MOSFET adalah salah satu komponen paling dasar dalam industri semikonduktor. Dalam rangkaian elektronik, MOSFET umumnya digunakan pada rangkaian penguat daya atau rangkaian catu daya switching dan banyak digunakan. Di bawah,OLUKEYakan memberikan penjelasan rinci tentang prinsip kerja MOSFET dan menganalisis struktur internal MOSFET.
ApaMOSFET
MOSFET, Transistor Efek File Semikonduktor Oksida Logam (MOSFET). Ini adalah transistor efek medan yang dapat digunakan secara luas di rangkaian analog dan rangkaian digital. Menurut perbedaan polaritas "saluran" (pembawa kerja), dapat dibagi menjadi dua jenis: "tipe-N" dan "tipe-P", yang sering disebut NMOS dan PMOS.
Prinsip kerja MOSFET
MOSFET dapat dibagi menjadi tipe peningkatan dan tipe deplesi sesuai dengan mode kerjanya. Jenis peningkatan mengacu pada MOSFET ketika tidak ada tegangan bias yang diterapkan dan tidak ada consaluran konduktif. Tipe deplesi mengacu pada MOSFET ketika tidak ada tegangan bias yang diterapkan. Saluran konduktif akan muncul.
Dalam aplikasi sebenarnya, hanya ada MOSFET tipe peningkatan saluran-N dan MOSFET tipe peningkatan saluran-P. Karena NMOSFET mempunyai ketahanan yang kecil dan mudah untuk diproduksi, NMOS lebih umum daripada PMOS dalam aplikasi sebenarnya.
Mode peningkatan MOSFET
Ada dua sambungan PN berturut-turut antara saluran D dan sumber S dari MOSFET mode peningkatan. Ketika tegangan sumber gerbang VGS = 0, bahkan jika tegangan sumber saluran VDS ditambahkan, selalu ada sambungan PN dalam keadaan bias balik, dan tidak ada saluran konduktif antara saluran pembuangan dan sumber (tidak ada arus yang mengalir ). Oleh karena itu, arus pembuangan ID=0 saat ini.
Pada saat ini, jika tegangan maju ditambahkan antara gerbang dan sumber. Artinya, VGS>0, maka medan listrik dengan gerbang sejajar dengan substrat silikon tipe P akan dihasilkan pada lapisan isolasi SiO2 antara elektroda gerbang dan substrat silikon. Karena lapisan oksida bersifat isolasi, tegangan VGS yang diterapkan ke gerbang tidak dapat menghasilkan arus. Sebuah kapasitor dihasilkan di kedua sisi lapisan oksida, dan rangkaian setara VGS mengisi kapasitor ini (kapasitor). Dan menghasilkan medan listrik, saat VGS naik perlahan, tertarik oleh tegangan positif gerbang. Sejumlah besar elektron terakumulasi di sisi lain kapasitor (kapasitor) ini dan membuat saluran konduktif tipe-N dari saluran ke sumber. Ketika VGS melebihi tegangan nyala VT tabung (umumnya sekitar 2V), tabung saluran-N mulai bekerja, menghasilkan ID arus pembuangan. Kita menyebut tegangan gerbang-sumber ketika saluran pertama kali mulai menghasilkan tegangan penyalaan. Umumnya dinyatakan sebagai VT.
Mengontrol ukuran tegangan gerbang VGS mengubah kekuatan atau kelemahan medan listrik, dan efek mengendalikan ukuran ID arus pembuangan dapat dicapai. Ini juga merupakan fitur penting dari MOSFET yang menggunakan medan listrik untuk mengontrol arus, sehingga disebut juga transistor efek medan.
