พื้นฐาน MOSFET: 13 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:07

สวัสดี! ในคำแนะนำนี้ ฉันจะสอนพื้นฐานของ MOSFET ให้คุณ และโดยพื้นฐานแล้ว ฉันหมายถึงพื้นฐานจริงๆ วิดีโอนี้เหมาะสำหรับผู้ที่ไม่เคยศึกษา MOSFET อย่างมืออาชีพ แต่ต้องการใช้ในโครงการ ฉันจะพูดถึง n และ p channel MOSFET วิธีใช้งาน ความแตกต่าง ทำไมทั้งสองจึงสำคัญ เหตุใดไดรเวอร์ MOSFET และสิ่งต่างๆ เช่นนั้น ฉันจะพูดถึงข้อเท็จจริงที่ไม่ค่อยมีใครรู้เกี่ยวกับ MOSFET และอื่นๆ อีกมากมาย

เข้าไปกันเถอะ

ขั้นตอนที่ 1: ดูวิดีโอ

วิดีโอมีทุกอย่างที่ครอบคลุมในรายละเอียดที่จำเป็นสำหรับการสร้างโครงการนี้ วิดีโอมีแอนิเมชั่นบางอย่างที่จะช่วยในการเข้าใจข้อเท็จจริงได้อย่างรวดเร็ว คุณสามารถดูได้หากคุณต้องการภาพ แต่ถ้าคุณต้องการข้อความ ให้ทำตามขั้นตอนถัดไป

ขั้นตอนที่ 2: FET

ก่อนเริ่ม MOSFET ให้ฉันแนะนำคุณให้รู้จักกับ JFET หรือ Junction Field Effect Transistor ของรุ่นก่อน จะทำให้เข้าใจ MOSFET ได้ง่ายขึ้นเล็กน้อย

ภาพตัดขวางของ JFET แสดงในรูปภาพ เทอร์มินัลเหมือนกันกับเทอร์มินัล MOSFET ส่วนตรงกลางเรียกว่าพื้นผิวหรือตัวเครื่อง และเป็นเพียงสารกึ่งตัวนำชนิด n หรือ p ขึ้นอยู่กับประเภทของ FET จากนั้นพื้นที่จะเติบโตบนพื้นผิวที่มีประเภทตรงข้ามกับพื้นผิวที่เรียกว่าประตูระบายน้ำและแหล่งที่มา ไม่ว่าคุณจะใช้แรงดันไฟฟ้าใดก็ตาม คุณก็นำไปใช้กับภูมิภาคเหล่านี้

ทุกวันนี้ จากมุมมองเชิงปฏิบัติ มีความสำคัญน้อยมากหรือไม่มีเลย ฉันจะไม่อธิบายเพิ่มเติมนอกเหนือจากนี้เพราะจะเป็นเทคนิคมากเกินไปและไม่จำเป็นอยู่แล้ว

สัญลักษณ์ของ JFET จะช่วยให้เราเข้าใจสัญลักษณ์ของ MOSFET

ขั้นตอนที่ 3: MOSFET

หลังจากนี้มาถึง MOSFET ซึ่งมีความแตกต่างที่สำคัญในเทอร์มินัลเกท ก่อนสร้างหน้าสัมผัสสำหรับขั้วต่อเกท จะมีการปลูกชั้นของซิลิคอนไดออกไซด์เหนือสารตั้งต้น นี่คือเหตุผลที่เรียกว่าทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามเซมิคอนดักเตอร์ของเมทัลลิกออกไซด์ SiO2 เป็นไดอิเล็กตริกที่ดีมาก หรือคุณอาจเรียกว่าฉนวนก็ได้ สิ่งนี้จะเพิ่มความต้านทานเกทในระดับสิบเป็นกำลังสิบโอห์ม และเราคิดว่าในเกต Ig ปัจจุบันของ MOSFET จะเป็นศูนย์เสมอ นี่คือเหตุผลว่าทำไมจึงเรียกอีกอย่างว่า Insulated Gate Field Effect Transistor (IGFET) ชั้นของตัวนำที่ดีเช่นอลูมิเนียมนั้นเติบโตขึ้นเหนือทั้งสามภูมิภาคแล้วจึงทำการติดต่อ ในบริเวณเกท คุณจะเห็นว่ามีการสร้างตัวเก็บประจุแบบแผ่นขนานเหมือนโครงสร้าง และแนะนำความจุที่มากให้กับเทอร์มินอลเกท ความจุนี้เรียกว่าความจุเกตและสามารถทำลายวงจรของคุณได้อย่างง่ายดายหากไม่ได้นำมาพิจารณา สิ่งเหล่านี้มีความสำคัญมากในขณะที่เรียนในระดับมืออาชีพ

