Hỏi Đáp

      MOSFET là gì? Kiến thức bạn cần biết về MOSFET

      Posted on by
      13
      Th5

      Mosfet là gì

      Trong các bộ chuyển mạch, MOSFET là thiết bị quan trọng được áp dụng trong nhiều kiểu thiết kế mạch điện, từ mạch điều khiển đơn giản đến những bộ chỉnh lưu và biến tần phức tạp. MOSFET có khả năng xử lý dòng điện có điện áp cao, do đó chúng rất phổ biến trong các thiết bị công suất lớn. Trong bài viết này, Antshome sẽ chia sẻ MOSFET là gì và những kiến thức bạn cần biết để áp dụng chúng trong mạch điện.

      MOSFET là gì?

      MOSFET, viết tắt của Metal Oxide Field Semiconductor Effect Transistor hay là transistor hiệu ứng trường, là một thiết bị bán dẫn có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện được sử dụng rộng rãi như một công tắc điện từ và khuếch đại tín hiệu điện tử.

      Trong những năm gần đây, sự phát triển của linh kiện bán dẫn như MOSFET dẫn đến việc sử dụng chủ yếu các linh kiện này trong các mạch tích hợp kỹ thuật số, do cấu trúc vượt trội của nó. Lớp Silicon Dioxide (SiO2) hoạt động như một chất cách điện giữa cực cổng và cực máng. Hoạt động giữa nguồn và máng cung cấp trở kháng đầu vào cao gần như vô hạn do đó thu được tất cả tín hiệu đầu vào.

      1. Kí hiệu của MOSFET

      MOSFET là linh kiện có 4 bộ phận chính: Chân máng (Drain), chân nguồn (Source), chân cổng (Gate) và phần thân (Body). Phần thân được kết nối với chân nguồn nên nó hoạt động như một linh kiện 3 chân như bóng bán dẫn hiệu ứng trường. Trong hình dưới đây thể hiện kí hiệu của MOSFET kênh N (trái) và MOSFET kênh P (Phải).

      2. Cấu tạo của MOSFET

      Như đã đề cập ở trên, MOSFET có cấu tạo từ 4 bộ:

      • G: Cực cổng hay còn gọi là cực điều khiển.
      • S: Cực nguồn.
      • D: Cực máng.
      • Phần thân.

      Cực cổng (G) được cách ly hoàn toàn khỏi lớp cách điện môi cực mỏng Silicon Dioxide (SiO2). Cực máng (D) là cực đón các hạt mang điện. Điện trở giữa cực G và S và giữa cực G và cực D là vô cùng lớn. Điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch (UGS). Khi đó, các trường hợp sau sẽ xảy ra:

      • Khi điện áp UGS = 0, điện trở RDS sẽ rất lớn.
      • Khi điện áp UGS > 0, hiệu ứng từ trường sẽ làm cho điện trở RDS giảm. Khi điện áp UGS càng lớn thì điện áp RDS càng nhỏ.

      3. Nguyên lý làm việc của MOSFET

      MOSFET kiểm soát điệp áp và dòng điện giữa cực nguồn và cực máng. Hoạt động của MOSFET phụ thuộc vào tụ điện MOS, một bề mặt bán dẫn nằm bên dưới lớp Silicon Dioxide giữa cực nguồn và cực máng. Nó có thể đảo ngược từ cực p sang cực n bằng cách đặt điện áp dương hay điện áp âm lên cực cổng. Hình ảnh bên dưới thể hiện sơ đồ khối của MOSFET.

      Khi mà nguồn điện áp VDC được nối giữa cực máng và cực nguồn, cực máng được áp điện áp dương và cực nguồn là điện áp âm. Lúc này, điểm nối PN ở cực máng được phân cực ngược và điểm nối PN ở cực nguồn được phân cực thuận. Ở giai đoạn này, không có dòng điện này chạy qua giữa cực máng và cực nguồn.

