Nozioni di base sui MOSFET: 13 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

Ciao! In questo Instructable, ti insegnerò le basi dei MOSFET e per basi, intendo davvero le basi. Questo video è l'ideale per una persona che non ha mai studiato MOSFET professionalmente, ma desidera utilizzarli nei progetti. Parlerò dei MOSFET a canale n e p, come usarli, come sono diversi, perché entrambi sono importanti, perché i driver MOSFET e cose del genere. Parlerò anche di alcuni fatti poco noti sui MOSFET e molto altro.

Entriamo in esso.

Passaggio 1: guarda il video

I video hanno tutto coperto in dettaglio necessario per la costruzione di questo progetto. Il video ha alcune animazioni che aiuteranno a comprendere rapidamente i fatti. Puoi guardarlo se preferisci le immagini, ma se preferisci il testo, segui i passaggi successivi.

Passaggio 2: il FET

Prima di avviare i MOSFET, lascia che ti presenti il suo predecessore, il JFET o transistor a effetto di campo di giunzione. Renderà un po' più facile la comprensione del MOSFET.

La sezione trasversale di un JFET è mostrata in figura. I terminali sono identici ai terminali MOSFET. La parte centrale è chiamata substrato o corpo ed è solo un semiconduttore di tipo n o p a seconda del tipo di FET. Le regioni che vengono poi cresciute sul substrato di tipo opposto a quello del substrato sono denominate gate, drain e source. Qualunque sia la tensione che applichi, applichi a queste regioni.

Oggi, dal punto di vista pratico, ha poca o nessuna importanza. Non andrò a ulteriori spiegazioni oltre a questo in quanto diventerà troppo tecnico e non è comunque richiesto.

Il simbolo di JFET ci aiuterà a capire il simbolo di MOSFET.

Passaggio 3: il MOSFET

Dopo questo arriva il MOSFET, che ha una grande differenza nel terminale di gate. Prima di realizzare i contatti per il terminale di gate viene fatto crescere uno strato di biossido di silicio sopra il substrato. Questo è il motivo per cui è chiamato transistor ad effetto di campo a semiconduttore ad ossido metallico. SiO2 è un ottimo dielettrico, o si può dire isolante. Ciò aumenta la resistenza di gate nella scala da dieci alla potenza di dieci ohm e assumiamo che in un MOSFET la corrente di gate Ig sia sempre zero. Questo è il motivo per cui è anche chiamato Insulated Gate Field Effect Transistor (IGFET). Uno strato di un buon conduttore come l'alluminio è cresciuto ulteriormente sopra tutte e tre le regioni, e quindi vengono stabiliti i contatti. Nella regione di gate si può notare che si forma una struttura a condensatore a piastre parallele che introduce effettivamente una notevole capacità al terminale di gate. Questa capacità è chiamata capacità di gate e può facilmente distruggere il circuito se non presa in considerazione. Questi sono anche molto importanti quando si studia a livello professionale.

Il simbolo dei MOSFET è visibile nell'immagine allegata. Posizionare un'altra linea sul gate ha senso mentre li mette in relazione con i JFET, indicando che il gate è stato isolato. La direzione della freccia in questo simbolo rappresenta la direzione convenzionale del flusso di elettroni all'interno di un MOSFET, che è opposta a quella del flusso di corrente

Passaggio 4: i MOSFET sono un dispositivo a 4 terminali?

Un'altra cosa che vorrei aggiungere è che la maggior parte delle persone pensa che il MOSFET sia un dispositivo a tre terminali, mentre in realtà i MOSFET sono un dispositivo a quattro terminali. Il quarto terminale è il terminale del corpo. Potresti aver visto il simbolo allegato per MOSFET, il terminale centrale è per il corpo.

Ma perché quasi tutti i MOSFET hanno solo tre terminali in uscita?

Il terminale del corpo è cortocircuitato internamente alla sorgente in quanto non è di alcuna utilità nelle applicazioni di questi semplici circuiti integrati, dopodiché il simbolo diventa quello che conosciamo.

