Ein MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-FET) ist eine Art Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate, der hauptsächlich zum Verstärken oder Schalten von Signalen verwendet wird. In analogen und digitalen Schaltungen werden MOSFETs im Vergleich zu heute häufiger verwendet BJTs . MOSFETs werden aufgrund ihrer unendlichen Eingangsimpedanz hauptsächlich in Verstärkern verwendet, sodass der Verstärker fast das gesamte eingehende Signal erfassen kann. Der Hauptvorteil von MOSFET im Vergleich zu BJT ist, dass es fast keinen Eingangsstrom zur Steuerung des Laststroms benötigt. MOSFETs werden in zwei Arten von Anreicherungs-MOSFETs und Verarmungs-MOSFETs eingeteilt. Dieser Artikel enthält daher kurze Informationen über die Anreicherungs-MOSFET – Arbeiten mit Anwendungen.
Was ist ein Enhancement-MOSFET?
Der MOSFET, der im Anreicherungsmodus arbeitet, ist als E-MOSFET oder Anreicherungs-Mosfet bekannt. Anreicherungsmodus bedeutet, dass immer dann, wenn die Spannung zum Gate-Anschluss dieses MOSFET ansteigt, der Stromfluss von Drain zu Source stärker erhöht wird, bis er den höchsten Pegel erreicht. Dieser MOSFET ist ein spannungsgesteuertes Gerät mit drei Anschlüssen, bei dem die Anschlüsse Source, Gate und Drain sind.
Die Merkmale dieser MOSFETs sind geringe Verlustleistung, einfache Herstellung und kleine Geometrie. Diese Merkmale werden sie also in integrierten Schaltkreisen verwenden. Es gibt keinen Pfad zwischen Drain (D) und Source (S) dieses MOSFET, wenn keine Spannung zwischen den Gate- und Source-Anschlüssen angelegt wird. Das Anlegen einer Spannung zwischen Gate und Source verbessert also den Kanal und macht ihn fähig, Strom zu leiten. Diese Eigenschaft ist der Hauptgrund dafür, dieses Gerät als Enhancement-Mode-MOSFET zu bezeichnen.
Verbesserungs-MOSFET-Symbol
Die Anreicherungs-MOSFET-Symbole für P-Kanal und N-Kanal sind unten dargestellt. In den folgenden Symbolen können wir erkennen, dass eine unterbrochene Linie einfach von der Quelle zum Substratanschluss verbunden ist, was den Anreicherungsmodustyp anzeigt.
Die Leitfähigkeit in EMOSFETs verbessert sich durch Erhöhung der Oxidschicht, die die Ladungsträger zum Kanal hin hinzufügt. Normalerweise wird diese Schicht als Inversionsschicht bezeichnet.
Der Kanal in diesem MOSFET wird zwischen D (Drain) und S (Source) gebildet. Beim N-Kanal-Typ wird das P-Typ-Substrat verwendet, während beim P-Kanal-Typ das N-Typ-Substrat verwendet wird. Hier hängt die Kanalleitfähigkeit aufgrund der Ladungsträger hauptsächlich von P-Typ- bzw. N-Typ-Kanälen ab.
Funktionsprinzip von Enhancement Mosfet
Erweiterung MOSFETs vom Anreicherungstyp sind normalerweise ausgeschaltet, was bedeutet, dass bei Anschluss eines MOSFET vom Anreicherungstyp kein Strom vom Drain-Anschluss (D) zur Source (S) fließt, wenn keine Spannung an seinen Gate-Anschluss angelegt wird. Dies ist der Grund, diesen Transistor a zu nennen normalerweise ausgeschaltetes Gerät .
Wenn die Spannung an den Gate-Anschluss dieses MOSFET angelegt wird, wird der Drain-Source-Kanal in ähnlicher Weise sehr weniger widerstandsfähig. Wenn die Spannung vom Gate- zum Source-Anschluss ansteigt, steigt auch der Stromfluss vom Drain- zum Source-Anschluss, bis der höchste Strom vom Drain-Anschluss zur Source geliefert wird.
Konstruktion
Das Aufbau eines Anreicherungs-MOSFET ist unten gezeigt. Dieser MOSFET enthält drei Schichten Gate, Drain und Source. Der Körper des MOSFET ist als Substrat bekannt, das intern mit der Source verbunden ist. Bei dem MOSFET ist der metallische Gate-Anschluss von der Halbleiterschicht durch eine Siliziumdioxidschicht, ansonsten eine dielektrische Schicht, isoliert.
