O que é um MOSFET: Funcionando e suas aplicações

O que é um MOSFET: Funcionando e suas aplicações

O transistor MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) é um dispositivo semicondutor amplamente utilizado para fins de comutação e para a amplificação de sinais eletrônicos em dispositivos eletrônicos. Um MOSFET é um núcleo ou circuito integrado onde é projetado e fabricado em um único chip, pois o dispositivo está disponível em tamanhos muito pequenos. A introdução do dispositivo MOSFET trouxe uma mudança no domínio da trocando em eletrônica . Vamos dar uma explicação detalhada desse conceito.



O que é MOSFET?

Um MOSFET é um dispositivo de quatro terminais com terminais de fonte (S), porta (G), dreno (D) e corpo (B). Em geral, o corpo do MOSFET está em conexão com o terminal de origem, formando assim um dispositivo de três terminais, como um transistor de efeito de campo. O MOSFET é geralmente considerado um transistor e empregado tanto nos circuitos analógicos quanto nos digitais. Este é o básico introdução ao MOSFET . E a estrutura geral deste dispositivo é a seguinte:


MOSFET

MOSFET





De cima Estrutura MOSFET , a funcionalidade do MOSFET depende das variações elétricas que acontecem na largura do canal junto com o fluxo de portadores (orifícios ou elétrons). Os portadores de carga entram no canal através do terminal de origem e saem pelo dreno.

A largura do canal é controlada pela voltagem em um eletrodo que é chamado de portão e está localizado entre a fonte e o dreno. É isolado do canal próximo a uma camada extremamente fina de óxido de metal. A capacidade de MOS que existe no dispositivo é a seção crucial onde toda a operação se encontra.



MOSFET com terminais

MOSFET com terminais

Um MOSFET pode funcionar de duas maneiras

  • Modo de Depleção
  • Modo de Melhoria

Modo de Depleção

Quando não há tensão no terminal do gate, o canal mostra sua condutância máxima. Ao passo que, quando a tensão no terminal da porta é positiva ou negativa, a condutividade do canal diminui.


Por exemplo

Modo de deflexãoModo de Melhoria

Quando não há tensão no terminal do gate, o dispositivo não conduz. Quando há tensão máxima no terminal da porta, o dispositivo mostra condutividade aprimorada.

Modo de Melhoria

Modo de Melhoria

Princípio de funcionamento do MOSFET

O princípio principal do dispositivo MOSFET é ser capaz de controlar a tensão e o fluxo de corrente entre os terminais da fonte e do dreno. Funciona quase como um switch e a funcionalidade do dispositivo é baseada no capacitor MOS. O capacitor MOS é a parte principal do MOSFET.

A superfície do semicondutor na camada de óxido abaixo, que está localizada entre a fonte e o terminal de drenagem, pode ser invertida do tipo p para o tipo n pela aplicação de tensões de porta positiva ou negativa, respectivamente. Quando aplicamos uma força repulsiva para a tensão de porta positiva, os orifícios presentes abaixo da camada de óxido são empurrados para baixo com o substrato.

A região de depleção povoada pelas cargas negativas ligadas que estão associadas aos átomos aceitadores. Quando os elétrons são alcançados, um canal é desenvolvido. A voltagem positiva também atrai elétrons da fonte n + e das regiões de drenagem para o canal. Agora, se uma tensão é aplicada entre o dreno e a fonte, a corrente flui livremente entre a fonte e o dreno e a tensão da porta controla os elétrons no canal. Em vez da voltagem positiva, se aplicarmos uma voltagem negativa, um canal oco será formado sob a camada de óxido.

Diagrama de blocos MOSFET

Diagrama de blocos MOSFET

MOSFET P-Channel

O MOSFET de canal P tem uma região de canal P localizada entre os terminais de fonte e dreno. É um dispositivo de quatro terminais tendo os terminais como porta, dreno, fonte e corpo. O dreno e a fonte são a região p + fortemente dopada e o corpo ou substrato é do tipo n. O fluxo de corrente está na direção de orifícios carregados positivamente.

