تحسين MOSFET: العمل والاختلافات وتطبيقاتها

MOSFET (معدن - أكسيد - أشباه موصلات FET) هو نوع واحد من ترانزستور تأثير المجال مع بوابة معزولة تستخدم بشكل أساسي لتضخيم الإشارات أو تبديلها. الآن في الدوائر التناظرية والرقمية ، يتم استخدام الدوائر MOSFET بشكل متكرر مقارنةً بـ BJTs . تستخدم MOSFETs بشكل أساسي في مكبرات الصوت بسبب معاوقة الإدخال اللانهائية ، لذا فهي تسمح للمكبر بالتقاط كل الإشارات الواردة تقريبًا. الفائدة الرئيسية من موسفيت بالمقارنة مع BJT ، فإنه لا يتطلب أي تيار إدخال تقريبًا للتحكم في تيار الحمل. يتم تصنيف MOSFETs إلى نوعين من تحسين MOSFET ونضوب MOSFET. لذلك تقدم هذه المقالة معلومات موجزة عن تعزيز MOSFET - العمل مع التطبيقات.

ما هو نوع التحسين MOSFET؟

يُعرف MOSFET الذي يعمل في وضع التحسين باسم E-MOSFET أو mosfet التحسين. يعني وضع التحسين أنه كلما زاد الجهد باتجاه طرف البوابة لهذا MOSFET ، فسيتم زيادة التدفق الحالي أكثر من الصرف إلى المصدر حتى يصل إلى أعلى مستوى. هذا MOSFET عبارة عن جهاز ثلاثي الأطراف يتم التحكم فيه بالجهد حيث تكون المحطات مصدرًا وبوابة واستنزافًا.

ميزات هذه MOSFETs هي تبديد منخفض للطاقة ، وتصنيع بسيط ، وهندسة صغيرة. لذا فإن هذه الميزات ستجعلها مستخدمة داخل دوائر متكاملة. لا يوجد مسار بين الصرف (D) والمصدر (S) لهذا MOSFET عندما لا يتم تطبيق أي جهد بين طرفي البوابة والمصدر. لذلك ، فإن تطبيق الجهد عند البوابة إلى المصدر سيعزز القناة ، مما يجعلها قادرة على توصيل التيار. هذه الخاصية هي السبب الرئيسي لتسمية هذا الجهاز بوضع التحسين MOSFET.

تعزيز رمز MOSFET

وترد أدناه رموز التعزيز MOSFET لكل من P-channel و N-channel. في الرموز أدناه ، يمكننا ملاحظة أن الخط المكسور متصل ببساطة من المصدر إلى محطة الركيزة ، مما يدل على نوع وضع التحسين.

تعزز الموصلية في EMOSFETs عن طريق زيادة طبقة الأكسيد ، والتي تضيف حاملات الشحنة باتجاه القناة. عادة ، تُعرف هذه الطبقة باسم الطبقة المعكوسة.

يتم تشكيل القناة في هذا MOSFET بين D (استنزاف) و S (المصدر). في نوع القناة N ، يتم استخدام الركيزة من النوع P بينما في نوع القناة P ، يتم استخدام الركيزة من النوع N. هنا تعتمد موصلية القناة بسبب ناقلات الشحن بشكل أساسي على القنوات من النوع P أو النوع N في المقابل.

تعزيز مبدأ العمل Mosfet

التعزيز يتم إيقاف تشغيل MOSFETS من النوع عادةً مما يعني أنه عندما يتم توصيل MOSFET من نوع التعزيز ، لن يكون هناك تدفق للتيار من استنزاف المحطة (D) إلى المصدر (S) عندما لا يتم إعطاء جهد إلى طرف البوابة. هذا هو سبب تسمية هذا الترانزستور أ عادة خارج الجهاز .

وبالمثل ، إذا تم إعطاء الجهد لطرف بوابة MOSFET ، فإن قناة مصدر التصريف ستصبح أقل مقاومة. عندما يزداد الجهد من البوابة إلى طرف المصدر ، فإن تدفق التيار من الصرف إلى طرف المصدر سيزداد أيضًا حتى يتم توفير أعلى تيار من طرف الصرف إلى المصدر.

