Khái niệm cơ bản về MOSFET: 13 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:35

Xin chào! Trong phần Có thể hướng dẫn này, tôi sẽ dạy bạn những điều cơ bản về MOSFET và về cơ bản, ý tôi là những điều thực sự cơ bản. Video này lý tưởng cho một người chưa bao giờ học MOSFET chuyên nghiệp, nhưng muốn sử dụng chúng trong các dự án. Tôi sẽ nói về MOSFET kênh n và p, cách sử dụng chúng, chúng khác nhau như thế nào, tại sao cả hai đều quan trọng, tại sao trình điều khiển MOSFET và những thứ tương tự. Tôi cũng sẽ nói về một số sự kiện ít được biết đến về MOSFET và nhiều hơn nữa.

Hãy bắt đầu.

Bước 1: Xem Video

Các video có tất cả mọi thứ được đề cập chi tiết cần thiết để xây dựng dự án này. Video có một số hình ảnh động sẽ giúp nhanh chóng nắm bắt sự thật. Bạn có thể xem nó nếu bạn thích hình ảnh nhưng nếu bạn thích văn bản, hãy thực hiện các bước tiếp theo.

Bước 2: FET

Trước khi bắt đầu MOSFET, hãy để tôi giới thiệu với bạn về tiền thân của nó, JFET hoặc Transistor hiệu ứng trường Junction. Nó sẽ làm cho việc hiểu MOSFET dễ dàng hơn một chút.

Mặt cắt ngang của JFET được thể hiện trong hình. Các thiết bị đầu cuối giống hệt với thiết bị đầu cuối MOSFET. Phần trung tâm được gọi là chất nền hoặc phần thân và nó chỉ là chất bán dẫn loại n hoặc loại p tùy thuộc vào loại FET. Sau đó, các vùng được trồng trên giá thể có loại đối lập với loại giá thể được đặt tên là cổng, cống và nguồn. Bất kỳ điện áp nào bạn áp dụng, bạn áp dụng cho các vùng này.

Ngày nay, theo quan điểm thực tế, nó có rất ít hoặc không có tầm quan trọng. Tôi sẽ không giải thích thêm về điều này vì nó sẽ quá kỹ thuật và không bắt buộc.

Ký hiệu của JFET sẽ giúp chúng ta hiểu được ký hiệu của MOSFET.

Bước 3: MOSFET

Sau đó là MOSFET, có một sự khác biệt lớn trong thiết bị đầu cuối cổng. Trước khi tạo các tiếp điểm cho thiết bị đầu cuối cổng, một lớp Silicon Dioxide được phủ lên trên chất nền. Đây là lý do nó được đặt tên là Transistor hiệu ứng trường bán dẫn Metallic Oxide. SiO2 là một chất điện môi rất tốt, hay bạn có thể nói là chất cách điện. Điều này làm tăng điện trở cổng trong thang từ 10 đến công suất 10 ôm và chúng tôi giả định rằng trong cổng MOSFET dòng điện Ig luôn bằng 0. Đây là lý do tại sao nó còn được gọi là Transistor hiệu ứng trường cổng cách điện (IGFET). Một lớp của chất dẫn điện tốt như nhôm được tăng thêm bên trên tất cả ba vùng và sau đó các tiếp điểm được tạo ra. Trong khu vực cổng, bạn có thể thấy rằng một tụ điện dạng bản song song giống như cấu trúc được hình thành và nó thực sự tạo ra một điện dung đáng kể cho thiết bị đầu cuối cổng. Điện dung này được gọi là điện dung cổng và có thể dễ dàng phá hủy mạch của bạn nếu không tính đến. Những điều này cũng rất quan trọng trong khi học ở cấp độ chuyên nghiệp.

Biểu tượng cho MOSFETs có thể được nhìn thấy trong hình ảnh đính kèm. Đặt một dòng khác trên cổng có ý nghĩa trong khi liên hệ chúng với các JFET, cho thấy cổng đã được cách nhiệt. Hướng mũi tên trong biểu tượng này mô tả hướng quy ước của dòng điện tử bên trong MOSFET, hướng này ngược với hướng của dòng hiện tại

Bước 4: MOSFET có phải là 4 thiết bị đầu cuối không?

Một điều nữa tôi muốn nói thêm là hầu hết mọi người nghĩ MOSFET là một thiết bị ba đầu cuối, trong khi thực sự MOSFET là một thiết bị bốn đầu cuối. Thiết bị đầu cuối thứ tư là thiết bị đầu cuối thân máy. Bạn có thể đã thấy biểu tượng được đính kèm cho MOSFET, thiết bị đầu cuối trung tâm dành cho phần thân.

Nhưng tại sao hầu hết tất cả các MOSFET chỉ có ba thiết bị đầu cuối đi ra khỏi nó?

Đầu cuối thân bên trong bị nối tắt với nguồn vì nó không được sử dụng trong các ứng dụng của các IC đơn giản này, và sau đó ký hiệu trở thành ký hiệu mà chúng ta quen thuộc.

