Įtampos valdymas ir srovės srautas MOSFET tranzistoriuose

MOSFET (metalo oksido-semiklaidinio lauko efekto tranzistorius) yra pagrindinis modernių elektroninių sistemų komponentas, žinomas dėl savo efektyvių perjungimo ir amplifikavimo galimybių.Pastatytas ant silicio substrato, jame yra trys gnybtai - šaltinis, nutekėjimas ir vartai -, užtikrinantis tikslią srovės valdymą per įtampos reguliavimą.Šiame straipsnyje nagrinėjama MOSFET struktūra, eksploatavimo režimai, elektrinės charakteristikos ir funkciniai regionai, taip pat jų vaidmenys analoginėse grandinėse, siūlant inžinieriams išsamią įžvalgą apie MOSFET pagrįstų technologijų projektą, valdymą ir taikymą.

Katalogas

MOSFET prietaisų struktūra

MOSFET, pripažintas kaip lauko efekto tranzistoriaus (FET) variantas, paprastai pasižymi stačiakampiu forma ir yra sukurtas ant puslaidininkio pagrindo, daugiausia pagaminto iš silicio.

Mosfet anatomija su silicio oksido sluoksniu

Išnagrinėkite aukščiau pateiktą schemą.Pastebėsite, kad MOSFET sudaro trys esminiai gnybtų įtaisai: šaltinis (-ai), kanalizacija (d) ir vartai (G).

Terminalų vaidmuo MOSFET

Šie terminalai yra neatsiejama MOSFET substrato dalis.Veikdamas kaip pagrindas, substratas palengvina kanalą, įgalinantį srovės srautą į tranzistorių.Ši dinamika yra skolinga savo kilmei šaltinio ir kanalizacijos gnybtams, esminiams, nukreipiantiems į krūvio nešiklius, įtraukiant dabartinį srautą.

Ohmo įstatymas veiksme

Ši operacija vadovaujasi Ohmo dėsniu, kuris apibūdina koreliaciją tarp srovės laidininko ir potencialo skirtumo per gnybtus, esant stabiliai temperatūrai ir fizinėms sąlygoms.

Elektronų judėjimas ir srovė

Įvedus įtampą, elektronai ir srovė progresuoja nuo šaltinio iki nutekėjimo MOSFET.Pagal Ohmo įstatymą: V = IR - kur V reiškia taikomą įtampą ir aš žymi srovę, važiuojančią per MOSFET.Taigi padidėjusi įtampa lemia padidėjusią srovę.

Vartų valdymo mechanizmas

MOSFET vartų komponentas kontroliuoja srovės srautą, besitęsiantį nuo šaltinio iki kanalizacijos.

Mosfetų variacijos

Mosfetas savo egzistavimą randa dviem skirtingomis formomis:

- Išeikvojimo režimas MOSFET

- Patobulinimo režimas MOSFET

Išeikvojimo režimas MOSFET

Išeikvojimo režimo MOSFET galima toliau suskirstyti į kategorijas:

- N-kanalo išeikvojimas

- P-kanalo išeikvojimas MOSFET

Tyrinėdami N-kanalo modelį, mes atskleidžiame N tipo medžiagos kanalą, įdėtą į p tipo substratą.„N-kanalas“ turi jungtis prie kanalizacijos ir šaltinio, o vartai išlieka izoliuoti dėl SiO2 barjero.

Taikant teigiamą įtampą (VGS), pažadina slenksčio įtampą (VT), leidžiančią srovei pereiti nuo šaltinio.Šis energingas srautas tęsiasi tol, kol visi laisvieji nešikliai šaltiniuose dalyvauja elektronų šokyje, todėl atsiranda stabilizuota srovė.Įdomus įprastos srovės pobūdis prieštarauja šiam šokiui.

Atvirkščiai, įvedant neigiamą įtampos vadovus elektronus iš vartų substrato, pritraukdami substrato skylutes link jų.Intensyvus neigiama įtampa išeikvoja laisvųjų elektronų N kanalą, sumažindamas srovės srautą per jį.

P-kanalo išeikvojimas MOSFET yra priešinga N-kanalui.Tokiu atveju MOSFET yra sudarytas iš P kanalo puslaidininkinės medžiagos, o substratas yra N tipo.

Priešingai konfigūracijai, P-kanalo išeikvojimas MOSFET turi P tipo kanalą su N tipo substrate.Esant teigiama įtampa (VG), skylės migruoja link N tipo substrato, kai elektronai susilieja ant p-kanalo, mažėjančią srovę.Ir atvirkščiai, neigiama įtampa traukia skylutes ir srovę apgailėtinai link Mosfet neigiamo terminalo.