Quando aplicamos a tensão negativa com força repulsiva no terminal da porta, os elétrons presentes sob a camada de óxido são empurrados para baixo no substrato. A região de depleção povoada pelas cargas positivas ligadas que estão associadas aos átomos doadores. A tensão de porta negativa também atrai orifícios da fonte p + e da região de drenagem para a região do canal.

Canal P do modo de esgotamento

Canal P do modo de esgotamento

Modo P Channel Enhanced

Modo P Channel Enhanced

MOSFET de canal N

O MOSFET de canal N tem uma região de canal N localizada entre os terminais de fonte e dreno. É um dispositivo de quatro terminais tendo os terminais como porta, dreno, fonte, corpo. Neste tipo de transistor de efeito de campo, o dreno e a fonte são a região n + fortemente dopada e o substrato ou corpo são do tipo P.

O fluxo de corrente neste tipo de MOSFET ocorre por causa de elétrons carregados negativamente. Quando aplicamos a tensão positiva com força repulsiva no terminal da porta, os orifícios presentes sob a camada de óxido são empurrados para baixo no substrato. A região de depleção é povoada pelas cargas negativas ligadas que estão associadas aos átomos aceitadores.

Após o alcance dos elétrons, o canal é formado. A voltagem positiva também atrai elétrons da fonte n + e das regiões de drenagem para o canal. Agora, se uma tensão é aplicada entre o dreno e a fonte, a corrente flui livremente entre a fonte e o dreno e a tensão da porta controla os elétrons no canal. Em vez de voltagem positiva, se aplicarmos voltagem negativa, um canal oco será formado sob a camada de óxido.

Canal N do Modo de Melhoria

Canal N do Modo de Melhoria

Regiões de operação do MOSFET

Para o cenário mais geral, o funcionamento deste dispositivo acontece principalmente em três regiões e estas são as seguintes:

  • Região de Corte - É a região onde o dispositivo estará na condição DESLIGADO e não haverá fluxo de corrente através dele. Aqui, o dispositivo funciona como um interruptor básico e é empregado quando necessário para operar como interruptores elétricos.
  • Região de saturação - Nesta região, os dispositivos terão seu valor de corrente de dreno para fonte constante, sem considerar o aumento na tensão do dreno para fonte. Isso acontece apenas uma vez, quando a tensão entre o dreno e o terminal da fonte aumenta mais do que o valor da tensão de corte. Nesse cenário, o dispositivo funciona como uma chave fechada, onde flui um nível saturado de corrente através do dreno para os terminais da fonte. Devido a isso, a região de saturação é selecionada quando os dispositivos devem realizar a comutação.
  • Região Linear / Ohmic - É a região onde a corrente através do dreno para o terminal da fonte aumenta com o incremento na tensão através do dreno para o caminho da fonte. Quando os dispositivos MOSFET funcionam nesta região linear, eles executam a funcionalidade do amplificador.

Vamos agora considerar as características de comutação do MOSFET

Um semicondutor também, como MOSFET ou Bipolar Junction Transistor, funciona basicamente como interruptores em dois cenários, um está no estado ON e o outro no estado OFF. Para considerar esta funcionalidade, vamos dar uma olhada nas características ideais e práticas do dispositivo MOSFET.

Características ideais do switch

Quando um MOSFET deve funcionar como um switch ideal, ele deve conter as propriedades abaixo e essas são

  • Na condição LIGADA, deve haver a limitação de corrente que carrega
  • Na condição DESLIGADA, os níveis de tensão de bloqueio não devem conter nenhum tipo de limitação
  • Quando o dispositivo funciona no estado LIGADO, o valor da queda de tensão deve ser nulo
  • A resistência no estado OFF deve ser infinita
  • Não deve haver restrições à velocidade de operação

Características práticas do switch

Como o mundo não está apenas preso a aplicativos ideais, o funcionamento do MOSFET é aplicável até mesmo para fins práticos. No cenário prático, o dispositivo deve conter as propriedades abaixo

