Enhancement MOSFET : การทำงาน ความแตกต่าง & การใช้งาน

MOSFET (เมทัล-ออกไซด์–เซมิคอนดักเตอร์ FET) เป็นทรานซิสเตอร์แบบ field-effect ชนิดหนึ่งที่มีเกทหุ้มฉนวนซึ่งส่วนใหญ่ใช้สำหรับขยายหรือสลับสัญญาณ ตอนนี้ในวงจรแอนะล็อกและดิจิตอล MOSFET ถูกใช้บ่อยกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับ BJTs . MOSFET ส่วนใหญ่จะใช้ในแอมพลิฟายเออร์เนื่องจากอิมพีแดนซ์อินพุตไม่สิ้นสุด ดังนั้นจึงช่วยให้แอมพลิฟายเออร์จับสัญญาณขาเข้าเกือบทั้งหมด ประโยชน์หลักของ MOSFET เมื่อเทียบกับ BJT คือ แทบไม่ต้องการกระแสอินพุตในการควบคุมกระแสโหลด MOSFET แบ่งได้เป็น 2 ประเภทคือ MOSFET ที่เพิ่มประสิทธิภาพและ MOSFET แบบพร่อง ดังนั้นบทความนี้จึงให้ข้อมูลสั้น ๆ เกี่ยวกับ การเพิ่มประสิทธิภาพ MOSFET - การทำงานกับแอพพลิเคชั่น

Enhancement Type MOSFET คืออะไร?

MOSFET ซึ่งทำงานในโหมดเพิ่มประสิทธิภาพเรียกว่า E-MOSFET หรือ Enhancement mosfet โหมดการเพิ่มประสิทธิภาพหมายความว่า เมื่อใดก็ตามที่แรงดันไฟฟ้าไปยังขั้วเกทของ MOSFET นี้เพิ่มขึ้น กระแสไฟจะเพิ่มขึ้นจากการระบายน้ำไปยังแหล่งกำเนิดจนกว่าจะถึงระดับสูงสุด MOSFET นี้เป็นอุปกรณ์ควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสามขั้ว โดยที่ขั้วต่อเป็นแหล่งจ่าย เกต และท่อระบายน้ำ

คุณสมบัติของ MOSFET เหล่านี้คือการกระจายพลังงานต่ำ การผลิตที่เรียบง่าย และรูปทรงขนาดเล็ก ดังนั้นคุณสมบัติเหล่านี้จะนำไปใช้ภายในวงจรรวม ไม่มีทางเดินระหว่างท่อระบายน้ำ (D) และแหล่ง (S) ของ MOSFET นี้เมื่อไม่มีการใช้แรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้วเกทและต้นทาง ดังนั้นการใช้แรงดันไฟฟ้าที่ประตูสู่แหล่งกำเนิดจะช่วยเพิ่มช่องทางทำให้สามารถนำกระแสไฟฟ้าได้ คุณสมบัตินี้เป็นเหตุผลหลักในการเรียกอุปกรณ์นี้ว่า MOSFET โหมดเพิ่มประสิทธิภาพ

เพิ่มประสิทธิภาพ MOSFET Symbol

สัญลักษณ์ MOSFET ที่เพิ่มประสิทธิภาพสำหรับทั้ง P-channel และ N-channel แสดงอยู่ด้านล่าง ในสัญลักษณ์ด้านล่าง เราจะสังเกตเห็นว่าเส้นขาดนั้นเชื่อมต่ออย่างง่าย ๆ จากต้นทางไปยังขั้วต่อวัสดุพิมพ์ ซึ่งหมายถึงประเภทโหมดการปรับปรุง

การนำไฟฟ้าใน EMOSFETs เพิ่มขึ้นโดยการเพิ่มชั้นออกไซด์ ซึ่งจะเพิ่มตัวพาประจุเข้าไปในช่อง โดยปกติ เลเยอร์นี้เรียกว่าเลเยอร์ผกผัน

ช่องสัญญาณใน MOSFET นี้ถูกสร้างขึ้นระหว่าง D (ท่อระบายน้ำ) และ S (แหล่งที่มา) ในประเภท N-channel จะใช้วัสดุพิมพ์ประเภท P ในขณะที่ประเภท P-channel จะใช้วัสดุพิมพ์ประเภท N ที่นี่การนำของช่องสัญญาณเนื่องจากตัวพาประจุส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับช่องประเภท P หรือ N-type ตามลำดับ