สัญลักษณ์ของ MOSFET สามารถเห็นได้ในภาพที่แนบมา การวางบรรทัดอื่นบนเกตนั้นสมเหตุสมผลในขณะที่เชื่อมโยงกับ JFET ซึ่งบ่งชี้ว่าประตูได้รับการหุ้มฉนวน ทิศทางลูกศรในสัญลักษณ์นี้แสดงทิศทางปกติของการไหลของอิเล็กตรอนภายใน MOSFET ซึ่งอยู่ตรงข้ามกับทิศทางของกระแส

ขั้นตอนที่ 4: MOSFET เป็นอุปกรณ์ปลายทาง 4 เครื่องหรือไม่

อีกสิ่งหนึ่งที่ฉันต้องการเพิ่มคือคนส่วนใหญ่คิดว่า MOSFET เป็นอุปกรณ์ปลายทางสามตัว ในขณะที่จริง ๆ แล้ว MOSFET เป็นอุปกรณ์ปลายทางสี่ตัว เทอร์มินัลที่สี่คือเทอร์มินัลของร่างกาย คุณอาจเคยเห็นสัญลักษณ์ที่แนบมากับ MOSFET ซึ่งเทอร์มินัลตรงกลางมีไว้สำหรับตัวเครื่อง

แต่ทำไม MOSFET เกือบทั้งหมดจึงมีเทอร์มินัลเพียงสามตัวที่ออกมา

เทอร์มินัลของร่างกายถูกลัดวงจรภายในไปยังแหล่งที่มา เนื่องจากไม่มีประโยชน์ในการใช้งานของไอซีง่ายๆ เหล่านี้ และหลังจากนั้นสัญลักษณ์จะกลายเป็นสัญลักษณ์ที่เราคุ้นเคย

โดยทั่วไปแล้วเทอร์มินัลของร่างกายจะใช้เมื่อมีการสร้าง IC เทคโนโลยี CMOS ที่ซับซ้อน โปรดทราบว่ากรณีนี้สำหรับ n channel MOSFET รูปภาพจะแตกต่างออกไปเล็กน้อยหาก MOSFET เป็น p channel

ขั้นตอนที่ 5: มันทำงานอย่างไร

ตกลง ตอนนี้เรามาดูกันว่ามันทำงานอย่างไร

ทรานซิสเตอร์แบบแยกขั้วแบบไบโพลาร์หรือ BJT เป็นอุปกรณ์ควบคุมกระแสไฟ ซึ่งหมายความว่าปริมาณกระแสไหลในขั้วฐานจะกำหนดกระแสที่จะไหลผ่านทรานซิสเตอร์ แต่เรารู้ว่าไม่มีกระแสในขั้วเกทของ MOSFET และรวมกัน เราสามารถพูดได้ว่ามันเป็นอุปกรณ์ควบคุมแรงดันไฟฟ้าไม่ใช่เพราะกระแสของเกตเป็นศูนย์เสมอ แต่เนื่องจากโครงสร้างซึ่งฉันจะไม่อธิบายในคำแนะนำนี้เนื่องจากความซับซ้อนของมัน