  • Na condição ON, as habilidades de gerenciamento de energia devem ser limitadas, o que significa que o fluxo de corrente de condução deve ser restrito.
  • No estado OFF, os níveis de tensão de bloqueio não devem ser limitados
  • Ligar e desligar por tempos finitos restringe a velocidade limite do dispositivo e até mesmo limita a frequência funcional
  • Na condição LIGADO do dispositivo MOSFET, haverá valores mínimos de resistência onde isso resulta na queda de tensão na polarização de encaminhamento. Além disso, existe resistência de estado OFF finito que fornece corrente de fuga reversa
  • Quando o dispositivo está funcionando em características práticas, ele perde a alimentação nas condições ON e OFF. Isso também acontece mesmo nos estados de transição.

Exemplo de MOSFET como um switch

No arranjo de circuito abaixo, um modo avançado e MOSFET de canal N estão sendo usados ​​para ligar uma lâmpada de amostra com as condições ON e OFF. A tensão positiva no terminal do gate é aplicada à base do transistor e a lâmpada passa para a condição ON e aqui VGS= + v ou em nível de tensão zero, o dispositivo passa para a condição OFF, onde VGS= 0.

MOSFET como switch

MOSFET como switch

Se a carga resistiva da lâmpada for substituída por uma carga indutiva e conectada ao relé ou diodo que está protegido para a carga. No circuito acima, é um circuito muito simples para chavear uma carga resistiva, como uma lâmpada ou LED. Mas ao usar o MOSFET como uma chave com carga indutiva ou capacitiva, a proteção é necessária para o dispositivo MOSFET.

Se no caso em que o MOSFET não está protegido, pode levar a danos do dispositivo. Para que o MOSFET opere como um dispositivo de comutação analógico, ele precisa ser alternado entre sua região de corte onde VGS= 0 e região de saturação onde VGS= + v.

descrição do vídeo

O MOSFET também pode funcionar como um transistor e é abreviado como Transistor de efeito de campo de silício de óxido de metal. Aqui, o próprio nome indica que o dispositivo pode ser operado como um transistor. Terá canal P e canal N. O dispositivo é conectado usando os quatro terminais de fonte, porta e dreno e uma carga resistiva de 24Ω é conectada em série com um amperímetro, e um medidor de tensão é conectado ao MOSFET.

No transistor, o fluxo de corrente na porta está em uma direção positiva e o terminal da fonte é conectado ao aterramento. Considerando que em dispositivos de transistor de junção bipolar, o fluxo de corrente é através do caminho base-emissor. Mas neste dispositivo não há fluxo de corrente porque há um capacitor no início da porta, requer apenas tensão.

Isso pode ser feito prosseguindo com o processo de simulação e ligando / desligando. Quando a chave está LIGADA, não há fluxo de corrente pelo circuito, quando a resistência de 24Ω e 0,29 da tensão do amperímetro estão conectadas, encontramos uma queda de tensão desprezível na fonte porque há + 0,21 V neste dispositivo.

A resistência entre o dreno e a fonte é denominada RDS. Devido a este RDS, a queda de tensão aparece quando há fluxo de corrente no circuito. O RDS varia com base no tipo de dispositivo (pode variar entre 0,001, 0,005 e 0,05 com base no tipo de voltagem.

Alguns dos conceitos a aprender são:

1). Como escolher o MOSFET como switch ?

Existem algumas condições a serem observadas ao selecionar o MOSFET como uma chave e essas são as seguintes:

  • Uso da polaridade do canal P ou N
  • Uma classificação máxima de tensão operacional e valores de corrente
  • Aumento de Rds ON, o que significa que a resistência no terminal de drenagem para a fonte quando o canal está completamente aberto
  • Frequência operacional aprimorada
  • O tipo de embalagem é de To-220 e DPAck e muitos outros.

2). O que é a eficiência do switch MOSFET?