Dieser EMOSFET ist aus zwei Materialien wie P-Typ- und N-Typ-Halbleitern aufgebaut. Ein Substrat gibt der Vorrichtung physischen Halt. Eine dünne SiO-Schicht und ein hervorragender elektrischer Isolator bedecken einfach den Bereich zwischen den Source- und Drain-Anschlüssen. Auf der Oxidschicht bildet eine metallische Schicht die Gate-Elektrode.
Bei dieser Konstruktion sind die zwei N-Bereiche durch einen Abstand von einigen Mikrometern über einem leicht dotierten Substrat vom p-Typ getrennt. Diese beiden N-Gebiete sind wie die Source- und Drain-Anschlüsse ausgeführt. An der Oberfläche bildet sich eine dünne Isolationsschicht, die als Siliziumdioxid bekannt ist. Die auf dieser Schicht hergestellten Ladungsträger wie Löcher stellen Aluminiumkontakte sowohl für die Source- als auch für die Drain-Anschlüsse her.
Diese Leitschicht wirkt wie das Terminal-Gate, das auf das SiO2 gelegt wird, sowie die gesamte Fläche des Kanals. Für die Leitung enthält es jedoch keinen physikalischen Kanal. Bei dieser Art von Anreicherungs-MOSFET erstreckt sich das Substrat vom p-Typ über die gesamte SiO2-Schicht.
Arbeiten
Der EMOSFET arbeitet, wenn VGS 0 V beträgt, dann gibt es keinen Kanal, der Source und Drain verbindet. Das p-Typ-Substrat hat nur eine kleine Anzahl thermisch erzeugter Minoritätsladungsträger wie freie Elektronen, daher ist der Drain-Strom null. Aus diesem Grund ist dieser MOSFET normalerweise AUS.
Sobald das Gate (G) positiv (+ve) ist, zieht es Minoritätsladungsträger wie Elektronen vom p-Substrat an, wo sich diese Ladungsträger durch die Löcher unter der SiO2-Schicht verbinden. Wenn VGS weiter erhöht wird, haben die Elektronen genug Potential, um zu überwinden und zu binden, und es werden mehr Ladungsträger, d. h. Elektronen, im Kanal abgelagert.
Hier wird das Dielektrikum verwendet, um die Bewegung des Elektrons über die Siliziumdioxidschicht zu verhindern. Diese Akkumulation führt zur Bildung von n-Kanälen zwischen Drain- und Source-Anschlüssen. Dies kann also dazu führen, dass der erzeugte Drain-Strom durch den gesamten Kanal fließt. Dieser Drain-Strom ist einfach proportional zum Widerstand des Kanals, der weiter von den Ladungsträgern abhängt, die vom +ve-Anschluss des Gates angezogen werden.
Arten von MOSFETs vom Anreicherungstyp
Sie sind in zwei Arten erhältlich N-Kanal-Enhancement-MOSFET und P-Kanal-Verbesserungs-MOSFET .
Beim N-Kanal-Anreicherungstyp wird das leicht dotierte p-Substrat verwendet und zwei stark dotierte n-Typ-Bereiche bilden die Source- und Drain-Anschlüsse. Bei dieser Art von E-MOSFET sind die meisten Ladungsträger Elektronen. Bitte beziehen Sie sich auf diesen Link, um mehr darüber zu erfahren – N-Kanal-MOSFET.
Beim P-Kanal-Typ wird das leicht dotierte N-Substrat verwendet und zwei stark dotierte p-Typ-Bereiche bilden die Source- und Drain-Anschlüsse. Bei dieser Art von E-MOSFET sind die meisten Ladungsträger Löcher. Bitte beziehen Sie sich auf diesen Link, um mehr darüber zu erfahren – P-Kanal-MOSFET .
Eigenschaften
Die VI- und Drain-Eigenschaften von n-Kanal-Anreicherungs-MOSFET und p-Kanal-Anreicherung werden unten diskutiert.
Ablaufeigenschaften
Das N-Kanal-Enhancement-Mosfet-Drain-Eigenschaften sind unten gezeigt. In diesen Kennlinien können wir die zwischen Id und Vds aufgetragenen Drain-Kennlinien für verschiedene Vgs-Werte beobachten, wie im Diagramm dargestellt. Wie Sie sehen können, wird bei einer Erhöhung des Vgs-Werts auch die Stromstärke „Id“ erhöht.
