MOSFET: werking, structuur en toepassingen in moderne elektronica

Er zijn vier gangbare typen MOSFET:

Versterkingsmodus N-kanaal MOSFET

De schakelaar tussen de "source" en de "drain" staat meestal uit. U kunt de schakelaar aanzetten door een positieve spanning op de "gate" te zetten, zodat deze een hogere spanning heeft dan de "source".

Versterkingsmodus P-kanaal MOSFET

De schakelaar tussen de "source" en de "drain" staat meestal uit. U kunt de schakelaar inschakelen door een negatieve spanning op de "gate" aan te brengen, zodat deze een lagere spanning heeft dan de "source".

Depletion mode N-Channel MOSFET

De schakelaar tussen de "source" en de "drain" staat meestal aan. U kunt de schakelaar uitschakelen door een negatieve spanning op de "gate" aan te brengen, zodat deze een lagere spanning heeft dan de "source".

Depletion mode P-Channel MOSFET

De schakelaar tussen de "source" en de "drain" staat meestal aan. U kunt de schakelaar uitschakelen door een positieve spanning op de "gate" aan te brengen, zodat deze een hogere spanning heeft dan de "source".

Depletion mode P-Channel MOSFET's zijn meestal niet beschikbaar.

Samenvatting

Geïntegreerde schakelingen

Op een klein stukje silicium kunnen miljoenen MOSFET's worden gemaakt. Dit maakt een geïntegreerde schakeling. Zie het artikel over geïntegreerde schakelingen voor details.

De rest van dit hoofdstuk gaat over enkele MOSFET's met drie aansluitingen.

Warmte

Als de MOSFET gedeeltelijk is ingeschakeld, vermindert hij het vermogen dat er doorheen gaat. Dat doet hij door wat stroom om te zetten in warmte. Zelfs als hij aan staat, zet hij nog steeds wat stroom om in warmte.

De MOSFET heeft een weerstand. Wanneer er stroom vloeit van de drain van de MOSFET naar de bron, zal er een spanningsval zijn. Vermenigvuldig die stroom en spanning om het vermogensverlies te krijgen. Dat verloren vermogen wordt warmte.

De MOSFET moet die warmte afvoeren, meestal door ze aan de lucht door te geven.

Kleinere MOSFET's worden warm en verwarmen de nabijgelegen lucht. Sommige MOSFET's moeten op een printplaat staan, die een groter oppervlak heeft om meer lucht te verwarmen. De MOSFET's met het hoogste vermogen moeten op een koellichaam staan. Het koellichaam is een groot stuk metaal met vinnen om de warmte over een groot oppervlak aan de lucht af te geven. Ze kunnen ook een ventilator nodig hebben om veel lucht over het koellichaam te blazen.

Andere verschillen tussen MOSFET's

Er zijn veel verschillende MOSFET's verkrijgbaar. Wanneer u een MOSFET kiest uit de 4 hoofdtypen, zijn er nog heel wat andere dingen waar u aan moet denken. Verschillen tussen MOSFET's zijn onder meer:

