MOSFET: definição, princípio de trabalho e seleção
2024-04-28 28545

O transistor de efeito de campo de semicondutores MOSFET ou de óxido de metal serve como um importante dispositivo de troca de energia em eletrônicos de energia.Destaca -se do transistor de junção bipolar (BJT), outro dispositivo comum, particularmente no manuseio de cargas de alta potência.Para entender como os MOSFETs aprimoram o desempenho, é útil entender primeiro o básico operacional dos BJTs.Um BJT controla o fluxo de um pequeno número de transportadores de carga, elétrons ou orifícios, para gerenciar um fluxo de corrente maior através de seu coletor e emissor.Embora eficazes em vários ambientes, os BJTs ficam aquém dos cenários de alta potência devido a perdas de eficiência e sensibilidade ao calor.Os MOSFETs, por outro lado, usam um efeito de campo para o controle de corrente que reduz significativamente as perdas de energia.Uma compreensão mais profunda das propriedades estáticas e dinâmicas dos MOSFETs, juntamente com a forma como eles respondem a diferentes condições e condições atuais, ajuda a projetar circuitos estáveis e confiáveis.

Um transistor de efeito de campo de semicondutores MOSFET ou óxido de metal aumenta significativamente o desempenho dos transistores de efeito de campo básico (FETs), abordando questões como alta resistência ao dreno, impedância de entrada moderada e operações mais lentas.Desenvolvidos como uma versão evoluída dos FETs tradicionais, os MOSFETs também são conhecidos como transistores de efeito de campo de porta isolados (IGFETs).

No coração de um MOSFET, está seu eletrodo distinto portão de óxido de metal, que o diferencia dos FETs convencionais.Este eletrodo da porta é separado do corpo principal semicondutor por uma fina camada isolante feita de dióxido de silício ou material semelhante.Esse isolamento é insubstituível porque concede ao MOSFET uma resistência de entrada muito alta, geralmente na faixa de megaohm (Mω).A alta resistência é essencial para as operações controladas por voltagem do MOSFET, onde os ajustes na tensão da porta afetam diretamente a corrente que flui entre o dreno e a fonte.A operação de um MOSFET envolve a aplicação de uma tensão no portão.Uma vez que essa tensão ultrapassa um limite específico, ele cria um campo elétrico através da camada isolante.Este campo é o que modula os portadores de carga no semicondutor, controlando assim o fluxo de corrente do dreno para a fonte.O controle preciso sobre esse fluxo permite que o MOSFET regular a corrente com eficiência, mesmo com baixa potência, tornando -o ideal para aplicações que exigem alta potência e alta frequência.

Os MOSFETs oferecem várias melhorias em relação aos FETs tradicionais, incluindo tempos de comutação mais rápidos, correntes de vazamento reduzidas e a capacidade de operar em frequências mais altas.Esses aprimoramentos são o motivo pelo qual os MOSFETs são tão prevalentes em dispositivos e sistemas eletrônicos contemporâneos.Eles são particularmente valiosos em funções que envolvem amplificação de energia, processamento de sinais e gerenciamento de energia.Esse uso generalizado ressalta o papel do MOSFET como um componente crítico no avanço da eletrônica moderna.

Um MOSFET (transistor de efeito de campo semicondutor de óxido de metal) normalmente possui quatro terminais: o dreno (d), fonte (s), portão (g) e corpo (b), também conhecido como substrato ou rodapé.No entanto, na maioria das aplicações, o terminal do corpo está internamente conectado à fonte, efetivamente tornando o MOSFET um dispositivo de três terminais.Essa configuração simplifica seu uso em vários circuitos eletrônicos.

