ما هو MOSFET: العمل وتطبيقاته

ما هو MOSFET: العمل وتطبيقاته

الترانزستور MOSFET (ترانزستور تأثير مجال أشباه الموصلات بأكسيد المعادن) هو جهاز أشباه موصلات يستخدم على نطاق واسع لأغراض التحويل ولتضخيم الإشارات الإلكترونية في الأجهزة الإلكترونية. MOSFET عبارة عن دائرة أساسية أو دائرة متكاملة حيث يتم تصميمها وتصنيعها في شريحة واحدة لأن الجهاز متوفر بأحجام صغيرة جدًا. أحدث إدخال جهاز MOSFET تغييرًا في مجال التبديل في الإلكترونيات . دعونا نذهب بشرح مفصل لهذا المفهوم.



ما هو MOSFET؟

MOSFET هو جهاز رباعي الأطراف له مصدر (S) ، بوابة (G) ، استنزاف (D) وجسم (B) أطراف. بشكل عام ، يتصل جسم MOSFET بطرف المصدر ، مما يشكل جهازًا ثلاثي الأطراف مثل ترانزستور تأثير المجال. تعتبر MOSFET عمومًا بمثابة ترانزستور وتستخدم في كل من الدوائر التناظرية والرقمية. هذا هو الأساس مقدمة عن MOSFET . والهيكل العام لهذا الجهاز كالتالي:


موسفيت

موسفيت





من أعلى هيكل MOSFET تعتمد وظيفة MOSFET على التغيرات الكهربائية التي تحدث في عرض القناة جنبًا إلى جنب مع تدفق الموجات الحاملة (إما ثقوبًا أو إلكترونات). تدخل حاملات الشحن إلى القناة عبر طرف المصدر وتخرج عبر المصرف.

يتم التحكم في عرض القناة بواسطة الجهد الكهربائي الموجود على قطب كهربائي يسمى البوابة ويقع بين المصدر والصرف. إنه معزول عن القناة بالقرب من طبقة رقيقة للغاية من أكسيد المعدن. تعد سعة MOS الموجودة في الجهاز هي القسم الحاسم حيث تكون العملية بأكملها عبر هذا.



MOSFET مع المحطات

MOSFET مع المحطات

يمكن أن تعمل MOSFET بطريقتين

  • وضع النضوب
  • وضع التحسين

وضع النضوب

عندما لا يكون هناك جهد عبر طرف البوابة ، تظهر القناة أقصى توصيل لها. في حين أنه عندما يكون الجهد عبر طرف البوابة موجبًا أو سالبًا ، فإن توصيل القناة ينخفض.


على سبيل المثال

وضع الانحرافوضع التحسين

عندما لا يكون هناك جهد عبر طرف البوابة ، فإن الجهاز لا يعمل. عندما يكون هناك أقصى جهد عبر طرف البوابة ، فإن الجهاز يظهر موصلية محسنة.

وضع التحسين

وضع التحسين

مبدأ العمل من MOSFET

المبدأ الرئيسي لجهاز MOSFET هو القدرة على التحكم في الجهد والتيار بين طرفي المصدر والتصريف. إنه يعمل تقريبًا مثل مفتاح وتستند وظيفة الجهاز على مكثف MOS. مكثف MOS هو الجزء الرئيسي من MOSFET.

يمكن قلب سطح أشباه الموصلات في طبقة الأكسيد السفلية الواقعة بين المصدر ومحطة الصرف من النوع p إلى النوع n عن طريق تطبيق إما جهد بوابة موجب أو سالب على التوالي. عندما نطبق قوة طاردة لجهد البوابة الموجب ، فإن الثقوب الموجودة أسفل طبقة الأكسيد يتم دفعها لأسفل مع الركيزة.