      Nếu chúng ta cung cấp điện áp dương (VGS) vào cực cổng, do lực hút tĩnh điện, các hạt electron ở P-Substrate sẽ bắt đầu tích tụ ở cực cổng và tạo thành cây cầu dẫn điện giữa hai vùng n+. Số lượng electron tích tụ sẽ phụ thuộc vào mức độ mạnh yếu của điện áp. Điện áp được tác dụng càng cao thì kênh nối n sẽ càng lớn và điều này dẫn tới tăng mức độ dẫn điện. Dòng điện ID sẽ bắt đầu chạy giữa cực nguồn và cực máng.

      Khi không có nguồn điện đặt ở cực cổng, sẽ không có bất kỳ dòng điện nào chạy qua. Điện áp tối thiểu mà MOSFET bắt đầu dẫn được gọi là điện áp ngưỡng.

      MOSFET kênh P

      MOSFET kênh P là thiết bị 4 cực bao gồm: cực cổng, cực máng, cực nguồn và phần thân. Cực máng và cực nguồn thuộc vùng P+ và phần thân thuộc loại N. Chiều của dòng điện tỉ lệ thuận theo hướng của lỗ tích cực (positively charged holes).

      Khi chúng ta cho điện áp âm chạy qua cực cổng, các electron ở lớp oxit được đẩy xuống các nguyên tử nền. Vùng suy giảm được tạo thành từ các nguyên tử mang điện tích dương liên kết với các nguyên tử có tạp chất cho (donor atoms). Ngoài ra, điện áp âm còn thu hút các lỗ trống điện từ từ nguồn P+ và cực máng.

      MOSFET kênh N

      MOSFET kênh N là thiết bị 4 cực gồm: cực cổng, cực máng, cực nguồn và phần thân. Cực máng và cực nguồn thuộc vùng N+ và phần thân thuộc loại P.

      Dòng điện chạy qua MOSFET loại này diễn ra do các electron mang điện tích âm. Khi chúng ta cho điện áp dương chạy qua cực cổng thì các lỗ trống điện từ ở bên dưới lớp oxit được đẩy xuống các nguyên tử nền. Vùng suy giảm được tạo thành từ các nguyên tử mang điện tích âm liên kết với các nguyên tử có tạp chất nhận (acceptor atoms).

      Khi các electrons tiếp cận sẽ hình thành kênh dẫn (channel) sẽ được hình thành. Điện áp dương sẽ thu hút các electrons từ vùng N+ và cực máng đến kênh dẫn này. Lúc này, nếu áp dụng điện áp giữa cực máng và cực nguồn thì dòng điện sẽ được truyền đi một cách tự do, và điện áp nguồn sẽ kiểm soát các electron trong kênh dẫn. Ngược lại, nếu áp dụng điện áp âm thì kênh dẫn chứa lỗ hổng điện từ được hình thành dưới lớp oxit.

      4. Chế độ hoạt động của MOSFET

      Hoạt động của MOSFET có thể được chia thành 3 chế độ khác nhau:

      • Chế độ Cut-off – chế độ dưới ngưỡng giới hạn: Thiết bị luôn được đặt ở chế độ Tắt (OFF) và không có dòng điện chạy qua nó. Thiết bị sẽ hoạt động như là một công tắc cơ bản và chỉ sử dụng khi cần thiết.
      • Chế độ bão hòa (Saturation): Ở chế độ này, cực máng sẽ đảm bảo điện áp được giữ ổn định, dù điện áp giữa cực máng và cực muốn tăng lên. Cơ chế này chỉ diễn ra khi điện áp chạy giữa cực máng và cực nguồn vượt quá định mức cho phép. Trong trường hợp này, thiết bị sẽ hoạt động như là một công tắc khép kín với dòng điện được bão hòa.
      • Chế độ tuyến tính (Linear/Ohmic Region): Đây là chế độ mà dòng điện giữa cực máng đến cực nguồn tăng lên theo mức gia tăng của điện áp. MOSFET loại này thường thực hiện chức năng khuếch đại.

