Home Linh kiện

Mosfet

Mosfet là gì? Tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Mosfet




1. Mosfet là gì?
Mosfet là tên viết tắt của cụm từ Tiếng anh Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor là Transistor hiệu ứng trường và là một Transistor đặc biệt. Chúng có cấu tạo và hoạt động khác so với Transistor thông thường mà chúng ta đã biết. Nguyên tắc hoạt động của Mosfet dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện. Chúng là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn, rất thích hợp cho khuếch đại các nguồn tín hiệu yếu.

Mosfet là gì được xây dựng dựa trên lớp chuyển tiếp Oxit Kim loại và bán dẫn. Hiện nay các loại mosfet phổ biến bao gồm 2 loại là:
• N-MOSFET: Chúng chỉ hoạt động khi nguồn điện Gate là zero. Còn các electron bên trong vẫn tiến hành hoạt động bình thường cho đến khi bị ảnh hưởng bởi nguồn điện Input.
• P-MOSFET: Các electron sẽ bị cut-off cho đến khi chúng ta gia tăng nguồn điện thế vào ngõ Gate.
2. Đặc điểm của Mosfet
MOSFET là linh kiện có 4 bộ phận chính: Chân máng (Drain), chân nguồn (Source), chân cổng (Gate) và phần thân (Body). Phần thân được kết nối với chân nguồn nên nó hoạt động như một linh kiện 3 chân như bóng bán dẫn hiệu ứng trường. Trong hình dưới đây thể hiện kí hiệu của MOSFET kênh N (trái) và MOSFET kênh P (Phải).

Mosfet có khả năng đóng nhanh với các dòng điện và điện áp khá lớn. Chính vì thế nó được sử dụng phổ biến trong các bộ dao động tạo ra từ trường. Do đóng cắt nhanh làm cho dòng điện biến thiên nên Mosfet thường thấy trong các bộ nguồn xung và cách mạch điều khiển điện áp cao.
Mosfet được sử dụng rất phổ biến trong cả các mạch kỹ thuật số và các mạch tương tự. Giống như FET thì Mosfet có hai lớp chính bao gồm:
• N-MOSFET: Điện áp với điều khiển mở Mosfet là Ugs >0. Điện áp với điều khiển đóng là Ugs <=0. Và dòng điện sẽ đi từ D xuống S.
• P-MOSFET: Điện áp với điều khiển mở Mosfet là Ugs <0. Điện áp điều khiển khóa là Ugs~0. Dòng điện sẽ đi từ S cho đến D.

Do bố trí cực cổng cách ly nên MOSFET còn được gọi là “transistor hiệu ứng trường cổng cách ly”. Hay tên Tiếng anh là Insulated Gate Field-effect Transistor. Và được viết tắt là IGFET. Tên gọi IGFET sát nghĩa hơn so với các FET có thực thể điều khiển ở cực cổng không phải là kim loại. Mà chúng là các kết cấu tích lũy điện tích khác. Ví dụ như dung dịch điện phân trong các FET cảm biến sinh học (Bio-FET), FET cảm biến khí (GASFET), FET cảm biến enzym (ENFET)…
3. Nguyên lý hoạt động của Mosfet
MOSFET kiểm soát điệp áp và dòng điện giữa cực nguồn và cực máng. Hoạt động của MOSFET phụ thuộc vào tụ điện MOS, một bề mặt bán dẫn nằm bên dưới lớp Silicon Dioxide giữa cực nguồn và cực máng. Nó có thể đảo ngược từ cực p sang cực n bằng cách đặt điện áp dương hay điện áp âm lên cực cổng. Hình ảnh bên dưới thể hiện sơ đồ khối của MOSFET.
Nguyên lý hoạt động của Mosfet
Khi mà nguồn điện áp VDC được nối giữa cực máng và cực nguồn, cực máng được áp điện áp dương và cực nguồn là điện áp âm. Lúc này, điểm nối PN ở cực máng được phân cực ngược và điểm nối PN ở cực nguồn được phân cực thuận. Ở giai đoạn này, không có dòng điện này chạy qua giữa cực máng và cực nguồn.