Il terminale del corpo viene generalmente utilizzato quando viene fabbricato un complicato circuito integrato con tecnologia CMOS. Tieni presente che questo è il caso del MOSFET a canale n, l'immagine sarà leggermente diversa se il MOSFET è a canale p.

Passaggio 5: come funziona

Ok, ora vediamo come funziona.

Un transistor a giunzione bipolare o un BJT è un dispositivo controllato in corrente, il che significa che la quantità di flusso di corrente nel suo terminale di base determina la corrente che scorrerà attraverso il transistor, ma sappiamo che non esiste alcun ruolo della corrente nel terminale di gate dei MOSFET e collettivamente possiamo dire che è un dispositivo controllato in tensione non perché la corrente di gate sia sempre zero ma per la sua struttura che non spiegherò in questo Instructable a causa della sua complessità.

Consideriamo un MOSFET a n canali. Quando non viene applicata alcuna tensione nel terminale di gate, esistono due diodi back to back tra il substrato e la regione di drain e source che fanno sì che il percorso tra drain e source abbia una resistenza dell'ordine di 10 alla potenza di 12 ohm.

Ho messo a terra la sorgente ora e ho iniziato ad aumentare la tensione di gate. Quando viene raggiunta una certa tensione minima, la resistenza scende e il MOSFET inizia a condurre e la corrente inizia a fluire dal drain alla source. Questa tensione minima è chiamata tensione di soglia di un MOSFET e il flusso di corrente è dovuto alla formazione di un canale da drain a source nel substrato del MOSFET. Come suggerisce il nome, in un MOSFET a n canali, il canale è costituito da n tipi di portatori di corrente, cioè elettroni, che è opposto al tipo di substrato.

Passaggio 6: ma…

È iniziato solo qui. L'applicazione della tensione di soglia non significa che sei pronto per utilizzare il MOSFET. Se guardi la scheda tecnica di IRFZ44N, un MOSFET a canale n, vedrai che alla sua tensione di soglia, solo una certa corrente minima può attraversarlo. Questo è un bene se vuoi solo usare carichi più piccoli come solo i LED, ma qual è il punto allora. Quindi, per utilizzare carichi più grandi che assorbono più corrente, dovrai applicare più tensione al gate. L'aumento della tensione di gate migliora il canale facendo fluire più corrente attraverso di esso. Per accendere completamente il MOSFET, la tensione Vgs, che è la tensione tra gate e source, deve essere compresa tra 10 e 12 Volt, il che significa che se la sorgente è collegata a terra, il gate deve essere a circa 12 Volt.

I MOSFET che abbiamo appena discusso sono chiamati MOSFET di tipo potenziamento per il motivo che il canale viene potenziato con l'aumento della tensione di gate. Esiste un altro tipo di MOSFET chiamato MOSFET di tipo a esaurimento. La principale differenza sta nel fatto che il canale è già presente nel MOSFET di tipo a esaurimento. Questo tipo di MOSFET di solito non è disponibile nei mercati. Il simbolo per il MOSFET di tipo esaurimento è diverso, la linea continua indica che il canale è già presente.

Passaggio 7: perché i driver MOSFET?

Ora supponiamo che tu stia utilizzando un microcontrollore per controllare il MOSFET, quindi puoi applicare solo un massimo di 5 Volt o meno al gate, che non sarà sufficiente per carichi di corrente elevata.

Quello che puoi fare è usare un driver MOSFET come TC4420, devi solo fornire un segnale logico ai suoi pin di ingresso e lui si occuperà del resto oppure puoi costruire tu stesso un driver, ma un driver MOSFET ha molti più vantaggi in il fatto che si occupi anche di molte altre cose come la capacità del gate ecc.

Quando il MOSFET è completamente acceso, la sua resistenza è indicata da Rdson e può essere facilmente trovata nella scheda tecnica.

Passaggio 8: il MOSFET a canale P

Un MOSFET a canale p è esattamente l'opposto del MOSFET a canale n. La corrente scorre dalla sorgente al pozzo e il canale è costituito da portatori di carica di tipo p, cioè fori.