      Các thiết bị bán dẫn như MOSFET hay BJT về cơ bản hoạt động như một công tắc trong 2 trường hợp ở trạng thái Bật (ON) và trạng thái Tắt (OFF):

      • Ở trạng thái Bật, chúng phải có giới hạn điện mức có thể chạy qua.
      • Ở trạng thái Tắt, mức điện áp cản (Blocking voltage) không có một giới hạn nào.
      • Khi thiết bị hoạt động ở trạng thái Bật, giá trị sụt áp về mức 0.
      • Điện trở ở trạng thái Tắt phải là vô hạn.
      • Chúng không có giới hạn nào về tốc độ hoạt động.

      5. Hoạt động của MOSFET trong mạch điện

      Ứng dụng phổ biến của MOSFET nằm ở công tắc điện. Hình ảnh bên dưới là bản vẽ của MOSFET hoạt động với chức năng Bật/Tắt. Khi Điện áp đầu vào ở cực cổng VGS giữa G và S dương, động cơ sẽ ở trạng thái Bật và ngược lại khi điện áp âm, động cơ sẽ ở trạng thái Tắt.

      Trường hợp chúng ta bật MOSFET bằng cách cung cấp lượng điện áp cần cho cực cổng, nó sẽ luôn ở trạng thái bật trừ khi áp dụng lượng điện áp 0V. Để tránh vấn đề này xảy ra, chúng ta nên luôn sử dụng điện trở kéo xuống (R1). Trong các ứng dụng để điều khiển tốc độ động cơ hay làm mờ đèn, chúng ta có thể sử dụng tín hiệu PWN chuyển đổi nhanh. Trong trường hợp này, cực cổng của MOSFET sẽ tạo ra một dòng điện ngược chiều nhờ hiệu ứng điện dung ký sinh. Cách giải quyết vấn đề này là chúng ta sử dụng tụ điện có giới hạn dòng.

      Tải điện trên là loại tải điện trở nên mạch của chúng rất đơn giản. Nếu áp dụng tải điện cảm hoặc tải điện dung, chúng ta nên sử dụng các thiết bị bảo vệ MOSFET không bị hư hỏng. Lý do là vì khi sử dụng tải điện dung mà không có điện tích thì sẽ dẫn đến sự cố ngắn mạch. Điều này sẽ làm dòng điện tăng cao và khi điện áp được ngắt khỏi tải điện sẽ có một lượng lớn điện áp ngược được tích tụ trong mạch.

      Tham khảo thêm >> Thợ sửa điện quận 5 – Dịch vụ tại nhà uy tín, chất lượng Antshome

      Phân loại ưu – nhược điểm của MOSFET

      MOSFET có các ưu – nhược điểm và phân loại sau đây:

      1. Phân loại

      MOSFET được phân thành 2 loại dựa trên ứng dụng của chúng đó là MOSFET chế độ tăng cường (Enhancement Mode MOSFET) E-MOSFET và MOSFET chế độ suy giảm (Depletion Mode MOSFET) D-MOSFET.

      MOSFET chế độ tăng cường (Enhancement Mode MOSFET)

      Khi không có dòng điện chạy qua cực cổng, thiết bị sẽ không thể hoạt động, nhưng một khi có điện áp tối đa, khả năng hoạt động của thiết bị được tăng cường đáng kể.

      MOSFET chế độ suy giảm (Depletion Mode MOSFET)

      Khi không có điện áp chạy qua cực cổng, thiết bị có thể hoạt động ở mức tối đa. Trong khi đó, điện áp qua cực cổng là dương hoặc âm thì khả năng hoạt động bị suy giảm.

      Các MOSFET này được tiếp tục phân loại dựa loại chất liệu được sử dụng là kênh-n hay kênh-p:

      • Chế độ tăng cường kênh N (Tắt)
      • Chế độ tăng cường kênh P (Bật)
      • Chế độ suy giảm kênh N (Tắt)
      • Chế độ suy giảm kênh P (Bật)

      ĐIểm khác biệt giữa MOSFET kênh N và MOSFET kênh P đó là ở kênh N, công tắc MOSFET sẽ luôn mở cho đến khi cực cổng được cung cấp điện áp. Lúc đó, công tắc sẽ được đóng lại. Ngược lại, công tắc MOSFET kênh P sẽ luôn đóng cho đến khi được cung cấp điện.