Die parabolische Kurve auf den Kennlinien zeigt den Ort von VDS, an dem der Id (Drainstrom) gesättigt wird. In diesem Diagramm wird der lineare oder ohmsche Bereich gezeigt. In diesem Bereich kann der MOSFET als spannungsgesteuerter Widerstand fungieren. Wenn wir also für den festen Vds-Wert den Vgs-Spannungswert ändern, wird die Kanalbreite geändert, oder wir können sagen, dass sich der Widerstand des Kanals ändert.
Der ohmsche Bereich ist ein Bereich, in dem der Strom „IDS“ mit einem Anstieg des VDS-Werts ansteigt. Sobald MOSFETs für den Betrieb im ohmschen Bereich ausgelegt sind, können sie als Verstärker verwendet werden .
Die Gate-Spannung, an der der Transistor einschaltet und beginnt, Strom durch den Kanal zu fließen, wird als Schwellenspannung (VT oder VTH) bezeichnet. Für den N-Kanal reicht dieser Schwellenspannungswert von 0,5 V bis 0,7 V, während er für P-Kanal-Geräte von -0,5 V bis -0,8 V reicht.
Immer dann, wenn Vds < Vgs – Vt & Vgs > Vt ist, arbeitet der MOSFET in diesem Fall in einem linearen Bereich. In dieser Region kann es also als a fungieren Spannungsgesteuerter Widerstand .
Im Sperrbereich, wenn die Spannung Vgs < VT ist, ist der Strom durch den MOSFET Null, andernfalls können wir sagen, dass der MOSFET im AUS-Zustand bleibt.
Immer wenn der Mosfet auf der rechten Seite des Ortes betrieben wird, können wir sagen, dass er in a betrieben wird Sättigungsbereich . Wenn also die Vgs-Spannung > oder = Vgs-Vt ist, arbeitet sie mathematisch in einem Sättigungsbereich. Hier dreht sich also alles um die Drain-Eigenschaften in verschiedenen Regionen des Enhancement-Mosfet.
Übertragungseigenschaften
Das Übertragungseigenschaften des N-Kanal-Enhancement-Mosfet sind unten gezeigt. Die Übertragungseigenschaften zeigen die Beziehung zwischen der Eingangsspannung „Vgs“ und dem Ausgangs-Drain-Strom „Id“. Diese Eigenschaften zeigen im Wesentlichen, wie sich die „ID“ ändert, wenn sich die Vgs-Werte ändern. Anhand dieser Eigenschaften können wir also beobachten, dass der Drain-Strom „Id“ bis zur Schwellenspannung Null ist. Wenn wir danach den Vgs-Wert erhöhen, erhöht sich die „Id“.
Die Beziehung zwischen dem aktuellen „Id“ und Vgs kann als Id = k(Vgs-Vt)^2 angegeben werden. Dabei ist „K“ die Gerätekonstante, die von den physikalischen Parametern des Geräts abhängt. Mit diesem Ausdruck können wir also den Drain-Stromwert für den festen Vgs-Wert ermitteln.
P-Kanal-Verbesserungs-MOSFET
Das P-Kanal-Verstärkungs-Mosfet-Drain-Eigenschaften sind unten gezeigt. Hier sind Vds und Vgs negativ. Der Drain-Strom „Id“ wird von der Source zum Drain-Anschluss geliefert. Wie wir aus diesem Diagramm erkennen können, steigt auch der Drain-Strom „Id“, wenn Vgs negativer wird.
Wenn Vgs > VT ist, arbeitet dieser MOSFET im Sperrbereich. Wenn Sie die Übertragungseigenschaften dieses MOSFET beobachten, ist er in ähnlicher Weise ein Spiegelbild des N-Kanals.
Anwendungen
Vorspannung des Anreicherungs-MOSFET
Im Allgemeinen ist ein Enhancement-MOSFET (E-MOSFET) entweder mit einer Spannungsteilervorspannung oder mit einer Drain-Rückkopplungsvorspannung vorgespannt. Aber der E-MOSFET kann nicht mit Selbstvorspannung und Nullvorspannung voreingenommen werden.
Spannungsteilervorspannung
Die Vorspannung des Spannungsteilers für N-Kanal-E-MOSFET ist unten dargestellt. Die Vorspannung des Spannungsteilers ähnelt der Teilerschaltung mit BJTs. Tatsächlich benötigt der N-Kanal-Enhancement-MOSFET den Gate-Anschluss, der höher ist als seine Source, genau wie der NPN-BJT eine Basisspannung benötigt, die im Vergleich zu seinem Emitter höher ist.
In dieser Schaltung werden die Widerstände wie R1 und R2 verwendet, um die Teilerschaltung zum Herstellen der Gate-Spannung herzustellen.
