MOSFET چیست: کارکرد و کاربردهای آن

ترانزیستور MOSFET (ترانزیستور اثر نیمه رسانای فلزی اکسید فلزی) یک دستگاه نیمه هادی است به طور گسترده ای برای اهداف سوئیچینگ و تقویت سیگنال های الکترونیکی در دستگاه های الکترونیکی استفاده می شود.  MOSFET یا یک مدار هسته یا مدار مجتمع است که در آن در یک تراشه طراحی و ساخته می شود زیرا دستگاه در اندازه های بسیار کوچک موجود است. معرفی دستگاه MOSFET آورده است تغییر در حوزه سوئیچینگ در الکترونیک. اجازه دهید با توضیح دقیق این مفهوم برویم.

ماسفت چیست؟

MOSFET یک دستگاه چهار ترمینال است که دارای پایانه های منبع (S) ، گیت (G) ، تخلیه (D) و بدنه (B) است. به طور کلی ، بدنه MOSFET با ترمینال منبع در ارتباط است بنابراین دستگاه سه ترمینالی مانند ترانزیستور اثر میدان را تشکیل می دهد. MOSFET معمولاً به عنوان ترانزیستور در نظر گرفته می شود و در مدارهای آنالوگ و دیجیتال به کار می رود. این مقدمه اساسی MOSFET است. و ساختار کلی این دستگاه به شرح زیر است:

از ساختار MOSFET فوق ، عملکرد MOSFET به تغییرات الکتریکی رخ داده در عرض کانال همراه با جریان حامل ها (سوراخ یا الکترون) بستگی دارد. حامل های شارژ از طریق ترمینال منبع وارد کانال می شوند و از طریق تخلیه خارج می شوند.

عرض کانال توسط ولتاژ الکترود کنترل می شود که گیت نامیده می شود و در بین منبع و تخلیه قرار دارد. از کانال نزدیک یک لایه بسیار نازک از اکسید فلز عایق بندی شده است. ظرفیت MOS که در دستگاه وجود دارد بخش مهمی است که در آن کل عملیات انجام می شود.

MOSFET می تواند به دو روش کار کند

حالت بهبود

وقتی ولتاژ از طریق ترمینال دروازه وجود نداشته باشد ، کانال حداکثر هدایت خود را نشان می دهد. در حالی که وقتی ولتاژ روی ترمینال گیت مثبت یا منفی باشد ، پس رسانایی کانال کاهش می یابد.

اصل کار ماسفت

اصل اصلی دستگاه MOSFET این است که بتوان ولتاژ و جریان بین آن را کنترل کرد پایانه های منبع و تخلیه. این تقریباً مانند سوئیچ کار می کند و عملکرد دستگاه بر اساس آن است روی خازن MOS. خازن MOS قسمت اصلی MOSFET است.

سطح نیمه هادی در لایه اکسید زیر که بین منبع و تخلیه قرار دارد ترمینال را می توان با استفاده از یک گیت مثبت یا منفی از نوع p به نوع n معکوس کرد ولتاژ به ترتیب. هنگامی که ما یک نیروی دافعه برای ولتاژ گیت مثبت اعمال می کنیم ، پس از آن سوراخ ها در زیر لایه اکسید با بستر به سمت پایین رانده می شوند.

منطقه تخلیه با شارژهای منفی مقید مرتبط با پذیرنده همراه است اتمها با رسیدن الکترون ها ، یک کانال ایجاد می شود. ولتاژ مثبت باعث جذب الکترون ها نیز می شود از n + منبع و مناطق را به داخل کانال تخلیه کنید. حال اگر ولتاژی بین تخلیه اعمال شود و منبع ، جریان آزادانه بین منبع و تخلیه جریان می یابد و ولتاژ گیت کنترل می کند الکترون در کانال. به جای ولتاژ مثبت ، اگر ولتاژ منفی اعمال کنیم ، یک کانال سوراخ ایجاد می شود در زیر لایه اکسید تشکیل شود.

