MOSFET-Grundlagen - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:20

Hallo! In diesem Instructable werde ich Ihnen die Grundlagen von MOSFETs beibringen, und mit Grundlagen meine ich wirklich Grundlagen. Dieses Video ist ideal für eine Person, die MOSFET noch nie professionell studiert hat, sie aber in Projekten verwenden möchte. Ich werde über n- und p-Kanal-MOSFETs sprechen, wie man sie verwendet, wie sie sich unterscheiden, warum beide wichtig sind, warum MOSFET-Treiber und ähnliches. Ich werde auch über einige wenig bekannte Fakten über MOSFETs und vieles mehr sprechen.

Lassen Sie uns darauf eingehen.

Schritt 1: Sehen Sie sich das Video an

Die Videos enthalten alles, was für den Aufbau dieses Projekts im Detail erforderlich ist. Das Video enthält einige Animationen, die beim schnellen Erfassen der Fakten helfen. Sie können es sich ansehen, wenn Sie Bilder bevorzugen, aber wenn Sie Text bevorzugen, gehen Sie die nächsten Schritte durch.

Schritt 2: Der FET

Bevor Sie mit MOSFETs beginnen, möchte ich Ihnen seinen Vorgänger, den JFET oder Junction Field Effect Transistor, vorstellen. Es wird das Verständnis des MOSFET ein wenig erleichtern.

Der Querschnitt eines JFET ist im Bild gezeigt. Die Anschlüsse sind identisch mit den Anschlüssen von MOSFETs. Der mittlere Teil wird als Substrat oder Körper bezeichnet und ist je nach FET-Typ nur ein n-Typ- oder p-Typ-Halbleiter. Die Bereiche werden dann auf dem Substrat mit einem entgegengesetzten Typ als dem des Substrats aufgewachsen und werden als Gate, Drain und Source bezeichnet. Welche Spannung Sie auch immer anlegen, gilt für diese Regionen.

Heute hat es aus praktischer Sicht sehr wenig bis gar keine Bedeutung. Ich werde darüber hinaus nicht auf weitere Erklärungen eingehen, da dies zu technisch wird und sowieso nicht erforderlich ist.

Das Symbol von JFET wird uns helfen, das Symbol von MOSFET zu verstehen.

Schritt 3: Der MOSFET

Danach kommt der MOSFET, der einen großen Unterschied im Gate-Anschluss hat. Vor dem Herstellen der Kontakte für den Gate-Anschluss wird eine Schicht aus Siliziumdioxid über dem Substrat aufgewachsen. Aus diesem Grund wird er als Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor bezeichnet. SiO2 ist ein sehr gutes Dielektrikum, oder man kann sagen Isolator. Dies erhöht den Gate-Widerstand in der Größenordnung von zehn hoch zehn Ohm und wir nehmen an, dass in einem MOSFET-Gate-Strom Ig immer Null ist. Aus diesem Grund wird er auch als Insulated Gate Field Effect Transistor (IGFET) bezeichnet. Über allen drei Bereichen wird zusätzlich eine Schicht aus einem guten Leiter wie Aluminium aufgewachsen und anschließend kontaktiert. Im Gate-Bereich können Sie sehen, dass eine parallele Plattenkondensator-ähnliche Struktur gebildet wird und tatsächlich eine beträchtliche Kapazität am Gate-Anschluss einführt. Diese Kapazität wird Gate-Kapazität genannt und kann Ihre Schaltung leicht zerstören, wenn sie nicht berücksichtigt wird. Diese sind auch während des Studiums auf beruflicher Ebene sehr wichtig.

Das Symbol für MOSFETs ist im beigefügten Bild zu sehen. Das Anbringen einer weiteren Leitung am Gate ist sinnvoll, während Sie sie mit den JFETs in Verbindung bringen, was darauf hindeutet, dass das Gate isoliert wurde. Die Pfeilrichtung in diesem Symbol stellt die konventionelle Richtung des Elektronenflusses innerhalb eines MOSFET dar, die der des Stromflusses entgegengesetzt ist

Schritt 4: MOSFET sind ein Gerät mit 4 Anschlüssen?

Eine weitere Sache, die ich hinzufügen möchte, ist, dass die meisten Leute denken, dass MOSFET ein Gerät mit drei Anschlüssen ist, während MOSFETs tatsächlich ein Gerät mit vier Anschlüssen sind. Das vierte Terminal ist das Körperterminal. Vielleicht haben Sie das Symbol für MOSFET gesehen, der mittlere Anschluss ist für das Gehäuse.

Aber warum haben fast alle MOSFETs nur drei Anschlüsse?

Der Körperanschluss ist intern mit der Quelle kurzgeschlossen, da er in den Anwendungen dieser einfachen ICs nutzlos ist, und danach wird das Symbol das, mit dem wir vertraut sind.