A principal restrição no momento de operar o MOSFET como um dispositivo de comutação é o valor de corrente de drenagem aprimorado de que o dispositivo pode ser capaz. Isso significa que o RDS na condição ON é o parâmetro crucial que decide a capacidade de comutação do MOSFET. É representado como a razão entre a tensão da fonte de drenagem e a corrente do dreno. Tem que ser calculado apenas no estado ON do transistor.

3). Por que a chave MOSFET é usada no conversor de reforço?

Em geral, um conversor boost precisa de um transistor de chaveamento para a operação do dispositivo. Portanto, como transistores de comutação, MOSFETs são usados. Esses dispositivos são usados ​​para saber o valor da corrente e os valores de tensão. Além disso, considerando a velocidade e o custo de comutação, eles são amplamente empregados.

Da mesma forma, o MOSFET também pode ser usado de várias maneiras. e esses são

  • MOSFET como um interruptor para LED
  • remove_circle_outline
  • MOSFET como um switch para Arduino
  • Chave MOSFET para carga CA
  • Chave MOSFET para motor DC
  • Chave MOSFET para tensão negativa
  • MOSFET como um switch com Arduino
  • MOSFET como um switch com um microcontrolador
  • Chave MOSFET com histerese
  • MOSFET como diodo de comutação e resistor ativo
  • MOSFET como uma equação de switch
  • Interruptor MOSFET para airsoft
  • MOSFET como resistor de porta de comutação
  • MOSFET como um solenóide de comutação
  • Chave MOSFET usando um optoacoplador
  • Chave MOSFET com histerese

Aplicação do MOSFET como switch

Um dos exemplos mais importantes deste dispositivo é que ele é usado como um interruptor no controle automático de brilho nas luzes da rua. Atualmente, muitas das luzes que observamos nas estradas consistem em lâmpadas de descarga de alta intensidade. Mas usar lâmpadas HID consome níveis de energia aumentados.

O brilho não pode ser limitado com base na necessidade e por isso tem que haver um interruptor para o método de iluminação alternativo e é LED. O uso do sistema LED irá superar as desvantagens das lâmpadas de alta intensidade. O principal conceito por trás da construção disso era controlar as luzes diretamente nas rodovias por meio de um microprocessador.

Aplicativo MOSFET como switch

Aplicativo MOSFET como switch

Isso pode ser alcançado apenas modificando os pulsos do clock. Conforme a necessidade, este dispositivo é utilizado para a troca de lâmpadas. Consiste em uma placa pi framboesa onde acompanha um processador para gerenciamento. Aqui, os LEDs podem ser substituídos no lugar dos HIDs e estes têm uma conexão com o processador através do MOSFET. O microcontrolador fornece ciclos de trabalho correspondentes e, em seguida, muda para MOSFET para fornecer um alto nível de intensidade.

Vantagens

Algumas das vantagens são:

  • Gera maior eficiência, mesmo quando funcionando em níveis mínimos de tensão
  • Não há presença de corrente de porta, isso cria mais impedância de entrada que fornece ainda maior velocidade de comutação para o dispositivo
  • Esses dispositivos podem funcionar em níveis mínimos de potência e usam corrente mínima

Desvantagens

Algumas das desvantagens são:

  • Quando esses dispositivos funcionam em níveis de tensão de sobrecarga, isso cria instabilidade do dispositivo
  • Como os dispositivos possuem uma fina camada de óxido, isso pode criar danos ao dispositivo quando estimulado pelas cargas eletrostáticas

Formulários

As aplicações do MOSFET são

  • Amplificadores feitos de MOSFET são extremamente empregados em aplicações de frequências extensas
  • Os regulamentos para motores DC são fornecidos por esses dispositivos
  • Como estes têm velocidades de comutação aprimoradas, ele atua como perfeito para a construção de amplificadores chopper
  • Funciona como um componente passivo para vários elementos eletrônicos.

No final, pode-se concluir que o transistor requer corrente enquanto o MOSFET requer tensão. O requisito de direção para o MOSFET é muito melhor, muito mais simples em comparação com um BJT. E também saber Como faço para conectar um Mosfet a um switch?

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