Os símbolos gráficos para MOSFETs representam distintamente os dois tipos: canal n e canal P.Para o MOSFET de canal n, o símbolo inclui uma seta de apontar para dentro no portão, o que significa que a aplicação de uma tensão positiva no portão em relação à fonte liga o dispositivo.Por outro lado, o símbolo MOSFET de canal P apresenta uma seta para o exterior, indicando que uma tensão positiva liga o dispositivo, mas essa tensão está na direção oposta em comparação com o canal n.Esses símbolos são referências importantes para engenheiros e técnicos identificarem os tipos de MOSFET e garantir a implementação adequada nos projetos de circuitos.

Um pacote comum para MOSFETS é o TO-220.Tomando o MOSFET IRF9540N como exemplo, esse formato de pacote normalmente posiciona o pino do portão no centro, ladeado pelos pinos de drenagem e fonte.No entanto, é essencial reconhecer que os arranjos de pinos podem variar entre os fabricantes.Portanto, sempre verifique a configuração do PIN da folha de dados antes de integrar o MOSFET em um circuito.Isso não é apenas verdadeiro para o IRF9540N, mas também outros MOSFETs frequentemente usados como o IRFZ44N, BS170, IRF520 e 2N7000.Consultar a folha de dados ou a folha de especificação específica é fundamental para evitar conexões incorretas, o que pode levar à falha do circuito ou ao desempenho abaixo do ideal.

Os transistores de efeito de campo semicondutores de óxido de metal são categorizados em dois tipos primários com base na maneira como operam: MOSFETs de aumento no modo de aprimoramento (e-MOSFETs) e MOSFETs no modo de depleção (D-MOSFETs).Cada tipo é dividido em canal n e canal P, dependendo do material semicondutor usado, levando a quatro categorias distintas de MOSFET:

MOSFET de depleção de canais n

MOSFET de depleção de canal P.

MOSFET de aprimoramento de canais n

MOSFET de aprimoramento de canal P.

Para os MOSFETs de canal n (NMOS), o fluxo de elétrons carrega principalmente a corrente, e é por isso que eles são chamados de "canal n".Por outro lado, os MOSFETs de canal P (PMOs) dependem do movimento de orifícios para o fluxo atual, daí o nome "P-canal".

A estrutura interna dos MOSFETs varia entre os dois modos.Nos MOSFETs no modo de depleção, o portão, o dreno e a fonte estão fisicamente conectados, permitindo que a corrente flua mesmo sem uma tensão do portão.Esse modo normalmente permite que o dispositivo conduza por padrão e requer uma tensão de portão específica para desativar.

Os MOSFETs no modo de aprimoramento, por outro lado, exigem que o portão, o dreno e a fonte sejam fisicamente separados, o que significa que eles precisam de uma tensão positiva para começar a realizar.Esses MOSFETs permanecem desligados até que esse limite de tensão seja atingido, e é por isso que são comumente usados em aplicações que exigem um interruptor que apenas se ativa sob certas condições.O tipo mais usado entre eles é o MOSFET no modo de aprimoramento do canal N.Difere do canal P, pois o MOSFET do canal n permanece desde que haja uma tensão de porta aplicada, enquanto o tipo de canal P permanece fora até que uma tensão de porta seja aplicada.

Embora um MOSFET em modo de aprimoramento (e-MOSFET) deva sempre ter uma tensão positiva portão acima de um certo limite para conduzir, um MOSFET em modo de depleção (D-MOSFET) pode funcionar com uma tensão de porta positiva ou negativa e não é completamente fechadadesligado.O D-MOSFET pode operar nos modos de aprimoramento e depleção, proporcionando flexibilidade, enquanto o e-MOSFET é restrito apenas ao modo de aprimoramento.

A estrutura interna de um MOSFET (transistor de efeito de campo semicondutor de óxido de metal) representa uma versão avançada do transistor de efeito de campo convencional (FET), apesar de compartilhar a mesma configuração de três terminais.Ao examinar um MOSFET, você notará vários recursos estruturais importantes.