ปรับปรุงหลักการทำงานของมอสเฟต

การเพิ่มประสิทธิภาพ MOSFET ชนิดปกติจะปิดซึ่งหมายความว่าเมื่อมีการเชื่อมต่อ MOSFET ชนิดเพิ่มประสิทธิภาพ จะไม่มีกระแสไหลจากท่อระบายน้ำของเทอร์มินัล (D) ไปยังแหล่งกำเนิด (S) เมื่อไม่มีแรงดันไฟฟ้าให้กับเทอร์มินอลเกท นี่คือเหตุผลที่เรียกทรานซิสเตอร์นี้ว่า a ปกติปิดเครื่อง .

ในทำนองเดียวกัน หากแรงดันจ่ายให้กับขั้วเกทของ MOSFET นี้ ช่องสัญญาณจากแหล่งระบายจะมีความต้านทานน้อยมาก เมื่อแรงดันไฟจากเกทถึงขั้วต้นทางเพิ่มขึ้น การไหลของกระแสจากท่อระบายไปยังขั้วต้นทางก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน จนกระทั่งกระแสสูงสุดจ่ายจากขั้วต่อระบายไปยังแหล่งจ่าย

การก่อสร้าง

ดิ การสร้างการเพิ่มประสิทธิภาพ MOSFET แสดงอยู่ด้านล่าง MOSFET นี้ประกอบด้วยประตูสามชั้น ท่อระบายน้ำ และแหล่งที่มา เนื้อความของ MOSFET เรียกว่าสารตั้งต้นที่เชื่อมต่อภายในกับแหล่งกำเนิด ใน MOSFET ขั้วประตูโลหะจากชั้นเซมิคอนดักเตอร์จะถูกหุ้มฉนวนผ่านชั้นซิลิกอนไดออกไซด์มิฉะนั้นจะเป็นชั้นอิเล็กทริก

EMOSFET นี้สร้างขึ้นด้วยวัสดุสองชนิด เช่น เซมิคอนดักเตอร์ชนิด P และชนิด N วัสดุพิมพ์ให้การสนับสนุนทางกายภาพแก่อุปกรณ์ ชั้น SiO บางและฉนวนไฟฟ้าที่โดดเด่นเพียงครอบคลุมพื้นที่ระหว่างขั้วต้นทางและปลายท่อระบายน้ำ บนชั้นออกไซด์ ชั้นโลหะจะสร้างอิเล็กโทรดของเกท

ในโครงสร้างนี้ พื้นที่ N สองส่วนจะถูกแยกออกผ่านระยะไมโครเมตรบนซับสเตรตชนิด p ที่เจือเล็กน้อย N-regions ทั้งสองนี้ดำเนินการเหมือนกับปลายทางต้นทางและท่อระบายน้ำ บนพื้นผิวมีการพัฒนาชั้นฉนวนบาง ๆ ซึ่งเรียกว่าซิลิกอนไดออกไซด์ ตัวพาประจุเช่นรูที่ทำบนชั้นนี้จะสร้างหน้าสัมผัสอลูมิเนียมสำหรับทั้งต้นทางและขั้วท่อระบายน้ำ

เลเยอร์การนำนี้ทำงานเหมือนกับเกทเทอร์มินอลซึ่งวางอยู่บน SiO2 รวมถึงพื้นที่ทั้งหมดของแชนเนล อย่างไรก็ตาม สำหรับการนำไฟฟ้า จะไม่มีช่องสัญญาณทางกายภาพใดๆ ในการเพิ่มประสิทธิภาพ MOSFET ประเภทนี้ ซับสเตรตประเภท p จะถูกขยายบนเลเยอร์ SiO2 ทั้งหมด

การทำงาน

การทำงานของ EMOSFET คือเมื่อ VGS เป็น 0V จึงไม่มีช่องสัญญาณที่จะเชื่อมต่อแหล่งสัญญาณและท่อระบายน้ำ สารตั้งต้นประเภท p มีตัวพาประจุส่วนน้อยที่ผลิตด้วยความร้อนเพียงเล็กน้อย เช่น อิเล็กตรอนอิสระ ดังนั้นกระแสระบายออกจะเป็นศูนย์ ด้วยเหตุนี้ MOSFET นี้จึงถูกปิดตามปกติ

