Spis treści:
Urządzenia półprzewodnikowe do przełączania i wzmacniania sygnałów to między innymi tranzystory MOSFET. Bardzo małe rozmiary i rewolucyjna wielofunkcyjność w przełączaniu zapewniły im stałe miejsce w nowoczesnej elektronice.
Skrót MOSFET oznacza Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor i opisuje technologię produkcji tranzystorów polowych. To rodzaj tranzystora półprzewodnikowego, który jest powszechnie stosowany w elektronice i układach cyfrowych. Tranzystor MOSFET można opisać jako czterozaciskowe urządzenie posiadające zaciski źródła (S), bramki (G), drenu (D) i korpusu (B). Korpus tranzystora MOSFET jest połączony z zaciskiem źródłowym i tworzy w ten sposób urządzenie z trzema zaciskami, czyli tranzystor polowy. MOSFET jest więc uważany za tranzystor i stosowany zarówno w obwodach analogowych, jak i cyfrowych. W MOSFET prąd między źródłem a drenem płynie w zależności od napięcia na bramce, które kontroluje obszar przewodzenia w kanale pomiędzy źródłem a drenem. Dzięki temu możliwe jest szybkie i efektywne przełączanie prądu. To właśnie sprawia, że MOSFET staje się idealnym kandydatem do zastosowań w układach cyfrowych, zasilaczach, sterownikach silników, wzmacniaczach mocy i wielu innych aplikacjach elektronicznych.
Elektronika. MOSFET kiedyś i dziś
Patent MOSFET pochodzi jeszcze sprzed II wojny światowej. Austriacki inżynier Julius Edgar Lilienfeld poszukiwał połączenia warstwy izolacyjnej z tlenku metalu pomiędzy metalową bramką a półprzewodnikowym kanałem. Jego odkrycie z 1925 roku miało ogromne znaczenie dla rozwoju współczesnej elektroniki. Pomimo praktycznych wyników prac Lilienfelda MOSFET nie zdobył znaczenia aż do lat 60. XX wieku. Wtedy to amerykańscy konstruktorzy zastosowali izolację przez tlenek metalu w tranzystorach krzemowych, i dopiero ta udoskonalona wersja MOSFETu pokazała światu wagę stabilności, możliwości skalowania i drogi rozwoju dla zaawansowanych układów scalonych.
Produkcja MOSFETów może być kosztowna, ale jest to uzależnione od wielu czynników, w tym od wielkości produkcji, technologii wykorzystywanej w procesie wytwarzania oraz konkurencyjności rynku. Sam proces produkcji MOSFETów odbywa się w zaawansowanych fabrykach półprzewodników, które wymagają znacznych inwestycji w infrastrukturę i specjalistyczny sprzęt. Proces produkcji jest skomplikowany i zautomatyzowany i obejmuje wiele etapów, takich jak litografia, osadzanie materiałów, fotolitografia, trawienie, implantacja jonowa i wiele innych. Rynek MOSFETów jest jednak dobrze rozwinięty i konkurencyjny. Z pewnością cieszy fakt, że wielu producentów na całym świecie – choćby ON Semiconductor, STMicroelectronics, Texas Instruments czy nieco lepiej znana komercyjnie Toshiba – zajmuje się produkcją MOSFETów, a to prowadzi do różnorodności oferowanych produktów i różnic w cenach. Główni producenci półprzewodników znajdują się w Azji, szczególnie w Chinach, Korei Południowej i Tajwanie, ale znaczący gracze rynkowi lokują się także w Stanach Zjednoczonych i Europie.
Zasilanie i elektronika z MOSFET
W dziedzinie zasilania i konwersji energii MOSFETy są niezbędnym elementem w zasilaczach impulsowych. Umożliwiają efektywne przekształcenie napięcia oraz precyzyjne sterowanie przepływem prądu. Są również szeroko stosowane w układach sterowania silnikami, zarówno w przemyśle, jak i w zyskujących popularność pojazdach elektrycznych. Dodatkowo MOSFETy odgrywają istotną rolę w zaawansowanych układach zasilania, regulatorach napięcia i różnego rodzaju przekształtnikach energii. MOSFET ma również zastosowania w bliskiej elektronikom dziedzinie układów cyfrowych, gdzie jest wykorzystywany do budowy bramek logicznych, pamięci statycznej RAM (SRAM) i mikroprocesorów.