Nếu chúng ta cung cấp điện áp dương (VGS) vào cực cổng, do lực hút tĩnh điện, các hạt electron ở P-Substrate sẽ bắt đầu tích tụ ở cực cổng và tạo thành cây cầu dẫn điện giữa hai vùng n+. Số lượng electron tích tụ sẽ phụ thuộc vào mức độ mạnh yếu của điện áp. Điện áp được tác dụng càng cao thì kênh nối n sẽ càng lớn và điều này dẫn tới tăng mức độ dẫn điện. Dòng điện ID sẽ bắt đầu chạy giữa cực nguồn và cực máng.

Khi không có nguồn điện đặt ở cực cổng, sẽ không có bất kỳ dòng điện nào chạy qua. Điện áp tối thiểu mà MOSFET bắt đầu dẫn được gọi là điện áp ngưỡng.

MOSFET kênh P
MOSFET kênh P là thiết bị 4 cực bao gồm: cực cổng, cực máng, cực nguồn và phần thân. Cực máng và cực nguồn thuộc vùng P+ và phần thân thuộc loại N. Chiều của dòng điện tỉ lệ thuận theo hướng của lỗ tích cực (positively charged holes).

Khi chúng ta cho điện áp âm chạy qua cực cổng, các electron ở lớp oxit được đẩy xuống các nguyên tử nền. Vùng suy giảm được tạo thành từ các nguyên tử mang điện tích dương liên kết với các nguyên tử có tạp chất cho (donor atoms). Ngoài ra, điện áp âm còn thu hút các lỗ trống điện từ từ nguồn P+ và cực máng.

MOSFET kênh N
MOSFET kênh N là thiết bị 4 cực gồm: cực cổng, cực máng, cực nguồn và phần thân. Cực máng và cực nguồn thuộc vùng N+ và phần thân thuộc loại P.

Dòng điện chạy qua MOSFET loại này diễn ra do các electron mang điện tích âm. Khi chúng ta cho điện áp dương chạy qua cực cổng thì các lỗ trống điện từ ở bên dưới lớp oxit được đẩy xuống các nguyên tử nền. Vùng suy giảm được tạo thành từ các nguyên tử mang điện tích âm liên kết với các nguyên tử có tạp chất nhận (acceptor atoms).

