Mosfet là gì? Chắc hẳn anh em dân điện chúng ta, ít nhiều cũng đã học qua và tiếp xúc ít nhiều với loại linh kiện điện tử bán dẫn này.
Bài viết này Huphaco xin chia sẻ thêm những kiến thức mới về dòng Mosfet. Cùng tìm hiểu nhé!
Mosfet là gì
Transitor MOSFET (Metal Oxide bán dẫn hiệu ứng trường) là một thiết bị bán dẫn được sử dụng rộng rãi như một công tắc điện tử và khuếch đại tín hiệu điện tử. MOSFET là linh kiện có 3 chân gồm: chân nguồn (S), chân cổng (G), và chân máng (D). Phần thân của MOSFET thường được kết nối với chân nguồn, do đó làm cho nó trở thành một linh kiện 3 chân giống như bóng bán dẫn hiệu ứng trường. MOSFET là loại bóng bán dẫn phổ biến nhất và có thể được sử dụng trong cả mạch tương tự và kỹ thuật số.
Trong những năm gần đây, sự phát triển của linh kiện bán dẫn cũng như Mosfet dẫn đến việc sử dụng chủ yếu các linh kiện này trong các mạch tích hợp kỹ thuật số, do cấu trúc ưu việt của nó. Lớp Silicon di-oxide (SiO2) hoạt động như một chất cách điện giữa cực cổng và cực máng. Hoạt động giữa nguồn và máng cung cấp trở kháng đầu vào cao gần như vô hạn do đó thu được tất cả tín hiệu đầu vào.
Ký hiệu mosfet
Một số ký hiệu của linh kiện điện tử Mosfet mà chúng ta đã từng học qua, được thể hiện ở hình minh hoạ bên dưới đây.
Cấu tạo mosfet
MOSFET có cấu tạo gồm bốn bộ phận:
- G: Cực cổng, cực điều khiển
- S: Cực nguồn
- D: Cực máng
- Chất nền
Với G là cực điều khiển được cách ly hoàn toàn bởi lớp điện môi cực mỏng dioxit-silic (SiO₂) với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi.
Cực máng (D) là cực đón các hạt mang điện.
Điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng lớn. Nhưng điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch Ugs. Lúc này có các trường hợp xảy ra như sau:
- Khi điện áp Ugs = 0 thì điện trở Rds rất lớn
- Khi điện áp Ugs > 0 : Do hiệu ứng từ trường làm cho điện trở Rds giảm, điện áp Ugs càng lớn thì điện trở Rds càng nhỏ.
Có hai loại MOSFET:
- MOSFET kênh N
- MOSFET kênh P
Hơn nữa, lại có hai loại trong mỗi loại. Kết quả là MOSFET hoạt động ở bất kỳ chế độ nào sau đây:
- Chế độ tăng cường kênh N (Tắt)
- Chế độ suy giảm kênh N (Bật)
- Chế độ tăng cường kênh P (Tắt)
- Chế độ suy giảm kênh P (Bật)
Nguyên lý làm việc của Mosfet
MOSFET là một bóng bán dẫn hiệu ứng trường được điều khiển bằng điện áp khác với JFET. Điện cực Gate được cách điện với chất bán dẫn chính bằng một lớp vật liệu cách điện mỏng (thủy tinh). Cổng kim loại cách điện này giống như một tấm tụ điện có điện trở đầu vào cực cao (cao gần như vô hạn). Do sự cách ly của cổng, không có dòng chảy vào MOSFET từ cổng.
Khi điện áp được đặt ở cổng, nó sẽ thay đổi độ rộng của kênh Drain-Source. Dọc theo đó dòng mang điện tích (electron hoặc lỗ). Kênh càng rộng, thiết bị càng dẫn điện tốt.
Điểm khác nhau giữa mosfet và Jfet
Do có trở kháng đầu vào cao vô hạn, nên MOSFET rất hữu ích cho các bộ khuếch đại công suất. Cũng rất phù hợp với các ứng dụng chuyển mạch tốc độ cao. MOSFET được tích hợp trên các vi mạch và được sử dụng trong máy tính.
Do lớp oxit quá mỏng, MOSFET có thể bị hỏng do tích điện tĩnh. Trong các ứng dụng tần số vô tuyến tín hiệu thấp, các linh kiện MOSFET thường không hoạt động tốt như các loại FET khác.
Phân loại mosfet
Trên cơ sở Chế độ hoạt động, MOSFET có thể được phân thành hai loại.