No centro do MOSFET, o terminal do portão é conectado a uma fina camada de metal.Essa camada de metal é crucial, pois fica acima e é isolada do restante do semicondutor por uma fina camada de dióxido de silício (SiO2).Esse isolamento é crítico porque impede qualquer conexão elétrica direta entre a porta e o corpo semicondutor, permitindo que o portão controlasse o dispositivo com perda mínima de energia.Flanquear esta camada de portão são duas regiões feitas de material semicondutor do tipo N dentro do corpo semicondutor.Essas regiões estão alinhadas com os terminais de drenagem e fonte e formam o que é conhecido como canal.O canal é usado para o fluxo de elétrons da fonte para o dreno quando o MOSFET está em operação.

O substrato, em contraste com o canal, é feito de material do tipo P, completando a estrutura básica do MOSFET.Essa combinação de materiais do tipo N e P-PE não é apenas fundamental para a operação do MOSFET, mas também permite que o dispositivo lide com tensões de polarização positiva ou negativa, aumentando sua versatilidade em diferentes aplicações.Em termos práticos, quando nenhuma tensão é aplicada ao portão, o MOSFET permanece não condutor.Essa característica é particularmente vantajosa para aplicações que exigem controle preciso sobre o fluxo de corrente, como em comutadores eletrônicos e portões lógicos.A capacidade do MOSFET de permanecer inerte até que a ativação o torne um componente integral no design do circuito digital e analógico, onde mudanças repentinas no estado podem desencadear ou interromper várias funções com eficiência.

O MOSFET (transistor de efeito de campo semicondutor de óxido de metal) opera principalmente como um interruptor, gerenciamento de tensão e corrente entre os terminais de origem e drenagem.Emprega as características do capacitor do MOS, situado sob a camada de óxido, que conecta esses dois terminais.Dentro do MOSFET, o capacitor do MOS é fundamental.Quando nenhuma tensão é aplicada ao portão, o transistor permanece fora, bloqueando o fluxo de eletricidade.Isso faz do MOSFET um componente eficaz para aplicativos como comutadores e portões lógicos, onde a ativação sob demanda é importante.

Modo de esgotamento: inicialmente, o MOSFET está naturalmente conduzindo (aberto).A aplicação de uma tensão positiva ao portão aumenta essa condução, ampliando o canal formado por regiões semicondutoras do tipo n em um substrato do tipo P.Esse canal mais amplo permite que mais elétrons fluam, aumentando a corrente (corrente de drenagem, ID).Por outro lado, uma tensão de portão negativa restringe o canal, reduzindo o fluxo e potencialmente interrompendo-o, levando o MOSFET a um estado não condutor (corte).

Modo de aprimoramento: aqui, o MOSFET começa como não condutor.A aplicação de uma tensão de fonte de porta positiva (VGS) que excede a tensão limite (VTH) ativa o dispositivo.Essa tensão induz um número suficiente de portadores de carga (elétrons) para formar um canal condutor.Quanto maiores os VGs, mais transportadoras se acumulam, aumentando a condutividade do canal e, portanto, o fluxo atual.

Ao integrar um MOSFET em um circuito, é preciso considerar seu modo - depleção ou aprimoramento - e aplique tensões de acordo.Por exemplo, conectar uma tensão positiva à porta de um MOSFET de canal n em modo de aprimoramento leva ao acúmulo de elétrons e inicia a condutividade.Em circuitos, a precisão da tensão precisa ser observada, muito alto pode exagerar o MOSFET e muito baixo pode não ligá -lo.Observar as alterações no fluxo de corrente em relação à tensão da porta fornece feedback direto sobre o estado operacional do MOSFET e ajuda a ajustar o sistema para o desempenho elétrico desejado.

Região ôhmica: O MOSFET se comporta quase como um resistor.Aqui, o dispositivo permite que a corrente aumente com o aumento da tensão, mas permanece dependente da tensão do portão ser suficientemente positiva.

Região de saturação: Uma vez que a tensão da fonte de drenagem (VDS) atinge um nível que ativa completamente o canal, o MOSFET entra na saturação.Nesse estado, a corrente de drenagem se estabiliza e não aumenta com novos aumentos no VDS, significando a condutividade máxima sob a tensão da porta atual.