منطقة النضوب مأهولة بالشحنات السالبة المرتبطة بالذرات المستقبلة. عندما يتم الوصول إلى الإلكترونات ، يتم تطوير قناة. يجذب الجهد الموجب أيضًا الإلكترونات من مصدر n + ومناطق التصريف إلى القناة. الآن ، إذا تم تطبيق جهد بين الصرف والمصدر ، فإن التيار يتدفق بحرية بين المصدر والصرف ويتحكم جهد البوابة في الإلكترونات في القناة. بدلاً من الجهد الموجب ، إذا طبقنا جهدًا سالبًا ، فسيتم تشكيل قناة ثقب تحت طبقة الأكسيد.

مخطط كتلة MOSFET

مخطط كتلة MOSFET

P- قناة MOSFET

يحتوي P- channel MOSFET على منطقة P- Channel تقع بين طرفي المصدر والصرف. وهو عبارة عن جهاز رباعي الأطراف به أطراف مثل البوابة والصرف والمصدر والجسم. الصرف والمصدر مخدران بشدة منطقة p + والجسم أو الركيزة من النوع n. يكون تدفق التيار في اتجاه الثقوب الموجبة الشحنة.

عندما نطبق الجهد السالب بقوة طاردة عند طرف البوابة ، فإن الإلكترونات الموجودة أسفل طبقة الأكسيد يتم دفعها إلى أسفل في الركيزة. منطقة النضوب مأهولة بالشحنات الموجبة المرتبطة بالذرات المانحة. يجذب جهد البوابة السالب أيضًا ثقوبًا من مصدر p + ومنطقة التصريف إلى منطقة القناة.

وضع النضوب ف القناة

وضع النضوب ف القناة

الوضع المحسن لقناة ف

الوضع المحسن لقناة ف

N- قناة MOSFET

يحتوي N-Channel MOSFET على منطقة قناة N تقع بين طرفي المصدر والصرف. إنه جهاز رباعي الأطراف به أطراف مثل البوابة ، الصرف ، المصدر ، الجسم. في هذا النوع من ترانزستور تأثير المجال ، يكون الصرف والمصدر مخدرًا بشكل كبير n + المنطقة وتكون الركيزة أو الجسم من النوع P.

يحدث التدفق الحالي في هذا النوع من MOSFET بسبب الإلكترونات سالبة الشحنة. عندما نطبق الجهد الموجب بقوة طاردة عند طرف البوابة ، يتم دفع الثقوب الموجودة تحت طبقة الأكسيد إلى أسفل في الركيزة. تملأ منطقة النضوب بالشحنات السالبة المرتبطة بالذرات المستقبلة.

عند وصول الإلكترونات ، تتشكل القناة. يجذب الجهد الموجب أيضًا الإلكترونات من مصدر n + ومناطق التصريف إلى القناة. الآن ، إذا تم تطبيق جهد بين المصرف والمصدر ، فإن التيار يتدفق بحرية بين المصدر والصرف ويتحكم جهد البوابة في الإلكترونات في القناة. بدلاً من الجهد الموجب إذا طبقنا جهدًا سلبيًا ، سيتم تشكيل قناة ثقب تحت طبقة الأكسيد.

وضع التحسين N القناة

وضع التحسين N القناة

مناطق العمليات MOSFET

بالنسبة للسيناريو الأكثر عمومية ، يتم تشغيل هذا الجهاز بشكل أساسي في ثلاث مناطق وهي كالتالي:

  • المنطقة المقطوعة - إنها المنطقة التي سيكون فيها الجهاز في حالة إيقاف التشغيل ولا يوجد أي مقدار من التدفق الحالي خلاله. هنا ، يعمل الجهاز كمفتاح أساسي ويتم استخدامه عندما تكون ضرورية للعمل كمفاتيح كهربائية.
  • منطقة التشبع - في هذه المنطقة ، سيكون للأجهزة استنزافها لقيمة المصدر الحالية على أنها ثابتة دون النظر في تعزيز الجهد عبر الصرف إلى المصدر. يحدث هذا مرة واحدة فقط عندما يزيد الجهد عبر المصرف إلى طرف المصدر أكثر من قيمة جهد الضغط. في هذا السيناريو ، يعمل الجهاز كمفتاح مغلق حيث يتدفق مستوى مشبع من التيار عبر الصرف إلى أطراف المصدر. نتيجة لهذا ، يتم تحديد منطقة التشبع عندما يفترض أن تقوم الأجهزة بالتبديل.
  • المنطقة الخطية / الأومية - إنها المنطقة التي يتحسن فيها التيار عبر الصرف إلى طرف المصدر مع الزيادة في الجهد عبر الصرف إلى مسار المصدر. عندما تعمل أجهزة MOSFET في هذه المنطقة الخطية ، فإنها تؤدي وظيفة مكبر الصوت.