ลองพิจารณา n Channel MOSFET เมื่อไม่มีการใช้แรงดันไฟฟ้าในเทอร์มินัลเกท จะมีไดโอดแบ็คทูแบ็คสองตัวอยู่ระหว่างซับสเตรตและเดรนและบริเวณต้นทาง ทำให้เส้นทางระหว่างเดรนและแหล่งจ่ายมีความต้านทานในลำดับ 10 ถึงกำลัง 12 โอห์ม

ตอนนี้ฉันต่อสายดินแล้วและเริ่มเพิ่มแรงดันเกต เมื่อถึงแรงดันไฟฟ้าต่ำสุด ความต้านทานจะลดลงและ MOSFET จะเริ่มดำเนินการและกระแสจะเริ่มไหลจากท่อระบายน้ำไปยังแหล่งกำเนิด แรงดันไฟฟ้าต่ำสุดนี้เรียกว่า แรงดันไฟฟ้าตามเกณฑ์ของ MOSFET และกระแสไฟเกิดจากการก่อตัวของช่องสัญญาณจากท่อระบายน้ำไปยังแหล่งกำเนิดในซับสเตรตของ MOSFET ตามชื่อที่แนะนำ ใน n Channel MOSFET แชนเนลนั้นประกอบด้วยตัวพาปัจจุบัน n ชนิดคืออิเล็กตรอน ซึ่งอยู่ตรงข้ามกับชนิดของสารตั้งต้น

ขั้นตอนที่ 6: แต่…

มันเพิ่งเริ่มต้นที่นี่ การใช้แรงดันไฟฟ้าตามเกณฑ์ไม่ได้หมายความว่าคุณพร้อมที่จะใช้ MOSFET เพียงอย่างเดียว หากคุณดูแผ่นข้อมูลของ IRFZ44N ซึ่งเป็น n channel MOSFET คุณจะเห็นว่าที่แรงดันธรณีประตู มีเพียงกระแสขั้นต่ำที่แน่นอนเท่านั้นที่สามารถไหลผ่านได้ นั่นเป็นสิ่งที่ดีถ้าคุณต้องการใช้โหลดขนาดเล็กเช่น LED เท่านั้น แต่ประเด็นคืออะไร ดังนั้นสำหรับการใช้โหลดที่มากขึ้นซึ่งจะดึงกระแสไฟมากขึ้น คุณจะต้องใช้แรงดันไฟฟ้าที่เกตมากขึ้น แรงดันเกตที่เพิ่มขึ้นช่วยเพิ่มช่องทางทำให้กระแสไหลผ่านได้มากขึ้น ในการเปิด MOSFET อย่างสมบูรณ์ แรงดันไฟฟ้า Vgs ซึ่งเป็นแรงดันไฟฟ้าระหว่างเกตและแหล่งจ่ายจะต้องอยู่ที่ประมาณ 10 ถึง 12 โวลต์ ซึ่งหมายความว่าหากแหล่งจ่ายต่อสายดิน เกตจะต้องอยู่ที่ 12 โวลต์หรือมากกว่านั้น

MOSFET ที่เราเพิ่งพูดถึงนี้เรียกว่า MOSFET ประเภทการเพิ่มประสิทธิภาพ เนื่องจากช่องสัญญาณได้รับการปรับปรุงด้วยแรงดันเกตที่เพิ่มขึ้น มี MOSFET อีกประเภทหนึ่งที่เรียกว่า MOSFET ชนิดพร่อง ความแตกต่างที่สำคัญคือช่องทางที่มีอยู่แล้วในประเภทการพร่อง MOSFET MOSFET ประเภทนี้มักไม่มีในตลาด สัญลักษณ์สำหรับประเภทการพร่อง MOSFET แตกต่างกัน เส้นทึบแสดงว่าช่องสัญญาณมีอยู่แล้ว

