Qu'est-ce qu'un MOSFET: son fonctionnement et ses applications

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Le transistor MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) est un dispositif semi-conducteur largement utilisé à des fins de commutation et pour l'amplification de signaux électroniques dans les appareils électroniques. Un MOSFET est soit un noyau, soit un circuit intégré où il est conçu et fabriqué dans une seule puce car le dispositif est disponible dans de très petites tailles. L'introduction du dispositif MOSFET a apporté un changement dans le domaine de commutation en électronique . Allons-y avec une explication détaillée de ce concept.

Qu'est-ce que MOSFET?

Un MOSFET est un dispositif à quatre bornes ayant des bornes de source (S), de grille (G), de drain (D) et de corps (B). En général, le corps du MOSFET est en connexion avec la borne de source formant ainsi un dispositif à trois bornes tel qu'un transistor à effet de champ. Le MOSFET est généralement considéré comme un transistor et utilisé à la fois dans les circuits analogiques et numériques. C'est la base introduction à MOSFET . Et la structure générale de cet appareil est la suivante:




MOSFET

MOSFET

De ce qui précède Structure du MOSFET , la fonctionnalité du MOSFET dépend des variations électriques qui se produisent dans la largeur du canal avec le flux de porteurs (trous ou électrons). Les porteurs de charge entrent dans le canal par la borne source et sortent par le drain.



La largeur du canal est contrôlée par la tension sur une électrode qui s'appelle la grille et elle est située entre la source et le drain. Il est isolé du canal à proximité d'une couche extrêmement mince d'oxyde métallique. La capacité MOS qui existe dans l'appareil est la section cruciale où se déroule toute l'opération.

MOSFET avec terminaux

MOSFET avec terminaux

Un MOSFET peut fonctionner de deux manières

  • Mode d'épuisement
  • Mode d'amélioration

Mode d'épuisement

Lorsqu'il n'y a pas de tension aux bornes de la borne de grille, le canal affiche sa conductance maximale. Alors que lorsque la tension aux bornes de la borne de grille est positive ou négative, la conductivité du canal diminue.


Par exemple

Mode de déflexionMode d'amélioration

Lorsqu'il n'y a pas de tension aux bornes de la borne de grille, l'appareil ne conduit pas. Lorsqu'il y a la tension maximale aux bornes de la borne de grille, l'appareil montre une conductivité améliorée.

Mode d

Mode d'amélioration

Principe de fonctionnement du MOSFET

Le principe principal du dispositif MOSFET est de pouvoir contrôler le flux de tension et de courant entre les bornes de source et de drain. Il fonctionne presque comme un interrupteur et la fonctionnalité de l'appareil est basée sur le condensateur MOS. Le condensateur MOS est la partie principale du MOSFET.

La surface semi-conductrice au niveau de la couche d'oxyde au-dessous qui est située entre la borne de source et de drain peut être inversée du type p au type n par l'application de tensions de grille positives ou négatives respectivement. Lorsque nous appliquons une force de répulsion pour la tension de grille positive, alors les trous présents sous la couche d'oxyde sont poussés vers le bas avec le substrat.

La région d'appauvrissement peuplée par les charges négatives liées qui sont associées aux atomes accepteurs. Lorsque les électrons sont atteints, un canal est développé. La tension positive attire également les électrons des régions de source et de drain n + dans le canal. Maintenant, si une tension est appliquée entre le drain et la source, le courant circule librement entre la source et le drain et la tension de grille contrôle les électrons dans le canal. Au lieu de la tension positive, si nous appliquons une tension négative, un canal de trou sera formé sous la couche d'oxyde.

Schéma fonctionnel MOSFET

Schéma fonctionnel MOSFET

MOSFET à canal P

Le MOSFET à canal P a une région de canal P située entre les bornes de source et de drain. Il s'agit d'un appareil à quatre bornes dont les bornes sont la porte, le drain, la source et le corps. Le drain et la source sont de la région p + fortement dopée et le corps ou substrat est de type n. Le flux de courant se fait en direction de trous chargés positivement.