دعونا ننظر الآن في خصائص التحويل للـ MOSFET

يعمل أشباه الموصلات أيضًا مثل MOSFET أو Bipolar Junction Transistor كمفاتيح في سيناريوهين أحدهما في حالة التشغيل والآخر في حالة إيقاف التشغيل. للنظر في هذه الوظيفة ، دعونا نلقي نظرة على الخصائص المثالية والعملية لجهاز MOSFET.

خصائص التبديل المثالية

عندما يفترض أن تعمل MOSFET كمفتاح مثالي ، يجب أن تحتفظ بالخصائص التالية وهذه هي

  • في حالة التشغيل ، يجب أن يكون هناك القيد الحالي الذي يحمله
  • في حالة إيقاف التشغيل ، يجب ألا يشتمل حظر مستويات الجهد على أي نوع من القيود
  • عندما يعمل الجهاز في حالة التشغيل ، يجب أن تكون قيمة انخفاض الجهد فارغة
  • يجب أن تكون المقاومة في حالة OFF غير محدودة
  • يجب ألا تكون هناك قيود على سرعة العملية

خصائص التبديل العملية

نظرًا لأن العالم ليس عالقًا فقط في التطبيقات المثالية ، فإن تشغيل MOSFET قابل للتطبيق حتى لأغراض عملية. في السيناريو العملي ، يجب أن يحتفظ الجهاز بالخصائص التالية

  • في حالة التشغيل ، يجب أن تكون قدرات إدارة الطاقة محدودة مما يعني أنه يجب تقييد تدفق تيار التوصيل.
  • في حالة إيقاف التشغيل ، لا ينبغي تقييد مستويات الجهد الكهربائي
  • يؤدي التشغيل والإيقاف لأوقات محدودة إلى تقييد السرعة المحددة للجهاز وحتى الحد من التردد الوظيفي
  • في حالة تشغيل جهاز MOSFET ، سيكون هناك حد أدنى من قيم المقاومة حيث يؤدي ذلك إلى انخفاض الجهد في تحيز التوجيه. أيضًا ، توجد مقاومة حالة إيقاف محدودة توفر تيار تسرب عكسي
  • عندما يعمل الجهاز بخصائص عملية ، فإنه يفقد الطاقة في ظروف التشغيل والإيقاف. يحدث هذا حتى في حالات الانتقال أيضًا.

مثال على MOSFET كمفتاح

في ترتيب الدائرة أدناه ، يتم استخدام الوضع المحسن و N-channel MOSFET لتبديل مصباح عينة مع ظروف التشغيل والإيقاف. يتم تطبيق الجهد الموجب عند طرف البوابة على قاعدة الترانزستور ويتحرك المصباح في حالة التشغيل وهنا V.ع= + v أو عند مستوى جهد صفري ، يتحول الجهاز إلى حالة OFF حيث V.ع= 0.

MOSFET كمفتاح

MOSFET كمفتاح

إذا كان من المقرر استبدال الحمل المقاوم للمصباح بحمل استقرائي وتوصيله بالمرحل أو الصمام الثنائي المحمي بالحمل. في الدائرة أعلاه ، إنها دائرة بسيطة للغاية لتبديل حمل مقاوم مثل المصباح أو LED. ولكن عند استخدام MOSFET كمفتاح إما مع الحمل الاستقرائي أو الحمل السعوي ، فإن الحماية مطلوبة لجهاز MOSFET.

في حالة عدم حماية MOSFET ، فقد يؤدي ذلك إلى تلف الجهاز. لكي تعمل MOSFET كجهاز تبديل تناظري ، يجب التبديل بين منطقة القطع الخاصة بها حيث Vع= 0 ومنطقة التشبع حيث V.ع= + v.

