شرح تفصيلي لمبدأ عمل مخطط MOSFET | تحليل الهيكل الداخلي لـ FET

يعد MOSFET أحد المكونات الأساسية في صناعة أشباه الموصلات. في الدوائر الإلكترونية، يستخدم MOSFET بشكل عام في دوائر مضخم الطاقة أو دوائر إمداد الطاقة التبديلية ويستخدم على نطاق واسع. أقل،أولوكيسوف أعطيك شرحًا تفصيليًا لمبدأ عمل MOSFET وتحليل الهيكل الداخلي لـ MOSFET.

ما هوموسفيت

MOSFET، ترانزستور ذو تأثير لأشباه الموصلات من أكسيد المعدن (MOSFET). إنه ترانزستور ذو تأثير ميداني يمكن استخدامه على نطاق واسع في الدوائر التناظرية والدوائر الرقمية. وفقًا للاختلاف القطبي في "القناة" (الناقل العامل)، يمكن تقسيمها إلى نوعين: "النوع N" و"النوع P"، والتي تسمى غالبًا NMOS وPMOS.

مبدأ عمل MOSFET

يمكن تقسيم MOSFET إلى نوع التعزيز ونوع الاستنفاد وفقًا لوضع العمل. يشير نوع التحسين إلى MOSFET عندما لا يتم تطبيق أي جهد متحيز ولا يوجد أي عيبقناة موصلة. يشير نوع الاستنفاد إلى MOSFET عند عدم تطبيق أي جهد متحيز. سوف تظهر قناة موصلة.

في التطبيقات الفعلية، لا يوجد سوى نوع تحسين القناة N و MOSFET من نوع تحسين القناة P. نظرًا لأن NMOSFETs تتمتع بمقاومة صغيرة على الحالة وسهلة التصنيع، فإن NMOS أكثر شيوعًا من PMOS في التطبيقات الفعلية.

وضع التحسين MOSFET

يوجد وصلتان PN متتاليتان بين المصرف D والمصدر S لوضع التحسين MOSFET. عندما يكون جهد مصدر البوابة VGS = 0، حتى لو تمت إضافة جهد مصدر الصرف VDS، يوجد دائمًا تقاطع PN في حالة انحياز عكسي، ولا توجد قناة موصلة بين المصرف والمصدر (لا يوجد تدفقات تيار ). ولذلك، فإن معرف تيار التصريف = 0 في هذا الوقت.

في هذا الوقت، إذا تم إضافة الجهد إلى الأمام بين البوابة والمصدر. أي VGS > 0، سيتم إنشاء مجال كهربائي مع البوابة المحاذية لركيزة السيليكون من النوع P في الطبقة العازلة SiO2 بين قطب البوابة وركيزة السيليكون. نظرًا لأن طبقة الأكسيد عازلة، فإن جهد VGS المطبق على البوابة لا يمكنه إنتاج تيار. يتم إنشاء مكثف على جانبي طبقة الأكسيد، وتقوم الدائرة المكافئة VGS بشحن هذا المكثف (المكثف). ويولد مجال كهربائي، حيث يرتفع VGS ببطء، ينجذب إلى الجهد الموجب للبوابة. يتراكم عدد كبير من الإلكترونات على الجانب الآخر من هذا المكثف (المكثف) ويشكل قناة موصلة من النوع N من المصرف إلى المصدر. عندما يتجاوز VGS جهد التشغيل VT للأنبوب (بشكل عام حوالي 2 فولت)، يبدأ أنبوب القناة N في التوصيل، مما يؤدي إلى إنشاء معرف تيار التصريف. نحن نطلق على جهد مصدر البوابة عندما تبدأ القناة لأول مرة في توليد جهد التشغيل. يتم التعبير عنها عمومًا بـ VT.

التحكم في حجم جهد البوابة VGS يغير قوة أو ضعف المجال الكهربائي، ويمكن تحقيق تأثير التحكم في حجم معرف تيار التصريف. وهذه أيضًا ميزة مهمة في الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) التي تستخدم المجالات الكهربائية للتحكم في التيار، لذلك يطلق عليها أيضًا ترانزستورات التأثير الميداني.