Região de corte: se a tensão do portão cair abaixo do limite, ou o VDS exceder os limites operacionais, o MOSFET para de conduzir, efetivamente desligando o fluxo de corrente.A resistência do dispositivo se torna muito alta, quase infinita.

Os MOSFETs são comumente usados como interruptores em circuitos eletrônicos para controlar cargas elétricas como luzes e motores.Esta função é executada manipulando a tensão da porta (VGS), que influencia diretamente se a corrente flui através da carga.

Em um circuito básico de comutação, uma tensão de porta positiva liga o MOSFET, permitindo que a corrente passe e a carga conectada (como uma luz ou motor) para operar.Por outro lado, quando a tensão do portão é zero ou negativa, o MOSFET desliga, interrompe o fluxo de corrente e desativando a carga.Para garantir que o MOSFET permaneça desligado quando não estiver ativamente engajado, é comum integrar um resistor puxado (R1) entre o portão e o solo.Esse resistor ajuda a drenar qualquer carga residual no portão, colocando o MOSFET firmemente em seu estado off quando nenhuma tensão de entrada está presente.O valor de resistência para R1 normalmente varia de vários quilos a dezenas de quilo-OHMS, dependendo das necessidades específicas do circuito.

Para um controle mais sutil, como ajustar a velocidade do motor ou as luzes de escurecimento, são utilizados sinais de modulação de largura de pulso (PWM).Esses sinais ligam e desativam rapidamente o MOSFET para controlar a energia efetiva entregue à carga.No entanto, a comutação rápida pode excitar a capacitância do portão, potencialmente levando a correntes reversas indesejadas.Para neutralizar isso, um capacitor de limitação de corrente (C1) é colocado entre o portão e a fonte.Este capacitor ajuda a mitigar os efeitos dessas correntes reversas e geralmente é escolhido como algumas centenas de picofarads para alguns nanofarads.Em cenários em que a carga é indutiva (como motores ou indutores), são necessárias considerações especiais devido ao potencial de correntes reversas geradas pelas propriedades indutivas.Essas correntes ocorrem quando a tensão acionando a carga é repentinamente cortada, causando uma força eletromotiva traseira.Para proteger o MOSFET de possíveis danos por essas tensões reversas, elementos protetores, como diodos de supressão de tensão reversa (diodos com rodas livres) ou capacitores adicionais, são adicionados ao circuito.

Ao projetar e implementar esses circuitos, as etapas práticas envolvem a seleção de valores apropriados para resistores e capacitores com base nas características de carga e na dinâmica de controle desejada.Os engenheiros precisam equilibrar cuidadosamente a capacidade de resposta contra a estabilidade e proteção para garantir uma operação confiável e eficiente.

A embalagem MOSFET desempenha um papel na afetação do manuseio de energia, gerenciamento térmico e recursos de montagem física do dispositivo.

Esses pacotes são projetados para layouts de placa de circuito impresso (PCB) de alta densidade e são conhecidos por seu gerenciamento térmico eficiente.Os tipos comuns incluem TO-263, TO-252, MO-187, SO-8, SOT-223, SOT-23 e TSOP-6.Eles são normalmente escolhidos para aplicações onde o espaço é premium e os requisitos de energia são moderados, como em dispositivos móveis, equipamentos de comunicação e eletrônicos de consumo.A tecnologia de montagem de superfície permite uma montagem mais fácil e rápida nos PCBs, aumentando a eficiência da produção.

Esse tipo de embalagem é preferido para aplicações que exigem maior potência e recursos de manuseio atual, juntamente com suporte mecânico robusto e maior dissipação de calor.Pacotes padrão de orifício por meio, como TO-262, TO-251, TO-274, TO-220 e TO-247, são frequentemente encontrados em equipamentos industriais, sistemas de energia e eletrônicos automotivos.Os fios dos pacotes de orifício passados são inseridos em orifícios perfurados na PCB e depois soldados, fornecendo uma forte ligação mecânica e melhor conexão térmica para escape de calor, o que é ideal para aplicações de alta potência.