Lorsque nous appliquons la tension négative avec une force répulsive à la borne de grille, les électrons présents sous la couche d'oxyde sont poussés vers le bas dans le substrat. La région d'appauvrissement peuplée par les charges positives liées qui sont associées aux atomes donneurs. La tension de grille négative attire également des trous de la région de source et de drain p + dans la région de canal.

Mode d

Mode d'épuisement Canal P

Mode amélioré du canal P

Mode amélioré du canal P

MOSFET canal N

Le MOSFET à canal N a une région à canal N située entre les bornes de source et de drain. C'est un appareil à quatre bornes ayant les bornes comme grille, drain, source, corps. Dans ce type de transistor à effet de champ, le drain et la source sont fortement dopés en région n + et le substrat ou corps sont de type P.

Le flux de courant dans ce type de MOSFET se produit à cause d'électrons chargés négativement. Lorsque nous appliquons la tension positive avec une force répulsive à la borne de grille, les trous présents sous la couche d'oxyde sont poussés vers le bas dans le substrat. La région d'appauvrissement est peuplée par les charges négatives liées qui sont associées aux atomes accepteurs.

À la portée des électrons, le canal se forme. La tension positive attire également les électrons des régions de source et de drain n + dans le canal. Maintenant, si une tension est appliquée entre le drain et la source, le courant circule librement entre la source et le drain et la tension de grille contrôle les électrons dans le canal. Au lieu d'une tension positive si nous appliquons une tension négative, un canal de trou sera formé sous la couche d'oxyde.

Mode d

Mode d'amélioration Canal N

Régions de fonctionnement du MOSFET

Dans le scénario le plus général, le fonctionnement de cet appareil se produit principalement dans trois régions et celles-ci sont les suivantes:

  • Région limite - C'est la région où l'appareil sera en état OFF et où aucune quantité de courant ne le traverse. Ici, le dispositif fonctionne comme un interrupteur de base et est utilisé de manière à être utilisé comme interrupteurs électriques.
  • Région de saturation - Dans cette région, les dispositifs auront leur valeur de courant drain-source comme constante sans tenir compte de l'augmentation de la tension entre le drain et la source. Cela ne se produit qu'une seule fois lorsque la tension entre le drain et la borne source augmente plus que la valeur de tension de pincement. Dans ce scénario, l'appareil fonctionne comme un interrupteur fermé où un niveau saturé de courant à travers le drain vers les bornes de source circule. Pour cette raison, la région de saturation est sélectionnée lorsque les appareils sont censés effectuer une commutation.
  • Région linéaire / ohmique - C'est la région où le courant entre le drain et la borne source augmente avec l'incrément de la tension entre le drain et le chemin source. Lorsque les dispositifs MOSFET fonctionnent dans cette région linéaire, ils exécutent la fonctionnalité d'amplification.

Considérons maintenant les caractéristiques de commutation du MOSFET

Un semi-conducteur aussi tel qu'un MOSFET ou un transistor à jonction bipolaire fonctionne fondamentalement comme des commutateurs dans deux scénarios, l'un est à l'état ON et l'autre à l'état OFF. Pour considérer cette fonctionnalité, examinons les caractéristiques idéales et pratiques du dispositif MOSFET.

Caractéristiques du commutateur idéal

Lorsqu'un MOSFET est censé fonctionner comme un commutateur idéal, il doit contenir les propriétés ci-dessous et celles-ci sont

  • Dans la condition ON, il doit y avoir la limitation de courant qu'il porte
  • En condition OFF, les niveaux de tension de blocage ne doivent contenir aucune limitation
  • Lorsque l'appareil fonctionne à l'état ON, la valeur de la chute de tension doit être nulle
  • La résistance à l'état OFF doit être infinie
  • Il ne devrait y avoir aucune restriction sur la vitesse de fonctionnement

Caractéristiques pratiques du commutateur

Comme le monde n'est pas seulement collé aux applications idéales, le fonctionnement du MOSFET est même applicable à des fins pratiques. Dans le scénario pratique, l'appareil doit contenir les propriétés ci-dessous

  • En condition ON, les capacités de gestion de l'alimentation doivent être limitées, ce qui signifie que le flux de courant de conduction doit être limité.
  • À l'état OFF, les niveaux de tension de blocage ne doivent pas être limités
  • L'activation et la désactivation pendant des temps finis limite la vitesse limite de l'appareil et limite même la fréquence fonctionnelle
  • Dans la condition ON du dispositif MOSFET, il y aura des valeurs de résistance minimales où cela se traduit par une chute de tension dans la polarisation de transmission. En outre, il existe une résistance à l'état OFF fini qui délivre un courant de fuite inverse
  • Lorsque l'appareil fonctionne dans les caractéristiques pratiques, il perd de la puissance sur ON et OFF. Cela se produit même dans les états de transition.