Zastosowania MOSFET - dźwięk i muzyka
MOSFETy zawierają układy cyfrowe, gdzie te są wykorzystywane do budowy bramek logicznych, pamięci statycznej RAM (SRAM) i mikroprocesorów. Dzięki swoim właściwościom znakomicie sprawdza się także jako wzmacniacz audio w układach wysokiej jakości zapewniając niskie zniekształcenia dźwięku oraz wysoką efektywność.
Wzmacniacze gitarowe często wykorzystują MOSFETy jako kluczowe elementy mocy lub jako część obwodów przedwzmacniaczy, a dzięki zdolności do szybkiego przełączania, MOSFETy pozwalają uzyskać charakterystyczne brzmienia i odpowiedzi na sygnał gitarowy. Bez MOSFET nie byłoby nowoczesnych efektów przesteru (overdrive), przesterowania lampowego (distortion) czy efektów w przedwzmacniaczach mikrofonowych. Korzystają z nich także przenośne instrumenty elektroniczne takie jak syntezatory, samplery i moduły dźwiękowe.
MOSFET jako przełącznik
N-kanałowy MOSFET w trybie wzmocnienia (e-MOSFET) działa przy dodatnim napięciu wejściowym i ma wysoką rezystancję wejściową – można rzec, że prawie nieskończoną, co umożliwia wykorzystanie go jako przełącznika, gdy jest połączony z prawie każdą bramką logiczną lub sterownikiem zdolnym do wytworzenia dodatniego wyjścia. Równoległe łączenie różnych tranzystorów MOSFET umożliwia przełączanie dużych prądów lub obciążeń o wysokim napięciu, ale staje się to kosztowne i niepraktyczne zarówno pod względem komponentów, jak i miejsca na płytce PCB. Aby przezwyciężyć ten problem, opracowano tranzystory polowe mocy (z ang. Power Field Effect Transistors lub Power FET).
MOSFET w trybie wzmocnienia jest stosowany jako przełącznik, ponieważ tranzystory te wymagają dodatniego napięcia bramki, aby włączyć “ON” i zerowego napięcia, aby wyłączyć “OFF”. Stają się wówczas poręcznymi przełącznikami i elementami łatwymi do łączenia z bramkami logicznymi.
W trybie przewodzenia (on), kiedy napięcie na bramce przekroczy pewien próg, MOSFET tworzy kanał przewodzenia w półprzewodnikowej warstwie między źródłem a drenem. W takim przypadku prąd może swobodnie płynąć między źródłem a drenem, co skutkuje stanem włączonym MOSFETa, czyli jego przewodzeniem. Z kolei w trybie odcięcia (off), kiedy napięcie na bramce jest niższe od napięcia progowego, MOSFET nie tworzy kanału przewodzenia w półprzewodnikowej warstwie, przez co prąd nie może płynąć między źródłem a drenem. W tej sytuacji, MOSFET działa jako wyłącznik i prąd nie może przechodzić przez niego. Na zakończenie zatoczmy koło do licznych urządzeń wymienionych wcześniej i wówczas najlepiej widać, dlaczego MOSFET zrewolucjonizował współczesną elektronikę.
Jedna odpowiedź
“Ze względu na bardzo wysoką rezystancję wejściową (bramki) można bezpiecznie łączyć równolegle wiele różnych tranzystorów MOSFET, aż zostanie osiągnięta wymagana wydajność prądowa. ”
No tak nie do końca. Kolega spróbuje zbudować aplikację, gdzie będzie przełączał power MOSFETy z częstotliwością ~50kHz to kolega zobaczy, że od razu spali układ podający sygnał.
Jest to powiązane z bardzo problematyczną wadą tych tranzystorów, czyli pojemnością bramki. Już przy częsotliwościach rzędu dziesiątek kHz niezbędne staje się wykorzystanie wyspecjalizowanego drivera bramek(takiego jak np. IR2184), o sporej wydajności prądowej(nawet kilku amperów) i to do jednego półmostka.