เมื่อเกท (G) เป็นค่าบวก (+ve) มันจะดึงดูดพาหะประจุไฟฟ้าส่วนน้อย เช่น อิเล็กตรอนจาก p–substrate โดยที่ตัวพาประจุเหล่านี้จะรวมกันผ่านรูใต้ชั้นของ SiO2 VGS เพิ่มขึ้นอีก อิเล็กตรอนจะมีศักยภาพเพียงพอที่จะมาเกาะติดกัน และตัวพาประจุมากขึ้น เช่น อิเล็กตรอนจะถูกสะสมในช่อง

ที่นี่อิเล็กทริกถูกใช้เพื่อป้องกันการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนข้ามชั้นซิลิกอนไดออกไซด์ การสะสมนี้จะส่งผลให้เกิดการสร้าง n-channel ระหว่างขั้ว Drain และ Source ดังนั้นสิ่งนี้สามารถนำไปสู่การไหลของกระแสระบายที่เกิดขึ้นทั่วทั้งช่อง กระแสระบายนี้เป็นสัดส่วนกับความต้านทานของช่องสัญญาณซึ่งขึ้นอยู่กับตัวพาประจุที่ดึงดูดไปยังขั้ว +ve ของเกต

ประเภทของการปรับปรุงประเภท MOSFET

มีให้เลือก 2 แบบ N Channel Enhancement MOSFET และ P Channel Enhancement MOSFET .

ในประเภทการเพิ่มประสิทธิภาพช่อง N จะใช้สารตั้งต้น p ที่มีการเจือปนเบา ๆ และส่วน n-type ที่มีการเจือหนักสองส่วนจะทำให้ปลายทางต้นทางและปลายทางระบายออก ใน E-MOSFET ประเภทนี้ ตัวพาประจุส่วนใหญ่เป็นอิเล็กตรอน โปรดดูที่ลิงค์นี้เพื่อทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ - N-channel MOSFET.

ในประเภทช่องสัญญาณ P จะใช้สารตั้งต้น N ที่เจือเบา ๆ และบริเวณประเภท p ที่มีการเจือหนักสองส่วนจะทำให้ขั้วต้นทางและปลายท่อระบายน้ำ ใน E-MOSFET ประเภทนี้ ตัวพาประจุส่วนใหญ่จะเป็นรู โปรดดูที่ลิงค์นี้เพื่อทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ - P-channel MOSFET .

ลักษณะเฉพาะ

ลักษณะ VI และท่อระบายน้ำของการเพิ่มประสิทธิภาพ n แชนเนล MOSFET และการปรับปรุงแชนเนล p มีการกล่าวถึงด้านล่าง

ลักษณะท่อระบายน้ำ

ดิ ลักษณะการระบายน้ำของมอสเฟต N ช่องสัญญาณ แสดงอยู่ด้านล่าง ในลักษณะเหล่านี้ เราสามารถสังเกตลักษณะการระบายน้ำที่วางแผนไว้ระหว่าง Id และ Vds สำหรับค่า Vgs ต่างๆ ดังที่แสดงในแผนภาพ ดังที่คุณเห็นว่าเมื่อค่า Vgs เพิ่มขึ้น ค่า 'Id' ปัจจุบันก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน

เส้นโค้งพาราโบลาบนคุณลักษณะจะแสดงตำแหน่งของ VDS โดยที่ Id (กระแสระบายออก) จะอิ่มตัว ในกราฟนี้ แสดงขอบเขตเชิงเส้นหรือโอห์มมิก ในภูมิภาคนี้ MOSFET สามารถทำหน้าที่เป็นตัวต้านทานที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า ดังนั้น สำหรับค่า Vds คงที่ เมื่อเราเปลี่ยนค่าแรงดัน Vgs แล้ว ความกว้างของช่องจะเปลี่ยนไป หรือเราสามารถพูดได้ว่าความต้านทานของช่องจะเปลี่ยนไป

ขอบเขตโอห์มมิกคือขอบเขตที่ค่า 'IDS' ปัจจุบันเพิ่มขึ้นพร้อมกับค่า VDS ที่เพิ่มขึ้น เมื่อ MOSFET ได้รับการออกแบบมาให้ทำงานในพื้นที่โอห์มมิก ก็จะสามารถใช้เป็นแอมพลิฟายเออร์ได้ .