الهيكل الداخلي موسفيت

على ركيزة سيليكون من النوع P ذات تركيز شوائب منخفض، يتم إنشاء منطقتين N+ بتركيز شوائب عالي، ويتم سحب قطبين كهربائيين من معدن الألومنيوم ليكونا بمثابة المصرف d والمصدر s على التوالي. ثم يتم تغطية سطح أشباه الموصلات بطبقة عازلة رقيقة للغاية من ثاني أكسيد السيليكون (SiO2)، ويتم تثبيت قطب كهربائي من الألومنيوم على الطبقة العازلة بين المصرف والمصدر ليكون بمثابة البوابة g. يتم أيضًا رسم القطب الكهربائي B على الركيزة، مما يشكل MOSFET في وضع تعزيز القناة N. وينطبق الشيء نفسه على التكوين الداخلي لوحدات MOSFET من النوع المعزز للقناة P.

رموز دائرة MOSFET N-channel وP-channel MOSFET

الصورة أعلاه توضح رمز دائرة MOSFET. في الصورة، D هو المصرف، S هو المصدر، G هو البوابة، والسهم في المنتصف يمثل الركيزة. إذا كان السهم يشير إلى الداخل، فإنه يشير إلى MOSFET ذو قناة N، وإذا كان السهم يشير إلى الخارج، فإنه يشير إلى MOSFET ذو قناة P.

رموز دائرة MOSFET ثنائية القناة N، وMOSFET ثنائية القناة P، ورموز دائرة MOSFET N+P

في الواقع، أثناء عملية تصنيع MOSFET، يتم توصيل الركيزة بالمصدر قبل مغادرة المصنع. ولذلك، في قواعد الترميز، يجب أيضًا أن يكون رمز السهم الذي يمثل الركيزة متصلاً بالمصدر للتمييز بين المصرف والمصدر. إن قطبية الجهد الذي يستخدمه MOSFET يشبه قطبية الترانزستور التقليدي لدينا. تشبه القناة N ترانزستور NPN. يتم توصيل الصرف D بالقطب الموجب والمصدر S متصل بالقطب السالب. عندما يكون للبوابة G جهد موجب، يتم تشكيل قناة موصلة ويبدأ MOSFET ذو القناة N في العمل. وبالمثل، فإن القناة P تشبه ترانزستور PNP. يتم توصيل الصرف D بالقطب السالب، ويتم توصيل المصدر S بالقطب الموجب، وعندما يكون للبوابة G جهد سلبي، يتم تشكيل قناة موصلة ويبدأ MOSFET ذو القناة P في العمل.

MOSFET تبديل مبدأ الخسارة

سواء كان NMOS أو PMOS، هناك مقاومة داخلية للتوصيل يتم إنشاؤها بعد تشغيله، بحيث يستهلك التيار الطاقة على هذه المقاومة الداخلية. يسمى هذا الجزء من الطاقة المستهلكة باستهلاك التوصيل. إن اختيار MOSFET ذو مقاومة داخلية صغيرة للتوصيل سوف يقلل بشكل فعال من استهلاك التوصيل. تبلغ المقاومة الداخلية الحالية للدوائر المتكاملة منخفضة الطاقة (MOSFETs) عمومًا حوالي عشرات الملي أوم، وهناك أيضًا عدة ملي أوم.

عند تشغيل MOS وإنهائه، لا يجب أن يتم ذلك في لحظة. سينخفض الجهد الكهربائي على جانبي MOS بشكل فعال، وسيزداد التيار المتدفق عبره. خلال هذه الفترة، يكون فقدان MOSFET هو نتاج الجهد والتيار، وهو فقدان التبديل. بشكل عام، تكون خسائر التبديل أكبر بكثير من خسائر التوصيل، وكلما زاد تردد التبديل، زادت الخسائر.

إن ناتج الجهد والتيار في لحظة التوصيل كبير جدًا، مما يؤدي إلى خسائر كبيرة جدًا. يمكن تقليل خسائر التبديل بطريقتين. الأول هو تقليل وقت التبديل، والذي يمكن أن يقلل بشكل فعال من الخسارة أثناء كل عملية تشغيل؛ والآخر هو تقليل تردد التبديل، مما قد يقلل من عدد المفاتيح لكل وحدة زمنية.

ما سبق هو شرح مفصل لمبدأ عمل MOSFET وتحليل الهيكل الداخلي لـ MOSFET. لمعرفة المزيد حول MOSFET، نرحب باستشارة OLUKEY لتزويدك بالدعم الفني لـ MOSFET!