ขั้นตอนที่ 7: ทำไมต้องเป็นไดรเวอร์ MOSFET

สมมติว่าคุณกำลังใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์เพื่อควบคุม MOSFET จากนั้นคุณสามารถใช้เกตได้สูงสุด 5 โวลต์หรือน้อยกว่าเท่านั้น ซึ่งจะไม่เพียงพอสำหรับกระแสไฟสูง

สิ่งที่คุณสามารถทำได้คือใช้ไดรเวอร์ MOSFET เช่น TC4420 คุณเพียงแค่ต้องให้สัญญาณลอจิกที่พินอินพุตของมัน และมันจะดูแลส่วนที่เหลือหรือคุณสามารถสร้างไดรเวอร์เองได้ แต่ไดรเวอร์ MOSFET มีข้อดีมากกว่าใน ความจริงที่ว่ามันยังดูแลสิ่งอื่น ๆ อีกหลายอย่างเช่นความจุประตูเป็นต้น

เมื่อ MOSFET เปิดขึ้นโดยสมบูรณ์ Rdson จะแสดงความต้านทานและสามารถพบได้ง่ายในแผ่นข้อมูล

ขั้นตอนที่ 8: P Channel MOSFET

p channel MOSFET อยู่ตรงข้ามกับ n channel MOSFET กระแสไหลจากแหล่งกำเนิดไปยังท่อระบายน้ำและช่องประกอบด้วยประเภท p ของตัวพาประจุเช่นรู

แหล่งที่มาใน p channel MOSFET ต้องมีศักยภาพสูงสุด และการเปิดใช้งาน Vgs อย่างสมบูรณ์ต้องเป็นค่าลบ 10 ถึง 12 โวลต์

ตัวอย่างเช่น หากแหล่งกำเนิดถูกผูกไว้กับ 12 โวลต์ ประตูที่ศูนย์โวลต์จะต้องสามารถเปิดได้อย่างสมบูรณ์ และนั่นคือสาเหตุที่เรามักบอกว่าการใช้ 0 โวลต์กับเกท ให้เปิด ap channel MOSFET ON และเนื่องจากข้อกำหนดเหล่านี้ ไดรเวอร์ MOSFET สำหรับ n channel ไม่สามารถใช้กับ p channel MOSFET ได้โดยตรง ไดรเวอร์ p channel MOSFET มีจำหน่ายในท้องตลาด (เช่น TC4429) หรือคุณสามารถใช้อินเวอร์เตอร์ร่วมกับไดรเวอร์ n channel MOSFET ได้ p channel MOSFET มีความต้านทาน ON ค่อนข้างสูงกว่า n channel MOSFET แต่นั่นไม่ได้หมายความว่าคุณสามารถใช้ n channel MOSFET ได้เสมอสำหรับแอพพลิเคชั่นใดๆ ที่เป็นไปได้

ขั้นตอนที่ 9: แต่ทำไม

สมมติว่าคุณต้องใช้ MOSFET ในการกำหนดค่าแรก การสลับประเภทนั้นเรียกว่าการสลับด้านต่ำเนื่องจากคุณใช้ MOSFET เพื่อเชื่อมต่ออุปกรณ์กับกราวด์ MOSFET แบบ n แชนเนลจะเหมาะที่สุดสำหรับงานนี้ เนื่องจาก Vgs ไม่ได้แตกต่างกันและสามารถบำรุงรักษาได้ง่ายที่ 12 โวลต์

แต่ถ้าคุณต้องการใช้ n channel MOSFET สำหรับการสลับด้านสูง แหล่งที่มาสามารถอยู่ที่ใดก็ได้ระหว่างกราวด์และ Vcc ซึ่งในที่สุดจะส่งผลต่อแรงดันไฟฟ้า Vgs เนื่องจากแรงดันเกตคงที่ สิ่งนี้จะมีผลกระทบอย่างมากต่อการทำงานที่เหมาะสมของ MOSFET นอกจากนี้ MOSFET จะเผาผลาญหาก Vgs เกินค่าสูงสุดที่กล่าวถึงซึ่งโดยเฉลี่ยอยู่ที่ประมาณ 20 โวลต์