کانال P- ماسفت

کانال P-MOSFET دارای یک منطقه کانال P است که بین ترمینال های منبع و تخلیه قرار دارد. این است یک دستگاه چهار ترمینال که دارای پایانه هایی به عنوان دروازه ، تخلیه ، منبع و بدنه است. تخلیه و منبع هستند منطقه p + به شدت دوپ شده و بدنه یا بستر از نوع n است. جریان جریان در جهت است سوراخهایی با بار مثبت.وقتی ولتاژ منفی را با نیروی دافعه در ترمینال گیت اعمال می کنیم ، در این صورت الکترون ها وجود دارند زیر لایه اکسید به سمت پایین به زیر لایه رانده می شوند. منطقه تخلیه شده توسط بارهای مثبتی را که با اتم های اهدا کننده مرتبط هستند ، محدود می کند. ولتاژ گیت منفی نیز سوراخ هایی را از منبع p + جذب می کند و منطقه را به منطقه کانال تخلیه می کند.N-Channel MOSFET دارای یک منطقه کانال N در بین ترمینال های منبع و تخلیه قرار دارد. این است 

یک دستگاه چهار ترمینال که دارای پایانه هایی به عنوان دروازه ، تخلیه ، منبع ، بدنه است. در این نوع جلوه های Field ترانزیستور ، تخلیه و منبع به شدت n + doped شده و زیرلایه یا بدنه از نوع P هستند.جریان فعلی در این نوع MOSFET به دلیل وجود الکترونهای دارای بار منفی اتفاق می افتد. زمانی که ما ولتاژ مثبت را با نیروی دافعه در ترمینال گیت و سپس سوراخ های موجود در زیر اکسید اعمال کنید لایه به سمت پایین به زیر لایه رانده می شود. منطقه تخلیه با منفی متصل شده پر می شود اتهاماتی که با اتم های پذیرنده مرتبط هستند.با رسیدن الکترون ها ، کانال تشکیل می شود. ولتاژ مثبت همچنین الکترون ها را از n + منبع را تخلیه و کانالها را تخلیه کنید. حال اگر ولتاژ بین تخلیه و منبع اعمال شود جریان آزادانه بین منبع و تخلیه جریان می یابد و ولتاژ گیت الکترون های موجود در را کنترل می کند کانال به جای ولتاژ مثبت اگر ولتاژ منفی اعمال کنیم ، یک کانال سوراخ در زیر ایجاد می شود لایه اکسید.

N- کانال MOSFET
N-Channel MOSFET دارای یک منطقه کانال N است که در بین ترمینال های منبع و تخلیه قرار دارد. این یک دستگاه چهار ترمینال است که دارای پایانه هایی به عنوان دروازه ، تخلیه ، منبع ، بدنه است. در این نوع ترانزیستور Field Effect ، تخلیه و منبع به شدت n + doped شده و بستر یا بدنه از نوع P هستند.

جریان فعلی در این نوع MOSFET به دلیل وجود الکترونهای دارای بار منفی اتفاق می افتد. هنگامی که ولتاژ مثبت را با نیروی دافعه در ترمینال گیت اعمال می کنیم ، سوراخ های موجود در زیر لایه اکسید به سمت پایین به زیر لایه رانده می شوند. منطقه تخلیه با بارهای منفی مقید مرتبط با اتم های پذیرنده پر می شود.

با رسیدن الکترون ها ، کانال تشکیل می شود. ولتاژ مثبت همچنین الکترون ها را از منبع n + جذب می کند و مناطق را به کانال تخلیه می کند. حال ، اگر ولتاژ بین تخلیه و منبع اعمال شود ، جریان آزادانه بین منبع و تخلیه جریان می یابد و ولتاژ گیت ، الکترون های کانال را کنترل می کند. به جای ولتاژ مثبت اگر ولتاژ منفی اعمال کنیم ، یک کانال سوراخ در زیر لایه اکسید ایجاد می شود.

مناطق عملیاتی MOSFET

به طور کلی ترین سناریو ، عملکرد این دستگاه عمدتا در سه منطقه اتفاق می افتد به شرح زیر است:

منطقه قطع - منطقه ای است که دستگاه در حالت خاموش و در آن مقدار صفر وجود دارد جریان از طریق آن جریان می یابد. در اینجا ، دستگاه به عنوان یک سوئیچ اساسی عمل می کند و مانند زمان حال کار می کند لازم است تا به عنوان سوئیچ های الکتریکی کار کند.