La sorgente in un MOSFET a canale p deve essere al massimo potenziale e per accenderlo completamente Vgs deve essere negativo da 10 a 12 Volt

Ad esempio, se la sorgente è legata a 12 Volt il gate a zero volt deve essere in grado di accenderlo completamente ed è per questo che generalmente diciamo che applicando 0 Volt al gate accendi il MOSFET del canale ap e per questi requisiti il driver MOSFET per Il canale n non può essere utilizzato direttamente con il MOSFET a canale p. I driver MOSFET a canale p sono disponibili sul mercato (come TC4429) oppure puoi semplicemente utilizzare un inverter con il driver MOSFET a canale n. I MOSFET a canale p hanno una resistenza ON relativamente più elevata rispetto ai MOSFET a canale n, ma ciò non significa che puoi sempre utilizzare un MOSFET a canale n per qualsiasi possibile applicazione.

Passaggio 9: ma perché?

Diciamo che devi usare il MOSFET nella prima configurazione. Questo tipo di commutazione è chiamato commutazione lato basso perché si utilizza il MOSFET per collegare il dispositivo a terra. Un MOSFET a canale n sarebbe più adatto per questo lavoro poiché Vgs non varia e può essere facilmente mantenuto a 12 Volt.

Ma se si desidera utilizzare un MOSFET a canale n per la commutazione high-side, la sorgente può essere ovunque tra terra e Vcc, il che alla fine influenzerà la tensione Vgs poiché la tensione di gate è costante. Ciò avrà un enorme impatto sul corretto funzionamento del MOSFET. Anche il MOSFET si brucia se la Vgs supera il valore massimo indicato che è mediamente di circa 20 Volt.

Quindi, non è una passeggiata usare MOSFET a canale n qui, quello che facciamo è usare un MOSFET a canale p nonostante abbia una maggiore resistenza ON in quanto ha il vantaggio che Vgs sarà costante durante una commutazione high side. Esistono anche altri metodi come il bootstrap, ma per ora non li tratterò.

Passaggio 10: curva Id-Vds

Infine, diamo una rapida occhiata a queste curve Id-Vds. Un MOSFET operante su tre regioni, quando Vgs è inferiore alla tensione di soglia, il MOSFET è in regione tagliata, cioè è spento. Se Vgs è maggiore della tensione di soglia ma minore della somma della caduta di tensione tra drain e source e la tensione di soglia, si dice che si trova nella regione del triodo o nella regione lineare. Nella regione del liner, un MOSFET può essere utilizzato come resistore variabile di tensione. Se Vgs è maggiore di detta somma di tensione, allora la corrente di drain diventa costante si dice che lavori nella regione di saturazione e per far funzionare il MOSFET come un interruttore dovrebbe essere azionato in questa regione poiché la corrente massima può passare attraverso il MOSFET in questa regione.

Passaggio 11: suggerimenti sulle parti

n MOSFET a canale: IRFZ44N

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p MOSFET canale: IRF9630US - https://amzn.to/2vB6oXwUK -

n Driver MOSFET di canale: TC4420US -

Driver MOSFET canale p: TC4429

Passaggio 12: questo è tutto

Ora devi avere familiarità con le basi dei MOSFET ed essere in grado di decidere il MOSFET perfetto per il tuo progetto.

Ma rimane ancora una domanda, quando dovremmo usare i MOSFET? La risposta semplice è quando devi commutare carichi più grandi che richiedono più tensione e corrente. I MOSFET hanno il vantaggio di una minima perdita di potenza rispetto ai BJT anche a correnti più elevate.

Se mi sono perso qualcosa, o sbaglio, o hai qualche consiglio, per favore commenta qui sotto.

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Passaggio 13: parti utilizzate

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p MOSFET a canale: IRF9630US - https://amzn.to/2Jmm437UK -

n Driver MOSFET di canale: TC4420US -

Driver MOSFET canale p: TC4429