Khi các electrons tiếp cận sẽ hình thành kênh dẫn (channel) sẽ được hình thành. Điện áp dương sẽ thu hút các electrons từ vùng N+ và cực máng đến kênh dẫn này. Lúc này, nếu áp dụng điện áp giữa cực máng và cực nguồn thì dòng điện sẽ được truyền đi một cách tự do, và điện áp nguồn sẽ kiểm soát các electron trong kênh dẫn. Ngược lại, nếu áp dụng điện áp âm thì kênh dẫn chứa lỗ hổng điện từ được hình thành dưới lớp oxit.
4. Phân loại Mosfet
Về cơ bản, MOSFET hoạt động ở hai chế độ:
• MOSFET chế độ tăng cường (Enhancement Mode MOSFET) E-MOSFET
Khi không có dòng điện chạy qua cực cổng, thiết bị sẽ không thể hoạt động, nhưng một khi có điện áp tối đa, khả năng hoạt động của thiết bị được tăng cường đáng kể.
• MOSFET chế độ suy giảm (Depletion Mode MOSFET) DE-MOSFET
Khi không có điện áp chạy qua cực cổng, thiết bị có thể hoạt động ở mức tối đa. Trong khi đó, điện áp qua cực cổng là dương hoặc âm thì khả năng hoạt động bị suy giảm.
Các MOSFET này được tiếp tục phân loại dựa loại chất liệu được sử dụng là kênh-N hay kênh-P:
- Chế độ tăng cường kênh N (Tắt)
- Chế độ tăng cường kênh P (Bật)
- Chế độ suy giảm kênh N (Tắt)
- Chế độ suy giảm kênh P (Bật)
ĐIểm khác biệt giữa MOSFET kênh N và MOSFET kênh P đó là ở kênh N, công tắc MOSFET sẽ luôn mở cho đến khi cực cổng được cung cấp điện áp. Lúc đó, công tắc sẽ được đóng lại. Ngược lại, công tắc MOSFET kênh P sẽ luôn đóng cho đến khi được cung cấp điện.
Tương tự, điểm khác biệt giữa MOSFET chế độ tăng cường và chế độ suy giảm đó là điệp áp ở cực cổng MOSFET chế độ tăng cường luôn ở trạng thái dương, trong khi đó cực cổng MOSFET ở chế độ suy giảm có thể âm hoặc dương.
5. Chế độ hoạt động của MOSFET
Hoạt động của MOSFET có thể được chia thành 3 chế độ khác nhau:
• Chế độ Cut-off – chế độ dưới ngưỡng giới hạn: Thiết bị luôn được đặt ở chế độ Tắt (OFF) và không có dòng điện chạy qua nó. Thiết bị sẽ hoạt động như là một công tắc cơ bản và chỉ sử dụng khi cần thiết.
• Chế độ bão hòa (Saturation): Ở chế độ này, cực máng sẽ đảm bảo điện áp được giữ ổn định, dù điện áp giữa cực máng và cực muốn tăng lên. Cơ chế này chỉ diễn ra khi điện áp chạy giữa cực máng và cực nguồn vượt quá định mức cho phép. Trong trường hợp này, thiết bị sẽ hoạt động như là một công tắc khép kín với dòng điện được bão hòa.
• Chế độ tuyến tính (Linear/Ohmic Region): Đây là chế độ mà dòng điện giữa cực máng đến cực nguồn tăng lên theo mức gia tăng của điện áp. MOSFET loại này thường thực hiện chức năng khuếch đại.
Các thiết bị bán dẫn như MOSFET hay BJT về cơ bản hoạt động như một công tắc trong 2 trường hợp ở trạng thái Bật (ON) và trạng thái Tắt (OFF):
- Ở trạng thái Bật, chúng phải có giới hạn điện mức có thể chạy qua.
- Ở trạng thái Tắt, mức điện áp cản (Blocking voltage) không có một giới hạn nào.
- Khi thiết bị hoạt động ở trạng thái Bật, giá trị sụt áp về mức 0.
- Điện trở ở trạng thái Tắt phải là vô hạn.
- Chúng không có giới hạn nào về tốc độ hoạt động.
6. Các thông số cần lưu ý và các khái niệm liên quan
• Các thông số cần lưu ý khi sử dụng Mosfet.
UDS max : Điện áp chịu đựng lớn nhất đặt vào chân D và S.
UGS : Điện áp để đóng mở Mosfet.
ID max : Dòng điện tối đa mà Mosfet có thể chịu đựng được.
Pmax : Công suất tiêu tán của Mosfet khi làm việc.
F cắt max : Tần số cắt của Mosfet.

• Các khái niệm liên quan đến Mosfet
Sò Mosfet là gì?
Sò là một linh kiện bán dẫn được sử dụng trong amply và kết hợp với IC. Sò trong amply có thể kết hợp với một tỷ Transistor trên một diện tích nhỏ, đồng thời quyết định công suất amply giúp khuếch đại tín hiệu một cách hoàn hảo hơn.
Sò Mosfet viết tắt là Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor, là Transistor hiệu ứng trường có cấu tạo và hoạt động không giống với Transistor thông thường, được sử dụng như một thiết bị khuếch đại hay một khóa điện tử.

Power Mosfet là gì?
Power Mosfet hay còn gọi là Mosfet công suất lớn là một biến thể dẫn xuất có cấu trúc bán dẫn,có thể điều khiển bằng điện áp với dòng điện điều khiển cực nhỏ.

Driver Mosfet là gì?
Driver Mosfet là trình điều khiển dùng điện áp thấp và cấp dòng điện cho các thiết bị điện công suất như Mosfet hay IGBT…

• Cách xác định chân của Mosfet.
Thông thường thì chân của Mosfet có quy định chung không như Transitor. Chân của Mosfet được quy định: chân G ở bên trái, chân S ở bên phải còn chân D ở giữa.
7. Ưu – nhược điểm của MOSFET
• Ưu điểm
- 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 tùy 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
- Lớp oxit mỏng làm cho các MOSFET dễ bị hỏng bởi các điện tích tĩnh điện (tuổi thọ thấp).
- Điện áp quá tải làm cho nó không ổn định.
- Không hoạt động tốt trong tần số vô tuyến tín hiệu thấp.
8. Ứng dụng của mosfet
- 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 trên 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.