منطقه اشباع - در این منطقه ، دستگاه ها تخلیه خود را به عنوان مقدار فعلی منبع به صورت ثابت انجام می دهند بدون در نظر گرفتن افزایش ولتاژ از طریق تخلیه به منبع. این فقط یک بار اتفاق می افتد هنگامی که ولتاژ از طریق تخلیه به ترمینال منبع بیش از مقدار ولتاژ خرج کردن افزایش یابد. که در در این سناریو ، دستگاه به عنوان یک سوئیچ بسته عمل می کند که در آن سطح اشباع شده جریان از طریق تخلیه به آنجا می رسد جریان پایانه های منبع. به همین دلیل ، زمانی که دستگاه ها قرار است منطقه اشباع انتخاب شود انجام سوئیچینگ

منطقه خطی / اومیک - منطقه ای است که جریان از طریق تخلیه به ترمینال منبع افزایش می یابد با افزایش ولتاژ در مسیر تخلیه به مسیر منبع. وقتی دستگاه های MOSFET کار می کنند این منطقه خطی ، آنها عملکرد تقویت کننده را انجام می دهند.

حال اجازه دهید ویژگیهای سوئیچینگ MOSFET را در نظر بگیریم یک نیمه هادی نیز مانند MOSFET یا Bipolar Junction Transistor اساساً به عنوان سوئیچ در دو حالت یکی حالت ON و دیگری حالت OFF است. برای در نظر گرفتن این قابلیت ، نگاهی بیندازیم در مشخصات ایده آل و عملی دستگاه MOSFET.

مشخصات سوئیچ ایده آل

وقتی قرار است یک MOSFET به عنوان یک سوئیچ ایده آل عمل کند ، باید خصوصیات زیر و آن ها را داشته باشد هستند

در شرایط ON ، محدودیت فعلی آن وجود دارد
در شرایط خاموش ، سطح ولتاژ مسدود کننده نباید هیچ نوع محدودیتی را داشته باشد
وقتی دستگاه در حالت ON کار می کند ، مقدار افت ولتاژ باید صفر باشد
مقاومت در حالت خاموش باید بی نهایت باشد
هیچ محدودیتی در سرعت کار وجود ندارد

مشخصات سوئیچ عملی

از آنجا که دنیا فقط به برنامه های ایده آل گیر نکرده است ، عملکرد MOSFET حتی برای آن قابل استفاده است اهداف عملی در سناریوی عملی ، دستگاه باید ویژگی های زیر را داشته باشد

در شرایط روشن ، توانایی های مدیریت نیرو باید محدود شود که به این معنی است که جریان جریان هدایت باید محدود شود.

در حالت خاموش ، سطح ولتاژ مسدود کننده نباید محدود شودروشن و خاموش کردن برای زمانهای محدود سرعت محدود کننده دستگاه را محدود می کند و حتی سرعت آن را محدود می کند فرکانس عملکردی

با رسیدن الکترون ها ، کانال تشکیل می شود. ولتاژ مثبت همچنین الکترون ها را از منبع n + جذب می کند و مناطق را به کانال تخلیه می کند. حال ، اگر ولتاژ بین تخلیه و منبع اعمال شود ، جریان آزادانه بین منبع و تخلیه جریان می یابد و ولتاژ گیت ، الکترون های کانال را کنترل می کند. به جای ولتاژ مثبت اگر ولتاژ منفی اعمال کنیم ، یک کانال سوراخ در زیر لایه اکسید ایجاد می شود.

در شرایط روشن دستگاه MOSFET ، مقادیر حداقل مقاومت وجود خواهد داشت که این منجر به افت ولتاژ در تعصب هدایت می شود. همچنین ، مقاومت محدود OFF وجود دارد که جریان نشت معکوس را ارائه می دهد

هنگامی که دستگاه در مشخصات عملی عمل می کند ، در شرایط روشن و خاموش شدن برق خود را از دست می دهد. این اتفاق حتی در حالت های گذار نیز رخ می دهد.

نمونه MOSFET به عنوان سوئیچ

در آرایش مدار زیر ، از حالت پیشرفته و کانال N MOSFET برای تعویض a استفاده می شود لامپ نمونه با شرایط روشن و خاموش ولتاژ مثبت در ترمینال گیت به پایه ترانزیستور و لامپ به حالت ON می رود و در اینجا VGS = + v یا در سطح ولتاژ صفر ، دستگاه در شرایط خاموش تبدیل می شود که VGS = 0 باشد.   