Exemple de MOSFET comme commutateur

Dans l'agencement de circuit ci-dessous, un mode amélioré et un MOSFET à canal N sont utilisés pour commuter une lampe témoin avec les conditions ON et OFF. La tension positive à la borne de grille est appliquée à la base du transistor et la lampe passe à l'état ON et ici VGS= + v ou à un niveau de tension nul, l'appareil passe à l'état OFF où VGS= 0.

MOSFET comme commutateur

MOSFET comme commutateur

Si la charge résistive de la lampe devait être remplacée par une charge inductive et connectée au relais ou à la diode qui est protégée à la charge. Dans le circuit ci-dessus, il s'agit d'un circuit très simple pour commuter une charge résistive telle qu'une lampe ou une LED. Mais lors de l'utilisation du MOSFET comme commutateur avec une charge inductive ou une charge capacitive, une protection est requise pour le dispositif MOSFET.

Si dans le cas où le MOSFET n'est pas protégé, cela peut endommager l'appareil. Pour que le MOSFET fonctionne comme un dispositif de commutation analogique, il doit être commuté entre sa région de coupure où VGS= 0 et région de saturation où VGS= + v.

description de vidéo

Le MOSFET peut également fonctionner comme un transistor et il est abrégé en transistor à effet de champ à oxyde de métal et silicium. Ici, le nom lui-même indique que l'appareil peut fonctionner comme un transistor. Il aura le canal P et le canal N. Le dispositif est connecté de cette manière en utilisant les quatre bornes de source, de grille et de drain et une charge résistive de 24 Ω est connectée en série avec un ampèremètre, et un voltmètre est connecté à travers le MOSFET.

Dans le transistor, la circulation du courant dans la grille est dans une direction positive et la borne source est connectée à la masse. Alors que dans les dispositifs à transistors à jonction bipolaire, le flux de courant se fait à travers le chemin base-émetteur. Mais dans cet appareil, il n'y a pas de circulation de courant car il y a un condensateur au début de la grille, il ne nécessite que de la tension.

Cela peut se produire en poursuivant le processus de simulation et en activant / désactivant. Lorsque l'interrupteur est sur ON, il n'y a pas de courant dans le circuit, lorsque la résistance de 24Ω et 0,29 de tension de l'ampèremètre est connectée, nous trouvons la chute de tension négligeable à travers la source car il y a + 0,21V à travers cet appareil.

La résistance entre le drain et la source est appelée RDS. En raison de ce RDS, la chute de tension apparaît lorsqu'il y a un flux de courant dans le circuit. Le RDS varie en fonction du type de périphérique (il peut varier entre 0,001, 0,005 et 0,05 en fonction du type de tension.

Peu de concepts à apprendre sont:

1). Comment choisir MOSFET comme commutateur ?

Il y a peu de conditions à respecter lors de la sélection du MOSFET comme commutateur et celles-ci sont les suivantes:

  • Utilisation de la polarité du canal P ou N
  • Une estimation maximale de la tension de fonctionnement et des valeurs de courant
  • Augmentation des Rds ON, ce qui signifie que la résistance à la borne Drain to Source lorsque le canal est complètement ouvert
  • Fréquence opérationnelle améliorée
  • Le type d'emballage est de To-220 et DPAck et bien d'autres.

2). Qu'est-ce que l'efficacité du commutateur MOSFET?

La principale restriction au moment du fonctionnement du MOSFET en tant que dispositif de commutation est la valeur de courant de drain améliorée dont le dispositif peut être capable. Cela signifie que RDS en condition ON est le paramètre crucial qui décide de la capacité de commutation du MOSFET. Il est représenté par le rapport de la tension drain-source à celle du courant drain. Il doit être calculé uniquement à l'état passant du transistor.