Đầu cuối thân thường được sử dụng khi chế tạo một vi mạch công nghệ CMOS phức tạp. Hãy nhớ rằng đây là trường hợp của MOSFET kênh n, hình ảnh sẽ khác một chút nếu MOSFET là kênh p.

Bước 5: Cách thức hoạt động

Được rồi, bây giờ hãy xem nó hoạt động như thế nào.

Bóng bán dẫn kết nối lưỡng cực hoặc BJT là một thiết bị được kiểm soát dòng điện, có nghĩa là lượng dòng điện trong đầu cuối cơ sở của nó xác định dòng điện sẽ chạy qua bóng bán dẫn, nhưng chúng ta biết rằng không có vai trò của dòng điện trong thiết bị đầu cuối cổng MOSFET và gọi chung chúng ta có thể nói rằng nó là một thiết bị được điều khiển bằng điện áp không phải vì dòng điện cổng luôn bằng 0 mà vì cấu trúc của nó mà tôi sẽ không giải thích trong Bài hướng dẫn này vì sự phức tạp của nó.

Hãy xem xét một MOSFET kênh n. Khi không có điện áp được áp dụng trong cực cổng, hai điốt ngược trở lại tồn tại giữa chất nền và bộ thoát và vùng nguồn làm cho đường dẫn giữa bộ thoát và nguồn có điện trở theo thứ tự từ 10 ôm đến công suất 12 ôm.

Tôi nối đất nguồn bây giờ và bắt đầu tăng điện áp cổng. Khi đạt đến một điện áp tối thiểu nhất định, điện trở giảm xuống và MOSFET bắt đầu dẫn và dòng điện bắt đầu chạy từ cống sang nguồn. Điện áp tối thiểu này được gọi là điện áp ngưỡng của MOSFET và dòng chảy hiện tại là do sự hình thành của một kênh từ nguồn đến nguồn trong chất nền của MOSFET. Như tên cho thấy, trong một MOSFET kênh n, kênh được tạo thành từ n loại hạt tải điện hiện tại, tức là các electron, trái ngược với loại chất nền.

Bước 6: Nhưng…

Nó chỉ mới bắt đầu ở đây. Áp dụng điện áp ngưỡng không có nghĩa là bạn đã sẵn sàng sử dụng MOSFET. Nếu bạn nhìn vào bảng dữ liệu của IRFZ44N, một MOSFET kênh n, bạn sẽ thấy rằng ở điện áp ngưỡng của nó, chỉ một dòng điện tối thiểu nhất định mới có thể chạy qua nó. Điều đó là tốt nếu bạn chỉ muốn sử dụng các tải nhỏ hơn chỉ như đèn LED, nhưng, vấn đề là gì sau đó. Vì vậy, để sử dụng tải lớn hơn hút nhiều dòng điện hơn, bạn sẽ phải áp dụng nhiều điện áp hơn cho cổng. Điện áp cổng ngày càng tăng nâng cao kênh làm cho dòng điện chạy qua nó nhiều hơn. Để bật hoàn toàn MOSFET, điện áp Vgs, là điện áp giữa cổng và nguồn phải ở đâu đó khoảng 10 đến 12 Volts, có nghĩa là nếu nguồn được nối đất, cổng phải ở mức 12 Volts hoặc hơn.

MOSFET mà chúng ta vừa thảo luận được gọi là MOSFET loại nâng cao vì lý do kênh được tăng cường khi tăng điện áp cổng. Có một loại MOSFET khác được gọi là MOSFET loại cạn kiệt. Sự khác biệt chính là trong thực tế, kênh đã có trong MOSFET loại cạn kiệt. Loại MOSFET này thường không có sẵn trên thị trường. Biểu tượng cho loại cạn kiệt MOSFET là khác nhau, đường liền nét cho biết kênh đó đã có sẵn.

Bước 7: Tại sao sử dụng MOSFET Trình điều khiển?

Bây giờ, giả sử bạn đang sử dụng bộ vi điều khiển để điều khiển MOSFET, khi đó bạn chỉ có thể áp dụng tối đa 5 Vôn trở xuống cho cổng, điều này sẽ không đủ cho tải hiện tại cao.

Những gì bạn có thể làm là sử dụng trình điều khiển MOSFET như TC4420, bạn chỉ cần cung cấp tín hiệu logic tại các chân đầu vào của nó và nó sẽ lo phần còn lại hoặc bạn có thể tự xây dựng trình điều khiển, nhưng trình điều khiển MOSFET có nhiều lợi thế hơn trong thực tế là nó cũng quan tâm đến một số thứ khác như điện dung cổng, v.v.

Khi MOSFET được bật hoàn toàn, điện trở của nó được ký hiệu là Rdson và có thể dễ dàng tìm thấy trong biểu dữ liệu.

Bước 8: MOSFET Kênh P

MOSFET kênh p hoàn toàn ngược lại với MOSFET kênh n. Dòng điện chạy từ nguồn đến nguồn thoát và kênh được tạo thành từ loại hạt mang điện tích, tức là lỗ trống.