• V_GSS - De toegestane spanning tussen de gate en de source. Als u een te grote spanning toepast, gaat de MOSFET kapot.
• V_DSS - De toegestane spanning tussen de drain en de source. Als u een te grote spanning toepast, gaat de MOSFET kapot.
• I_D - De toegestane stroom tussen de drain en de source. Als u probeert een grote belasting, zoals een motor, van stroom te voorzien, hebt u een MOSFET nodig die ontworpen is voor hoge stromen.
• _VGS(TH) ("drempelspanning") - Ongeveer de spanning die u op de "gate" moet zetten om te kunnen schakelen. Hoeveel de MOSFET "aan" staat, hangt af van de exacte spanning aan de "gate", de temperatuur en de spanning aan de "drain". Het gegevensblad van de MOSFET bevat details.
• RDS_(ON) - Wanneer de MOSFET volledig "aan" staat, gedraagt hij zich met deze waarde als een weerstand. Een hogere waarde betekent dat, wanneer de MOSFET volledig "aan" staat, er meer vermogen wordt verspild en er meer warmte wordt ontwikkeld. Kleiner is beter.
• P_D - De grootste hoeveelheid warmte die de MOSFET per seconde kan afgeven zonder te breken. (De "vermogensdissipatie"). Als u de MOSFET sneller warmte laat afgeven dan dit, zal de MOSFET oververhit raken en breken.
• R_θJA - Hoe slecht de MOSFET is in het overbrengen van die warmte naar de lucht. Lagere getallen zijn beter. Voor MOSFET's die een koellichaam gebruiken, wordt aangegeven hoe slecht ze zijn in het overbrengen van warmte naar het koellichaam.
• T_J - De werktemperatuur van het deel van de MOSFET dat de warmte genereert. Als deze boven de limiet komt, gaat de MOSFET kapot.
• t_D(ON) en tD_(OFF) - De tijd die nodig is om de MOSFET in en uit te schakelen. Kleinere, laagspannings- en laagstroom-MOSFET's kunnen snel genoeg zijn voor gebruik in de snelste computers. Grotere, sterkere MOSFET's zijn meestal langzamer.
• Statische elektriciteit kan een MOSFET breken. Sommige MOSFET's zijn beveiligd tegen statische elektriciteit.
• Sommige onderdelen bevatten meerdere MOSFET's op één apparaat. Dit kan kleiner zijn dan afzonderlijke MOSFET's. Het kan ook goedkoper zijn om een elektronische printplaat met minder onderdelen te maken.

Er zijn veel verschillende manieren om MOSFET's op de halfgeleider te maken. De eenvoudigste methode is weergegeven in het diagram rechts van deze tekst. Het blauwe deel stelt P-type silicium voor, terwijl het rode deel N-type silicium voorstelt. Het snijpunt van de twee typen vormt een diode. Bij siliciumhalfgeleiders is er een eigenaardigheid die de "verarmingszone" wordt genoemd. In gedoteerd silicium, waarvan een deel gedoteerd N-type is, en een deel gedoteerd P-type, vormt zich van nature een verarmingsgebied op het snijpunt tussen de twee. Dit komt door hun acceptoren en donoren. P-type silicium heeft acceptoren, ook bekend als gaten, die elektronen naar zich toe trekken. Het N-type silicium heeft donoren, oftewel elektronen, die door gaten worden aangetrokken. Op de grens tussen beide vullen de elektronen van het N-type de gaten in het P-type. Hierdoor worden de atomen van het P-type negatief geladen, en aangezien negatieve ladingen positieve ladingen aantrekken, stromen de acceptoren, of gaten, naar de "overgang". Aan de kant van het N-type is er een positieve lading, waardoor de donoren, of elektronen, naar de "kruising" stromen. Daar aangekomen worden ze afgestoten door de negatieve lading aan de andere kant van de splitsing, omdat gelijke ladingen elkaar afstoten. Hetzelfde gebeurt aan de kant van het P-type: de donors, of gaten, worden afgestoten door het positieve gebied aan de kant van het N-type. Er kan geen elektriciteit tussen de twee stromen, omdat er geen elektronen naar de andere kant kunnen bewegen.

MOSFET's gebruiken dit in hun voordeel. De "Body" van de MOSFET wordt negatief gevoed, waardoor de verarmingszone breder wordt, aangezien de gaten worden gevuld met de nieuwe elektronen, zodat de tegenkracht voor de elektronen aan de N-zijde veel groter wordt. De "Source" van de MOSFET wordt negatief gevoed, waardoor de verarmingszone in het N-type volledig krimpt, aangezien er voldoende elektronen zijn om de positieve verarmingszone te vullen. De "Drain" wordt positief gevoed. Wanneer de "Gate" een positief vermogen krijgt, zal deze een klein elektromagnetisch veld creëren, waardoor de verarmingszone direct onder de gate verdwijnt, aangezien er een "nevel" van gaten ontstaat, die een zogenaamd "N-kanaal" vormt. Het N-kanaal is een tijdelijk gebied van het P-type silicium waar geen verarmingszone is. Het positieve elektrische veld neutraliseert alle reserve-elektronen in de verarmingszone. De elektronen in het brongebied hebben dan een vrije doorgang naar de "Drain", waardoor de elektriciteit van bron naar drain stroomt.