      Tương tự, điểm khác biệt giữa MOSFET chế độ tăng cường và chế độ suy giảm đó là điệp áp ở cực cổng MOSFET chế độ tăng cường luôn ở trạng thái dương, trong khi đó cực cổng MOSFET ở chế độ suy giảm có thể âm hoặc dương.

      2. Ưu – nhược điểm của MOSFET

      Ưu điểm

      • MOSFET cung cấp hiệu quả cao hơn trong khi hoạt động ở điện áp thấp hơn.
      • Sự vắng mặt của dòng điện cực gate dẫn đến trở kháng đầu vào cao tạo ra tốc độ chuyển mạch cao.
      • Hoạt động ở công suất thấp hơn và không có dòng điện.
      • Có trở kháng đầu vào cao hơn nhiều so với JFET.
      • Chế tạo, sản xuất MOSFET dễ dàng hơn JFET.
      • Tốc độ hoạt động cao hơn so với JFET.
      • Khả năng tùy biến kích thước rất cao.
      • MOSFET không có diode cổng. Điều này làm cho nó có thể hoạt động với điện áp cổng dương hoặc âm.
      • Nó có mức tiêu thụ điện năng thấp để cho phép nhiều thành phần hơn trên diện tích bề mặt chip.

      Nhược điểm

      • Lớp oxit mỏng làm cho các MOSFET dễ bị hỏng bởi các điện tích tĩnh điện.
      • Điện áp quá tải làm cho nó không ổn định.
      • Không hoạt động tốt trong tần số vô tuyến tín hiệu thấp

      3. Ứng dụng của MOSFET trong đời sống

      • Bộ khuếch đại MOSFET được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng vô tuyến với tần số rất cao.
      • Nó hoạt động như một yếu tố thụ động như điện trở, tụ điện và cuộn cảm.
      • Động cơ DC có thể được điều chỉnh bởi MOSFET công suất.
      • Tốc độ chuyển mạch cao của MOSFET làm cho nó trở thành một lựa chọn lý tưởng trong việc thiết kế mạch chopper.
      • Cảm biến MOS trên MOSFET, được sử dụng rộng rãi để đo các thông số vật lý, hóa học, sinh học và môi trường. Ví dụ, bóng bán dẫn hiệu ứng trường nhạy cảm với ion (ISFE), được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng y sinh.
      • Sò công suất MOSFET thường được sử dụng trong điện tử ô tô, IGBT. Đặc biệt là các thiết bị chuyển mạch trong các bộ điều khiển điện tử, và làm bộ chuyển đổi năng lượng trong xe điện hiện đại, các thiết bị chuyển đổi tín hiệu.
      • MOSFET được sử dụng rộng rãi trong điện tử tiêu dùng. Một trong những sản phẩm điện tử tiêu dùng có ảnh hưởng sớm nhất hoạt động bởi các mạch MOSFET LSI là máy tính bỏ túi điện tử.
      • Sự ra đời của MOSFET cho phép sử dụng các bóng bán dẫn MOSFET làm thành phần lưu trữ tế bào bộ nhớ, một chức năng trước đây được phục vụ bởi các lõi từ tính trong bộ nhớ máy tính.

      4. Những câu hỏi thường gặp

      Lời kết

      Antshome đã tổng kết những kiến thức cơ bản về MOSFET. Hi vọng bài viết này sẽ giúp bản hiểu hơn về MOSFET và vai trò của chúng trong mạch điện, đặc biệt là ở vị trí công tắc. Chúc bạn thành công!

      Thông tin Antshome:

      • Địa chỉ: 528/5/112 Điện Biên Phủ Phường 11 Quận 10, TP. HCM
      • Giờ làm việc: 8:00AM – 9:00PM
      • Hotline: 091.692.1080
      • Email: support@antshome.vn
      • Tiktok: https://www.tiktok.com/@antshome.vn
      • Facebook: https://www.facebook.com/antshome.vn
      • Instagram: https://www.instagram.com/antshome.vn/
      • Youtube: https://www.youtube.com/c/ANTSHOMEYOURHOMEMAINTENANCETECHNICAL

      Tham khảo thêm >> Dịch vụ sửa điện quận 3 tận nơi uy tín, chất lượng Antshome