بناء

ال بناء تعزيز MOSFET هو مبين أدناه. يشتمل هذا MOSFET على ثلاث طبقات بوابة ، وتصريف ، ومصدر. يُعرف جسم MOSFET بأنه ركيزة متصلة داخليًا بالمصدر. في MOSFET ، يتم عزل طرف البوابة المعدنية من طبقة أشباه الموصلات من خلال طبقة ثاني أكسيد السيليكون أو طبقة عازلة.

تم تصنيع EMOSFET من مادتين مثل أشباه الموصلات من النوع P و N. الركيزة توفر الدعم المادي للجهاز. طبقة SiO رفيعة وعازل كهربائي متميز يغطيان ببساطة المنطقة الواقعة بين طرفي المصدر والتصريف. على طبقة الأكسيد ، تشكل طبقة معدنية قطب البوابة.

في هذا البناء ، يتم فصل المنطقتين N من خلال بعض مسافة ميكرومتر على طبقة سفلية من النوع p مخدر قليلاً. يتم تنفيذ هاتين المنطقتين N مثل محطات المصدر والصرف. على السطح ، يتم تطوير طبقة رقيقة عازلة تعرف باسم ثاني أكسيد السيليكون. ستؤسس حاملات الشحن مثل الثقوب التي يتم إجراؤها على هذه الطبقة ملامسات من الألومنيوم لكل من المصدر ومحطات التصريف.

تعمل طبقة التوصيل هذه مثل البوابة الطرفية الموضوعة على SiO2 بالإضافة إلى المساحة الكاملة للقناة. ومع ذلك ، بالنسبة للتوصيل ، فإنه لا يحتوي على أي قناة مادية في هذا النوع من التحسين MOSFET ، يتم تمديد الركيزة من النوع p على طبقة SiO2 بأكملها.

عمل

يكون عمل EMOSFET عندما يكون VGS 0 فولت ، فلا توجد قناة تربط المصدر والصرف. تحتوي الركيزة من النوع p على عدد صغير فقط من ناقلات الشحن الأقلية المنتجة حرارياً مثل الإلكترونات الحرة وبالتالي فإن تيار التصريف هو صفر. لهذا السبب ، سيتم إيقاف تشغيل MOSFET بشكل طبيعي.

بمجرد أن تكون البوابة (G) موجبة (+ ve) ، فإنها تجذب ناقلات الشحنة الأقلية مثل الإلكترونات من الركيزة p حيث تتحد حاملات الشحنة هذه عبر الثقوب الموجودة أسفل طبقة SiO2. يتم زيادة VGS الإضافية ثم سيكون للإلكترونات إمكانات كافية للتغلب على الترابط والمزيد من حاملات الشحنة ، أي يتم ترسيب الإلكترونات في القناة.

هنا ، يتم استخدام العازل لمنع حركة الإلكترون عبر طبقة ثاني أكسيد السيليكون. سيؤدي هذا التراكم إلى تشكيل قناة n بين طرفي الصرف والمصدر. لذلك يمكن أن يؤدي هذا إلى تدفق تيار التصريف المتولد في جميع أنحاء القناة. يتناسب تيار التصريف هذا مع مقاومة القناة التي تعتمد بشكل أكبر على حاملات الشحنة المنجذبة إلى الطرف + الخامس للبوابة.

أنواع تحسين نوع MOSFET

كانت متوفرة في نوعين N قناة تحسين MOSFET و P قناة تحسين MOSFET .

في نوع تحسين القناة N ، يتم استخدام الركيزة p المخدرة قليلاً وستعمل منطقتان من النوع n المخدر بشدة على إنشاء محطات المصدر والتصريف. في هذا النوع من E-MOSFET ، تكون غالبية ناقلات الشحن من الإلكترونات. يرجى الرجوع إلى هذا الرابط لمعرفة المزيد عن - N- قناة MOSFET.

في نوع القناة P ، يتم استخدام الركيزة N المخدرة قليلاً وستعمل منطقتان من النوع p المخدر بشدة على محطات المصدر والتصريف. في هذا النوع من E-MOSFET ، تكون غالبية ناقلات الشحن عبارة عن ثقوب. يرجى الرجوع إلى هذا الرابط لمعرفة المزيد عن - ف قناة MOSFET .