Patobulinimo režimas MOSFET

Šis modelis atspindi išeikvojimo režimo dvigubą klasifikavimą:

- N kanalo patobulinimas MOSFET

- P-kanalo patobulinimas MOSFET

N-kanalo dizaine pateiktas P tipo substratas, kuriame N kanalas, esantis kanale ir šaltinis.Dabartinė slypi VGS = 0;Tačiau taikant teigiamą įtampą, ji sukelia ją gyvybei.Elektronai trokšta vartų gnybto, stumdami skylutes į substratą.Eskalavusio VGS skatina atsirasti suspaudimo sąlygas, kurioms būdinga prisotinta kanalizacijos srovė ir atsiradus sodrumo įtampai (VDS).

Skirtingai nuo jo N-kanalo atitikmens, „P-kanalo“ patobulinimas MOSFET reikalauja neigiamo VG kanalo formavimui.Čia paaiškėja, kai dydžio santykis | VDS |= | Vgs |-| Vt |yra susitikęs.

Skirtumas tarp išeikvojimo ir sustiprinimo MOSFET yra susijęs su tuo, kad esant VGS = 0, tik išeikvojimas MOSFETS veikia srovę.

Intriguojantys mosfetų bruožai

„Mosfets“ turi keletą intriguojančių bruožų:

- Šie įtaisai yra įtampos valdomi, tiksliai paverčiantys subtilius elektrinius signalus.

- Jie pasižymi didele įvesties varža, leidžiančia jautriai aptikti įvesties pokyčius.

- Mosfetams būdingas jų vienpoliškumas, manipuliuojantys vieno tipo krūvio nešiotojai.

- Su trimis terminalais jie siūlo universalias įvairių grandinių dizainų ryšio parinktis.

Mosfetų perdavimo dinamika

Šis dinaminis grafikas rodo, kaip VDS kinta atsižvelgiant į reakcijos į kanalizacijos srovės (ID) ir vartų šaltinio įtampos (VGS) pokyčius.

Iliustruojant žemiau pateiktoje diagramoje pavaizduota tiek išeikvojimo, tiek patobulinimo režimų perdavimo dinamika:

Kreivė kyla, atskleidžiant regionus, kuriems įtakos turi VG.Teigiamas VGS yra patobulinimo srityje, o neigiamas VGS jus išeikvoja.

Sąveika tarp kanalizacijos srovės ir VGS yra apibrėžta taip:

- , kur VP žymi prispaudimo įtampą.

- Arba, , kur „k“ žymi įrenginio konstantą.

MOSFET veiklos principai

„MOSFET“ veikia trijuose skirtinguose regionuose, kurių kiekvienas atlieka unikalią funkciją savo elgesyje:

- Ohminis regionas

- sodrumo regionas

- „Nutoff“ regionas

OHMIC regionas

Paprastai vadinama linijine sritimi, ši fazė pasižymi intymiu nutekėjimo šaltinio įtampos ir kanalizacijos srovės ryšiu, o tai rodo unikalią sinergiją.Kintant vartų šaltinio įtampai (VGS), jis netiesiogiai stimuliuoja kanalizacijos srovės (ID) pokyčius, pakartojančias į atsparumą panašų MOSFET elgseną.

Matematiškai šis sudėtingas šokis užfiksuotas taip:

Prisotinimo regionas

Kai kuriuose apskritimuose žinomas kaip aktyvus regionas, čia MOSFET žavesys yra jo sugebėjimas stabilizuoti srovę.Kai kanalizacijos šaltinio įtampa (VDS) pralenkia prispaudimo slenkstį (VP), dabartinė yra ramus pastovumas.

Šio regiono elgesys gali būti elegantiškai išreikštas taip:

Ribinis regionas

Išjungimo zonoje MOSFET apima vienatvę, veikdama kaip atvira grandinė, neturinti srovės srauto.Čia tai yra žiūrovas, gyvenantis prispaudimo būklėje ir leidžiantis ramiai vyrauti prieš jo kanalą.

Vaizdo šaltinis: praktinis bičiulis

MOSFET vaidmuo analoginėse integruotose grandinėse

MOSFET yra esminė analoginių integruotų grandinių komponentas, prisidedantis prie įvairių funkcijų, kurios patenkina žmogaus poreikius ir norus, tokius kaip stabilumas, efektyvumas ir kūrybiškumas.Tai apima šias programas:

- Palengvinant analoginių stiprintuvų dizainą

- Įgalinamas išėjimo įtampos perjungimas

- Operacinių stiprintuvų formulavimas

- DC variklio našumo moduliavimas

- Analoginių signalų aiškinimas ir apdorojimas

- osciliatorių kūrimas analoginiuose rėmuose

- Kondensatorių įkrovimo ir išmetimo procesų priežiūra