Wenn die Source des E-MOSFET direkt mit GND verbunden ist, dann ist VGS = VG. Daher muss das Potential über dem Widerstand R2 für einen ordnungsgemäßen Betrieb mit einer E-MOSFET-Kennliniengleichung wie I über VGS(th) eingestellt werden D = K (V GS -IN GS (th))^2.
Durch die Kenntnis des VG-Werts wird die charakteristische Gleichung des E-MOSFET verwendet, um den Drain-Strom zu ermitteln. Aber die Gerätekonstante „K“ ist der einzige fehlende Faktor, der für ein bestimmtes Gerät in Abhängigkeit vom Koordinatenpaar VGS (ein) und ID (ein) berechnet werden kann.
Die Konstante „K“ wird aus der charakteristischen Gleichung des E-MOSFET wie K = I abgeleitet D /(IN GS -IN GS (th))^2.
K = Ich D /(IN GS -IN GS (th))^2.
Dieser Wert wird also für andere Vorspannungspunkte verwendet.
Feedback-Bias ablassen
Diese Vorspannung verwendet den „Ein“-Arbeitspunkt auf der oben erwähnten Kennlinie. Die Idee ist, einen Drain-Strom durch eine geeignete Auswahl der Stromversorgung und des Drain-Widerstands einzustellen. Der Prototyp der Drain-Rückkopplungsschaltung ist unten dargestellt.
Dies ist eine recht einfache Schaltung, die einige grundlegende Komponenten verwendet. Dieser Vorgang wird durch Anwendung von KVL verstanden.
IN DD = V RD + v RG + v GS
IN DD = ich D R D + ich G R G + v GS
Hier ist der Gate-Strom unbedeutend, sodass die obige Gleichung wird
IN DD = Ich D R D +V GS
und auch v DS = IN GS
Daher,
IN GS =V DS = V DD − ich D R D
Diese Gleichung kann als Grundlage für das Design der Bias-Schaltung verwendet werden.
Anreicherungs-MOSFET vs. Verarmungs-MOSFET
Der Unterschied zwischen Enhancement-Mosfet und Depletion-Mosfet umfasst Folgendes.
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Verbesserungs-MOSFET |
Verarmungs-MOSFET |
| Anreicherungs-MOSFET ist auch als E-MOSFET bekannt. | Verarmungs-MOSFET ist auch als D-MOSFET bekannt. |
| Im Anreicherungsmodus ist der Kanal zunächst nicht vorhanden und wird durch die an den Gate-Anschluss angelegte Spannung gebildet. | Im Verarmungsmodus wird der Kanal permanent zur Bauzeit des Transistors hergestellt.
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| Normalerweise ist das Gerät bei einer Nullspannung von Gate (G) zu Source (S) AUS. | Es ist normalerweise ein EIN-Gerät bei einer Spannung von Gate (G) zu Source (S) von Null. |
| Dieser MOSFET kann im AUS-Zustand keinen Strom leiten. | Dieser MOSFET kann im AUS-Zustand Strom leiten. |
| Um diesen MOSFET einzuschalten, ist eine positive Gate-Spannung erforderlich. | Um diesen MOSFET einzuschalten, ist eine negative Gate-Spannung erforderlich. |
| Dieser MOSFET hat einen Diffusions- und Leckstrom. | Dieser MOSFET hat keinen Diffusions- und Leckstrom. |
| Es hat keinen permanenten Kanal. | Es hat einen permanenten Kanal. |
| Die Spannung am Gate-Anschluss ist direkt proportional zum Strom am Drain-Anschluss. | Die Spannung am Gate ist umgekehrt proportional zum Strom am Drain. |
Bitte beziehen Sie sich auf diesen Link, um mehr darüber zu erfahren – Verarmungsmodus-MOSFET .
Das Anwendungen von Enhancement MOSFET füge folgendes hinzu.
- Im Allgemeinen werden Anreicherungs-MOSFETs in Schalt-, Verstärker- und Wechselrichterschaltungen verwendet.
- Diese werden in verschiedenen Motortreibern, digitalen Controllern und Leistungselektronik-ICs verwendet.
- Es wird in der digitalen Elektronik verwendet.
Hier geht es also nur um einen Überblick über ein Enhancement MOSFET – funktioniert mit Anwendungen. Der E-MOSFET ist sowohl in Hochleistungs- als auch in Niederleistungsversionen erhältlich, die nur im Anreicherungsmodus arbeiten. Hier ist eine Frage an Sie: Was ist ein Verarmungs-MOSFET?