وصف الفيديو

يمكن أن تعمل MOSFET أيضًا كترانزستور ويتم اختصارها على أنها ترانزستور تأثير حقل السيليكون بأكسيد المعادن. هنا ، يشير الاسم نفسه إلى أنه يمكن تشغيل الجهاز كترانزستور. سيكون لها قناة ف وقناة ن. يتم توصيل الجهاز بهذه الطريقة باستخدام أربعة مصادر ، وبوابة ، ومحطات تصريف ، ويتم توصيل حمولة مقاومة تبلغ 24 درجة في سلسلة مع مقياس التيار الكهربائي ، ويتم توصيل مقياس الجهد عبر MOSFET.

في الترانزستور ، يكون تدفق التيار في البوابة في اتجاه إيجابي ويتم توصيل طرف المصدر بالأرض. بينما في أجهزة الترانزستور ذات الوصلات ثنائية القطب ، يكون التدفق الحالي عبر مسار القاعدة إلى الباعث. لكن في هذا الجهاز ، لا يوجد تدفق للتيار نظرًا لوجود مكثف في بداية البوابة ، فهو يتطلب فقط جهدًا كهربائيًا.

يمكن أن يحدث هذا من خلال متابعة عملية المحاكاة وعن طريق التبديل ON / OFF. عندما يكون المفتاح في وضع التشغيل ، لا يوجد تدفق تيار عبر الدائرة ، عند توصيل المقاومة 24Ω و 0.29 من جهد مقياس التيار الكهربائي ، فإننا نجد انخفاض الجهد المهمل عبر المصدر نظرًا لوجود + 0.21 فولت عبر هذا الجهاز.

تسمى المقاومة بين الصرف والمصدر باسم RDS. بسبب RDS هذا ، يظهر انخفاض الجهد عندما يكون هناك تدفق تيار في الدائرة. تختلف RDS بناءً على نوع الجهاز (يمكن أن تختلف بين 0.001 و 0.005 و 0.05 بناءً على نوع الجهد.

قليل من المفاهيم التي يجب تعلمها هي:

1). كيفية اختيار MOSFET كمفتاح ؟

هناك عدد قليل من الشروط التي يجب مراعاتها أثناء اختيار MOSFET كمفتاح وهي كالتالي:

  • استخدام القطبية إما قناة P أو N.
  • أقصى تقدير لجهد التشغيل والقيم الحالية
  • زيادة طرق التشغيل مما يعني أن المقاومة عند محطة الصرف إلى المصدر عندما تكون القناة مفتوحة تمامًا
  • تردد التشغيل المعزز
  • نوع التعبئة من To-220 و DPAck وغيرها الكثير.

2). ما هي كفاءة تبديل MOSFET؟

القيد الرئيسي في وقت تشغيل MOSFET كجهاز تبديل هو قيمة تيار التصريف المحسّن التي يمكن للجهاز أن يكون قادرًا عليها. هذا يعني أن RDS في حالة التشغيل هي المعلمة الحاسمة التي تحدد قدرة التبديل في MOSFET. يتم تمثيله كنسبة جهد مصدر الصرف إلى تيار الصرف. يجب أن تحسب فقط في حالة تشغيل الترانزستور.

3). لماذا يتم استخدام مفتاح MOSFET في محول Boost؟

بشكل عام ، يحتاج محول التعزيز إلى ترانزستور تبديل لتشغيل الجهاز. لذلك ، كما يتم استخدام تبديل الترانزستور MOSFETs. تستخدم هذه الأجهزة لمعرفة القيمة الحالية وقيم الجهد. أيضًا ، بالنظر إلى سرعة التحويل والتكلفة ، يتم استخدامهما على نطاق واسع.