Der Körperanschluss wird im Allgemeinen verwendet, wenn ein komplizierter IC in CMOS-Technologie hergestellt wird. Beachten Sie, dass dies bei einem n-Kanal-MOSFET der Fall ist. Das Bild sieht etwas anders aus, wenn der MOSFET ein p-Kanal ist.

Schritt 5: Wie es funktioniert

Okay, also schauen wir uns jetzt an, wie es funktioniert.

Ein Bipolar-Junction-Transistor oder ein BJT ist ein stromgesteuertes Gerät, d. h. die Stromstärke in seinem Basisanschluss bestimmt den Strom, der durch den Transistor fließt, aber wir wissen, dass der Strom im Gate-Anschluss und insgesamt keine Rolle spielt Wir können sagen, dass es ein spannungsgesteuertes Gerät ist, nicht weil der Gatestrom immer Null ist, sondern wegen seiner Struktur, die ich in diesem Instructable wegen seiner Kompliziertheit nicht erklären werde.

Betrachten wir einen n-Kanal-MOSFET. Wenn am Gate-Anschluss keine Spannung angelegt wird, existieren zwischen dem Substrat und dem Drain- und Source-Bereich zwei Back-to-Back-Dioden, wodurch der Pfad zwischen Drain und Source einen Widerstand in der Größenordnung von 10 bis 12 Ohm hat.

Ich habe jetzt die Source geerdet und angefangen, die Gatespannung zu erhöhen. Bei Erreichen einer bestimmten Mindestspannung sinkt der Widerstand und der MOSFET beginnt zu leiten und der Strom beginnt von Drain zu Source zu fließen. Diese minimale Spannung wird Schwellenspannung eines MOSFET genannt und der Stromfluss ist auf die Bildung eines Kanals von Drain zu Source im Substrat des MOSFET zurückzuführen. Wie der Name schon sagt, besteht bei einem n-Kanal-MOSFET der Kanal aus n-Typen von Stromträgern, d. h. Elektronen, was dem Typ des Substrats entgegengesetzt ist.

Schritt 6: Aber…

Es hat erst hier angefangen. Das Anlegen der Schwellenspannung bedeutet nicht, dass Sie nur bereit sind, den MOSFET zu verwenden. Schaut man sich das Datenblatt von IRFZ44N an, einem n-Kanal MOSFET, so sieht man, dass bei seiner Schwellenspannung nur ein bestimmter Mindeststrom durch ihn fließen kann. Das ist gut, wenn Sie nur kleinere Lasten wie LEDs verwenden möchten, aber worum geht es dann. Um größere Lasten zu verwenden, die mehr Strom verbrauchen, müssen Sie also mehr Spannung an das Gate anlegen. Die steigende Gatespannung verstärkt den Kanal, wodurch mehr Strom durch ihn fließt. Um den MOSFET vollständig einzuschalten, muss die Spannung Vgs, die Spannung zwischen Gate und Source, etwa 10 bis 12 Volt betragen, dh, wenn die Source geerdet ist, muss das Gate etwa 12 Volt betragen.

Die gerade besprochenen MOSFETs werden MOSFETs vom Anreicherungstyp genannt, da der Kanal mit steigender Gatespannung verbessert wird. Es gibt einen anderen MOSFET-Typ, der als MOSFET vom Verarmungstyp bezeichnet wird. Der Hauptunterschied besteht darin, dass der Kanal bereits im MOSFET vom Verarmungstyp vorhanden ist. Diese Art von MOSFETs ist normalerweise nicht auf den Märkten erhältlich. Das Symbol für MOSFET vom Verarmungstyp ist anders, die durchgezogene Linie zeigt an, dass der Kanal bereits vorhanden ist.

Schritt 7: Warum MOSFET-Treiber?

Nehmen wir nun an, Sie verwenden einen Mikrocontroller zur Steuerung des MOSFET, dann können Sie nur maximal 5 Volt oder weniger an das Gate anlegen, was für hohe Strombelastungen nicht ausreicht.

Was Sie tun können, ist einen MOSFET-Treiber wie den TC4420 zu verwenden, Sie müssen nur ein logisches Signal an seinen Eingangspins bereitstellen und er kümmert sich um den Rest oder Sie können einen Treiber selbst bauen, aber ein MOSFET-Treiber hat viel mehr Vorteile in die Tatsache, dass es sich auch um einige andere Dinge wie die Gate-Kapazität usw. kümmert.

Wenn der MOSFET vollständig eingeschaltet ist, wird sein Widerstand mit Rdson bezeichnet und kann leicht im Datenblatt gefunden werden.