Os pacotes PQFN oferecem uma pegada compacta e são econômicos, tornando-os ideais para situações em que o espaço na PCB é limitado, mas é necessária uma alta densidade de potência.Os tamanhos variam, com opções comuns, incluindo PQFN 2X2, PQFN 3X3, PQFN 3.3X3.3, PQFN 5X4 e PQFN 5X6.Os aplicativos geralmente incluem dispositivos portáteis, sistemas de comunicação sem fio, controles industriais, iluminação LED e assim por diante.

Conhecidos por sua baixa resistência e baixa indutância, os pacotes diretos são excelentes para aplicações de alta potência e de alta frequência.Variantes como DirectFET M4, Directfet MA, DirectFet MD, DirectFET ME, DirectFet S1 e DirectFET SH são frequentemente usadas em conversores de energia, acionamentos de motor e outros sistemas de alto desempenho, onde é importante minimizar perdas de comutação e maximizar a eficiência.O design do DirectFET se integra bem aos dissipadores de calor, ajudando ainda mais pelo gerenciamento térmico.

A seleção da embalagem MOSFET apropriada envolve considerar o ambiente operacional, o gerenciamento de energia e térmica necessário, restrições de espaço físico e necessidades específicas de aplicação.Por exemplo, em eletrônicos de consumo, onde o tamanho compacto e a baixa potência são prioridades, um pequeno pacote de montagem de superfície pode ser ideal.Por outro lado, as configurações industriais ou automotivas que lidam com uma potência superior e requerem sistemas mais robustos podem se beneficiar mais dos pacotes de orifício ou DirectFET.Cada tipo de embalagem oferece benefícios exclusivos e deve ser combinado com cuidado aos requisitos do aplicativo para garantir o desempenho e a durabilidade ideais.

A seleção do MOSFET correto para o seu aplicativo envolve algumas etapas cruciais que afetam o desempenho e a adequação do dispositivo ao seu design.Veja como você pode abordar esse processo de seleção.

Comece determinando se um MOSFET de canal n ou canal é mais adequado para o seu design.Se você estiver configurando um comutador de baixo lado, que conecta o MOSFET ao solo e a carga à tensão da rede elétrica, um MOSFET de canal n é normalmente preferível porque requer uma tensão mais baixa para ativar.Por outro lado, em uma configuração de interruptor de alto lado, onde o MOSFET se conecta ao barramento elétrico e à carga no solo, um MOSFET de canal P é frequentemente escolhido para considerações de tensão semelhantes.A chave aqui é entender a tensão necessária para ligar e desligar o MOSFET e como isso se integra ao seu design.A próxima etapa envolve a verificação da tensão máxima que o MOSFET pode manusear (VDS).Essa tensão deve ser maior que o máximo do seu sistema para garantir a segurança contra picos inesperados.Os designers devem considerar essa classificação em várias temperaturas, pois o desempenho do MOSFET pode variar com as mudanças de temperatura.

A próxima fase é selecionar um MOSFET que possa lidar com a corrente máxima que seu aplicativo exigirá.Isso envolve considerar não apenas o fluxo de corrente regular, mas também picos em potencial na corrente.Isso pode estar em operação contínua ou como um pulso.Garantir que o MOSFET possa gerenciar essas demandas envolve verificar sua classificação atual e suas perdas de condução, o que ocorre porque um MOSFET age um pouco como um resistor quando ligado.

Comece usando o pior cenário para estabelecer uma margem segura.Figuras -chave na folha de dados do MOSFET, como resistência térmica e temperatura máxima de junção, ajuda nesses cálculos.Você calculará a dissipação máxima de energia, que é determinada pela equação da temperatura da junção: temperatura ambiente máxima mais o produto da resistência térmica e dissipação de energia.Este cálculo orientará o design do sistema para evitar superaquecimento, o que pode levar à falha do dispositivo.