Struktur internal MOSFET
Pada substrat silikon tipe P dengan konsentrasi pengotor rendah, dibuat dua daerah N+ dengan konsentrasi pengotor tinggi, dan dua elektroda ditarik dari logam aluminium untuk masing-masing berfungsi sebagai saluran d dan sumber s. Kemudian permukaan semikonduktor ditutup dengan lapisan insulasi silikon dioksida (SiO2) yang sangat tipis, dan elektroda aluminium dipasang pada lapisan insulasi antara saluran pembuangan dan sumber untuk berfungsi sebagai gerbang g. Elektroda B juga ditarik keluar pada substrat, membentuk MOSFET mode peningkatan saluran-N. Hal yang sama berlaku untuk pembentukan internal MOSFET tipe peningkatan saluran-P.
Simbol rangkaian MOSFET saluran-N dan MOSFET saluran-P
Gambar di atas menunjukkan simbol rangkaian MOSFET. Pada gambar, D adalah saluran pembuangan, S adalah sumber, G adalah gerbang, dan panah di tengah melambangkan media. Jika panah mengarah ke dalam, ini menunjukkan MOSFET saluran-N, dan jika panah mengarah ke luar, ini menunjukkan MOSFET saluran-P.
MOSFET saluran-N ganda, MOSFET saluran-P ganda, dan MOSFET saluran-N+P simbol rangkaian
Faktanya, selama proses pembuatan MOSFET, substrat dihubungkan ke sumber sebelum keluar dari pabrik. Oleh karena itu, dalam aturan simbologi, simbol panah yang mewakili media juga harus dihubungkan ke sumber untuk membedakan saluran dan sumber. Polaritas tegangan yang digunakan oleh MOSFET mirip dengan transistor tradisional kita. Saluran-N mirip dengan transistor NPN. Saluran D dihubungkan ke elektroda positif dan sumber S dihubungkan ke elektroda negatif. Ketika gerbang G memiliki tegangan positif, saluran konduktif terbentuk dan MOSFET saluran-N mulai bekerja. Demikian pula saluran-P mirip dengan transistor PNP. Saluran D dihubungkan ke elektroda negatif, sumber S dihubungkan ke elektroda positif, dan ketika gerbang G mempunyai tegangan negatif, saluran konduktif terbentuk dan MOSFET saluran-P mulai bekerja.
Prinsip kerugian peralihan MOSFET
Baik itu NMOS atau PMOS, terdapat resistansi internal konduksi yang dihasilkan setelah dinyalakan, sehingga arus akan memakan energi pada resistansi internal tersebut. Bagian energi yang dikonsumsi ini disebut konsumsi konduksi. Memilih MOSFET dengan resistansi internal konduksi yang kecil akan secara efektif mengurangi konsumsi konduksi. Resistansi internal MOSFET berdaya rendah saat ini umumnya sekitar puluhan miliohm, dan ada juga beberapa miliohm.
Ketika MOS dihidupkan dan dihentikan, hal itu tidak boleh direalisasikan dalam sekejap. Tegangan pada kedua sisi MOS akan mengalami penurunan efektif, dan arus yang mengalir melaluinya akan meningkat. Selama periode ini, kerugian MOSFET adalah produk dari tegangan dan arus, yang merupakan kerugian switching. Secara umum, kerugian peralihan jauh lebih besar daripada kerugian konduksi, dan semakin cepat frekuensi peralihan, semakin besar kerugiannya.
Hasil kali tegangan dan arus pada momen konduksi sangat besar sehingga mengakibatkan rugi-rugi yang sangat besar. Switching loss dapat dikurangi dengan dua cara. Salah satunya adalah mengurangi waktu peralihan, yang secara efektif dapat mengurangi kerugian selama setiap penyalaan; cara lainnya adalah mengurangi frekuensi peralihan, yang dapat mengurangi jumlah sakelar per satuan waktu.
Di atas adalah penjelasan rinci tentang diagram prinsip kerja MOSFET dan analisis struktur internal MOSFET. Untuk mempelajari lebih lanjut tentang MOSFET, selamat datang untuk berkonsultasi dengan OLUKEY untuk memberi Anda dukungan teknis MOSFET!
Waktu posting: 16 Des-2023