Schritt 8: Der P-Kanal-MOSFET

Ein p-Kanal-MOSFET ist genau das Gegenteil des n-Kanal-MOSFET. Der Strom fließt von Source zu Drain und der Kanal besteht aus p-Typ Ladungsträgern, d. h. Löchern.

Die Source in einem p-Kanal-MOSFET muss auf dem höchsten Potenzial sein und um ihn vollständig einzuschalten, muss Vgs negativ 10 bis 12 Volt sein

Wenn zum Beispiel die Source an 12 Volt gebunden ist, muss das Gate bei null Volt in der Lage sein, es vollständig einzuschalten, und deshalb sagen wir im Allgemeinen, dass das Anlegen von 0 Volt an das Gate den MOSFET des p-Kanals einschaltet und aufgrund dieser Anforderungen der MOSFET-Treiber für n-Kanal kann nicht direkt mit p-Kanal-MOSFET verwendet werden. Die p-Kanal-MOSFET-Treiber sind auf dem Markt erhältlich (wie TC4429) oder Sie können einfach einen Inverter mit dem n-Kanal-MOSFET-Treiber verwenden. Die p-Kanal-MOSFETs haben einen relativ höheren EIN-Widerstand als n-Kanal-MOSFETs, aber das bedeutet nicht, dass Sie immer einen n-Kanal-MOSFET für alle möglichen Anwendungen verwenden können.

Schritt 9: Aber warum?

Nehmen wir an, Sie müssen den MOSFET in der ersten Konfiguration verwenden. Diese Art des Schaltens wird als Low-Side-Schaltung bezeichnet, da Sie den MOSFET verwenden, um das Gerät mit Masse zu verbinden. Ein n-Kanal-MOSFET wäre für diese Aufgabe am besten geeignet, da Vgs nicht variiert und leicht auf 12 Volt gehalten werden kann.

Wenn Sie jedoch einen n-Kanal-MOSFET für das High-Side-Schalten verwenden möchten, kann die Source irgendwo zwischen Masse und Vcc liegen, was schließlich die Spannung Vgs beeinflusst, da die Gatespannung konstant ist. Dies hat einen großen Einfluss auf die ordnungsgemäße Funktion des MOSFET. Außerdem brennt der MOSFET durch, wenn die Vgs den angegebenen Maximalwert überschreiten, der im Durchschnitt bei etwa 20 Volt liegt.

Daher ist es kein Kinderspiel, hier n-Kanal-MOSFETs zu verwenden, sondern wir verwenden einen p-Kanal-MOSFET, obwohl wir einen größeren EIN-Widerstand haben, da dies den Vorteil hat, dass Vgs während eines High-Side-Schaltens durchgehend konstant ist. Es gibt auch andere Methoden wie Bootstrapping, aber ich werde sie vorerst nicht behandeln.

Schritt 10: ID-Vds-Kurve

Werfen wir zum Schluss einen kurzen Blick auf diese Id-Vds-Kurve. Ein MOSFET, der in drei Bereichen betrieben wird, wenn Vgs kleiner als die Schwellenspannung ist, befindet sich der MOSFET im Sperrbereich, d. h. er ist ausgeschaltet. Wenn Vgs größer als die Schwellenspannung, aber kleiner als die Summe des Spannungsabfalls zwischen Drain und Source und der Schwellenspannung ist, spricht man von einem Triodenbereich oder einem linearen Bereich. Im Liner-Bereich kann ein MOSFET als spannungsvariabler Widerstand verwendet werden. Wenn Vgs größer als die Spannungssumme ist, wird der Drainstrom konstant, es wird gesagt, dass er im Sättigungsbereich arbeitet, und um den MOSFET als Schalter wirken zu lassen, sollte er in diesem Bereich betrieben werden, da der maximale Strom durch den MOSFET fließen kann in dieser Region.

Schritt 11: Teilevorschläge

n-Kanal-MOSFET: IRFZ44N

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

n-Kanal-MOSFET-Treiber: TC4420US -

p-Kanal-MOSFET-Treiber: TC4429

Schritt 12: Das ist es

Sie müssen jetzt mit den Grundlagen von MOSFETs vertraut sein und in der Lage sein, den perfekten MOSFET für Ihr Projekt zu finden.

Es bleibt jedoch die Frage, wann wir MOSFETs verwenden sollten? Die einfache Antwort ist, wenn Sie größere Lasten schalten müssen, die mehr Spannung und Strom benötigen. MOSFETs haben gegenüber BJTs den Vorteil einer minimalen Verlustleistung auch bei höheren Strömen.

Wenn ich etwas übersehen habe oder falsch liege oder Sie Tipps haben, kommentieren Sie bitte unten.

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Schritt 13: Verwendete Teile

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

n-Kanal-MOSFET-Treiber: TC4420US -

p-Kanal-MOSFET-Treiber: TC4429