- MOSFET chế độ tăng cường
- MOSFET chế độ suy giảm
MOSFET chế độ tăng cường
Trong chế độ này, không có sự dẫn điện nào ở điện áp bằng 0, điều đó có nghĩa là nó bị đóng hoặc BẬT TẮT theo mặc định vì không có dòng máng. Khi điện áp cổng được tăng nhiều hơn điện áp nguồn, các hạt mang điện (lỗ) sẽ dịch chuyển đi để lại phía sau các electron và do đó, một kênh rộng hơn được thiết lập.
Điện áp cổng tỷ lệ thuận với dòng điện, khi điện áp cổng tăng dòng điện tăng và ngược lại.
Phân loại MOSFET chế độ tăng cường
Các MOSFET loại tăng cường có thể được phân thành hai loại tùy thuộc vào loại chất nền pha tạp (loại n hoặc loại p) được sử dụng.
- MOSFET chế độ tăng cường kênh N
- MOSFET chế độ tăng cường kênh P
MOSFET kênh N chế độ tăng cường
- Chất nền loại P pha tạp nhẹ tạo thành thân linh kiện. Nguồn và máng được pha tạp nhiều với tạp chất loại N.
- Kênh N có phần tử electron là đa số.
- Điện áp cổng là dương để bật ON thiết bị.
- Nó có điện dung thấp hơn và các vùng tiếp giáp nhỏ hơn do tính di động cao của các điện tử khiến nó hoạt động ở tốc độ chuyển mạch cao.
- Nó chứa các tạp chất tích điện dương làm cho các MOSFET kênh N bật sớm.
- Điện trở cực máng thấp hơn so với loại P.
MOSFET kênh P chế độ tăng cường
- Chất nền loại N pha tạp nhẹ tạo thành thân linh kiện. Nguồn và cực máng được pha tạp nhiều với tạp chất loại P.
- Kênh P có các phần tử lỗ là đa số.
- Nó có điện dung vốn có cao hơn và tính di động của các lỗ thấp khiến nó hoạt động ở tốc độ chuyển đổi thấp so với loại N.
- Điện áp cổng là âm để bật ON thiết bị.
- Trở kháng cực máng cao hơn so với loại N.
MOSFET chế độ suy giảm
Trong loại này, kênh đã được thiết lập và rõ ràng là sự dẫn truyền xảy ra ngay cả ở điện áp bằng 0 và nó được mở hoặc theo chế độ ON theo mặc định. Không giống như loại tăng cường, ở đây, kênh bị cạn kiệt các hạt mang điện để giảm độ rộng của kênh.
Điện áp cổng tỷ lệ nghịch với dòng điện khi điện áp cổng tăng dòng điện giảm.
Các loại MOSFET chế độ suy giảm
Các MOSFET suy giảm có thể được phân thành hai loại tùy thuộc vào loại chất nền pha tạp (loại N hoặc loại P) được sử dụng.
- MOSFET loại suy giảm kênh N
- MOSFET loại suy giảm kênh P
Mosfet kênh N chế độ suy giảm
- Chất bán dẫn loại P tạo thành chất nền. Nguồn và cực máng được pha tạp nhiều với tạp chất loại N.
- Điện áp cổng là âm.
- Kênh bị cạn kiệt các electron tự do.
Mosfet kênh P chế độ suy giảm
- Chất bán dẫn loại N tạo thành chất nền. Nguồn và cực máng được pha tạp nhiều với tạp chất loại N.
- Điện áp cổng là dương.
- Kênh cạn kiệt các lỗ trống.
Khác biệt giữa BJT và Mosfet
Không giống như các bóng bán dẫn lưỡng cực, MOSFET được điều khiển điện áp. Trong khi BJT được điều khiển bằng dòng điện.
Điện trở cơ sở cần được tính toán cẩn thận theo lượng dòng được chuyển đổi đối với BJT. Với MOSFET thì không cần, chỉ cần áp dụng đủ điện áp cho cổng và công tắc hoạt động.
Bởi vì chúng được điều khiển bằng điện áp, MOSFET có trở kháng đầu vào rất cao, do đó, bất cứ thứ gì cũng có thể điều khiển chúng.
Làm thế nào để sử dụng MOSFET như một công tắc?
Để sử dụng MOSFET làm công tắc, bạn phải có điện áp cổng (Vss) cao hơn nguồn. Nếu bạn kết nối cổng với nguồn (Vss = 0) thì nó bị tắt.