اگر قرار بود بار مقاومت لامپ با بار القایی جایگزین شود و به رله یا متصل شود دیود که در برابر بار محافظت می شود. در مدار بالا ، این یک مدار بسیار ساده برای تعویض مقاومت است بار مانند لامپ یا LED. اما هنگام استفاده از MOSFET به عنوان یک سوئیچ یا با بار القایی یا خازنی بارگیری شود ، سپس برای دستگاه MOSFET محافظت لازم است.

اگر در مواردی که MOSFET محافظت نشده باشد ، ممکن است منجر به آسیب دیدن دستگاه شود. برای MOSFET به به عنوان یک دستگاه سوئیچینگ آنالوگ کار می کند ، باید بین منطقه قطع آن که VGS = 0 است سوئیچ شود و منطقه اشباع که در آن VGS = + v.

توضیحات ویدئو

MOSFET همچنین می تواند به عنوان یک ترانزیستور عمل کند و به اختصار عنوان Metal Oxide Silicon Field Effect نامیده می شود ترانزیستور در اینجا ، خود این اسم نشان می داد که دستگاه می تواند به عنوان ترانزیستور کار کند. این P- خواهد داشتکانال و کانال N. دستگاه با استفاده از چهار منبع ، دروازه و تخلیه به گونه ای متصل می شود ترمینال ها و یک بار مقاومت 24Ω به صورت سری با یک آمپرمتر متصل می شوند ، و یک ولتاژ متر است در سراسر MOSFET متصل شده است.

در ترانزیستور جریان جریان در گیت جهت مثبت و ترمینال منبع قرار دارد متصل به زمین. در حالی که در دستگاه های ترانزیستور اتصال دو قطبی ، جریان جریان از طریق پایه است -مسیر به ساطع کننده. اما در این دستگاه جریان جریانی وجود ندارد زیرا در ابتدا یک خازن وجود دارد از دروازه ، فقط به ولتاژ نیاز دارد.

این می تواند با ادامه روند شبیه سازی و روشن یا خاموش شدن اتفاق بیفتد. وقتی که سوئیچ روشن است و در هنگام مقاومت مقاومت 24Ω و 0.29 آمپر متر جریان در مدار وجود ندارد ولتاژ متصل شده است ، سپس ما افت ولتاژ ناچیز را در منبع پیدا می کنیم زیرا + 0.21V وجود دارد در سراسر این دستگاه

مقاومت بین تخلیه و منبع به عنوان RDS نامیده می شود. با توجه به این RDS ، افت ولتاژ ظاهر می شود هنگامی که جریان در مدار وجود دارد. RDS بر اساس نوع دستگاه متفاوت است (می تواند در متفاوت باشد) بین 0.001 ، 0.005 و 0.05 بر اساس نوع ولتاژ.

تعداد کمی از مفاهیم برای یادگیری عبارتند از:
1) چگونه MOSFET را به عنوان سوییچ انتخاب کنیم؟
هنگام انتخاب MOSFET به عنوان سوئیچ ، شرایط کمی وجود دارد که رعایت می شود:استفاده از قطب یا کانال P یا Nحداکثر امتیاز ولتاژ عملیاتی و مقادیر جریانRds ON افزایش یافته که به این معنی است که مقاومت کانال در ترمینال Drain to Source وقتی کانال است کاملاً بازفرکانس عملیاتی پیشرفتهبسته بندی از نوع To-220 و DPAck و بسیاری دیگر است.
2) بهره وری سوئیچ MOSFET چیست؟
محدودیت اصلی در زمان کار با MOSFET به عنوان یک دستگاه سوئیچینگ ، جریان تخلیه تقویت شده است مقداری که دستگاه می تواند توانایی آن را داشته باشد. این بدان معناست که RDS در شرایط ON پارامتر مهمی است قابلیت سوئیچینگ MOSFET را تعیین می کند. به عنوان نسبت ولتاژ منبع تخلیه به نشان داده می شود که از جریان است. فقط باید در حالت ON ترانزیستور محاسبه شود.
3) چرا از سوئیچ MOSFET در Boost Converter استفاده می شود؟به طور کلی ، مبدل تقویت کننده برای عملکرد دستگاه به ترانزیستور سوئیچینگ نیاز دارد. بنابراین ، به عنوان سوئیچینگ 
از MOSFET ترانزیستور استفاده می شود. از این دستگاه ها برای دانستن مقدار جریان و مقادیر ولتاژ استفاده می شود. همچنین، با توجه به سرعت و هزینه سوئیچینگ ، اینها بطور گسترده استفاده می شوند.به همین ترتیب ، از MOSFET می توان به روش های مختلفی نیز استفاده کرد. و اینها هستندMOSFET به عنوان یک سوئیچ برای LEDحذف_چرخ_چرخه
MOSFET به عنوان یک سوئیچ برای آردوینو
سوئیچ MOSFET برای بار متناوب
سوئیچ MOSFET برای موتور dc
سوئیچ MOSFET برای ولتاژ منفی
MOSFET به عنوان یک سوئیچ با Arduino
MOSFET به عنوان یک سوئیچ با میکروکنترلر
سوئیچ MOSFET با هیسترزیس
MOSFET به عنوان دیود سوئیچ و مقاومت فعال
MOSFET به عنوان یک معادله سوئیچ
سوئیچ MOSFET برای airsoft
MOSFET به عنوان مقاومت گیت سوئیچ
MOSFET به عنوان شیر برقی سوئیچینگ
سوئیچ MOSFET با استفاده از اپتوکوپلر