แรงดันเกท ณ จุดที่ทรานซิสเตอร์เปิดและเริ่มกระแสไหลทั่วทั้งช่องสัญญาณเรียกว่า แรงดันตกกระทบ (VT หรือ VTH) สำหรับ N-channel ค่าแรงดันธรณีประตูนี้มีตั้งแต่ 0.5V – 0.7V ในขณะที่อุปกรณ์ P-channel จะอยู่ในช่วงตั้งแต่ -0.5V ถึง -0.8V

เมื่อใดก็ตามที่ Vds Vt ในกรณีนี้ MOSFET จะทำงานในพื้นที่เชิงเส้น ดังนั้นในภูมิภาคนี้จึงสามารถทำหน้าที่เป็น ตัวต้านทานที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า .

ในพื้นที่จุดตัด เมื่อแรงดัน Vgs

เมื่อใดก็ตามที่มอสเฟตทำงานทางด้านขวาของโลคัส เราสามารถพูดได้ว่ามันทำงานใน ภูมิภาคอิ่มตัว . ดังนั้น ในทางคณิตศาสตร์ เมื่อใดก็ตามที่แรงดัน Vgs > หรือ = Vgs-Vt จะทำงานในพื้นที่อิ่มตัว ดังนั้นนี่คือทั้งหมดที่เกี่ยวกับลักษณะการระบายน้ำในภูมิภาคต่างๆ ของมอสเฟตเสริมประสิทธิภาพ

ลักษณะการโอน

ดิ ลักษณะการถ่ายโอนของมอสเฟตการเพิ่มประสิทธิภาพช่อง N แสดงอยู่ด้านล่าง ลักษณะการถ่ายโอนแสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าขาเข้า 'Vgs' และกระแสไฟระบายออก 'Id' ลักษณะเหล่านี้โดยทั่วไปจะแสดงให้เห็นว่า 'รหัส' เปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อค่า Vgs เปลี่ยนแปลง จากคุณลักษณะเหล่านี้ เราสามารถสังเกตได้ว่ากระแสการระบาย 'Id' มีค่าเป็นศูนย์จนถึงแรงดันไฟฟ้าที่เกณฑ์ หลังจากนั้นเมื่อเราเพิ่มค่า Vgs แล้ว 'Id' จะเพิ่มขึ้น

ความสัมพันธ์ระหว่าง 'Id' และ Vgs ปัจจุบันสามารถกำหนดได้เป็น Id = k(Vgs-Vt)^2 ที่นี่ 'K' คือค่าคงที่ของอุปกรณ์ซึ่งขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ทางกายภาพของอุปกรณ์ ดังนั้นโดยใช้นิพจน์นี้ เราสามารถหาค่าปัจจุบันของเดรนสำหรับค่า Vgs คงที่ได้

P Channel Enhancement MOSFET

ดิ ลักษณะการระบายน้ำมอสเฟตการเพิ่มประสิทธิภาพช่องสัญญาณ P แสดงอยู่ด้านล่าง ที่นี่ Vds และ Vgs จะเป็นค่าลบ กระแสไฟ 'Id' จะจ่ายจากแหล่งกำเนิดไปยังสถานีระบายน้ำ ดังที่เราสังเกตได้จากกราฟนี้ เมื่อ Vgs เป็นลบมากขึ้น 'Id' ของท่อระบายน้ำก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน

เมื่อ Vgs >VT MOSFET นี้จะทำงานในพื้นที่ตัด ในทำนองเดียวกัน หากคุณสังเกตลักษณะการถ่ายโอนของ MOSFET นี้ มันจะเป็นภาพสะท้อนของ N-channel

แอปพลิเคชั่น

การให้น้ำหนักการเพิ่มประสิทธิภาพ MOSFET

โดยทั่วไป Enhancement MOSFET (E-MOSFET) จะมีความเอนเอียงอย่างใดอย่างหนึ่งกับความเอนเอียงของตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า มิฉะนั้น จะทำให้อคติป้อนกลับระบายออก แต่ E-MOSFET ไม่ลำเอียงกับอคติในตนเองและอคติเป็นศูนย์

อคติตัวแบ่งแรงดัน

อคติตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าสำหรับช่อง N E-MOSFET แสดงไว้ด้านล่าง อคติตัวแบ่งแรงดันจะคล้ายกับวงจรตัวแบ่งที่ใช้ BJT ในความเป็นจริง MOSFET ที่เพิ่มประสิทธิภาพ N-channel ต้องการเทอร์มินัลเกทซึ่งสูงกว่าแหล่งกำเนิด เช่นเดียวกับ NPN BJT ต้องการแรงดันไฟฟ้าพื้นฐานที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับอีซีแอล

ในวงจรนี้ ตัวต้านทานเช่น R1 & R2 ถูกใช้เพื่อสร้างวงจรแบ่งเพื่อสร้างแรงดันเกต

เมื่อแหล่งที่มาของ E-MOSFET เชื่อมต่อโดยตรงกับ GND ดังนั้น VGS = VG ดังนั้น ต้องตั้งค่าศักย์ข้ามตัวต้านทาน R2 ให้สูงกว่า VGS(th) เพื่อการทำงานที่เหมาะสมด้วยสมการคุณลักษณะ E-MOSFET เช่น I _ดี = เค (V _GS -ใน _GS (ธ))^2.

เมื่อทราบค่า VG จะใช้สมการคุณลักษณะของ E-MOSFET เพื่อสร้างกระแสระบายออก แต่ค่าคงที่ของอุปกรณ์ 'K' เป็นปัจจัยที่ขาดหายไปเพียงอย่างเดียวที่สามารถคำนวณได้สำหรับอุปกรณ์เฉพาะใดๆ ขึ้นอยู่กับคู่พิกัด VGS (เปิด) และ ID (เปิด)

ค่าคงที่ 'K' ได้มาจากสมการคุณลักษณะของ E-MOSFET เช่น K = I _ดี /(ใน _GS -ใน _GS (ธ))^2.

K = ฉัน _ดี /(ใน _GS -ใน _GS (ธ))^2.

ดังนั้น ค่านี้จึงใช้สำหรับจุดให้น้ำหนักอื่นๆ

ระบายความคิดเห็นอคติ

การให้น้ำหนักนี้ใช้จุดปฏิบัติการ 'เปิด' บนเส้นโค้งลักษณะเฉพาะที่กล่าวถึงข้างต้น แนวคิดคือการตั้งค่ากระแสไฟระบายผ่านการเลือกแหล่งจ่ายไฟและตัวต้านทานการระบายน้ำที่เหมาะสม ต้นแบบวงจรป้อนกลับการระบายน้ำแสดงอยู่ด้านล่าง

นี่เป็นวงจรที่ค่อนข้างง่ายที่ใช้ส่วนประกอบพื้นฐานบางอย่าง การดำเนินการนี้เข้าใจได้โดยการใช้ KVL

ใน _DD = ว _RD + วี _RG + วี _GS

ใน _DD = ฉัน _ดี R _ดี + ฉัน _G R _G + วี _GS

ที่นี่กระแสเกตไม่มีนัยสำคัญดังนั้นสมการข้างต้นจะกลายเป็น

ใน _DD =ฉัน _ดี R _ดี +วี _GS

และยัง V _{ดีเอส =} ใน _GS

ดังนั้น,

ใน _GS =V _DS = ว _DD − ฉัน _ดี R _ดี

สมการนี้สามารถใช้เป็นพื้นฐานสำหรับการออกแบบวงจรอคติ

การเพิ่มประสิทธิภาพ MOSFET กับ Depletion MOSFET

ความแตกต่างระหว่าง Enhancement mosfet และ Depletion mosfet มีดังต่อไปนี้

โปรดดูที่ลิงค์นี้เพื่อทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ - โหมดพร่อง MOSFET .

ดิ แอพพลิเคชั่นของ Enhancement MOSFET รวมสิ่งต่อไปนี้

• โดยทั่วไป MOSFET ที่เพิ่มประสิทธิภาพจะใช้ในวงจรสวิตชิ่ง แอมพลิฟายเออร์ และอินเวอร์เตอร์
• สิ่งเหล่านี้ถูกใช้ในไดรเวอร์มอเตอร์ ตัวควบคุมดิจิตอล และไอซีอิเล็กทรอนิกส์กำลัง
• มันถูกใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ดิจิตอล

ดังนั้น นี่คือภาพรวมของการเพิ่มประสิทธิภาพ MOSFET – ทำงาน ด้วยแอพพลิเคชั่น E-MOSFET สามารถใช้ได้ทั้งเวอร์ชันพลังงานสูงและต่ำซึ่งทำงานในโหมดเพิ่มประสิทธิภาพเท่านั้น นี่คือคำถามสำหรับคุณ MOSFET การพร่องคืออะไร?