ดังนั้นจึงไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะใช้ n channel MOSFET ที่นี่ สิ่งที่เราทำคือเราใช้ p channel MOSFET แม้ว่าจะมีความต้านทาน ON มากกว่า เนื่องจากมีข้อได้เปรียบที่ Vgs จะคงที่ตลอดระหว่างการสลับข้างที่สูง นอกจากนี้ยังมีวิธีอื่นๆ เช่น bootstrapping แต่ฉันจะไม่พูดถึงมันในตอนนี้

ขั้นตอนที่ 10: Id-Vds Curve

สุดท้ายนี้ มาดูเส้นโค้ง Id-Vds เหล่านี้กัน MOSFET ทำงานบนสามภูมิภาค เมื่อ Vgs น้อยกว่าแรงดันธรณีประตู MOSFET อยู่ในขอบเขตที่ถูกตัดออก กล่าวคือ ปิดอยู่ ถ้า Vgs มากกว่าแรงดันธรณีประตูแต่น้อยกว่าผลรวมของแรงดันตกระหว่างเดรนและแหล่งจ่ายและแรงดันขีดจำกัด กล่าวได้ว่าอยู่ในขอบเขตไตรโอดหรือขอบเขตเชิงเส้น ในบริเวณไลเนอร์ MOSFET สามารถใช้เป็นตัวต้านทานปรับแรงดันไฟฟ้าได้ ถ้า Vgs มากกว่าผลรวมของแรงดันไฟฟ้าดังกล่าว กระแสระบายจะกลายเป็นค่าคงที่ กล่าวกันว่าทำงานในพื้นที่อิ่มตัว และเพื่อให้ MOSFET ทำหน้าที่เป็นสวิตช์ ควรใช้ในบริเวณนี้เนื่องจากกระแสสูงสุดสามารถผ่าน MOSFET ได้ ในภูมิภาคนี้

ขั้นตอนที่ 11: คำแนะนำชิ้นส่วน

n ช่อง MOSFET: IRFZ44N

อินเดีย - https://amzn.to/2vDTF6DUS - https://amzn.to/2vB6oXwUK -

p ช่อง MOSFET: IRF9630US - https://amzn.to/2vB6oXwUK -

n ไดรเวอร์ช่อง MOSFET: TC4420US -

p ไดรเวอร์ช่อง MOSFET: TC4429

ขั้นตอนที่ 12: แค่นั้นแหละ

ตอนนี้คุณต้องคุ้นเคยกับพื้นฐานของ MOSFET และสามารถตัดสินใจเลือก MOSFET ที่สมบูรณ์แบบสำหรับโครงการของคุณ

แต่คำถามยังคงอยู่ เมื่อใดที่เราควรใช้ MOSFET คำตอบง่ายๆ คือ เมื่อคุณต้องสลับโหลดที่ใหญ่ขึ้นซึ่งต้องใช้แรงดันและกระแสไฟมากขึ้น MOSFETs มีข้อได้เปรียบของการสูญเสียพลังงานขั้นต่ำเมื่อเทียบกับ BJT แม้ในกระแสที่สูงขึ้น

หากฉันพลาดอะไรไปหรือผิดพลาดหรือมีคำแนะนำใด ๆ โปรดแสดงความคิดเห็นด้านล่าง

ลองสมัครรับข้อมูลจาก Instructables และช่อง YouTube ของเรา ขอบคุณสำหรับการอ่าน พบกันใหม่ในคำแนะนำถัดไป

ขั้นตอนที่ 13: ชิ้นส่วนที่ใช้

n ช่อง MOSFET: IRFZ44NINDIA - https://amzn.to/2vDTF6DUS - https://amzn.to/2vB6oXwUK -

p ช่อง MOSFET: IRF9630US - https://amzn.to/2Jmm437UK -

n ไดรเวอร์ช่อง MOSFET: TC4420US -

p ไดรเวอร์ช่อง MOSFET: TC4429