Nguồn trong MOSFET kênh p phải ở mức tiềm năng cao nhất và để bật hoàn toàn nguồn Vgs phải âm 10 đến 12 Volts

Ví dụ: nếu nguồn được gắn với 12 Volts, cổng ở 0 volt phải có thể bật hoàn toàn và đó là lý do tại sao chúng ta thường nói áp dụng 0 Volts cho cổng bật kênh ap MOSFET ON và do những yêu cầu này mà trình điều khiển MOSFET cho kênh n không thể được sử dụng trực tiếp với MOSFET kênh p. Các trình điều khiển MOSFET kênh p có sẵn trên thị trường (như TC4429) hoặc bạn có thể chỉ cần sử dụng một biến tần với trình điều khiển MOSFET kênh n. MOSFET kênh p có điện trở BẬT tương đối cao hơn MOSFET kênh n nhưng điều đó không có nghĩa là bạn luôn có thể sử dụng MOSFET kênh n cho bất kỳ ứng dụng nào có thể.

Bước 9: Nhưng Tại sao?

Giả sử bạn phải sử dụng MOSFET trong cấu hình đầu tiên. Loại chuyển mạch đó được gọi là chuyển mạch bên thấp vì bạn đang sử dụng MOSFET để kết nối thiết bị với mặt đất. MOSFET kênh n sẽ phù hợp nhất cho công việc này vì Vgs không thay đổi và có thể dễ dàng duy trì ở 12 Volts.

Nhưng nếu bạn muốn sử dụng MOSFET kênh n để chuyển đổi phía cao, nguồn có thể nằm ở bất kỳ đâu giữa mặt đất và Vcc, điều này cuối cùng sẽ ảnh hưởng đến điện áp Vgs vì điện áp cổng là không đổi. Điều này sẽ có tác động rất lớn đến hoạt động bình thường của MOSFET. Ngoài ra, MOSFET sẽ cháy nếu Vgs vượt quá giá trị tối đa đã đề cập, trung bình là khoảng 20 Volts.

Do đó, việc sử dụng MOSFET kênh n ở đây không phải là một bước đi đơn giản, những gì chúng ta làm là sử dụng MOSFET kênh p mặc dù có điện trở BẬT lớn hơn vì nó có lợi thế là Vgs sẽ không đổi trong suốt quá trình chuyển đổi bên cao. Ngoài ra còn có các phương pháp khác như bootstrapping, nhưng tôi sẽ không trình bày chúng ngay bây giờ.

Bước 10: Đường cong Id-Vds

Cuối cùng, chúng ta hãy xem nhanh các đường cong Id-Vds này. MOSFET hoạt động trên ba vùng, khi Vgs nhỏ hơn điện áp ngưỡng, MOSFET ở vùng cắt, tức là nó bị tắt. Nếu Vgs lớn hơn điện áp ngưỡng nhưng nhỏ hơn tổng điện áp rơi giữa cống và nguồn và điện áp ngưỡng, nó được cho là ở vùng triode hoặc vùng tuyến tính. Trong vùng lót, MOSFET có thể được sử dụng như một biến điện áp. Nếu Vgs lớn hơn tổng điện áp đã nói, thì dòng xả trở nên không đổi, nó được cho là đang làm việc trong vùng bão hòa và để làm cho MOSFET hoạt động như một công tắc, nó phải được hoạt động trong vùng này vì dòng điện tối đa có thể đi qua MOSFET trong khu vực này.

Bước 11: Gợi ý các bộ phận

n Kênh MOSFET: IRFZ44N

ẤN ĐỘ - https://amzn.to/2vDTF6DUS - https://amzn.to/2vB6oXwUK -

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

n Trình điều khiển MOSFET Kênh: TC4420US -

p Trình điều khiển MOSFET Kênh: TC4429

Bước 12: Đó là Nó

Bây giờ bạn phải làm quen với những điều cơ bản về MOSFET và có thể quyết định MOSFET hoàn hảo cho dự án của bạn.

Nhưng một câu hỏi vẫn còn đó, khi nào chúng ta nên sử dụng MOSFET? Câu trả lời đơn giản là khi bạn phải chuyển tải lớn hơn đòi hỏi nhiều điện áp và dòng điện hơn. MOSFET có ưu điểm là tổn thất điện năng tối thiểu so với BJT ngay cả ở dòng cao hơn.

Nếu tôi bỏ sót bất cứ điều gì, hoặc sai, hoặc bạn có bất kỳ lời khuyên, xin vui lòng bình luận bên dưới.

Cân nhắc đăng ký kênh YouTube và Sách hướng dẫn của chúng tôi. Cảm ơn các bạn đã đọc, hẹn gặp lại các bạn trong những Bài hướng dẫn tiếp theo.

Bước 13: Các bộ phận được sử dụng

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

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

n Trình điều khiển MOSFET Kênh: TC4420US -

p Trình điều khiển MOSFET Kênh: TC4429