Por fim, avalie o desempenho da comutação, que é influenciado por fatores como portão, drenagem e capacitância de origem.Esses capacitores criam perdas sempre que os interruptores do MOSFET, afetando a velocidade e a eficiência.Os avanços na tecnologia MOSFET, como o Superfet, visam otimizar esses fatores, reduzindo o RDS (ON) e a carga do portão, aumentando assim a eficiência da condução e o desempenho da comutação.

Os MOSFETs se destacam como dispositivos de troca de energia altamente eficientes, oferecendo vantagens significativas sobre os BJTs tradicionais, particularmente em aplicações de alta e alta frequência.Seu mecanismo operacional, que utiliza campos elétricos em vez de injeção de transportadora para controlar o fluxo de corrente, permite velocidades de comutação mais rápidas e perdas de energia reduzidas.Os MOSFETs estão disponíveis em vários tipos, como modo de aprimoramento e modo de depleção, bem como opções de canal n e canal P.Essa diversidade oferece aos designers a flexibilidade de adaptar sua seleção a necessidades específicas de aplicativos, particularmente em cenários que exigem tensão robusta e manuseio atual, juntamente com o gerenciamento térmico eficiente e o desempenho da comutação.

Ao selecionar um MOSFET, é crucial considerar não apenas os parâmetros fundamentais, como a tensão máxima da fonte de drenagem (VDS), a corrente de drenagem (ID) e a resistência (RDS (ON)), mas também para avaliar outros fatores críticos.Isso inclui a embalagem do MOSFET, os recursos de dissipação de calor e a carga do portão, os quais contribuem para a confiabilidade e eficiência do design final.Os avanços na tecnologia continuam aprimorando o desempenho do MOSFET.Inovações como o Superfet estão otimizando estruturas internas e processos de fabricação, melhorando o desempenho do dispositivo, reduzindo o tamanho e minimizando as perdas de comutação.Essas melhorias permitem que os MOSFETs operem em frequências mais altas e em ambientes mais exigentes, ampliando sua gama de aplicações.

Um MOSFET é usado principalmente como um dispositivo de comutação ou como amplificador em vários tipos de circuitos eletrônicos.Isso inclui fonte de alimentação, placas -mãe de computador e controladores de motor, que controlam eficientemente o fluxo de energia e amplificam os sinais.

Geralmente, os MOSFETs são considerados melhores que os FETs tradicionais, porque têm maior eficiência, maior escalabilidade em aplicações eletrônicas e tempos de comutação mais rápidos.Os MOSFETs também oferecem melhor desempenho em termos de manuseio de energia e redução da tecnologia.

Um MOSFET opera utilizando o campo elétrico criado pela tensão aplicada ao seu terminal de portão para controlar o fluxo de corrente entre seus terminais de fonte e drenagem.Essa tensão do portão altera a condutividade de um canal semicondutor entre a fonte e o dreno, permitindo ou bloqueando o fluxo de corrente.

Alta impedância de entrada, minimizando a corrente extraída do circuito de direção.

Baixo consumo de energia, particularmente útil em aplicações sensíveis ao poder.

Velocidade de comutação rápida, aumentando o desempenho em aplicativos de alta frequência.

Boa estabilidade térmica, tornando -os adequados para várias condições operacionais.

Os MOSFETs podem falhar devido a vários fatores:

O superaquecimento é causado por dissipação excessiva de energia.

Excesso de sobretensão, que pode exceder a classificação de tensão do MOSFET e danificá -la.

A descarga eletrostática (ESD) durante o manuseio pode destruir o óxido da porta.

A tensão de acionamento incorreta, muito alta ou muito baixa, pode levar a comutação incompleta e superaquecimento subsequente.

A aplicação de polaridade reversa, especialmente para o portão, também pode levar à falha.