeteilt werden. Diese verschiedenen MOSFET-Typen haben in unterschiedlichen Anwendungsszenarien ihre eigenen Vorteile.

Zusammenfassend besteht das Funktionsprinzip des MOSFET darin, die Bildung und Änderung des leitenden Kanals durch die Gate-Source-Spannung zu steuern, die wiederum den Fluss des Drain-Stroms steuert. Seine hohe Eingangsimpedanz, niedrige Ausgangsimpedanz, Konstantstrom- und Temperaturstabilität machen MOSFETs zu einer wichtigen Komponente in elektronischen Schaltkreisen.