سوئیچ MOSFET با هیسترزیس

استفاده از MOSFET به عنوان یک سوئیچ

یکی از برجسته ترین نمونه های این دستگاه این است که به عنوان سوئیچ استفاده می شود کنترل روشنایی خودکار در چراغ خیابان. این روزها بسیاری از چراغ هایی که در بزرگراه ها مشاهده می کنیم از شدت بالایی تشکیل شده اند لامپ تخلیه اما استفاده از لامپ های HID باعث افزایش سطح انرژی می شود.

روشنایی را نمی توان براساس نیاز محدود کرد و به همین دلیل باید یک سوئیچ وجود داشته باشد برای روش نورپردازی جایگزین و آن LED است. استفاده از سیستم LED بر معایب آن غلبه خواهد کرد لامپ های با شدت بالا. مفهوم اصلی ساخت این امر کنترل مستقیم چراغ ها بود در بزرگراه ها با استفاده از ریزپردازنده.

این فقط با اصلاح پالس های ساعت قابل دستیابی است. بر اساس ضرورت ، از این دستگاه برای استفاده می شود لامپ های تعویض این شامل یک برد raspberry pi است که در آن با پردازنده ای برای مدیریت گنجانده شده است. در اینجا LED ها می توانند جای HID ها جایگزین شوند و این ارتباط با پردازنده دارند از طریق ماسفت میکروکنترلر چرخه های مربوطه را ارائه می دهد و سپس به MOSFET تغییر می کند سطح بالایی از شدت را فراهم می کند.

مزایای

تعداد کمی از مزایا عبارتند از:

این حتی اگر در حداقل سطح ولتاژ کار کند ، بازدهی پیشرفته ایجاد می کند.

وجود جریان گیت وجود ندارد و این باعث ایجاد امپدانس ورودی بیشتری می شود که بیشتر افزایش می یابد سرعت سوئیچینگ برای دستگاه

این دستگاه ها می توانند در حداقل سطح توان کار کنند و از حداقل جریان استفاده می کنندمعایب.

معایب

معایب اندکی وجود دارد:

هنگامی که این دستگاه ها در سطح ولتاژ بیش از حد کار می کنند ، باعث بی ثباتی دستگاه می شود

از آنجا که دستگاه ها دارای لایه اکسید نازکی هستند ، این امر ممکن است در صورت تحریک توسط دستگاه آسیب ببیند بارهای الکترواستاتیک

اپلیکیشن‌ها

برنامه های کاربردی MOSFET عبارتند از:

تقویت کننده های ساخته شده از MOSFET در برنامه های کاربردی با فرکانس گسترده بسیار کار می کنندمقررات مربوط به موتورهای DC توسط این دستگاه ها ارائه می شود

از آنجا که اینها سرعت تعویض را افزایش می دهند ، برای ساخت هلی کوپتر بسیار مناسب عمل می کند آمپلی فایر

توابع به عنوان یک جز component منفعل برای عناصر مختلف الکترونیکی.

در پایان ، می توان نتیجه گرفت که ترانزیستور به جریان نیاز دارد در حالی که MOSFET به ولتاژ نیاز دارد. نیاز به رانندگی برای MOSFET بسیار بهتر است ، در مقایسه با BJT بسیار ساده تر است.

ترک یک پیام 

فهرست پیام