صفات

تمت مناقشة خصائص VI واستنزاف n لتحسين قناة MOSFET و p لتحسين القناة أدناه.

خصائص الصرف

ال N قناة تعزيز خصائص استنزاف mosfet موضحة أدناه. في هذه الخصائص ، يمكننا ملاحظة خصائص التصريف المرسومة بين المعرف و Vds لقيم Vgs المختلفة كما هو موضح في الرسم التخطيطي ، كما ترى أنه عند زيادة قيمة Vgs ، ستتم أيضًا زيادة 'المعرف' الحالي.

سيُظهر منحنى القطع المكافئ على الخصائص موضع VDS حيث سيصبح المعرف (تيار التصريف) مشبعًا. في هذا الرسم البياني ، يتم عرض المنطقة الخطية أو الأومية. في هذه المنطقة ، يمكن أن تعمل MOSFET كمقاوم يتم التحكم فيه بالجهد. لذلك ، بالنسبة لقيمة Vds الثابتة ، بمجرد تغيير قيمة الجهد Vgs ، سيتم تغيير عرض القناة أو يمكننا القول أن مقاومة القناة ستتغير.

المنطقة الأومية هي منطقة يرتفع فيها 'IDS' الحالي مع زيادة قيمة VDS. بمجرد تصميم الدوائر الترانزستورية الفلورية MOSFET للعمل في المنطقة الأومية ، يمكن استخدامها كمكبرات صوت .

يُعرف جهد البوابة عند النقطة التي يتم فيها تشغيل الترانزستور ويبدأ تدفق التيار في جميع أنحاء القناة باسم جهد العتبة (VT أو VTH). بالنسبة لقناة N ، تتراوح قيمة جهد العتبة هذه من 0.5 فولت - 0.7 فولت بينما بالنسبة لأجهزة القناة P ، فإنها تتراوح من -0.5 فولت إلى -0.8 فولت.

عندما Vds Vt ، في هذه الحالة ، ستعمل MOSFET في منطقة خطية. لذلك في هذه المنطقة ، يمكن أن تعمل على هيئة أ المقاوم للتحكم في الجهد .

في منطقة القطع ، عندما يكون الجهد Vgs

عندما يتم تشغيل mosfet على الجانب الأيمن من الموضع ، فيمكننا القول أنه يتم تشغيله في ملف منطقة التشبع . لذلك ، رياضيًا ، عندما يكون جهد Vgs> أو = Vgs-Vt ، فإنه يعمل في منطقة تشبع. لذا فإن هذا كله يتعلق بخصائص الصرف في مناطق مختلفة من موسفيت التحسين.

خصائص التحويل

ال نقل خصائص mosfet تحسين قناة N موضحة أدناه. توضح خصائص النقل العلاقة بين جهد الدخل 'Vgs' و 'Id' تيار التصريف الناتج. توضح هذه الخصائص بشكل أساسي كيف يتغير 'المعرف' عندما تتغير قيم Vgs. لذلك من هذه الخصائص ، يمكننا أن نلاحظ أن تيار التصريف 'Id' هو صفر حتى عتبة الجهد. بعد ذلك ، عندما نزيد قيمة Vgs ، سيزداد 'المعرّف'.

يمكن إعطاء العلاقة بين 'المعرف' الحالي و Vgs كـ Id = k (Vgs-Vt) ^ 2. هنا ، 'K' هو ثابت الجهاز الذي يعتمد على المعلمات المادية للجهاز. لذلك باستخدام هذا التعبير ، يمكننا معرفة قيمة تيار التصريف لقيمة Vgs الثابتة.

P قناة تحسين MOSFET

ال خصائص استنزاف mosfet تعزيز قناة ف موضحة أدناه. هنا ، ستكون Vds و Vgs سالبة. سيتم تزويد 'معرف' تيار التصريف من المصدر إلى محطة الصرف. كما نلاحظ من هذا الرسم البياني ، عندما تصبح Vgs أكثر سلبية ، فإن تيار التصريف 'Id' سيزداد أيضًا.

عندما Vgs> VT ، ستعمل هذه MOSFET في منطقة القطع. وبالمثل ، إذا لاحظت خصائص النقل الخاصة بـ MOSFET ، فستكون صورة معكوسة للقناة N.