Ví dụ, chúng ta có IRFZ44N, đó là một MOSFET tiêu chuẩn và chỉ bật khi Vss = 10V – 20V. Nhưng thông thường, chỉ cấp nguồn 10V-15V là phổ biến đối với Vss cho loại MOSFET này.
Tuy nhiên, nếu bạn muốn điều khiển nó từ một Arduino đang chạy ở mức 5V, bạn sẽ cần một MOSFET mức logic có thể bật ở mức 5V (Vss = 5V). Ví dụ: ST STP55NF06L. Bạn cũng nên có một điện trở nối tiếp với đầu ra Arduino để hạn chế dòng điện, vì cổng có điện dung cao và có thể rút ra một dòng điện tức thời lớn khi bạn cố gắng bật nó. Khoảng 220 ohm là một giá trị khuyên dùng.
Ưu nhược điểm của transistor mosfet
Chúng ta cùng đánh giá ưu nhược điểm của linh kiện điện tử Mosfet, xem tại sao chúng lại được sử dụng nhiều đến như vậy.
Ưu điểm của MOSFET
- MOSFET cung cấp hiệu quả cao hơn trong khi hoạt động ở điện áp thấp hơn.
- Sự vắng mặt của dòng điện cực gate dẫn đến trở kháng đầu vào cao tạo ra tốc độ chuyển mạch cao.
- Hoạt động ở công suất thấp hơn và không có dòng điện.
- Có trở kháng đầu vào cao hơn nhiều so với JFET
- Chế tạo, sản xuất MOSFET dễ dàng hơn JFET
- Tốc độ hoạt động cao hơn so với JFET
- Khả năng tuỳ biến kích thước rất cao
- MOSFET không có diode cổng. Điều này làm cho nó có thể hoạt động với điện áp cổng dương hoặc âm
- Nó có mức tiêu thụ điện năng thấp để cho phép nhiều thành phần hơn trên diện tích bề mặt chip
Nhược điểm của MOSFET
- Lớp oxit mỏng làm cho các MOSFET dễ bị hỏng bởi các điện tích tĩnh điện.
- Điện áp quá tải làm cho nó không ổn định.
- Không hoạt động tốt trong tần số vô tuyến tín hiệu thấp
Ứng dụng của mosfet – Chức năng của mosfet
Cùng với sự tiến bộ của công nghệ bán dẫn, các linh kiện điện tử Mosfet ngày càng được sử dụng nhiều trong các board mạch điện tử, trong chip xử lý,.. ngoài ra chúng còn được dùng trong các lĩnh vực như:
- Bộ khuếch đại MOSFET được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng vô tuyến với tần số rất cao.
- Nó hoạt động như một yếu tố thụ động như điện trở, tụ điện và cuộn cảm.
- Động cơ DC có thể được điều chỉnh bởi MOSFET công suất.
- Tốc độ chuyển mạch cao của MOSFET làm cho nó trở thành một lựa chọn lý tưởng trong việc thiết kế mạch chopper.
- Cảm biến MOS, còn được gọi là cảm biến MOSFET, được sử dụng rộng rãi để đo các thông số vật lý, hóa học, sinh học và môi trường. Ví dụ, bóng bán dẫn hiệu ứng trường nhạy cảm với ion (ISFE), được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng y sinh.
- Sò công suất MOSFET thường được sử dụng trong điện tử ô tô, IGBT. Đặc biệt là các thiết bị chuyển mạch trong các bộ điều khiển điện tử, và làm bộ chuyển đổi năng lượng trong xe điện hiện đại, các thiết bị chuyển đổi tín hiệu…
- MOSFET được sử dụng rộng rãi trong điện tử tiêu dùng. Một trong những sản phẩm điện tử tiêu dùng có ảnh hưởng sớm nhất hoạt động bởi các mạch MOSFET LSI là máy tính bỏ túi điện tử.
- Sự ra đời của MOSFET cho phép sử dụng các bóng bán dẫn MOSFET làm thành phần lưu trữ tế bào bộ nhớ, một chức năng trước đây được phục vụ bởi các lõi từ tính trong bộ nhớ máy tính.
Lời kết
Thêm một linh kiện điện tử bán dẫn nữa được Huphaco chia sẻ đến các bạn.
Qua bài viết này các bạn đã nắm được các kiến thức như: Mosfet là gì?, Mosfet kênh N, Mosfet kênh P,…Và các ứng dụng của chúng trong cuộc sống chúng ta ra sao rồi!
Rất mong nhận được những đóng góp và chia sẻ bài viết của các bạn!
Chân thành cảm ơn!