بنفس الطريقة ، يمكن أيضًا استخدام MOSFET بطرق متعددة. وهؤلاء هم

  • MOSFET كمفتاح لمصباح LED
  • remove_circle_outline
  • MOSFET كمفتاح لـ Arduino
  • مفتاح MOSFET لتحميل التيار المتردد
  • مفتاح MOSFET لمحرك التيار المستمر
  • مفتاح MOSFET للجهد السالب
  • MOSFET كمفتاح مع Arduino
  • MOSFET كمفتاح مع متحكم دقيق
  • التبديل MOSFET مع التباطؤ
  • MOSFET مثل تبديل الصمام الثنائي والمقاوم النشط
  • MOSFET كمعادلة تبديل
  • مفتاح MOSFET لـ airsoft
  • MOSFET كمقاومة بوابة التبديل
  • MOSFET كملف لولبي للتبديل
  • تبديل MOSFET باستخدام optocoupler
  • التبديل MOSFET مع التباطؤ

تطبيق MOSFET كمفتاح

من أبرز الأمثلة على هذا الجهاز أنه يستخدم كمفتاح للتحكم التلقائي في السطوع في أضواء الشوارع. في هذه الأيام ، تتكون العديد من الأضواء التي نلاحظها على الطرق السريعة من مصابيح تفريغ عالية الكثافة. لكن استخدام مصابيح التفريغ عالي الكثافة يستهلك مستويات طاقة متزايدة.

لا يمكن تقييد السطوع بناءً على المتطلبات وبسبب ذلك يجب أن يكون هناك مفتاح لطريقة الإضاءة البديلة وهو LED. سيؤدي استخدام نظام LED إلى التغلب على عيوب المصابيح عالية الكثافة. كان المفهوم الرئيسي وراء بناء هذا هو التحكم في الأضواء مباشرة على الطرق السريعة من خلال استخدام معالج دقيق.

تطبيق MOSFET كمفتاح

تطبيق MOSFET كمفتاح

يمكن تحقيق ذلك فقط عن طريق تعديل نبضات الساعة. بناءً على الضرورة ، يتم استخدام هذا الجهاز لتبديل المصابيح. وهو يتألف من لوحة Raspberry Pi حيث يتم تضمينه مع معالج للإدارة. هنا ، يمكن استبدال مصابيح LED في مكان HIDs ولها اتصال بالمعالج من خلال MOSFET. يسلم المتحكم الدقيق دورات العمل المقابلة ثم يتحول إلى MOSFET لتوفير مستوى عال من الكثافة.

مزايا

قليل من المزايا هي:

  • إنه يولد كفاءة محسنة حتى عند العمل بأدنى مستويات الجهد
  • لا يوجد تيار بوابة وهذا يخلق المزيد من مقاومة المدخلات مما يزيد من سرعة التحويل للجهاز
  • يمكن أن تعمل هذه الأجهزة عند أدنى مستويات الطاقة وتستخدم الحد الأدنى من التيار

سلبيات

قليل من العيوب هي:

  • عندما تعمل هذه الأجهزة عند مستويات الجهد الزائد ، فإنها تخلق عدم استقرار للجهاز
  • نظرًا لأن الأجهزة بها طبقة أكسيد رفيعة ، فقد يؤدي ذلك إلى تلف الجهاز عند تحفيزه بواسطة الشحنات الكهروستاتيكية

التطبيقات

تطبيقات MOSFET هي

  • مكبرات الصوت المصنوعة من MOSFET مستخدمة بشكل كبير في تطبيقات التردد الواسعة
  • يتم توفير اللوائح الخاصة بمحركات التيار المستمر بواسطة هذه الأجهزة
  • نظرًا لأن هذه السرعات قد عززت سرعات التحويل ، فإنها تعمل كمثالية لبناء مكبرات صوت المروحية
  • الوظائف كمكون سلبي للعديد من العناصر الإلكترونية.

في النهاية ، يمكن استنتاج أن الترانزستور يتطلب تيارًا بينما تتطلب MOSFET جهدًا. متطلبات القيادة لـ MOSFET أفضل بكثير ، وأبسط بكثير مقارنة بـ BJT. واعلم ايضا كيف أقوم بتوصيل موسفيت بمحول؟

اعتمادات الصورة