3). Pourquoi le commutateur MOSFET est-il utilisé dans Boost Converter?

En général, un convertisseur élévateur a besoin d'un transistor de commutation pour le fonctionnement de l'appareil. Ainsi, en tant que transistor de commutation, des MOSFET sont utilisés. Ces appareils sont utilisés pour connaître la valeur du courant et les valeurs de tension. En outre, compte tenu de la vitesse de commutation et du coût, ceux-ci sont largement utilisés.

De la même manière, MOSFET peut également être utilisé de plusieurs manières. et ce sont

  • MOSFET comme interrupteur pour LED
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  • MOSFET comme commutateur pour Arduino
  • Commutateur MOSFET pour charge AC
  • Interrupteur MOSFET pour moteur à courant continu
  • Commutateur MOSFET pour tension négative
  • MOSFET comme commutateur avec Arduino
  • MOSFET comme commutateur avec un microcontrôleur
  • Commutateur MOSFET avec hystérésis
  • MOSFET comme diode de commutation et résistance active
  • MOSFET comme équation de commutation
  • Commutateur MOSFET pour airsoft
  • MOSFET comme résistance de grille de commutation
  • MOSFET comme solénoïde de commutation
  • Commutateur MOSFET utilisant un optocoupleur
  • Commutateur MOSFET avec hystérésis

Application du MOSFET en tant que commutateur

L'un des principaux exemples de cet appareil est qu'il est utilisé comme interrupteur pour le contrôle automatique de la luminosité dans les lampadaires. De nos jours, bon nombre des feux que nous observons sur les autoroutes sont des lampes à décharge à haute intensité. Mais l'utilisation de lampes HID consomme des niveaux d'énergie accrus.

La luminosité ne peut pas être limitée en fonction de l'exigence et à cause de cela, il doit y avoir un interrupteur pour la méthode d'éclairage alternative et c'est LED. L'utilisation du système LED surmontera les inconvénients des lampes à haute intensité. Le concept principal derrière la construction de ceci était de contrôler les lumières directement sur les autoroutes en utilisant un microprocesseur.

Application MOSFET comme commutateur

Application MOSFET comme commutateur

Ceci peut être réalisé simplement en modifiant les impulsions d'horloge. Basé sur la nécessité, cet appareil est utilisé pour la commutation des lampes. Il se compose d'une carte Raspberry Pi où il est inclus avec un processeur pour la gestion. Ici, les LED peuvent être remplacées à la place des HID et celles-ci ont une connexion avec le processeur via MOSFET. Le microcontrôleur délivre des cycles de service correspondants, puis bascule sur MOSFET pour fournir un niveau d'intensité élevé.

Avantages

Quelques avantages sont:

  • Il génère une efficacité améliorée même lorsqu'il fonctionne à des niveaux de tension minimaux
  • Il n'y a pas de présence de courant de grille, ce qui crée plus d'impédance d'entrée, ce qui augmente la vitesse de commutation de l'appareil
  • Ces appareils peuvent fonctionner à des niveaux de puissance minimaux et utilisent un courant minimal

Désavantages

Peu d'inconvénients sont:

  • Lorsque ces appareils fonctionnent à des niveaux de tension de surcharge, cela crée une instabilité de l'appareil
  • Comme les appareils ont une fine couche d'oxyde, cela peut endommager l'appareil lorsqu'il est stimulé par les charges électrostatiques

Applications

Les applications du MOSFET sont

  • Les amplificateurs en MOSFET sont extrêmement utilisés dans les applications de fréquence étendues
  • La régulation des moteurs à courant continu est assurée par ces appareils
  • Comme ceux-ci ont des vitesses de commutation améliorées, il agit comme parfait pour la construction d'amplificateurs hacheurs
  • Fonctionne comme un composant passif pour divers éléments électroniques.

En fin de compte, on peut conclure que le transistor nécessite du courant alors que le MOSFET nécessite une tension. L'exigence de conduite pour le MOSFET est bien meilleure, beaucoup plus simple par rapport à un BJT. Et aussi savoir Comment câbler un Mosfet à un commutateur?

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