التطبيقات

انحياز تحسين MOSFET

بشكل عام ، فإن تحسين MOSFET (E-MOSFET) متحيز إما مع تحيز مقسم الجهد ، وإلا فإن تحيز استنزاف التغذية المرتدة. لكن E-MOSFET لا يمكن أن يكون متحيزا مع التحيز الذاتي وعدم التحيز.

انحياز مقسم الجهد

يظهر أدناه انحياز مقسم الجهد لقناة N E-MOSFET. تحيز مقسم الجهد مشابه لدائرة المقسم باستخدام BJTs. في الواقع ، تحتاج MOSFET لتحسين القناة N إلى طرف البوابة أعلى من مصدرها تمامًا مثل NPN BJT يحتاج إلى جهد أساسي أعلى مقارنة بالباعث.

في هذه الدائرة ، يتم استخدام المقاومات مثل R1 و R2 لعمل دائرة مقسم لإنشاء جهد البوابة.

عندما يكون مصدر E-MOSFET متصلاً مباشرة بـ GND فإن VGS = VG. لذلك ، يجب تعيين الإمكانات عبر المقاوم R2 فوق VGS (th) للتشغيل السليم مع معادلة خاصية E-MOSFET مثل I _د = ك (الخامس _ع -في _ع (ث)) ^ 2.

من خلال معرفة قيمة VG ، يتم استخدام المعادلة المميزة لـ E-MOSFET لإنشاء تيار التصريف. لكن ثابت الجهاز 'K' هو العامل الوحيد المفقود الذي يمكن حسابه لأي جهاز معين اعتمادًا على زوج إحداثيات VGS (on) و ID (on).

الثابت 'K' مشتق من المعادلة المميزة لـ E-MOSFET مثل K = I _د /(في _ع -في _ع (ث)) ^ 2.

ك = أنا _د /(في _ع -في _ع (ث)) ^ 2.

لذلك ، يتم استخدام هذه القيمة لنقاط التحيز الأخرى.

استنزاف ردود الفعل التحيز

يستخدم هذا الانحياز نقطة التشغيل 'تشغيل' على المنحنى المميز المذكور أعلاه. تكمن الفكرة في إعداد تيار تصريف من خلال اختيار مناسب لمصادر الطاقة ومقاوم التصريف. يظهر النموذج الأولي لدائرة التغذية الراجعة للتصريف أدناه.

هذه دائرة بسيطة للغاية تستخدم بعض المكونات الأساسية. يتم فهم هذه العملية من خلال تطبيق KVL.

في _DD = V. _{بحث وتطوير} + V. _RG + V. _ع

في _DD = أنا _د ر _د + أنا _جي ر _جي + V. _ع

هنا ، تيار البوابة غير مهم ، لذا ستصبح المعادلة أعلاه

في _DD = أنا _د ر _د + V. _ع

وكذلك V. _{DS =} في _ع

هكذا،

في _ع = V. _DS = V. _DD - أنا _د ر _د

يمكن استخدام هذه المعادلة كأساس لتصميم دائرة التحيز.

تحسين MOSFET مقابل نضوب MOSFET

يشمل الفرق بين موسفيت التحسين وموسفيت النضوب ما يلي.

يرجى الرجوع إلى هذا الرابط لمعرفة المزيد عن - وضع النضوب MOSFET .

ال تطبيقات تحسين MOSFET تشمل ما يلي.

• بشكل عام ، تُستخدم وحدات الترانزستورات الفلورية التعزيزية في دوائر التبديل ، ومكبر الصوت ، والعاكس.
• تستخدم هذه في محركات مختلفة ، وحدات تحكم رقمية و ICs إلكترونيات الطاقة.
• يتم استخدامه في الإلكترونيات الرقمية.

وبالتالي ، فإن هذا كله يتعلق بنظرة عامة على أحد التحسينات MOSFET - العمل مع التطبيقات. يمكن الحصول على E-MOSFET في كل من الإصدارات عالية ومنخفضة الطاقة التي تعمل في وضع التحسين فقط. إليك سؤال لك ، ما هو نضوب MOSFET؟